Waesche

Biotechnologie im Alltag: Enzyme sind fast überall

Enzyme begegnen uns täglich: Sie stecken in Wasch- und Reinigungsmitteln, in Zahnpasta, Shampoos und natürlich auch in vielen Lebensmitteln. Sie sind an der Herstellung und Verarbeitung zahlreicher Produkte beteiligt, bei Papier, Textilien, Leder und inzwischen auch bei der Gewinnung von Biotreibstoffen. Viele dieser Anwendungsfelder sind erst durch die Fortschritte in der Bio- und Gentechnologie möglich geworden.

Enzyme Waschmittel

Waschen bei 30° statt Kochwäsche: Heute sind in fast allen Waschmitteln verschiedene Enzyme enthalten. Sie machen die Wäsche sauber - und das schon bei niedrigen Waschtemperaturen. Das spart Energie und schont die Wäsche. Die meisten dieser Enzyme werden mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt.

Enzyme, Zahnpasta

In Zahnpasta unterstützen Enzyme das natürliche Schutzsystem des Speichels, in Reinigungsmitteln für Kontaktlinsen entfernen sie organische Ablagerungen aus dem Tränenfilm des Auges.

Papierherstellung

Weißes Papier. Beim Bleichen der Zellulose haben Enzyme das aggressive Chlor ersetzt. Außerdem entfernen sie die Druckerschwärze aus Altpapier.

Foto: hxdyl, großes Foto oben: Kalkutta (beide 123RF)

Enzyme: Anwendungen im Alltag

Enzyme bei Alltagsprodukten. Nicht aufgeführt sind technische Anwendungen im Pharmabereich, bei Biotreibstoffen und Futtermitteln. (nach Jany 2016)

Der Haupteinsatz von Enzymen liegt bei technischen Anwendungen etwa in der Textil- und chemischen Industrie: In diesem Bereich werden bezogen auf den Umsatz 39 Prozent der Enzyme eingesetzt. Auch Wasch- und Reinigungsmittel zählen dazu. An zweiter Stelle steht die Lebensmittelherstellung (29 Prozent), gefolgt von der Futtermittelproduktion (17) und der Gewinnung von Biokraftstoffen (15). Die europäischen Enzym-Hersteller bieten etwa 250 bis 300 Enzym-Präparate an (Stand 2015). Ein großer Teil dieser Enzyme wird inzwischen mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt. In der Lebensmittelindustrie sind es vermutlich fünfzig bis sechzig Prozent.

Saubere Wäsche. Waschmittel und Geschirrspüler gehören zu den wirtschaftlich bedeutendsten Anwendungsgebieten für industriell hergestellte Enzyme. Schon vor 100 Jahren wurden aus der Bauchspeicheldrüse gewonnene Extrakte – mit den darin enthaltenen „natürlichen“ Enzymen – Spezialwaschmitteln zugesetzt. Doch erst mit der modernen Biotechnologie wurde es möglich, die benötigten Enzyme mit genau definierten Eigenschaften und in gleichbleibender Qualität herzustellen. Dazu müssen Mikroorganismen – Bakterien, Hefen, Pilze – entsprechend verändert werden – und seit einigen Jahren geschieht das überwiegend mit gentechnischen Verfahren. Heute sind Waschmittelenzyme biotechnologische High-Tech-Produkte.

Enzyme sind große, zu einer komplexen räumlichen Struktur gefaltete Eiweißmoleküle. Jeweils ein bestimmter Bereich eines Enzyms passt zu einem Zielmolekül – und zwar genau zu der Stelle, an der dieses gespalten oder modifiziert werden soll (Schlüssel-Schloss-Prinzip). So knacken die verschiedenen Enzyme eines Waschmittels etwa Stärke-, Fett- oder Eiweißflecken oder lösen sie von den Textilfasern.

Inzwischen ist es möglich, ideale technische Enzyme mit den jeweils benötigten passgenauen Eigenschaften am Bildschirm zu „entwerfen“. Die sich daraus ergebende Molekülstruktur wird in den DNA-Code übersetzt und dieser dann in geeignete Mikroorganismen eingeführt. Mit diesem Protein-Design ist es etwa gelungen, Waschmittelenzyme zu entwickeln, die auch bei niedrigen Temperaturen aktiv sind. Das spart Energie und schont die Textilien.

In modernen Waschmitteln sind verschiedene Enzyme aktiv.

  • Proteasen zerlegen Eiweißverbindungen, etwa Eier-, Milch- oder Blutflecken.
  • Amylasen rücken stärkehaltigen Flecken zuleibe, etwa Saucen.
  • Lipasen zielen auf fetthaltige Verschmutzungen, auch Wachse wie etwa Lippenstift.
  • Pektinasen bauen hartnäckige Frucht- und Marmeladenflecken ab.
  • Cellulasen wirken schmutzablösend auf Farbpigmente, glätten Baumwollfasern und frischen die Textilfarben auf.

