Aplikační potenciál keratinových vedlejších produktů masného průmyslu

TVIP 2015, 18. – 20. 3. 2015, HUSTOPEČE - HOTEL CENTRO

Aplikační potenciál keratinových vedlejších produktů masného průmyslu Huťťa Matouš 1, *, Mokrejš Pavel 1, Krejčí Ondřej 1, Pavlačková Jana 2, Polášková Jana 2 1

Ústav inženýrství polymerů, Fakulta Technologická, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Nám. T. G. Masaryka 275, 76272 Zlín, Česká Republika 2 Ústav technologie tuků, tenzidů a kosmetiky, Fakulta Technologická, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Nám. T. G. Masaryka 275, 76272 Zlín, Česká Republika

*E-mail: [email protected] Souhrn: Příspěvek uvádí přehled průmyslových aplikací keratinových hydrolyzátů připravených z vedlejších produktů masného průmyslu. Keratinové hydrolyzáty se používají např. v zemědělství, zdravotnictví a kosmetice, jako obalové materiály. Jednou z významných aplikací keratinových hydrolyzátů je jejich použití do kosmetických emulzních systémů. Součást experimentální části příspěvku je testování hydratačních vlastností keratinového hydrolyzátu přidávaného v různých koncentracích do kosmetického základu a testování jejich vlivu na hydrataci pokožky. Pro testování byla použita měřící stanice MPA 5 a získané výsledky byly zpracovány a vyhodnoceny. Výsledky testování na 3 probandech ukázaly, že přídavkem keratinového hydrolyzátu do kosmetických krémů lze pozitivně zvýšit hydrataci pokožky a snížit transepidermální ztrátu vody. Cíle: Práce se zabývá možným aplikačním využitím keratinových hydrolyzátů a v experimentální části zkoumá jejich vliv na hydrataci pokožky po přídavku do kosmetických emulzních systémů.

Úvod Keratin je fibrilární, nerozpustný protein, který má značně sesíťovanou strukturu disulfidickými vazbami. Tvoří ho řada vzájemně se lišících řetězců, jejichž společným znakem je zejména nerozpustnost ve vodě a mechanická i chemická odolnost způsobená cysteinovými zbytky, které se mohou spojovat příčnými vazbami se sousedními řetězci [1, 2]. Tyto bílkoviny můžeme najít u všech obratlovců, a to ve dvou formách, jako α-šroubovice (vyskytují se u savců) nebo jako β-skládané listy (vyskytují se u plazů a ptáků). Keratin tvoří hlavní část hmotnosti vlasů, nehtů, srsti, rohoviny, peří, vlny a mnoha dalších látek v živých organismech [1–3]. Pro zpracování nerozpustného keratinu na rozpustné keratinové hydrolyzáty lze využít řady různých postupů a metod. Mezi nejběžněji používané patří hydrolýza alkalickými roztoky [4], kyselinami [5], redukčními činidly [6], oxidačními činidly [7] a v posledních letech také enzymy [8]. Každá z těchto metod má své výhody a nevýhody. Některé z nevýhod však lze snížit nebo zcela odstranit vhodnou kombinací několika metod [9–11]. Vhodnou volbou technologických podmínek při hydrolýze můžeme získat rozpustné keratinové hydrolyzáty s různou molární hmotností a vlastnostmi. Aplikační potenciál hydrolyzátů je velmi široký např. na výrobu vláken, pro kosmetické a lékařské aplikace, v potravinářském průmyslu, anebo v zemědělství [12]. V zemědělství lze keratinové hydrolyzáty používat jako dusíkatá hnojiva, protože mají vysoký obsah dusíku přibližně 15 hm.%. Jsou biologicky rozložitelné, což zaručí postupné uvolňováni N do půdy.


