WO2013182723A1 - Preparación enzimática acuosa aislada y su uso para la funcionalización de la superficie del papel o soportes celulósicos - Google Patents

Preparación enzimática acuosa aislada y su uso para la funcionalización de la superficie del papel o soportes celulósicos Download PDF

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enzymatic
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Oriol Cusola Aumedes
M. Blanca Roncero Vivero
Cristina Valls Vidal
Teresa Vidal Llucia
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Definitions

  • the present invention preferably relates to the field of paper and cellulosic supports.
  • the present invention relates to an isolated aqueous enzyme preparation and its use for the functionalization of the paper surface or cellulosic supports.
  • Functionalization consists in the addition of functional chemical groups on a surface in order to modify or improve its properties. Some of these properties that can be hydrophobicity, antioxidant and / or bacteriostatic capacity, high mechanical resistance, etc. As regards the hydrophobicity property, the absorption of liquids in the paper structure is a key factor for the final use of paper products (eg paper cups, paper bags, packaging boxes or liquid containers) and also for the machinability of paper processes, eg "size press" or printing (1, 2).
  • the antioxidant and antimicrobial property in a paper is interesting from the point of view of food preservation, since a paper with antioxidant or antimicrobial properties can be implemented in the manufacture of a containment packaging with advanced properties (4).
  • the present inventors provide a new product, called post-enzymatic preparation, for surface application directly on the already formed cellulosic support that has a whole set of advantages:
  • This product is a simple and versatile formulation easy to apply on the surface of the cellulosic support
  • this formulation varies according to the final property to be acquired in the support, but without the need to modify the reaction conditions, only if it needs or not the techniques to facilitate the disintegration / dispersion of the compound to be transferred.
  • Theological properties of the post-enzymatic preparation allow it to be applied superficially by different methods: size press, sprayers, metering bar, immersion-impregnation, etc.
  • the product can be prepared in a concentrated way to be diluted later at the time before its use, thus reducing the costs of transport, storage, dimensions of the product preparation facilities and energy consumed in the preparation. Therefore, the product of the present invention allows different properties to be provided to the support depending on the natural or synthetic compound used in the product formulation.
  • This innovative product consists of a "post-enzymatic" preparation, that is, it is a preparation resulting from an enzymatic reaction, whose final Theological characteristics and conditions allow its subsequent surface application through different dosing systems, without interfering with the manufacturing process. of the support.
  • the present inventors previously patented, according to ES2352495B1, a procedure in which an internal gluing of the paper was achieved by means of an enzyme-mediating system.
  • the process consisted of mixing, previously, the cellulosic fibers (which subsequently formed the paper) with a compound (mediator) and, subsequently, adding a laccase-like enzyme for the reaction to take place. enzymatic for a certain time, in the presence of cellulosic fibers, and thus develop, on paper once formed, the internal gluing property.
  • the present invention allows a product derived from the enzymatic reaction to be obtained without the presence of cellulosic fibers (an external agent in general) and outside the papermaking process, the product being subsequently applied to the paper surface. Therefore, this product can be manufactured outside the paper industry as a chemical additive and subsequently used by the paper company, using current technology and without harming the support manufacturing process.
  • the product obtained in the present invention is a preparation (post-enzymatic product) derived from the enzymatic reaction; on the other hand, the product obtained in ES2352495B1 are modified cellulosic fibers in aqueous suspension, the obtaining of which always takes place within the papermaking process, assuming important disadvantages that make its industrial application unfeasible.
  • the present invention does not imply any inconvenience to be applied industrially.
  • Figure 1 represents a block diagram of a paper mill.
  • Figure 2 Evolution of the hydrophobic property measured from the WDT varying the process conditions.
  • St. Refers to standard treatment; LGx2 refers to the standard treatment by doubling the dose of phenolic compound; St. + Heat treatment refers to the standard treatment by applying a temperature cure; LGx2 + Heat treatment refers to the combination of cure and dose doubling of phenolic compound.
  • Figure 3 Hydrophobicity of the filter paper sheets measured with the contact angle goniometer. Untreated paper (a) and paper treated superficially with the post-enzymatic preparation (b).
  • Figure 4 Variation of the contact angle over time for the treated and untreated filter paper (a), and comparison of the absorption-evaporation between the treated paper and the TEFLON ® (b).
  • Figure 5. Contact angle of the papers treated with compounds capable of conferring cationicity to the sheets of paper and subsequently functionalized by the post-enzymatic product.
  • the present invention relates to an isolated aqueous enzyme preparation obtained from the reaction of at least one oxidoreductase enzyme, preferably a laccase, and at least one natural or synthetic product, preferably a natural compound, whose natural or synthetic product comprises in its structure at least one phenol or alcohol group, which optionally has one or more hydrophobic chains, or at least one sterol group, characterized in that the reaction is carried out in the absence of an external agent (eg cellulosic fibers ).
  • an external agent eg cellulosic fibers
  • the present invention relates to the surface application of the post-enzymatic product obtained after the completion of the reaction of at least one oxidoreductase enzyme and at least one natural or synthetic product comprising in its structure at least a phenol or alcohol group, which optionally has one or more hydrophobic chains, or at least one sterol group, for the functionalization of the paper surface or cellulosic supports.
  • the present invention relates to an isolated aqueous enzyme preparation obtained from the reaction of at least one oxidoreductase enzyme, preferably a laccase, and at least one natural or synthetic product, preferably a natural compound, whose natural or synthetic product comprises in its structure at least one phenol or alcohol group, which optionally has one or more hydrophobic chains, or at least one sterol group, characterized in that the reaction is carried out in the absence of an external agent (eg cellulosic fibers ).
  • an isolated aqueous enzyme preparation is also referred to in the present invention as "product or post-enzymatic preparation "since it is a preparation resulting from an enzymatic reaction.
  • said natural or synthetic compound is selected from the group consisting of the structures:
  • R 3 can be a -H or an alkyl> d, preferably between Ci and C 34 , and Ri, R 2 can be:
  • R 2 and R 3 can be:
  • Ri, R 2 and R3 can be:
  • Ri, R 2 and R3 can be:
  • R 1 -H
  • R 3 -OH
  • R 2 alkyl> Ci, preferably between C 1 and
  • R 1 -H
  • R 3 -H
  • R 2 alkyl> Ci, preferably between C 1 and C3 4 Structure D: 2,4,6-tris (1-phenylethyl) phenol
  • alkyl is understood to include linear and branched alkyl groups, either aliphatic or alicyclic, and in turn they can be saturated or unsaturated (for example, partially unsaturated or totally unsaturated) that have at least one carbon atom in the structure, preferably between 1 (Ci) and 34 (C3 4 ) carbon atoms in the structure.
  • saturated alkyl groups include, but are not limited to, methyl (Ci), ethyl (C2), propyl (C3), butyl (C 4 ), pentyl (C5), hexyl (C &) and heptyl (C 7 ).
  • saturated branched alkyl groups include, but are not limited to, so-propyl (C3), so-butyl (C 4 ), sec-butyl (C 4 ), tert-butyl (C 4 ), isopentyl (C5) ), and neo-pentyl (C5).
  • LAURIL GALATO Dodecyl 3,4,5-trihydroxybenzoate
  • LAURIL GALATO Dodecyl 3,4,5-trihydroxybenzoate
  • the dose of enzyme to be used is between a minimum of 20U / L and a maximum that depends on the concentration of the natural or synthetic product used; preferably the dose range of the enzyme ranges between 50U / L and 3000U / L.
  • the natural or synthetic compound that is reacted is applied in doses that depend on the solubility of the compound, and the degree of property to be achieved.
  • Said dosage range ranges from a minimum of 0.1 g / L to a maximum that depends on the following factors: the solubility of the product and the maximum amount of product that can be maintained in homogeneous suspension, either by stable emulsion or by agitation. Preferably, the dosage range would range between 0, 1 and 30g / L.
  • the natural or synthetic compound is selected based on the properties to be conferred by the post-enzymatic preparation. Some examples of properties are: hydrophobicity, antioxidant power, bactericidal capacity, antimicrobial capacity, barrier property to gases, barrier property to water or liquids in general, barrier property to oils or fats.
  • the isolated aqueous enzyme preparation is obtained by reacting at least two natural or synthetic compounds with at least one oxidoreductase enzyme, in order to confer various properties to the paper and cellulosic supports from a single post preparation. - enzymatic.
  • the duration of the isolated aqueous enzyme preparation depends on the combination of enzyme and natural or synthetic compound used.
  • Enzymatic treatments can be performed under pressure or at atmospheric pressure according to the needs or efficiency of the enzyme.
  • the isolated aqueous enzyme preparation of the present invention is obtained from the reaction of at least one oxidoreductase enzyme, preferably a laccase, and at least one natural or synthetic product, preferably a natural compound, whose product natural or synthetic in its structure comprises at least one phenol or alcohol group, which optionally has one or more hydrophobic chains, or at least one sterol group, at a pH between 4 and 10, and a temperature between room temperature and 90 ° C.
  • said pH varies between 4 and 7.
  • said temperature varies between 30 ° C and 60 ° C.
  • Ultrasonic disintegration In order to break the aggregates of insoluble compounds, before carrying out the enzymatic reaction, an ultrasonic tip is immersed in an aqueous enzymatic preparation comprising the insoluble compound. Any ultrasonic tip can be used, whereby the sonication power and reaction time are established based on the tip used and the complexity of disintegration of the compound. With this technique, a smaller particle size and a more homogeneous distribution of the insoluble compound are obtained.
  • a natural or synthetic surfactant In the isolated aqueous enzyme preparation according to the first aspect of the invention it may be necessary to add a natural or synthetic surfactant in order to reduce the surface tension of the reaction preparation and improve the distribution of the compound insoluble.
  • the dose to be used depends on the type of surfactant and the natural or synthetic compound.
  • said surfactant is ionic, more preferably anionic, and sulfonated lignin can be indicated as an example of a surfactant useful in the present invention.
  • a natural or synthetic surfactant is also added to facilitate the disintegration / dispersion of the natural compound or synthetic before the reaction with the enzyme.
  • said surfactant is ionic, more preferably anionic.
  • An example of a surfactant useful in the present invention is sulfonated lignin.
  • oxidoreductase enzyme preferably a laccase
  • natural or synthetic product preferably a natural compound, whose natural or synthetic product comprises in its structure at least one phenol or alcohol group, which optionally has one or more hydrophobic chains, or at least one group
  • ultrasound is used to disintegrate / disperse the natural or synthetic compound prior to the reaction with the enzyme.
  • the ultrasonic disintegration is performed first and then the addition of a surfactant.
  • Ultrasonic disintegration and / or the addition of a surfactant are always carried out before the enzyme is added.
  • the isolated aqueous post-enzymatic preparation can be stored for later use.
  • This post-enzymatic product can be obtained in a concentrated way, using high concentrations of the initial components, so that it can be prepared, transported and / or stored in small volumes, and can be subsequently diluted at the time before being used.
  • the degree of dilution will be determined by the level or amount of property that you want to obtain.
  • this post-enzymatic product unlike other products of the state of the art, is obtained without the presence of cellulosic fibers (or any external agent in general) and outside the papermaking process, and can subsequently be applied to the paper surface (see below in its utility). Therefore, this product can be manufactured outside the paper industry as a chemical additive and subsequently used by the paper company, without modifying or interfering with the process of manufacturing the support.
  • the product of the present invention is distributed on the surface of the paper once it is applied (see below in its usefulness).
  • Another aspect of the invention relates to the use of an isolated aqueous post-enzymatic preparation obtained from the reaction of at least one oxidoreductase enzyme and at least one natural or synthetic product comprising in its structure at least one group phenol or alcohol, which optionally it has one or more hydrophobic chains, or at least one sterol group, and any of its preferred vanes, in the functionalization of the paper surface or cellulosic supports.