Die meisten dieser Enzyme werden heute mit Hilfe gentechnisch veränderter Mikroorganismen hergestellt. Dabei setzen die Biotechnologen neben der klassischen Gentechnik auch verschiedene neue molekularbiologische Verfahren ein. (Gelenkte Evolution, Synthetische Biologie).

Weißes Papier ohne Chlor. Bei der Papierherstellung muss der Zellstoff gebleicht werden. Enzyme haben dabei das aggressive und umweltschädliche Chlor ersetzt. Auch das bei Kiefernholz austretende Pech wird durch Enzyme abgebaut und so verhindert, dass die Papiermaschinen verkleben. Beim Recycling von Altpapier baut ein Gemisch aus verschiedenen Enzymen die Druckerschwärze ab (Deinking)

Weiches Leder. Das Gerben von Tierhäuten hat eine Jahrtausende alte Tradition. Enzyme wie Proteasen und Lipasen entfernen Haar- und Gewebereste und verbessern so die Wirkung des Gerbens. Zudem wird das Leder weicher. Auch hier führt der Einsatz von Enzymen zu einer deutlichen Reduzierung von aggressiven Chemikalien. Außerdem sinkt der Wasserverbrauch zum Spülen und Reinigen der Tierhäute.

Entschlichten von Textilien. Das Weben von Textilien ist mit starken mechanischen Beanspruchungen verbunden. Um das Reißen der Fäden zu verhindern, werden sie untereinander mit einer „Schlichte“ verbunden – meist Stärke. Vor dem Färben und Bleichen der Stoffe muss diese wieder entfernt werden – mit Hilfe stärkeabbauender Amylasen.

Ein weiteres Anwendungsgebiete für Enzyme in der Textilindustrie ist das Ablösen kleiner Haare und Fusseln an der Oberfläche des Garns. Zudem verhindern sie die Knötchenbildung.

„Stone-washed“ Jeans. Bei der Herstellung von Jeans finden Cellulasen Verwendung, die in den Baumwollfasern beim Waschen gezielt winzige Risse erzeugen. Auf diese Weise entsteht der „Stoned-Washed-Effekt“, der früher mit viel Aufwand durch Bimsstein erreicht wurde.

Biotreibstoffe. Bioethanol wird aus nachwachsenden Rohstoffen wie Getreide, Zuckerrüben oder anderen stärkehaltigen Pflanzen hergestellt. Die Kohlenhydrate werden mit Hilfe von Hefen zu Alkohol vergoren. Enzyme können diesen Prozess beschleunigen und seine Effizienz verbessern. Wenn künftig Biotreibstoffe der zweiten Generation aus Biomasse – nicht als Lebensmittel verwendbare Stoffe – gewonnen werden, sind dafür spezielle Enzyme erforderlich. Sie zerlegen die Lignocellulose, die holzartigen Pflanzenfasern, in kleinere Bausteine, die dann biotechnologisch zu Bioethanol umgewandelt werden können.

Lebensmittel. Bei der Herstellung von Nahrungsmitteln werden Enzyme vielseitig eingesetzt. Sie modifizieren Stärke, optimieren Fette und Eiweiße, stabilisieren Schäume und „verkleben“ Fleischteile zu Kochschinken. Sie konservieren auch Mayonnaise, verhindern das Kleben von Nudeln nach dem Kochen, klären Apfelsaft und halten das Brot frisch. Bei der Herstellung von Käse ist das Enzym Chymosin unentbehrlich, da es die „Dicklegung“ der Milch einleitet. Es ist Hauptbestandteil des Labferments, das traditionell aus den Mägen geschlachteter Kälber gewonnen wird. Heute wird Chymosin überwiegend mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen gewonnen.

Die bedeutendste Anwendung von Enzymen im Lebensmittelbereich ist die Stärkeverzuckerung. Enzyme spalten pflanzliche Stärke in ihre Grundbestandteile – verschiedene Zucker – auf. Daraus werden – wiederum mit Enzymen – zahlreiche Süßstoffe, Zuckerersatzstoffe und Sirupe wie Glukosesirup oder Isoglukose hergestellt. Auch diese Enzyme werden meist gentechnisch hergestellt.

Futtermittel. Durch den Zusatz von Enzymen können die Nutztiere das Futter besser verdauen – und damit die darin enthaltenen Nährstoffe besser verwerten. Das Enzym Phytase kann zudem die ökologischen Auswirkungen einer gesteigerten Tierproduktion verringern. Anders als Wiederkäuer sind Schweine und Geflügel nicht in der Lage, den in der pflanzlichen Nahrung enthaltenen lebensnotwendigen Nährstoff Phosphor zu erschließen. Durch den Zusatz von Phytase im Futter kann auf die Zufütterung von Phosphat verzichtet werden. Gleichzeitig sinkt die Phosphatbelastung der Umwelt bei der Düngung mit Gülle.