Brevet FR3161359A1 — publié le 20251024

L’invention se rapporte au domaine des procédés d’extraction de kératine. Plus particulièrement, l’invention concerne un procédé d’extraction de kératine d’origine humaine à partir de cheveux, sans produits chimiques. La kératine obtenue est de haute qualité, sa composition en acides aminés étant proche de celle de la kératine native, et peut être utilisée dans des applications à haute valeur ajoutée telles que la cosmétique ou les dipositifs médicaux. Le bio-mimétisme entre la kératine extraite par ce procédé d’extraction, et la kératine naturelle du cheveu est de plus de 90%. PROCEDE D’EXTRACTION DE KERATINE HUMAINE A PARTIR DE CHEVEUX L’invention se rapporte au domaine des procédés d’extraction de kératine. Plus particulièrement, l’invention concerne un procédé d’extraction de kératine d’origine humaine à partir de cheveux, sans produits chimiques. La kératine obtenue est de haute qualité, sa composition en acides aminés étant proche de celle de la kératine native, et peut être utilisée dans des applications à haute valeur ajoutée telles que la cosmétique ou les dipositifs médicaux. Le bio-mimétisme entre la kératine extraite par ce procédé d’extraction, et la kératine naturelle du cheveu est de plus de 90%. Domaine de l’invention La kératine est une protéine riche en acides aminés de type cystéine. Les cystéines ont la capacité de former des ponts disulfure entre elles ce qui confère à la kératine une structure tertiaire particulière hélicoïdale et fibreuse. La chevelure humaine est constituée d’environ 8 % de cystéine. La kératine est très recherchée pour des applications cosmétiques, notamment des soins capillaires et des crèmes et sérums à usage cutané, mais aussi pour traiter des fragilités osseuses et cartilagineuses. La kératine est une protéine fibreuse dotée d'une structure complexe qui lui confère des propriétés mécaniques remarquables, notamment sa résistance, sa flexibilité et sa durabilité. La composition en acides aminés de la kératine peut varier légèrement d’une espèce à l’autre, mais en général, elle est riche en acide-aminés non essentiels, en particulier la cystéine, qui joue un rôle clé dans la formation des ponts disulfures responsables de la structure stable de la kératine. Cette structure est basée sur des liaisons disulfures et des motifs d'acides aminés répétitifs qui varient en fonction de la localisation et de la fonction spécifique de la kératine dans le corps. Des procédés d’extraction de kératine à partir de matière animale sont connus de l’état de la technique. Le document EP3984372 décrit un procédé d’extraction de matière kératinique partiellement hydrolysée à partir de diverses sources de kératine animale : plumes, laine, cheveux, ongles… Le document US20190194297 décrit un procédé d’extraction de kératine à partir de poils de porc. La matière est tout d’abord lavée dans une solution contenant un détergent non ionique. La kératine extraite présente un taux de cystéine de 2,9%. Le document WO2019/209188 décrit un procédé d’extraction de kératine-béta à partir de cheveux humains grâce à l’utilisation de deux solvants : le GhCrosolan, et le CutissentialBehenly 18-MEA, composé de méthosulfate de behentrimonium, solvant chimique considéré toxique selon la classification REACH. Ce procédé se déroule sur 48h. les caractéristiques de la matière extraite ne sont pas divulguées. Inconvénients de l’état de l’art Les procédés antérieurement décrits ne permettent pas d’obtenir une kératine de bonne qualité à savoir dont la structure est proche de celle de la kératine native et qui soit hautement purifiée. L’utilisation de solvants chimiques pour nettoyer la matière en amont de l’extraction peut laisser des traces dans le produit fini et constitue un déchet qui doit être traité (pollution). De plus, l'ambition principale des protocoles d'extraction de la kératine vise à transformer efficacement les déchets organiques en ressources précieuses. Toutefois, la démarche traditionnelle, impliquant l'utilisation intensive de produits chimiques, soit pour le nettoyage initial des déchets, soit lors du processus d'extraction lui-même, soulève des contradictions évidentes avec les principes de développement durable et de valorisation des déchets. Les kératines disponibles sur le marché sont soit d’origine animale (non humaine), soit d’origine végétale. Vis-à-vis des kératines d’origine animale, il est préférable de disposer d’une kératine d’origine humaine pour des applications chez l’homme : elle sera plus efficace en raison de son affinité biologique. En effet, il est connu que pour améliorer la biocompatibilité de la kératine animale ou végétale pour des applications chez l’homme, des additifs ou fixateurs peuvent être utilisés. En effet, une kératine d’origine humaine présente une meilleure spécificité, complémentarité avec nos récepteurs cellulaires humains. Ceci est décrit dans la publication WO 2019/209188A1. On y explique que la kératine humaine, extraite des cheveux, en raison de sa conformation spatiale, aura une complémentarité complète avec les récepteurs cellulaires chez l’Homme. En ce qui concerne la kératine végétale, celle-ci n’existe pas à proprement parler. En effet, la kératine n’est décrite que chez les mammifères et les reptiles. La kératine dite « végétale » est en réalité une protéine structurale d’origine végétale (ex : cellulose) ou une composition protéique issue de plantes. Il serait souhaitable de disposer de kératine d’origine humaine de bonne qualité et d’un procédé industrialisable pour la produire. Face aux problématiques exposées ci-dessus, les inventeurs ont developpé un procédé innovant qui se distingue de ceux de l’art antérieur en ce qu’il permet la récupération et la valorisation de la kératine à partir de cheveux, une ressource abondante avec plus de 4000 tonnes de déchets générées annuellement en France. Ce faisant, ce procédé s’affranchit pratiquement de tout impact nocif sur l'environnement, s'alignant ainsi parfaitement sur les objectifs de préservation écologique et de valorisation des déchets. Ainsi, la présente invention concerne un procédé d’extraction de kératine humaine à partir de cheveux défini par les étapes suivantes : Lavage des cheveux à l’eau en l’absence de produit chimique Récupération des cheveux lavés et séchage Broyage des dits cheveux pour obtenir des morceaux d’une taille inférieure à 5 mm Mélange des cheveux broyés avec de l’eau désionisée, en appliquant un ratio poids de cheveux/volume d’eau compris entre 300 et 800 g/L Réaction d’extraction dans un réacteur thermal fermé hermétiquement en 3 étapes : 20 min à 1h à 140°C 20 min à 1h à 180°C 30 min à 1h30 à 205°C Centrifugation à 4000 tr/min à 4°C et récupération du surnageant Ultra filtration Filtration stérilisante à travers une membrane à pores de 0,2 µm Séchage de la kératine Avantages de l’invention Le procédé objet de l’invention permet d’extraire la kératine contenue dans le cheveu humain avec un bon rendement, tout en conservant une composition en acides aminés proche de celle de la kératine native. Ceci est reflété par la haute teneur en cystéine de la kératine extraite. Ce procédé n’utilise pas de produit chimique, ni pour le lavage des cheveux, ni lors de l’étape d’extraction de la kératine. Le produit « kératine extraite » est donc dépourvu de tout résidu toxique et présente une forte naturalité. La kératine extraite contient 20 acides aminés et a une composition très proche de celle de la kératine native, notamment par sa haute teneur en cystéine. La kératine humaine est plus compatible avec les processus