Enzim dalam pencucian: katalis biologis, jendela kerja, dan penempatan tahap

Di laundry sebuah hotel, panduan praktik yang dipakai operator memuat dua angka yang saling bertentangan untuk enzim yang sama: di satu bagian enzim disebut bekerja optimal pada pH 11 sampai 12, di bagian lain pada pH 6,5 sampai 8,5. Kedua angka tidak dapat benar sekaligus, dan tidak satu pun dapat dipakai tanpa tahu enzim apa yang dimaksud. Pertanyaan "pH berapa untuk enzim?" ternyata tidak punya satu jawaban; yang ada adalah cara mencarinya untuk enzim yang dipakai.

Enzim bekerja dengan aturan yang berbeda dari bahan kimia biasa. Alkali, surfaktan, dan pengkelat habis terpakai sebanding dosisnya, sehingga hasilnya terutama ditentukan konsentrasi. Hasil enzim ditentukan suhu, pH, waktu kontak, serta ada tidaknya zat yang merusaknya: suhu di atas jendela kerja atau paparan klorin merusak enzim secara permanen, sedangkan suhu terlalu rendah hanya memperlambat kerjanya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas enzim di deterjen laundry komersial: cara kerja, bahaya bagi pekerja, jenis dan sasaran, jendela kerja dan perusaknya, serta penempatan pada tahap siklus. Noda sebagai sasaran dijelaskan di Bab 3 tentang kotoran dan noda, dan alkali, surfaktan, serta pengkelat di Bab 6 tentang kimia pembersih. Pemutih dibahas di Bab 8 tentang oksidator dan penyelesai, target pH per tahap di Bab 9 tentang pH dan pengukuran kimia, dan susunan program di Bab 11 tentang arsitektur program cuci. Angka jendela kerja di bab ini hanya berlaku untuk jenis enzim yang disebut; angka untuk produk di lokasi diambil dari lembar data teknis (technical data sheet, TDS) produk itu, dan angka pada contoh kerja adalah nilai ilustrasi.

Enzim sebagai protein dan katalis

Enzim (enzyme) adalah protein, yaitu rantai asam amino yang terlipat menjadi bentuk tiga dimensi tertentu, yang mempercepat reaksi tanpa ikut habis. Sebagian kecil permukaan lipatan itu membentuk sisi aktif (active site), tempat molekul sasaran (substrat) terikat dan ikatannya diputus. Bentuk sisi aktif hanya cocok untuk ikatan tertentu, sehingga setiap enzim spesifik terhadap substratnya: protease memutus ikatan peptida pada protein, dan tidak berbuat apa-apa terhadap pati atau lemak.

Karena kerjanya bergantung pada bentuk, enzim bergantung pada semua hal yang menjaga bentuk itu. Panas berlebih, pH jauh dari rentang kerja, dan oksidator dapat membuka lipatan atau mengubah asam amino di sisi aktif. Denaturasi (denaturation) adalah terbukanya lipatan itu, sehingga bentuk sisi aktif hilang dan enzim berhenti bekerja. Pada kondisi cuci, denaturasi oleh panas praktis tidak pulih ketika suhu turun kembali.

Sebagai katalis, enzim menurunkan energi yang dibutuhkan untuk memulai reaksi. Satu molekul enzim dapat memotong banyak molekul substrat berturut-turut. Karena itu enzim didosiskan dalam jumlah kecil dibanding alkali atau surfaktan, dan hitungan stoikiometri untuk pengkelat di Bab 6 tidak berlaku untuknya.

Tidak habis terpakai tidak berarti bekerja selamanya. Jumlah enzim aktif berkurang selama siklus karena sebagian terdenaturasi oleh panas, sebagian dirusak oksidator, dan sebagian terikat pada permukaan. Jadi hasil kerja enzim ditentukan oleh dua hal sekaligus: laju pemotongan selama enzim masih aktif, dan berapa lama enzim tetap aktif.

