DE2705669A1

DE2705669A1 - Verfahren zur herstellung von wasserloeslichen hydrolyseprodukten aus keratinhaltigen rohstoffen

Info

Publication number: DE2705669A1
Application number: DE19772705669
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl Chem Dr Berg; Klaus Dipl Chem Dr Braeumer; Zdenek Dipl Chem Eckmayer; Rolf Dr Monsheimer; Ernst Dipl Chem Pfleiderer
Original assignee: Carl Freudenberg KG; Roehm GmbH Darmstadt
Current assignee: Carl Freudenberg KG; Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 1977-02-11
Filing date: 1977-02-11
Publication date: 1978-08-17
Also published as: CH634078A5; FR2380293A1; DE2705669C3; DE2705669B2; US4232123A; IT1090738B; AU3319378A; NZ186451A; BR7800815A; ES465731A1; CA1108542A; AU519641B2

Description

Anmelder: Firma Carl Freadenberg, Veinheis Firma R5|t* G»*H_r 6ioo Darmstadt

Verfahren zur Herstellung von wasserlöalichee Hydrolyseprodukten aus keratinhaltigee Rohstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung Ton wasserlöslichen Hydrolysates aus faserigen Keratin-Rohstoffen vi« Haaren» Wolle oder dergleichen. Es handelt sich somit um ein Verfahren »um Aufarbeiten von Abfallen, insbesondere Haarabfallen aus der Gerberei oder Volleabfallen aus der Textilindustrie. Die erfindungsgemt» hergestellten Hydrolysate sind Eiweißstoffe, welche auf kosmetischem Gebiet, insbesondere bei der Behandlung von Haut und Haaren Anwendung finden.

Es ist bekannt, daft Eiveifthydrölysate, insbesondere hydrolysierte Proteine kollagener Herkunft als Wirkstoffe für Kosmetika eingesetzt werden. Hydrolysiert« Proteine sind auch für die Haarbehandlung wie Farben, Bleichen, Anfertigen von Formteilen usw. geeignet und es »erden bereits seit langem

809633/016·

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, volle· Aussehen und angenehmen Griff. Gleichzeitig wird die Kopfhaut durch die Behandlung mit den Eiveißhydrolysaten günstig beeinflußt und der verbesserte Zustand der Haut verursacht wiederum ein schnelleres Wachstum der Haare durch die zugeführten Grundstoffe für die Eiweißsynthese.

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 selb.st bei dem gleichen Präparat sehr schwankend und schwer reproduzierbar. Die bekannten Produkte 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

809833/0169

niedrigeren und höheren. Molekulargewichten, so daß die Wirksamkeit i*ftgeaa»t herabgesetzt ist. Auch die AminosäurezusammejD.s«;t«UB.g. ist für.· die Heilkosmetik nicht ideal. Binige Amiaosaureö, welche tikr Keratin V typisch sind, z.B. Cystein und. ,Cystin fehlen völlig, „'.*" während andere wichtige Aminosäuren, *.B. Tyrosin _ψ ':. in nur ganz geringen Mengen vorhanden, sind. „Ohne

Cystein und Cystin kann Aber der B^a^rwuehe nicht wirksam '"-■ gefördert werden.

Der Erfindung liegt tun die Aufgehe,zugrunde, ein Verfahren

zur Herstellung wasserlöslicher Hydrolysate zu entwickeln, ^. welche die als wichtig erkannte Aminosäurezusaamensetzung

aufweisen und deren Molekulargewichte |,n reproduzierbarer ^: ; Weise gesteuert werden können. ,Es sollen dabei Produkte - .. hergestellt werden, welche alle.itt Jt^aren vorhandenen * als wertvoll erkannten Biweißbatifteine enthalten und dies bei optimaler Molekül ar größe. ..'..*„'

"■""; Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches von faserigen, ^;: , keretinhaltigen Abfallproduktreo, w|e Haaren oder Wolle ', ausgeht und welche« dadureh.gekennzeichnet ist, daß die \]_:-Γ als Rohstoffe verwandten Abfallprodukte zunächst bei. erhöhter '-χζ' Temperatur oberhalb So⁰C und bei {dtrWerten unter 2 einer '.' Säurebehandlung unterworfen werden, wobei eine milde Hydrolyse eintritt, und das anschließend in Gegenwart von Harnstoff und:Alkalien bei einem pH-Wert tob wenigstens 8,5 durch alkalisch*,; Proteinasen mit einem Wirkungsoptimun zwischen pH 9 und,1$ in dem für das verwendete Enzym optimalen pH-Bere^ck, eine eazymjttieche Hydrolyse durchgeführt wird und nach >ee|$|£em Abbau die 4e>nn ^twa noch vorhandenen Enzyme durch Erwärme* iaAktiviert werden.