biologiques humains que la kératine d’origine animale ou « végétale », ce qui en fait une source de choix pour toutes les applications chez l’homme que ce soit en cosmétique ou dans les dispositifs médicaux. De plus, le procédé est rapide, l’extraction peut être réalisée en 4h, et est industrialisable. Il permet l’accès de secteurs exigeants quant au choix des matières premières, comme la cosmétique ou le nutraceutique, à une kératine d’origine humaine de haute qualité. Cette haute qualité est attestée en particulier par sa haute teneur en cystéine, à savoir de 6% - la kératine native ayant un taux de cystéine d’environ 8%. Ce procédé apporte une solution de valorisation « greentech » des cheveux en tant que déchets, qui sont sinon majoritairement incinérés. En France, ils représentent environ 4.000 tonnes qui génèrent ainsi plus 100.000 tonnes de CO 2 par an. Ce procédé propre chimiquement transforme une ressource sous valorisée en un produit à haute valeur ajoutée, unique sur le marché mondial. La présente invention met donc à disposition le premier procédé d’extraction de la kératine humaine de haute qualité sans produit chimique et qui est industrialisable. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION Un premier objet de l’invention concerne un procédé d’extraction de kératine à partir de cheveux humains comprenant les étapes de : Lavage des cheveux à l’eau en l’absence de produit chimique Récupération des cheveux lavés et séchage Broyage desdits cheveux pour obtenir des morceaux d’une taille inférieure à 5 mm Mélange des cheveux broyés avec de l’eau désionisée, en appliquant un ratio poids de cheveux/volume d’eau compris entre 300 et 800 g/L Réaction d’extraction dans un réacteur thermal fermé hermétiquement en 3 étapes : 20 min à 1h à 140°C 20 min à 1h à 180°C 30 min à 1h30 à 205°C Centrifugation à 4000 tr/min à 4°C et récupération du surnageant Ultra filtration Filtration stérilisante à travers une membrane à pores de 0,2 µm Séchage de la kératine Les cheveux sont couverts de sébum et matières contenues dans l’air (pollution, pollen…) ou toute autre matière avec lesquelles ils peuvent entrer en contact. Il est donc nécessaire de les laver soigneusement avant de débuter le traitement d’extraction de la kératine. Dans le cadre de la présente invention, ce lavage se fait à l’eau, sans aucun produit chimique. De préférence, le lavage comprend plusieurs bains successifs, afin d’éliminer les substances lipidiques et les impuretés et contaminants de toute sorte qui pourraient affecter la qualité du produit final. L’eau utilisée pour ces lavages est préférentiellement de l’eau désionisée (à pH environ 7). Afin de faciliter la délipidation et l’élimination des impuretés, les lavages sont réalisés à une température comprise entre 45°C et 60°C. De préférence, les cheveux sont rincés à l’eau désionisée entre 1 et 3 fois préalablement à ladite étape de lavage. Ce rinçage peut se faire sous agitation mécanique douce. Dans un premier mode de réalisation, le lavage des cheveux à l’eau comprend au moins un cycle de lavage par trempage dans de l’eau désionisée pendant 30’ à 1h30 à une température comprise entre 45 et 60°C suivi d’un rinçage à l’eau désionisée à une température comprise entre 45 et 60°C. Le nombre de cycles de lavages peut être 2, 3 ou plus selon le niveau de salissure des cheveux. Dans un deuxième mode de réalisation, le lavage des cheveux à l’eau comprend trois cycles de lavage par trempage dans de l’eau désionisée pendant 30’ à 1h30 à une température comprise entre 45 et 60°C suivi d’un rinçage à l’eau désionisée à une température comprise entre 45 et 60°C. Après ce traitement, les cheveux peuvent être à nouveau rincés à l’eau, 1 à 3 fois. Après avoir été lavés, les cheveux sont récupérés, par exemple par filtration, puis