Mohou obsahovat také další makroelementy, jako jsou například draselné a fosforečné ionty, jejichž obsah lze ovlivnit přímo při přípravě hydrolyzátu [13]. Jelikož téměř 95 % hmotnosti keratinových hydrolyzátů tvoří čisté bílkoviny s vysokým obsahem esenciálních aminokyselin, využívá se hydrolyzátů také jako přídavků do krmiv pro dobytek a drůbež. Jejich velkou výhodou je i snadné zpracování a z toho vyplývající nízká cena. Krmiva se v minulosti vyráběla v podobě keratinové moučky, která je v dnešní době v mnoha zemích (včetně EU) zakázána z obavy přenosu některých nemocí [14]. V obalové technice je z keratinových hydrolyzátů možné připravit povlaky a filmy např. pro potravinářský průmysl. Pro přípravu filmů se musí roztoky hydrolyzátů nejprve smíchat se změkčovadlem (např. glycerolem), takto upravený roztok se poté vylije na hladkou plochu a nechá se odpařit rozpouštědlo. Filmy mají hladký povrch, bobtnají ve vodě a mohou zvětšit svoji délku až o 50 %. Keratinové filmy jsou biologicky rozložitelné [15]. Vodné roztoky redukovaného keratinu se používají také na přípravu mikrokapsulí. V praxi se mikrokapsule připravují nejčastěji ultrazvukovou vibrací. Enkapsulují se zejména barviva, ochucovadla, vůně, léčiva, oleje nebo tuky. Keratinové hydrolyzáty je možné použít jako povlaky a obaly na maso, drůbež a ryby [16]. Z keratinových materiálů je možné vytvářet vlákna pro textilní průmysl, lékařství, anebo na výrobu kompozitních materiálů. Vlákna se musí vhodně modifikovat, aby se snížila jejich krystalinita; jejich konečné vlastnosti závisí také na množství absorbované vlhkosti. Keratinové materiály se také využívají na přípravu kompozitních materiálů jak se syntetickými polymery, tak s jinými přírodními materiály. Lze tak připravit biodegradabilní biokompozity například z keratinu a acetátu celulózy na přípravu tenkých průsvitných filmů [16]. Dřevo ošetřené nátěrem obsahujícím keratinový hydrolyzát připravený z drůbežího peří v podmáčeném prostředí vykazuje zvýšené mechanické vlastnosti a nátěr působí antimikrobiálně [20]. Lidská tkáň je tvořená z části keratinem, a proto je další významnou aplikací keratinových hydrolyzátů jejich použití v lékařství a kosmetice. Často se využívají pro přípravu tkanin a preparátů pomáhajících obnově tkáně při léčbě odřenin nebo popálenin [17]. Humektanty jsou látky, které se používají v kosmetických přípravcích a slouží ke zvýšení obsahu vody v horních vrstvách kůže a k doplnění hydratačního faktoru. Většina z nich má nízkou molekulovou hmotnost z důvodu dobrého proniknutí do pokožky. Jedná se o hygroskopické hydrofilní látky, které jsou rozpustné ve vodě a vážou vodu. Tím dokážou zabraňovat jejímu vypařování [26, 27]. Nejefektivnějším humektantem je glycerol, který se používá v koncentraci 5 – 10 %. Dalším významným humektantem je močovina, dále se používají propylenglykol a sorbitol a látky přirozeného hydratačního faktoru, jako je např. pyrrolidon karboxylová kyselina a kyselina mléčná. Z polysacharidů je to kyselina hyaluronová, její sodná sůl a chitosan [25, 27]. Mezi další hydratační látky působící v kosmetických prostředcích patří např. allantoin, kyselina arachidonová, kyselina askorbová, azulen, bisabolol, kolagen, želatina, hydrolyzovaný keratin, hydrolyzovaný sojový škrob a další [27]. Keratinové hydrolyzáty se také přidávají v kosmetice do přípravků na ošetření vlasů anebo se využívá jejich vlastnost ochranného účinku proti slunečnímu záření [18, 19].

Materiál a metody Příprava keratinového hydrolyzátu (KH) Keratinový hydrolyzát byl připraven alkalicko-enzymovou hydrolýzou drůbežího peří. Principielně se jednalo o působení 0,2% roztoku KOH na peří a poté působení proteolytického enzymu. Složení surového keratinového hydrolyzátu na sušinu bylo následující: 3,39 % S, 12,01 % N, 16,21 % popelovin a 0,64 mmol –NH2 skupin / 1g [22, 23]. Po hydrolýze byl kapalný keratinový hydrolyzát odseparován a dialyzován přes celulózovou membránu proti destilované vodě ke snížení popelovin [24]. V poslední fázi byl zahuštěn, vysušen a rozetřen na prášek.


