CH634078A5

CH634078A5 - Verfahren zur herstellung von wasserloeslichen hydrolysaten aus faserigen keratinrohstoffen.

Info

Publication number: CH634078A5
Application number: CH1474677A
Authority: CH
Inventors: Klaus Dr Braeumer; Zdenek Eckmayer; Alexander Dr Berg; Rolf Dr Monsheimer; Ernst Pfleiderer
Original assignee: Freudenberg Carl; Roehm Gmbh
Priority date: 1977-02-11
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1983-01-14
Also published as: DE2705669A1; ES465731A1; US4232123A; DE2705669B2; AU3319378A; NZ186451A; AU519641B2; DE2705669C3; BR7800815A; CA1108542A; FR2380293A1; IT1090738B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen Hydrolysaten aus faserigen Keratin-Roh-stoffen wie Haaren, Wolle oder dergleichen.

Es handelt sich somit um ein Verfahren zum Aufarbeiten von Abfällen, insbesondere Haarabfällen aus der Gerberei oder Wolleabfällen aus der Textilindustrie. Die erfindungs-gemäss hergestellten Hydrolysate sind Eiweissstoffe, welche auf kosmetischem Gebiet, insbesondere bei der Behandlung von Haut und Haaren Anwendung finden.

Es ist bekannt, dass Eiweisshydrolysate, insbesondere hydrolysierte Proteine kollagener Herkunft als Wirkstoffe für Kosmetika eingesetzt werden. Hydrolysierte Proteine sind auch für die Haarbehandlung wie Färben, Bleichen, Anfertigen von Formteilen usw. geeignet und es werden bereits seit langem grosse Mengen hydrolysierter Proteine für diese Zwecke eingesetzt. Die Proteine werden durch Abbau von kollagenhaltigem Material erhalten, insbesondere durch chemische, alkalische oder saure Hydrolyse.

Die Wirkung der Proteine besteht insbesondere in der Ausbildung als Schutzkolloide für Haare. Die Schutzkolloide verhindern Schäden, welche durch oxidative Einflüsse, z.B. von Bleichmitteln, und die reduzierenden Dauerwellmittel entstehen. Unter dem Einfluss der Hydrolysate verbessert sich die Geschmeidigkeit und Festigkeit des Haares, die Spaltung der Haarenden wird vermieden und das Haar erhält einen erhöhten Glanz, volles Aussehen und angenehmen Griff. Gleichzeitig wird die Kopfhaut durch die Behandlung mit den Eiweisshydrolysaten günstig beeinflusst und der verbesserten Zustand der Haut verursacht wiederum ein schnelleres Wachstum der Haare durch die zugeführten Grundstoffe für die Eiweissynthese.

Es sind bereits zahlreiche Präparate, die Eiweisshydrolysate enthalten, im Handel. Die Wirkung dieser Präparate ist jedoch unterschiedlich. Eine gewisse Wirkung ist stets vorhanden, sie ist jedoch selbst bei dem gleichen Präparat sehr schwankend und schwer reproduzierbar. Die bekannten Pro: dukte sind somit von dem theoretisch denkbaren günstigsten Einfluss auf Haar- und Kopfhaut mehr oder weniger weit entfernt.

Der relativ geringe Wirkungsgrad bekannter Produkte liegt unter anderem daran, dass die Molekulargewichte der Abbaustoffe stark schwanken, denn es ist nicht möglich, durch chemische Hydrolyse reproduzierbare Molekulargewichte zu erreichen. Neben Abbauprodukten mit dem entsprechenden optimalen Molekulargewicht entstehen immer solche mit niedrigeren und höheren Molekulargewichten, so dass die Wirksamkeit insgesamt herabgesetzt ist. Auch die Aminosäurezusammensetzung ist für die Heilkosmetik nicht ideal. Einige Aminosäuren, welche für Keratin typisch sind, z.B. Cystein und Cystin fehlen völlig, während andere wichtige Aminosäuren, z.B. Tyrosin, in nur ganz geringen Mengen vorhanden sind. Ohne Cystein und Cystin kann aber der Haarwuchs nicht wirksam gefördert werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung wasserlöslicher Hydrolysate zu entwickeln, welche die als wichtig erkannte Aminosäurezusammensetzung aufweisen und deren Molekulargewichte in reproduzierbarer Weise gesteuert werden können. Es sollen dabei Produkte hergestellt werden, welche alle in Haaren vorhandenen als wertvoll erkannten Eiweissbausteine enthalten und dies bei optimaler Molekulargrösse.