séchés. Le séchage peut être réalisé à température ambiante ou bien en appliquant une chaleur douce (autour de 45°C) si l’on souhaite réduire le temps de séchage. Les cheveux secs sont ensuite broyés, par exemple à l’aide d’un broyeur à couteaux mécanique, ou un broyeur à billes mécanique. Les morceaux de cheveux après broyage doivent être assez fins, c’est-à-dire d’une taille inférieure à 5 mm, de l’ordre de 0,1 à 5 mm, autour de 1 mm. Les cheveux broyés sont mélangés avec de l’eau désionisée. Le ratio poids de cheveux/volume d’eau compris entre 300 et 800 g/L. Dans un mode de réalisation préféré, il est compris entre 500 et 700 g/L. Ce mélange peut être fait directement dans le réacteur où sera effectuée l’extraction. La densité de matière est assez élevée sans que l’efficacité du procédé en soit affectée. Ainsi, le procédé permet un bon rendement d’extraction, ce qui permet de réduire les coûts énergétiques. L’extraction est réalisée dans un réacteur thermal fermé hermétiquement afin que la montée en température s’accompagne d’une montée en pression qui contribue à l’efficacité de l’extraction. La réaction d’hydrolyse se décompose en 3 étapes, à savoir : 20 min à 1h à 140°C 20 min à 1h à 180°C 30 min à 1h30 à 205°C Ces 3 étapes constituent 3 paliers de montée en températures, permettant le dépliage progressif de la kératine et ce qui contribue à rendre l’extraction très efficace. Ceci se traduit par un aminogramme complet, tel que présenté à la FIG. 1 (et commenté ci-après). La pression dans le réacteur est très haute, avec un équivalent de 3,6 bars à 140°C en début de procédé et allant au moins jusqu’à 16 bars lorsque la température atteint les 205°C. Le produit de la réaction d’extraction est centrifugé à 4000tr/min pendant une durée pouvant aller de 10 à 30 min, par exemple pendant 15 min, à 4°C. Le surnageant contenant la kératine est récupéré. L’étape de centrifugation peut être répétée pour s’assurer que tous les débris ont bien été éliminés. Le surnageant est ensuite purifié par ultra filtration puis filtré afin d’éliminer les contaminants biologiques tels que les bactéries, les champignons et les levures. Afin que la filtration soit stérilisante, le surnageant contenant la kératine est filtré à travers une membrane dont les pores ont un diamètre de 0,22 μm ou moins. Par « ultrafiltration », on entend une méthode de séparation membranaire typiquement utiisée pour éliminer des particules en suspension telles que des bactéries, levures et virus. La taille des particules retenues peut varier entre 1 et 100 nanomètres. La kératine ainsi récupérée est séchée. Ce séchage peut être réalisé par toute technique adaptée connue de l’homme du métier telle que la lyophilisation, le spraydryer… La kératine extraite par le procédé selon l’invention présente un aminogramme très proche de celui de la kératine native, ce qui un marqueur de sa haute qualité. On observe un bio-mimétisme de plus de 90% entre la kératine extraite selon le porcédé de l’invention, et la kératine naturellement présente dans le cheveu. La FIG. 1 présente cet aminogramme sur lequel on voit la présence de 20 acides aminés. De manière remarquable, la quantité de cystéine/cystine présente équivaut à 75% de la quantité présente dans la kératine native. La présente invention sera mieux comprise à la lecture des exemples qui suivent, fournis à titre d’illustration et ne devant en aucun cas être considérés comme limitant la portée de la présente invention. DESCRIPTION DES FIGURES FIG. 1 FIG. 1 : Aminogramme de la kératine de cheveux humains extraite selon le procédé selon l’invention vs celui de la kératine native. EXEMPLES EXEMPLE 1 - Mise en œuvre du procédé d’extraction selon l’invention Lavage : Des cheveux humains bruts ont été obtenus auprès de salons de coiffure locaux. Afin d’éliminer