DE830648C

DE830648C - Verfahren zur Behandlung von Keratin oder verwandten Proteinstoffen von hohem Cystingehalt

Info

Publication number: DE830648C
Application number: DEW3423A
Authority: DE
Inventors: Peter Alexander; Christopher Earland
Original assignee: Wolsey Ltd
Current assignee: Wolsey Ltd
Priority date: 1949-09-15
Filing date: 1950-09-01
Publication date: 1952-02-07
Also published as: GB692478A; BE498020A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Behandlung von Keratin und anderen Proteinstoffen von hohem Cystingehalt; sie verfolgt das Ziel, diese in verdünntem Alkali oder anderen Lösungsmitteln, die das Protein nicht chemisch abbauen, löslich zu machen. Diese Stoffe sind unlöslich in Wasser und allen Lösungen oder Lösungsmitteln, die sie chemisch nicht angreifen. Zu dieser Klasse gehörige Materialien sind die Proteinbestandteile von Wolle und allen tierischen Haaren, Borsten, Hörnern und

Epidermisschichten, wie Tierhufen. Es gibt viele Wege, sie in Lösung zu bringen, z. B. mehrstündiges Erhitzen unter Rückfluß mit starken Mineralsäuren, Behandlung mit Ätzalkalilösungen; aber in all diesen Fällen wird das Protein zu sehr kleinen Molekülbestandteilen, z. B. einzelnen Aminosäuren., abgebaut, und das so erhaltene Produkt zeigt keine Ähnlichkeit mehr mit dem ursprünglichen Ausgangsmaterial.

Ein Weg, diese Stoffe ohne starken Abbau lös- ao

lieh zu machen, besteht darin, daß sie mit alkali- ] sehen Reduktionsmitteln behandelt werden; diese sprengen die Disulfidbindung, so daß Sulfhydrylgruppen entstehen. Natriumsulfid und die Thiol- j gruppe enthaltende Verbindungen, wie die Salze von Thioglykolsäure, sind für diesen Zweck verwendet worden. Diese Verfahren leiden an mehreren Nachteilen: i. die Reagentien haben einen nicht einwandfreien Geruch, der bis zu einem gewissen Ausmaß von dem Produkt zurückbehalten wird; 2. sie müssen unter stark alkalischen Bedingungen angewendet werden, die die Proteine im allgemeinen abbauen; ferner ist ihr Angriff nicht auf die Disulfidbindung allein beschränkt. Das Produkt ist daher verfärbt und für manche Zwecke, wie dia Herstellung von Fasern aus regeneriertem Protein, weniger geeignet; 3. werden schwächer alkalische Bedingungen angewendet, so kann nicht das gesamte Protein in Lösung gebracht werden.

Es wurde nun gemäß vorliegender Erfindung gefunden, daß Lösungen von Peressigsäure, Perameisensäure, Perpropionsäure und Perbuttersäure die —S—S-Bindung zu Sulfhydrylgruppen spaltet und diese zu Sulfonsäuregruppen oxydieren, ohne daß irgendein anderer Teil des Proteinmoleküls wesentlich angegriffen und besonders, ohne daß ein erheblicher Abbau der Hauptpeptidkette verursacht wird. Das so oxydierte Protein ist in verdünntem Alkali, z.B. n/100-Ammoniak, leicht löslich, und zwar ist die Auflösung vollständig bis auf einen, kleinen Rückstand, der je nach dem betreffenden Protein von ο bis 5 Gewichtsprozent schwankt. Es wurde auch gefunden, daß andere hydrotrope Substanzen dazu benutzt werden können, das oxydierte Produkt ganz oder teilweise zu lösen.

Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird also Keratin oder ein verwandtes Proteinmaterial von hohem Cystingehalt mit der Lösung einer gesättigten aliphatischen Persäure, die nicht mehr als 4 Kohlenstofratome im Molekül enthält, oxydiert und die Gesamtmenge oder ein Teil des oxydierten Proteins in einer hydrotropen Lösung gelöst, besonders in verdünntem Alkali, z. B. in einer verdünnten Ammoniaklösung.

Um die Auflösung des oxydierten Proteins zu unterstützen, kann man Netzmittel, wie langkettige Sulfonate der Fettreihe, oft mit Vorteil zusetzen.

