Tutaj prezentujemy protokół użycia wstępnie zsyntetyzowanych produktów polimerowych pochodzących z katalizowanej przez grzyby polimeryzacji fenoli roślinnych, zarówno z zaprawami, jak i bez nich (np. FeSO4), aby wywołać odporne na detergenty keratynowe farbowanie włosów w ciągu 2,5 godziny.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Synteza barwników polimerowych pochodzenia roślinnego na bazie fenolu do bezpośredniego farbowania włosów lub na bazie zaprawy
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Skuteczne farbowanie włosów poprzez inkubację in situ keratynowych włosów z produktami katalizowanej przez grzyby lakazowanej polimeryzacji fenoli roślinnych zostało już wcześniej zademonstrowane. Jednak proces farbowania zajmuje dużo czasu w porównaniu z komercyjnymi produktami do farbowania włosów. Aby przezwyciężyć to wąskie gardło, zastosowano wstępnie zsyntetyzowane produkty polimerowe reakcji utleniania lakazy Trametes versicolor na katechinę i katechol, z zaprawą lub bez niej (np. FeSO4), w celu uzyskania trwałego keratynowego farbowania włosów w różnych kolorach i odcieniach. Działanie lakkazy w kwaśnym buforze octanu sodu doprowadziło do głębokiego czarnego zabarwienia po reakcjach sprzężenia między fenolami roślinnymi. Kolorowe produkty barwiące zostały następnie odsolone i zagęszczone za pomocą ultrafiltracji. Barwniki, z zaprawą lub bez, spowodowały znaczny wzrost wartości ΔE (tj. wartości różnicy kolorów) w siwych ludzkich włosach w ciągu 2,5 godziny. Ponadto indukowano różne kolory i odcienie keratyny w zależności od zaprawiania i zmian pH. Włosy farbowane wykazywały również dużą odporność na zabiegi detergentowe, co wskazuje, że nasze metody mogą prowadzić do trwałego farbowania włosów.Ogólnie rzecz biorąc, nasza praca dostarczyła nowych informacji na temat opracowywania przyjaznych dla środowiska metod farbowania włosów jako alternatywy dla komercyjnych toksycznych barwników na bazie diaminy.
Wprowadzenie
Lakkazy to oksydazy, które są aktywne w stosunku do związków fenolowych i polifenolowych. Zostały zidentyfikowane w różnych organizmach żywych, w tym roślinach, grzybach, owadach i bakteriach. Ich działanie enzymatyczne przyczynia się do kilku zjawisk morfogenetycznych1. Enzymy katalizują utlenianie substratów jednoelektronowe, co powoduje powstawanie rodników, które są dalej sprzężone z małymi substancjami organicznymi i powierzchniami stałymi. Takie procesy sprzęgania prowadzą do syntezy oligomerów i polimerów oraz do funkcjonalizacji powierzchni2, 3. Gdy substraty lakazy pochodzą ze źródeł naturalnych, takich jak fenole roślinne, reakcje enzymatyczne są bardzo interesujące w odniesieniu do zielonej chemii. Tutaj zarówno reagenty, jak i katalizatory pochodzą ze źródeł naturalnych. Ponadto uzyskane produkty są podobne do produktów naturalnych, ponieważ ogólne reakcje naśladują syntezy in vivo naturalnych polimerów fenolowych - w tym ligniny roślinnej, poli(flawonoidu) i próchnicy - w których małe związki fenolowe roślin są silnie usieciowane przez sprzężenie rodnikowe indukowane oksydazą4.
