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23.05.2016

Enzyme – die Supertalente der Bioindustrie

Enzyme sind die unsichtbaren Stars der Bioökonomie. Die Biokatalysatoren lassen sich als Werkzeuge nutzen, um biobasierte Produktionsprozesse zu steuern. Sie sind wichtige Helfer in der Lebensmittelherstellung, aber auch in der Konsumgüterindustrie sind ihre außergewöhnlichen Fähigkeiten gefragt.

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Das Enzym Cas9 im 3D-Modell: das Protein ist das molekulare Skalpell der programmierbaren Genschere CRISPR-Cas9.
Quelle: 
Quelle: NIH 3D Print Exchange, National Institutes of Health

Enzyme sind die unsichtbaren Stars der biobasierten Wirtschaft. Die Biokatalysatoren ermöglichen und steuern biochemische Reaktionen - ohne die Eiweißmoleküle gäbe es kein Leben. Enzyme lassen sich als Spezialwerkzeuge nutzen, um biobasierte Produkte umzubauen, abzubauen oder zu veredeln. Damit sind Enzyme unverzichtbare Helfer in der Lebensmittelherstellung, aber auch in technischen Anwendungen der Chemie-, Pharma- und Papierindustrie übernehmen die Multitalente zentrale Aufgaben. Aus Waschmitteln sind Enzyme nicht wegzudenken. Die molekularbiologische Forschung und viele gentechnische Verfahren wären ohne Enzyme nicht möglich. Das Dossier beleuchtet die enorme Anwendungsvielfalt der Enzyme und ihr Potenzial für die Bioökonomie.

 

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Was sind Enzyme?

Enzyme sind komplexe Eiweißmoleküle. Im Körper wirken diese Proteine als Beschleuniger von biochemischen Reaktionen. Deswegen werden Enzyme auch als Biokatalysatoren bezeichnet.

Enzyme sind in Organismen die zentralen Antreiber für biochemische Stoffwechselprozesse – ohne Enzyme kein Leben. Von der Verdauung über den Energiestoffwechsel der Zellen, der Informationsübertragung bis hin zum Kopieren der Erbinformation, all diese Abläufe werden von Enzymen gesteuert.

Das Besondere: Enzyme gehen sehr spezifisch zu Werke – ein einzelnes Enzym katalysiert in der Regel nur eine einzige Reaktion und es setzt nur ein ganz bestimmtes Molekül um, das sogenannte Substrat. Das macht Enzyme zu biologischen Spezialwerkzeugen. Es existiert eine riesige Vielfalt an Enzymen mit unterschiedlichsten Fähigkeiten. Für nahezu jede biochemische Reaktion hält die Werkzeugkiste der Natur eigene Biokatalysatoren bereit. Moleküle aufbauen, abbauen oder umbauen, das sind die Kernfunktionen der Enzyme. Ihre Namen enden charakteristisch mit „-ase“, also Cellulase, Lipase oder Protease.

Wie für Katalysatoren typisch, unterstützen die Enzyme eine Reaktion, indem sie die Reaktionspartner eng zusammenbringen und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen. Sie werden aber nicht Teil des entstehenden Produkts. Auf der Oberfläche des dreidimensionalen Enzymmoleküls gibt es eine Region, in die das Substrat wie ein Schlüssel ins Schloss passt. An dieser Stelle —  dem aktiven Zentrum — läuft die Reaktion ab. Die Enzyme selbst werden danach unverändert wieder freigesetzt und können sogleich bei einem weiteren Substratmolekül in Aktion treten. Als Biomoleküle sind Enzyme bei milden Bedingungen (niedrigen Temperaturen, neutraler pH-Wert, wässrige Umgebung) aktiv. Und sie sind biologisch abbaubar.

Menschen machen sich die außerordentlichen Fähigkeiten der Enzyme schon lange zunutze. Sie werden als wichtige Hilfsmittel für die Herstellung von biobasierten Produkten eingesetzt. In der Lebensmittelindustrie, bei Futtermittel- und der Konsumgüterindustrie sind die Multitalente nicht mehr wegzudenken. Auch in der molekularbiologischen Forschung und der Züchtung haben Enzyme als Werkzeuge ihren festen Platz. Biotechnologen setzen dabei nicht mehr nur auf natürlich vorkommende Enzyme. Mithilfe neuester Erkenntnisse wollen sie neuartige Biokatalysatoren designen oder diese in Zellen zu neuen Stoffwechselwegen verknüpfen.

