JP2946491B2

JP2946491B2 - ケラチンのミセル水溶液の製造法

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Publication number: JP2946491B2
Application number: JP31244890A
Authority: JP
Inventors: 清山内
Original assignee: Takeda Chemical Industries Ltd
Current assignee: Takeda Pharmaceutical Co Ltd
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1999-09-06
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: JPH04189832A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、不可逆的なジスルフィド結合の変成を伴わ
ないケラチンのミセル水溶液の製造法に関する。本発明
方法にて得られたミセル水溶液はケラチン高分子膜、フ
ィルム、繊維、スポンジ等各種産業の製品の製造に用い
られる。

［従来の技術］毛髪、獣毛、羽毛等の動物組織中に構造タンパクとし
て存在するケラチンは従来より膜、繊維などの産業素材
の原料として注目されている。

しかしながら、ケラチンは通常の溶媒に対し不溶ない
し難溶である。このため天然原料中のケラチンを利用す
るには、加水分解による大幅な短分子量化、またはケラ
チンのジスルフィド結合の還元処理あるいは生成したチ
オール基の化学処理による非可逆的保護化等を必要とす
る。すなわち、ケラチンを含有する天然物を濃厚な酸ま
たはアルカリにより処理して生成した加水分解物；還元
剤と高濃度尿素水溶液等のタンパク質変成剤とを併用し
ケラチンのジスルフィド結合を還元開裂してチオール基
としたケラチン水溶液；該ケラチンのチオール基の再結
合防止のためにモノヨード酢酸や亜硫酸ナトリウム／テ
トラチオン酸ナトリウム等により不可逆的に化学修飾し
たケラチン誘導体；あるいは還元開裂とタンパク質分解
酵素により短分子量化したケラチン水溶液などの形態と
して使用されている。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、酸化処理によって得たタンパク質から
ケラチンを復元するには複雑な化学処理が必要であり回
収収率は著しく低い。一方、還元処理では、アルカリ性
条件下、水を主成分としたメタノール、エタノール、ア
ミドなどの溶媒中、チオールなどの還元剤と尿素などの
タンパク質変成剤とからなる可溶化剤の存在下にケラチ
ンを還元可溶化し、透析、限外濾過等により可溶化剤を
除去する。また、透析中にケラチンが不溶化するのを防
止するため還元処理後、ケラチン溶液に界面活性剤を添
加することも提案されている（特開昭63−301809号）。
このような還元処理は酸化処理に比べ簡便なケラチンの
調製法であるが、髪、羊毛や角のような堅いケラチン含
有物を原料とした場合、ケラチンの抽出速度は緩慢であ
りケラチン回収率も低い。

さらに、ケラチン含有物質を水性または有機性媒体中
で還元して得られた液に金属塩を加えて変性ケラチン物
質を沈澱として分離する方法も提案されている（特開昭
53−23999号）。しかしながら、かかる方法は産業廃水
の処理に用いられる重金属吸着能を備えた変性ケラチン
物質の製造に関するものであり、ケラチンのミセル水溶
液の製造、ケラチンの抽出速度の改善については何ら記
載されていない。

［課題を解決するための手段］そこで本発明者は、ケラチンを含有する天然物からケ
ラチンを効率的に抽出する方法について鋭意検討を行っ
た。その結果、ケラチン含有物質を還元剤およびタンパ
ク質変成剤にさらに界面活性剤を含む水中にて撹拌加熱
し、ついでこれを透析処理することによりケラチンを効
率的に抽出することができ、ケラチンのミセル水溶液が
得られるとの知見を得た。

すなわち本発明は、ケラチン含有物質を水性媒体中、
界面活性剤の存在下に還元し、得られたミセル水溶液を
透析することを特徴とするケラチンのミセル水溶液の製
造法を提供するものである。また、本発明はケラチン含
有物質を水性媒体中、界面活性剤の存在下、超音波照射
のもとに還元することを特徴とするケラチンのミセル水
溶液の製造法を提供するものである。また、従来の方法
により得られたケラチン粉末自体を上記水性媒体中還元
剤とともに撹拌加熱して溶解し、容易にケラチン溶液を
得ることもできる。