Hydrotrope Lösungen sind imstande, Wasserstoffbindungen aufzuspalten; außer dem schon genannten Ammoniumhydroxyd kommen als solche in Frage: ammoniakalische Kupferlösungen, wasserhaltiges Phenol, wasserhaltiges Resorcin, Ameisensäure, Phosphorsäure und in manchen Fällen ihre wässerigen Lösungen, hochkonzentrierte wässerige Lösungen von Lithiumhalogeniden und Lithiumthiocyanat, konzentriert« wässerige Lösungen von Zinkchlorid, konzentrierte wässerige Lösungen von Harnstoff und substituierten Harnstoff derivaten, wie Guanidin. Das Protein, welches sich in diesen Su)) stanzen löst (Erhitzen ist in manchen Fällen nötig), kann in den meisten Fällen durch Verdünnen und in allen Fällen dadurch ausgefällt werden, daß es in eine konzentrierte Lösung einfacher Elektrolyte, wie Natriumsulfat oder Natriumchlorid, in ein saures Bad, wie n/100-Salzsäure, oder in Alkohole oder Ketone, die in Wasser gelöst sind, ausgepreßt wird.

Wenn so z. B. oxydiertes Keratin in einer 200/0igen wässerigen Harnstofflösung vom p_H = 8 gelöst wird, fällt das oxydierte Keratin bei bloßer Verdünnung mit Wasser nicht aus, sondern es ist die Zufügung einer Spur Säure nötig, damit das p_H der Verdünnungslösung auf 4 herabgesetzt wird; oder die Verdünnungslösung muß einen starken Elektrolyten enthalten, z.B. eine 2ο0/0ige Natriumsulfatlösung. Aus einer 20OyOIgOi wässerigen Harnstotflösung vom p_H = 4 fällt das Material jedoch aus, sobald es mit der fünffachen Menge Wasser verdünnt worden ist.

Dieses Material hat ein hohes Molekulargewicht und kann als Nahrungsmittel oder für die Herstellung von plastischen Massen oder Fasern verwendet werden. So kann die Ausfällung wieder aufgelöst und durch eine Spinnvorrichtimg in ein saures Koagulierbad gepreßt werden.

Wenn die Ausfällung des Materials durch Säure bewirkt wird, ist zur Wiederauflösung Ammoniak oder anderes Alkali nötig; ist es jedoch durch die Lösung eines starken Elektrolyten oder durch die wässerige Lösung eines Alkohols oder Ketons ausgefällt, dann löst es sich in Wasser.

Unmittelbar nach der Behandlung mit Peressig säure ist das Keratin löslich in verdünntem Alkali, z. B. n/10-Ammoniak, und einigen der erwähnten Lösungsmitteln, z.B. ioo»o Lithiumbromid (Ί 00 g Salz in 100 ecm W^Tasser), 15u_;'_o Harnstoff, 500,0 Zinkchlorid, aber nicht in anderen, wie Ameisensäure. Wenn jedoch die oxydierte Wolle in Alkali, Harnstoff oder Lithiumsalzen gelost und dann durch Verdünnen mit Wasser, verdünnter Säure oder starken Salzlösungen, wie 20o_;U Natriumsulfat, ausgefällt wird, ist die erhaltene Ausfällung in Ameisensäure und llüssigein Ammoniak löslich. Die beste Methode, eine Lösung in Ameisensäure zu erhalten, ist somit folgende: Man behandelt das Keratin mit einer Persäure während der erforderliehen Zeit, wie unten in den Beispielen beschrieben, löst das Produkt in n/5 Ammoniak, fällt das oxydierte Keratin durch Zufügen einer Säure, bis das p_H kleiner als 4 ist, filtriert ab und trocknet den Niederschlag, der sich dann in der Kälte leicht in Ameisensäure löst.

Das Material, das durch Säure nicht gefällt wird, ist von niedrigem Molekulargewicht und kann durch Eindampfen der Lösung oder durch Aussalzen wiedergewonnen werden. Die Oxydation mit den Persäuren wird vorzugsweise in wässeriger Lösung durchgeführt, doch kann sie auch in Lösungen nichtoxydierbarer organischer Lösungsmittel, wie Tetrachlorkohlenstoff oder »white spirit«, erfolgen. Vorzugsweise wird Peressigsäure verwendet, da ihre wässerigen Lösungen viele Stunden haltbar sind, während diejenigen von Perameisensäure beim Stehen an oxydierender Wirkung verlieren und Perpropionsäure und Perbuttersäuren teurer sind.

