|
نقش آنزيم ها در شوينده هاي جديد
يدا... مختاري
گيسا فلاحي
واحد تحقيق و توسعه شركت پاكشو
بخش دوم
كاربرد آنزيم هاي پاك كننده
ساخت
توليد آنزيم هاي ميكروبي نقش مهمي از صنعت بيوتكنولوژي روز را به نمايش مي گذارد.مهمترين محصولات صنعتي آنزيم بوسيله تخمير پيوسته يا سيستم تخمير ناپيوسته هوازي با حجم 20-1000 متر مكعب توليد مي شود.فرآيند تخمير در محيط استرليزه خنثي از مواد اوليه تجديد پذير مانند نشاسته، ذرت،شكر و سويا در حضور نمكهاي مختلف انجام مي گيرد.بيشتر آنزيم هاي صنعتي،از ميكروارگانيسم هاي انتخابي از محيط هاي تخميري به منظور شكست منابع كربن و نيتروژن تامين مي شوند.فعاليت آنزيم از تخمير محلولي است كه از ذرات نامحلول و توده هاي زنده (Biomass )بوسيله فيلتراسيون يا سانتريفوژ جدا شده اند،سپس محلول فوق بوسيله تبخير، فرآيندهاي غشايي ويا كريستاليزاسيون تغليظ مي شودو بر اساس نوع استفاده محصول آنزيم، فعاليت گوناگوني بر روي آن انجام مي شود.
براي محصولات جامد مانند پودرهاي شوينده،گرانولهاي فاقد غبار توليد مي شود. براي مصرف در مايعات شوينده،محصول مايع و يا كپسوله شده، براي حمل و كاربرد آسان فرموله مي شوند.
پروتئاز
پروتئاز پر استفاده ترين آنزيم ها مي باشد.در شوينده هاي البسه لكه هاي پروتئيني مانند لكه چمن،خون،تخم مرغ و لكه عرق با پروتئوليزه شدن از بين مي رود.در شوينده هاي ماشين ظروفشويي پروتئازها براي پاك كردن فيلم غذاهاي پروتئيني كه يكي از مشكلات پاك كنندگي ظروف آشپزخانه مي باشند، كاربرد دارد.پروتئازها بر اساس منابع تهيه(حيواني،گياهي،ميكروبي)و فعاليت كاتاليستي آنها(اندو پپتيدي يا اكسوپپتيدي) endopeptidase or exopeptidase و همچنين طبيعت موقعيت كاتاليستي به گروههاي مختلف تقسيم بندي مي شوند. براساس يك مقايسه از موقعيت هاي اكتيو،باقي مانده كاتاليستي و ساختار سه بعدي، پروتئازها را مي توان به چهار دسته سرين serine ،تيول thiol، اسپارتيك aspartic و متالوپروتئاز metalloprotease تقسيم كرد كه خانواده سرين داراي بيشترين كاربرد در صنايع شوينده است.
نقش هيدروليز پروتئين در شويندگي:
پروتئاز به هيدروليز باندهاي زنجيره پپتيدي سرعت مي بخشد.شكسته شدن پروتئين ها با بهبود حلاليت،امولسيون كنندگي،كف كنندگي،كاهش كشش سطحي و ممانعت از نشست دوباره چرك روي سطوح باعث افزايش اثر پاك كنندگي روي البسه و سطوح سخت مي شود.
در پودرهاي شوينده آنزيم پروتئاز بصورت گرانول و كپسوله شده مورد استفاده قرار گرفته و مشكل ناپايداري وجود ندارد.شوينده هاي مايع معمولا محيط مناسبي براي پايداري آنزيم نيست و مواد محافظ براي جلوگيري از خود تخريبي پروتئازها و يا ديگر آنزيم ها مورد استفاده قرار مي گيرند.پلي اويلها مانند گليسرين،پروپيلن گليكول و پلي اتيلن گلايكول در تركيب با بوريك اسيد، براي جلوگيري از كاهش فعاليت آنزيم ها مورد استفاده قرار گرفته اند.بورات با ايجاد پيوند با موقعيت اكتيو آنزيم ها از تجزيه آنزيم جلوگيري كرده و در زمان شستشو با رقيق شدن در آب،آنزيم به فعاليت خود مي پردازد.