本発明製造法においては、まずケラチン含有物質を水
性媒体中、界面活性剤の存在下に還元する。この還元に
は、ケラチン含有物質中に存在するケラチンのジスルフ
ィド結合をチオール基に還元する還元剤が一般に用いら
れる。また、この反応は通常タンパク質変成剤を添加し
て行われる。

該ケラチン含有物質は真性ケラチンを含むものであれ
ばよく、例えば人髪、羊、馬や牛の獣毛、鶏など鳥類の
羽毛が好ましく用いられるが、爪、牛の角やひずめなど
も用いられる。またケラチン粉末は、種々の公知の方法
（例えば、T.T.Sun and H.Green,J.Biol.Chem.,253,205
3−2060（1978））により調製したものが用いられる。

上記水性媒体は水単独、または水と水混和性の有機溶
媒との混合物であってよく、含水率が50重量％以上、好
ましくは80重量％以上の溶媒を用いる。水混和性の有機
溶媒としてはたとえばメタノール、エタノールなどの低
級脂肪酸アルコールなどが挙げられる。

また、上記還元剤としては、２−メルカプトエタノー
ル、チオグリコール酸、トルエン−ω−チオール、ジチ
オスレイトール、ジチオエリスリトールなどのチオール
類；トリプロピルホスフィン、トリブチルホスフィンな
どのトリアルキルホスフィン、亜硫酸水素ナトリウムな
どの無機還元化合物などが挙げられる。

還元剤の使用量は、ケラチン含有物質10gに対して0.0
5〜0.50モルであるが、反応効率および経済性からケラ
チン含有物質10gに対して0.05〜0.20モル用いるのが好
ましい。

上記界面活性剤としては、アルキル硫酸塩（例えばド
デシル硫酸ナトリウム）、アルキル硫酸エステル塩、脂
肪酸アルコールリン酸エステル塩、スルホコハク酸エス
テル塩などのアニオン活性剤；次式：［式中、R¹、R²、R³およびR⁴の１〜２個は直鎖もしくは
分岐鎖を有する炭素数８〜20のアルキル基またはヒドロ
キシアルキル基であり、残余は炭素数１〜３のアルキル
基もしくはヒドロキシアルキル基またはベンジル基を示
し、Ｘはハロゲン原子または炭素数１〜２個のアルキル
硫酸基またはアルキルピリジウムハライドなどの芳香族
四級アミン塩など］で示されるカチオン界面活性剤；脂
肪酸アミンのＮ−カルボキシメチル体、Ｎ−スルホアル
キル化体、イミダゾリンスルホン酸などのベタイン系の
両性界面活性剤（疎水基は主として炭素数12〜14のアル
キル基もしくはアシル基、対イオンはアルカリ金属な
ど）；ポリオキシエチレンアルキルエーテル型、脂肪酸
エステル型、ポリエチレンイミン型、ポリグリセリンエ
ーテル型、エステル型などの非イオン性界面活性剤（疎
水基は主として炭素数12〜14のアルキル基もしくはアシ
ル基）；などが挙げられる。これらのうち、特にアニオ
ン界面活性剤が好ましい。これら界面活性剤の添加量は
ケラチン含有物質の10〜50重量％、好ましくは10〜25重
量％である。

また、前記タンパク質変成剤はケラチン中の水素結合
を切断するもので、その具体例としては尿素、チオ尿素
等が挙げられる。堅い組織のケラチン含有物質を使用す
る場合は、タンパク質に対して溶解作用を有する水酸化
ナトリウム、アンモニア等のアルカリあるいは塩化亜
鉛、ヨウ化ナトリウム、臭化リチウムなどの無機塩など
を溶解助剤として用いるのが好ましい。タンパク変成剤
の使用量はケラチン含有物質の溶解性、あるいは次工程
の透析処理の効率を考慮して適宜決定されるが、ケラチ
ン含有物質に対して通常３〜20重量倍、好ましくは５〜
15重量倍である。例えば尿素を用いた場合は通常３〜15
重量倍、好ましくは５〜12重量倍である。