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches von faserigen Keratinrohstoffen wie Haaren oder Wolle ausgeht und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Rohstoffe zunächst bei erhöhter Temperatur oberhalb 80°C und bei pH-Werten unter 2 einer Säurebehandlung unterworfen werden, wobei eine milde Hydrolyse eintritt, und dass anschliessend in Gegenwart von Harnstoff und Alkalien bei einem pH-Wert von wenigstens 8,5 durch alkalische Proteinasen mit einem Wirkungsoptimum zwischen pH 9 und 13 in dem für das verwendete Enzym optimalen pH-Bereich eine enzymatische Hydrolyse durchgeführt wird und nach beendetem Abbau die dann noch vorhandenen Enzyme durch Erwärmen inaktiviert werden.

Das Verfahren wird vorzugsweise bei einer Harnstoffkonzentration zwischen etwa 0,01 und 1,0 mol/Liter durchgeführt und in Gegenwart von alkalischen Proteinasen aus Bacillus-Stämmen wie Bacillus licheniformis, Bacillus alca-lophilus, Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus oder Bacillus firmus und/oder aus Strepomyces erhaltene Proteinasen wie z.B. Streptomyces grisens. Die vor dem enzymati-schen Abbau durchgeführte milde Hydrolyse sollte zweckmässig über einen Zeitraum von mehreren Stunden, in der Regel von wenigstens 4 Stunden, durchgeführt werden. Als Säure eignen sich Mineralsäuren, wie Salzsäure, Schwefelsäure oder Phosphorsäure usw. Der pH-Wert liegt dabei unter 2.

Während die enzymfreie saure Hydrolyse in der Regel bei Temperaturen wenig über 80°C durchgeführt wird, kann die Temperatur während des enzymatischen Abbaues bei etwa 30 bis 70°C liegen, vorzugsweise zwischen etwa 40 und 65°C. Die Inaktivierung des nach erfolgtem Abbau etwa noch vorhandenen Enzyms kann zwischen etwa 80 und 100°C erfolgen.

Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt die Aufarbeitung von Abfällen, welche bisher keiner wirtschaftlichen Verwendung zugeführt werden konnten. Es sind dies insbesondere die in der Gerberei anfallenden Haarabfälle und die Wollabfälle aus der Textilindustrie.

Die in der Gerberei anfallenden Haare werden im Laufe des Verarbeitungsprozesses bekanntlich mit Alkalien versetzt. Es ist zwar möglich, durch einen sehr starken alkalischen Abbau lösliche Produkte zu erhalten, die immer noch

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hochmolekular aber einem enzymatischen Angriff zugänglich sind. Derartige Produkte sind nicht Gegenstand der Erfindung, denn ein derartiger enzymatischer Abbau von Haaren aus der Gerberei hat gravierende Nachteile bei der Verwendung der Abbauprodukte z.B. in der Kosmetikindustrie. Die so gewonnene Lösung enthält grosse Mengen an unerwünschten Mineralstoffen. Durch den starken alkalischen Abbau entstehen überdies die toxischen Peptide Lanth-ionin und Lysino-Alanin. Es ist verständlich, dass aus diesen Gründen die Abbauprodukte zur Verwendung in der Haarkosmetik ungeeignet bzw. schädlich sind.

Aus den vorstehend dargelegten Gründen ist es wesentlich, den enzymatischen Abbau in der erfindungsgemässen Weise vorzunehmen. Hierbei werden die Haare vor einer zu starken Schädigung durch Alkali aus dem Gerbereiprozess abgetrennt. Die Haare sind zwar schon leicht alkalisch beschädigt, jeoch noch unlöslich, weil ihre Struktur erhalten geblieben ist. In diesem Zustand sind die Haare enzymatisch nicht angreifbar und müssen nach der Lehre der Erfindung vor dem eigentlichen enzymatischen Abbau durch Säurebehandlung einer milden Hydrolyse unterworfen werden. Zu diesem Zwecke können die Haarabfälle aus der alkalischen Lösung abfiltriert, mit verdünnter Säure neutralisiert und durch wiederholtes Auswaschen von Mineralsalzen befreit werden. Die nunmehr sauberen Haare können dann als Ausgangsprodukt für das erfindungsgemässe Verfahren dienen, welches aus dem hydrolytischen und enzymatischen Abbau besteht. Abfälle aus der Wollindustrie sind leichter aufzubereiten. Sie werden durch Waschen von Staub gereinigt und können so direkt dem erfindungsgemässen Verfahren als Rohstoff zugeführt werden.

Die in der vorstehend geschilderten Weise vorbereiteten Rohstoffe werden nun bei pH-Werten unterhalb von 2 und bei erhöhter Temperatur oberhalb 80°C unter der Einwirkung von Säuren hydrolysiert. Um die Entstehung der toxischen Peptide zu vermeiden, sollte jede Alkalibehandlung unterbleiben. Aus diesem Grunde wird das Rohmaterial ausschliesslich mit Säuren behandelt. Es bleibt hierbei wasserunlöslich.

