Abstract
Эффективные для окрашивания волос с помощью месте инкубации кератина волос с продуктами грибкового лакказы катализируемой полимеризации растительных фенолов в ранее было показано. Тем не менее, процесс окрашивания занимает много времени, чтобы закончить по сравнению с коммерческими продуктами волос крашения. Чтобы преодолеть это узкое место , предварительно синтезирован полимерные продукты окислительной реакции траметес разноцветный лакказой на катехина и катехина, с или без протравы агентов (например, FeSO 4), были здесь использованы для достижения постоянного кератина для окрашивания волос в различных цветов и оттенков , Действие лакказы в кислотном буфере ацетата натрия привело к глубоким черным окрашиванием после сочетания реакций между растительными фенолами. Цветные продукты красителя затем обессоливают и концентрируют с ультрафильтрацией. Красители, с добавлением или без протравы агентов, вызвало значительное увеличение значений & Delta ; Е (то есть, цвет разностное значение) в сером Wi человеческих волостонкие 2,5 часа. Кроме того, различные кератиновые цветов и оттенков индуцировали в зависимости от mordanting и рН изменений. Крашеные волосы также демонстрируют сильное сопротивление воздействию моющих средств лечения, что свидетельствует о том , что наши методы могут привести к постоянной окрашивания волос. В целом, наша работа обеспечила новое понимание разработки экологически чистых методов волос крашения в качестве альтернативы коммерческим токсическим диаминов на основе красителей ,
Introduction
Лакказы являются оксидазы, которые активны по отношению к фенольных и полифенольных соединений. Они были идентифицированы в различных живых организмов, в том числе растений, грибов, насекомых и бактерий. Их ферментативные действия способствуют несколько морфогенетических явлений 1. Эти ферменты катализируют одноэлектронную окисление субстратов, что приводит к образованию радикалов, которые дополнительно связаны с очень малыми органики и твердых поверхностей. Такие процессы связывания приводят к синтезу олигомеров и полимеров и к поверхности функционализации 2, 3. Когда лакказы подложки из природных источников, таких как растительные фенольные соединения , ферментативные реакции представляют большой интерес в отношении зеленой химии. При этом оба реагенты и катализаторы из природных источников. Кроме того, полученные в результате продукты аналогичны натуральных продуктов, так как общие реакции имитируют синтезы в естественных условиях природного фенольных полимеров, в том числе растительный лигнин, поли (flavonoID), и гумусом , где небольшие соединения растений фенольные являются высоко сшитых оксидазы-индуцированной радикальной муфте 4.
Продукты , полученные из лакказы-катализируемых реакций сочетания растительного происхождения , фенолов могут быть использованы для окрашивания седины через месте инкубации в и могут быть разработаны в качестве альтернативы , имеющиеся в продаже красители 1. Такие альтернативы имеют важное значение, так как коммерческие волосы окрашивания агенты основаны на р -phenylenediamine (PPD), PPD связанных с диамина, и перекись водорода, которая , как было показано , чтобы быть токсичным, канцерогенным и аллергенным для человека 5, 6. В лакказы катализируемой реакции сочетания, лакказ и растительных фенолов функционально заменить перекись водорода и р -phenylenediamine соответственно 7. Тем не менее, скорость крашения систем на основе лакказы гораздо медленнее, чем коммерческий продукт. В общем случае, ППД на основе красящие агенты требуют менее одного часа, чтобы достигнутьэффективное изменение цвета в кератина волос, в то время как реакции на основе лакказы требуют инкубации в течение ночи 7. Кинетика медленно крашение можно объяснить двумя возможными явлениями. Во- первых, использование буфера с низким рН (например, рН 5) , чтобы максимизировать лакказой активность наблюдалась , чтобы уменьшить степень набухания в кератиновые матриц, тем самым препятствуя глубокому проникновению красителей в матрицах. Действительно, агенты , позволяющие реакции красящие действовать в условиях высокого рН было показано , что быть неотъемлемой частью коммерческих продуктов волос крашения 8. Во- вторых, число возможных молекул хромофоров , обладающих сильной адсорбции на кератиновые поверхности в ходе реакции полимеризации было показано, пропорциональна времени инкубации (т.