Produkty pochodzące z katalizowanych lakkazą reakcji sprzęgania fenoli pochodzenia roślinnego mogą być używane do farbowania siwych włosów poprzez inkubację in situ i mogą być opracowywane jako alternatywa dla dostępnych na rynku barwników1. Takie alternatywy są ważne, ponieważ komercyjne środki do farbowania włosów są oparte na p-fenylenodiaminie (PPD), związkach diaminy związanych z PPD i nadtlenku wodoru, które, jak wykazano, są toksyczne, rakotwórcze i alergizujące dla ludzi5, 6. W reakcjach sprzęgania katalizowanych lakazą lakazy i fenole roślinne funkcjonalnie zastępują odpowiednio nadtlenek wodoru i p-fenylenodiaminę7. Jednak szybkość barwienia systemów opartych na lakazie jest znacznie wolniejsza niż w systemach komercyjnych. Ogólnie rzecz biorąc, środki barwiące na bazie PPD potrzebują mniej niż jednej godziny, aby osiągnąć skuteczną zmianę koloru włosów keratynowych, podczas gdy reakcje na bazie lakazy wymagają całonocnej inkubacji7. Kinetykę powolnego barwienia można wyjaśnić dwoma możliwymi zjawiskami. Po pierwsze, zaobserwowano, że zastosowanie buforu o niskim pH (np. pH 5) w celu maksymalizacji aktywności lakkazy zmniejsza stopień pęcznienia matryc keratynowych, hamując w ten sposób głęboką penetrację barwników do matryc. Rzeczywiście, wykazano, że czynniki umożliwiające przebieg reakcji farbowania w warunkach wysokiego pH są integralną częścią komercyjnych produktów do farbowania włosów8. Po drugie, wykazano, że liczba możliwych cząsteczek chromoforu wykazujących silną adsorpcję na powierzchniach rogowatych podczas reakcji polimeryzacji jest proporcjonalna do czasu inkubacji (tj. zakresu polimeryzacji). Na przykład wykazano, że przemiana dopaminy w polidopaminę indukuje silne przyleganie do wielu powierzchni, co towarzyszyło tworzeniu się czarnego koloru9.
W obecnej pracy, wstępnie zsyntetyzowane produkty polimerowe uzyskane z katalizowanego przez T. versicolor utleniania katechiny i katecholu były używane do obróbki keratynowych włosów do farbowania. Postawiliśmy hipotezę, że zdolność adsorpcyjna polimerów będzie znacznie silniejsza niż monomerycznych fenoli roślinnych i że początkowo będą one tworzyć oligomery o niskiej masie cząsteczkowej. Wyniki pokazały, że przy użyciu wstępnie zsyntetyzowanych polimerów enzymatyczna moc utleniania nie jest już konieczna. Oznacza to, że pH można kontrolować, a jony metali mogą być stosowane w zabiegach farbowania włosów, niezależnie od aktywności enzymów. Protokół ten zapewnia prostą i szybką metodę farbowania włosów keratynowych w różnych odcieniach koloru przy użyciu ekologicznych i odnawialnych fenoli pochodzenia roślinnego (ryc. 1).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Przygotowanie roślinnych barwników polimerowych pochodzących z fenolu
- Rozpuścić katechol (0,1 g) i (+)-hydrat katechiny (0,1 g) w 32 ml 100 mM buforu octanu sodu (pH 5,0) i 8 ml absolutnego alkoholu etylowego.
- Dodać 10 mg lakkazy T. versicolor do buforu zawierającego katechol i katechinę. Energicznie wymieszaj i wlej roztwór do kwadratowej szalki Petriego. Inkubować naczynie w temperaturze pokojowej w inkubatorze z wytrząsaniem (25 obr./min) przez 24 godziny. Dramatyczną zmianę barwy roztworu z przezroczystej na ciemnoczarną można zaobserwować gołym okiem po reakcjach sprzęgania wywołanych lakkazą.
- Odwirowywać roztwór przez 10 minut przy 20 000 x g w celu odwirowania nierozpuszczalnych cząstek polimerowych. Do dalszego odsalania należy użyć supernatantu w kolorze głębokiej czerni.
- Roztwór reakcyjny odsolić za pomocą tarczy ultrafiltracyjnej o masie 5 kDa. Po zagęszczeniu objętości reakcyjnej do 20 ml przez ultrafiltrację, należy wymienić bufor reakcyjny, dodając 300 ml wody destylowanej. Na koniec, stosując filtrację, stęż objętość roztworu do 25 ml.
2. Roztwory do farbowania siwych włosów keratynowych
- Przygotować następujące sześć roztworów polimerowych: barwniki polimerowe, barwniki polimerowe/FeSO4, barwniki polimerowe/FeSO4 w wodzie o pH 3, barwniki polimerowe/FeSO4 w wodzie o pH 11, barwniki polimerowe/FeSO4 z kwasem octowym i barwniki polimerowe/FeSO4 z amoniakiem.
- W przypadku barwnika polimerowego zmieszać 5 ml wody destylowanej z 1 ml odsolonych barwników polimerowych (1.4).
- W przypadku roztworów zaprawy dodać 0,33 g FeSO4 do mieszaniny z kroku 2.1.1. Energicznie wirować, aby całkowicie rozpuścić FeSO4.