Im allgemeinen wird, wenn Peressigsäure benutzt wird, eine Lösung von Peressigsäure und Essig-

säure, die als Gemisch bei der Reaktion von Wasserstoffsuperoxyd mit Essigsäure anfällt, direkt verwendet. Die Lösung braucht keine saure Reaktion zu haben und kann mit Alkalien, τ. B. Ätznatron, neutralisiert werden. Sobald die Lösung alkalisch wird, wird sie jedoch sehr unstabil und verliert rasch an Oxydationswirkung. Selbst bei einem p_n zwischen 4 und 7 wird die Lösung fortschreitend weniger haltbar. Dennoch kann es erwünscht sein, bei einem p_H zwischen 4 und 7 zu arbeiten, da die Oxydationsreaktion in saurer Lösung schneller vor sich geht.

Ähnliche Erwägungen gelten bei den anderen, für diese Erfindung verwendeten Persäuren, die auch in Gegenwart der entsprechenden aliphatischen Säuren von der allgemeinen Formel

C_nH_2n, !COOH

verwendet werden können.

Damit das Protein völlig löslich wird, muß das gesamte Cystin oxydiert werden, und es empfiehlt sich, die Reaktion fortzuführen, bis mehr als 900,0 des Cystins reagiert haben; der Cystingehalt kann durch analytische Methoden ermittelt werden. Die für die Reaktion erforderliche Dauer hängt ab: 1. vom pn, wie bereits erwähnt; 2. von der Konzentration der Persäure, welche von der höchsten bei Umsetzung der organischen Säure mit Wasserstoffsuperoxyd ohne nachfolgende Einengung erhältlichen Konzentration, die etwa 45 Gewichtsprozent beträgt, wenn man nach der Methode von F. P. Greenspan (^Ind. Eng. Chem. 1947, Bl. 39, S. 547) arbeitet, bis zu sehr verdünnten Lösungen von weniger als 1 Gewichtsprozent schwanken kann; 3. von der Reaktionstemperatur, die jedenfalls unter 100 C gehalten werden soll, da bei dieser Temperatur schon starke Zersetzung von Persäure auftritt (vorzugsweise werden im allgemeinen Temperaturen von 20 bis 60" gewählt);

4. von der Teilchengröße oder dem Faserdurchmesser des Ausgangsmatcrials.

Die folgende Tabelle I zeigt die Löslichkeit des Oxydationsprodukts, das durch Behandlung von Wolle mit Peressigsäure erhalten wird, in 3 n-Ammoniak für verschiedene Prozentsätze an oxydiertem Cystin.

Tabelle I

°/o oxydiertes Cystin	% löslich in Ammoniak
20	8
45	9
75	II
90	9¹
100	92

Die folgenden Beispiele erläutern, wie das Verfahren der Erfindung ausgeführt werden kann: 1. 5 g Merinowolle wurden unter Rühren 1 Stunde bei 22' in einer Lösung, die 45 Gewichtsprozent Peressigsäure enthielt, suspendiert. Dann wurde sie abfiltriert und gut gewaschen, wobei etwa 5,1 g Wolle zurückblieben [die Gewichtszunahme ist bedingt durch die Reaktion:

— S —S > 2(-SO₃H) und 2( SO₂)].

Sie wurde dann unter Rühren in 200 ecm n/ioo-Ammoniak suspendiert, dem, wenn es aufgebraucht war, weiteres Ammoniak zugegeben wurde. Nach etwa ι Stunde hatte sich die gesamte Wolle unter Bildung einer viskosen Lösung und Hinterlassung nur einer feinen wolkigen Trübung von unlöslichem Material gelöst. Dieses wurde abfiltriert und wog etwa 0,2 g.

Die Ammoniaklösung kann als solche für die Herstellung von geformten Erzeugnissen usw. verwendet oder mit n/10 — HCl angesäuert werden, bis sich der gesamte Niederschlag gebildet hat. Er wird gesammelt und ergibt 3,5 g eines weißen, in verdünntem Alkali leicht löslichen Pulvers.

2. Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch wurde die Oxydation während 24 Stunden in einer i,6o/oigeu Peressigsäurelösung durchgeführt, die durch etwa 2 5fache Verdünnung einer nach dem Greenspaiischen Verfahren hergestellten Mischung erhalten wurde. Die Ausbeute an löslichem Protein war 700/0, wie in Beispiel 1.

Wird die Reaktion mit Peressigsäure in 30 Minuten ausgeführt, so sind weniger als 500/0 der Wolle in verdünntem Ammoniak löslich.

3. Perpropionsäure wurde durch Kondensieren von ι Gramm-Mol. 900/oigem Wasserstoffsuperoxyd mit 1,5 Gramm-Mol. Propionsäure in Gegenwart von Schwefelsäure und 24stündiges Stehenlassen der Mischung hergestellt. 40 ecm dieser Lösung wurden mit 60 ecm Wasser gemischt, dann wurden 14 g Merinowolle in der Mischung während 2 Stunden bei Raumtemperatur suspendiert. Die Wolle wurde dann entfernt, und es ergab sich, daß ein geringer, durch Oxydation bedingter Gewichts-Zuwachs vorhanden war. Die so behandelte Wolle wurde dann in 1 Liter o,2-n-Ammoniak gelöst; 90 OyO derselben gingen in Lösung.

Das Protein kann aus dieser Lösung durch Ansäuern auf ein p_H von weniger als 5.oder durch Zufügung starker Salze, wie 16 Gewichtsprozent Natriumsulfat plus 20 Gewichtsprozent Magnesiumsulfat, wiedergewonnen werden; doch wirken andere starke Elektrolyte oder Mischungen von starken Elektrolyten in gleicher Weise als fällend.

Die Ausbeute ist 60 bis 700/0, d.h. von je 100 Gewichtsteilen Wolle, die in Lösung gingen, werden 60 bis 70 Gewichtsteile bei der Ansäuerung oder Zufügung starker Salze wiedergewonnen.

4. Perbuttersäure wurde durch Kondensieren von ι Gramm-Mol. 900/oigem Wasserstoffsuperoxyd mit 1,5 Gramm-Mol. Buttersäure in Gegenwart von Schwefelsäure und 24stündiges Stehenlassen der Mischung hergestellt. Beispiel 3 wurde dann unter Verwendung von Perbuttersäure an Stelle von Perpropionsäure wiederholt, während alle anderen Bedingungen die gleichen waren. Es wurden ähnliche Ergebnisse erzielt.

5. 14 g Wolle, gewogen bei normaler Gewinnung, wurden 2 Stunden bei Raumtemperatur in 40 ecm Peressigsäurelösung (40 0/0 Peressigsäure und 6οο/_υ

Claims

Essigsäure enthaltend) und 60 ecm Wasser stehen gelassen. Dann wurde die Wolle mit kaltem Wasser gewaschen und mit 1 1 0,2 n-Ammoniumhydroxyd gerührt. Nach 2 Stunden zerfiel die Wolle, und die Lösung wurde filtriert. Das klare, gelbe Filtrat wurde mit 2 η-Schwefelsäure genau lackmussauer gemacht. Der weiße, koagulierte Niederschlag wies 580/0 des ursprünglichen Trockengewichts der Wolle auf. Der Rückstand wurde wieder mit Peressigsäure und Ammoniak, wie oben beschrieben, behandelt; das erhaltene unlösliche Produkt betrug 8,5 bis 9 0/0 des ursprünglichen Trockengewichts der Wolle.

6. Beispiels wurde wiederholt, jedoch unter Anwendung von V₂₅ der Konzentration an Peressigsäure und einer Behandlungsdauer von 25 Stunden; dabei wurde das gleiche Ergebnis erzielt.

7. 2 g fein zerkleinertes Kuhhorn wurden 24 Stunden bei Raumtemperatur in 20 ecm Peressigsäure lösung (enthaltend 40O/0 Peressigsäure und 6oo/₀

to Essigsäure) stehen gelassen. Das Produkt wurde mit Wasser gewaschen, 2 Stunden mit 1 1 0,2 n-Ammoniumhydroxyd gerührt und die Lösung filtriert. Das Filtrat wurde mit 2 n-Schwefelsäure genau lackmussauer gemacht. Der weiße, quark-

»5 artige Niederschlag wies 5 2 0/0 des ursprünglichen Gewichts des Horns auf. Der bis zu 5 0/0 betragende Rückstand wurde, wie oben beschrieben, wieder mit Peressigsäure und Ammoniak behandelt.

