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Brewer’s Yeast Oxidoreductase with Activity on Maillard Reaction Intermediates of Beer

MBAA TQ vol. 40, no. 3, 2003, pp. 204-212  |  VIEW ARTICLE

Beatriz Sánchez (1), Lorena Reverol (1), Ivan Galindo-Castro (1), Adriana Bravo (1),
Rafael Rangel-Aldao (1), and José Luis Ramírez (2). 1. Polar Technology Center, 4ta. Transversal de los Cortijos de Lourdes, Edf. Centro Tecnológico Polar, Nivel-1, Caracas, Venezuela. 2. Instituto de Estudios Avanzados (IDEA), Caracas, Venezuela.

Abstract
Maillard reaction intermediate 3-deoxy-2-hexosulose (3-DH) is the most abundant alpha-dicarbonyl compound in wort and beer. Recent evidence from our laboratory using alpha-dicarbonyl trapping reagents lead us to propose these intermediates as important precursors of compounds associated with beer flavor deterioration. In living systems, 3-DH is also a major intermediate of the Maillard reaction and is responsible for protein cross-linking. The presence of 3-DH-metabolizing enzymes in some plant and animal tissues presupposes a self-defense mechanism that counteracts the 3-DH toxic effect in vivo. This work describes, for the first time, the purification, characterization, cloning, and expression of a cytosolic oxidoreductase from brewer’s yeast, with activity toward 3-DH and other Maillard reaction alpha-dicarbonyl intermediates. The N-terminal amino acid sequence of the 44-kDa polypeptide showed 96% similarity to Old Yellow Enzyme (OYE; EC 1.6.99.1). Polymerase chain reaction cloning of OYE from our brewing yeast and its recombinant expression in Escherichia coli allowed us to obtain high protein yields after a simplified purification method. Remarkably, this enzyme was capable of removing alpha-dicarbonyl intermediates from wort and beer and, consequently, blocked their further decomposition to final products. This enzyme may be a useful tool to reduce alpha-dicarbonyls during wort fermentation by preparing overexpressing recombinant brewing yeasts with the OYE homologous gene, with the expectation of improving the organoleptic stability of beer flavor.
Keywords: beer flavor, 3-deoxy-2-hexosulose, alpha-dicarbonyls, Maillard reaction intermediates, Old Yellow Enzyme, yeast oxidoreductase

 

Síntesis
El 3-deoxi-2-hexosulosa (3-DH), un producto intermediario en la reacción Maillard es el compuesto alfa-dicarbonílico más abundante en mosto y cerveza. Resultados recabados por nuestro laboratorio, utilizando reactivos que atrapan alfa-dicarbonilos, sugieren que estos productos intermediarios son importantes precursores de compuestos asociados con el deterioro del sabor/aroma de la cerveza. En sistemas vivas, el 3-DH también surge como intermediario de la reacción Maillard y es responsable por los lazos cruzados en proteínas. La presencia de enzimas que metabolizan 3-DH en algunos tejidos animales o de plantas hace suponer que existe un mecanismo de defensa que neutraliza el efecto tóxico de 3-DH in vivo. Este artículo describe por primera vez la purificación, caracterización, clonaje y expresión de una oxidoreductasa citosólica en levadura cervecera; esta enzima actúa con 3-DH y otros intermediarios alfa-dicarbonílicos. La secuencia de N-terminales en los amino ácidos del polipéptido 44-kDa mostró una similaridad del 96% con “Old Yellow Enzyme” (OYE; EC 1.6.99.1). El clonaje por reacción en cadena de polimerasa de OYE tomado de nuestra levadura cervecera y su expresión recombinante en Escherichia coli nos ha permitido obtener altos rendimientos de proteínas después de un proceso simplificado de purificación. Sorprendentemente, esta enzima fue capaz de remover intermediarios alfa-dicarbonílicos de mosto y cerveza, bloqueando así el deterioro de los productos terminados. Esta enzima podría ser una herramienta útil en las reducción de alfa-dicarbonilos durante la fermentación de mosto mediante la preparación de levaduras cerveceras recombinantes sobre-expresivas con el gen homólogo de OYE, con la expectativa de mejorar la estabilidad organoléptica de la cerveza.
Palabras claves: sabor/aroma de cerveza, 3-deoxi-2-hexosulosa, alfa-dicarbonilos, intermediarios de la reacción Maillard, “Old Yellow Enzyme”, oxidoreductasa de levadura

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