  • Said surface functionalization is achieved by applying said post-enzymatic product on the surface of the paper or cellulosic supports.
  • the cellulosic support useful in the present invention includes support obtained from wood and non-wood fibers, bleached and unbleached fibers, mechanical, chemical and semi-chemical pulps, recycled fibers, cellulose microfiber films, cellulose nanofiber films, nanocellulose crystals, lignin films or other types of films and supports. Likewise, commercial type supports can also be used.
  • cationic products such as cationic polyamidoamine-epichlorohydrin (PAAE) resins, chitosan, cationic starch or others.
  • PAAE cationic polyamidoamine-epichlorohydrin
  • the application of the aqueous enzyme preparation of the present invention on the surface of the paper or cellulosic supports is carried out by immersion-impregnation, spraying, "size press", “metering bar”, among others, which are techniques of superficial application commonly used in the manufacture of cellulosic supports.
  • the "size-press” consists of two horizontally arranged rollers, which exert a certain pressure between them.
  • the liquid to be transferred to the paper or support is arranged on the upper side of the contact, and it passes through the cylinders. In this way the liquid is transferred superficially to the paper or support.
  • the parameters that influence the amount of liquid transferred are speed and pressure.
  • the sprayers consist of spray heads in which the liquid to be transferred at high pressure is sent, and due to the geometry of the outlet orifices they generate micro-drops that are deposited in the form of a thin layer on the paper or support.
  • the "metering bar” consists of a rotating cylinder immersed in a tray with the preparation to be transferred to the paper or support, so that a certain amount of product is disposed on one of the sides of the paper or support.
  • a second slotted and calibrated cylinder removes excess product leaving the desired product thickness. In this system, only the treatment is carried out on one of the sides of the paper or support.
  • the paper or support is submerged inside a tray filled with the liquid to be transferred to the paper or support.
  • the speed of passage and the exposed surface will determine the amount of product absorbed.
  • metering bars can be arranged to control the excess liquid transferred.
  • the application of the aqueous enzyme preparation on the paper or cellulosic supports is carried out in the formation zone, in the drying room, in the "size press", in the coating area, in the final product, or between the aforementioned operations ( Figure 1).
  • the present example illustrates obtaining a product, which applied superficially on the pre-formed or finished support, will increase its hydrophobic character.
  • Said product consists of a post-enzymatic preparation using a lamese enzyme from Trametes Villosa, and Lauril Galato (LG) as a hydrophobic compound.
  • the enzyme used was lame de Trametes villosa with an activity of 588U / mL.
  • the treatments were carried out in reactors of 250mL capacity, hermetically sealed and with continuous agitation; and the general conditions of the reaction were the following: pH 4, 0, 12% of Lauril Galato (hydrophobic compound), 0.12% amount of surfactant, which in this case was a sulphonated lignin, temperature 40 ° C and 4h reaction time.
  • the post-enzymatic product obtained was stored for later surface application.
  • the following table shows the treatment doses used to obtain the functionalization preparation (post-enzymatic product), as well as the different controls performed:
  • the tappi water test (WDT) Tappi standard T835 om-08 was carried out. This consists of arranging a drop of distilled water by means of a syringe and measuring the time it takes to be adsorbed by the paper.
  • the initial contact angle between a drop of water and the surface of the treated papers was also analyzed, as well as a modeling of the absorption-evaporation of the drop of water in the paper structure.
  • the post-enzymatic solutions obtained according to Table 1 were applied superficially on the support (in this case commercial filter paper) and the evolution of the WDT (as an indicator of the degree of hydrophobicity) was measured. Said surface application was performed by immersion. The WDT results are shown in Table 2.
  • sulfonated lignin as a surfactant in the preparation of the post-enzymatic product has a key effect in improving hydrophobicity in the support. This substantial improvement can be attributed to the better distribution of the hydrophobic product (LG) along the surface of the support. This fact represents a novelty, since the use of sulfonated lignin as a surfactant to improve the distribution of hydrophobic products for functionalization has not been described so far. Likewise, the addition of sulfonated lignin helps to maintain the dispersion of the LG in its oxidized form and to preserve the stability of the functionalizing preparation over time.
  • the phenolic compound LG is a solid with a very low surface free energy that tends to form aggregates and is not wetted by water, resulting in zero dispersion in the aqueous medium.
  • the use of ultrasound causes a destruction of these aggregates and forces LG particles to enter the aqueous medium.
  • the LG is homogeneously distributed in the medium, but the enzymatic treatment must be carried out immediately since otherwise, it precipitates and tends to form aggregates again.
  • Filter paper sheets were treated by immersion with the functionalizing solutions (table 1) and compared with the untreated paper in terms of the contact angle (AC) between the water and the paper surface.
  • the contact angle is a method that gives an idea of the hydrophobicity of a surface. It is generally assumed that if the contact angle is less than 90 °, we have a hydrophilic surface, while if this angle is greater than 90 °, we are in front of a hydrophobic surface.
  • the measurements were carried out using a contact angle goniophotometer, depositing a drop of 4 L on the surface of the paper, and obtaining a contact angle of around 18 ° for untreated paper and of the order of 130 ° for the paper treated with post-enzymatic preparations (Figure 3).
  • the treated sheets were compared with a TEFLON ® sheet, since it is a non-absorbent material in which the disappearance of the volume of a drop of water deposited in its surface is due solely and exclusively to evaporation. 4 ⁇ _ of water was deposited on the surface of both materials and the change in the volume of the drop was monitored until its complete disappearance.
  • Figure 4b shows that the curves obtained are very similar, indicating that the greatest phenomenon that occurs in the treated paper is evaporation.
  • the leaves treated with the post-enzymatic products allow obtaining highly hydrophobic papers.
  • Sheets of paper were made using a laboratory former made from raw and bleached eucalyptus Kraft pulp ECF.
  • ECF eucalyptus Kraft pulp
  • different compounds capable of conferring cationicity to the paper sheets were used in fibrous suspension (Table 3). The addition of such compounds is a common practice in the manufacturing process of cellulosic supports. Once the paper sheets were obtained, the post-enzymatic solutions of Table 1 were applied.
  • the present example illustrates the maintenance and improvement in the physicomechanical properties of papers treated superficially with the product illustrated in example 1, consisting of a post-enzymatic product resulting from the reaction between a lamese enzyme of Trametes Villosa, and Lauril Galato ( LG) as a phenolic compound (solution D, table 1). Surface treatments were performed on filter paper samples.
  • the papers used to evaluate the effect of the product of Example 1 on the physicomechanical properties were commercial grade laboratory filter papers. Bendtsen permeability (ISO 5636), burst resistance (ISO 2758), tear resistance (ISO 1974), double fold resistance (ISO 5626), tensile strength (ISO 1924), resistance were evaluated to wet traction (ISO 3781), Cobb 6 or glue (ISO 535) and Zero-Span traction (ISO 15361). A minimum of ten repetitions were performed for each test, obtaining the average value and the standard deviation.
  • Table 4 can be seen as the results of the properties of Burst, Tear, Double Fold, Traction, and Zero-Span are of the same order and are not altered by the use of the post-enzymatic product. Even the properties of wet traction and Cobb 6 sizing improve after the surface application of the post-enzymatic product.
  • the untreated paper and the paper treated only with solution at pH 4 have such a high water absorption that it was not possible to measure the value of Cobb 6 o, while the paper treated superficially with the post-enzymatic product, acquires a hydrophobic character so high that it is already possible to perform the measurement.
  • wet traction it increases by 35% compared to the control.
  • the present example illustrates the obtaining of a product consisting of a post-enzymatic preparation using a laccase enzyme different from the two previous examples, and Lauril Galato (LG) as a phenolic compound.
  • Said post-enzymatic product applied superficially on the pre-formed or finished paper will increase its hydrophobic character.
  • the enzyme is a fungal laccase from a Cerrena Unicolor IBB303 culture, produced in submerged fermentation. The tests were carried out on cellulose supports of raw and bleached eucalyptus eucalyptus kraft pulp.
  • the fungal enzyme from a Cerrena Unicolor IBB303 culture had an activity of 1660U / mL.
  • the treatments were carried out in reactors of 250mL capacity, hermetically sealed and with continuous agitation, and the general conditions of the reaction were the following: pH 4, 0, 12% of Lauril Galato (phenolic compound), 0, 12% amount of surfactant, which in this case was a sulfonated lignin, 40 ° C temperature and 4h reaction time. After the reaction, the preparation was stored for later use in surface functionalization. Indicate that the phenolic compound LG was disintegrated by ultrasound as set forth in example 1. Table 5 shows the doses used to obtain the post-enzymatic products. Table 5. Dose of treatments.
  • the post-enzymatic solutions of the treatment with Lauril Galato and the Cerrena Unicolor IBB303 enzyme were applied on cellulosic supports obtained by means of a laboratory former. These cellulosic supports were made from raw and bleached eucalyptus Kraft pulp ECF, and for the purpose of conferring cationicity to the supports, a PAAE wet strength resin was used in the fibrous suspension, as described in example 1 .
  • the post-enzymatic solutions obtained according to Table 5 were applied superficially to the support (in this case papers made from raw and bleached eucalyptus Kraft paste ECF) and the evolution of the WDT (as an indicator of the degree of hydrophobicity) was measured. Said surface application was performed by immersion. WDT results are shown in Table 6. Table 6. WDT of the impregnated samples.
  • the present example illustrates the obtaining of 4 different post-enzymatic products (using a lamella enzyme from Trametes Villosa, and 4 compounds) which, applied superficially on the pre-formed or finished support, will increase their antioxidant properties.
  • the enzyme used was Lame de Trametes Villosa with an activity of 588U / mL.
  • the treatments were carried out in reactors of 250ml_ capacity, hermetically sealed and with continuous agitation.
  • the general conditions of the reaction were as follows: pH 4.0, 12% hydrophobic compound, 40 ° C temperature and 4h reaction time. After the reaction, the preparation was stored for later use in surface functionalization.
  • the compounds used to prepare the post-enzymatic products in order to confer antioxidant capacity to the supports are the following:
  • LAURIL GALATO Dodecyl 3,4,5-trihydroxybenzoate
  • the cationic radical ABTS * is a chromophore that absorbs at a wavelength of 415nm, 654nm or 754nm, and is generated by an oxidation reaction of ABTS (2,2'-azino-bis (3ethylbenzthiazoline-6-ammonium sulfonate) )) with potassium persulfate.
  • Post-enzymatic preparations were applied superficially on cellulosic supports.
  • These cellulosic supports were made in a laboratory former from ECF bleached eucalyptus kraft paste using a wet strength resin in fibrous suspension, as described in example 1.
  • the following table shows the measurements of the evolution of the antioxidant capacity as a percentage of inhibition (discoloration) of the cationic radical ABTS * of the supports treated with the different post-enzymatic products, according to the phenolic compound used in the preparation of the functionalizing product .
  • a higher percentage of inhibition means a greater antioxidant capacity.
  • Table 7 clearly shows that the paper alone has no antioxidant capacity (Treatment A, table 7), while the support treated with the different post-enzymatic products increases its inhibition power of the cationic radical of ABTS * in a range that goes from 73% to 99%. It is worth mentioning the treatment with the Octil Galato compound (treatment C, table 7), with which a practically total inhibition power was obtained.
  • the present example illustrates the obtaining of two post-enzymatic products consisting of preparations (using a fungal laccase enzyme from a Cerrena Unicolor IBB303 culture and two compounds) which, applied superficially on the pre-formed or finished support, will increase the properties antioxidants of this one.
  • an enzyme different from that of example 4 has been used.