本発明製造法において還元工程の具体的操作は例えば
つぎのようにして行われる。すなわちケラチン含有物質
をその全量が浸るよう通常４〜８モル／のタンパク質
変成剤水溶液、例えば尿素の場合には５〜８モル／の
尿素水溶液に浸漬し、還元剤と界面活性剤を加えてから
容器を密栓し、室温〜100℃にて１〜24時間撹拌するこ
とにより行われる。

上記還元工程においては、反応系に超音波を照射する
こともできる。超音波照射はプローブ型、浴槽型などの
公知の超音波照射装置を用いることができる。超音波照
射の強さは反応系の大きさにより異なるが、例えば反応
系の大きさが１以下のときは出力50〜200Wで充分であ
る。超音波照射により還元反応を促進することができ、
より短時間に収率よくケラチンのミセル水溶液を得るこ
とができる。

このようにして得た反応液は遠心分離や濾過により不
溶物を除去した後、次の透析処理を行う。

透析処理は従来公知の処理手段によって行うことがで
きる。例えば上記のようにして不溶物を除いた反応液、
すなわちケラチン濾過液を例えばセロハンのような半透
膜の容器内に入れ、これを外液を入れた容器内に浸す。
外液としては、ジスルフィド結合をチオール基に還元す
ることができる還元剤を0.1〜0.5％含む水性媒体を用い
ることができ、例えば上記還元工程で用いた水性媒体と
還元剤の混合物を用いることができる。外液はケラチン
濾過液に対し通常20〜40容量倍用いられる。温度は室温
でよく、時間は通常12〜36時間である。このような透析
処理を２〜４回行うことによりケラチン濾過液中のタン
パク質変成剤、界面活性剤を除くことができると共に還
元剤を外液と等濃度に減らすことができ、ケラチンのミ
セル水溶液が得られる。

このようにして得られたケラチンのミセル水溶液をLo
wryのタンパク定量法で検量すると、原料のケラチン含
有物質により変動するが、概ね２〜４重量％である。ま
た、アミノ酸分析によれば、該ケラチン中のシステイン
とシスチンはケラチン含有物質の種類によって変動する
ものの概ねアミノ酸100残基当たりそれぞれ４〜10個、
0.5〜２個を有している。また、電気泳動分析により分
子量15,000〜130,000のタンパク質を主成分とすること
が分かる。

このようなケラチンの可溶化の機構は、不溶性のケラ
チンを高濃度の尿素等のタンパク質変成剤の水素結合相
互作用により水分子との親和性を高めつつジスルフィド
結合を還元しチオール基に変換することによるとされて
いる。しかし、本発明の還元工程（ケラチンの抽出工
程）では、従来の界面活性剤の不存在下（例えば、特開
昭63−301809号）に比べケラチンの収率が１〜２割増加
し（後記第１表および第２表参照）、抽出の速度も２〜
７割と著しく向上する（後記第２表参照）。

また、本発明では還元によるケラチンのジスルフィド
結合のチオール基への変換が充分でないまま短時間で効
率よくケラチンが抽出されるためか、得られたケラチン
には高分子量のものが多く含まれる。例えば、ケラチン
含有物質として髪を用いた場合、50℃、５時間にてケラ
チン抽出率は80％以上にまで進み、また抽出されたケラ
チンの分子量はポリアクリルアミド電気泳動法により分
子量約45000〜120000、12000〜45000各々が全体重量の
約４割および６割であった。それに対して、同じ条件で
あっても界面活性剤の非存在下で髪より抽出されたケラ
チンは分子量約45000以下のものが全体重量の約７割を
占め、それより高分子量のものは３割である。

本発明の上記反応液を光散乱法で調べたところ、会合
分子量25000〜60000を主とする分散が観測された。この
ような会合体は従来の界面活性剤の不存在下での反応液
では観測されなかったので界面活性剤に原因すると考え
られ、おそらくケラチンの疎水性に富むペプチド部位に
界面活性剤が入り込み安定化したミセルを形成すると考
えるのが妥当と思われる。すなわち、ジスルフィド結合
が還元されてチオール基に変換されたケラチンは共存す
る界面活性剤を取り込んでケラチンのミセル分散液とし
て効率よく抽出されたと思われる。事実、核磁気共鳴ス
ペクトルと蛋白分析によれば、透析されたケラチン水溶
液はケラチン蛋白と該界面活性剤を主成分としている。
このような抽出法、いわゆるミセル抽出法は特に爪やひ
ずめ等の堅いケラチン含有物質からのケラチンに対して
有効であることが後記第１表からわかる。