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Enzyme entdecken und herstellen

Enzyme sind die größte und vielfältigste Gruppe in der Welt der Proteine. Allein in dem gut erforschten Bakterium Escherichia coli kommen etwa 500 verschiedene Enzyme vor. Nach den internationalen Standards sind derzeit weltweit etwa 5.400 verschiedene Enzymklassen detailliert beschrieben und systematisch eingeordnet worden.

In der in Deutschland vor 28 Jahren aufgebauten und in Braunschweig betriebenen Enzym-Datenbank BRENDA, die als weltweit wichtigste Ressource für Biokatalysatoren gilt, sind Informationen zu 77.000 Enzymen aus mehr als 30.000 verschiedenen Organismen archiviert. Biologen durchforsten die globale Biodiversität auf der Suche nach weiteren, bislang unbekannten Enzymen. Die Suche wird durch leistungsfähige Hochdurchsatz-Technologien ("-omics") stark beschleunigt. Mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung lassen sich Erbgutabschnitte oder sogar ganze Genome aus Zell- und Gewebeproben rasch und kostengünstig auslesen. So lassen sich mittlerweile sogar sämtliche Erbinformationen eines Lebensraums, etwa eine Bodenprobe, sequenzieren. Der Forschungszweig nennt sich Metagenomik. Dadurch lassen sich auch molekulare Baupläne von Enzymen aufspüren, die sich nicht im Labor kultivieren lassen.

Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen als Quelle

Enzyme sind Naturstoffe. Es sind derart komplexe und große Biomoleküle, dass man sie nicht chemisch nachbauen kann. Sie müssen durch Biosynthese entstehen und aus biologischen Quellen gewonnen werden. Enzyme wurden früher aus tierischem oder pflanzlichem Material extrahiert. Zu den wichtigsten Quellen zählten die Bauchspeicheldrüsen von Schlachttieren (z.B. Waschmittelenzyme) oder die Mägen von jungen Kälbern und Ziegen (Lab-Gewinnung für Käse). Seit Mitte des 20. Jahrhunderts sind Mikroorganismen als effiziente Produzenten von Enzymen in den Fokus gerückt. Bakterien, Hefen oder Schimmelpilze werden dazu in geschlossenen Stahltanks – den Fermentern – kultiviert. In das flüssige Nährmedium werden Stärke oder andere Zucker hinzugegeben. Die Mikroben wachsen und gedeihen und geben die Enzyme im Idealfall in das Medium ab. Die Eiweißmoleküle werden dann geerntet: Das Medium wird konzentriert und filtriert, die meisten Enzympräparate werden als Pulver in den Handel gebracht.

Mikroben in lebende Enzym-Fabriken verwandeln

Konnten anfangs nur die Enzyme genutzt werden, die das jeweilige Bakterium natürlicherweise herstellt, so haben die moderne Biotechnologie und die Gentechnik hier ganz neue Möglichkeiten eröffnet. Mithilfe gentechnischer Methoden lässt sich der molekulare Bauplan eines gewünschten Enzyms in Bakterien über sogenannte Plasmide – kleine DNA-Ringe ­– einschleusen. Auf dieses Weise werden die Zellen umfunktioniert und darauf programmiert, fortan das hinzugefügte Enzym in hoher Ausbeute und Reinheit herzustellen. Der Großteil der Enzyme in Lebensmittelindustrie und Anwendungstechnik wird heute mikrobiell mithilfe von Gentechnik hergestellt. Zu den wichtigsten Produktionsorganismen zählen Bakterien der Gattung Bacillus und Schimmelpilze der Gattung Aspergillus.

Enzyme mit verbesserten Eigenschaften

Biotechnologen sorgen dafür, dass ihre winzigen Leistungsträger konstant und mit gleichbleibender Qualität ihre Produkte abliefern. Auf der Basis neuer Erkenntnisse der Mikrobiologie und Verfahrenstechnik können die Zellfabriken auf Höchstleistung getrimmt werden. Neue molekularbiologische Verfahren erlauben es, Enzyme gezielt auf einen bestimmten Anwendungszweck hin zu konstruieren und somit funktionell noch weiter zu verbessern (Protein-Design).

