ENZIMI A SERVIZIO DELL'INDUSTRIA

"La biotecnologia è l'applicazione tecnologica che si serve dei sistemi biologici, degli organismi viventi o di derivati di questi per produrre o modificare prodotti o processi per un fine specifico".

La biotecnologia, quindi, può essere definita come quel ramo della biologia riguardante "l'utilizzo di esseri viventi al fine di ottenere beni o servizi utili al soddisfacimento dei bisogni della società".  

La seguente classificazione introduce, in linea generale, i settori delle biotecnologie.

Blue biotechnology o biotecnologie marine. È il settore delle biotecnologie che si occupa di applicare le metodiche della biologia molecolare agli organismi marini e di acqua dolce. 

Grey biotechnology o biotecnologie ambientali. 

È il settore delle biotecnologie che si occupa di tutte le applicazioni direttamente correlate all'ambiente come la protezione della biodiversità e la protezione dai contaminanti.

Green biotechnology o biotecnologie agroalimentari. È il settore delle biotecnologie che si occupa dei processi agricoli, modificando le piante per aumentarne la produttività o le proprietà nutrizionali, migliorare la resistenza ai parassiti o agli erbicidi, produrre farmaci, vaccini, carta, ecc.

Red biotechnology o biotecnologie farmaceutiche. È il settore delle biotecnologie che si occupa dei processi biomedici e farmaceutici, utilizzando microrganismi come funghi e batteri per produrre farmaci, vaccini, ormoni, anticorpi, fattori di crescita e sanguigni, citochine, ecc. 

White biotechnology o biotecnologie industriali. 

È il settore delle biotecnologie che si occupa dei processi di interesse industriale. 

Le principali applicazioni in questo settore prevedono l’utilizzo di enzimi, cioè proteine deputate ad accelerare una data reazione chimica, come ad esempio emicellulasi, xilanasi, lipasi ed ossidasi utilizzati per migliorare la resistenza della rete del glutine nei processi di panificazione. Nella produzione di latte per bambini le proteasi sono utilizzate nella produzione di latte vaccino per neonati, dato che agiscono scindendo le proteine presenti nel latte, rendendo il latte più digeribile e diminuendo i problemi di allergie. Sempre nel settore lattiero-caseario, l’enzima beta-galattosidasi è utilizzato per idrolizzare il lattosio e rendere il latte ad alta digeribilità. Nel settore dei succhi di frutta, gli enzimi pectinasi sono impiegati per scindere la pectina, un polisaccaride presente nella frutta, requisito fondamentale per ottenere succhi di frutta limpidi e stabili.

La maggior parte degli enzimi attualmente impiegati nelle lavorazioni industriali appartiene alla classe delle idrolasi (amilasi, proteasi, lipasi, cellulasi, pectinasi, cutinasi, ecc.). Recentemente si sta però diffondendo l'impiego di altri enzimi come quelli appartenenti alla classe delle ossidoreduttasi, come la catalasi, la laccasi, la perossidasi, o a quella delle transferasi come la transglutaminasi. 

Passiamo ora in rassegna i principali enzimi usati in ambito tessile e le loro caratteristiche applicative.

PECTINASI (idrolasi) sono utilizzate per la purga enzimatica del cotone (degradazione delle pectine). Il cotone contiene circa il 90% di cellulosa e circa il 10% di sostanze non cellulosiche che sono soprattutto localizzate nella cuticola e nella parete primaria della fibra. 

Lo strato più esterno della fibra è la cuticola, un film costituito da grassi e cere. La parete primaria contiene materiale non cellulosico (soprattutto pectine, emicellulose, glicoproteine) e cellulosa amorfa. Le pectine sono polisaccaridi acidi molto diffusi nella frutta, nelle fibre e nei vegetali; in genere contribuiscono a mantenere stabile la struttura fibrosa della fibra di cotone; agiscono come materiale cementante per la parte cellulosica della parete primaria; hanno funzione idratante e controllano gli scambi di acqua e fluidi tra interno ed esterno. Le pectine sono il vero materiale cementante della parete primaria delle fibre di cotone. La degradazione delle pectine permette di destabilizzare e rimuovere tutti gli altri componenti non cellulosici e di conferire alle fibre di cotone il necessario grado di idrofilia per essere poi tinte e finite. La degradazione delle pectine per via enzimatica usando enzimi specifici come le pectinasi può essere di tipo acido o alcalino. L'accoppiamento delle pectinasi con altri enzimi come le cutinasi (in grado di degradare altri componenti della cuticola come la cutina e la suberina), si è dimostrato particolarmente efficace grazie all'azione sinergica che può essere sviluppata nei confronti delle diverse componenti della cuticola e della parete primaria. Adottando quindi un approccio razionale alla purga enzimatica del cotone che tenga conto della complessità del substrato fibroso (struttura della fibra di cotone), della specificità di azione degli enzimi e degli aspetti legati ai trasferimenti di massa durante il processo è così possibile sfruttare al meglio la specificità dei singoli enzimi per ottenere risultati positivi in termini di qualità dei substrati tessili e sostenibilità complessiva del processo di purga.

LACCASI: L'enzima trova impiego in differenti campi: candeggio dei jeans attraverso l’ossidazione del colore indaco, l’ossidazione di composti fenolici nella produzione di etanolo, chiarificazione di vino, birra e succhi di frutta. E' una polifenolo-ossidasi prodotta da vari microorganismi e piante che catalizza l’ossidazione di ossidrili fenolici ed aromatici, con riduzione di ossigeno atmosferico ad acqua. La reazione è basata sulla differenza di potenziale ossidoriduttivo tra l’enzima e il substrato. Le laccasi sono enzimi molto versatili che trovano applicazione in diversi settori industriali: cartario, detergenza, trattamento reflui, cosmetica (colorazione dei capelli), ecc. 