  • the enzyme used was the fungal laccase from a Cerrena Unicolor IBB303 culture, with an activity of 1660 U / mL.
  • the treatments were carried out in reactors of 250mL capacity, hermetically sealed and with continuous agitation.
  • the general conditions of the reaction were as follows: pH 4.0, 12% phenolic compound, 40 ° C temperature and 4h reaction time. After the reaction, the preparation was stored for later use in surface functionalization.
  • LAURIL GALATO Dodecyl 3,4,5-trihydroxybenzoate
  • cellulosic supports were made in a laboratory former from ECF bleached eucalyptus Kraft pulp and were pretreated using a wet strength resin in fibrous suspension, as described in example 1.
  • the following table shows the measurement of the evolution of antioxidant capacity as a percentage of inhibition (discoloration) of the cationic radical ABTS * of the papers treated with the different post-enzymatic solutions.
  • Table 8 shows that the support treated with the post-enzymatic product derived from the reaction between the fungal enzyme from a Cerrena Unicolor IBB303 culture and the Lauril Galato compound (treatment C, table 8) has conferred a high antioxidant power of the order of 83% inhibition power of the cationic radical of ABTS * In the case of Octil Galato (treatment B, table 8), a lower inhibition power was obtained, of the order of 57%, but which is anyway high if compared with paper without surface treatment (treatment A, table 8).
  • the present example illustrates obtaining a post-enzymatic product consisting of a preparation using a Lacasa de Trametes Villosa enzyme, and Lauril Galato (LG) as a hydrophobic compound.
  • Said product is obtained from the same initial compounds that are used in WO 201 1/009979 A1 in order to functionalize the individual cellulosic fibers (in aqueous suspension).
  • said compounds are reacted in the absence of cellulosic fibers, with the aim of applying it afterwards (once the enzymatic reaction is finished) superficially on an already formed cellulosic support or sheet, to achieve its functionalization
  • the present example aims to check whether treating individual cellulosic fibers using the post-enzymatic product in fibrous suspension can also increase the hydrophobicity of the paper obtained from them, analogously to when applied superficially. .
  • the enzyme used was Lame de Trametes Villosa with an activity of 588U / mL.
  • the treatments were carried out in reactors of 250mL capacity, hermetically sealed and with continuous agitation; and the general conditions of the reaction were the following: pH 4, 0, 12% of Lauril Galato (hydrophobic compound), 0.12% amount of surfactant, which in this case was a sulphonated lignin, temperature 40 ° C and 4h reaction time. After of the reaction, the preparation was stored for later use in surface functionalization.
  • the present example makes use of the ultrasonic decay described in previous examples for the destruction of LG aggregates before the enzymatic reaction.
  • the LG can be distributed homogeneously in the reaction medium.
  • ECF eucalyptus cellulosic fibers were treated by keeping them in suspension in the post-enzymatic product by stirring for 10 minutes, and at a consistency of 3%. Subsequently, the suspension was diluted to a consistency of 0.24% for the manufacture of standardized laboratory paper sheets according to ISO 5269-2: 2004 by Rapid-Kóten former.
  • the tap water test (WDT) Tappi standard T835 om-08 was performed. This consists of arranging a drop of distilled water by means of a syringe and measuring the time it takes to be adsorbed by the paper.
  • the initial contact angle between a drop of water and the surface of the treated papers was also analyzed, as well as a modeling of the absorption-evaporation of the drop of water in the paper structure.
  • Paper sheets obtained from ECF eucalyptus fibers treated in fibrous suspension with the post-enzymatic product, and manufactured using the Rapid-Kóten sheet former were compared with sheets obtained from untreated ECF eucalyptus fibers in terms of the angle of contact (AC) between the water and the surface of the paper.
  • the contact angle obtained was around 23 ° for paper obtained from untreated ECF eucalyptus fibers, and on the order of 29 ° for paper obtained from ECF eucalyptus fibers treated in fibrous suspension with the product enzymatic post.
  • the contact angles obtained indicated that the sheets of paper did not have any hydrophobic character when the fibers were treated in aqueous suspension with the post-enzymatic product.

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Abstract

En un primer aspecto, la presente invención se refiere a una preparación enzimática acuosa aislada obtenida a partir de la reacción de por lo menos una enzima oxidorreductasa, preferiblemente una lacasa, y por lo menos un producto natural o sintético, preferiblemente un compuesto natural, cuyo producto natural o sintético comprende en su estructura por lo menos un grupo fenol o alcohol, que opcionalmente tiene una o más cadenas hidrofóbicas, o por lo menos un grupo esterol. En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a la utilización de dicha preparación enzimática acuosa aislada en la funcionalización de la superficie del papel o soportes celulósicos.

Description

PREPARACIÓN ENZIMÁTICA ACUOSA AISLADA Y SU USO PARA LA FUNCIONALIZACIÓN DE LA SUPERFICIE DEL PAPEL O SOPORTES CELULÓSICOS
Campo de la invención
La presente invención se refiere preferiblemente al campo del papel y soportes celulósicos. En particular la presente invención se refiere a una preparación enzimática acuosa aislada y a su uso para la funcionalización de la superficie del papel o soportes celulósicos.
Antecedentes de la invención
La funcionalización consiste en la adición de grupos químicos funcionales sobre una superficie con la finalidad de modificar o mejorar sus propiedades. Algunas de estas propiedades que pueden ser la hidrofobicidad, la capacidad antioxidante y/o bacteriostática, elevadas resistencias mecánicas, etc. En cuanto a la propiedad de hidrofobicidad, la absorción de líquidos en la estructura del papel es un factor clave para el uso final de productos de papel (p.ej. vasos de papel, bolsas de papel, cajas para packaging o contenedores de líquidos) y asimismo para la maquinabilidad de los procesos papeleros, p.ej. en "size press" o impresión (1 , 2). Los fabricantes de papel llevan a cabo procesos para reducir la tasa de absorción de líquidos en la estructura del papel, tratando la suspensión fibrosa con sustancias hidrófobas (3); esta operación es la que denominamos "encolado interno". En contraste con el encolado interno tenemos el "encolado superficial", cuya finalidad es la mejora de las propiedades superficiales (tales como, la lisura, la permeabilidad, la imprimibilidad, etc) del soporte para su posterior utilización en distintos procesos, p.e. papeles para impresión y escritura. Este proceso consiste en aplicar productos químicos (p.e, almidón entre otros) en la superficie del papel ("size press", estucado, etc) durante el proceso de fabricación del papel. Con respecto a las capacidades antioxidante y antimicrobiana, se sabe que muchos alimentos se deterioran y pierden calidad durante el transporte, procesado y almacenado contaminándose éstos a través de microorganismos, reacciones químicas, y cambios físicos. Entre estos modelos de degradación el deterioro microbiano y las reacciones de oxidación son las que ejercen un mayor impacto. La propiedad antioxidante y antimicrobiana en un papel es interesante desde el punto de vista de la conservación de alimentos, ya que un papel con propiedades antioxidantes o antimicrobianas podrá ser implementado en la fabricación de un packaging de contención con propiedades avanzadas (4).
El caso concreto de la funcionalización de fibras individualizadas de celulosa mediante procesos biotecnológicos utilizando enzimas ya ha sido descrito, por ejemplo, para la hidrofobización de las fibras (5), o la incorporación de fenoles naturales susceptibles de conferir propiedades antioxidantes, bacteriostáticas, o de incremento de la resistencia mecánica (6). De hecho, existen dos patentes donde se aplica una enzima oxidoreductasa (lacasa) directamente a la suspensión de fibras, es decir, antes de que el soporte esté formado. Una de ellas es para mejorar la resistencia en húmedo del papel (US 6,610,172 B1 ) y otra para realizar el encolado interno del papel (WO 1 1/009979). Estos tratamientos enzimáticos en la industria papelera están diseñados para ser aplicados sobre la suspensión fibrosa, en las tinas de mezcla y antes de la formación de la hoja. Esto conlleva unos inconvenientes desde el punto de vista industrial como son por ejemplo: i) una limitación en las condiciones de trabajo (pH, temperatura, consistencia, tiempo de reacción, etc) que deben ser adecuadas para una óptima acción de la enzima, ¡i) un consumo elevado del reactivo transferido, i¡¡) posibles interferencias en los enlaces entre fibras o con otros productos del proceso y iv) dificultad en la recirculación de los efluentes generados. Estos inconvenientes hacen que dichos tratamientos enzimáticos descritos hasta el momento no sean viables industrialmente.
Una posible solución que disminuiría el consumo de reactivo transferido, que no afectaría a la capacidad de enlace entre fibras y que eliminaría la dificultad en la recirculación de los efluentes, sería realizar los tratamientos enzimáticos superficialmente en el soporte celulósico en lugar de en suspensión fibrosa. Pero la realización de un tratamiento enzimático directamente en la superficie de un soporte celulósico resulta inviable debido a las condiciones en que tiene que tener lugar la reacción enzimática, como por ejemplo, los elevados tiempos de reacción. De hecho, en la bibliografía no se describe ninguna aplicación de sistemas enzimáticos con la finalidad de funcionalizar que se aplique directamente sobre la superficie de un papel en la mesa de formación, antes del secado, o una vez la hoja ya se ha formado. Existen referencias sobre biotratamientos superficiales en madera (7) y en tejidos ya acabados (8). No obstante, en estos tratamientos la presencia del sustrato (madera o tejido) es necesaria en el momento de la reacción enzimática. Para un proceso papelero no existen referencias sobre biotratamientos superficiales aplicados sobre el papel, es decir, sobre una hoja previamente formada.
Así pues, con el fin de superar las objeciones indicadas anteriormente, los presentes inventores proporcionan un nuevo producto, llamado preparación post- enzimática, para su aplicación superficial directamente sobre el soporte celulósico ya formado que presenta todo un conjunto de ventajas:
1. - Este producto es una formulación sencilla y versátil fácil de aplicar sobre la superficie del soporte celulósico
2. - Se pueden preparar diferentes productos o preparados post-enzimáticos para aportar diferentes propiedades al soporte, únicamente cambiando el/los compuesto/s natural o sintético en la formulación.
3. - Las condiciones del proceso enzimático no varían excesivamente en función del compuesto natural o sintético.
4. - Así, esta formulación varía según la propiedad final a adquirir en el soporte, pero sin necesidad de modificar las condiciones de reacción, únicamente si necesita o no las técnicas para facilitar la disgregación/dispersión del compuesto a transferir.
5. - No necesita ser preparado in-situ en el momento de ser aplicado, por lo que puede ser suministrado como producto formulado. 6. - La reacción enzimática en la preparación del producto a aplicar tiene lugar antes de ser utilizado sobre el soporte permitiendo su aplicación superficial en diferentes puntos de la máquina de papel, como por ejemplo en la mesa de formación, antes de la sequería, después de la sequería e incluso en el producto acabado.
7. - Las condiciones elevadas de temperatura en la máquina de papel no afectan/perjudican a la reacción enzimática ya que ésta tiene lugar fuera del punto de aplicación, y por tanto fuera del proceso de fabricación del soporte.
8. - Como el producto no se aplica hasta que la hoja ya está formada, el tratamiento enzimático no afecta a la capacidad de enlace de las fibras ni al proceso en sí de formación de la hoja de papel.
9. - Al poderse aplicar este producto post-enzimático superficialmente, se reducen las cantidades de compuesto natural o sintético y además éste queda más superficial siendo más efectivo.
10. - Las propiedades Teológicas de la preparación post-enzimática permiten que sea aplicada superficialmente mediante diferentes métodos: size press, sprayers, metering bar, inmersión-impregnación, etc.
1 1 . - La utilización de este producto en fábrica no supone una inversión adicional de maquinaria puesto que se pueden aprovechar los sistemas ya existentes en la máquina de papel, y en caso de que no sea así, la inversión no es desmesurada puesto que únicamente se necesitarían unos pulverizadores y un depósito de almacenaje de la preparación post-enzimática.
