Les utilisations biocatalytiques des enzymes ont énormément augmenté ces dernières années car elles sont écologiquement correctes, ont une spécificité élevée, présentent une chimiorégiono-énantio-sélectivité et présentent une grande diversité de réactions. De plus, les conditions d’obtention et d’optimisation de la production d’enzymes en termes de nutriments, de pH, de température et d’aération sont facilement contrôlées dans les bioréacteurs. Les microorganismes peuvent également être manipulés génétiquement pour améliorer les caractéristiques souhaitables d’un biocatalyseur. Ces caractéristiques ont encouragé la recherche toujours croissante de processus biocatalytiques. L’objectif de notre étude était d’utiliser un processus enzymatique pour obtenir des hydrolysats de kératine pour les produits de soins capillaires. Actuellement, les hydrolysats de kératine commerciaux sont obtenus par hydrolyse chimique. La méthode proposée est respectueuse de l’environnement et produit un hydrolysat clair. En revanche, les hydrolysats commerciaux ont une couleur sombre due à la présence d’acide. La couleur claire est un avantage lors de l’incorporation d’hydrolysat de kératine dans des produits cosmétiques pour les cheveux ou la peau. Les protéines de lactosérum de masse moléculaire inférieure à 10 kDa se caractérisent par une allergénicité réduite. Il est donc souhaitable d’obtenir des fractions de masses moléculaires inférieures à 5 kDa dans le processus d’hydrolyse. De plus, Eremeev et al ont démontré l’activité antioxydante des hydrolysats de kératine. La première étape de ce travail consistait à transformer les plumes en peptides et acides aminés kératiniques par des peptidases et des kératinases produites par Bacillus subtilis. La figure 3 montre que les plumes ont été dégradées (90-95%) par le microorganisme après cinq jours de croissance dans le milieu. Les kératinases et peptidases peuvent agir sur d’autres résidus de kératine dont la poudre de laine et de corne. Les kératinases sont appliquées dans les industries des aliments pour animaux, des engrais, des détergents, du cuir et des produits pharmaceutiques.
Témoin A : Bacillus subtilis dans un milieu contenant des plumes (temps 0) et B Après 5 jours de croissance dans un milieu contenant des plumes.
Certains rapports ont décrit la production de kératinases par des espèces de Bacilles telles que B. subtilis KD-N2; B. pumilus KS12, B. megaterium SN1. Cependant ces travaux décrivent l’isolement de nouvelles souches, la production de mutants et la caractérisation des kératinases suggérant ses applications potentielles. Dans notre étude, nous nous sommes concentrés sur l’hydrolysat de kératine de plume produit par B. subtilis, en particulier les peptides, et le but de nos travaux était d’analyser l’effet de l’hydrolysat sur la fibre capillaire. Différentes méthodologies d’analyse des kératinases ont été utilisées par d’autres auteurs et cette grande variabilité rend difficile la comparaison des résultats. Cependant, la souche native de Bacillus subtilis utilisée dans le présent manuscrit a montré une excellente activité protéolytique (gélatinase) avec une production de 350 U/ml et 400 U/ml de kératinases et de protéases respectivement.
Les peptides de kératine formés par dégradation enzymatique ont été analysés par spectrométrie de masse de désorption/ionisation-temps de vol assistée par matrice (MALDI–TOF). Tout d’abord, en comparant les deux spectres, nous pouvons observer les profils distincts des deux hydrolysats. Les pics multiples correspondant aux peptides de faible poids moléculaire principalement compris entre 800 et 1079 m/z ont été produits par Bacillus subtilis (Figure 4A). On peut également observer des ions avec m/z compris entre 1171,57 et 1758,96. Alors que pour la préparation commerciale d’hydrolysat de kératine KH1, les pics étaient concentrés dans la plage de 900 à 1400 m/z comme le montre la figure 4 (B). Plusieurs pics entre 1400 et 2100 peuvent également être vus sur la même figure. Ainsi l’hydrolysat produit par B. subtilis contient des peptides de masses moléculaires plus faibles. Ces peptides de faible poids moléculaire peuvent pénétrer plus efficacement dans la fibre capillaire et cette caractéristique est une différence positive par rapport aux hydrolysats commerciaux. Un travail précédent de notre groupe utilisant les cheveux humains comme substrat a démontré de multiples pics de 816 à 2080 m⁄z après 4 jours de culture. L’analyse de masse moléculaire du surnageant de culture produit par le B.la souche subtilis SLC utilisant des plumes comme substrat a révélé que la plupart des peptides, dérivés de plumes de poulet, présentaient une masse moléculaire comprise entre 500 et 3000 daltons. Dans un Meiothermus ruber thermophile H328, l’analyse MALDI TOF de produits solubilisés après croissance sur milieu plume n’a détecté que des oligopeptides de moins de 1000 Daltons. Ces résultats confirment que les enzymes microbiennes produisent des peptides de masse moléculaire plus faible.
