Rzeźnie, przemysł spożywczy i garbarski corocznie produkują ogromne ilości stałych produktów ubocznych keratyny - wełny, piór, szczeciny, kopyt, pazurów, rogów i tym podobnych. Według najnowszych danych statystycznych całkowita żywa waga kurczaków, indyków, kaczek i innego drobiu poddanego ubojowi w USA wynosi 62,5 miliarda funtów rocznie1; w UE jest to około 28,7 mld funtów rocznie. Biorąc pod uwagę, że pióra stanowią do 8,5% całkowitej wagi drobiu, same Stany Zjednoczone produkują rocznie ok. 5,3 miliarda funtów piór odpadowych2.
Keratyna jest białkiem wykazującym wysoką odporność chemiczną, ponieważ jest silnie usieciowana mostkami dwusiarczkowymi, co utrudnia jej przetwarzanie. Otrzymanie produktów rozpuszczalnych wymaga rozszczepienia wiązań poprzecznych i ewentualnego przeprowadzenia hydrolizy wiązań peptydowych3. Rozszczepienie mostków dwusiarczkowych może przebiegać w reakcji anionu tiolowego według następującego wzorca4,5:
Sa- + –SbSc- ↔ –Sb- + –SaSc-
Przy bardzo wysokim poziomie pH, pojawia się również hydroliza mostków dwusiarczkowych, zgodnie ze wzorcem6
–SS- + OH- → –S- + –SOH
W łagodnych warunkach (pH ok. 8), nawet sulfitoliza odbywa się według następującego schematu:
–SS– + HSO3- → –SH + –SSO3-
Najbardziej ekonomicznym sposobem rozkładu keratyny jest rozkład mikrobiologiczny, który charakteryzuje się łagodnymi warunkami reakcji podczas przetwarzania i wysoką wydajnością rozkładu (ok. 90%)7,8. Keratynazy są wytwarzane przez niektóre bakterie wyizolowane z gleby i odpadów keratynowych9. Mikrobiologiczne keratynazy hydrolizują sztywne i silnie usieciowane struktury keratynowe10, a otrzymany KH jest bogaty w rozpuszczalne białka, bez wykrytych w nim strat niezbędnych aminokwasów11.
Aby włączyć białko do preparatów kosmetycznych (np. emulsji, balsamów i żeli), wymagania gwarantują, że takie białka są rozpuszczalne w wodzie, dane systemy są przezroczyste i że unika się ponownej agregacji peptydów z powodu oddziaływań hydrofobowych. Dlatego powszechną praktyką jest stosowanie hydrolizatów białek, takich jak hydrolizowany kolagen, elastyna i keratyna. Podczas dodawania hydrolizatów do emulsji kosmetycznych podejmuje się kroki, aby hydrolizat został najpierw rozpuszczony w wodzie. W niektórych przypadkach pożądane jest, aby białko (lub hydrolizat) było rozpuszczalne w alkoholu lub innych rozpuszczalnikach organicznych12.
KH jest zwykle stosowany w szamponach, odżywkach, balsamach i odżywczych serum do włosów, a także tuszach do rzęs, lakierach do paznokci i środkach do makijażu oczu. Deklarowane efekty KH obejmują zwykle tworzenie filmu ochronnego, wygładzenie struktury włosów lub paznokci, zwiększenie plastyczności i wyglądu leczonej formacji, regulację konsystencji produktów oraz zachęcanie do tworzenia piany13,14. Wykazano również, że KH obniża napięcie powierzchniowe, stąd suplementacja w kosmetykach może ułatwić zmniejszenie ilości emulgatora dodawanego w celu stabilizacji kremów. KH ograniczają skutki podrażnień wywoływanych przez środki myjące (środki powierzchniowo czynne) na skórę, oczy i włosy, zmniejszając w ten sposób potencjalne skutki uboczne środków czyszczących dla tkanek (np. odwodnienie skóry, twardość i zmniejszenie funkcji barierowej skóry). Wysoka zdolność buforowa hydrolizatów jest również wykorzystywana do stabilizacji pH kosmetyków; Peptydy o krótszej długości mają większy efekt buforowania15,16. Chociaż KH stały się standardowymi składnikami kosmetyków do włosów i paznokci, a także są wykorzystywane w produktach do pielęgnacji skóry, badania nad nawilżającym działaniem KH nie pojawiają się we współczesnej literaturze.
