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Cuaderno Nº 73  

Enzimas que limpian la ropa
  Hoy en día las enzimas forman parte de los procesos industriales y de las  actividades domésticas. Por ejemplo, al lavar la ropa las enzimas son las que hacen el trabajo sucio de sacar las manchas. Efectivamente, el detergente en polvo tiene enzimas que remueven selectivamente las manchas de aceites, proteínas o almidones de la ropa. Las enzimas son biocatalizadores, proteínas que aceleran los procesos de degradación, transformación o fabricación de sustancias. Las enzimas que se usan industrialmente son producidas en grandes cantidades por bacterias y hongos que se cultivan en tanques llamados fermentadores. Estas enzimas se vienen usando desde hace más de 40 años con el objetivo de reemplazar a los compuestos sintéticos, minimizar el uso del agua y el consumo de energía, ya que antes las manchas sólo podían ser removidas con blanqueadores y altas temperaturas. La mayoría de las enzimas que están hoy en el mercado han sido mejoradas por técnicas de ingeniería de proteínas o provienen de microorganismos recombinantes (genéticamente modificados) para optimizar su proceso de fabricación.

El origen de la suciedad
Existe una gran cantidad de suciedad en la ropa que proviene de:

Desechos que genera el cuerpo y las bacterias que viven en la piel humana. Cada día una persona genera escamas de piel, sudor, sebo, triglicéridos, ácidos grasos y colesterol. La microflora de la piel humana (hasta 1,5 millones de bacterias viven en 1 cm2) se alimenta de estos desechos orgánicos y produce compuestos adicionales que con frecuencia despiden un fuerte olor.
Sustancias que derivan de productos de higiene personal como lociones, cremas, desodorantes, maquillaje y lacas.
Compuestos del ambiente, por ejemplo del aire.
Agregados de los tejidos (suavizantes, blanqueadores ópticos, fijadores de tintes, etc.) y residuos de detergentes (aromas, suavizantes, etc.).
Las manchas pueden estar constituidas por proteínas, almidón, carbohidratos, lípidos, ácidos grasos, sales inorgánicas, arcillas y pigmentos. Eliminar toda esa suciedad en un lavado sigue siendo un reto para los fabricantes de detergentes y de lavadoras.

Jabones y detergentes
Eliminar la suciedad no es un reto menor. Los parámetros que pueden influir en los resultados y en la satisfacción del consumidor son variados, y van desde el tipo de tejido y la tintura empleada, hasta demandas de comodidad, bajo costo, cuidado de los tejidos y eficiencia. A diferencia del jabón tradicional, la tecnología de los detergentes modernos es bastante compleja.
Un jabón es la sal alcalina (generalmente de sodio o potasio) de un ácido graso de cadena larga. Posee dos partes, la cola que es lipofílica (afín a las sustancias grasas) y repele el agua (hidrófoba), y la cabeza que es hidrófila (afín al agua) o polar.

 
 
La acción limpiadora del jabón reside en la facultad que tiene la cola hidrocarbonada de la molécula de jabón de disolver las gotitas de grasa insolubles en agua. Las moléculas de jabón rodean a la suciedad hasta incluirla en una envoltura denominada micela, la parte apolar (hidrófoba) de la molécula de jabón se disuelve en la gotita de grasa mientras que los grupos polares, se orientan hacia la capa de agua que los rodea. La repulsión entre cargas iguales evita que las gotas de grasa se unan de nuevo. Se forma así una emulsión que se puede separar de la superficie que se está lavando.

 
 
Los jabones se preparan por medio de una reacción química llamada saponificación de aceites y grasas. Si el álcali utilizado es hidróxido de sodio se obtiene un jabón duro o sólido, en cambio con hidróxido de potasio el jabón es blando o líquido.

