Enzymer i Tvättmedel

Tillhör kategori: vardagens kemi

Författare: Magnus Martinsson

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 2

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Detta experiment handlar om enzymernas funktion vid tvättprocessen.

Det är idag, 1998, drygt 10 år sedan man inom tvättmedelsindustrin började utnyttja enzymernas goda förmåga att bryta ner organiska substanser, dvs smuts. Vad är då enzymer-proteiner för något? Hur är de uppbyggda, hur arbetar de? Hur går tvättprocessen till? Vad innebär ren tvätt? Detta är exempel på några av de frågor som besvaras. I slutet finner du också förslag på enkla laborationer i samband med denna, detta område.

Riktlinjer

Experiment kan göras både enskilt och i grupp. Experimentet är lämpligt på låg- och mellanstadiet men även i åk 9 där det passar in väl i kursplanen.

Säkerhet

Experimentet är helt ofarligt. Avfallet kan spolas ned i avloppet respektive slängas med hushållssoporna.

Materiel

• Glasburkar, 0.5 liter, 2 st
• Varmt vatten, 40-60 °C
• Biologiskt tvättmedel, t.ex. Via som innehåller just enzymerna proteas samt lipas.
• Vanligt tvättmedel, t.ex. Y-3 handtvättmedel.
• 2 st skalade och hårdkokta ägg

Förarbete

Koka äggen i förväg.

Utförande

1. Häll upp varmt vatten i de två glasburkarna.
2. Lägg sedan ett hårdkokt ägg i vardera burk och tillsätt tvättmedel, ca 2 msk (biologiskt i ena burken och vanligt i andra).
3. Låt sedan de två burkarna stå på ett varmt ställe i ett par dagar (ibland kan varmvatten och ev tvättmedel behövas tillsättas för att öka de kemiska reaktionernas påverkan på ägget).

Variation

Jämför olika tvättmedel och undersök vilket av dessa som har de mest effektiva enzymerna. Glöm inte att först titta på hur stor del av det totala innehållet i tvättmedlet som enzymerna utgör för att få ett så riktigt resultat som möjligt.

Förklaring

Resultatet kan beskrivas på följande sätt: Äggets släta och jämna utsida äts bort och ägget får ett mer potatisliknande utseende.

Eftersom det biologiska tvättmedlet, till skillnad mot det vanliga innehåller enzymer, så kommer äggets organiska ämnen att ätas upp av dessa enzymer. Ägget i burken med det vanliga tvättmedlet kommer inte angripas/påverkas.

På samma sätt som i burken med det biologiska tvättmedlet fungerar de kemiska reaktionerna i tvättmaskinen där enzymerna anfaller och löser upp diverse smutsfläckar.

Kemisk bakgrund

Historik

Sättet att tvätta har förändrats enormt bara under de senaste årtiondena. Förr räckte det med att man kokade tvätten i stora grytor över öppen eld i samband med ett rejält handkraftsarbete. Fram till andra världskriget var tvål, vid sidan av kaustik soda (natriumhydroxid, NaOH) - resp kalcinerad (natriumkarbonat, Na₂CO₃) soda det enda rengöringsmedlet av betydelse.

Dagens biologiska tvättmedel är ett resultat av en utveckling som påbörjades på 1940-talet. Vid den tiden uppstod det brist på naturliga fetter och oljor vilka var råvaror vid tvålframställningen, man fann dock att råolja skulle kunna utgöra basen för en industriell tillverkning av syntetiska tvättmedel.

Idag är tvättprocessen betydligt lättare fysiskt sett men samtidigt mer invecklad än någonsin, det ställs idag allt högre krav på tvättmaskinerna i allmänhet men tvättmedlen i synnerhet. Till skillnad mot gårdagens tvättmedel skall dagens klara av en mängd olika sorters textilfibrer, låga tvättemperaturer samt vara miljöanpasssade. Tvättmedlen bör också klara av flera typer av smuts som inte var lika vanliga förr, t.ex., gatsmuts, luftföroreningar samt mängder av olika matrester.