12. - El producto puede prepararse de forma concentrada para ser diluido posteriormente en el momento antes de su utilización, reduciendo de esta forma los costes de transporte, almacenamiento, dimensiones de las instalaciones de preparación del producto y energía consumida en la preparación. Por consiguiente, el producto de la presente invención permite aportar al soporte diferentes propiedades en función del compuesto natural o sintético utilizado en la formulación del producto. Este producto innovador consiste en una preparación "post-enzimática", es decir, es un preparado resultado de una reacción enzimática, cuyas características y condiciones Teológicas finales permiten su posterior aplicación en superficie mediante distintos sistemas de dosificación, sin interferir en el proceso de fabricación del soporte.
Los presentes inventores patentaron previamente, según el documento ES2352495B1 , un procedimiento en el que se conseguía un encolado interno del papel mediante un sistema enzima-mediador. Tal como se indica en los ejemplos de dicha patente, el proceso consistía en mezclar, previamente, las fibras celulósicas (que posteriormente formaran el papel) con un compuesto (mediador) y, posteriormente, adicionar una enzima tipo lacasa para que tuviera lugar la reacción enzimática durante un tiempo determinado, en presencia de las fibras celulósicas, y de esta manera desarrollar, en el papel una vez formado, la propiedad de encolado interno. Por tanto, en la anterior patente no se describía el producto aislado de la presente invención, el cual es resultado de la reacción de un compuesto, tal como se define en la presente invención, y una enzima oxidorreductasa, sin la presencia de fibras celulósicas. Asimismo este producto descrito el cual es obtenido una vez finalizada la reacción enzimática, es aplicado superficialmente en el soporte, y además proporciona diferentes propiedades.
La presente invención permite obtener un producto derivado de la reacción enzimática sin la presencia de fibras celulósicas (un agente externo en general) y fuera del proceso de fabricación del papel, pudiéndose aplicar posteriormente el producto a la superficie del papel. Por consiguiente, este producto puede fabricarse fuera de la industria papelera como un aditivo químico y ser utilizado posteriormente por la empresa papelera, utilizando la tecnología actual y sin perjudicar el proceso de fabricación del soporte. Adicionalmente, a diferencia de la patente anterior (ES2352495B1 ), el producto obtenido en la presente invención es un preparado (producto post-enzimático) derivado de la reacción enzimática; en cambio, el producto obtenido en ES2352495B1 son fibras celulósicas modificadas en suspensión acuosa cuya obtención siempre tiene lugar dentro del proceso de fabricación del papel, suponiendo unas desventajas importantes que hacen inviable su la aplicación industrial. Sin embargo, la presente invención no supone ningún inconveniente para ser aplicado industrialmente.
Por otro lado, en la anterior patente (ES2352495B1 ) se habla de la obtención de un encolado interno, mientras que en la presente invención se consiguen diferentes propiedades (hidrofobicidad, capacidad antioxidante y antimicrobiana, resistencia en húmedo, entre otras).
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 representa un esquema en bloques de una fábrica de papel.
Figura 2: Evolución de la propiedad hidrófoba medida a partir del WDT variando las condiciones de proceso. St. Hace referencia al tratamiento standard; LGx2 hace referencia al tratamiento standard duplicando la dosis de compuesto fenólico; St.+Tratamiento térmico hace referencia al tratamiento standard aplicando un curado a temperatura; LGx2+Tratamiento térmico hace referencia a la combinación del curado y la duplicación de dosis de compuesto fenólico.
Figura 3: Hidrofobicidad de las hojas de papel de filtro medidas con el goniómetro de ángulo de contacto. Papel sin tratar (a) y papel tratado superficialmente con la preparación post-enzimática (b).
Figura 4. Variación del ángulo de contacto a través del tiempo para el papel de filtro tratado y sin tratar (a), y comparación de la absorción-evaporación entre el papel tratado y el TEFLON®(b). Figura 5. Ángulo de contacto de los papeles tratados con compuestos capaces de conferir cationicidad a las hojas de papel y posteriormente funcionalizados mediante el producto post-enzimático.
Descripción resumida de la invención
En un primer aspecto, la presente invención se refiere a una preparación enzimática acuosa aislada obtenida a partir de la reacción de por lo menos una enzima oxidorreductasa, preferiblemente una lacasa, y por lo menos un producto natural o sintético, preferiblemente un compuesto natural, cuyo producto natural o sintético comprende en su estructura por lo menos un grupo fenol o alcohol, que opcionalmente tiene una o más cadenas hidrofóbicas, o por lo menos un grupo esterol, caracterizada porque la reacción se realiza en ausencia de un agente externo (p.e. fibras celulósicas).
En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a la aplicación superficial del producto post-enzimático obtenido tras la finalización de la reacción de por lo menos una enzima oxidorreductasa y por lo menos un producto natural o sintético que comprende en su estructura por lo menos un grupo fenol o alcohol, que opcionalmente tiene una o más cadenas hidrofóbicas, o por lo menos un grupo esterol, para la funcionalización de la superficie del papel o soportes celulósicos.
Descripción detallada de la invención
En un primer aspecto, la presente invención se refiere a una preparación enzimática acuosa aislada obtenida a partir de la reacción de por lo menos una enzima oxidorreductasa, preferiblemente una lacasa, y por lo menos un producto natural o sintético, preferiblemente un compuesto natural, cuyo producto natural o sintético comprende en su estructura por lo menos un grupo fenol o alcohol, que opcionalmente tiene una o más cadenas hidrofóbicas, o por lo menos un grupo esterol, caracterizada porque la reacción se realiza en ausencia de un agente externo (p.e. fibras celulósicas). A dicha preparación enzimática acuosa aislada también se hace referencia en la presente invención como "producto o preparación post-enzimático/a" puesto que es una preparación resultante de una reacción enzimática.
Preferiblemente, dicho compuesto natural o sintético se selecciona del grupo que consiste en las estructuras:
• Estructura A
Figure imgf000009_0001
donde R3 puede ser un -H o bien un alquil > d, preferiblemente entre Ci y C34, y R-i, R2 pueden ser:
i) R^ -OH y R2= -H;
¡i) Ri y R2= -H, ésteres del 3,4-dihidroxi-ácido benzoico; o i¡¡) Ri= -H y R2= -CH3, ésteres del ácido vainíllico
• Estructura B-1 : tocoferol
Figure imgf000009_0002
R2 y R3 pueden ser:
i) Ri = R2 = R3 =— CH3
¡i) Ri = R3 = -CH3 ; R2
iii) R2 = R3 = -CH3 ; Ri
iv) Ri = R2 = -H; R3 = • Estructura B-2: tocotrienoles
Figure imgf000010_0001
donde R-i, R2y R3 pueden ser:
Figure imgf000010_0002
¡¡) R1 = R3 = -CH3; R2 = -H;
iii) R2 = R3 = -CH3; R1 =-H; o
¡v) R1 = R2 = -H; R3 = -CH3
• Estructura C
Figure imgf000010_0003
donde R-i, R2y R3 pueden ser:
i) R1 = -H, R3 = -OH y R2 = alquil > C-i, preferiblemente entre C1 y
Figure imgf000010_0004
¡i) R2 = -H, R3 = -OH y R1 = alquil > C1, preferiblemente entre C1 y C34; o
iii) R1 = -H, R3= -H y R2= alquil > C-i, preferiblemente entre C1 y C34 Estructura D: 2,4,6-tris(1 -feniletil)fenol
Figure imgf000011_0001
Estructura E: 4-[4-(Trifluorometil)fenoxi]fenol
Figure imgf000011_0002
En las estructuras anteriores, por el término "alquil" se entiende que incluye grupos alquilo lineales y ramificados, ya sean alifáticos o alicíclicos, y a su vez pueden ser saturados o insaturados (por ejemplo, parcialmente insaturado o totalmente insaturado) que presentan como mínimo un átomo de carbono en la estructura, preferiblemente entre 1 (Ci) y 34 (C34) átomos de carbono en la estructura. Ejemplos de grupos alquilo saturados incluyen, pero sin limitación, metilo (Ci), etilo (C2), propilo (C3), butilo (C4), pentilo (C5), hexilo (C&) y heptilo (C7). Ejemplos de grupos alquilo ramificados saturados incluyen, pero sin limitación, ¡so-propilo (C3), ¡so-butilo (C4), sec-butilo (C4), tert-butilo (C4), iso- pentilo (C5), y neo-pentilo (C5).
Algunos ejemplos preferentes de compuestos naturales o sintéticos que tras la reacción enzimática proporcionan a la preparación resultante la capacidad de conferir propiedades hidrofóbicas son: - Dodecilo 3,4,5-trihidroxibenzoato (LAURIL GALATO)
- Ester octílico del ácido 3,4,5-trihidroxibenzoico (OCTIL GALATO)
- Etilo 3,4,5-trihidroxibenzoato (ETIL GALATO)
- Propilo 3,4,5-trihidroxibenzoato (PROPIL GALATO)
- (E)-3-Ácido(4-h¡drox¡-3-metox¡fenil)prop-2-eno¡co (ÁCIDO FERÚLICO)
- (2R)-2,5,7,8-Tetrametil-2-[(4R,8R)-(4,8, 12-trimetiltridecil)]-6-cromanol
(ALFA TOCOFEROL)
- 2,4,6-tris(1 -fenilet¡l)fenol (TRIESTIRILFENOL)
- 1 -(4-H¡droxi-3-metoxifen¡l)etanona (AC ETOVAN I L LO NA)
- 3-(4-Hidroxi-3,5-dimetoxifenil)prop-2-enal (SINAPIL-ALDEHÍDO)
- Distilled Cashew Nut Shell Liquid (CARDANOL)
Algunos ejemplos preferentes de compuestos naturales o sintéticos que tras la reacción enzimática proporcionan a la preparación resultante la capacidad de conferir propiedades antioxidantes son:
- 1 -(4-Hidroxi-3-metoxifenil)etanona (AC ETOVAN I L LO NA)
- 3-(4-Hidroxi-3,5-dimetoxifenil)prop-2-enal (SINAPIL-ALDEHÍDO)
- Etilo 3,4,5-trihidroxibenzoato (ETIL GALATO)
- Ester octílico del ácido 3,4,5-trihidroxibenzoico (OCTIL GALATO)
- Dodecilo 3,4,5-trihidroxibenzoato (LAURIL GALATO)
- Propilo 3,4,5-trihidroxibenzoato (PROPIL GALATO)
- (2R)-2,5,7,8-Tetrametil-2-[(4R,8R)-(4,8, 12-trimetiltridecil)]-6-cromanol
(ALFA TOCOFEROL)
- 2,4,6-tris(1 -fenilet¡l)fenol (TRIESTIRILFENOL)
- Ácido 3-(3,4-Dihidroxifenil)-2-propenoico (ÁCIDO CAFEICO)
- Ácido 4-Hidroxibenzoico (ÁCIDO PARA-HIDROXIBENZOICO)
- Ácido 3,4,5-trihidroxibenzoico (ÁCIDO GÁLICO)
- 4'-Hidroxi-3',5'-dimetoxiacetofenona (ACETOSIRINGONA)
- 4-Hidroxi-3,5-dimetoxibenzaldehido (SIRINGALDEHÍDO)
- Ácido (E)-3-(4-hidroxifen¡l)-2-propeno¡co (ÁCIDO PARACU MARICO)
- 4-H¡droxi-3-metoxibenzaldehído (VANILLINA)
- (E)-3-Ácido(4-h¡drox¡-3-metoxifen¡l)prop-2-eno¡co (ÁCIDO FERÚLICO) - (E)-3-(4-hidroxi-3-metoxifenil)prop-2-enal (CONIFERIL ALDEHIDO)
- Ácido 3-(4-hidroxi-3,5-dimetoxifenyl)prop-2-enoico (ÁCIDO SINÁPICO)
- 2,4,5,6(1 H,3H)-Pirimidinetetrona 5-oxima (ÁCIDO VIOLÚRICO)
- 4-hidroxi-3,5-dimetoxibenzoato de metilo (SIRINGATO DE METILO)
- 17-(5-Etil-6-metilheptano-2-yl)-10, 13-dimetil-2,3,4,7,8,9, 1 1 , 12, 14, 15, 16, 17- dodecahidro-1 H-ciclopenta[a]fenantren-3-ol (β-SITOSTEROL)
- 4-[4-(trifluoromet¡l)fenox¡]fenol
- 3-Metilbutil o-hidroxibenzoato (SALICILATO DE ISOAMILO)
Algunos ejemplos preferentes de compuestos naturales o sintéticos que tras la reacción enzimática proporcionan a la preparación resultante la capacidad de conferir propiedades antimicrobianas son:
- Dodecilo 3,4,5-trihidroxibenzoato (LAURIL GALATO)
- 4-Hidroxi-3,5-dimetoxibenzaldehido (SIRINGALDEHÍDO)
- 4'-Hidroxi-3',5'-dimetoxiacetofenona (ACETOSIRINGONA)
- Ácido (E)-3-(4-hidroxifen¡l)-2-propeno¡co (ÁCIDO PARACU MARICO)
La dosis de enzima a utilizar se sitúa entre un mínimo de 20U/L y un máximo que depende de la concentración del producto natural o sintético utilizado; preferiblemente el rango de dosis de la enzima oscila entre las 50U/L y las 3000U/L.