Los jabones son inefectivos para la limpieza en agua dura (contiene sales de metales pesados, especialmente hierro y calcio), ya que el jabón reacciona con las sales de hierro y calcio y, en consecuencia, no disuelve el jabón y precipita en forma de sales insolubles (costra de las bañeras).
Esta limitación de los jabones como agentes de limpieza ha dado impulso a la industria de los detergentes, cuyas sales son solubles en agua.
Un detergente comercial es una mezcla de varios componentes cada uno con una misión específica. El componente activo de un detergente es similar al de un jabón, y suele ser un producto sintético normalmente derivado del petróleo. La tecnología de los detergentes modernos satisface estas necesidades durante el proceso de lavado mediante dos procesos: la eliminación física y la modificación química de las manchas por hidrólisis o por oxidación (blanqueo), lo cual tiene como resultado su disolución, y/o decoloración respectivamente.

Los detergentes actuales contienen diferentes aditivos que intentan satisfacer la demanda de los consumidores. Entre ellos:

Agente tensioactivo o "surfactante": Es el componente que tiene una función similar al del jabón. Tiene propiedades humectantes, detergentes y emulsionantes. Facilita la tarea del agua al conseguir que esta moje mejor los tejidos, lo que a su vez incrementa la actividad de las enzimas. Además, tiene propiedades hidrofóbicas e hidrofílicas y juegan un rol clave en la remoción de suciedad. Un buen surfactante reemplaza a las lipasas en la remoción de lípidos y grasas.
Agentes coadyuvantes: Ayudan al agente tensioactivo en su labor. Entre ellos se encuentran componentes que “ablandan” el agua y permiten lavar en aguas duras; otros que evitan la reposición de la suciedad manteniéndola en suspensión, y otros que blanquean manchas obstinadas.
Agentes auxiliares: Incluye componentes que evitan que el polvo se adhiera, sustancias que contrarrestan la tendencia de la ropa a ponerse amarilla; estabilizadores de espuma, colorantes, perfumes y enzimas que rompen las moléculas de proteínas, lípidos, almidones, eliminando manchas de restos orgánicos como leche, sangre, aceites, etc.

El comienzo de los detergentes enzimáticos y su producción
En 1913 un alemán llamado Otto Roohm observó que una enzima extraída del páncreas de animales era capaz de digerir proteínas y que podía optimizar el proceso de lavado de ropa. Fue entonces que fabricó el primer jabón enzimático de pre-lavado, un producto revolucionario que fue comercializado en Alemania. Una pequeña dosis podía ser agregada a 10 litros de agua para remover manchas de la ropa. Recién a mediados del siglo XX comenzó la producción masiva de enzimas provenientes de bacterias en fermentadores, que fueron aplicadas en los detergentes enzimáticos.
Hoy día, es familiar el uso de polvos o líquidos detergentes con enzimas. Estos detergentes han encontrado un amplio rango de aplicaciones en lavado de ropa y vajilla e industria textil, entre otras. Las enzimas usadas en la industria son manufacturadas a gran escala a través de la fermentación producida por bacterias u hongos comunes. Esto ha sido posibilitado en las últimas décadas por el rápido avance de la enzimología y la tecnología de fermentación.

¿Cuál es la importancia del uso de enzimas en los detergentes?
Desde los años 60 el uso de enzimas se masificó, y en la actualidad es común encontrar enzimas en la formulación de los detergentes. Las enzimas optimizan la eficiencia de los detergentes, a la vez que permiten el trabajo de limpieza a bajas temperaturas y períodos más cortos de lavado, reduciendo significamente el consumo de energía y las emisiones de CO2. Otro beneficio ambiental asociado al uso de enzimas en los detergentes es que estas son biodegradables y reemplazan a los químicos constituyentes de los detergentes sintéticos que se vienen liberando al ambiente desde hace muchos años.
Las enzimas usadas en los detergentes de lavado de ropa actúan sobre los materiales que constituyen las manchas, facilitando la remoción de estos materiales y de forma más efectiva que los detergentes convencionales.
Una molécula de enzima puede actuar sobre muchas moléculas de sustrato (leche, sangre, barro), por lo cual una cantidad pequeña de enzima agregada a un detergente de lavado proporciona un beneficio grande en la limpieza. La concentración de enzimas en la formulación de un detergente es mínima (menos del 1 % del volumen total) ya que las enzimas son biocatalizadores y no se consumen durante el lavado sino que encienden numerosas reacciones para facilitar la remoción de la suciedad.

