JP4204973B2 - 可溶性ケラチン誘導体の製造 - Google Patents
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Description
本発明は、経済的でかつ環境保護の見地から許容可能な方法によって羊毛、毛、角、ひずめ、羽根及びうろこなどの動物源からケラチンの誘導体を製造する方法及びその方法で製造されたケラチン誘導体製品に関する。そのケラチン誘導体のいくつかは可溶性なので一群の生体高分子材料を製造するのに使用することができる。
ケラチン類は生物構造、特に高等脊椎動物の上皮組織に広く存在する1クラスの構造タンパク質である。ケラチン類は、2種の主要クラスに区分することができ、すなわち軟質ケラチン(皮膚と少数の他の組織に存在する)と硬質ケラチン(爪、かぎ爪、毛、角、羽根及びうろこの物質を形成している)がある。
第一の側面によって、本発明は、一群の安定で可溶性の高分子量ケラチン誘導体を製造するための溶解方法であって、その分子量が、ケラチン資源内で元来示されているタンパク質の分子量と類似しているか又はそれより大きくかつ成分タンパク質の構造の完全さに損傷がほとんどないか又は全くない溶解方法を提供する。
製造工程を全体としてつくりあげる本発明の諸側面の組合せを添付図1に要約して線図で示してある。
本発明の特徴は、S−スルホン酸形のケラチンを塩基の存在下で溶解し、次にその得られた溶液をスプレー乾燥することによって、安定な水溶性型の高度にS−スルホン化されたケラチン誘導体を製造することである。
実施例1第一段階。消化
本発明の方法の消化段階は、酸化的亜硫酸分解反応を利用して、ケラチン源内のシスチンをS−スルホシステインに変換することを含んでいる。
羊毛10kgからケラチンを抽出するため、まず硫酸銅5水和物2kgを、高剪断力ミキサーを使用して、濃アンモニア水8lと混合した。その混合物を水で200Lまで希釈し次いで羊毛10kgを添加した。硫酸(2M)約15Lを、攪拌されている前記混合物にpHが9.4になるまで添加した。無水亜硫酸ナトリウム(5.04kg)を添加し、次いでその溶液を、すべての薬剤が完全に溶解しpHが9.5で安定するまで混合した。銅アンモニア錯体の最終濃度は0.04Mであった。亜硫酸ナトリウムは最終濃度が0.2Mであった。消化溶液の温度は20℃に維持した。24hrゆるやかに攪拌した後、軟化した羊毛の繊維状でゼラチン様塊を濾別した。得られた濾液を新鮮な羊毛フィルターで濾過したところ、溶液の銅濃度が1725ppmから130ppmまで低下し、次いでPurolite S930 IDAイオン交換樹脂を使ってさらに精製したところ、酸性条件下で銅濃度は12ppmまで低下した。新鮮な水を、上記軟化した羊毛に加え、その混合物を攪拌した。
実施例1aの変形で、消化溶液を、非界面活性剤TritonX100を1%添加して調製した。この界面活性剤の添加によって、羊毛繊維からの可溶性タンパク質の放出が遅れたが、抽出溶液中の銅塩類などの残留薬剤からタンパク質を一層効率的に分離することができた。
実施例1aの変形で、消化段階が二つの部分で行われる。第一部分では、羊毛がpH4.2で濃度0.2Mのメタ重亜硫酸ナトリウムによって前処理される。その羊毛をこの溶液から取り出した後、残留亜硫酸塩を羊毛から除こうとはせずに、その羊毛を、実施例1aで述べた濃度とpHの水酸化銅アンモニウム溶液に、20℃でさらに24hr浸漬した。
実施例2a。第二段階、バッチ式抽出
実施例1に記載されている第一段階を完了した後、その混合物を16hr攪拌し次いで均質化した。さらに4hr攪拌した後、固形物と溶液を、ウェッジワイヤスクリーン(wedge wire screen)とこれに続いて沈降タンク(settling tank)とスピニングディスク(spinning disc)遠心分離器を有する2段濾過法を利用して分離した。その固体相を反応容器に戻し水を加えて、元の羊毛の固体に基づいて最終の液体対羊毛の比率を20:1にした。24hr攪拌もしくは連続均質化を行った後、その混合物を、上記2段濾過法を繰り返すことによって分離した。その固体相を抽出容器に戻してさらに希釈した。このサイクルを7〜12回繰り返した。可溶性タンパク質を含有する液体相は、後記実施例3で詳述するようにしてさらに処理した。
第一段階を完了した後、二段濾過工程を連続法で行いかつ固体と新鮮な水を、24hrでタンクの容積が置換されるのと等しい速度で反応タンクに添加したことを除いて実施例2aに述べたようにして、混合物を処理した。この工程を120hr続けた。
溶液を濃縮しかつ乾燥とイオン交換の工程をより効率的にするため、タンパク質溶液を処理中、いくつかのポイントで限外濾過を利用できる。限外濾過は以下の実施例で述べる処理ステップの前で利用できる。