Tvättprocessen

Tvättmedelsprocessen tillhör idag en del av vardagssysslorna, men det är sällan vi tänker på vilken komplicerad kemisk process detta är. På Kemira Kemi AB beskrivs denna process på ett enkelt och bra sätt i följande fyra steg:

• Textilen blöts ned. Vattnets ytspänning måste sänkas så att vattnet kan komma i kontakt med tyget och smutsen. Med hjälp av ytaktiva vätmedel, sk. tensider, minskas vattnets ytspänning.
• Smutsen lösgörs. Tensiderna är också tvättaktiva ämnen. De minskar den kraft som håller fast smutsen på fibrerna. Tensiderna får hjälp av sk. builders, ämnen med en rad olika funktioner bl.a. att minska vattnets hårdhet genom att binda kalcium- och magnesiumjoner vilka försämrar tensidernas effekt.
• Smutsen avlägsnas från fibrerna. Genom ett samarbete mellan tensider och builders avlägsnas smutsen. Tensiderna löser upp fett och olja i små droppar som sedan fördelas i vattnet. Smutspartiklarna får samma laddning som fibrerna och stöts då bort av elektriska krafter. I vissa fall används tillsatser som blekmedel för att kemiskt bryta ner kraftiga färgämnen till ämnen som kan tas om hand av builders och tensiderna.
• Smutsen förhindras från att falla tillbaka på tyget. Lösgjord smuts och andra avfallsprodukter måste nu hindras från att på nytt fastna på tyget. Därför använder man sk. skyddskolloider. Den vanligaste är CMC (Carboxymetyl-cellulosa), som tillverkas av cellulosa och som drar till sig smutsen för att sedan transportera bort den med tvättvattnet. Builders hjälper också till att hindra återutfällningen.

En viktig del som ofta glöms bort vid tvättandet är själva doseringen. Tvättmedlet skall fördelas efter den mängd vatten som används, alltför att ingredienserna skall fungera. Om doseringen är för liten, tvättar tvättmedlet inte rent, å andra sidan blir inte tvättresultatet bättre vid en ökad dosering. Då kan tvättmedelsrester bli kvar i tyget efter sköljningen vilket medför en ökad belastning på miljön.

Vad innebär ren tvätt?

Ett effektivt tvättmedel är för de flesta ett medel som tar bort synliga fläckar och smuts. Många är dock ovetande om att även om många tvättmedel gör det så lämnar de också kvar olika partiklar på tygets fibrer.

På grund av detta så talar man om två typer av tvättresultat, synligt rent och hygieniskt rent. Tyvärr bedöms oftast bara det synliga resultatet vid tvättmedelstester, när förmågan att avlägsna partiklar från fibrerna är en minst lika viktig egenskap. Dessa partiklar, inkruster, som fastnar på textilens fibrer medför till slut att tyget ser grått och slitet ut. Tvätten blir inte hygieniskt ren eftersom dessa partiklar drar till sig smuts, vilket kan resultera i hygieniska problem. På sikt blir plagget styvt och obehagligt att ha på sig, något som i sin tur kan orsaka hudirritationer samt allergiska problem.

Tvättmedlet idag

Eftersom det perfekta tvättmedlet ej ännu är uppfunnet, är varje tvättmedel en avvägning mellan en rad olika krav, t.ex. trenden mot lägre tvättemperaturer för att spara energi, att tvättmedlet skall avlägsna smuts men också bakterier, av hygieniska skäl. När tvättemperaturen sänks avtar tvätteffekten och fler bakterier överlever. Den försämrade effekten kompenseras med höjda halter av tensider och blekmedel vilket i sin tur ger en ökad belastning på reningsverk och miljön.

För att klara av dessa avvägningar innehåller tvättmedlet en mängd komponenter. För att idag tyda och förstå en innehållsförteckning på ett vanligt tvättmedel måste man nästan vara en utbildad kemist. Vid en slumpartad undersökning av ett 20-tal små och stora produkter på marknaden återfanns inte mindre än 54 olika kemiska beteckningar på paketen. Ett av alla de ämnen som fanns deklarerade var enzymer.

Enzymer

Enzymer består av proteinmolekyler och tillhör en grupp sk. högt specialiserade proteiner, vilka styr de kemiska reaktionerna i alla levande celler. Många biokemiska reaktioner har stora aktiveringsenergier och utan de katalyserande enzymerna skulle de flesta ämnesomsättningsprocesserna fortskrida alldeles för långsamt för att uppehålla liv.

Eftersom enzymerna utgörs utav proteiner så har de också proteinegenskaper. De uppnår maximal verkan vid ett för varje enzym samt processkarakteristiskt pH-värde och temperatur. De är också känsliga för allt för stor påverkan av tungmetaller samt alkohol.

Enzymer kallas ofta för biokatalysatorer eftersom de verkar katalytiskt, dvs påskyndar kemiska reaktioner utan att själva förändras. Det finns i en enorm variation eftersom vart och ett oftast bara är inblandat i en reaktion. Men även om enzymerna är specifika är det intressant att samma enzymer eller rättare sagt enzymgrupper ofta finns representerade i mycket varierande organismer. Detta är orsaken till att de metaboliska funktionerna är så lika i såväl växter och djur som bakterier. Enzymerna behöver bara finnas i ytterst små mängder för att påverka hastigheten för en reaktion, det snabbast arbetande finns i däggdjurslevern och kallas för katalas.