Obr. 1 – MPA 5 stanice K testování hydratačních vlastností keratinového hydrolyzátu byla použita stanice MPA 5, která je vybavena třemi sondami viz. Obr. 1. První z nich je korneometr CM 825, který měří hydrataci kůže. Princip měření spočívá na rozdílných dielektrických konstantách vody a dalších látek. S korneometrem se pracuje tak, že na měřené místo je lehce přiložena sonda pod úhlem 90° a pomocí softwaru je výsledná hodnota zaznamenána, měření se opakuje 5x a při zpracování dat se nejnižší a nejvyšší hodnota vyřazuje. Tewametr TM 300 je sonda, která měří transepidermální ztrátu vody (TEWL), obsahuje uvnitř dutého válce dva senzory, které měří teplotu a relativní vlhkost. Při použití sondy je poměrně rychle dosaženo stabilního výsledku měření. Měření bylo prováděno lehkým přiložením sondy na měřené místo a pomoci softwaru byla výsledná hodnota zaznamenána. Většinou se měří min. 15 hodnot a první 5 se vyřazuje ze souboru dat. Při měření pH se používá membránová sonda (pH metr PH 905), která slouží k hodnocení změn pH kožního povrchu po aplikaci kosmetického přípravku. Hlavní část sondy tvoří dvě elektrody. Skleněná elektroda je ponořena v pufrovacím roztoku a je oddělena skleněnou membránou od elektrody referenční. Referenční elektroda je ponořena do roztoku elektrolytu a zajišťuje přenos iontů mezi měřeným vzorkem a skleněnou elektrodou. Jsou-li elektrody spojeny s voltmetrem, je možné odečíst hodnotu měřeného pH [21].

Experimet Příprava 0,5% roztoku SLS (roztok sloužící k odmaštění pokožky před nanesením krémů) pro experiment: nejprve bylo připraveno 250ml 0,85% fyziologického roztoku rozpuštěním 2,12 g NaCl v destilované vodě, ze kterého byl dále připraven 0,5% roztok SLS, který byl používán k odmaštění pokožky před nanesením krémů. Dále byly připraveny krémy a to tak, že keratinový hydrolyzát byl přidán do kosmetického základu A (KZA), o složení uvedeném v tab. 1, v koncentraci 4, 8, a 16 hm.%. Krémy byly připraveny tak, že do polyetylenového kelímku o průměru 7 cm bylo naváženo vypočtené množství keratinového hydrolyzátu, dále byl přidán kosmetický základ A v množství tak, aby celková hmotnost byla 50 g. Celá směs byla poté homogenizována na míchadle RZR 2020 po dobu 10 min při 2 000 ot/min. Získali jsme 3 krémy a to KZA + 4 % KH, KZA + 8 % KH a KZA + 16 % KH. Připravené krémy byly před použitím uchovány při teplotě 3-4 °C po dobu 5 dní.