El compuesto natural o sintético que se hace reaccionar se aplica en unas dosis que dependen de la solubilidad del compuesto, y del grado de propiedad a conseguir. Dicho rango de dosificación oscila entre un mínimo de 0, 1 g/L y un máximo que depende de los siguientes factores: la solubilidad del producto y la cantidad máxima de producto que se puede mantener en suspensión homogénea, ya sea mediante emulsión estable o mediante agitación. Prefenblemente, el rango de dosificación oscilaría entre los 0, 1 y 30g/L. El compuesto natural o sintético se selecciona en función de las propiedades a conferir por la preparación post- enzimática. Algunos ejemplos de propiedades son: hidrofobicidad, poder antioxidante, capacidad bactericida, capacidad antimicrobiana, propiedad barrera a gases, propiedad barrera a agua o líquidos en general, propiedad barrera a aceites o grasas.
En una realización preferida, la preparación enzimática acuosa aislada se obtiene mediante la reacción de por lo menos dos compuestos naturales o sintéticos con por lo menos una enzima oxidorreductasa, para así conferir diversas propiedades al papel y los soportes celulósicos a partir de una sola preparación post- enzimática.
El tiempo de duración de la preparación enzimática acuosa aislada depende de la combinación de enzima y compuesto natural o sintético utilizados.
Los tratamientos enzimáticos pueden realizarse bajo presión o a presión atmosférica según necesidades o eficiencia de la enzima.
En una realización preferida, la preparación enzimática acuosa aislada de la presente invención se obtiene a partir de la reacción de por lo menos una enzima oxidorreductasa, preferiblemente una lacasa, y por lo menos un producto natural o sintético, preferiblemente un compuesto natural, cuyo producto natural o sintético comprende en su estructura por lo menos un grupo fenol o alcohol, que opcionalmente tiene una o más cadenas hidrofóbicas, o por lo menos un grupo esterol, a un pH entre 4 y 10, y una temperatura entre temperatura ambiente y 90°C. Preferiblemente dicho pH varía entre 4 y 7. También preferiblemente, dicha temperatura varía entre 30°C y 60°C.
En el caso de que el compuesto natural o sintético que se hace reaccionar con la enzima sea insoluble en medio acuoso, se pueden utilizar varias técnicas para obtener una buena disgregación/dispersión. Entre ellas podemos destacar las siguientes:
- Desintegración por ultrasonidos: Con la finalidad de romper los agregados de compuestos insolubles, antes de realizar la reacción enzimática, se sumerge una punta de ultrasonidos en una preparación enzimática acuosa que comprende el compuesto insoluble. Se puede utilizar cualquier punta de ultrasonidos, con lo que la potencia de sonicación y el tiempo de reacción se establecen en función de la punta empleada y la complejidad de disgregación del compuesto. Con esta técnica se obtiene un tamaño de partícula menor y una distribución más homogénea del compuesto insoluble.
- Utilización de un surfactante natural o sintético: En la preparación enzimática acuosa aislada según el primer aspecto de la invención puede ser necesario añadir un surfactante natural o sintético con la finalidad de reducir la tensión superficial de la preparación de reacción y mejorar la distribución del compuesto insoluble. La dosis a utilizar depende del tipo de surfactante y del compuesto natural o sintético. Tal como se ha indicado antes, dicho surfactante es iónico, más preferiblemente aniónico y como ejemplo de surfactante útil en la presente invención se puede indicar la lignina sulfonada.
Por consiguiente, en una realización preferida, en la reacción para obtener la preparación enzimática de la presente invención entre por lo menos una enzima oxidorreductasa, preferiblemente una lacasa, y por lo menos un producto natural o sintético, preferiblemente un compuesto natural, cuyo producto natural o sintético comprende en su estructura por lo menos un grupo fenol o alcohol, que opcionalmente tiene una o más cadenas hidrofóbicas, o por lo menos un grupo esterol, se añade además un surfactante natural o sintético para facilitar la disgregación/dispersión del compuesto natural o sintético antes de la reacción con la enzima. Preferiblemente dicho surfactante es iónico, más preferiblemente aniónico. Un ejemplo de surfactante útil en la presente invención es la lignina sulfonada.
En otra realización preferida, en la reacción para obtener la preparación enzimática de la presente invención entre por lo menos una enzima oxidorreductasa, preferiblemente una lacasa, y por lo menos un producto natural o sintético, preferiblemente un compuesto natural, cuyo producto natural o sintético comprende en su estructura por lo menos un grupo fenol o alcohol, que opcionalmente tiene una o más cadenas hidrofóbicas, o por lo menos un grupo esteral, se utilizan ultrasonidos para disgregar/dispersar el compuesto natural o sintético previamente a la reacción con la enzima.
En una realización preferida, se realiza primero la desintegración por ultrasonidos y posteriormente la adición de un surfactante.
La desintegración por ultrasonidos y/o la adición de un surfactante siempre se llevan a cabo antes de la adición de la enzima.
Una vez se ha obtenido la preparación post-enzimática acuosa aislada, ésta puede almacenarse para su posterior utilización.
Este producto post-enzimático puede obtenerse de forma concentrada, utilizando elevadas concentraciones de los componentes iniciales, de forma que se puede preparar, transportar y/o almacenar en volúmenes pequeños, y puede ser diluido posteriormente en el momento antes de ser utilizada. El grado de dilución vendrá determinado por el nivel o cantidad de propiedad que se quiera obtener.
Cabe destacar que este producto post-enzimático, a diferencia de otros productos del estado de la técnica, se obtiene sin la presencia de fibras celulósicas (o cualquier agente externo en general) y fuera del proceso de fabricación del papel, pudiéndose aplicar posteriormente a la superficie del papel (ver más abajo en su utilidad). Por lo tanto, este producto puede fabricarse fuera de la industria papelera como un aditivo químico y ser utilizado posteriormente por la empresa papelera, sin modificar o interferir en el proceso de fabricación del soporte.
Adicionalmente, el producto de la presente invención queda distribuido en la superficie del papel una vez es aplicado (ver más abajo en su utilidad).
Otro aspecto de la invención se refiere a la utilización de una preparación post- enzimática acuosa aislada obtenida a partir de la reacción de por lo menos una enzima oxidorreductasa y por lo menos un producto natural o sintético que comprende en su estructura por lo menos un grupo fenol o alcohol, que opcionalmente tiene una o más cadenas hidrofóbicas, o por lo menos un grupo esterol, y cualquiera de sus vanantes preferentes, en la funcionalización de la superficie del papel o soportes celulósicos. Dicha funcionalización superficial se consigue mediante la aplicación de dicho producto post-enzimático sobre la superficie del papel o soportes celulósicos.
El soporte celulósico útil en la presente invención, aunque sin limitarse a los mismos, incluye soporte obtenido de fibras madereras y no madereras, fibras blanqueadas y sin blanquear, pastas mecánicas, químicas y semi-químicas, fibras recicladas, films de microfibras de celulosa, films de nanofibras de celulosa, cristales de nanocelulosa, films de lignina u otros tipos de films y soportes. Asimismo, se pueden utilizar también soportes de tipo comercial.
Para modificar la carga iónica superficial del soporte celulósico y mejorar así la fijación del producto post enzimático en su superficie se pueden utilizar distintas técnicas. Concretamente, para la fijación de algunos productos post-enzimáticos se realizan tratamientos con productos catiónicos tales como resinas catiónicas de poliamidoamina-epiclorhidrina (PAAE), quitosano, almidón catiónico u otros.
En una realización preferida, la aplicación de la preparación enzimática acuosa de la presente invención sobre la superficie del papel o soportes celulósicos se realiza mediante inmersión-impregnación, pulverizado, "size press", "metering bar", entre otras, las cuales son técnicas de aplicación superficial utilizadas comúnmente en la fabricación de soportes celulósicos. Una vez el papel o soporte ya ha entrado en contacto con el producto post-enzimático acuoso, se deja secar completamente a temperatura ambiente o bajo calor.
El "size-press" consiste en dos rodillos dispuestos horizontalmente, que ejercen una determinada presión entre ellos. En el lado superior del contacto se dispone el líquido que se desea transferir al papel o soporte, y éste pasa a través de los cilindros. De esta forma el líquido se transfiere superficialmente al papel o soporte. Los parámetros que influyen en la cantidad de líquido transferida son la velocidad y la presión. Los pulverizadores consisten en unos cabezales pulverizadores en los que se envía el líquido a transferir a elevada presión, y debido a la geometría de los orificios de salida generan unas microgotas que se depositan en forma de fina capa sobre el papel o soporte.
El "metering bar" consiste en un cilindro que gira inmerso dentro de una cubeta con la preparación que se quiere transferir al papel o soporte, de forma que una cierta cantidad de producto se dispone en una de las caras del papel o soporte. A continuación, un segundo cilindro ranurado y calibrado (metering bar) elimina el exceso de producto dejando el espesor de producto deseado. En este sistema, solo se realiza el tratamiento en una de las caras del papel o soporte.
En el proceso de inmersión-impregnación, el papel o soporte pasa sumergido por el interior de una cubeta llena con el líquido que se quiere transferir al papel o soporte. La velocidad de paso y la superficie expuesta determinarán la cantidad de producto absorbido. A la salida, se pueden disponer unas "metering bars" para controlar el exceso de líquido transferido.
En otra realización preferida, la aplicación de la preparación enzimática acuosa sobre el papel o soportes celulósicos se realiza en la zona de formación, en la sequería, en la "size press", en la zona de estucado, en el producto final, o entre las citadas operaciones (Figura 1 ).
A continuación, se proporcionan un conjunto de ejemplos que únicamente pretenden ¡lustrar la invención sin que el alcance de la misma quede limitado por los mismos.
EJEMPLO 1
El presente ejemplo ¡lustra la obtención de un producto, que aplicado superficialmente sobre el soporte pre-formado o acabado, aumentará el carácter hidrofóbico de éste. Dicho producto consiste en una preparación post-enzimática utilizando una enzima lacasa de Trametes Villosa, y Lauril Galato (LG) como compuesto hidrofóbico.