なお、本発明での超音波照射で得られたケラチン水溶
液は、ケラチン含有原料が同じであれば超音波非照射下
で得られたケラチン水溶液と本質的同等のアミノ酸組成
とタンパク質組成を有していることがアミノ酸分析とポ
リアクリルアミド電気泳動法より示唆された。

得られたミセル水溶液は、公知の成膜法、成形法によ
り種々の高分子量膜、フィルム、繊維、スポンジ等に成
形される。

［実施例］つぎに本発明を実施例、比較例にもとづきさらに具体
的に説明する。

実施例１羊毛（Collidale種より採取）20gを8M尿素水溶液370m
lに浸漬し、ドデシル硫酸ナトリウム12gと２−メルカプ
トエタノール35mlを添加した。ついで容器を密栓し60℃
にて８時間撹拌しながら出力80Wにて超音波照射した。
反応物を室温にもどしてから不溶物を濾過により除去し
た。濾液をセロファンチューブに入れて0.3重量％２−
メルカプトエタノール水溶液（10）に対して２回透析
した。得られた無色透明の透析液470mlは少量の２−メ
ルカプトエタノールと該界面活性剤を含んだ目的のケラ
チンのミセル水溶液である。

Lowry法によりこの溶液のタンパク定量を行ったとこ
ろ0.27gのケラチンを含みケラチン濃度は2.7％でケラチ
ン収率は63％であった。また、該水溶液を凍結乾燥して
得たケラチン粉末のアミノ酸分析を行ったところ、アミ
ノ酸100残基当たり、システインが7.8個、シスチンが0.
7個であった。また、ポリアクリルアミド電気泳動法で
調べたところ、分子量15,000から70,000のタンパク質が
主成分であった。

実施例２超音波照射を行わず反応時間を24時間とした以外は実
施例１と同様にして羊毛20gを処理し、少量の２−メル
カプトエタノールと界面活性剤を含む無色透明の透析液
としてケラチンのミセル水溶液（480ml）を得た。この
溶液を実施例１と同様にしてタンパク定量したところ、
ケラチン濃度2.5％でケラチン収率は60％であった。ま
た、この水溶液を凍結乾燥して得たケラチン粉末のアミ
ノ酸分析を行ったところ、アミノ酸100残基当たり、シ
ステインが7.5個、シスチンが0.9個であった。また、ポ
リアクリルアミド電気泳動法で調べたところ、分子量1
5,000から70,000のタンパク質が主成分であった。

比較例１界面活性剤を添加したかった以外は実施例２と同様に
してケラチンのミセル水溶液を調製した。結果を第１表
に示す。

実施例３人髪を中性洗剤で水洗後、ヘキサンで洗浄した。この
人髪5gを8M尿素水溶液120mlに浸漬した。これにドデシ
ル硫酸ナトリウム5gと２−メルカプトエタノール8mlを
添加し、容器を密栓し、50℃にて５〜35時間撹拌した。
５、10および35時間後に各々反応物を10ml採取し不溶物
を濾過により除去した。得られた濾液をセロファンチュ
ーブに入れて0.3重量％の２−メルカプトエタノール水
溶液２に対して２回透析し、少量の２−メルカプトエ
タノールと界面活性剤を含んだ無色透明の透析液として
目的のケラチンのミセル水溶液を得た。この溶液10gをL
owry法によりタンパク定量したところ第２表に示すケラ
チン収率を得た。また該水溶液を凍結乾燥して得たケラ
チン粉末のアミノ酸分析を行ったところ、アミノ酸100
残基当たりシステインが８個、シスチンが1.2個であっ
た。またポリアクリルアミド電気泳動法で調べたとこ
ろ、分子量45,000〜120,000および12,000〜45,000の蛋
白質を含み、それぞれ４割と６割とするが示唆された。