Analyse MALDI-TOF MS des hydrolysats enzymatiques de kératine de plumes par Bacillus subitilis (A) et un hydrolysat commercial (KH1) (B). Pour plus de détails, voir Matériaux et méthodes.
Une analyse préliminaire des hydrolysats de kératine enzymatiques a été effectuée par chromatographie sur couche mince (HPTLC) et des peptides et des acides aminés de masse moléculaire inférieure ont été observés comme le montre la figure 5, voie 2, par rapport à l’hydrolysat commercial (KH1) de la voie 3. L’acide aminé glycine de la voie 1 a été utilisé comme étalon.
Analyse HPTLC des peptides de kératine après filtration par ultrafiltration dans le système Amicon (Millipore, 1000 Daltons). 1- Acide aminé glycine. Peptides de kératine à 2 plumes obtenus par hydrolyse enzymatique. 3 – Hydrolysat commercial (KH1).
Après fermentation, l’hydrolysat enzymatique avait une concentration en protéines de 3,5 mg / ml. Après filtration, la teneur en protéines est passée à 1,5 mg/ml, ce qui correspond à un pourcentage de 42,8% par rapport à la protéine totale. L’hydrolysat enzymatique a été appliqué sur les mèches de cheveux à une concentration de 10% comme décrit dans Matériaux et Méthodes et sur la Figure 2.
L’hydrolysat a été appliqué à l’aide d’un shampooing doux et d’un conditionneur de rinçage préparés selon les tableaux 1 et 2. Le tableau 3 montre qu’il y a une augmentation de l’hydratation pour tous les cheveux traités avec les hydrolysats enzymatiques et avec le lisseur à 180°C. Sans l’application de chaleur, le processus n’était pas efficace, ce qui suggère que le chauffage est important pour incorporer les hydrolysats dans les cheveux.
Les hydrolysats de protéines, en particulier ceux ayant une distribution de faible poids moléculaire – c’est-à-dire < 1000 Daltons sont connus pour apporter une protection et un soin efficaces aux cheveux. Diverses sources de protéines ont été utilisées pour produire des hydrolysats. Les protéines de blé, la kératine de laine et les hydrolysats collagènes sont des exemples qui ont été utilisés dans les produits de soins de la peau et des cheveux personnels et sont connus pour conférer une compatibilité, une sensation, une hydratation améliorées et aider à maintenir la structure naturelle. Dans les produits de soins capillaires, les peptides de poids moléculaire inférieur ont deux effets: 1) Ils sont capables de pénétrer le cortex de la fibre capillaire et 2) Ils peuvent favoriser un revêtement de surface. La pénétration semble être plus profonde avec des traitements plus longs. En outre, les cheveux décolorés présentent un niveau de pénétration des hydrolysats plus élevé par rapport aux cheveux témoins non abîmés. Ces propriétés ont des effets bénéfiques sur la structure du cheveu en remplaçant la kératine perdue et ont également un effet anti-âge. L’effet du peptide de kératine de laine sur la peau en formulation aqueuse ou en liposome a été étudié par et une augmentation de l’hydratation et de l’élasticité résultant de l’application du peptide de kératine a été observée.
L’effet de l’application de l’hydrolysat enzymatique sur la fibre capillaire a été évalué par MEB (Figures 6, 7 et 8). Toutes les figures montrent des micrographies de fibres capillaires traitées et non traitées avec l’hydrolysat enzymatique. Une augmentation de la luminosité et de la douceur a été observée par analyse sensorielle (données non représentées). Cependant dans les micrographies, des dépôts d’hydrolysats de kératine de plumes ont été observés à la jonction des cuticules de tous les types de cheveux. Ce dépôt collabore probablement à l’étanchéité des cuticules. La chaleur est également essentielle pour l’étanchéité complète des cuticules. Les fibres colorées ont bénéficié des hydrolysats lorsqu’elles sont appliquées à chaud (Figure 6C, D). Les hydrolysats adhéraient davantage aux fibres capillaires préalablement colorées et lissées (Figure 7C, D) indiquant que la combinaison de coloration et de lissage favorise l’action des peptides de kératine. La figure 8 (A, B) montre que le traitement de blanchiment a favorisé des dommages accentués à la fibre capillaire. L’apparition du bord d’attaque des écailles de la cuticule indique une rupture des écailles (B). L’application des hydrolysats enzymatiques à la chaleur a collaboré pour l’étanchéité des cuticules mais leurs bords sont restés cassés (C, D).