Alkaliczno-enzymatyczna technologia została opracowana do przetwarzania produktów ubocznych keratyny na KH, a aktywne testy są w toku nad wpływem wielu dodatków kosmetycznych17,18,19,20,21,22. Zaletą dwuetapowej hydrolizy alkaliczno-enzymatycznej z wykorzystaniem proteaz mikrobiologicznych do piór kurzych jest osiągnięcie wysokiej skuteczności w łagodnych warunkach reakcji, a jakość KH jest bardzo wysoka w przeciwieństwie do hydrolizy stosowanej w mocnych kwasach lub zasadach. W pierwszym etapie pióra są inkubowane w wyższej temperaturze w środowisku zasadowym, co częściowo zaburza strukturę keratyny i pęcznieje pióra; po dostosowaniu pH pióra są hydrolizowane enzymem proteolitycznym w łagodnych warunkach w drugim etapie. Dializowany KH posiada wysoką zawartość białka.
Celem opisanej tutaj metody jest przetwarzanie piór drobiowych na KH poprzez hydrolizę alkaliczną enzymatyczną oraz testowanie wpływu właściwości nawilżających KH nałożonych na emulsję kosmetyczną O/W. Właściwości nawilżające są badane instrumentalnymi metodami nieinwazyjnymi in vivo. Do najczęstszych metod pomiaru nawilżenia skóry i funkcji barierowej SC należy pomiar właściwości elektrycznych skóry (przewodnictwo lub pojemność). Różne metody badania nawodnienia SC obejmują metodę obrazowania wielospektralnego w bliskiej podczerwieni (NIM), spektroskopię magnetycznego rezonansu jądrowego, optyczną tomografię koherentną lub przejściowy transfer termiczny23. Funkcja barierowa SC koreluje z TEWL SC i jest mierzona metodą komory wentylowanej, metodą komory niewentylowanej i metodą komory otwartej24.
Właściwości formuł modelu są określane za pomocą adaptera Multi Probe MPA 5 z trzema typami sond. Pierwszy z nich, korneometr CM 825, mierzy nawilżenie skóry, oceniając zmiany w pojemności elektrycznej powierzchni skóry; Kondensator pomiarowy pokazuje zmiany pojemności powierzchni skóry w jednostkach korneometrycznych. Korneometr daje tylko względną ocenę nawilżenia skóry25. W przypadku TEWL druga sonda, tewametr TM 300, służy do pomiaru gradientu gęstości parowania wody (w przyrządzie z otwartą komorą w oparciu o prawo dyfuzji Ficka) od skóry pośrednio przez dwie pary czujników (temperatury i wilgotności względnej) wskazujących ilość wody transportowanej na określonym obszarze i w określonym czasie (g/m2/h). Ta metoda może wykryć nawet najmniejsze zakłócenie funkcji bariery skórnej26. pH skóry jest jednym ze wskaźników bariery i funkcji przeciwdrobnoustrojowej klasy SC27. Kwasowość płaszcza skóry mierzono za pomocą (trzeciej) sondy pH 905 podłączonej do stacji MPA 5. Ta specjalnie zaprojektowana sonda składa się z płaskiej szklanej elektrody zapewniającej pełny kontakt ze skórą, podłączonej do woltomierza. System mierzy potencjalne zmiany spowodowane aktywnością kationów wodoru otaczających bardzo cienką warstwę form półstałych mierzoną w górnej części sondy. Zmiany napięcia są wyświetlane jako pH28.
Prezentujemy eksperymenty podzielone na trzy sekcje: (1) Przygotowanie KH z kurzych piór poprzez dwuetapową hydrolizę alkaliczną i enzymatyczną oraz oczyszczanie przez dializę (usuwanie soli i frakcji niskocząsteczkowych), (2) Przygotowanie preparatów kosmetycznych zawierających 2, 4 i 6% KH, oraz (3) Testowanie właściwości KH poprzez pomiar nawilżenia skóry, TEWL i pH skóry. Badania przeprowadzono na grupie 10 kobiet o średniej wieku 27,2 lat oraz 10 mężczyzn o średniej wieku 26,2 lat. Sposób doboru ochotników oraz sam test zostały przeprowadzone zgodnie z międzynarodowymi zasadami etycznymi badań biomedycznych z udziałem ludzi29; Wszystkie osoby wyraziły świadomą zgodę przed włączeniem do badania. Przed rozpoczęciem testów ochotnicy zostali poproszeni o wypełnienie kwestionariusza dotyczącego ich stanu zdrowia. Ochotnicy zobowiązali się do unikania stosowania jakichkolwiek produktów kosmetycznych w miejscach testowych i otaczających je regionach w ciągu 24 godzin przed i w trakcie okresu testowego; Co więcej, wolno im było tylko krótkie wieczorne mycie się pod bieżącą wodą.