Estas enzimas se nombran según los materiales que pueden degradar:

Proteasas: aceleran la degradación de proteínas y producen pequeños péptidos o aminoácidos individuales los cuales pueden ser fácilmente solubilizados y removidos de los tejidos. Representan cerca del 60% del mercado de enzimas mundial y se usan a altos pH y temperaturas superiores a 60o C. Las proteasas son el tipo más importante de enzimas en detergentes enzimáticos para uso médico porque existe un alto contenido de proteínas en los fluidos corporales (sangre, tejidos y mucosas) los cuales no pueden removerse con detergentes convencionales y agua. Las enzimas usadas son producidas principalmente por Bacillus licheniformis o B. Amyloliquefaciens y Aspergillus flavus mediante fermentación. Existe un considerable interés en el desarrollo de mejores proteasas para polvos de lavado a través de ingeniería de proteínas, para evitar su oxidación.
Amilasas: aceleran la degradación de los residuos de almidón de alimentos como papa, chocolate, etc. Las amilasas no son componentes esenciales de los detergentes porque tienen una acción limitada sobre los carbohidratos. En adición, los carbohidratos son solubles en agua y tienden a ser fácilmente removidos con la mayoría de los detergentes y agua. La amilasa de Bacillus licheniformis es corrientemente agregada a los jabones en polvo. Esta enzima es resistente a la degradación de las proteasas, es activa a temperaturas de 85ºC y puede tolerar valores de pH cercanos a 10. El problema más grande con las amilasas en la formulación de detergentes es la oxidación. La ingeniería de proteínas ha sido usada para crear una amilasa resistente a la oxidación.
Lipasas: Las lipasas deben mezclarse con los lípidos para romperlos por hidrólisis, pero las lipasas son solubles en agua y los lípidos son insolubles en agua. Por lo tanto, la hidrólisis sólo ocurre en la interfase entre la gota lipídica y la fase acuosa, lo que causa que la reacción sea relativamente lenta e inefectiva. Además, las condiciones dentro de una lavadora de ropa son hostiles para una enzima y la mayoría de las lipasas no son suficientemente estables en esas condiciones. Por lo tanto, se busca desarrollar lipasas que permitan la remoción de manchas de grasas a bajas temperaturas de lavado. Una combinación de búsqueda y manipulación genética ha conducido a la introducción reciente de lipasas en los jabones en polvo. Un ejemplo es la lipasa Humicola , que se logró producir en Aspergillus oryzae y que se conoce como "Lipolasa".
Celulasas: En 1985 se introdujo al mercado un tipo revolucionario de enzima celulasa para detergentes, Cellulasa, producida por el hongo Humicola insolens para remoción de suciedad, y restaurador de suavidad y color de fibras de algodón. Las celulasas aceleran la degradación de pequeñas fibras que endurecen la ropa y opacan los colores sin afectar las fibras principales de la ropa, mejorando así la suavidad y los colores de la misma.

Otros usos de las enzimas en detergentes
Los detergentes enzimáticos están siendo explorados para su aplicación no sólo en el lavado de ropa sino también en las siguientes actividades:
Lavado de vajilla: proteasas y amilasas son las enzimas que han encontrado mayor aplicación en estos detergentes.
Industria textil: la producción de jeans prelavados involucra el tratamiento de las ropas con amilasas, en un proceso conocido como biolavado, o bioblanqueado o prelavado.
Óptica y medicina: las enzimas se usan en las formulaciones ópticas para la limpieza de lentes de contacto o en formulaciones médicas para limpieza de instrumental quirúrgico o de diagnóstico.