Bahaya enzim bagi pekerja

Enzim deterjen adalah protein dari mikroorganisme, dan bahaya utamanya bagi pekerja adalah alergi saluran napas. Enzim relatif tidak menonjol untuk toksisitas akut dan toksisitas dosis berulang, tetapi berpotensi menjadi pemicu alergi saluran napas (respiratory sensitizer) bila terhirup sebagai debu atau aerosol secara berulang, bahkan pada kadar yang rendah. Karena itu, batas paparan udara di lingkungan kerja produksi ditetapkan sangat rendah, dengan dasar batas efek minimal 60 ng protein enzim aktif per meter kubik udara. Lembar informasi sebuah protease alkali juga mencantumkan bahaya dapat menyebabkan gejala alergi atau asma bila terhirup, iritasi mata serius, dan berbahaya bagi kehidupan akuatik dengan efek jangka panjang.

Gunakan alat pelindung diri (APD) sesuai lembar data keselamatan (safety data sheet, SDS), sekurang-kurangnya sarung tangan dan pelindung mata, ditambah pelindung pernapasan bila SDS mensyaratkannya, terutama untuk produk bubuk, serta hindari menuang bubuk enzim di tempat berangin atau tanpa ventilasi. Percikan ke mata dibilas segera dengan air mengalir sesuai SDS. Gejala pada pekerja dan tumpahan diatur di Kondisi berhenti butir 1 dan 2.

Jenis enzim deterjen dan sasarannya

Empat jenis enzim umum dipakai di deterjen laundry: subtilisin sebagai protease untuk noda protein, alfa-amilase untuk noda pati, lipase untuk noda lemak dan minyak, serta selulase untuk perawatan serat katun.

Protease memutus ikatan peptida sehingga protein pecah menjadi polipeptida kecil dan asam amino yang larut. Sasarannya noda rumput, darah, lendir, feses, dan makanan seperti telur dan kuah daging. Protease adalah enzim deterjen yang paling banyak dipakai, dengan 60 sampai 65% pasar enzim industri menurut data tahun 2008.

Amilase memotong pati menjadi gula yang lebih kecil dan larut, sehingga noda makanan bertepung dan saus kental lepas.

Lipase memotong lemak trigliserida. Sasarannya lemak, mentega, minyak salad, saus, dan noda kerah serta manset. Lipase deterjen disyaratkan bekerja dalam suasana basa pada pH 10 sampai 11 dan suhu 30 sampai 60 °C, dan sebagian tetap bekerja pada noda ketika kain mengering dan kadar airnya turun.

Selulase bekerja pada serat katun, bukan pada noda. Selulase pembersih menyasar selulosa amorf dan xiloglukan pada permukaan serat, dan dilaporkan mengurangi hilangnya keputihan akibat redeposisi serta perpindahan warna di dalam pencucian.

Enzim lain juga dipakai di formula modern. Mananase, misalnya, dikenal membantu mencegah redeposisi kotoran.

Jendela kerja

Jendela kerja adalah daerah suhu dan pH tempat enzim aktif tanpa cepat rusak. Aktivitas enzim naik ketika suhu naik, karena molekul bergerak lebih cepat, sampai suatu batas. Di atas batas itu denaturasi berlangsung lebih cepat daripada kenaikan laju, sehingga aktivitas justru jatuh. pH menentukan muatan asam amino di sisi aktif, sehingga setiap enzim hanya aktif dalam rentang pH tertentu.

Jendela kerja berbeda untuk setiap enzim, bahkan antarprotease. Protease deterjen dikembangkan dalam tiga generasi:

Sebagai contoh data produk, lembar informasi sebuah protease alkali komersial menyebut pH optimum 10 dengan aktivitas pada pH 8 sampai 12, serta kerja pada 20 sampai 60 °C dengan optimum 55 °C. Protease deterjen harus berfungsi pada pH 8,0 sampai 10,5 dan tahan terhadap surfaktan anionik dan nonionik, sabun, dan oksidator.