- W przypadku roztworu wodnego o pH 3 lub 11 należy dostosować pH 5 ml wody destylowanej za pomocą 1 N HCl lub 1 N NaOH. Następnie dodać 1 ml odsolonych barwników polimerowych (1.4) i 0,33 gFeSO4.
- W przypadku roztworu poddanego działaniu kwasu octowego lub amoniaku zmieszać 1,0 ml lodowatego kwasu octowego lub 1,0 ml wody amoniakalnej z 5 ml wody destylowanej. Następnie dodać 1 ml odsolonych barwników polimerowych (1.4) i 0,33 gFeSO4.
- W przypadku monomerów roślinnych wymieszaj katechol (0,1 g) i hydrat (+)-katechiny (0,1 g) w 6 ml wody destylowanej, z lub bez 0,33 g FeSO4, aby zanurzyć włosy.
- Jak tylko roztwory do farbowania z kroku 2.1 i 2.2 zostaną przygotowane, całkowicie zanurz w nich 5-centymetrowe warkocze siwych włosów ludzkich (0,2 g). Inkubować warkocze włosów w temperaturze 32 °C w inkubatorze z wytrząsaniem (160 obr./min) przez 2,5 godziny.
- Następnie wyjmij warkocze włosów i spłucz je pod bieżącą wodą. Użyj elektronicznej suszarki do włosów, aby usunąć wilgoć. Zmianę koloru spowodowaną przez barwniki polimerowe można uwidocznić gołym okiem.
- Aby uzyskać parametry koloru (tj. L*, a* i b*), należy użyć konwencjonalnego kolorymetru zgodnie z protokołem producenta. Zgnieć warkocze włosów w kłębek, umożliwiając w ten sposób ich zmierzenie za pomocą soczewki kolorymetru. Powtórz ten proces na innym obszarze włosów za pomocą soczewki kolorymetru.
- Zmierz parametry kolorystyczne każdego farbowanego warkocza siedem razy. Oblicz średnie i odchylenia standardowe parametrów. Oblicz ΔE za pomocą wzoru: [(100 - L*)2 + (a*)2 + (b*)2]1/2.
3. Testy trwałości kolorów
- Rozpuścić 200 mg dodecylosiarczanu sodu (SDS) w 40 ml wody destylowanej. Namocz farbowane włosy całkowicie w wodzie zawierającej SDS przez 5 minut w temperaturze pokojowej. Wyjmij warkocze włosów, a następnie spłucz je wystarczającą ilością bieżącej wody, aby usunąć detergenty. Użyj elektronicznej suszarki do włosów, aby usunąć wilgoć.
- Aby uzyskać parametry koloru (tj. L*, a* i b*), należy użyć konwencjonalnego kolorymetru zgodnie z protokołem producenta. Powtórz namaczanie opisane w kroku 3.1 jeszcze raz z tymi samymi farbowanymi włosami, a następnie ponownie zmierz parametry.
- Rozpuścić 800 mg SDS w 40 ml wody destylowanej. Jak opisano w kroku 3.1, powtórz moczenie jeszcze dwa razy z tymi samymi farbowanymi włosami. Ogólnie rzecz biorąc, potraktuj każdy farbowany warkocz włosów roztworem SDS w sumie cztery razy.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
W pierwszej kolejności porównano zdolność barwienia barwników polimerowych ze zdolnością barwienia monomerów pochodzenia roślinnego (tj. katechiny i katecholu). Barwniki polimerowe wywołały znaczną zmianę koloru siwych włosów keratynowych (Rysunek 2A i Rysunek 3), podczas gdy naturalny siwy kolor włosów pozostał bardzo stabilny w przypadku monomerów roślinnych (dane nie pokazano). Następnie oceniono wpływ zapraw na zdolność barwi...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Co ciekawe, nasza metoda skróciła czas potrzebny na farbowanie włosów keratynowych polimeryzacjami naturalnych fenoli wywołanymi utlenianiem. Wywołał również różnorodne kolory włosów poprzez proste manipulacje barwnikami polimerowymi, takie jak zmiana pH i nałożenie zaprawy.