е., степень полимеризации). Например, превращение дофамина в polydopamine было показано , чтобы вызвать сильную адгезию ко многим поверхностям , что было сопутствующее с образованием черного цвета 9. </ Р>
В текущей работе, предварительно синтезированный полимерные продукты , полученные из T. лишай лакказы катализируемого окисления катехинов и пирокатехина были использованы для лечения волос кератина для окрашивания. Мы предположили, что адсорбционная способность полимеров была бы гораздо сильнее, чем у мономерных фенолов растений и что они первоначально образуют с низким молекулярным весом олигомеров. Результаты показали, что, при использовании предварительно синтезированным полимерам, ферментативное окисление мощность была больше нет необходимости. Это указывает на то, что рН можно контролировать и что ионы металла могут быть использованы в волосы окрашивания лечения, независимо от активности ферментов. Этот протокол обеспечивает простой и быстрый способ для окрашивания волос кератина в различных оттенков цвета при использовании экологически чистых и возобновляемых источников растительного происхождения фенолы (рисунок 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовка растений Фенол-производных полимерных красителей
- Растворите катехин (0,1 г) и (+) - катехин гидрат (0,1 г) в 32 мл 100 мМ натрий-ацетатного буфера (рН 5,0) и 8 мл абсолютного этанола.
- Добавляют 10 мг Т. лишай лакказы к катехол- и катехин содержащего буфер. Смешайте энергично и вылить раствор в квадратную чашку Петри. Инкубируйте блюдо при комнатной температуре в качалке инкубаторе (25 оборотов в минуту) в течение 24 часов. Резкое изменение цвета раствора от прозрачного до темно-черного цвета можно наблюдать невооруженным глазом после того, как лакказы индуцированных реакций сочетания.
- Центрифуга раствор в течение 10 мин при 20000 х г, чтобы спин вниз нерастворимые полимерные частицы. Используйте глубокий черный супернатанта для дальнейшего обессоливания.
- Обессоливания реакционного раствора с ультрафильтрационной диском 5 кДа. После концентрирования реакционного объема до 20 мл с помощью ультрафильтрации, замены буфера реакции добавлением 300 мл дистиллированной воды,, И, наконец, с помощью фильтрации, концентрируют объем раствора до 25 мл.
2. Окрашивание Решения для Gray волос кератина
- Готовят следующие шесть полимерных растворов: полимерные красители, полимерные красители / FeSO 4, полимерные красители / FeSO 4 в рН 3 воды, полимерные красители / FeSO 4 в рН 11 воды, полимерные красители / FeSO 4 с помощью уксусной кислоты, и полимерные красители / FeSO 4 с аммиаком.
- Для получения полимерного красителя, смешать 5 мл дистиллированной воды с 1 мл обессоленной полимерных красителей (1.4).
- Для протравы растворов, добавляют 0,33 г FeSO 4 к смеси , полученной на стадии 2.1.1. Энергично вихрь , чтобы растворить FeSO 4 полностью.
- Для рН 3 или 11 водного раствора, регулировать рН 5 мл дистиллированной воды с помощью 1 N HCl или 1 N NaOH. Затем добавьте 1 мл обессоленной полимерных красителей (1.4) и 0,33 г FeSO 4.
- Для получения уксусной кислоты- или аммиака обрабатывают раствором, смешивают 1,0 мл Г.Л.acial уксусной кислоты или 1,0 мл аммиачной воды с 5 мл дистиллированной воды. Затем добавьте 1 мл обессоленной полимерных красителей (1.4) и 0,33 г FeSO 4.
- Для получения растительных мономеров, смешайте катехин (0,1 г) и (+) - катехин гидрат (0,1 г) в 6 мл дистиллированной воды, с или без 0,33 г FeSO 4, чтобы пропитать волосы в.