DOSIS Y CONDICIONES PARA LA OBTENCIÓN DEL PRODUCTO POST- ENZIMÁTICO
La enzima utilizada fue la lacasa de Trametes villosa con una actividad de 588U/mL.
En este caso concreto, los tratamientos se realizaron en reactores de 250mL de capacidad, cerrados herméticamente y con agitación continua; y las condiciones generales de la reacción fueron las siguientes: pH 4, 0, 12% de Lauril Galato (compuesto hidrofóbico), 0, 12% de cantidad de surfactante, que en este caso fue una lignina sulfonada, 40°C de temperatura y 4h de tiempo de reacción. Después de la reacción, el producto post-enzimático obtenido se almacenó para su posterior aplicación superficial. En la siguiente tabla se muestran las dosis de tratamiento utilizadas para la obtención de la preparación de funcionalización (producto post-enzimático), así como los distintos controles realizados:
Tabla 1 . Dosis de los tratamientos.
Tratamiento Dosis enzima Dosis de Lauril Dosis surfactante Dosis agua
(mL) Galato (LG) (g) (Lignina pH 4 (mL) sulfonada) (g)
A 0,00 0,06 0,00 49,94
B 0,00 0,06 0,06 49,88
C 0,00 0,00 0,06 49,94
D 0, 102 0,06 0,00 49,84
E 0, 102 0,00 0,06 49,84
F 0, 102 0,06 0,06 49,78 ESTUDIO DE LA HIDROFOBICIDAD
Inicialmente, con el fin de determinar de una manera sencilla la hidrofobicidad de los papeles, se realizó el test de la gota de agua (WDT) Tappi standard T835 om- 08. Éste consiste en disponer una gota de agua destilada mediante una jeringuilla y medir el tiempo que tarda en ser adsorbida por el papel.
También se analizó el ángulo de contacto inicial entre una gota de agua y la superficie de los papeles tratados, así como una modelización de la absorción- evaporación de la gota de agua en la estructura del papel.
APLICACIÓN DEL PRODUCTO POST-ENZIMÁTICO. RESULTADOS.
Las soluciones post-enzimáticas obtenidas según la tabla 1 se aplicaron superficialmente en el soporte (en este caso papel de filtro comercial) y se midió la evolución del WDT (como indicador del grado de hidrofobicidad). Dicha aplicación superficial se realizó por inmersión. Los resultados de WDT se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. WDT de las muestras impregnadas.
Papel impregnado Tiempo de
con el producto: absorción (WDT) (s)
A 5+1
B 6+1
C 5+1
D 187+16
E 5+1
F 3800+213
Aún cuando la utilización del producto post-enzimático obtenido de la combinación del lauril galato (LG) y la enzima produce un aumento significativo de la hidrofobicidad (tratamiento D, tablas 1 y 2), se aprecia que el aumento sustancial de dicha propiedad se produce claramente con el producto post-enzimático resultante de la reacción entre los tres elementos LG, surfactante y enzima (tratamiento F, tablas 1 y 2). Los otros controles realizados (A, B, C y E) no producen un aumento de la hidrofobicidad en los soportes.
La adición de lignina sulfonada como surfactante en la preparación del producto post-enzimático tiene un efecto clave en la mejora de la hidrofobicidad en el soporte. Esta mejora sustancial puede atribuirse a la mejor distribución del producto hidrófobo (LG) a lo largo de la superficie del soporte. Este hecho representa una novedad, ya que la utilización de lignina sulfonada como surfactante para mejorar la distribución de productos hidrofóbicos para la funcionalización no ha sido descrita hasta este momento. Así mismo, la adición de la lignina sulfonada ayuda a mantener la dispersión del LG en su forma oxidada y a conservar la estabilidad de la preparación funcionalizadora a lo largo del tiempo.
EFECTO DE LA DESINTEGRACIÓN POR ULTRASONIDOS
El compuesto fenólico LG, es un sólido con una energía libre de superficie muy baja que tiende a formar agregados y no es mojado por el agua, resultando en una nula dispersión en el medio acuoso. La utilización de ultrasonidos provoca una destrucción de estos agregados y fuerza a las partículas de LG a introducirse en el medio acuoso. Como resultado de la aplicación de los ultrasonidos, se consigue distribuir homogéneamente el LG en el medio, pero debe realizarse inmediatamente el tratamiento enzimático ya que de lo contrario, éste precipita y tiende a formar agregados de nuevo.
EFECTO DEL TRATAMIENTO TÉRMICO Y LAS DOSIS EN LA HIDROFOBICIDAD
Se realizaron diferentes pruebas duplicando la dosis de compuesto fenólico y aplicando un tratamiento térmico sobre papeles funcionalizados, para ver la influencia de la variación de éstos parámetros sobre la hidrofobicidad. Se realizó un tratamiento standard, que se modificó según lo indicado. El tratamiento estándar se realizó con las siguientes condiciones: pH 4, cantidad de compuesto fenólico 0, 12%, cantidad de surfactante 0, 12%, temperatura 40°C, tiempo 1 h. En la figura 2 se observa que tanto la duplicación de la dosis de compuesto fenólico como el tratamiento térmico producen un aumento de la hidrofobicidad, y que ambos tienen un efecto sinérgico cuando se aplican conjuntamente.
ÁNGULO DE CONTACTO Y ABSORCIÓN
Hojas de papel de filtro se trataron por inmersión con las disoluciones funcionalizadoras (tabla 1 ) y se compararon con el papel sin tratar en términos del ángulo de contacto (AC) entre el agua y la superficie del papel. El ángulo de contacto es un método que da una ¡dea de la hidrofobicidad de una superficie. Generalmente se asume que si el ángulo de contacto es menor de 90°, tenemos una superficie hidrófila, mientras que si éste ángulo es mayor de 90°, estamos delante de una superficie hidrófoba. Las mediciones se llevaron a cabo utilizando un goniofotómetro de ángulo de contacto, depositando una gota de 4 L en la superficie del papel, y obteniendo un ángulo de contacto de alrededor de los 18° para el papel sin tratar y del orden de 130° para el papel tratado con las preparaciones post-enzimáticas (Figura 3).
La experiencia con los papeles obtenidos mostró que, para los papeles tratados, la gota de agua permanecía por un período de tiempo muy largo en la superficie del papel antes de desaparecer por completo. Por este motivo se monitorizó la evolución del ángulo de contacto a lo largo del tiempo. Los cambios en el ángulo de contacto después de la deposición de la gota fueron debidos a la disminución de su volumen y pueden ser promovidos básicamente por 2 fenómenos: la absorción en la estructura de la hoja y la evaporación. La evaporación entra en juego cuando la desaparición de la gota se produce en periodos largos de tiempo.
Se tomaron medidas del ángulo de contacto a una velocidad de captura de 25 imágenes/minuto durante 2 horas después de la deposición de la gota en la superficie del papel. Para el papel de filtro sin tratamiento superficial, el ángulo de contacto cae rápidamente hacia 0o (menos de un segundo) mientras que para las hojas tratadas con los productos funcionalizadores, el ángulo de contacto tarda hasta una hora en caer a 0o (Figura 4a).
Debido a estos largos tiempos de absorción, que evidencian un elevado comportamiento hidrófobo, se compararon las hojas tratadas con una lámina de TEFLON®, por tratarse éste de un material no-absorbente en el cual la desaparición del volumen de una gota de agua depositada en su superficie se debe única y exclusivamente a la evaporación. Se depositaron 4μΙ_ de agua en la superficie de ambos materiales y se monitorizó el cambio en el volumen de la gota hasta la completa desaparición de ésta. La figura 4b muestra que las curvas obtenidas son muy similares, indicando que el mayor fenómeno que tiene lugar en el papel tratado es la evaporación. Así pues, las hojas tratadas con los productos post-enzimáticos permiten obtener papeles altamente hidrófobos.
TRATAMIENTO SOBRE SOPORTES CELULÓSICOS. MODIFICACIÓN DEL ESTADO IÓNICO SUPERFICIAL DEL SOPORTE
Se realizaron hojas de papel mediante un formador de laboratorio a partir de pasta Kraft de eucalipto cruda y blanqueada ECF. En la preparación de dichas hojas se utilizaron en suspensión fibrosa diferentes compuestos capaces de conferir cationicidad a las hojas de papel (Tabla 3). La adición de dicho tipo de compuestos es una práctica común en el proceso de fabricación de soportes celulósicos. Una vez obtenidas las hojas de papel, se aplicaron las soluciones post-enzimáticas de la tabla 1 .
Tabla 3. Compuestos capaces de conferir cationicidad al papel.
Compuesto Dosis
Agente de resistencia en húmedo, resina PAAE 0,7% de sólidos en fibra
Quitosano Preparación al 2%
Almidón catiónico 1 % respecto peso de fibra Una vez que los papeles formados con los compuestos anteriores fueron impregnados con preparación post-enzimática, todos ellos presentaron elevados índices de hidrofobicidad. La figura 5 muestra el valor del ángulo de contacto para todos los papeles considerados. Se observa que los valores del ángulo de contacto obtenidos tratando los papeles con los distintos compuestos modificadores del estado iónico y posterior impregnación con el producto post- enzimático son similares.
EJEMPLO 2
El presente ejemplo ¡lustra el mantenimiento y mejora en las propiedades fisicomecánicas de papeles tratados superficialmente con el producto ¡lustrado en el ejemplo 1 , consistente en un producto post-enzimático resultante de la reacción entre una enzima lacasa de Trametes Villosa, y Lauril Galato (LG) como compuesto fenólico (solución D, tabla 1 ). Los tratamientos superficiales se realizaron sobre muestras de papel de filtro.
CARACTERIZACIÓN FISICOMECÁNICA
Los papeles utilizados para evaluar el efecto del producto del ejemplo 1 sobre las propiedades fisicomecánicas fueron papeles de filtro de laboratorio de grado comercial. Se evaluaron la permeabilidad Bendtsen (ISO 5636), la resistencia al estallido (ISO 2758), la resistencia al desgarro (ISO 1974), la resistencia al doble pliegue (ISO 5626), la resistencia a la tracción (ISO 1924), la resistencia a la tracción en húmedo (ISO 3781 ), el encolado Cobb6o (ISO 535) y la tracción Zero- Span (ISO 15361 ). Se realizaron un mínimo de diez repeticiones para cada ensayo, obteniéndose el valor medio y la desviación estándar.
Se evaluaron las hojas de papel sin tratar, tratadas solamente con la solución a pH 4 (ver ejemplo 1 ), y las hojas tratadas con el producto post enzimático descrito en el ejemplo 1 (solución D, tablal ). RESULTADOS
Los resultados obtenidos se detallan en la siguiente tabla:
Tabla 4. Propiedades físicas de los papeles sin tratar, tratados con solución a pH 4, y hojas tratadas con el producto post enzimático descrito en el ejemplo 1
Figure imgf000025_0001
(solución D, tablal ).
En la tabla 4 puede apreciarse como los resultados de las propiedades de Estallido, Desgarro, Doble pliegue, Tracción, y Zero-Span son del mismo orden y no se ven alteradas por la utilización del producto post enzimático. Incluso, las propiedades de Tracción en húmedo y encolado Cobb6o mejoran después de la aplicación superficial del producto post-enzimático. En el caso del encolado Cobb6o, lógicamente el papel sin tratar y el papel tratado únicamente con solución a pH 4 presentan una absorción de agua tan elevada que no fue posible medir el valor del Cobb6o, mientras que el papel tratado superficialmente con el producto post enzimático, adquiere un carácter hidrofóbico tan elevado que ya es posible realizar la medida. En cuanto a la tracción en húmedo, ésta aumenta un 35% con respecto al control. Estos resultados son muy interesantes puesto que se consigue hidrofobizar el soporte sin perjudicar las propiedades de resistencia iniciales.