آميلاز
ماهيت نشاسته تنها بوسيله آلفا آميلاز شكسته مي شود.ژلاتيني شدن و متورم شدن نشاسته جهت اثربخشي آنزيم اجتناب ناپذير است.در طبخ غذا عمل ژلاتينه شدن نشاسته به نسبت هاي مختلف اتفاق مي افتد.بنابراين در شوينده هاي لباسشويي و همچنين شوينده هاي ماشين ظرفشويي آميلاز براحتي مي تواند لكه هاي شكلات،ماكاروني،سيب زميني،تخم مرغ،سس و غذاي بچه را از بين ببرد.آميلاز همچنين از چسبيدن نشاسته باز شده به سطوح ظروف آشپزخانه و البسه در هنگام شستشو جلوگيري مي كند.معمولا در غذاهاي آماده كمپلكس هايي يا محصولات توليد شده اي بين پروتئين ها،نشاسته و چربيها پيدا مي شوند،در اين حالت اثر سينرژيم آنزيم ها براي از بين بردن اين لكه ها بسيار كارساز مي باشد،كه با يك آنزيم تنها امكان از بين رفتن آنها كم است .انواع مختلف آنزيم آميلاز در رنج وسيعي از PH (6 – 11) و درجه حرارت (25 – 100) ميتواند مورد استفاده قرار گيرند.عملا آميلازها در صنعت شوينده براساس پايداري و ارزيابي كارايي محصول و با توجه به مشخصات شوينده مورد نظر،انتخاب مي شوند.
آميلاز با گسستن پيوندهاي يك و چهار آلفا در نشاسته بصورت تصادفي با هيدروليز اين مولكول و تبديل آن به دو جز محلول دكسترين ها (dextrins ) و اوليگوساكاريدها(oligosaccharides )،باعث كاهش ويسكوزيته نشاسته ژلاتيني و افزايش حلاليت آن مي شود.
نشاسته ژلاتيني شده بر روي البسه با تشكيل يك فيلم،بستري مناسب جهت چرك شدن لباس،حتي پس از شستشو مي باشد.لكه هاي نشاسته اي در تركيب با ديگر مواد چركي از مقاومت بالايي در برابر پاك شدن نسبت به لكه هاي نشاسته اي مجزا برخوردارند كه همين امر باعث چرك مردگي البسه و از دست رفتن سفيدي و شفافيت پارچه سفيد مي شود.در شوينده هاي البسه، آنزيم آميلاز باعث حفظ سفيدي و حتي افزايش درخشندگي و سفيدي پارچه هاي چرك مرد، شده و از خاكستري شدن پارچه هاي سفيد در طي زمان در اثر شستشوهاي مكرر جلوگيري مي كند.
سلولاز
آنزيم سلولاز باعث شكسته شدن پيوند بتا يك و چهار گلوكوزيدي در الياف سلولزي مانند پنبه طبيعي و يا مخلوط هاي پنبه با ديگر الياف سنتزي مي شود آنزيم هاي سلولاز به دو گروه عمده اندو(endo) و اكسو(exo )تقسيم مي شوند.آنزيم هاي سلولاز جهت افزايش شفافيت رنگها،نرمي و لطافت پارچه ها بكار برده مي شود.سلولاز با از بين بردن پرز و با برداشتن يك لايه ميكروفيبري از سطح پنبه كه در اثر شستشو و كاربرد مكرر پارچه ايجاد مي شود،باعث شادابي رنگ پارچه مي گردد.
مولكول سلولاز از سه قسمت عاملي مختلف شامل هسته كه بصورت يك توده كروي بزرگ كاتاليستي است و يك رابط طويل انعطاف پذير و يك توده پيوند دهنده سلولزي (Cellulose-binding domain CBD ) كوچك كروي تشكيل شده است.وجود گروه CBD داراي اهميت خاصي از نظر ايجاد پيوند با سلولز كريستالي غير محلول و اثر هيدروليزي مي باشد.استفاده ميزان بالاي سلولاز شفاف كننده رنگ بر روي بعضي از الياف پنبه اي،در شستشوهاي مكرر باعث صدمه به بافت پارچه مانند نرمي بيش از حد وكم شدن مقاومت آن مي شودكه با مصرف بهينه سلولاز مي توان از اين مشكلات دوري جست.تست هاي كاربردي شامل لباسشويي در مقياس كوچك با استفاده از دستگاه terg-o-meter و يا Atlas linitest و مقياس واقعي با استفاده از ماشين هاي لباسشويي تجاري براي اندازه گيري مقدار بهينه مصرف آنزيم انجام مي شود.
ليپاز
روغن ها و چربي ها (تري گليسريدها)بدليل خاصيت آب گريزي به سختي در درجه حرارت پايين شسته مي شوند.ليپازها تري گليسريد را به اجزا آبدوست تر مانند منو و دي گليسريد،اسيد چرب آزاد و گليسرول تجزيه مي كنند كه تمامي اين مواد درشرايط قليايي قابل انحلال مي باشند.در PH>8 واكنش هيدروليزي ليپاز با مقدار بسيار كم يون كلسيم آزاد با تشكيل صابون كلسيم بهبود مي يابد در حاليكه ليپازها بدون وجود يون كلسيم نيز فعاليت خوبي را از خود نشان مي دهند.