-W-

801^33 /erw»

Das Verfahren wird zweckmäßig bei einer Harnetoffkonzentration zwischen etwa o,o1 und 1,o mol/Liter durchgeführt und in Gegenwart von alkalischen Proteinasen aus Bacillus-Staminen wie Bacillus licheniformis, Bacillus alcalophilus , Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus oder Bacillus firmus und/oder aus Strefloayces erhaltene Proteinasen wie z.B. Streptomyces grisens. Die vor den enzymatisehen Abbau durchgeführte milde Hydrolyse sollte zweckmäßig über einen Zeitraum von mehreren Stunden, in der Regel von wenigstens U 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 um etwa 8o°C durchgeführt wird, liegt die Temperatur während des enzymatischen Abbaues bei etwa 3o bis To⁰C, vorzugsweise zwischen etwa Uo und 65 C. Die Inaktivierung des nach erfolgtem Abbau etwa noch vorhandenen Enzyms erfolgt zwischen etwa 8o und 1oo^QC.

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 in Laufe des Verarbeitungsprozesses bekanntlich mit Alkalien versetzt. Es ist zwar möglich, durch einen sehr starken alkalischen Abbau lösliche Produkte zu erhalten, die immer noch hochmolekular aber einem enzymatischen Angriff zugänglich sind. Derartige Produkte sind nicht Gegenstand der Erfindung,

809833/0169

denn ein derartiger enzymatischer Abbau von Haaren aus der Gerberei hat gravierende Nachteile bei der Vervendung der Abbauprodukte z.B. in der Kosmetikindustrie. Die so gevonnene Lösung enthält große Mengen an unerwünschten Mineralstoffen. Durch den starken alkalischen Abbau entstehen überdies die toxischen Peptide Lanthionin und Lysino-Alanin. Es ist verständlich, daß aus diesen Gründen die Abbauprodukte zur Vervendung in der Haarkosmetik ungeeignet bzw. schädlich sind.

Aus den vorstehend dargelegten Gründen ist es wesentlich, den enzymatischen Abbau in der erfindun^sgemäßen 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, jedoch 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 Zvecke werden die Haarabfälle aus der alkalischen Losung abfiltriert, mit verdünnter Säure neutralisiert und durch wiederholtes Auswaschen von Mineralsalzen befreit. Die nunmehr sauberen Haare dienen als Ausgangsprodukt für das erfindungsgemäße Verfahren, 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 verden nun bei pH-Werten unterhalb von 2 und bei erhöhter Temperatur oberhalb 8o C unter der Einwirkung

- 6 809833/0169

von Säuren hydrolysiert. Um die Entstehung der toxischen Peptide zu vermeiden, muß jede Alkalibehandlung unterbleiben. Aus diesem Grunde wird das Rohmaterial ausschließlich mit Säuren behandelt. Es bleibt hierbei wasserunlöslich.

Das Ansäuern des Rohmaterials erfolgt mit Mineralsäuren, z.B. Schwefelsäure. Bei einem pH-Wert unterhalb von 2 werden die SuIfidbrücken des angesäuerten Materials beim mehrstündigen, mindestens etva zweistündigen Kochen gespalten. Das Material wird hiermit für die nachfolgende Enzymbehandlung zugänglich gemacht. Der enzymatieche 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 alcalophilus oder Enzyme aus Streptomyces epeziae, 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 nibht gegeben.

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

-T-

809833/0169

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 kurzkettigen Hydrolysaten mit Molekulargewichten von etwa looo durchzuführen. Mittelkettige Keratinhydrolysate mit Molekulargewichten über 3ooo 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 o,5 /tigen Wasserstoffperoxydlosung zu den angesäuerten Haaren vor dem Kochen zu ergänzen. Hierdurch kann die Einwirkungsdauer für die saure Vorbehandlung oft erheblich abgekürzt werden.

