Ферменты для стирки

Ферменты для моющих средств — крупнейший промышленный рынок ферментов по объёму, и назначение у них точное: превращать нерастворимый материал загрязнения в фрагменты, достаточно мелкие, чтобы их унесло поверхностно-активное вещество. Сами по себе они пятно не растворяют и не отрывают.

Почему их роль растёт по мере снижения температуры

Удаление пятна — задача о скорости. Действие ПАВ, диффузия и химический гидролиз резко замедляются при остывании воды; поэтому горячая стирка работала, а холодная — нет.

Фермент заменяет температуру катализом. Он снижает энергию активации того же гидролиза, которому иначе нужен нагрев, и приемлемая скорость достигается уже при 20–30 °C. Экономия энергии, которую приписывают современным моющим средствам, — это поэтому во многом история про ферменты, поскольку в цикле стирки энергозатраты определяет нагрев воды.

На каждый полимер — свой фермент

Загрязнения — это полимеры, и каждый класс ферментов режет свой.

Протеазы — преимущественно субтилизины из Bacillus — гидролизуют пептидные связи: кровь, яйцо, трава, пот. Они самые старые и по-прежнему самые важные. Амилазы режут крахмал из пищевых остатков. Липазы гидролизуют триглицериды до свободных жирных кислот и глицерина, которые удаляются легче целого жира. Маннаназы работают по галактоманнановым камедям — загустителям соусов и косметики; такие пятна трудны и невидимы до тех пор, пока не начнут притягивать грязь. Целлюлазы действуют не на пятно, а на сам хлопок, подрезая микрофибриллы, торчащие из изношенного волокна. Это снимает катышки, возвращает чистоту цвета, убирая рассеивающий свет ворс, и механически смягчает ткань.

Условия враждебны по своей природе

Фермент для стирки обязан работать там, где ферменты обычно не работают. Моющий раствор щелочной, около pH 9–10, поскольку щёлочность помогает отрывать загрязнение. В нём есть ПАВ, чья функция — разворачивать и растворять амфифилы, а белок и есть амфифил. Часто в нём есть отбеливатель — окислитель, атакующий остатки метионина и цистеина. Есть хелаторы, отнимающие ионы кальция, нужные многим амилазам для устойчивости. И всё это фермент должен пережить за месяцы хранения в составе, ещё не будучи применён.

Соответствие этим условиям и составляет главный предмет белковой инженерии в этой области: щелочные оптимумы pH, устойчивые к окислению варианты с заменой метионина в уязвимых положениях, кальций-независимые амилазы, переносимость ПАВ.

Ферменты нападают друг на друга

Задача, определяющая облик продукта, — внутренняя. Протеаза не отличает белок загрязнения от амилазы, липазы и целлюлазы, лежащих рядом в том же составе: всё это белки и всё это субстраты.

Ответы физические и молекулярные. Ферменты заключают в отдельные гранулы, чтобы они не встретились до разведения, — а при разведении концентрации таковы, что протеаза куда вероятнее наткнётся на обильный белок пятна, чем на редкую молекулу фермента. В жидких средствах, где разделение невозможно, применяют обратимые ингибиторы протеазы, высвобождающие её при разведении. А сами прочие ферменты делают устойчивыми к протеолизу, убирая открытые петли, склонные к расщеплению.

Почему их гранулируют

Ферменты для моющих средств изначально поставлялись порошком, и в конце 1960-х это вызвало вспышку профессиональной астмы у работников производства и фасовки: белки — сильные респираторные сенсибилизаторы при вдыхании пыли.

Ответом стала инженерия, а не отказ: сегодня ферменты поставляют в виде гранул с покрытием, спроектированных так, чтобы не давать пыли в воздух. Грануляция — мера против известной и исторически подтверждённой опасности, и именно поэтому в спецификации фермента требования по пылению стоят рядом с активностью.