Data ini menjelaskan kontradiksi pada pembukaan. Angka pH 6,5 sampai 8,5 tidak cocok dengan data protease alkali di atas dan perlu ditelusuri asalnya, misalnya enzim lain atau pH larutan produk tertentu. pH 11 sampai 12 masih berada di rentang kerja sebagian protease alkali, misalnya pH 8 sampai 12 pada lembar informasi tadi, dan di sekitar optimum protease generasi kedua. Tidak ada satu angka untuk "enzim"; angka untuk enzim yang dipakai dibaca dari TDS produk.

Perusak dan penghambat

Lima hal paling sering membuat enzim tidak bekerja.

Panas di atas jendela. Enzim yang masuk ke air 75 °C, jauh di atas batas protease pada contoh data di atas, kehilangan sebagian besar aktivitasnya dalam beberapa menit.

pH di luar jendela. Di bawah atau di atas rentang kerjanya, aktivitas turun tajam. Pada pH yang sangat jauh, lipatan protein dapat rusak permanen.

Oksidator. Protease generasi awal memiliki residu metionina di dekat sisi aktif yang teroksidasi oleh bahan pemutih, dan protease generasi ketiga dibuat dengan mengganti residu itu agar tahan terhadap hidrogen peroksida. Protease tiol seperti papain mudah teroksidasi oleh pemutih, sehingga protease serin lebih disukai di deterjen. Protease tahan oksidasi dirancang untuk oksidator berbasis peroksida, bukan hipoklorit. Pemutih klorin yang dipakai bersamaan dengan enzim dapat menonaktifkan aktivitasnya, sehingga pemutih klorin ditempatkan pada tahap terpisah setelah larutan enzim dibuang dan dibilas.

Pengkelat kuat dan kalsium. Sebagian enzim membutuhkan kalsium untuk menjaga bentuknya. Dalam produk deterjen cair selama penyimpanan, pengkelat kuat seperti DTPA menuntut kelebihan kalsium bebas agar stabilitas protease dan amilase cukup. Kemampuan pengkelat melunakkan air dan afinitasnya terhadap kalsium adalah dua sifat yang berbeda: pengkelat yang sangat kuat mengikat kalsium dapat mengambil kalsium yang dibutuhkan enzim, walaupun kemampuannya melunakkan air tidak lebih baik. Temuan itu tentang produk selama penyimpanan; pengkelat kuat yang didosiskan bersama enzim pada tahap cuci yang sama karena itu juga perlu dicek terhadap data pemasok enzim, terutama bila air sudah dilunakkan.

Waktu yang tidak cukup. Enzim membutuhkan waktu kontak untuk memotong substrat. Untuk noda protein berat, pracuci enzim berlangsung sekurang-kurangnya 15 sampai 30 menit. Tahap yang terlalu singkat, atau enzim yang langsung dibilas, membuang enzim sebelum bekerja.

Waktu kontak dan fase tahan

Karena enzim bekerja dengan laju tertentu selama masih aktif, hasilnya bergantung pada waktu di dalam jendela kerja, bukan waktu total tahap. Tahap 20 menit yang 15 menitnya berada di atas batas suhu hanya memberi sekitar 5 menit kerja enzim. Bila enzim dimasukkan di awal pemanasan, waktu sampai suhu melewati batas atas jendelanya adalah

$$t = \frac{T_{batas} - T_{awal}}{r}$$

dengan $t$ waktu dalam menit, $T_{batas}$ batas atas suhu enzim dan $T_{awal}$ suhu air saat enzim masuk dalam °C, serta $r$ laju pemanasan dalam °C per menit. Rumus ini menganggap laju tetap dan suhu awal sudah di dalam jendela. Laju pemanasan nyata bergantung pada mesin, beban, dan sistem panas, dan harus diukur di lokasi.

Waktu di dalam jendela juga tidak sama nilainya: pada suhu jauh di bawah optimum, aktivitas enzim jauh lebih rendah daripada di dekat optimum. Fase tahan (hold) adalah bagian tahap ketika suhu dijaga di dalam jendela selama waktu tertentu sebelum pemanasan dilanjutkan, dan inilah alasan program enzim memakainya.