EJEMPLO 3
El presente ejemplo ¡lustra la obtención de un producto consistente en una preparación post-enzimática utilizando una enzima lacasa diferente a los dos ejemplos anteriores, y Lauril Galato (LG) como compuesto fenólico. Dicho producto post-enzimático aplicado superficialmente sobre el papel pre-formado o acabado, aumentará el carácter hidrofóbico de éste. La enzima es una lacasa fúngica procedente de un cultivo de Cerrena Unicolor IBB303, producida en fermentación sumergida. Los ensayos se realizaron en soportes celulósicos de pasta kraft de eucalipto cruda y blanqueada ECF.
DOSIS Y CONDICIONES PARA LA OBTENCIÓN DEL PRODUCTO POST- ENZIMÁTICO
La enzima fúngica procedente de un cultivo de Cerrena Unicolor IBB303 tenía una actividad de 1660U/mL. En este caso, los tratamientos se realizaron en reactores de 250mL de capacidad, cerrados herméticamente y con agitación continua, y las condiciones generales de la reacción fueron las siguientes: pH 4, 0, 12% de Lauril Galato (compuesto fenólico), 0, 12% de cantidad de surfactante, que en este caso fue una lignina sulfonada, 40°C de temperatura y 4h de tiempo de reacción. Después de la reacción, la preparación se almacenó para su posterior utilización en la funcionalización superficial. Indicar que el compuesto fenólico LG, se desintegró mediante ultrasonidos tal como se ha expuesto en el ejemplo 1. En la tabla 5 se muetran las dosis utilizadas par obtener los productos post-enzimáticos. Tabla 5. Dosis de los tratamientos.
Tratamiento Dosis Dosis de Dosis Dosis
enzima Lauril Galato surfactante agua pH
(ml_) (LG) (g) (Lignina 4 (ml_)
sulfonada) (g)
A 0, 102 0,06 0,00 49,94
B 0, 102 0,06 0,06 49,88
ESTUDIO DE LA HIDROFOBICIDAD
Para la determinación de la hidrofobicidad, se realizó el test de la gota de agua (WDT) Tappi standard T835 om-08, explicado en el ejemplo 1 .
APLICACIÓN DEL PRODUCTO POST-ENZIMÁTICO. MODIFICACION DEL ESTADO IÓNICO SUPERFICIAL DEL PAPEL
Se aplicaron las soluciones post-enzimáticas del tratamiento con Lauril Galato y la enzima de Cerrena Unicolor IBB303 (soluciones tabla 5), sobre soportes celulósicos obtenidos mediante un formador de laboratorio. Estos soportes celulósicos se realizaron a partir de pasta Kraft de eucalipto cruda y blanqueada ECF, y con el propósito de conferir cationicidad a los soportes, se utilizó en la suspensión fibrosa una resina de resistencia en húmedo PAAE, tal como se describe en el ejemplo 1 .
RESULTADOS
Las soluciones post-enzimáticas obtenidas según la tabla 5 se aplicaron superficialmente en el soporte (en este caso papeles realizados a partir de pasta Kraft de eucalipto cruda y blanqueada ECF) y se midió la evolución del WDT (como indicador del grado de hidrofobicidad). Dicha aplicación superficial se realizó por inmersión. Los resultados de WDT se muestran en la Tabla 6. Tabla 6. WDT de las muestras impregnadas.
Tratamiento Tiempo de
absorción (s)
A 3770
B 4965
Aún cuando la aplicación del producto post-enzimático resultante de la reacción entre el lauril galato (LG) y la enzima produce un aumento significativo de la hidrofobicidad (tratamiento A, tablas 5 y 6), se aprecia que el aumento sustancial de dicha propiedad se produce claramente con el producto funcionalizador resultante de la reacción en presencia de los tres elementos LG, surfactante y enzima (tratamiento B, tablas 5 y 6).
Los resultados en este ejemplo están en la misma línea que los mostrados en el ejemplo 1 , pero con la diferencia de que se utiliza una enzima oxidativa diferente.
EJEMPLO 4
El presente ejemplo ¡lustra la obtención de 4 productos post-enzimáticos diferentes (utilizando una enzima lacasa de Trametes Villosa, y 4 compuestos) que, aplicados superficialmente sobre el soporte pre-formado o acabado, aumentarán las propiedades antioxidantes de éstos.
DOSIS Y CONDICIONES PARA LA OBTENCIÓN DE LOS PRODUCTOS POST- ENZIMÁTICOS
La enzima utilizada fue la lacasa de Trametes Villosa con una actividad de 588U/mL. Los tratamientos se realizaron en reactores de 250ml_ de capacidad, cerrados herméticamente y con agitación continua. Las condiciones generales de la reacción fueron las siguientes: pH 4, 0, 12% de compuesto hidrofóbico, 40°C de temperatura y 4h de tiempo de reacción. Después de la reacción, la preparación se almacenó para su posterior utilización en la funcionalización superficial.
Los compuestos utilizados para preparar los productos post-enzimáticos con el fin de conferir capacidad antioxidante a los soportes son los siguientes:
- 2,4,6-tris(1 -fenilet¡l)fenol (TRIESTIRILFENOL)
- Ester octílico del ácido 3,4,5-trihidroxibenzoico (OCTIL GALATO)
- Dodecilo 3,4,5-trihidroxibenzoato (LAURIL GALATO)
- (E)-3-Ácido(4-h¡drox¡-3-metoxifen¡l)prop-2-eno¡co (ÁCIDO FERÚLICO)
ESTUDIO DE LA CAPACIDAD ANTIOXIDANTE
Para el estudio de la capacidad antioxidante se ha utilizado un método desarrollado por el Grupo de Investigación Papelero y Gráfico de la UPC, basado en los métodos de Van der Berg et al. 1999 (9), y Serpen et al. 2007 (10). Este ensayo se fundamenta en la cuantificacion de la decoloración del radical ABTS* debido a la interacción de especies donantes de hidrógeno o de electrones. El radical catiónico ABTS* es un cromóforo que absorbe a una longitud de onda de 415nm, 654nm o 754nm, y se genera por una reacción de oxidación del ABTS (ácido 2,2'-azino-bis(3ethylbenzthiazoline-6-sulfonato de amonio)) con persulfato de potasio.
APLICACIÓN SUPERFICIAL DE LOS PRODUCTOS POST-ENZIMÁTICOS
Se aplicaron superficialmente las preparaciones post-enzimáticas sobre soportes celulósicos. . Estos soportes celulósicos se realizaron en un formador de laboratorio a partir de pasta kraft de eucalipto cruda y blanqueada ECF utilizando en suspensión fibrosa una resina de resistencia en húmedo, tal como se describe en el ejemplo 1 . RESULTADOS
En la siguiente tabla se muestran las mediciones de la evolución de la capacidad antioxidante como porcentaje de inhibición (decoloración) del radical catiónico ABTS* de los soportes tratados con los diferentes productos post-enzimáticos, según el compuesto fenólico utilizado en la preparación del producto funcionalizador. Un mayor porcentaje de inhibición significa una mayor capacidad antioxidante.
Tabla 7. Capacidad antioxidante de los soportes impregnados con los distintos productos funcionalizadores.
Tratamiento Compuesto % de
inhibición
A - 5
B Triestirilfenol 89
C Octil galato 99
D Lauril galato 73
E Ácido Ferulico 74
En la tabla 7 se observa claramente que el papel por sí solo no presenta capacidad antioxidante alguna (Tratamiento A, tabla 7), mientras que el soporte tratado con los distintos productos post-enzimáticos aumenta su poder de inhibición del radical catiónico de ABTS* en un rango que va des del 73% al 99%. Cabe destacar el tratamiento con el compuesto Octil Galato (tratamiento C, tabla 7), con el cual se obtuvo un poder de inhibición prácticamente total.
El estudio se puede hacer extensivo a otros compuestos susceptibles de presentar capacidad antioxidante. EJEMPLO 5
El presente ejemplo ¡lustra la obtención de dos productos post-enzimáticos consistentes en preparaciones (utilizando una enzima lacasa fúngica procedente de un cultivo de Cerrena Unicolor IBB303 y dos compuestos) que, aplicados superficialmente sobre el soporte pre-formado o acabado, aumentarán las propiedades antioxidantes de éste. En el presente ejemplo se ha utilizado una enzima diferente a la del ejemplo 4.
DOSIS Y CONDICIONES PARA LA PREPARACIÓN DE LOS PRODUCTOS POST-ENZIMÁTICOS
La enzima utilizada fue la lacasa fúngica procedente de un cultivo de Cerrena Unicolor IBB303, con una actividad de 1660 U/mL.
Los tratamientos se realizaron en reactores de 250mL de capacidad, cerrados herméticamente y con agitación continua. Las condiciones generales de la reacción fueron las siguientes: pH 4, 0, 12% de compuesto fenólico, 40°C de temperatura y 4h de tiempo de reacción. Después de la reacción, la preparación se almacenó para su posterior utilización en la funcionalización superficial.
En base a los resultados de los anteriores ejemplos se seleccionaron dos compuestos para conferir capacidad antioxidante a los soportes y fueron:
- Ester octílico del ácido 3,4,5-trihidroxibenzoico (OCTIL GALATO)
- Dodecilo 3,4,5-trihidroxibenzoato (LAURIL GALATO) (éste compuesto además aporta propiedades hidrofóbicas)
ESTUDIO DE LA CAPACIDAD ANTIOXIDANTE
Para el estudio de la capacidad antioxidante se ha utilizado el método descrito en el ejemplo 4. APLICACIÓN SUPERFICIAL DE LOS PRODUCTOS POST-ENZIMÁTICOS
Se aplicaron las dos soluciones post-enzimáticas anteriores sobre soportes celulósicos. Dichos soportes celulósicos se realizaron en un formador de laboratorio a partir de pasta Kraft de eucalipto cruda y blanqueada ECF y fueron pre-tratados utilizando en suspensión fibrosa una resina de resistencia en húmedo, tal como se describe en el ejemplo 1 .
RESULTADOS
En la siguiente tabla se muestra la medición de la evolución de la capacidad antioxidante como porcentaje de inhibición (decoloración) del radical catiónico ABTS* de los papeles tratados con las diferentes soluciones post-enzimáticas.
Tabla 8. Capacidad antioxidante de las hojas impregnadas con los productos Octil
Galato y Lauril Galato.
Tratamiento Compuesto % de
inhibición
A - 5
B Octil galato 57
C Lauril galato 83
En la tabla 8 se observa que el soporte tratado con el producto post-enzimático derivado de la reacción entre la enzima fúngica procedente de un cultivo de Cerrena Unicolor IBB303 y el compuesto Lauril Galato (tratamiento C, tabla 8) ha conferido un elevado poder antioxidante del orden del 83% de poder de inhibición del radical catiónico de ABTS* En el caso del Octil Galato (tratamiento B, tabla 8), se obtuvo un poder de inhibición menor, del orden del 57%, pero que es de todos modos elevado si se compara con el papel sin tratamiento superficial (tratamiento A, tabla 8). Éstos resultados demuestran que es posible utilizar distintas enzimas para la obtención de productos post-enzimáticos que, aplicados sobre el soporte, le van a conferir a éste poder antioxidante.
