Цветные экологичные ткани благодаря наноразмерным ферментам

Ученые разработали новый экологически безопасный способ производства красителей для решения проблем традиционной европейской индустрии красителей.

Проблемы традиционной европейской индустрии красителей включают отсутствие инноваций, слабую конкурентоспособность на рынке, токсичность, опасность для окружающей среды и риски для здоровья работников. Производство красителей основано на химических процессах, разработанных более века назад, некоторые из которых очень энергозатратны и потенциально опасны для рабочих. Чтобы предотвратить взрывные реакции при смешивании химикатов, процесс необходимо охлаждать до ледяных температур, что потребляет много энергии. Кроме того, некоторые красители могут быть токсичны и существует риск их проникновения через кожу с потом. Более того, 10-15% всех красителей, используемых в промышленности, попадают в окружающую среду во время производства или использования, создавая риск для живых организмов. В связи с этим ЕС запретил многие из этих токсичных красителей, но альтернативы были доступны не для всех.

Чтобы преодолеть эти проблемы, ученые финансируемого ЕС исследовательского проекта SOPHIED под руководством Католического университета Лёвена в Бельгии выделили из грибов специальные белки — ферменты. Даже если выбранные образцы не выглядят очень красочными, они могут производить ферменты, необходимые для создания экологичных красителей. Эти вещества были использованы для синтеза красителей для окрашивания текстиля и кожи.

«Мы уже знали, что в грибах существует целый спектр цветов и что ферменты могут образовывать новые цветные соединения в процессе биоремедиации — процесса, при котором метаболизм микроорганизмов удаляет загрязняющие вещества. Но мы не знали, возможно ли создать текстильные красители, потому что они обладают особыми свойствами и химическими функциями, которых нельзя найти в природе», — говорит Эстель Эно из Института Земли и Жизни — Прикладной микробиологии Университета Лёвена. Эно была постдокторантом в команде Софи Ванюль. Софи Ванюль, координатор проекта, умерла два года назад. «Задача состояла в том, возможно ли использовать фермент на веществе, которое не является природным, и оказалось, что это возможно!».

Для выделения ферментов грибы помещают в жидкость, содержащую питательные вещества, что позволяет им расти и выделять нужные белки. После удаления грибов в жидкость добавляют частицы диоксида кремния (silica). «Комбинация ферментов и частиц silica приводит к стабилизации фермента и удалению белков из конечного продукта-красителя, так как они могут вызывать аллергию», — отмечает Эстель Эно. «Частица, которую мы использовали чаще всего, имела средний размер 100 мкм, что намного больше наноразмера. Наноразмер и наночасть проекта касаются ферментов, которые являются нанокатализаторами и также могут называться биологическими наноинструментами», — объясняет она. «Должна признать, мне не очень нравится использовать слово "нано", потому что хотя все, с чем я работаю как биохимик, имеет наноразмер, биохимия — не новая научная область».

Новые красители обладают химическими свойствами, позволяющими им непосредственно прилипать к волокнам полиамида, шерсти или шелка, что делает ненужным добавление дополнительных химикатов, которые могут загрязнять воду и вызывать аллергию. «Прежде чем выводить этот продукт на рынок, важно проверить его токсичность», — указывает Виктор Пунтес, руководитель группы «Неорганические наночастицы» в ICN (Каталонский институт нанотехнологий). «В принципе, крупные частицы silica более токсичны, чем их наноразмерные аналоги: с одной стороны, из-за большего размера им трудно проникнуть в клетку, с другой — если некоторым это удалось, они могут вызывать хроническое воспаление, которое может привести, возможно, через 20 лет, к какому-либо виду рака», — объясняет Пунтес. Эно уверяет, что используемые ими частицы silica не токсичны. Она добавляет, что эти частицы обычно используются в зубной пасте, как ингредиент в садоводстве и в бетоне, и не классифицируются как опасные вещества.

Одним из главных преимуществ традиционных красителей является их устойчивость к стирке, механическому истиранию и выцветанию на солнце. Первые тесты новых экологичных красителей показывают, что цвета начинают выцветать только под воздействием солнечного света. Работая над методом повышения их светостойкости, исследователи предполагают, что их можно использовать для окрашивания одежды с ограниченным воздействием солнечного света, такой как нижнее белье и носки. «Нам еще нужно оптимизировать процесс, потому что на данный момент он действительно потребляет много воды», — признает Эно.

Ферментативная технология проекта может иметь широкое применение не только в текстильной, но и в кожевенной и косметической промышленности. По словам Эно, ее также можно использовать для биоремедиации токсичных соединений в индустрии красителей, для определенных процессов, улучшающих или изменяющих цветовой вид пищи или напитков, а также в качестве дезинфицирующего средства для медицинских и личных гигиенических целей и даже, как потенциально новое применение, в биотопливных элементах.

Эти высокотехнологичные альтернативы традиционным красителям доступны только в ЕС, что дает европейской промышленности, до сих пор страдающей от перемещения производства в развивающиеся страны, значительное преимущество перед азиатскими рынками красителей.