La biotecnología en la obtención de enzimas más eficaces
Las enzimas aplicadas en la industria de detergentes deben producirse a bajo costo, ser estables en condiciones de lavado, y de uso y manipulación segura. El criterio más importante es el de la estabilidad, ya que las máquinas de lavado son lugares hostiles para las enzimas. Por ejemplo, deben ser compatibles con detergentes, jabones, oxidantes y otros componentes que afectan su estructura. Además, deben ser estables en amplios rangos de temperaturas (menores a 20ºC y mayores a 70ºC) y pH alcalinos (8-12). Por ejemplo, en lavadoras industriales se necesitan enzimas que sean estables a 55ºC o más para lavado a altas temperaturas. Por otro lado, para ahorrar energía, evitar el deterioro de la ropa o en países donde es costumbre lavar con agua fría, existe una alta demanda de detergentes con enzimas que trabajen eficientemente a temperaturas menores a 20ºC. En estos casos es donde la biotecnología moderna juega un rol importante.
A través del uso de ingeniería genética, se pueden transferir genes de un organismo con la información para sintetizar determinada enzima a otros organismos. De esta forma, numerosas enzimas de interés industrial pueden ser producidas a gran escala por fermentación de microorganismos cuyo cultivo es conocido y controlado. Por ejemplo, en 1988 se introdujo la primera lipasa obtenida por bioingeniería llamada Lipolase. El gen de esta lipasa, aislado de hongo filamentoso Humicola se transfirió a Aspergillus oryzae donde se produce a gran escala y de forma estable. La cutinasa de Fusarium, que degrada ácidos grasos, se expresa por ingeniería genética en la levadura Saccharomyces cerevisiae.
Las enzimas, una vez obtenidas por fermentación, son aisladas, purificadas y protegidas como granulados o cápsulas para ser incluidas en las formulaciones de detergentes. Las enzimas son encapsuladas en sustancias serosas inertes solubles en agua, y son adicionadas con estabilizantes como sales de calcio, formato de sodio, borato, o preparaciones de proteínas. Corrientemente los fabricantes usan gránulos coloreados como señal que simboliza la presencia de aditivos extras.
La siguiente tabla menciona algunas enzimas producidas por microorganismos modificados genéticamente, sus nombres comerciales, función y aplicación:

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Bioingeniería de enzimas
Durante las últimas décadas, nuevos desarrollos en enzimología en combinación con la aplicación del ADN y la ingeniería de proteínas han conducido a la bioingeniería de enzimas. La ingeniería de proteínas consiste en modificar una proteína existente o crear una nueva proteína con propiedades específicas. Estas tecnologías avanzan con el estudio de los extremófilos, la identificación de
nuevos compuestos y las rutas metabólicas, y la caracterización molecular y bioquímica de componentes celulares.
Debido a que muchos procesos industriales requieren altas o bajas temperaturas o pH ácidos o alcalinos, los organismos extremófilos que viven en condiciones ambientales extremas de temperatura, salinidad, etc., se han convertido para las industrias en atractivas fuentes de enzimas (Ver Cuaderno Nº 57). Por ejemplo, en la industria de los detergentes y jabones para la ropa de uso hogareño se utilizan biocatalizadores que quiten las manchas a baja temperatura, mientras que en tratamientos de esterilización de ropa de quirófano se prefiere un jabón que tenga biocatalizadores que funcionen a altas temperaturas. La industria del cuero y las pieles requiere enzimas que degraden proteínas de la piel de los animales en condiciones de alta salinidad o minerales. En cada caso se emplearán enzimas provenientes de diferentes extremófilos.
En una primera instancia, los propios organismos eran la fuente de donde se extraían las enzimas. Luego, se clonaron los genes de los extremófilos que codifican dichas enzimas y actualmente se las produce a escala industrial en microorganismos recombinantes que fueron transformados para que sobreproduzcan la enzima de interés en biorreactores.

 

 
 

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El Cuaderno N° 100:
Biotecnología, una historia...
 
 
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