Das Ansäuern des Rohmaterials erfolgt z.B. mit Mineralsäuren wie Schwefelsäure. Bei einem pH-Wert unterhalb von 2 werden die Sulfidbrücken des angesäuerten Materials beim mehrstündigen, mindestens etwa zweistündigen Kochen gespalten. Das Material wird hiermit für die nachfolgende Enzymbehandlung zugänglich gemacht. Der enzymatische Abbau erfolgt dann ohne Schwierigkeiten. Die Abbauprodukte stimmen in ihrer Aminosäurezusammensetzung weitgehend mit den Ausgangsstoffen überein, womit bewiesen ist, dass die wichtigen Bestandteile der Haare nicht zerstört werden.

Für die anschliessende enzymatische Verflüssigung im alkalischen Bereich eignen sich insbesondere Proteinasen aus Bacillus-Stämmen, wie Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus, Bacillus firmus, Bacillus licheniformis, Bacillus alcalo-philus oder Enzyme aus Streptomyces speziae, wie z.B. Streptomyces grisens. Es ist möglich, durch geeignete Wahl des Enzyms, der Enzymkonzentration, Einwirkungszeit und Temperatur den Abbaugrad des Produktes in reproduzierbarer Weise zu beeinflussen. Die im sauren Bereich spaltenden Enzyme sind für das erfindungsgemässe Verfahren weniger geeignet, weil der Abbau hierbei zu langsam erfolgt. Eine technische Verwertbarkeit ist deshalb in der Regel nicht gegeben.

Der enzymatische Abbau erfolgt bei pH-Werten über etwa 8,5, zweckmässig über 9 und ergänzt den chemischen Abbau durch die saure Behandlung.

Je nach den gewählten Bedingungen des enzymatischen Abbaues kann man kurz- oder mittelkettige Keratinhydrolysate herstellen. Ist die Umsetzung in modifizierte Proteinderivate erwünscht, ist es zweckmässig, den Abbau zu kurzket-tigen Hydrolysäten mit Molekulargewichten von etwa 1000 durchzuführen. Mittelkettige Keratinhydrolysate mit Molekulargewichten über 3000 haben besonders gute Eigenschaften für den Einsatz in kosmetischen Produkten.

In vielen Fällen ist es zweckmässig, die saure, enzymfreie Behandlung durch Zugabe von Oxydationsmitteln, z.B. einer 0,5%igen Wasserstoffperoxydlösung zu den angesäuerten Haaren vor dem Kochen zu ergänzen. Hierdurch kann die Einwirkungsdauer für die saure Vorbehandlung oft erheblich abgekürzt werden.

Die Hydrolysatlösung wird gegebenenfalls von Verunreinigungen und Nebenprodukten durch Filtration gereinigt und auf die gewünschte Konzentration eingeengt. Sie kann auch zu einem Pulver getrocknet werden. Das Hydrolysat hat eine gute Wirkung, die deutlich über der Wirkung bekannter Keratinproteine liegt. Das Hydrolysat kann grundsätzlich in allen Einsatzgebieten verwendet werden, welche für Eiweiss-hydrolysate bekannt sind.

Die proteolytische Wirksamkeit von Enzymen, die dem erfindungsgemässen Verfahren zugrunde liegen, wird in der an sich bekannten Weise nach der Anson-Hämoglobin-Methode (M. L. Anson: «J. Gen. Physiologie» 22,79 (1939)) bzw. nach der Löhlein-Volhard-Methode (die Löhlein-Vol-hard'sche Methode zur Bestimmung der proteolytischen Aktivität: «Gerbereichemisches Taschenbuch», Dresden-Leipzig 1955) als «LVE» (Löhlein-Volhard-Einheit) bestimmt. Unter einer Löhlein-Volhard-Einheit ist diejenige Enzymmenge zu verstehen, welche unter den spezifischen Bedingungen der Methode 1,725 mg Casein verdaut.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Erfindung, ohne dass diese auf die Beispiele beschränkt ist.

Beispiel 1

100 kg Äscherhaargemisch aus der Gerbereiproduktion werden in einem mit Rührwerk versehenen Behälter eingebracht. Der pH-Wert der Mischung beträgt etwa 12. Durch Zugabe von verdünnter Salzsäure wird der pH-Wert unter guter Durchmischung auf 7,0 eingestellt. Die Mischung wird abgepresst und mehrmals mit destilliertem Wasser gewaschen, wobei der Filterrückstand nach jedem Waschen erneut abgepresst wird. Der letzte Waschvorgang wird mit auf 70°C erwärmtem Wasser durchgeführt.