Die Hydrolysatlosung wird gegebenenfalls von Verunreinigungen und Nebenprodukten durch Filtration gereinigt und auf die gewünschte Konsentration 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 Eiweißhydrolysate 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-Volhard¹sehe Methode zur Bestimmung der proteolytischen Aktivität: "Gerbereichemisches Taschenbuch", Dresden-Leipzig 1955) als "LVE" (Lohlein-Volhard-Einheit) bestimmt. Unter einer Löhlein-Volnard-Einheit ist

809833/0169

diejenige Enzymmenge zu verstehen, welche unter den spezifischen Bedingungen der Methode 1,725 ng Casein verdaut.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Erfindung, ohne daß diese auf die Beispiele beschränkt

Beispiel 1:

1oo 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»o 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 7o°C erwärmtem Wasser durchgeführt.

2o 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,ο 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 8o 1 destilliertem Wasser. Die Mischung wird durch Ammoniak auf einen pH-Wert von 9,5 eingestellt, auf 5o C erwärmt und 1o g alkalische Bakterienproteinase aus Bacillus licheniformis mit 9ooo LVE₁ Uo g Harnstoff

809833/0169

und 5o g Ammoniumsulfat zugefügt. Die Mischung vird zum Abbau 1o Stunden bei 5o C gehalten. Während dieser Zeit lösen sich die Haare fast vollständig auf. Nach dem Abbau wird das Material auf 95°C erhitzt um eventuel 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 80 1 dunkelfarbige Flüssigkeit mit einem Trockengewicht von 9,Ut und einem pH-Wert von 9»5· Die Flüssigkeit wird auf einen pH-Wert von T,ο «ingestellt und sprühgetrocknet. Ein Teil wird auf ca. 35Jt Trockengewicht eingeengt. Das durchschnittliche Molekulargewicht des Hydrolysates beträgt etwa 35oo.

Beispiel 2:

65 1 destilliertes Wasser werden zusammen mit vorgereinigter Wolle,(Trockengewicht U,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 95 1 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 U,0 g Bakterienproteinase aus Bacillus subilis mit 7000 LVE₁ 18 g Harnstoff und 23 g Ammoniumsulfat zugegeben. Die Mischung bleibt 2o Stunden bei dieser Temperatur und wird ab und zu umgerührt. Der pH-Wert beträgt am Ende der Hydrolyse 7»8. Anschließend wird die Losung auf 95 C

- Io -

809833/0169

- ♦«■ -

erwärmt. Nach Abkühlung auf etwa Uo C erfolgt eine Filtration mit Schichtenfilter und anschließende Sprühtrocknung. Die Ausbeute beträgt 3,6 g eines Pulvers mit einem Trockengewicht von 96,9 %. Das durchschnittliche Molekulargewicht des Hydrolysate beträgt etwa 1ooo.

809833/0169

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen Hydrolysaten aus faserigen Keratinrohstoffen, wie Haaren, Wolle oder dergleichen, 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 ur.d Alkalien bei einem pH-Wert von wenigstens 8,5 durch alkalische Proteinasen mit einem Wirkungsoptimum zwischen T)H 9 und 13 in dem für das verwendete Enzym optimalen pH-Bereich eine enzymatische Hydrolyse durchgeführt wird und daß nach beendetem Abbau die dann etwa noch vorhandenen Enzyme durch Erwärmen inaktiviert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die enzymatische Reaktion bei einer Harnstoffkonzentration zwischen etwa o,o1 und 1,0 mol/Liter durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als alkalische Proteinasen solche aus Bacillus-Stämmen wie z.B. Bacillus licheniformis , Bacillus alcalophilus, Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus oder Bacillus firmus verwendet werden und/oder Enzyme aus Streptomyces speciae, wie z.B. Streptomyces ßrisens.

loaiio

und Hautpflege geeignetes Keratinhyjjte-ty's'at , hergestellt nach einem der Ansprüche—-4—UTs 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ker^iä-n-ttycfrolysat zu etwa 3o bis 2o Gew.jS Peptide rS5S««- e—eae—vett—rtv«-ltee«—en*-häjrt

Ai

- 12 809833/0169

ORIGINAL INSPECTED