Tab. 1 - Složení použitého kosmetického základu A (KZA) pro přípravu krémů

Soubor dobrovolníků a podmínky měření Zkušebního experimentu se zúčastnili celkem 3 dobrovolníci a to 1 muž a 2 ženy, s věkovým průměrem 30,6 let, průměrnou výškou 171,3 cm a průměrnou váhou 82 kg. Měření bylo vždy prováděno ve třech dnech. Experiment probíhal v laboratoři fakulty technologické při teplotě v místnosti 24 ± 1 °C a relativní vlhkosti vzduchu 53 ± 3 %. Dobrovolníci byli požádáni před začátkem měření o vyplnění dotazníku týkajícího se jejich zdravotního stavu a podepsání informovaného souhlasu. Dále byli instruováni, aby si den před začátkem měření neumývali mýdlem volární stranu předloktí. Postup měření Nejprve byla na volární části předloktí pravé ruky načrtnuta 2 místa o rozměrech 2 x 4 cm a na předloktí levé ruky 3 místa stejných rozměrů. Na tyto místa byl nejdříve nanesen 0,5% roztok SLS, který sloužil k odmaštění pokožky za účelem eliminace individuálních vlastností pokožky v daném místě. Do roztoku SLS byly vloženy proužky filtračního papíru o velikosti 2 x 4 cm, které byly nechány v roztoku přibližně 1 minutu. Poté byly pinzetou přikládány na označená místa a zafixovány náplastmi. Po 4 hodinách byly proužky s roztokem SLS odstraněny a byly naneseny testovacích krémy pomocí injekčních stříkaček, jak je znázorněno viz. Obr.2. Na každé místo bylo naneseno 0,1 ml krému a rozetřeno na plochu 2 x 4 cm. Na levé ruce bylo ponecháno první místo prázdné, na druhé místo byl nanesen kosmetický základ A a na místě třetím KZA + 4 % KH. Na ruce pravé byl nanesen KZA + 8 % KH a KZA + 16 % KH. Po nanesení krému byla všechna místa změřena v čase 0 a pak dále probíhalo každé měření v intervalech po 1, 2, 3, 4, 24, 48 hodinách. Naměřené hodnoty byly dále zpracovány.


Obr. 2 – Způsob rozmístění testovaných směsí na předloktí levé a pravé ruky Výsledky a diskuze Krémy připravené z kosmetického základu A s přídavky keratinových hydrolyzátů měly nižší viskozitu a se zvyšujícím se přídavkem KH klesala viskozita krému. Použitý kosmetický základ A měl bílou barvu, která se po přídavku a zamíchání s KH změnila do zelena, s vyšší koncentrací KH byla barva krému tmavší. Připravené krémy měly specifickou vůni srovnatelnou s KH. Po nanesení všech krémů na pokožku a jejich pečlivém rozetření se začaly krémy během prvních 20 minut vstřebávat a během hodiny byly všechny vstřebané nebo zaschlé. Samotný základ a krém s přídavkem 4 % KH byly úplně vstřebané a místa po nanesení zůstala jen lehce mastná. Krémy s koncentrací 8 a 16% KH se úplně nevstřebaly a zůstal po nich na pokožce suchý film, který se postupem času rozpadl na drobné kousky a opadal z vyznačených míst pro měření. Kontrola

KZA

KZA + 4 % KH

KZA + 8 % KH

KZA + 16 % KH

80,0

Hydratace [c. j.]

70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0

5

10

15

20

25

30

35

Obr. 3 – Závislost hydratace pokožky na čase

40

45 Doba [h]

50


Na Obr. 3 je znázorněn graf změny hydratace v čase. První měření proběhlo hned po nanesení krémů a nejsou zásadní rozdíly mezi jednotlivými místy testování. U měření po 4 hodinách od nanesení krémů můžeme sledovat, že všechny části pokožky ošetřené krémy s přídavky KH měly vyšší hydrataci, než kontrola a kosmetická základ A. Nejvyšší hodnotu hydratace dosáhl krém připravený z kosmetického základu A s přídavkem 4 % KH, jehož hydratace byla zhruba dvakrát vyšší než hydratace základu. Poslední měření proběhlo 48 hodin po nanesení všech krémů. Všechny 3 krémy, do kterých byl ke kosmetickému základu A přimíchán KH, dosáhly vyšší hydratace vzhledem ke kontrole i samotnému základu. Kontrola

KZA

0

10

KZA + 4 % KH

KZA + 8 % KH

KZA + 16 % KH

6,00

TEWL [g/h·m2]

5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 5

15

20

25

30

35

40 45 Doba [h]

50

Obr. 4 – Transepidermální ztráty vody pokožky (TEWL) na čase Na obr. 4 je znázorněn graf transepidermální ztráty vody pokožky na čase. V prvních 3 hodinách měření nebyly pozorovány velké rozdíly. Od 4 hodin až po 24 hodin od nanesení všech krémů je dobře vidět, že měřená kontrola a základ mají hodnoty TEWL asi dvakrát vyšší než krémy připravené z kosmetického základu A s přídavky KH. Po uplynutí 24 hodin po nanesení krému se začínají ztrácet rozdíly a hodnoty TEWL se pohybují u všech měřených vzorků a kontroly kolem hodnoty 3,2 g/h.m2. Výjimku tvoří krém připravený z kosmetického základu A s přídavkem 4 % KH, který má nejnižší hodnotu TEWL 2,3 g/h.m2.