比較例２界面活性剤を添加しなかった以外は実施例３と同様に
してケラチンのミセル水溶液を調製した。結果を第２表
に示す。

実施例４鶏羽10gを60重量％臭化リチウム水溶液180mlに浸漬
し、ドデシル硫酸ナトリウム5gと２−メルカプトエタノ
ール10mlを添加後、容器を密栓し45℃にて２時間振盪し
ながら出力80Wにて超音波照射した。不溶物を濾過によ
り除去した反応液をセロファンチューブに入れて0.3重
量％２−メルカプトエタノール水溶液10に対して２回
透析した。少量の２−メルカプトエタノールと該界面活
性剤を含んだ無色透明の透析液として目的のケラチンミ
セル水溶液230mlを得た。ケラチン濃度3.3％でケラチン
収率は76％であった。

また、該水溶液を凍結乾燥して得られたケラチン粉末
のアミノ酸分析は、アミノ酸100残基当たり、システイ
ンが6.1個、シスチンが1.2個の存在を示した。また、ポ
リアクリルアミド電気泳動法で調べたところ、分子量1
5,000から70,000のタンパク質が主成分であった。

実施例５超音波照射を行わず、処理時間を15時間とした以外は
実施例４と同様にしてケラチンのミセル水溶液を調製し
た。結果を第１表に示す。

比較例３界面活性剤を添加せず処理時間を24時間とした以外は
実施例４と同様にしてケラチンのミセル水溶液を調製し
た。結果を第１表に示す。

実施例６粉砕した牛角10gを8M尿素水溶液150mlに浸漬し、臭化
リチウム80g、ドデシル硫酸ナトリウム5gと２−メルカ
プトエタノール15mlを添加した後、容器を密栓し、60℃
にて８時間振盪しながら出力80Wにて超音波照射した。
室温にもどしてから不溶物を濾過により除去した。濾液
をセロファンチューブに入れて0.3重量％２−メルカプ
トエタノール溶液10に対して２回透析した。得られた
無色透明の透析液185mlは少量の２−メルカプトエタノ
ールと該界面活性剤を含んだ目的のケラチンのミセル水
溶液である。この溶液のケラチン濃度は3.0％であり、
ケラチン収率は55％であった。また、該水溶液を凍結乾
燥して得たケラチン粉末のアミノ酸分析を行ったとこ
ろ、アミノ酸100残基当たりシステインが4.5個、シスチ
ンが0.6個であった。また、ポリアクリルアミド電気泳
動法で調べたところ、分子量20000〜60000のタンパク質
が主成分であった。

実施例７超音波照射を行わず処理時間を24時間とした以外は実
施例６と同様にしてケラチンのミセル水溶液を調製し
た。結果を第１表に示す。

比較例４界面活性剤を添加しなかった以外は実施例７と同様に
したケラチンのミセル水溶液を調製した。結果を第１表
に示す。

つぎに実施例１、実施例２および比較例１（原料：羊
毛）において、反応時間を下記の第２表のごとく変えた
以外は同様の操作を行い各々試験No.1〜４、試験No.5〜
８、試験No.9〜12のミセル水溶液を調製した。また、実
施例３（原料：人髪）の結果を試験No.13〜15に、比較
例２の結果を試験No.16〜18に示す。

前記の第２表および第１図に示すごとく、本発明方法
では短時間で効率よく高いケラチン収率が得られる。

［発明の効果］本発明製造法によればケラチンが高収率でかつ効率よ
く抽出され、不溶化を生ずることもなく可溶化剤を透析
により除去することができる。また特にアルカリを必要
としないので操作が容易であり得られたミセル水溶液は
室温における安定性が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は還元処理の反応時間とケラチン収率との関係を
示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−301809（ＪＰ，Ａ) 特開平２−51533（ＪＰ，Ａ) 特開平３−11099（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−51095（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−30909（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−23999（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C08H 1/00 - 1/06 A61K 7/00 - 7/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ケラチン含有物質を水性媒体中、界面活性
剤の存在下に還元し、得られたミセル水溶液を透析する
ことを特徴とするケラチンのミセル水溶液の製造法。
【請求項２】ケラチン含有物質を水性媒体中、界面活性
剤の存在下、超音波照射のもとに還元することを特徴と
するケラチンのミセル水溶液の製造法。