L'ossidazione del colorante indaco con laccasi è una delle applicazioni di questo enzima che si stanno imponendo a livello dell'industria tessile. Applicata sui capi Denim è possibile effettuare la decolorazione più o meno spinta dell’indaco dopo stone washing enzimatico con cellulasi. La decolorazione viene tradizionalmente eseguita utilizzando l’ipoclorito di sodio. Si tratta di un processo economico ed efficace, non facile da controllare (cuciture, danni al cotone), che però è responsabile del successivo ingiallimento dei capi. Inoltre l’uso dell’ipoclorito di sodio crea diversi inconvenienti ed esiste una forte spinta per la sua eliminazione. Una tipica applicazione enzimatica prevede: un ciclo post stone washing con laccasi a pH 4.5-5.0, alla temperatura di 60-70°C, per un tempo di 15-20 min. Il trattamento può essere singolo o ripetuto.

I principali vantaggi rispetto all'ipoclorito di sodio sono: mantenimento delle proprietà meccaniche, riduzione dei tempi di processo, miglior controllo del processo, minor consumo di acqua, ridotto impatto ambientale.

Oltre che nell'industria tessile, in campo industriale le laccasi vengono sfruttate anche:

§  produzione di etanolo: i composti fenolici inibiscono il processo di fermentazione. Per migliorare la resa di produzione di etanolo da materiali rinnovabili, il lievito Saccharomyces cerevisiae è stato ingegnerizzato tramite l’introduzione di un gene che esprime una laccasi. L’enzima ossida i composti fenolici e quindi la fermentazione risulta più efficiente.

§  chiarificazione di vino, birra e succhi di frutta: vengono utilizzate per rimuovere i composti fenolici (in questo caso immobilizzate su un supporto solido, poiché non possono essere impiegate come additivi alimentari).

§  produzione della carta: trovano applicazione nel processo di sbiancatura della carta e in particolare nella rimozione della lignina. L’impiego di laccasi permette di evitare l’utilizzo di sbiancanti a base cloro, con un notevole vantaggio ecologico.

§  bioremediation: le laccasi, come molti altri enzimi da funghi, vengono impiegate per la degradazione di un’ampia varietà di composti inquinanti quali pesticidi e contaminanti ambientali. Alcuni studi descrivono, ad esempio, l’uso di laccasi per la biodegradazione di diossine in ceneri e suolo e per la degradazione di insetticidi fosforganici.

§  sintesi di prodotti e polimeri: l’utilizzo di differenti mediatori di reazione ha ampliato il numero di substrati delle laccasi permettendo l’ottenimento di molti prodotti di interesse industriale e farmaceutico.

Questi esempi mostrano come l’impiego di laccasi possa sostituire alcune tradizionali reazioni chimiche con notevoli vantaggi, soprattutto legati all’impatto ambientale.

Altre applicazioni degli enzimi

Oltre ai settori citati, gli enzimi trovano impiego in molti altri processi produttivi dell’industria alimentare, quali ad esempio:

§  produzione della birra: l’aggiunta di amilasi alla miscela di malto d’orzo e acqua favorisce la fermentazione

§  produzione del vino: le preparazioni enzimatiche, introdotte a partire dagli anni ’70, vengono impiegate in diverse fasi quali la macerazione (favoriscono il rilascio dell’aroma e del colore), la chiarificazione e l’invecchiamento

§  estrazione dell’olio dai semi di colza, cocco, girasole, ecc.

§  produzione di idrolizzati di proteine: produzione di latte di soia, recupero della gelatina animale, produzione di estratti di carne, ecc.

§  modificazione dei lipidi per la produzione di nuovi prodotti o per migliorare la qualità di quelli esistenti
Gli enzimi trovano anche altre applicazioni legate alla lavorazione della frutta: il cosiddetto “peeling enzimatico” degli agrumi ha sostituito l’impiego di soda caustica nella produzione di frutta fresca sbucciata e insalate.

DOLCIFICANTI

Una grande svolta nell'impiego di enzimi nell'industria alimentare è avvenuta negli anni ’60 con l’introduzione di amilasi per scindere l’amido in unità di glucosio. L’industria dell’amido ha iniziato molto presto ad impiegare enzimi poiché speciali tipi di dolcificanti (principalmente sciroppi di glucosio e fruttosio) non potevano essere ottenuti con le tradizionali reazioni chimiche, per cui sono stati sviluppati dei processi completamente enzimatici. L’impiego dell’amilasi riduce i costi di produzione e permette di condurre una reazione con un’alta resa e di ottenere prodotti altamente puri e facilmente cristallizzabili. Sciroppi e amido modificato trovano impiego in una vasta gamma di prodotti alimentari quali bevande, dolci, prodotti da forno, gelati, salse, alimenti per neonati, conserve di frutta, ecc.

FONTI:
http://exallievi.itispaleocapa.it/esperia-2011/le-biotecnologie-applicate-al-tessile
http://www.biotecnologiepertutti.it/laccasienzimi-blu-per-una-chimica-verde/429/ 
http://www.biotecnologiepertutti.it/enzimi-e-alimenti-che-connubio/952/