Abstract
Effektiv hår farging gjennom in situ inkubasjon av keratin hår med produkter av sopp laccase-katalysert polymerisasjon av plante fenoler har tidligere blitt påvist. Men tar farging prosessen lang tid å fullføre sammenlignet med kommersielle hårfargeprodukter. For å overvinne denne flaskehalsen, pre-syntetisert polymere produkter av oksidativ omsetning av Trametes versicolor laccase av catechin og katekol, enten med eller uten beismidler (f.eks, FeSO 4), ble her anvendt for å oppnå permanent keratin hår-farging i forskjellige farger og nyanser . Den laccase handling i surt natriumacetatbuffer førte til en dyp sort farging etter kobling reaksjoner mellom plante fenoler. De fargede fargestoff produkter ble deretter avsaltet og konsentrert med ultrafiltrering. De fargestoffer, med eller uten beis agenter, forårsaket en betydelig økning i AE verdier (dvs. farge forskjell verdi) i grå hårstrå witynne 2,5 timer. I tillegg ble forskjellige keratin farger og nyanser indusert avhengig av mordanting og pH-endringer. Det fargede håret oppviste også en sterk motstand mot vaskebehandlinger, noe som indikerer at våre fremgangsmåter kan gi opphav til permanente hår farging. Samlet vårt arbeid har gitt ny innsikt i utvikling av miljøvennlige hårfarge metoder som alternativer til kommersielle giftige diamin-basert fargestoffer .
Introduction
Laccases er oksidase som er aktive mot fenoliske og polyphenolic forbindelser. De har blitt identifisert i forskjellige levende organismer, inkludert planter, sopp, insekter og bakterier. Deres enzymatisk handlinger bidra til flere morfogenetiske fenomener en. Enzymene katalyserer enkelt-elektron oksidasjon av substrater, noe som resulterer i dannelsen av radikaler som er ytterligere koplet til små organiske stoffer og til faste overflater. Slike koblingsprosesser føre til syntese av oligomerer og polymerer og overflate functionalizations 2, 3. Når laccase substrater er fra naturlige kilder, for eksempel plante fenolene, de enzymatiske reaksjoner er av stor interesse med hensyn til grønn kjemi. Her, begge reaktanter og katalysatorer er fra naturlige kilder. I tillegg har de resulterende produkter er lik de naturlige produkter, ettersom de samlede reaksjoner etterligne in vivo syntese av naturlig fenolpolymerer-anlegg inkludert lignin, poly (flavonoid), og humus hvori liten plante fenoliske forbindelser er svært kryssbundet med oksidase-indusert radikal kopling 4.
Produkter avledet fra laccase-katalyserte koplingsreaksjoner av plante-avledet fenoler kan brukes til å farge grått hår ved in situ inkubering og kan utvikles som alternativer til kommersielt tilgjengelige fargestoffer 1. Slike alternativer er viktig, siden kommersielle hårfargemidler er basert på p-fenylendiamin (PPD), PPD-relaterte diamin-forbindelser, og hydrogenperoksid, noe som har vist seg å være giftige, kreftfremkallende, og allergifremkallende for mennesker 5, 6. I de laccase-katalysert koblingsreaksjoner, de laccases og plante fenoler funksjonelt erstatte hydrogen peroxide og p-fenylendiamin, henholdsvis 7. Imidlertid farging hastigheten av laccase-baserte systemer er mye langsommere enn den for den kommersielle en. Generelt PPD-baserte farging agenter krever mindre enn en time for å oppnåeffektiv fargeendring i keratin hår, mens laccase-baserte reaksjoner krever en inkubasjon over natten 7. De langsomme farging kinetikk kunne forklares av to mulige fenomener. Først, bruk av en lav-pH-buffer (for eksempel pH 5) for å maksimere laccase aktivitet har blitt observert å redusere graden av svelling i keratin matriser, og dermed hemme dyp penetrering av fargestoffer inn i matrisene. Faktisk midler slik at de farging reaksjoner for å fortsette i høy pH forhold har vist seg å være en integrert del kommersielle hårfargeprodukter 8. For det andre har det antall mulige kromofor-molekyler som utviser sterk adsorpsjon til keratinholdige overflater under polymerisasjonsreaksjonen har vist seg å være proporsjonal med inkubasjonstiden (dvs. graden av polymerisering). For eksempel, ble transformasjonen av dopamin til polydopamine vist å indusere en sterk adhesjon til mange overflater som var samtidig med dannelsen av en svart farge 9. </ P>
