DE2705669C3

DE2705669C3 - Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen Hydrolyseprodukten aus keratinhaltigen Rohstoffen

Info

Publication number: DE2705669C3
Application number: DE2705669A
Authority: DE
Inventors: Zdenek Dipl.-Chem. Dr. 6900 Heidelberg Eckmayer; Rolf Dr. Monsheimer
Original assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 1977-02-11
Filing date: 1977-02-11
Publication date: 1982-02-25
Also published as: DE2705669A1; ES465731A1; US4232123A; DE2705669B2; AU3319378A; NZ186451A; CH634078A5; AU519641B2; BR7800815A; CA1108542A; FR2380293A1; IT1090738B

Description

a) bei Temperaturen oberhalb 80⁰C und pH-Werten unterhalb von 2 für die Dauer von wenigstens 4 Stunden einer Säurehydrolyse und anschließend nach Reinigen mit Wasser

b) bei Temperaturen von 30—7O⁰C und pH-Werten von mindestens 8,5 in Gegenwart von Alkalien und 0,01 — 1,0 Mol/Ltr. Harnstoff mittels alkalischer Bakterienproteinasen eines pH-Optimums zwischen 9—13 einer enzymatischen Hydrolyse unterworfen werden, die im jeweiligen pH-Optimum des angesetzten Enzyms erfolgt, worauf

c) nach beendetem Abbau die Enzyme durch Hitze inaktiviert v/erden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von Äscherhaargemisch als Rohstoff das Ausgangsmaterial vor der Stufe a durch Zugabe von verdünnten Säuren auf einen pH-Wert von 7 eingestellt und die Mischung abgepreßt und gewaschen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als alkalische Proteinasen solche aus Bacillusstämmen 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 grisens.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen Hydrolysaten aus faserigen Keratin-Rohstoffen 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 erfindungsgemäß 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 Schutzkolioide 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 Geschmeiß digkeit 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 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 selbst 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 MoleLuIargewichte 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 Haarv/uchs nicht wirksam gefördert w erden.

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 Eiweißbausleine enthalten und dies bei optimaler Molekulargröße.

Es wird ein Verfahren beansprucht, welches von fasrigen. keratinlialtigen Abfallprodukten, wie Haaren oder Wolle ausgeht und welches dadurch gekennzeichnet ist. daß die gereinigten Rohstoffe

b) bei Temperaturen von 30 — 70°C und pH-Werten von mindestens 8,5 in Gegenwart von Alkalien und 0.01-1,0 Mol/Ltr. Harnstoff mittels alkalischer Bakterienproteinasen eines pH-Optimums zwisehen 9—13 einer enzymatischen Hydrolyse unterworfen werden, die im jeweiligen pH-Optimum des angesetzten Enzyms erfolgt, worauf

c) nach beendetem Abbau die Enzyme durch Hitze inaktiviert werden.

Bei Einsatz von Äscherhaargemischen als Rohstoff wird das Ausgangsmaterial hierbei vor der Stufe a durch Zugabe Von verdünnten Säuren auf einen pH^Wert Von 7 eingestellt. Die Mischung wird abgepreßt und gewaschen und dann wie vorstehend beschrieben behandelt.

Das Verfahren wird zweckmäßig bei einer Harnstoffkonzentration zwischen etwa 0,01 und 1,0 mol/Litef durchgeführt und in Gegenwart von alkalischen

Proteinasen aus Bacillus-Stämmen wie Bacillus licheniformis, Bacillus alcalophilus, Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus oder Bacillus firmus und/oder aus Streptomyces erhaltene Proteinasen wie z, B. Streptomyces grisens. Die vor dem enzymatischen 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 um etwa 8O⁰C durchgeführt wird, liegt die Temperatur während des enzymatischen Abbaues bei etwa 30 bis 70⁰C, vorzugsweise zwischen etwa 40 und 65° C. Die Inaktivierung des nach erfolgtem Abbau etwa noch vorhandenen Enzyms erfolgt zwischen etwa 80 und 100° C.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Aufarbeitung von Abfäl'en, weiche 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 lösliciie Produkte zu erhalten, die immer noch 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. E. in der 'iosmetikindustrie. Die so gewonnene Lösung enthält große Mengen an unerwünschten Mineralstoffen. Dur Ii den starken alkalischen Abbau entstehen überdies die toxischen Peptide Lanthionin und Lysino-Alanin. Es ist verständlich, daß aus diesen Gründen die Abbauprodukte zur Verwendung in der Haarkosmetik ungeeignet bzw. schädlich sind. -to