- Как только крашение решения от шага 2.1 и 2.2, получают, полностью впитаться 5-сантиметровые серые человеческие локоны волос (0,2 г) в растворах. Инкубируйте локоны волос при 32 ° C в инкубаторном шейкере (160 оборотов в минуту) в течение 2,5 ч.
- Затем вынуть локоны волосы и промыть их проточной водой. Используйте электронный фен для волос, чтобы удалить влагу. Изменение цвета, вызванное полимерных красителей могут быть визуализированы с невооруженным глазом.
- Для получения цветовых параметров (то есть, L *, а * и б *), использовать обычный колориметр в соответствии с протоколом производителя. Сомните волосам тresses в клубок, что позволяет им быть измерена с объективом колориметр. Повторите этот процесс на другом участке волос с колориметр объективом.
- Измерение цветовых параметров каждого окрашенного локона семь раз. Вычислить средние значения и стандартные отклонения параметров. Вычислить & Delta ; E по формуле: [(100 - L *) 2 + (а *) 2 + (B *) 2] 1/2.
3. Испытания Цвет Прочность
- Растворить 200 мг додецилсульфата натрия (SDS) в 40 мл дистиллированной воды. Замачивание окрашенные волосы полностью в ДСН-содержащей воды в течение 5 мин при комнатной температуре. Выньте локоны волос, а затем ополосните их с достаточным количеством проточной водой, чтобы удалить моющие средства. Используйте электронный фен для волос, чтобы удалить влагу.
- Для получения цветовых параметров (то есть, L *, а * и б *), использовать обычный колориметр в соответствии с производстПротокол Эра. Повторите замачивания, описанный в шаге 3.1 еще раз с тем же окрашенных волос, а затем измерить параметры снова.
- Растворить 800 мг SDS в 40 мл дистиллированной воды. Как описано на шаге 3.1, повторите замачивания в два раза больше, с тем же самым окрашенными волосами. В целом, относиться к каждому окрашенную прядь волос с раствором SDS в общей сложности четыре раза.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Во- первых, крашение способность полимерных красителей сравнивали с растительного происхождения , мономеров (то есть, катехин и катехина). Полимерные красители вызывали значительное изменение в цвете серого кератина волос (фиг.2А и на фиг.3), в то время как врожденный серый цвет волос остается очень стабильным с растительными мономерами (данные не показаны). Эффекты mordanting агентов на красящих способности полимерных продуктов Затем оценивали. Как видно на рисунке 2А, добавление ионов Fe не привело к увеличению значения серого Delta ; E кератина волос. Тем не менее, цвет волос был значительно изменен с использованием ионов Fe (рисунок 3). Для того, чтобы проверить, можно ли mordanting агенты вызывают окрашивание с растений фенольных мономеров, ионы Fe были также добавлены к мономеров без окислительной полимеризации. Как только ионы железа растворили с мономерами в ACIDIC ацетат натрия реакционный буфер, глубокий черный цвет появился сразу (данные не показаны). Кроме того, комплексы Fe и растительных мономерных фенолов оказались эффективными при окрашивании седые человеческие волосы, что приводит к эффективной трансформации серого цвета до темно - черный (рисунок 3). Величина & Delta ; Е в результате чего из фенольного красителя Fe-завод был выше , чем у полимерных красителей (фиг.2А).