Závěr Keratinový hydrolyzát, jako vedlejší produkt z odpadů mastného průmyslu, má široké aplikační využití. Díky jeho biorozložitelnosti, vysokému obsahu bílkovin a dusíku má dobré využití v zemědělství, lékařství, obalovém průmyslu, anebo při výrobě vláken a kompozitů. Významná oblast použití keratinových hydrolyzátů je v kosmetickém průmyslu jako přídavek do různých vlasových přípravků, (šampónů, kondicionérů a krémů). Experimantální část příspěvku popisuje využití keratinového hydrolyzátu jako hydratační složky krémů na pokožku. Keratinový hydrolyzát (připravený z drůbežího peří) byl přidán do kosmetického základu v množství 4, 8 a 16 hm % keratinového hydrolyzátu. Takto připravené krémy byly nanášeny na volární části předloktí obou rukou probandů a v časovém intervalu 1, 2, 3, 4, 24 a 48 hodinách byla sledována hydratace pokožky a transepidermální ztráta vody pokožky. Naměřené výsledky ukázaly, že přídavkem keratinového hydrolyzátu do kosmetických krémů lze pozitivně zvýšit hydrataci pokožky a snížit její transepidermální ztrátu vody.


Poděkovaní: Tento článek byl vytvořen za podpory Interní grantové agentury na podporu vědeckovýzkumné činnosti na Univerzitě Tomáše Bati ve Zlíně IGA/FT/2015/007. Seznam zkratek: KH – Keratinový hydrolyzát SLS – Roztok používaný na odmaštění pokožky za účelem eliminace individuálních vlastností KZA – Kosmetický základ A používaní jako referenční vzorek krému a jako základ pro přípravu krémů s KH KZA + (4, 8, 16) % KH – krémy připravené z KZA a přídavků KH

Reference [1] MEYERS, Marc André, Po-Yu CHEN, Albert Yu-Min LIN a Yasuaki SEKI. Biological materials: [2] [3] [4]

[5]

[6]

[7] [8]

[9] [10] [11] [12]

Structure and mechanical properties. Progress in Materials Science. 2008, vol. 53, issue 1, 206. BLOCK, Richard J. The composition of keratins. Journal of biological chemistry. 1939, 128, 181. GÜHRS, Karl-Heinz, Klaus WEISSHART a Frank GROSSE. Lessons from nature — protein fibers. Reviews in Molecular Biotechnology. 2000, vol. 74, issue 2,121. ABOUHEIF, M.A., S. BASMAEIL, H. METWALLY a S. MASOUD. Chemical preparation of NaOH— Keratin hydrolysate for improving the nutritive value of wheat straw. Animal Feed Science and Technology. 1985, vol. 13, 3-4, 215. ESABI BASARAN KURBANOGLU, M.A., S. NAMUDAR IZZET KURBANOGLU, H. METWALLY a S. MASOUD. A new process for the utilization as peptone of ram horn waste. Journal of Bioscience and Bioengineering. 2002, vol. 94, issue 3, 202. SCHROOYEN, Peter M. M., Piet J. DIJKSTRA, Radulf C. OBERTHÜR, Adriaan BANTJES a Jan FEIJEN. Partially Carboxymethylated Feather Keratins. 1. Properties in Aqueous Systems. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2000, vol. 48, issue 9, 4326. SIMPSON W a G CRAWSHAW. Wool: science and technology. Cambridge England: Woodhead 2002, 368. KIDA, Kenji, Shigeru MORIMURA, Junichiro NODA, Yoshitaka NISHIDA, Teruko IMAI a Masaki OTAGIRI. Enzymatic hydrolysis of the horn and hoof of cow and buffalo. Journal of Fermentation and Bioengineering. 1995, vol. 80, issue 5, 478. DALEV, Pencho G. Ulitisation of waste feathers from poultry slaughter for production of a protein concentrate. Bioresource Technology. 1994, 48(3), 265 MOKREJS P, KREJCI O, SVOBODA P, VASEK V. Modeling technological conditions for breakdown of waste sheep wool. Rasayan Journal of Chemistry. 2011, 4(4), 728. MOKREJS, P., KREJCI, O., SVOBODA, P. Producing Keratin Hydrolysates from sheep wool. Oriental Journal of Chemistry. 2011,27(4),1303. WOOL, R, P. Bio-basedpolymers and composites. Amsterdam: ElsevierAcademicPress, c2005, 620 s. ISBN 01-276-3952-7.