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Lebensmittelindustrie: Brot, Käse, Saft

Mit der Hilfe von Enzymen als biologische Werkzeuge können Stärke, Fette oder Eiweiße nach Wunsch modifiziert werden, daher sind die vielseitigen Helfer in zahlreichen Herstellungsschritten im Einsatz. Mehr als 50 Enzyme werden heute in der Lebensmittelindustrie verwendet. Sie erlauben eine effizientere Nutzung von Ressourcen, sichern und veredeln die Qualität der Lebensmittel und verbessern die Lagerfähigkeit.

Backwaren: In vielen Backmischungen der Bäckereien sind heutzutage Enzyme enthalten. Insbesondere in Hefeteig und Sauerteig helfen Amylasen, die Stärke im Mehl in Zucker zu spalten und so für die Hefe verfügbar zu machen. Andere bauen das Klebereiweiß Gluten ab. Je nach Produkt sorgen Enzyme für optimale Teigeigenschaften und zuverlässige Backergebnisse. Sie helfen dabei, dem Teig Volumen und Farbe zu verleihen. Sie sorgen für eine schöne und stabile Brotkrume. Das inzwischen weit verbreitete Aufbacken von vorproduzierten, gefrorenen Teigrohlingen wäre ohne Enzyme gar nicht möglich.

Milchprodukte: Damit aus Milch Käse wird, muss der Eiweißanteil gerinnen. Traditionell wird zum Dicklegen der Milch Labferment verwendet. Dieser Stoff kommt natürlicherweise in den Mägen junger Kälber und Ziegen vor. Heute ist klar, dass es sich beim Lab um ein Gemisch der Enzyme Chymosin und Pepsin handelt. Sie spalten bestimmte Eiweißstoffe (Caseine) in der Milch und lösen so die Gerinnung aus. Bevor gentechnische Verfahren bekannt waren, mussten die Enzyme aufwendig aus Kälbermägen gewonnen werden. Inzwischen übernehmen Schimmelpilze oder Hefen die Produktion: Sie wurden mit dem aus Kälbermägen isolierten Chymosin-Gen ausgestattet und stellen das Enzym nun in großen Mengen und in hoher Reinheit her. Andere Enzyme wie die Lipasen sorgen bei Käse und anderen Milchprodukten für die Entfaltung von Aromen und die Ausbildung einer gewünschten Textur. Auch die Lactase ist ein wichtiges Enzym in der Ernährungswirtschaft: Sie sorgt für die Spaltung des Milchzuckers Lactose. Das Enzym wird in Form von Tabletten und Kapseln angeboten, damit Menschen mit Lactoseintoleranz Milchprodukte zu sich nehmen können.  

Stärkeverzuckerung: Rüben- oder Rohrzucker sind längst nicht mehr die einzigen Quellen für Zucker. Im Prinzip ist jede stärkehaltige Pflanze dazu in der Lage (insbesondere Mais, Kartoffeln, Weizen). Enzyme wie die Amylase zerlegen bei der Produktion die langkettige Stärke in ihre Molekülbestandteile – in Einfachzucker wie Glucose und Dextrose. Mithilfe anderer Enzyme wie den Isomerasen entstehen im weiteren Verarbeitungsprozess verschiedene Zuckersirupe, die Fructose oder Maltose enthalten und zum Süßen genutzt werden können.

Fleisch: Auch bei der Fleischverarbeitung werden Enzyme eingesetzt, um Struktur, Farbe und Geschmack zu beeinflussen. Enzyme werden auch dazu verwandt, um unterschiedliche Fleischteile zusammenzufügen, etwa bei Kochschinken („enzymatisches Kleben“).

Getränke: Pektinasen erleichtern und verbessern das Auspressen von Obst und Gemüse, indem sie die Zellwände der Pflanzen schneller abbauen und dadurch die Saftausbeute erhöhen. Zudem bauen sie noch vorhandene Trübstoffe ab, um etwa klaren Apfelsaft zu produzieren. Andere Enzyme sorgen für glutenfreies Bier.