Для того, чтобы оценить, влияет ли изменение рН эффективность окрашивания волос кератина с ионно-полимерных красителей комплексов Fe, низким значением рН (рН от 3 скорректированных и уксусной кислоты, содержащей воды) и высокое значение рН (рН от 11 скорректированных и содержащий аммиак воды) были испытаны. Как видно на фигуре 2А, такие изменения рН приводит к небольшим изменением величины & Delta ; Е, в отличие от эффекта полимерных красителей. Тем не менее, видимые цвета от окрашенных волос было заметно меняться в зависимости от того, какой рН-наладочныеАгент был использован (рисунок 3). Интересно отметить, что цвет волос в результате использования HCl отличались от, вытекающей из уксусной кислоты, несмотря на их, по-видимому аналогичные роли в контроле рН. Различные цвета волос также в результате NaOH и аммиака. Все три цветовые параметры (т.е. L * в диапазоне от 0 (черный) до 100 (белый), а * в диапазоне от -100 (зеленый) до 100 (красный), и б * в пределах от -100 (синий цвет) до 100 (желтый )) нашей окрашенными волосами сравнивались, как показано на фигуре 2В. Хотя эти значения лишь незначительно & Delta ; E отличаются для различных условий крашения, параметры цвета были относительно несопоставимые (Фигура 2В), в соответствии с различными видимые цвета локонов волос (рисунок 3).
И, наконец, сопротивление моющее средство окрашенных волос проверялось. Как видно на рисунке 4, все окрашенные волосы обычно поддерживают их16, значения E от повторных обработок ДСН, указывающие, что полимерные красители с добавлением или без mordanting привели к постоянной крашения. Когда использовались растительные мономеры без полимеризации, значения & Delta ; E были обратно пропорциональны количеству ДСН обработки , которые применяются (рисунок 4). В отличие от этого , окраска была более стабильной , когда использовались только или с FeSO 4 полимерные красители.
Рисунок 1. Схема установки синтеза фенола на основе полимерного красителя и его применение в кератина окрашивания волос. Простой и быстрый метод для окрашивания волос кератина в различных оттенков цвета при использовании экологически чистых и возобновляемых источников растительного происхождения , фенольные показан. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. Оценка Цвет окрашенных волос. (А) значения (± & Delta ; Е SD, п = 7) и (В) распределение трех цветовых параметров (L *, а * и б *) при различных условиях реакции. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3. фотографические изображения краски для волос в различных условиях реакции (а) Вирджинские серого человека только волоски. (Б) Полимерное красители; (C) , полимерные красители / FeSO 4; (D) , полимерные красители / FeSO 4 с помощью уксусной кислоты; (E) Полимерные красители / FeSO 4 в 11 рН воды; (F) Полимерные красители / FeSO 4 в 3 рН воды; (G) Полимерные красители / FeSO 4 с аммиаком; (Н) Мономеры / FeSO 4. Шкала бар составляет 0,5 см. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4. Цвет долговечность окрашенных волос до повторных обработок моющее средство. Большие стабилизирующие эффекты прямого окрашивания (полимерных красителей) и mordanting с полимерной продукции (полимерные красители / FeSO 4) , а не с mordanting мономеров были показаны (Мономеры / FeSO 4) ( ± SD, п = 7). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы просмотреть LARGER версия этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Интересно, что наш метод уменьшил время, которое потребовалось, чтобы окрасить кератина волос с окислителем индуцированное полимеризациях природных фенольных соединений. Он также индуцированный различные цвета в волосах с помощью простых манипуляций полимерных красителей, таких как изменение рН и применения протравы.
В месте инкубации кератина волос с лакказы катализируемого окисления растительных фенолов требует чрезмерно длительного времени инкубации для достижения эффективного окрашивания 7. Такие медленная кинетика крашение может быть из-за плохого связывания способности растительных фенолов и исходных олигомеров, имеющих очень низкую молекулярную массу, тем самым задерживая начальное время фактического окрашивания волос до полимеров с относительно высокими молекулярными массами образуются. Быстро для окрашивания волос и цвета прочность наблюдается при непосредственном использовании полимерных изделий (фиг.2А и 4) решительно поддерживают выше гипотезу. Увеличение связывающей способности и наличие CHRomophore в полимерах, возможно, способствовали быстрой скорости постоянного окрашивания волос. Хотя другие исследователи показали , что некоторые мономерные фенолы способны хорошо связываются с определенными поверхностями, связывании прочность при наличии внешних раздражителей неясна, поскольку авторы оценивали связывающие явления в очень мягких условиях , 10, 11. Кроме того, хромофор не присутствовал в мономерной тестируемых соединений. Таким образом, наиболее важным шагом в этом протоколе является использование продуктов, полученных после 24 ч, инкубированных реакций, так как большое количество высокой молекулярной массы, красочные фенольные полимеры, обладающие сильными связующими свойствами, таким образом, достаточно образованы.