Analyse en microscopie électronique à balayage (MEB) des cheveux colorés A, B – Témoin; C, D – Après le traitement avec les hydrolysats enzymatiques et le lisseur à 180 °; E, F – Après le traitement avec les hydrolysats enzymatiques sans chaleur. Les flèches indiquent des dépôts d’hydrolysat enzymatique de plumes.
Analyse par micrographie SEM de cheveux colorés et lissés après traitement par hydrolysat enzymatique. Cheveux traités A, B – Témoin ; C, D – Après traitement avec les hydrolysats enzymatiques et lisseur à 180° ; E, F – Après traitement avec les hydrolysats enzymatiques sans chaleur, Noter le dépôt des hydrolysats enzymatiques sur les écailles (flèche).
Des images microscopiques à balayage électronique obtenues à partir d’un cheveu blanchi non traité (A, B) et traitées avec les hydrolysats enzymatiques avec chaleur (C, D) ou sans chaleur (E, F). La flèche noire indique le dépôt de peptides à partir des hydrolysats enzymatiques et la flèche blanche montre les bords cassés de la cuticule.
Lorsque la chimie des cheveux est modifiée, certaines des propriétés naturelles des cheveux sont compromises. Plusieurs mécanismes peuvent endommager la fibre capillaire. Par exemple, les contraintes environnementales et le rayonnement UV photo-oxydent les protéines. La photo-oxydation des protéines entraîne le clivage des liaisons disulfures qui réticulent les protéines et la rupture des liaisons thioester, ce qui entraîne la libération de lipides de surface liés et la perte de la structure des cheveux. Ces réactions entraînent une détérioration des propriétés des cheveux, perceptible par les consommateurs sous la forme d’une mauvaise maniabilité, d’une sécheresse et d’une fragilité, d’une perte de brillance et, dans les cas extrêmes, d’une diminution de la force. Certains traitements cosmétiques comme le curling permanent, la coloration permanente, la décoloration et la relaxation / lissage sont connus pour modifier les propriétés des cheveux. Même les manipulations cosmétiques telles que le peignage et le brossage quotidiens peuvent endommager les cheveux. Récemment, Cao et al ont utilisé différentes concentrations du bouillon de fermentation (plumes de poulet) obtenu à partir de Stenotrophomonas maltophilia, dans les cheveux. Le surnageant est incubé pendant 30 min. Le bouillon s’est avéré protecteur pour les cheveux, comme en témoigne la flexibilité et la force améliorées pour les cheveux normaux et abîmés.
Sionkowska, et al en utilisant la spectroscopie UV-Vis, la transformée de Fourier, la spectroscopie infrarouge (FTIR) et la spectroscopie de fluorescence, ont évalué l’influence de l’irradiation UV sur les hydrolysats de kératine. De nouveaux photoproduits se sont formés lors de l’irradiation UV des hydrolysats de kératine et une légère augmentation des espèces de soufre oxydées a également été observée. Les auteurs ont proposé que la photodégradation des hydrolysats de kératine pourrait être une méthode utile pour la préparation d’hydrolysats de plus faible poids moléculaire. Dans le présent travail, une augmentation de l’hydratation, de la luminosité et de la douceur a été observée dans les différents types de cheveux après le traitement avec 10% de peptides de kératine obtenus par le processus d’hydrolyse enzymatique. L’utilisation de plumes, un déchet industriel généré par la volaille comme source de biomasse pour le processus est très intéressante car cette matière première est bon marché et elle est bio transformée en un nouveau produit avec une valeur agrégée. Actuellement, les hydrolysats de kératine sont généralement préparés à partir de parties animales contenant de la kératine, telles que des plumes, des cornes, des sabots, des poils et de la laine. Les acides aminés aromatiques (tryptophane, tyrosine et phénylalanine) et la cystine (acide aminé contenant du soufre) jouent un rôle central dans la photochimie de la kératine. Certaines industries ont développé des produits qui utilisent un complexe de 18 acides aminés libres dérivés de protéines de blé, de maïs et de soja pour imiter la composition naturelle de la kératine. La teneur élevée en acides aminés soufrés du soja est similaire à celle des cheveux humains et de la laine. Cependant, la kératine est une protéine irremplaçable en ce qui concerne ses propriétés mécaniques et protectrices.
La méthode enzymatique décrite dans le présent travail peut être utilisée pour les déchets / résidus industriels en général pour produire des produits à valeur ajoutée. Des études antérieures dans la littérature ont décrit l’utilisation de kératinases / peptidases pour le recyclage de la kératine de plumes jetée par l’industrie avicole. Le présent travail rend compte pour la première fois de l’utilisation des peptides de kératine dans l’industrie cosmétique, spécialement axée sur le segment des soins capillaires. Compte tenu de tous ces facteurs, la méthode enzymatique de production de peptides de kératine pour les produits de soins capillaires est une méthode attrayante et écologique avec un grand potentiel dans l’industrie cosmétique.