In der Regel keine Kennzeichnung als Zutat notwendig

Enzyme werden in der Lebensmittelindustrie in der Regel als Hilfsmittel im Herstellungsprozess eingesetzt. Im Verlauf des Prozesses werden sie entfernt oder durch Hitze inaktiviert. Da sie nicht im Endprodukt aktiv sind, muss ihr Einsatz nicht gekennzeichnet werden. Nur die Enzyme Invertase für die Frischhaltung von Marzipan und Lysozym als Konservierungsmittel sind als Zusatzstoffe auch im Endprodukt aktiv und müssen daher auf der Zutatenliste auftauchen. Gemäß einer EU-Verordnung von 2009 dürfen nur solche Enzyme in Lebensmitteln verwendet werden, die in einer europäischen Gemeinschaftsliste eingetragen sind, die Lebensmittelbehörde EFSA prüft auf Risiken. Besondere Anforderungen für Enzyme, die mithilfe gentechnisch veränderter Mikroorganismen hergestellt werden, gibt es nicht. Für sie gelten die gleichen Sicherheitsanforderungen wie für alle anderen Enzyme. Eine spezifische Gentechnik-Kennzeichnung ist nicht vorgeschrieben.

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Landwirtschaft: Futter besser verwerten

Als Zusatz in Futtermitteln verbessern die Enzyme Phytase und Xylanase die Verwertung der Nahrung durch die Nutztiere. Zum Beispiel die Phytase: das Enzym sorgt dafür, dass Tiere Phosphor aus Pflanzen besser aufnehmen können. Nicht-Wiederkäuer wie Schweine und Geflügel sind nicht in der Lage, den in der pflanzlichen Nahrung enthaltenen lebensnotwendigen Nährstoff Phosphor zu erschließen. Deshalb müssen die Phosphorverbindungen durch die Bauern extra zugefüttert werden.

Doch Phosphor ist eine knappe Ressource. Der überschüssige Phosphor landet wiederum in der Gülle und belastet die Umwelt. Durch den Zusatz von Phytase im Futter kann auf die Zufütterung von Phosphat verzichtet werden, der Phosphor aus der Nahrung wird verfügbar. Gleichzeitig sinkt die Phosphatbelastung der Umwelt bei der Düngung mit Gülle. Mithilfe biotechnologischer Verfahren ist es inzwischen möglich, das Enzym Phytase durch Schimmelpilzkulturen der Gattungen Aspergillus oder Trichoderma in großem Maßstab herzustellen.

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Technische Anwendungen: Waschen, Bleichen, Gerben

In vielen technischen Anwendungen aber auch im Haushalt sind Enzyme als Problemlöser gefragt. Sie entfernen Schmutz beim Waschen, unterstützen die Herstellung von Papier und Textilien und erlauben spezifische Syntheseprozesse in der chemischen und pharmazeutischen Industrie. Auch bei der Biospritherstellung sind Enzyme zentrale Akteure.

Waschen: Enzyme sind in Waschmitteln unverzichtbare Helfer. Weil sie bereits in kleinsten Mengen hochwirksam sind und bei geringen Temperaturen aktiv werden, sind sie wesentlich dafür verantwortlich, dass der durchschnittliche Waschmittelverbrauch und die Waschtemperatur in den letzten Jahrzehnten gesenkt werden konnte. 40 Prozent der industriell produzierten Enzyme werden in Wasch- und Reinigungsmitteln eingesetzt. Proteasen wie die Subtilisine sorgen für den Abbau von Eiweißen, entfernen also Flecken aus Blut, Kakao oder Ei. Soßenreste wiederum werden von Amylasen abgebaut, Fette durch Lipasen zerlegt. Cellulasen dienen als Weichmacher und sorgen für die Textilpflege: Sie knabbern an winzigen Knötchen oder abstehenden Mikrofasern im Baumwollgewebe und beugen damit dem „Vergrauen“ von Textilien vor. Auch in Reinigungsmitteln für Geschirrspüler oder die Reinigungsflüssigkeit von Kontaktlinsen stecken Enzyme.