[13] ONIFADE, A.A., N.A. AL-SANE, A.A. AL-MUSALLAM a S. AL-ZARBAN. A review: Potentials for

[14] [15] [16] [17]

[18] [19] [20]

[21] [22] [23]

biotechnological applications of keratin-degrading microorganisms and their enzymes for nutritional improvement of feathers and other keratins as livestock feed resources. Bioresource Technology. 1998, vol. 66, issue 1, 357. SCHROOYEN, P. Featherkeratins: modification nad film formation. Enschede: University ofTwente, 1999. ISBN 90-365-1302-2. KURBANOGLU, E., B, KUBRANOGLU, N, I. A newprocessfortheuilization as peptone oframhornwaste. JournalofBioscience and Bioengineereng. 2002, 94(3), 202. GENNADIOS, Aristippos. Protein-basedfilms and coatings. BocaRaton: CRC Press, 2002, 650 s. ISBN 15-871-6107-9. MATYASOVSKY, J., SEDLIACIK, J., MATYASOVSKY, J., Jr., JURKOVIC, P., DUCHOVIC, P. Collagen and keratin colloid systems with a multifunctional effect for cosmetic and technical applications(2014) Journal of the American Leather Chemists Association, 109 (9), 284. TANASE, C. E. a L SPIRIDON. PLA/chitosan/keratin composites for biomedical applications. Materials Science and Engineering: C. 2014, vol. 40, 242. KARTHIKEYAN, R., BALAJ, S., SEHGAL P,K.Industrialapplicationsofkeratins – A review. Journalofscientific. 2007,66(9), 710. ENDO, R. K., KAMEI, I. IIDA, M. YOKOYAMA a Y. KAWAHARA. Physical and mechanical properties of waterlogged wood treated with hydrolyzed feather keratin. Journal of Archaeological Science. 2010, vol. 37, issue 6, 1311. Bioengineering of the skin: water and the stratum corneum. vyd. 2. Boca Raton: CRC Press, 2005, ISBN 08-493-1443-7. MOKREJS, P., S. SOUKUP a O. KREJCI. Characterising keratin hydrolysates prepared from chicken feather. Chemické listy, 108, Praha: Česká společnost chemická, 2014, 26. MOKREJS, P., O. KREJCI, R. CERMAK a P. SVOBODA. Optimization of enzymatic hydrolysis conditions of chicken feathers. Chemické listy, 107 (9), 2013, 709.

[24] KREJČÍ, O., P. MOKREJŠ a S SUKOP. Příprava hydrolyzátů keratinu a jejich čištění dialýzou. In: Proteiny 2011: Sborník z vědecké konference. Zlín: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, 2011.

[25] OBSTOVÁ, I., a S. ILIČOVÁ. Každodenní péče o suchou a citlivou po-kožku, Medicína pro praxi, [online]. 68 – 74 [cit. 2012-10-12]. ISSN 1803-5337. [26] LODÉN, M., Role of topical emollients and moisturizers in the treatment of dry skin barrier disorders. American journal of clinical dermatology. Stockholm, Sweden: ACO Hud AB, 2003, 771. [27] CHALUPOVÁ, Z., a R. MASTEIKOVÁ. Hydratace kůže a kosmetické pro-středky. Praktické lékařství. 2006, č. 4, 192.

Aplikační potenciál keratinových vedlejších produktů masného průmyslu

Recommend Documents