در شستشوي البسه اثر ليپاز بعد از چندين شستشو بيشتر ديده مي شود (multicycle wash performance )پيشرفت مهندسي بيو تكنولوژي و تغيير در موقعيت آمينو اسيدها باعث اثربخشي بيشتر آنزيم ليپاز در شستشوي اول شده است.جايگزيني اسپارتيك اسيد (aspartic acid )در موقعيت 96 از269 آمينواسيد در مولكول ليپاز با لئوسين leucine باعث آب گريز شدن موقعيت فعال آنزيم و افزايش تمايل به ليپيدها در تماس با پارچه مي شود،اين اثر براي شستشو در آب سرد بسيار موثر مي باشد.در بررسي ليپاز سه بار شستشو و خشك كردن متوالي معمولا انجام مي گيرد. درجه حرارت شستشو،زمان شستشو وميزان سختي آب( يون كلسيم) به موقعيت جغرافيايي محل استفاده از شوينده بستگي دارد.رفلكتومتري بعد از شستن و خشك كردن پارچه هاي رنگي استاندارد حاوي چربي،استخراج و اندازه گيري ميزان چربي باقيمانده روي پارچه مي تواند در بررسي كارآيي آنزيم مورد استفاده قرار گيرد.
آنزيم ردوكس (Redox )
آنزيم هاي ردوكس اصولا جهت پراكسيد كردن و اكسيد كردن،بعنوان تركيبات بالقوه در سيستم هاي لكه بري، امكان دستيابي به اثر لكه بري را در درجه حرارت پايين (5-10 درجه سانتي گراد) فراهم مي كنند، كه در اين حالت شاهد صرفه جويي قابل ملاحظه اي در مصرف انرژي خواهيم بود.تاكنون تركيبات پراكسيد كننده ويژه اي جهت استفاده در مكانيزم جلوگيري از انتقال رنگ در شستشوي البسه بكار گرفته شده اند.اين پراكسيدكننده ها با بي رنگ كردن رنگدانه هاي جدا شده از پارچه مانع انتقال و نشست دوباره آن بر روي قسمت هاي ديگر پارچه مي شوند.
فاكتورهاي موثر بر كارآيي آنزيم در محصولات شوينده خانگي
كارآيي آنزيم ها تحت تاثير عواملي همچون PH شوينده، قدرت يوني ، دماي شستشو،زمان شستشو،تركيب شوينده و عمليات مكانيكي قرار مي گيرد.كارآيي و پايداري آنزيم شديدا تحت تاثير بعضي از سورفكتانت ها و سيستم هاي لكه بري قرار دارد.براي بررسي عملكرد مناسب آنزيم،بايد اجزا شوينده مورد نظر بدقت بررسي گردد.اجزا شوينده ها با توجه به موقعيت جغرافيايي محل استفاده،ممكن است تغييرات زيادي داشته باشد.بعنوان مثال در پودرهاي شوينده قوي تمايل به استفاده از بيلدر در آمريكاي شمالي از ژاپن و اروپا بيشتر مي باشد.همچنين نسبت سورفكتانت آنيونيك به نانيونيك از يك منطقه به منطقه ديگر بسيار متفاوت است. در ژاپن ميزان سورفكتانت در فرمولاسيون نسبت به مناطق ديگر بالاتر مي باشد.علاوه بر اينها تنوع ماشين هاي لباسشويي در مناطق مختلف،نسبت آب شستشو به لباس،درجه حرارت،ميزان شوينده مصرفي و سختي آب، عواملي هستند كه بايد مورد توجه قرار گيرند. بيشتر اين عوامل مي توانند كارآيي آنزيم ها را در شوينده ها تحت تاثير قرار دهند.بعنوان مثال سختي آب يكي از مهمترين اين عوامل مي باشد،يون كلسيم باعث پايداري برخي از آنزيم ها و باعث ناپايداري تعدادي ديگر مي شود.
كارآيي
ارزيابي شويندگي به دو بخش عمده تقسيم مي شود:
1- اثر شستشوي اوليه كه به زدودن و تميز كردن چرك و لكه ها بعد از يك شستشو اطلاق مي شود.بررسي با استفاده از پارچه آغشته با چركهاي مصنوعي و يا لباسهاي چرك طبيعي انجام مي شود.
2- اثر شستشوي ثانويه كه به اثرات ناشي از شستشوي مكرر شامل آسيب به بافت پارچه ،قدرت حفظ شكل اوليه و اثرات خاكستري و چرك مرد شدن اطلاق مي شود.ارزيابي ثانويه مي تواند بعد از 25-50 بار شستشو انجام گيرد.
در بررسي كارآيي شوينده هاي ماشين ظرفشويي،اثرات شستشوي اوليه بصورت تست بشقاب شويي انجام مي شود.اثرات شستشوي ثانويه در شوينده هاي ماشين ظرفشويي به ابري شدن ظاهر بشقاب و كاهش وزن ارجاع مي شود.