Textilien bearbeiten: Anstelle von Wasserstoffperoxid lassen sich Textilien auch mit dem Enzym Katalase bleichen, und das unter milden Bedingungen und geringem Energieaufwand. Bei der Jeansherstellung wiederum werden Cellulasen genutzt, um den sogenannten „Stonewashed“-Effekt zu erzielen. Hier ersetzen die Biokatalysatoren die herkömmliche Herstellung auf der Basis von Bimssteinen.

Gerben: Auch bei der Lederbehandlung sind Enzyme gefragt. Hier werden Proteasen eingesetzt, die für den Abbau bestimmter Eiweiße in der Lederhaut von Tieren sorgen. Nur das faserartige Protein Collagen darf nicht zerlegt werden. Durch das Wirken der Enzyme wird das Leder im Verlauf der Bearbeitung geschmeidig und leichter färbbar.

Papier herstellen: In der Papier- und Zellstoffindustrie werden Enzyme eingesetzt, um den Rohstoff Holz besser mechanisch zerfasern zu können. Auch in einem weiteren Schritt der Papierherstellung, der Bleiche, werden im Vorfeld Xylanasen eingesetzt. Beim Recycling von Papier kann Druckerschwärze leichter mithilfe von Cellulasen und Lipasen entfernt werden ("Deinking"). Enzyme helfen, den Energie- und Ressourcenaufwand zu senken.

Biokraftstoffe erzeugen: Sowohl für die Herstellung von Biokraftstoffen der ersten Generation (Sprit aus stärkehaltigen Früchten) wie auch der zweiten Generation (Sprit aus Agrarreststoffen) werden Enzyme eingesetzt. Ist Holz oder Stroh der Rohstoff für die Biospritherstellung, so sorgen Cellulasen und andere Enzyme dafür, die Lignocellulose aus den Pflanzenfasern in ihre Einzelbausteine zu zerlegen. Am Ende entsteht das Zuckermolekül Glucose, das wiederum von Hefen zu Ethanol vergoren werden kann.

Wirkstoffe synthetisieren: Enzyme sind auch in der Pharmaindustrie als molekulare "Baumeister" gefragt: Per Biokatalyse lassen sich schnell und günstig Moleküle herstellen, die sich nur schwer oder gar nicht mittels chemischer Synthese erzeugen lassen. Diese Fähigkeit wird in der Pharmaindustrie genutzt, um chirale Medikamente herzustellen. Darunter versteht man Wirkstoffe, die nur in einer bestimmten 3D-Architektur wie gewünscht funktionieren. Die sogenannte Enantiomeren-selektive Katalyse ist eine der großen Stärken der Enzyme.

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Werkzeuge für Molekularbiologen und Züchter

Enzyme sind nicht nur als vielseitige Helfer in der industriellen Produktion wichtig. Sie sind unverzichtbare Werkzeuge in der molekularbiologischen Forschung. 

Molekulare Werkzeugkiste

Sogenannte Restriktionsenzyme erkennen und schneiden die DNA an Stellen mit einem ganz bestimmten genetischen Buchstabencode. Mit den molekularen Scheren lassen sich Erbgutstücke passend zurechtschneiden. Mit Ligasen wiederum lassen sich die maßgeschneiderten DNA-Stücke zusammenkleben. Ohne diese Werkzeuge wäre die Gentechnik undenkbar. Ein weiteres Standard-Enzym in den Laboren ist die Taq-Polymerase. Sie wurde einst aus dem Bakterium Thermus aquaticus isoliert. Die Mikrobe lebt in einem 90 Grad heißen Geysir im Yellowstone-Park in Kalifornien. Die Taq-Polymerase ist ein Kopierenzym, das für die Vervielfältigung von DNA-Molekülen in der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) gebraucht wird. 
Auch eine weitere revolutionäre Entdeckung basiert auf einem Enzym: die programmierbare Genschere  CRISPR-Cas9. Es handelt sich um ein molekulares Präzisionswerkzeug, mit dem sich Erbgut in lebenden Zellen besonders einfach und präzise bearbeiten lässt. Fündig wurden Mikrobiologen in dem Bakterium Streptococcus pyogenes. Es hat ein molekulares Abwehrsystem gegen Viren entwickelt. Forscher haben dieses CRISPR-Cas9-System für biotechnologische Anwendungen optimiert und eine sogenannte Designer-Nuklease geschaffen.