Alla kemiska reaktioner är i princip reversibla och riktningen beror på de fysikaliska och kemiska förhållandena vid det specifika tillfället. Enzymer medverkar alltså i både uppbyggande processer som bildandet av fett, kolhydrater och proteiner samt nedbrytande processer som frigörande av de för livsprocesserna nödvändiga energin. Flertalet av enzymerna verkar inuti cellerna, men även nedbrytningen av födan i matspjälkningskanalen styrs av dessa.

För att enkelt beskriva enzymernas arbete talar man om nyckel- och lås- hypotesen. Ett visst enzym passar precis till molekylerna i en viss reaktion, ungefär på samma sätt som en nyckel passar till ett lås (se nedan). Denna hypotes förklarar också hur enzymernas verkan kan hindras då ett främmande ämne med liknande form kan blockera bindningsstället.

Enzym A

Bilden ovan är en beskrivning av hur ett enzym arbetar när det bygger upp ett ämne. När ett nytt ämne byggs upp lagras energin i bindningarna som håller ihop detta nya ämne.

Enzym B

Här beskrivs principen för hur ett enzym arbetar vid en spjälkningsprocess. Vid spjälkningen av ett ämne frigörs den energi som tidigare höll ihop ämnet.

Tekniskt sett så har enzymer betydelse vid alla processer där mikroorganismer används, t.ex. inom bryggeri- baknings- samt tvättmedelsindstrin. Dessa enzymer finns alltså i levande celler och utvinns på biokemisk väg. I de biologiska tvättmedlen finns det en rad olika enzymer som är specialiserade inom olika områden där de har till uppgift att bryta ner/spjälka organiska substanser dvs olika typer av smuts. De vanligast förekommande är proteas mot protein (äggviteämnen), lipas mot fett, amylas på stärkelse och cellulas mot cellulosa (noppor).

Proteiner

Proteiner består utav mycket stora molekylerna med en invecklad uppbyggnad. Alla proteiner innehåller kol, väte, syre och kväve, vissa också svavel samt fosfor. De finns i levande organismer och utgör ungefär 50 procent av allt levande. Proteiner används som byggnadsmaterial i våra celler, samt vid framställningen av specialiserade proteiner som t.ex. enzymer och hemoglobin.

Proteinerna är uppbyggda av ett 20-tal aminosyror. Dessa kännetecknas av att de innehåller en eller flera aminogrupper, som ersatt en väteatom i en organisk syra. En del av aminosyrorna kan kroppen själv tillverka medan andra måste tillföras via födan. Med hjälp av de olika aminosyrorna framställs sedan de önskade proteinerna. Proteiner (äggviteämnen) är alltså en viktig del av vår kost, mjölk, fisk, ost och ägg är exempel på proteinrik föda.

Det pågår ständigt samspel mellan proteiner och enzymer, många av dessa sker i vår kropp men också i andra i vitt skilda situationer och områden:

• Då proteiner upphettas eller påverkas av vissa enzymer stelnar de, man säger att de koagulerar. Ett exempel är hönsäggvitan (albumin) som koagulerar vid kokning.
• Vid osttillverkningen får man mjölkäggvitan (kaseinet) att stelna genom tillsättning av löpe, ett enzym som fås från kalvmagen.
• Enzymer finns som vi vet även i många tvättmedel där de har till uppgift att bryta ner olika typer av smuts som t.ex. proteiner (äggviteämnen).

Tvättmedel och miljö

Trots att rengöringsmedlen idag hör till våra vardagsprodukter vållar de också vissa problem. Sjöar har blivit övergödslade och vuxit igen, antalet allergier har också ökat betydligt, vilket är något som man bör ta hänsyn till då man arbetar och laborerar med tvättmedel av olika slag.

Enzymerna i sig är ofarliga eftersom de är biologiskt fullt nedbrytbara. De ämnen som oftast nämns i samband med utsläpp av avloppsvatten är fosfor och kväve. På vissa håll i landet har hushållen uppmanats att minska användningen av fosfor i tvättmedlen. I andra länder som Schweiz och Tyskland har man infört förbud mot fosfat i tvättmedlen.

Lyckligtvis är de flesta hushåll i Sverige anslutna till reningsverk med kemisk fällning, men eftersom detta är ett världsproblem är vi alla skyldiga att hjälpas åt att ta hand om våra avfallsprodukter.

Fördjupning