I dagens arbeid, pre-syntetisert polymer produkter fremstilt fra T. versicolor laccase-katalysert oksidasjon av catechin og katekol ble brukt til å behandle keratin hår for farging. Vi antok at adsorpsjonen evnen av polymerene vil være mye sterkere enn den til de monomere plante fenoler, og at de ville i utgangspunktet danner lav-molekylvekt-oligomerer. Resultatene viste at, ved bruk av de på forhånd syntetiserte polymerer, den enzymatiske oksydasjon strømmen var ikke lenger nødvendig. Dette indikerer at pH-verdien kan reguleres, og at metallioner kan anvendes i hårfarge behandlinger, uavhengig av enzymaktivitet. Denne protokollen gir en enkel og rask metode å farge keratin hår i ulike nyanser av fargen mens du bruker miljøvennlige og fornybare plante-avledet fenolene (figur 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Utarbeidelse av Plant Fenol-avledet Polymer Fargestoffer
- Oppløs katekol (0,1 g) og (+) - katekin-hydrat (0,1 g) i 32 ml av 100 mM natrium-acetat-buffer (pH 5,0) og 8 ml absolutt etanol.
- Tilsett 10 mg av T. versicolor laccase til catechol- og catechin inneholder buffer. Bland kraftig og hell blandingen i en firkant petriskål. Inkuber fatet ved romtemperatur i en risteinkubator (25 rpm) i 24 timer. Dramatiske fargeendring av oppløsningen fra gjennomsiktig til mørk svart kan observeres med det blotte øye etter laccase-indusert koblingsreaksjoner.
- Sentrifuger løsningen i 10 minutter ved 20.000 xg for å spinne ned uoppløselige polymerpartikler. Bruk dyp sort supernatanten for ytterligere avsalting.
- Avsalte reaksjonsoppløsningen med en 5 kDa ultrafiltreringsskive. Etter konsentrering av reaksjonsvolumet til 20 ml ved ultrafiltrering, utveksle reaksjonsbuffer ved tilsetning av 300 ml destillert vann. Til slutt, ved hjelp av filtrering, konsentrere volumet av oppløsningen til 25 ml.
2. Farging Løsninger for Gray Keratin Hair
- Forbered følgende seks polymere løsninger: polymer fargestoffer, polymer, fargestoffer / FeSO 4, polymer, fargestoffer / FeSO 4 i pH 3 vann, polymer, fargestoffer / FeSO 4 i pH 11 vann, polymer, fargestoffer / FeSO 4 med eddiksyre, og polymere fargestoffer / FeSO 4 med ammoniakk.
- For det polymere fargestoff, blande 5 ml destillert vann med 1 ml av avsaltet polymere fargestoffer (1.4).
- For de beis løsninger, tilsett 0,33 g FeSO 4 til blandingen fra trinn 2.1.1. Kraftig vortex å oppløse FeSO 4 helt.
- For pH-verdien 3 eller 11 vannoppløsning, justering av pH i 5 ml destillert vann ved bruk av 1 N HCI eller 1N NaOH. Deretter tilsett 1 ml av avsaltet polymere fargestoffer (1.4) og 0,33 g FeSO 4.
- For eddiksyre syre- eller ammoniakkbehandlet løsning, bland 1,0 ml glacial eddiksyre eller 1,0 ml ammoniakkvann med 5 ml destillert vann. Deretter tilsett 1 ml av avsaltet polymere fargestoffer (1.4) og 0,33 g FeSO 4.
- For plante monomerene, bland katekol (0,1 g) og (+) - katekin-hydrat (0,1 g) i 6 ml destillert vann, med eller uten 0,33 g FeSO 4, for å suge håret i.
- Så snart farging løsninger fra trinn 2.1 og 2.2 er forberedt, helt suge 5 cm lange grå menneskelig hår lokker (0,2 g) i løsningene. Inkuber hårtresser ved 32 ° C i en rysteinkubator (160 opm) i 2,5 timer.