Revolutionäre Genschere

Cas9 ist in dem System die eigentliche Genschere – als Nuklease kann sie Doppelstrangbrüche im Erbmolekül DNA auslösen. Durch das CRISPR-System lässt sie sich darauf programmieren, an definierten Stellen im Genom ihre Schnitte zu setzen. Auf diese Weise lassen sich an vielen Stellen gleichzeitig Mutationen in das Erbgut einfügen, Abschnitte herausschneiden oder DNA-Fragmente einbauen. Molekularbiologen sprechen hierbei vom Genome Editing. Neben CRISPR-Cas9 existieren noch andere Designer-Nukleasen. Wegen der einfachen Handhabung hat das CRISPR-Cas-System jedoch rasant Einzug in die Labore gehalten. Obwohl erst 2012 beschrieben, zeichnet sich bereits ab, dass es nicht nur die Grundlagenforschung verändert. Auch für die Züchtung von Nutzpflanzen und Nutztieren birgt die Technologie enormes Potenzial. Für die Erforschung von Krankheiten und neuartige Gentherapien eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten.

Neue Stoffwechselwege konstruieren

In den Anfängen der molekularen Biotechnologie wurden Bakterien als Produktionsorganismen lediglich mit dem zusätzlichen Bauplan für ein einziges Protein ausgerüstet. Inzwischen gelingt es Forschern, komplexe Stoffwechselwege mit zahlreichen enzymatischen Synthese-Schritten zu entwerfen, Zellen damit auszustatten und auf diese Weise industrielle Produkte herzustellen. Bei diesem Metabolic Engineering bedienen sich die Forscher genetischer Steuerelemente und Biosynthese-Gene unterschiedlicher Herkunft – etwa aus Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen. Diese gezielte Konstruktion von Stoffwechselwegen und Zellfabriken, die in der Natur so nicht vorkommen, wird auch Synthetische Biologie genannt.

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Wirtschaftliches Potenzial

Enzyme sind zu einem bedeutenden Standbein der industriellen Biotechnologie geworden. Der Verband der Enzymhersteller AMFEP listet allein rund 250 Enzyme auf, die kommerziell vertrieben werden. Biokatalysatoren kamen im Jahr 2010 in folgenden Sektoren zum Einsatz (nach Sahm et al. „Industrielle Mikrobiologie“)

  • 29% Lebensmittel
  • 19% Futtermittel
  • 23% Waschmittel
  • 29% restliche Anwendungen ( Textil, Biokraftstoffe, Papier etc.)

Die Herstellung von Enzymen erfolgt zu einem sehr großen Teil in Europa, wie die von der Europäischen Kommission in Auftrag gegebene Bio4U-Studie der Gemeinsamen Forschungsstelle (Joint Research Centre) im Jahr 2007 festgestellt hat. Demnach haben 80 von weltweit 117 Herstellern ihren Hauptsitz in Europa. Darüber hinaus finden hier insgesamt 64% der weltweiten Enzymproduktion statt, zu einem großen Teil in Dänemark, Frankreich und Deutschland.

Die Informationsplattform biotechnologie.de hat für dieses Dossier seine Datenbank durchforstet. Demnach gab es im Jahr 2016 unter den dedizierten Biotechnologie-Unternehmen in Deutschland rund 20 Enzymhersteller. Ein Großproduzent hierzulande ist die BASF. Der Chemie-Konzern Henkel wiederum setzt von Auftragsherstellern produzierte Enzyme in großen Stil in seinen Waschmitteln ein.

Nach Schätzungen des dänischen Großproduzenten Novozymes wurden im Jahr 2015 weltweit mit industriellen Enzymen insgesamt rund 3,3 Milliarden Euro umgesetzt. Auf das Unternehmen entfällt fast die Hälfte des weltweiten Umsatzes (48%). Zu den weiteren Enzym-Riesen auf dem Weltmarkt zählt die US-Firma DuPont (20%) sowie die niederländische DSM.

EnzymklasseWeltjahresproduktion (in Tonnen)Anwendung
Amylasen1.200Lebensmittel, Waschmittel
Proteasen2.000Waschmittel
Phytasen50Futtermittel
Lipasen20Waschmittel

Redaktion: Philipp Graf

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