toutes les saletés, ce matériau a été lavé 3 fois (1h/lavage) avec de l’eau desionisée (pH environ 7) à température ambiante dans des bacs en inox sous agitation mécanique douce pour éliminer toute trace des impuretés. Une simple filtration rapide de 20 minutes est ensuite effectuée. Une étape de délipidation et de désinfection qui consiste à tremper l’échantillon 3x (1h à 55° C), alternés de 3 lavages avec H 2 O propre et desionisée (pH environ 7) à 55°C est ensuite réalisée suivi de 3 lavages avec de l’eau desionisée (10 min/ lavage sous simple agitation). Les cheveux sont ensuite séchés pendant deux jours à l’air libre sur des plateaux inoxydables avec simple agitation mécanique 3 fois par jour /3 h dans un four à air pulsé à 45°C permet de récupérer les cheveux secs qui sont ensuite broyés en fins morceaux (± 1mm) à l’aide d’un broyeur à billes mécanique. Ce matériau a été ensuite utilisé comme matière première pour l’extraction de la kératine. Extraction : L’extraction de kératine a été réalisée dans un réacteur hermétique de 20 litres. La proportion cheveux-eau désionisée utilisée est de 7,5 kg de cheveux pour 12,5L d’eau pure. Le réacteur thermal fermé est équipé d’une douce agitation continue et garde une très haute pression. Aucun produit chimique n'a été utilisé pour la réaction, la vitesse de chauffage est de 5°C/min et l’agitateur est fixé à l’intérieur permettant une bonne agitation interne de la solution au cours de l’extraction. Les paliers de températures suivants ont été appliqués et respectés : 30 min à 140°C, puis 30 min à 180°C, puis 60 min à 205°C. La durée totale du procédé d’extraction est d’environ 7 heures comprenant les phases de chauffe, maintiens en température et refroidissement (4h). Le produit extrait est filtré sur une membrane de 200 μm. L’ensemble de la matière est centrifugée deux fois à 4000 tr/min pendant 30 min à 4°C (pour enlever encore les impuretés). On réalise une UltraFiltration : Une membrane sanitaire UF NFS éte installée sur le skid TIA UF/MF/NF/OI – 20E028. La membrane a éte lavée avec une solution d’hydroxyde de sodium 4% (pH = 10) et la température a éte surveillée en permanence pour s’assurer qu’elle ne dépassait pas 50 °C. Ensuite, la membrane a éte rincée à l’eau distillée (en circulation dans le Skid de microfiltration) jusqu’a ce que le perméat et le rétentat soient neutralisés pour atteindre un pH = 7. Le réservoir d’alimentation a éte vidé. La solution a éte versée dans la cuve d'alimentation. Le débit d’alimentation a éte fixé à 800 L/h avec une pression de recirculation comprise entre 10 et 36 bar. Une fois ceux-ci ajustés, la collecte du perméat a commence. Un échauffement du milieu de 20 °C à 36 °C a éte observé, et un refroidissement du compresseur du skid de filtration a éte mis en place pour éviter une élévation supplémentaire de la température. Seul le surnageant est récupéré et filtré via des filtres spécifiques. « Ref : MPGP002A1 Description : 0.22 μm membrane filter for particulate and bacteria-free water at the point of dispense for the Milli-Q® IQ, IX and EQ 7 series water purification systems ». Il s’agit d’une filtration stérilisante de l’extrait liquide (surnageant) à travers une membrane à pores de 0,2 µm permettant d’éliminer efficacement les contaminants biologiques tels que les bactéries, les moisissures et les levures. Au final un facteur de concentration volumique d’environ 30% a été atteint pour un rendement d’extraction de 35%. La solution résultante a ensuite été lyophilisée et/ou séchée au spray dryer pour obtenir une poudre kératinique de granulometrie homogène. EXEMPLE 2 : Caractérisation de la kératine extraite A - Analyse de l’aminogramme Des aminogrammes ont été réalisés afin d’obtenir le profil d’acides aminés (hydrolyse acide ou oxydante pour MET et