EJEMPLO COMPARATIVO 6
El presente ejemplo ¡lustra la obtención de un producto post-enzimático consistente en una preparación utilizando una enzima Lacasa de Trametes Villosa, y Lauril Galato (LG) como compuesto hidrofóbico. Dicho producto se obtiene a partir de los mismos compuestos iniciales que se utilizan en la patente WO 201 1/009979 A1 con la finalidad de funcionalizar las fibras celulósicas individuales (en suspensión acuosa). No obstante, en la presente solicitud de patente se hacen reaccionar dichos compuestos en ausencia de las fibras celulósicas, con el objetivo de aplicarlo a posteriori (una vez finalizada la reacción enzimática) de forma superficial sobre un soporte u hoja celulósica ya formada, para conseguir su funcionalización.
El presente ejemplo tiene como objetivo comprobar si el hecho de tratar las fibras celulósicas individuales utilizando el producto post-enzimático en suspensión fibrosa puede aumentar también la hidrofobicidad del papel que se obtenga a partir de éstas, de forma análoga a cuando es aplicado de forma superficial.
DOSIS Y CONDICIONES PARA LA OBTENCIÓN DEL PRODUCTO POST- ENZIMÁTICO
La enzima utilizada fue la lacasa de Trametes Villosa con una actividad de 588U/mL.
En este caso concreto, los tratamientos se realizaron en reactores de 250mL de capacidad, cerrados herméticamente y con agitación continua; y las condiciones generales de la reacción fueron las siguientes: pH 4, 0, 12% de Lauril Galato (compuesto hidrofóbico), 0, 12% de cantidad de surfactante, que en este caso fue una lignina sulfonada, 40°C de temperatura y 4h de tiempo de reacción. Después de la reacción, la preparación se almacenó para su posterior utilización en la funcionalización superficial.
En el presente ejemplo se hace uso de la desintegración por ultrasonidos descrita en ejemplos anteriores para la destrucción de los agregados de LG antes de la reacción enzimática. Como resultado de la aplicación de los ultrasonidos, se consigue distribuir homogéneamente el LG en el medio de reacción.
TRATAMIENTO DE LAS FIBRAS CELULÓSICAS CON EL PRODUCTO POST- ENZIMÁTICO Y POSTERIOR OBTENCIÓN DE HOJAS DE PAPEL
Se trataron fibras celulósicas de eucalipto ECF manteniéndolas en suspensión en el producto post enzimático mediante agitación durante 10 minutos, y a una consistencia del 3%. Seguidamente, se diluyó la suspensión para llevarla a una consistencia del 0,24% para la fabricación de hojas de papel de laboratorio normalizadas según ISO 5269-2:2004 mediante formador Rapid-Kóten.
ESTUDIO DE LA HIDROFOBICIDAD
Con el fin de determinar de una manera sencilla la hidrofobicidad de los papeles obtenidos, se realizó el test de la gota de agua (WDT) Tappi standard T835 om- 08. Éste consiste en disponer una gota de agua destilada mediante una jeringuilla y medir el tiempo que tarda en ser adsorbida por el papel.
También se analizó el ángulo de contacto inicial entre una gota de agua y la superficie de los papeles tratados, así como una modelización de la absorción- evaporación de la gota de agua en la estructura del papel.
RESULTADOS
Se apreció que la hidrofobicidad obtenida en los papeles fabricados a partir de las fibras tratadas con el producto post-enzimático, y medida mediante el WDT era inferior a un segundo, significando que los papeles obtenidos no presentan hidrofobicidad alguna en términos de absorción de agua. Las hojas de papel obtenidas a partir de fibras de eucalipto ECF sin tratar presentaron también un valor de WDT inferior a un segundo.
Las hojas de papel obtenidas a partir de fibras de eucalipto ECF tratadas en suspensión fibrosa con el producto post enzimático, y fabricadas mediante el formador de hojas Rapid-Kóten se compararon con hojas obtenidas a partir de fibras de eucalipto ECF sin tratar en términos del ángulo de contacto (AC) entre el agua y la superficie del papel. El ángulo de contacto obtenido fue de alrededor de los 23° para el papel obtenido a partir de fibras de eucalipto ECF sin tratar, y del orden de 29° para el papel obtenido a partir de fibras de eucalipto ECF tratadas en suspensión fibrosa con el producto post enzimático. Los ángulos de contacto obtenidos indicaron que las hojas de papel no presentaban ningún tipo de carácter hidrofóbico cuando las fibras fueron tratadas en suspensión acuosa con el producto post-enzimático. La diferencia en los ángulos de contacto observados entre el papel obtenido a partir de fibras tratadas y el papel obtenido a partir de fibras no tratadas no es significativa, y se puede afirmar que el hecho de tratar las fibras en suspensión acuosa con el producto post-enzimático no aumenta la hidrofobicidad de las hojas.
De forma general, y a partir de los resultados que se derivan del presente ejemplo, se puede concluir que la aplicación del producto post-enzimático sobre las fibras de celulosa en suspensión fibrosa no es capaz de conferirles hidrofobicidad a éstas, ni por consiguiente, al papel que se forme a partir de éstas. Sin embargo, cuando se aplica el producto superficialmente sobre hojas de papel ya formadas, sí que es capaz de conferirles carácter hidrofóbico, tal como se ha expuesto en los anteriores ejemplos.
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Claims

REIVINDICACIONES
1. Preparación enzimática acuosa aislada obtenida a partir de la reacción de por lo menos una enzima oxidorreductasa y por lo menos un producto natural o sintético que comprende en su estructura por lo menos un grupo fenol o alcohol, que opcionalmente tiene una o más cadenas hidrofóbicas, o por lo menos un grupo esterol, caracterizada porque la reacción se realiza en ausencia de un agente externo.
2. Preparación según la reivindicación 1 , en la que dicho agente externo es un soporte fibroso, preferiblemente celulósico.
3. Preparación según la reivindicación 1 , en la que dicho producto es un producto natural.
4. Preparación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la enzima oxidorreductasa es una lacasa.
5. Preparación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicho producto natural o sintético se selecciona del grupo que consiste en las estructuras:
• Estructura A
Figure imgf000037_0001
donde R3 puede ser un -H o bien un alquil > C-i , preferiblemente entre Ci y C34, y R-i, R2 pueden ser:
i) R^ -OH y R2= -H;
¡i) R-i y R2= -H, ésteres del 3,4-dihidroxi-ácido benzoico; o i¡¡) Ri= -H y R2= -CH3, ésteres del ácido vainíllico Estructura B-1 : tocoferol
Figure imgf000038_0001
donde R-ι, R2y R3 pueden ser:
Figure imgf000038_0002
ii) R1 = R3 = -CH3; R2 = -H; iii) R2 = R3 = -CH3; R1 =-H; o ¡v) R1 = R2 = -H; R3 = -CH3
• Estructura B-2: tocotrienoles
Figure imgf000038_0003
donde R1, R2y R3 pueden ser:
Figure imgf000038_0004
ii) R1 = R3 = -CH3; R2 = -H; iii) R2 = R3 = -CH3; R1 =-H; o iv) R-, = R2 = -H; R3 = -CH3
• Estructura C
Figure imgf000038_0005
donde R-ι , R2 y R3 pueden ser:
j) R1 = -H, R3 = -OH y R2 = alquil > C1 , preferiblemente entre C1 y
Figure imgf000039_0001
¡i) R2 = -H, R3 = -OH y R1 = alquil > C1 , preferiblemente entre C1 y C34; o
iii) R1 = -H, R3 = -H y R2 = alquil > C1 , preferiblemente entre C1 y C34 • Estructura D: 2,4,6-tris(1 -feniletil)fenol
Figure imgf000039_0002
Estructura E: 4-[4-(Trifluorometil)fenoxi]fenol
Figure imgf000039_0003
6. Preparación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicho producto natural o sintético se selecciona del grupo que consiste en
1 -(4-H¡droxi-3-metox¡fenil)etanona (ACETOVANILLONA)
3-(4-Hidroxi-3,5-dimetoxifenil)prop-2-enal (SINAPIL-ALDEHÍDO)
Ester octílico del ácido 3,4,5-trihidroxibenzoico (OCTIL GALATO)
Dodecilo 3,4,5-trihidroxibenzoato (LAURIL GALATO)
Etilo 3,4,5-trihidroxibenzoato (ETIL GALATO) - Propilo 3,4,5-trihidroxibenzoato (PROPIL GALATO)
- (2R)-2,5,7,8-Tetrametil-2-[(4R,8R)-(4,8, 12-trimetiltridecil)]-6-cromanol
(ALFA TOCOFEROL)
- 2,4,6-tris(1 -feniletil)fenol (TRIESTIRILFENOL)
- Ácido 3-(3,4-Dihidroxifenil)-2-propenoico (ÁCIDO CAFEICO)
- Ácido 4-Hidroxibenzoico (ÁCIDO PARA-HIDROXIBENZOICO)
- Ácido 3,4,5-trihidroxibenzoico (ÁCIDO GÁLICO)
- 4'-Hidroxi-3',5'-dimetoxiacetofenona (ACETOSIRINGONA)
- 4-Hidroxi-3,5-dimetoxibenzaldehido (SIRINGALDEHÍDO)
- Ácido (E)-3-(4-hidroxifenil)-2-propenoico (ÁCIDO PARACU MARICO)
- 4-Hidroxi-3-metoxibenzaldehído (VANILLINA)
- (E)-3-Acido(4-hidroxi-3-metoxifenil)prop-2-enoico (ÁCIDO FERÚLICO)
- (E)-3-(4-hidroxi-3-metoxifenil)prop-2-enal (CONIFERIL ALDEHIDO)
- Ácido 3-(4-hidroxi-3,5-dimetoxifenyl)prop-2-enoico (ÁCIDO SINÁPICO)
- 2,4,5,6(1 H,3H)-Pir¡m¡dinetetrona 5-oxima (ÁCIDO VIOLÚRICO)
- 4-hidroxi-3,5-d¡metox¡benzoato de metilo (SIRINGATO DE METILO)
- 17-(5-Etil-6-metilheptano-2-yl)-10, 13-dimetil-2,3,4,7,8,9, 1 1 , 12, 14, 15, 16, 17- dodecahidro-1 H-ciclopenta[a]fenantren-3-ol (β-SITOSTEROL)
- 4-[4-(trifluorometil)fenox¡]fenol
- 3-Metilbutil o-hidroxibenzoato (SALICILATO DE ISOAMILO)
- Distilled Cashew Nut Shell Liquid (CARDANOL)
7. Preparación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la reacción enzimática se realiza a un pH entre 4 y 10, y una temperatura entre la temperatura ambiente y 90°C.
8. Preparación, según la reivindicación 7, en el que dicho pH es entre 4 y 7.
9. Preparación, según la reivindicación 7 ó 8, en el que dicha temperatura es entre 30°C y 60°C.
10. Preparación, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que para su obtención se utilizan ultrasonidos para disgregar/dispersar el compuesto natural o sintético previamente a la reacción con la enzima.
1 1 . Preparación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que para su obtención se añade un surfactante natural o sintético para facilitar la disgregación/dispersión del compuesto natural o sintético antes de la reacción con la enzima.
12. Preparación según la reivindicación 1 1 , en la que dicho surfactante es iónico, preferiblemente aniónico.
13. Preparación según la reivindicación 12, en la que dicho surfactante es lignina sulfonada.
14. - Utilización de una preparación enzimática acuosa aislada tal como se define en las reivindicaciones 1 a 13 en la funcionalización de la superficie del papel o soportes celulósicos.
15. - Utilización según la reivindicación 14, que comprende aplicar dicha preparación sobre la superficie de papel o soportes celulósicos.
16. Utilización, según cualquiera de las reivindicaciones 14 ó 15, en la que la aplicación de la preparación enzimática acuosa se realiza mediante inmersión- impregnación, pulverizado, "size press" o "metering bar".
17. Utilización, según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16, en la que la aplicación de la preparación enzimática acuosa se realiza en la zona de formación, en la sequería, en la "size press", en la zona de estucado, en el producto final, o entre las citadas operaciones.
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