実施例2に述べられているように第二段階を行った結果生成した溶液をさらに処理して、精製された可溶性ケラチンを単離した。EDTA(0.2M)を、液体相に、25mL/lの比率で又は溶液を分析することによって示されるような溶液中に存在するすべての銅イオンを封鎖するのに適切な比率で添加した。1hr混合した後、硫酸を使って濾液のpHを3.5まで下げた。
実施例2で述べたようにして第二段階の結果生成した溶液をさらに処理して、精製可溶性ケラチン類を単離した。溶液から銅イオンを除くため、液体相を、イミノ二酢酸官能基を含有するキレート樹脂のPurolite S930 IDAイオン交換樹脂などのイオン交換樹脂を通過させた。イオン交換を行った後、濾液のpHを、硫酸を使って3.5まで下げて、実施例3aで述べたのと同一の方式でさらに処理した。
実施例2に記載したように第二段階を行った結果生成した溶液をさらに処理して精製可溶性ケラチン類を単離した。液体相のpHを、硫酸を使って3.5まで低下させた。生成したタンパク質の沈澱をスクリーンを使用して単離し、希水酸化ナトリウム溶液を使用して再び溶解し、次いでEDTAを添加するか又はイオン交換カラムを通過させることによってさらに精製した。このさらなる精製の後、その溶液のpHを硫酸を使って3.5まで下げて、タンパク質を、前記諸実施例に記載されているようにして単離した。最初のpHを下げたステップで得た濾液は、かなりの量の可溶性タンパク質と他の薬剤をまだ含有しているが、この濾液をしてイオン交換媒体を通過させることによって精製し、次いでスプレー乾燥して、別の可溶性タンパク質であるS−スルホン化ケラチン高硫黄タンパク質を単離した。
第二段階の結果として単離された固体の流れを一群の方法でさらに処理してケラチンペプチドを製造することができる。上記残留物は、高レベルのスルホン化を行うと、化学的消化や酵素による消化を容易に行えるようになる。というのは化学的攻撃や酵素の攻撃に対して耐性の元のケラチン源に存在するジスルフィド結合がほとんど開裂されてしまうからである。
硫化ナトリウム溶液(5重量%)を、約5%の固形分を含有している工程の第二段階からの液体流の同容積に添加する。得られた混合物を12hr攪拌した後、固形分を濾過と遠心分離で除き、次にそのタンパク質溶液に硫酸を添加してpHを2〜3.5の範囲まで下げる。沈澱をスクリーン上に集めて水で徹底的に洗浄する。
過酸化水素(50%)を、ケラチン残留物1kg当り25〜30mlのレベルで、第二段階からの液体流に添加する(ケラチン残留物は約5%の固形分を含有している)。これを混合し次に1M水酸化ナトリウムを添加してpHを10〜13の範囲にする。その混合物を24hrゆるやかに混合し、次に実施例2に記載の二段階濾過法によってタンパク質と固形分を分離し、次いで実施例4aに記載したように酸性にしてタンパク質を単離する。あるいは、タンパク質溶液をしてイオン交換樹脂を通過させ、次に酸性にして、沈澱した固体を集める。次にその酸性にした溶液をしてイオン交換樹脂を通過させた後、凍結乾燥又はスプレー乾燥を行って別のタンパク質豊富生成物を集めることができる。
工業用ズブチリシン酵素製剤(活性酵素を2.5%含有する溶液)を、ケラチン残留物1g当り活性酵素10mgの量で、第二段階からの固体の流れに添加した。水酸化ナトリウムを添加してpHを9.5に維持し、得られた反応混合物を2hrかけて60℃まで加熱した。生成したタンパク質溶液を、固体から単離して、実施例4aに記載されているようにして処理するか、又は実施例4bに記載されているように酸性にする前及び/又は酸性にした後にイオン交換樹脂を通過させる。
Claims (15)
- 以下の工程を含む、S−スルホン化されたケラチンタンパク質を製造するための方法:
(a)ケラチン源に酸化的亜硫酸分解反応を行なって消化液において反応生成物を含む固体を生成する、
(b)固体を消化液から分離する、そして
(c)固体を水または水と界面活性剤からなる組成物で抽出し、固体から、S−スルホン化されたケラチンタンパク質を含む抽出物を分離する、但し抽出は反復または連続であることができる。 - ケラチン源が羊毛である請求項1に記載の方法。
- 工程(c)の抽出後の固体が水不可溶性ゼラチン状組成物を含む請求項1に記載の方法。
- 消化液が銅含有反応体を含む請求項1に記載の方法。
- 酸化的亜硫酸分解反応が抽出物中に残る金属イオンを与え、工程(d)の処理がキレート化剤での抽出物中の金属イオンの封鎖を含む請求項4に記載の方法。
- キレート化剤がEDTAである請求項5に記載の方法。
- 工程(d)が濾過によって行なわれる請求項1に記載の方法。
- 工程(c)における固体からの抽出物の分離が濾過によって行なわれる請求項1に記載の方法。