8.7 g feine Späne aus Kuhhorn wurden 2 Stunden bei Raumtemperatur mit 40 ecm Peressigsäurelösung (enthaltend 400/0 Peressigsäurc und 600/0 Essigsäure) und 60ecm Wasser gerührt. Das Horn wurde dann mit kaltem Wasser gewaschen und mit il o,2n-Arnmoniumhydroxyd verrührt.

Nach 2 Stunden zerfiel das Horn, und die Lösung wurde filtriert. Das Filtrat wurde mit 2 n-Schwefelsäure genau lackmussauer gemacht. Der weiße, quarkartige Niederschlag wies 5i,5°/o des ursprünglichen Horns auf.

9. Beispiel 5 Wurde unter Verwendung von Perpropionsäure an Stelle von Peressigsäure wiederholt. Der aus Ammoniumhydroxyd erhaltene Niederschlag entsprach 49,50/0 des ursprünglichen Trockengewichts der Wolle.

10. Beispiels wurde unter Verwendung von Pern-buttersäure an Stelle von Peressigsäure wiederholt. Die mit Ammoniumhydroxyd erhaltene Ausfällung entsprach 390/0 des ursprünglichen Trorkengewichts der Wolle.

11. Beispiel 5 Wurde unter Verwendung von Peressigsäurelösungen mit wechselnden p_H-Werten wiederholt. Die Ergebnisse sind in der unten stehenden Tabelle II zusammengestellt.

Tabelle Π

umgefälltes Rückstand ausgefällt P₁₁ der Peressig- Protein beim
Ansäuern säurelösung der % Ausgangs- 6o 9 lösung 2 54 12,7 0 4 36 bis 52 3.4 0 7 17 bis 36 49 3 9 schnelle Zersetzung 0 IO

12. Beispiels wurde wiederholt, jedoch unter Verwendung von bei i8^G gesättigter und mit Natriumbicarbonat auf p_H 8 eingestellter Harnstofflösung an Stelle von Ammoniumhydroxyd zur Auflösung. Der Rückstand betrug 290/0, und beim Ansäuern der Harnstofflösung mit 2 η-Schwefelsäure wurde eine weiße Ausfällung erhalten, die 45,80/0 des ursprünglichen Trockengewichts der Wolle ausmachte.

13. Beispiels wurde zehnmal wiederholt, wobei an Stelle von Ammoniumhydroxyd die folgenden Stoffe als Lösungsmittel verwendet wurden:

a) 5°/oige wässerige Natriumbicarbonatlösung (mit Erhitzen); b) 100 0/0 ige Phosphorsäure;

c) 700/oige wässerige Phosphorsäure (mit Erhitzen);

d) 300/oige wässerige Natriumoleatlösung (mit Erhitzen); e) gesättigte wässerige Zinkchloridlösung (mit Erhitzen); f) Cuprammoniumhydroxyd; g) Kupferäthylendiamin; h) bei 18" mit Wasser gesättigtes Phenol (mit Erhitzen); i) 100O/0 Lithiumbromid (100g Salz in 100 ecm Wasser) in n/10 Chlorwasserstoffsäurc (mit Erhitzen); j) Resorcin (mit Erhitzen).

Paten ta N s ρ κ υ <: ii:

Verfahren zur Behandlung von Keratin oder verwandten Proteinstoffen von hohem Cystingehalt, dadurch gekennzeichnet, daß man Keratin oder verwandtes Proteinmaterial von hohem Cystingehalt mit einer Lösung einer gesättigten aliphatischen Persäure, die nicht mehr als 4 Kohlenstoffatome im Molekül enthält, oxydiert, die ganze Menge oder einen Teil des oxydierten Proteins in einer hydrotropen Lösung löst und gegebenenfalls aus der erhaltenen Lösung das keratinartigc Material durch verdünnte Säuren, konzentrierte Salzlösungen oder durch Alkohole oder Ketone, die mit Wasser mischbar sind, wieder ausfällt.

©2996 1.52