- Etterpå tar ut håret håret og skyll dem under rennende vann. Bruk en elektronisk hårføner for å fjerne fuktighet. Fargeforandring forårsaket av de polymere fargestoffer kan visualiseres med det blotte øye.
- For å oppnå fargeparametre (dvs. L *, a * og b *), benytter en konvensjonell colorimeter i henhold til produsentens protokoll. Krølle håret tmadrasser til en ball, og dermed slik at de kan måles med linsen på et colorimeter. Gjenta denne prosessen på en annen region av håret med colorimeter linsen.
- Mål fargeparameterne for hver farget hårlokk sju ganger. Beregn gjennomsnitt og standardavvik av parametrene. Beregn AE ved anvendelse av formelen: [(100 - L *) 2 + (a *) 2 + (b *) 2] 1/2.
3. Color holdbarhetstester
- Oppløs 200 mg natrium-dodecylsulfat (SDS) i 40 ml destillert vann. Bløt farget håret fullstendig i SDS-inneholdende vann i 5 minutter ved romtemperatur. Ta ut håret håret og skyll dem med nok rennende vann for å fjerne vaskemidler. Bruk en elektronisk hårføner for å fjerne fuktighet.
- For å få fargeparametere (dvs. L *, a * og b *), benytter en konvensjonell colorimeter i henhold til produsentensrens protokoll. Gjenta soaking beskrevet i trinn 3.1 en gang til med den samme farget hår og deretter måle parametrene på nytt.
- Oppløs 800 mg SDS i 40 ml destillert vann. Som beskrevet i trinn 3.1, gjenta soaking to ganger mer med den samme farget hår. Overall, behandle hver farget håret hårlokk med SDS løsning totalt fire ganger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Først ble evnen til farging av polymere fargestoffer sammenlignet med den av plante-avledet monomerer (dvs. catechin og katekol). De polymere fargestoffer induserte en signifikant endring i fargen av grå keratin hår (figur 2A og figur 3), mens det medfødte grå farge på håret forble meget stabil med plante monomerer (data ikke vist). Virkningene av mordanting agenter på farging evner av polymere produkter ble deretter evaluert. Som vist i figur 2A, er tilsetningen av Fe-ioner førte til ingen økning i AE verdien av grått hår keratin. Imidlertid hårfarge ble vesentlig endret ved bruk av Fe-ioner (figur 3). For å sjekke om mordanting agenter kan indusere farge med plante fenoliske monomerer, ble Fe-ioner også lagt til monomerene uten oksidativ polymerisasjon. Så snart Fe-ioner ble oppløst med monomerene i en acidic natriumacetat reaksjon buffer, en dyp sort farge dukket opp umiddelbart (data ikke vist). Videre er komplekser av Fe og plantemonomere fenoler vist seg å være effektiv ved farging av grått menneskehår, hvilket resulterer i en effektiv transformasjon av grå farge til dyp sort (figur 3). Den AE verdi som følge av Fe-anlegget fenol fargestoff var høyere enn for de polymere fargestoffer (figur 2A).
For å evaluere hvorvidt en endring i pH påvirker farging effektiviteten av keratin hår med Fe-ion-polymer fargestoff komplekser, lav pH (fra pH 3 justert og eddiksyre inneholdende vann) og høy pH (fra pH 11 justert og ammoniakkholdig farvann) ble testet. Som vist i figur 2A, kan slike pH-endringer førte til liten forandring i den AE verdi, i motsetning til effekten av polymere fargestoffer. Men de synlige farger fra fargede hår ble endret markert avhengig av hvilken pH-justermiddel ble anvendt (figur 3). Interessant, hårfarge som skyldes bruk av HCI var forskjellig fra den som resulterer fra eddiksyre, til tross for deres tilsynelatende lignende roller i pH-kontroll. Forskjellige hårfarger også et resultat av NaOH og ammoniakk. Alle tre fargeparametre (dvs. L * som strekker seg fra 0 (sort) til 100 (hvitt), a * varierende fra -100 (grønn) til 100 (rød), og b * som strekker seg fra -100 (blå) til 100 (gul )) av våre farget hår ble så sammenlignet, som vist i figur 2B. Selv om AE verdiene avvek bare litt for de forskjellige farging forhold, fargeparametre var forholdsvis uensartet (figur 2B), i samsvar med forskjellige synlige farger av hårtresser (figur 3).