Noda protein, urutan suhu, dan penempatan tahap

Bab 3 tentang kotoran dan noda menjelaskan bahwa protein yang terkena panas dapat menggumpal dan makin sulit lepas, sehingga noda protein ditangani pada suhu dingin, di bawah 40 °C, tanpa alkali kuat pada tahap awal. Bagi enzim, urutan ini punya dua alasan. Pertama, noda protein yang sudah menggumpal dan terfiksasi pada serat jauh lebih lambat dilepas oleh protease daripada protein yang masih segar. Kedua, protease sendiri adalah protein yang rusak oleh panas di atas jendelanya.

Urutan yang konsisten dengan kedua alasan itu adalah bilas awal dingin untuk membuang kotoran lepas, pracuci suhu ruang atau hangat di bawah 40 °C dengan enzim dan waktu tahan yang cukup, lalu cuci utama panas untuk lemak, dan pemutih sesudahnya. Contohnya pracuci suhu ruang sekitar 20 sampai 30 °C dengan deterjen berenzim dan perendaman sekurang-kurangnya 15 sampai 30 menit untuk noda protein berat.

Target cuci utama untuk linen putih bertingkat kotor berat adalah pH 11 sampai 12, seperti ditetapkan di Bab 9 tentang pH dan pengukuran kimia. Ada dua cara yang sah untuk memakai enzim bersama target itu. Cara pertama adalah memisahkan tahap: enzim bekerja di pracuci pada pH dan suhu di dalam jendelanya, lalu alkali dosis penuh dan suhu tinggi masuk di cuci utama. Ada deterjen enzimatik dari pemasok yang diformulasikan beralkali rendah, sejalan dengan cara ini.

Cara kedua adalah memakai enzim yang memang dirancang untuk suasana sangat basa, seperti protease generasi kedua dengan pH optimum 11 sampai 12, pada suhu yang masih di dalam batasnya, sekitar 60 °C atau kurang. Cara ini hanya sah bila TDS produk menyatakan jendela itu. Yang tidak sah adalah memasukkan enzim bersamaan dengan alkali dosis penuh dan air panas dengan anggapan enzim akan tetap bekerja. Cara ini berarti membayar enzim yang rusak sebelum sempat bekerja, dan sering sekaligus mematangkan noda protein yang seharusnya dilepas.

Enzim, tekstil, dan stabilitas produk

Protease memotong protein tanpa membedakan noda dari serat. Wol dan sutra adalah serat protein, sehingga deterjen berenzim yang efektif untuk noda organik pada katun tidak dianjurkan untuk wol dan sutra. Bab 2 tentang tekstil membahas kepekaan serat protein ini.

Selulase pembersih yang menyasar daerah amorf dilaporkan tidak menurunkan kadar selulosa kristalin dan berisiko kecil terhadap kekuatan kain, sedangkan selulase perawatan yang aktif terhadap selulosa kristalin membawa risiko pada keutuhan kain. Karena itu, jenis selulase dan dosisnya dibatasi menurut data pemasok, terutama pada linen yang dicuci ratusan kali.

Enzim di dalam produk juga dapat kehilangan aktivitas selama disimpan. Lembar informasi protease alkali murni di bagian jendela kerja meminta penyimpanan dingin pada 3 sampai 5 °C dan tidak dibekukan. Produk deterjen berenzim untuk laundry diformulasikan agar lebih stabil, tetapi tetap memiliki umur simpan dan batas suhu penyimpanan yang tercantum pada lembar datanya. Tanda produk yang aktivitasnya sudah turun sulit dilihat dari luar. Cara yang lebih andal adalah mencatat tanggal produksi dan tanggal buka, menyimpan jeriken jauh dari panas pengering dan sinar matahari, serta memakai prinsip stok pertama masuk pertama keluar.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: menilai tiga pilihan tahap. Laundry sebuah hotel memakai protease dengan data seperti lembar informasi di bagian jendela kerja: aktif pada pH 8 sampai 12 dengan optimum 10, dan pada 20 sampai 60 °C dengan optimum 55 °C. Tiga pilihan penempatan dinilai terhadap jendela itu.