Wenn auch das erfindungsgemäße Verfahren die Aufarbeitung von Abfällen erlaubt, so handelt es sich doch nicht um einen Abbau des Keratins »um jeden Preis«. Angestrebt wird vielmehr ein kontrollierter Abbau von fasrigen, keratinhaltigen Farbprodukten zu wertvollen, wasserlöslichen Hydrolysaten, welche die als wichtig erkannte Aminosäurezusammensetzung aufweisen und deren Molekulargewicht in reproduzierbarer Weise gesteuert werden kann. Demgemäß sind alle Arbeitsbedingungen untauglich bzw. zu vermeiden, bei denen die als toxisch bekannten Stoffe Lanthionin und Lysino-Alanin gebildet werden. Verfahren, wie sie ζ B. in »Hoppe-Seyler/Thierfelder« Handbuch der physiologisch- und pathologisch-chemischen Analyse, Band II. Teil 1. 1960, Seite 495 zum Abbau von Keratin durch übliche Proteasen beschrieben sind, müssen aus den vorstehend dargelegten Gründen geradezu von dem erfindungsgemäß beschrittenen Lösungsweg abhalten. So wird nach dem bekannten Stand der Technik durch Hydrolyse von verschiedenen Keratinen durch eine O,O5°/oige Pankreatinlösung auch nach 6 χ 24 Stünden bei 40°C nur ein Verhältnismäßig bescheidenes Resultat erhalten. Es wurde a. a. O< auch Weiterhin vorgeschlagen, mit Blausäure aktiviertes Papain zu verwenden, eine Methode, welche großtechnisch sowieso nicht durchführbar ist, jedoch auch hier wird kein Produkt erhalten, daß der effiridüngsgemäß gestellten Aufgabe gerecht würde. Der bekannte Stand der Technik betrifft im übrigen ausschließlich den Abbau bzw. die Auflösung von Keratin, nicht aber die Herstellung wertvoller keratinhaltiger Rohstoffe.

Aus GB-PS 14 14 634 und »J. Biochem. 1955«, Band 59, Seite 459—464, sind weitere Abbauverfahren für Keratin beschrieben, wobei eine teilwsise Aufspaltung der Endpeptidbrücken, vermutlich also der Telo-Peptide, durch Enzyme beschrieben ist Es werden neutrale und alkalische Proteasen verwandt, um im wesent'ichen Collagen abzubauen. Ein Rückschluß auf Keratin und insbesondere den gezielten Aufbau keratinhaltiger Produkte ist nicht möglich, denn bekanntlich variiert das Verhalten der verschiedenen Proteine und insbesondere auch der verschiedenen Keratintypen selbst bei identischer enzymatischer Behandlung, wobei die Übertragung von Verfahren zur Lösung andersartiger Probleme selbst bei ähnlichen Ausgangsstoffen nicht möglich ist

Aus den vorstehend dargelegten Gründen ist es wesentlich, den enzymatischen Abbau in der erfindungsgemäßen Weise vorzunehmen. Hierbei werden die Haare von 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 Zwecke werden die Haarabfälle aus der alkalischen Lösung 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 werden nun bei pH-Werten unterhalb von 2 und bei erhöhter Temperatur oberhalb 8O⁰C unter der Einwirkung 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 Sulfidbrücken des angesäuerten Materials beim mehrstündigen, mindestem 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 Proteina* sen aus Bacillus-Stämmen, wie Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus, Bacillus firmus, Bacillus lidheniformis, Bacillus alcalophilus oder Enzyme aus Streptomyces speziae, wie z, B.. Streptomyces grisens. Es ist möglich, durch geeignete Wähl des Enzynis, der Enzymkönzeti' tration, Einwirkungszeit und Temperatur den Abbau-

grad 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 5 nicht gegeben.

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

Je nach den gewählten Bedingungen des enzymatisehen 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 1000 durchzuführen. Mittelkettige Keratinhydrolysate mit Molekulargewichten über 3000 haben besonders gute Eigenschaften für den Einsatz in kosmetischen Produkten.

In -zielen Fällen ist es zweckmäßig, die saure, enzymfreie Behandlung durch Zugabe von Oxydationsmitteln, ζ. 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 werde" 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-Volhardsche 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 d'ese auf die Beispiele beschränkt ist.

B e i s ρ i e I 1 _5Q

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 v/ird mit auf 70° C erwärmtem Wasser durchgeführt

20 kg feuchte, abgepreßte, in der vorstehend beschriebenen Weise gereinigte Haare werdi:n in einen Heizkessel gefüllt und der pH-Wert der Mischung mit Schwefelsäure auf 2,0 eingestellt Die Mischung wird b Stunden gekocht. Anschließend werden die Haare mit destilliertem Wasser mehrfach ausgewaschen und abgepreßt.

Dei anschließende enzymatische Abbau der wie vorstehend beschrieben behandelten Haare erlolgt in einem Heizkessel unter Zugabe von 80 1 destilliertem Wasser. Die Mischung wird durch Ammoniak auf einen pH-Wert von 9,5 eingestellt, auf 50⁰C 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 50⁰C 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 i^.d dann abgekühlt

Das abgebaute Material wird uurch ein Tuch vorfiltriert und anschließend einmal zentrifugiert Anschließend erfolgt eine weitere Filtration durch Schichtenfilter. Die Ausbeute nach den¹ Filtrieren beträgt 801 dunkelfarbige Flüssigkeit mit einem Trockengewicht von 9,4% und einem pH-Wert von 9,5. 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 zusi mmen mit vorgereinigter Wolle, (Trockengewicht 4,5 ig) 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 öer pH-Wert auf 93 eingestellt und anschließend 4,0 g Bi.kterienproteinase aus Bacillus subilis mit 7000 LVE, 18 g Harnstoff und 23 g 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 etwa 40⁰C erfolgt eine Filtration mit Schichtenfilter und anschließende Sprühtrocknung. Die Ausbeute beträgt 3,6 g eines Pulvers mit einem Trockengewicht von 96,9%. Das durchschnittlich'. Molekulargewicht des Hydrolysats beträgt etwa 1000.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von wasserlöslichen Hydrolysaten aus fasrigen Keratinrohstoffen, wie Haaren, Wolle oder dergleichen durch chemische Hydrolyse und enzysnatischen Abbau mittels Proteinasen, dadurch gekennzeichnet, daß die gereinigten Rohstoffe