Inkubacja in situ keratynowych włosów z katalizowanym lakazą utlenianiem fenoli roślinnych wymaga zbyt długiego czasu inkubacji, aby uzyskać skuteczne farbowanie7. Tak powolna kinetyka barwienia może wy...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Podziękowania
Ta praca była wspierana przez Program Fundacji Badawczej Nowego Profesora, finansowany przez Narodowy Uniwersytet w Gyeongsang (numer grantu 2015-04-020).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Dodecylosiarczan sodu | Promega | H5114 | |
| Lakkaza z Trametes versicolor | Sigma | 38429-1G | Aktywność enzymu jest oznaczona jako 0,53 U/mg |
| (+)-hydrat katechiny | Sigma | C1251-5G | |
| 1,2-dihydroksybenzen (katechol) | Sigma | 135011-5G | |
| Woda amoniakalna | Duksan | 701 | Zawartość amoniaku jest oznaczona jako 25 ~ 30% |
| Kwas octowy, lodowaty | Duksan | 448 | |
| Siarczan żelaza(II) siedmiowodny | JUNSEI | 83380-1250 | |
| Ultracell 5 kDa | Amicon | PLCC06210 | |
| Mieszane ogniwa ultrafiltracyjne | Millipore | Model 8200 | |
| Ludzkie siwe włosy | PheonixKorea | Nie dostępny | |
| Kolorymetr | SPEC | JCS-10 | |
| Kwadratowa miska | SPL | 10125 | 125 * 125 * 20 (mm) |
Bibliografia
- Jeon, J. R., Chang, Y. S. Laccase-mediated oxidation of small organics: bifunctional roles for versatile applications. Trends Biotechnol. 31, 335-341 (2013).
- Kudanga, T., Nyanhongo, G. S., Guebitz, G. M., Burton, S. Potential applications of laccase-mediated coupling and grafting reactions: a review. Enzyme Microb Technol. 48, 195-208 (2011).
- Jeon, J. R., Le, T. T., Chang, Y. S. Dihydroxynaphthalene-based mimicry of fungal melanogenesis for multifunctional coatings. Microb. Biotechnol. 9, 305-315 (2016).
- Jeon, J. R., Baldrian, P., Murugesan, K., Chang, Y. S. Laccase-catalyzed oxidations of naturally occurring phenols: From in vivo biosynthetic pathways to green synthetic application. Microb. Biotechnol. 5, 318-332 (2012).
- Chung, K. T., et al. Mutagenicity and toxicity studies of p-phenylenediamine and its derivatives. Toxicol. Lett. 81, 23-32 (1995).
- Bai, Y. H., et al. p-aminophenol and p-phenylenediamine induce injury and apoptosis of human HK-2 proximal tubular epithelial cells. J. Nephrol. 25, 481-489 (2012).
- Jeon, J. R., et al. Laccase-catalyzed polymeric dye synthesis from plant-derived phenols for potential application in hair dyeing: Enzymatic colorations driven by homo- or hetero-polymer synthesis. Microb. Biotechnol. 3, 324-335 (2010).
- Franca, S. A., Dario, M. F., Esteves, V. B., Baby, A. R., Velasco, M. V. R. Types of hair dye and their mechanisms of action. Cosmetics. 2, 110-126 (2015).
- Ball, V., et al. Deposition mechanism and properties of thin polydopamine films for high added value applications in surface science at the nanoscale. BioNanoSci. 2, 16-34 (2012).
- Barrett, D. G., Sileika, T. S., Messersmith, P. B. Molecular diversity in phenolic and polyphenolic precursors of tannin-inspired nanocoatings. Chem. Commun. 50, 7265-7268 (2014).
- Sileika, T. S., Barrett, D. G., Zhang, R., Lau, K. H. A., Messersmith, P. B. Colorless multifunctional coatings inspired by polyphenols found in tea, chocolate, and wine. Agnew. Chem. 52, 10766-10770 (2013).
- Boonsong, P., Laohakunjit, N., Kerdchoechuen, O. Natural pigments from six species of Thai plants extracted by water for hair dyeing product application. J. Clean. Prod. 37, 93-106 (2012).
- Bechtold, T., Turcanu, A., Ganglberger, E., Geissler, S. Natural dyes in modern textile dyehouses - how to combine experiences of two centuries to meet the demands of the future. J. Clean. Prod. 5, 499-509 (2003).
- Zheng, H., Gao, C., Peng, B., Shu, M., Che, S. pH-responsive drug delivery system based on coordination bonding in a mesostructured surfactant/silica hybrid. J. Phys. Chem. C. 115, 7230-7237 (2011).
- Robbins, C. R. Chemical and physical behavior of human hair. , 5th, Springer. 105-176 (2011).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