Pilihan A paling aman untuk enzim ini. Pilihan C mungkin bekerja, tetapi dengan aktivitas di bawah optimum; keputusan akhirnya perlu data aktivitas pada pH 11,5 dari TDS. Pilihan B tidak sah untuk enzim ini. Bila laundry ingin enzim bekerja langsung di cuci utama pada pH 11 sampai 12, jenis enzimnya harus diganti dengan enzim yang jendelanya mencakup pH itu, bukan program yang dipaksakan.

Contoh 2: waktu efektif enzim selama pemanasan. Cuci utama diisi air 30 °C, enzim dimasukkan di awal, dan mesin memanaskan dengan laju sekitar 2 °C per menit sampai 75 °C. Batas atas enzim 60 °C. Berapa menit enzim berada di dalam jendelanya?

$$t = \frac{T_{batas} - T_{awal}}{r} = \frac{60 - 30}{2} = 15\ \text{menit}$$

Setelah 15 menit, suhu melewati 60 °C dan enzim cepat kehilangan aktivitas. Bila program ingin memberi 20 menit kerja enzim pada suhu yang lebih dekat ke optimum, pemanasan dihentikan sementara di sekitar 50 °C, suhu ditahan 20 menit, lalu pemanasan dilanjutkan ke 75 °C. Enzim lalu bekerja $(50 - 30)/2 = 10$ menit selama pemanasan awal, 20 menit fase tahan, dan $(60 - 50)/2 = 5$ menit setelah pemanasan dilanjutkan sampai batas 60 °C, sehingga totalnya sekitar 35 menit.

Contoh 3: pracuci enzim untuk linen bernoda darah di rumah sakit. Protease yang dipakai aktif pada 20 sampai 60 °C, tetapi noda protein ditangani di bawah 40 °C, sehingga jendela pracuci ini 20 sampai 40 °C. Pracuci diisi air 28 °C, lalu program memanaskan 1,5 °C per menit:

$$t = \frac{40 - 28}{1{,}5} = 8\ \text{menit}$$

Setelah 8 menit pracuci melewati batas protein, padahal noda protein berat memerlukan sekurang-kurangnya 15 sampai 30 menit. Pemanasan pada tahap ini dimatikan, suhu ditahan sekitar 28 °C selama sekurang-kurangnya 15 menit, lalu larutan dibuang. Disinfeksi termal di cuci utama, misalnya 71 °C sekurang-kurangnya 3 menit pada seluruh beban seperti dibahas Bab 14 tentang higiene linen, tetap dijalankan sesudahnya.

Contoh 4: lipase untuk serbet restoran hotel. Formula baru memasukkan deterjen berlipase ke cuci utama serbet hotel pada pH 11,6. Air masuk 35 °C dan dipanaskan 2 °C per menit sampai 70 °C. Lipase di bagian jenis enzim bekerja pada pH 10 sampai 11 dan 30 sampai 60 °C. Dari sisi suhu saja, enzim berada di dalam jendela selama

$$t = \frac{60 - 35}{2} = 12{,}5\ \text{menit}$$

tetapi pH 11,6 sudah di luar rentang itu sejak awal, sehingga aktivitas lipase turun tajam selama seluruh tahap. Kedua syarat harus terpenuhi bersamaan; waktu di dalam jendela suhu belum berarti waktu kerja enzim. Pilihannya adalah tahap terpisah, misalnya pH 10,5 pada 50 °C dengan waktu tahan, atau lipase lain yang TDS-nya menyatakan jendela pH 11 sampai 12. Tanpa itu, biaya lipase terbuang.