ارزيابي كارآيي شستشو در شوينده هاي لباس
ارزيابي كارآيي شستشو در آزمايشگاه بوسيله دستگاه terg-o-tometer كه با ماشين هاي لباسشويي آمريكايي(درب از بالا) شبيه سازي شده ويا launder-o-meter كه با ماشين هاي لباسشويي اروپايي(درب از جلو)شبيه سازي شده است،در درجه حرارت مناسب انجام مي شود.اين دستگاهها بر طبق پارامترهاي مكانيكي و حرارتي ماشين لباسشويي مانند درجه حرارت اوليه،سرعت گرمايش و حداكثر درجه حرارت، شبيه سازي شده است.بررسي مقدار مصرف شوينده مي تواند توسط شستشوي پارچه هايي با چرك مصنوعي و حتي پارچه هاي استاندارد متصل به پارچه هاي معمولي توسط ماشين لباسشويي انجام شود.جزييات شرايط شستشو مانند كارآيي آنزيم هاي جديد،تاثير سورفكتانتها و پركن ها و غيره براي هر نوع ماشين لباسشويي بايد مشخص باشد.
ارزيابي كارآيي شستشو در شوينده هاي ماشين ظرفشويي
جهت ارزيابي اثرات شويندگي آنزيم ها بخصوص پروتئاز و آميلاز روش هاي آزمايشگاهي استانداردي تدوين شده است.براي پروتئين ها ميزان از بين بردن چرك،شديدا تحت تاثير درجه حرارتي است كه در آن درجه حرارت لايه چرك تشكيل شده است. براي چركهاي نشاسته اي ضخامت لايه چرك و سختي آب بسيار موثر است.
پايداري
براي شبيه سازي شرايط نگهداري شوينده در محيط منزل ،منحني ميانگين ماندگاري آنزيم در فرمولاسيون نهايي شوينده در فضاي باز با رطوبت 55% ترسيم مي شود.در فضاي باز،شوينده با جذب رطوبت هوا و همچنين آزاد كردن جزيي هيدروژن پراكسيد ناشي از لكه برهايي مثل پركربنات و پربرات،باعث اكسيداسيون آنزيم مي گردد. اندازه گيري كاهش فعاليت آنزيم پس از چند هفته نگهداري،روش مناسبي براي بررسي پايداري آنزيم مي باشد.نگهداري در يك ظرف سر بسته شبيه به نگهداري بسته هاي اصلي آنزيم در انبارها است كه در دماي ثابت 30 درجه سانتيگراد فعاليت آنزيم در هفته هاي يكم،دوم،ششم و هشتم نگهداري،اندازه گيري مي شود.
كارآيي شوينده به ماندگاري آنزيم ها در فرمولاسيون وابسته مي باشد.در سالهاي اخير ماندگاري آنزيم در محيط هايي با سيستم لكه بري فعال (Bleach system )با استفاده از مهندسي ژنتيك پيشرفت زيادي كرده است.با برخي تكنيك هاي خاص مي توان ناحيه حساس به اكسيداسيون آمينواسيدها را با آمينو اسيدهاي پايدارتر جايگزين كرد.
نقش بيوتكنولوژي در آينده صنعت شوينده
علي رغم پيشرفت هاي بدست آمده در كمك به حفظ محيط زيست در فرآيند شستشو و پاك كنندگي توسط آنزيمها ،هنوز فرآيند شستشو نيازمند صرف مقادير بالائي از مواد شوينده ،انرژي و آب مي باشد. پيشرفت هاي بدست آمده درگذشته بخوبي نشان داده است كه فرمولاسيون دترجنت ها بوسيله سيستم هاي بيوتكنولوژي بهينه شده است و با پيشرفت بيشتر سيستمهاي آنزيمي اين روند ممكن است به سمت پيشرفت موثر سيستمهاي شستشو كه از مصرف كمتر آب،انرژي و مواد شوينده جهت دستيابي به كارآئي پاك كنندگي بهتر استفاده مي كنند،ادامه يابد. يك امكان توسعه تكنيكهاي ويژه افزايش مواد موثره شوينده در مراحل وزمانهاي خاص پروسه شستشو براي دستيابي به كارآئي بيشتر مي باشد.
پيشرفت هاي پيوسته آنزيمهاي جديد با بيوتكنولوژي مدرن ممكن است به خلق تركيبات عاملي با اثرات شويندگي قابل ملاحظه و مناسب در درجه حرارت پايين با مصرف آب كمتر ،قيمت مناسب و بدون هر گونه اثرات مخرب زيست محيطي منجر گردد.
منابع:
1- Journal of surfactants and detergents vol 1 no 40
2- formulating detergents and personal care products Louis ho tan tai
3- laundry detergents E .smulders
|