Til slutt, den vaskemiddel motstanden av farget hår ble kontrollert. Som det fremgår av figur 4, alt farget håret vanligvis opprettholdt sin16, E-verdiene mot gjentatte SDS behandlinger, noe som indikerer at de polymere fargestoffer, med eller uten mordanting resulterte i permanent farging. Når anlegget monomerene uten polymeriseringen ble brukt, AE verdiene var omvendt proporsjonal med antallet av SDS-behandlinger anvendt (figur 4). I motsetning til dette farging var mer stabil når bare eller med FeSO 4 polymere fargestoffer ble anvendt.
Figur 1. Skjema for anleggs fenol-basert polymer fargestoff syntese og dens anvendelse i keratin hår farging. En enkel og rask metode for å farge keratin hår i ulike nyanser av fargen mens du bruker miljøvennlige og fornybare plante-avledet fenolene vises. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Color evaluering av farget hår. (A) AE verdier (± SD, n = 7) og (B) fordeling av de tre fargeparametere (L *, a * og b *) under forskjellige reaksjonsbetingelser. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. fotografiske bilder av hårfarger under forskjellige reaksjonsbetingelser (A) jomfru grå menneskelige hår bare.; (B) Polymer fargestoff; (C) Polymer fargestoffer / FeSO 4; (D) Polymer fargestoffer / FeSO 4 med eddiksyre; (E) Polymer fargestoff / FeSO 4 i pH 11 vann; (F) Polymer fargestoffer / FeSO 4 i pH 3 vann; (G) Polymer fargestoffer / FeSO 4 med ammoniakk; (H) Monomerer / FeSO 4. Scale bar er 0,5 cm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. Color holdbarhet av farget hår gjentatte vaskemiddel behandlinger. Jo større stabiliserende effekten av direkte farging (Polymer fargestoff) og mordanting med polymerprodukter (Polymer fargestoff / FeSO 4) snarere enn mordanting med monomerer (Monomerer / FeSO 4) ble vist ( ± SD, n = 7). klikk her for å se et lARger versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Interessant, vår metode redusert tiden det tok å farge keratin hår med oksiderende-indusert polymerisasjoner av naturlige fenolene. Det er også indusert forskjellige farger i håret ved hjelp av enkle manipulasjoner av polymere fargestoffer, for eksempel endring av pH og bruke mordant.
In situ inkubasjon av keratin hår med laccase-katalysert oksidasjon av plante fenoler krever altfor lang inkubasjonstid å oppnå effektiv farging 7. Slike langsomme kinetikk farging kan skyldes den dårlige bindings evnene til anlegg fenoler og til de første oligomerer med meget lav molekylvekt, og dermed forsinke starttiden for selve håret farging til polymerer med relativt høye molekylvekter er dannet. Den raske hår farging og farge holdbarhet observert når direkte ved hjelp av polymere produkter (figur 2A og 4) støtter sterkt hypotesen ovenfor. Den økte bindende evne og tilstedeværelse av en chromophore i polymerene kan ha bidratt til den raske hastigheten på permanent hår farging. Selv om andre forskere har vist at noen monomere fenolene er i stand til å binde seg godt til visse overflater, er det bindende holdbarhet i nærvær av ytre stimuli uklar, som forfatterne evaluert bindingsfenomener under meget milde betingelser til 10, 11. I tillegg er en kromofor var ikke til stede i de monomere forbindelsene som ble testet. Derfor, den mest kritiske trinnet i denne protokollen er å bruke produktene oppnådd etter 24 timers ruges reaksjoner, fordi et stort antall av høy molekylvekt, er fargerike fenoliske polymerer som har sterke bindende egenskaper og dermed tilstrekkelig dannet.