Contoh 5: membaca log suhu cuci utama. Protease seperti pada Contoh 1, dengan batas atas 60 °C dan optimum 55 °C, dimasukkan pada awal cuci utama 25 menit di laundry hotel. Log mencatat suhu tiap 5 menit: 40, 52, 61, 70, 75, dan 75 °C. Batas 60 °C terlewati di antara menit 5 dan 10, ketika laju pemanasan $(61 - 52)/5 = 1{,}8$ °C per menit:

$$t = 5 + \frac{60 - 52}{1{,}8} \approx 9{,}4\ \text{menit}$$

Laju di antara dua pembacaan dianggap tetap. Enzim bekerja sekitar 9 menit dari 25 menit tahap, sekitar 38 persen, dan menit awal di sekitar 40 °C bernilai lebih kecil karena jauh dari optimum. Program diubah agar enzim mendapat fase tahan di dalam jendela atau dipindah ke pracuci.

Contoh 6: protease untuk suasana sangat basa di cuci utama. Laundry hotel pada Contoh 5 memilih cara kedua di bagian penempatan tahap: enzim bekerja langsung di cuci utama pH 11,5. Dalam latihan ini, TDS produk barunya menyatakan protease generasi kedua berjendela pH 11 sampai 12 dengan batas suhu 60 °C. Air masuk 45 °C dan dipanaskan 2 °C per menit sampai 70 °C. Tanpa fase tahan, enzim berada di dalam jendela suhu selama

$$t = \frac{60 - 45}{2} = 7{,}5\ \text{menit}$$

Dengan fase tahan 15 menit di 55 °C, waktu kerja enzim menjadi $(55 - 45)/2 = 5$ menit, ditambah 15 menit, ditambah $(60 - 55)/2 = 2{,}5$ menit, atau sekitar 22,5 menit, dan suhu mencapai 70 °C setelah $5 + 15 + (70 - 55)/2 = 27{,}5$ menit. Karena pH 11,5 di dalam jendela, waktu tahan itu menjadi waktu kerja enzim; dengan protease Contoh 1 yang optimumnya pH 10, waktu yang sama memberi aktivitas lebih rendah. Program ini sah hanya karena TDS menyatakan jendela itu.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan atau perubahan program pada keadaan berikut. Setiap butir menyebut siapa yang mengambil alih.

1. Pekerja mengalami batuk, sesak, mata berair, atau gejala mirip asma berulang setelah menangani deterjen berenzim. Hentikan pekerjaan; pekerja itu dirujuk ke layanan kesehatan kerja, kejadiannya dicatat, dan penugasan kembali mengikuti penilaian petugas kesehatan kerja.
2. Deterjen berenzim tumpah. Amankan area dan beri tahu pengawas; jangan membersihkannya dengan air bertekanan, semprotan, atau sapu kering, karena cara itu membentuk aerosol atau debu, dan ikuti cara pembersihan pada SDS.
3. Program akan memasukkan enzim ke cuci utama pH 11 sampai 12 atau ke air di atas batas suhunya, sedangkan TDS produk tidak tersedia atau tidak menyatakan jendela itu. Keputusan menunggu TDS dari pemasok enzim.
4. Pemutih klorin akan dipakai pada tahap yang sama dengan enzim, atau wol dan sutra akan dicuci dengan program deterjen berenzim. Urutan tahap dan pemisahan beban diputuskan pengawas sebelum program dijalankan.
5. Perubahan program untuk melindungi enzim akan menurunkan atau memperpendek disinfeksi termal di cuci utama. Keputusan diambil personel berwenang menurut Bab 14 tentang higiene linen.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 · Biologi & Mikrobiologi tentang mikroba memberi dasar asal enzim dari mikroorganisme, Bab 8 · Kimia tentang larutan memberi dasar pH, dan Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya dan kondisi berhenti memberi dasar untuk bahan yang menimbulkan sensitisasi. Bab ini bersandar pada Bab 6 sampai Bab 3 tentang kimia pembersih, tekstil, dan kotoran serta Bab 5 tentang lima faktor, dan menjadi dasar Bab 8, Bab 9, dan Bab 11 yang disebut di Batas pembahasan serta Bab 13 tentang penanganan noda (spotting).

Latihan dan pembahasan

Tuliskan asumsi yang dipakai. Angka dalam soal adalah data latihan.

Referensi