20 kg feuchte, abgepresste, in der vorstehend beschriebenen Weise gereinigte Haare werden in einen Heizkessel gefüllt und der pH-Wert der Mischung mit Schwefelsäure auf 2,0 eingestellt. Die Mischung wird 6 Stunden gekocht. Anschliessend werden die Haare mit destilliertem Wasser mehrfach ausgewaschen und abgepresst.

Der anschliessende enzymatische Abbau der wie vorstehend beschrieben behandelten Haare erfolgt in einem Heizkessel unter Zugabe von 801 destilliertem Wasser. Die Mischung wird durch Ammoniak auf einen pH-Wert von 9,5 eingestellt, auf 50°C erwärmt und 10 g alkalische Bakterienproteinase aus Bacillus licheniformis mit 9000 LVE, 40 g Harnstoff und 50 g Ammoniumsulfat zugefügt. Die Mischung wird zum Abbau 10 Stunden bei 50°C gehalten. Während dieser Zeit lösen sich die Haare fast vollständig auf. Nach dem Abbau wird das Material auf 95°C erhitzt um eventuell noch vorhandenes Enzym zu zerstören und dann abgekühlt.

Das abgebaute Material wird durch ein Tuch vorfiltriert und anschliessend einmal zentrifugiert. Anschliessend erfolgt eine weitere Filtration durch Schichtenfilter. Die Ausbeute nach dem Filtrieren beträgt 801 dunkelfarbige Flüssigkeit mit einem Trockengewicht von 9,4% und einem pH-Wert von 9,5.

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Die Flüssigkeit wird auf einen pH-Wert von 7,0 eingestellt und sprühgetrocknet. Ein Teil wird auf ca. 35% Trockengewicht eingeengt. Das durchschnittliche Molekulargewicht des Hydrolysates beträgt etwa 3500.

Beispiel 2

651 destilliertes Wasser werden zusammen mit vorgereinigter Wolle (Trockengewicht 4,5 kg) in einen Heizbehälter eingebracht. Das Material wird durch Zugabe von Schwefelsäure auf einen pH-Wert von 1,5 eingestellt und 8 Stunden gekocht. Nach dem Kochen wird die Wolle abgekühlt, mit destilliertem Wasser gewaschen und abgepresst.

Die gereinigte Wolle wird mit 951 Wasser in einen Heizkessel eingefüllt und wie in Beispiel 1 beschrieben auf 55°C erwärmt. Durch Ammoniak wird der pH-Wert auf 9,3 eingestellt und anschliessend 4,0 g Bakterienproteinase aus Bacillus subilis mit 7000 LVE, 18 g Harnstoff und 23 g s Ammoniumsulfat zugegeben. Die Mischung bleibt 20 Stunden bei dieser Temperatur und wird ab und zu umgerührt. Der pH-Wert beträgt am Ende der Hydrolyse 7,8. Anschliessend wird die Lösung auf 95°C erwärmt. Nach Abkühlung auf etwa40°C erfolgt eine Filtration mit Schich-10 tenfilter und anschliessende Sprühtrocknung. Die Ausbeute beträgt 3,6 g eines Pulvers mit einem Trockengewicht von 96,9%. Das durchschnittliche Molekulargewicht des Hydro-lysats beträgt etwa 1000.

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Claims

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1. Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen Hydro-lysaten aus faserigen Keratinrohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffe zunächst bei erhöhter Temperatur oberhalb 80°C und bei pH-Werten unterhalb von 2 einer Säurebehandlung unterworfen werden, wobei eine milde Hydrolyse eintritt, und dass anschliessend in Gegenwart von Harnstoff und Alkalien bei einem pH-Wert von wenigstens 8,5 durch alkalische Proteinasen mit einem Wirkungsoptimum zwischen pH 9 und 13 in dem für das verwendete Enzym optimalen pH-Bereich eine enzymatische Hydrolyse durchgeführt wird und dass nach beendetem Abbau die dann noch vorhandenen Enzyme durch Erwärmen inaktiviert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die enzymatische Reaktion bei einer Harnstoffkonzentration zwischen 0,01 und 1,0 mol/Liter durchgeführt wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als alkalische Proteinasen solche aus Bacillus-Stämmen wie z.B. Bacillus licheniformis, Bacillus alcalo-philus, Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus oder Bacillus firmus verwendet werden und/oder Enzyme aus Strepto-myces speciae, wie z.B. Streptomyces grisens.

4. Verwendung der nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1 erhaltenen Keratinhydrolysate in Haar-und Hautpflegemitteln, dadurch gekennzeichnet, dass das Keratinhydrolysat zu 30 bis 20 Gew. % Peptide mit einem mittleren Molekulargewicht von etwa 4000 enthält und 70 bis 80 Gew. % Peptide mit einem mittleren Molekulargewicht von etwa 1000.