Несколько исследований использовали металлические ион-фенольные комплексы окрасить ткани 12, 13 Существуют два возможных механизма этих явлений крашения:. Ион металла-фенольные комплексы действуют как хромофоры, или ионы металлов двунаправленным скоординировать фенолы и SurfacЕ. С. окрашиваемый, что приводит к сильному прикрепления комплексов. Изменчивость в цвете волос в зависимости от присутствия ионов Fe (Фигуры 2В и 4) согласуется с обоих вышеуказанных механизмов, так как координация ионов металла с полимерным продуктов и мономеров может приводить к изменению и генерации цвета, соответственно , Кроме того, подробные координационные связующие структуры могут быть модулируется изменения рН, как это наблюдается в системах доставки лекарственных средств 14. Таким образом, не разумно предположить, что mordanting сопутствующим с изменениями рН приведет к различным изменениям цвета с помощью структурных преобразований хромофора. В общем, mordanting как полагают, увеличивает красильный способность природных растительных экстрактов 13. Тем не менее, сходство значений & Delta ; Е полимерных красителей с и без Fe ионов (рис 2А) показали , что координация Fe с красителями в основном измененияd хромофора, в результате чего окрашенные волосы разного цвета, как показано на рисунке 3. Высокий рН приведет к высоким значениям & Delta ; Е из окрашенных волос, так как высокие агенты рН , такие как аммиачная вода , как известно, вызывают кератиновые волокна становятся раздутыми, тем самым увеличивая окрасить скорости диффузии 8. Такие рассеянные красители затем захвачена, когда матрицы волос закрутите. Тем не менее, & Delta; E значения окрашенных волос мало меняются с высоким рН или аммиака, что указывает на способность полимерных красителей для связывания на поверхности волос лучше описывает окрашивания волос в данном протоколе, чем это делает кератин набухание.
Цвет прочность очень важна в окрашивания волос, а также способы крашения следует производить красители, которые прочно в присутствии внешних раздражителей. В частности, ежедневно шампунем является наиболее важным стимулом , который выцветает окрашенных волос 8. Как видно на рисунке 4, наши методы крашения были очень устойчивы к многократным обработок SDS. Чем больше СТАbilizing эффекты прямого окрашивания (полимерные красители) и mordanting с полимерной продукции (полимерные красители / FeSO 4) , а не mordanting с мономерами (Мономеры / FeSO 4), как показано на рисунке 4, может быть связано с большими молекулярными весами полимерных красители. Эффективность, с которой ионы металла мостиками краситель и кератина поверхность полимерного по-видимому, зависит от среднего размера молекул красителя. Волосы состоит из различных веществ, в том числе меланина, аминокислоты, белки и липиды 15. Дальнейшие исследования должны быть проведены, чтобы подтвердить, является ли этот протокол эффективен на различных типах человеческих волос. Кроме того, даже если наши материалы, полученные из природных источников, тест строгой токсичности по отношению к клеткам человека требуется для того, чтобы полностью гарантировать нетоксичность.
В целом, мы здесь при условии четко определенный метод, чтобы вызвать постоянный кератина для окрашивания волос, с использованием экологически чистых материалов в Commercially приемлемо короткий период времени. На основании наших данных, раскрывающих свойства прямого связывания полимерных красителей для волос кератином, будут разработаны дополнительные методы, позволяющие наши полимерные красители выступать в качестве активных компонентов в коммерциализированных ППД на основе волос красящих продуктов.
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).