Flere undersøkelser har anvendt metall-ion-fenol-komplekser for å farge tekstiler 12, 13 Det er to mulige mekanismer for disse farging fenomener:. Metall ion-fenol komplekser fungerer som kromoforer, eller metallionene toveis koordinere fenoler og overfles til å være farget, noe som fører til sterk festing av kompleksene. Variabiliteten i hårfarge avhengig av tilstedeværelsen av Fe-ioner (figurene 2B og 4) er i samsvar med begge de ovennevnte mekanismer, for koordinering av metallionene med de polymere produkter og monomerer kan resultere i en endring og dannelse av farge, respektivt . I tillegg kan de detaljerte koordinasjonsbinde strukturer er blitt modulert ved hjelp av pH-endringer, som observert i medikamentavleveringssystemer 14. Det er derfor ikke urimelig å foreslå at mordanting samtidig med pH-endringer ville resultere i ulike fargeendringer gjennom strukturelle transformasjoner av kromofor. Generelt er mordanting antas å forbedre den farging evnen til naturlige plante-ekstrakter 13. Imidlertid likheten av AE verdiene av de polymere fargestoffer med og uten Fe-ioner (figur 2A) indikerte at koordineringen av Fe med fargestoffer hovedsakelig endringsd kromoforen, noe som resulterer i farget hår av forskjellige farger, som vist i figur 3. Høy pH-verdien ville føre til høye AE verdier av farget hår, fordi høye pH-midler, slik som ammoniakk-vann er kjent for å forårsake keratinfibre å bli svellet, og dermed øke dye diffusjon priser 8. Slike spredte fargestoffer blir så fanget når håret matriser stram. Imidlertid AE verdiene av farget hår endres lite med høy pH eller ammoniakk, noe som indikerer at evnen av polymere fargestoffer for å binde på håret overflate bedre beskriver hår-farging i denne protokollen enn det keratin hevelse.
Farge holdbarhet er meget viktig i hår farging, og farging metoder bør gi fargestoffer som er holdbar i nærvær av ytre stimuli. Spesielt er daglig sjamponering den viktigste stimulus som blekner farget hår åtte. Som det fremgår av figur 4, våre farging metoder var meget motstandsdyktige mot gjentatte SDS behandlinger. Jo større stabilizing effektene av direkte farging (Polymer fargestoffer) og mordanting med polymere produkter (Polymer fargestoffer / FeSO 4) i stedet for mordanting med monomerene (Monomerer / FeSO 4), som vist i figur 4, kan ha vært på grunn av større molekylvekter av polymere fargestoffer. Den effektivitet med hvilken metallionene bro over det polymere fargestoff og keratin overflate tilsynelatende var avhengig av den gjennomsnittlige molekylstørrelse av fargestoffet. Håret er sammensatt av forskjellige stoffer, deriblant melanin, aminosyrer, proteiner, lipider og 15. Videre studier bør gjennomføres for å bekrefte om denne protokollen er effektiv på en rekke menneskelige hårtyper. I tillegg, selv om våre materialer er avledet fra naturlige kilder, er en streng toksisitetstest til menneskeceller som kreves for fullt ut å sikre ikke-toksisitet.
Samlet vi her gitt en veldefinert metode for å gi varige keratin hår farging, ved hjelp av miljøvennlige materialer i en commercially akseptabelt løpet av kort tid. Basert på de data avslører egenskapene til den direkte binding av polymere fargestoffer til keratin hår, vil også andre metoder som lar våre polymere fargestoffer til å virke som aktive komponenter i kommersialiserte PPD-baserte hårfarge produkter bli utviklet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sodium dodecyl Sulfate | Promega | H5114 | |
| Laccase from Trametes versicolor | Sigma | 38429-1G | Enzyme activity is denoted as 0.53 U/mg |
| (+)-catechin hydrate | Sigma | C1251-5G | |
| 1,2-dihydroxybenzene (catechol) | Sigma | 135011-5G | |
| Ammonia water | Duksan | 701 | Ammonia contents is denoted as 25 ~ 30% |
| Acetic acid, glacial | Duksan | 448 | |
| Iron(II) sulfate heptahydrate | JUNSEI | 83380-1250 | |
| Ultracell 5 kDa | Amicon | PLCC06210 | |
| Stirred ultrafiltration cells | Millipore | Model 8200 | |
| Human gray hair | PheonixKorea | Not available | |
| Colorimeter | SPEC | JCS-10 | |
| Square dish | SPL | 10125 | 125 * 125 * 20 (mm) |
References
- 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).