- 酸化的亜硫酸分解反応が抽出物中に残る金属イオンを与え、S−スルホン化されたケラチンタンパク質がS−スルホン化された高硫黄ケラチンタンパク質及びS−スルホン化された中間フィラメントケラチンタンパク質を含む請求項1に記載の方法。
- 工程(a)がカオトロピック薬剤の使用なしで行なわれる請求項1に記載の方法。
- 工程(a)がタンパク質の完全さを維持するために4.2〜9.5のpHの条件下で行なわれる請求項1に記載の方法。
- 以下の工程を含む、S−スルホン化されたケラチンタンパク質からS−スルホン化された高硫黄ケラチンタンパク質を製造するための方法:
(a)金属イオンの存在下でケラチン源に酸化的亜硫酸分解反応を行なって消化液において反応生成物を含む固体を生成する、但し前記金属イオンは抽出物中に残る、
(b)固体を消化液から分離する、
(c)固体を、反復または連続して、水または水と界面活性剤からなる組成物で抽出し、固体から抽出物を分離する、但し前記固体は水不溶解性ゼラチン状組成物を含む、
(d)酸及び水を抽出物に添加してS−スルホン化されたケラチン中間フィラメントタンパク質を沈殿する、
(e)沈殿物を濾過してS−スルホン化された高硫黄ケラチンタンパク質を含有する濾液を生成する、
(f)濾液を限外濾過して保持物を回収する、
(g)保持物を乾燥して精製されたS−スルホン化された高硫黄ケラチンタンパク質を生成する。 - 以下の工程を含む、S−スルホン化されたケラチンタンパク質からS−スルホン化された中間フィラメントケラチンタンパク質を製造するための方法:
(a)金属イオンの存在下でケラチン源に酸化的亜硫酸分解反応を行なって消化液において反応生成物を含む固体を生成する、但し前記金属イオンは抽出物中に残る、
(b)固体を消化液から分離する、
(c)固体を、反復または連続して、水または水と界面活性剤からなる組成物で抽出し、固体から抽出物を分離する、但し前記固体は水不溶解性ゼラチン状組成物を含む、
(d)酸及び水を抽出物に添加してS−スルホン化されたケラチン中間フィラメントケラチンタンパク質を沈殿する、
(e)S−スルホン化された中間フィラメントケラチンタンパク質を濾過し、固体を回収する、
(f)固体を乾燥して精製されたS−スルホン化された中間フィラメントケラチンタンパク質を生成する。 - 以下の工程を含む、S−スルホン化されたケラチンタンパク質から可溶性ケラチンペプチドを製造するための方法:
(a)ケラチン源に酸化的亜硫酸分解反応を行なって消化液において反応生成物を含む固体を生成する、
(b)固体を消化液から分離する、
(c)固体を、反復または連続して、水または水と界面活性剤からなる組成物で抽出し、固体から抽出物を分離する、但し前記固体は水不溶解性ゼラチン状組成物を含む、
(d)(c)の水不溶解性ゼラチン状組成物を、硫化ナトリウム溶液、過酸化水素溶液からなる群から選択された薬剤と、残留金属イオン及びタンパク質分解酵素の存在下で接触させ、可溶性ケラチンペプチド含有溶液を生成する、そして
(e)以下の処理方法のいずれか一つに従って(d)の溶液を処理して可溶性ケラチンペプチドを回収する:
(1)以下のことを含む第一処理方法:
(i)(d)の溶液を濾過及び/または遠心分離して、(d)の溶液から固体を除く、
(ii)(i)の濾過された及び/または遠心分離された溶液に硫酸を添加して、可溶性ケラチンペプチドを沈殿する、そして
(iii)沈殿した可溶性ケラチンペプチドを集めて、それにより可溶性ケラチンペプチドを回収する;
(2)以下のことを含む第二処理方法:
(i)(d)の溶液を濾過して、(d)の溶液から固体を除く、
(ii)(i)の濾過された溶液をイオン交換樹脂に通過させる、
(iii)(ii)の通過した溶液に硫酸を添加して、酸性化された溶液から固体を沈殿する、
(iv)沈殿した固体を酸性化された溶液から分離する、
(v)酸性化された溶液をイオン交換カラムに通過させる、そして
(vi)溶液を凍結乾燥またはスプレー乾燥して、それにより可溶性ケラチンペプチドを回収する;
(3)以下のことを含む第三処理方法:
(i)(d)の溶液を濾過して、(d)の溶液から固体を除く、
(ii)(i)の濾過された溶液をイオン交換樹脂に通過させる、
(iii)(ii)の通過した溶液に硫酸を添加して、酸性化された溶液から固体を沈殿する、
(iv)沈殿した固体を酸性化された溶液から分離する、そして
(v)酸性化された溶液をイオン交換カラムに通過させて、可溶性ケラチンペプチドの水溶液を回収する。 - タンパク質分解酵素がズブチリシン、パパインまたはトリプシンの系統からのものである請求項14に記載の方法。
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