Cystine) par chromatographie ionique/UV sur un échantillon séché. La chromatographie ionique a été utilisée pour séparer chaque acide aminé, suivie d’une détection par réaction en post-colonne. L’échantillon a été hydrolysé avant l’analyse, utilisant de l’HCl pendant 24h à 110°. Le résultat de l’amminogramme est représenté par la FIG. 1 . On note la présence de 20 acides aminés, comme dans le kératine native. Les acides aminés les plus représentés et présents sont l’acide glutamique, l’arginine, la leucine, sérine , thréonine et cystéine B - Analyse par gel SDS-PAGE : L’analyse par électrophorèse sur gel polyacrylamide (gel SDS-PAGE) a été réalisée sur un gel Mini-PROTEAN TGX 4-20% gel (12 puits, 20mL/puits, 8,6 x 6,7cm, Biorad). Les échantillons ont été préparés selon la méthode de Laemmli 4x (250mM Tris-HCl, pH 6,8, 4% LDS, 40% (w/v) glycérol, 0,02% bromophénol) en présence de b-mercaptoéthanol. Les échantillons à analyser ont été dilués afin d’introduire respectivement 10, 15, 20 et 25 mg/puit. Le standard d’identification des masses moléculaires utilisé est le « Precision Plus Protein Standard » (ref Biorad, #161-0373) contenant des protéines de 10 à 250 kDa. La migration a été effectuée à 250V, puis la coloration au bleu de Coomassie. Les résultats preliminaires montrent des bandes représentatives de masses moléculaires de protéines conformes à celles attendues ; ils sont en cours de confirmation. C - C onfirmation de la nature du produit extrait par spectrométrie de masse /MALDI-TOF L'analyse MALDI-TOF est une technique permettant de déterminer la masse des protéines, peptides, oligonucléotides, polysaccharides et d'autres molécules d'un échantillon avec précision. Cette technique permet en effet de déterminer la masse exacte de molécules inconnues. Elle utilise un laser pour ioniser ces composés qui sont placés sur un type spécial de plaque cible recouverte d'un matériau matriciel. Les ions résultants sont ensuite accélérés dans un tube à temps de vol et analysés pour obtenir des spectres de masse qui peuvent être utilisés pour identifier les molécules présentes dans l'échantillon. Les caractéristiques de l’appareil utilisé sont les suivantes : Caractéristiques Instrumentales Maldi-Tof Autoflex Bruker / UltraFleXtreme BRUKER smartbeanTM -II laser, 355 nm Fonctionnement reflectron et linéaire, mode positif Voltage d'accélération 20kV Source à extraction retardée Conditions Opératoires Echantillon L'échantillon est mis en solution dans de l'eau 0.1% TFA Matrice 10 mg/ml Dépôt 1 µl d'un mélange volumique Matrice:échantillon:adduit 10:1 ou 10:10 Tableau 1 : Caractéristiques de l’appareil utilisé pour spectrométrie de masse/MALDI-TOF Les échantillons ont été dilués 100 fois et appliqués dans une matrice d’acide α-cyano-4-hydroxycinnamique avec un dépôt volumique matrice/échantillon de 10:10. ce qui est corrélé par les analyses MALDI. Les résultats préliminaires montrent plusieurs signaux visibles. Procédé d’extraction de kératine à partir de cheveux humains comprenant les étapes de : Lavage des cheveux à l’eau en l’absence de produit chimique Récupération des cheveux lavés et séchage Broyage desdits cheveux pour obtenir des morceaux d’une taille inférieure à 5 mm Mélange des cheveux broyés avec de l’eau désionisée, en appliquant un ratio poids de cheveux/volume d’eau compris entre 300 et 800 g/L Réaction d’extraction dans un réacteur thermal fermé hermétiquement en 3 étapes : 20 min à 1h à 140°C 20 min à 1h à 180°C 30 min à 1h30 à 205°C Centrifugation à 4000 tr/min à 4°C et récupération du surnageant Ultra filtration Filtration stérilisante à travers une membrane à pores de 0,2 µm Séchage de la kératine Procédé selon la revendication 1 dans lequel ladite étape de lavage des cheveux à l’eau comprend trois cycles de lavage par trempage dans de l’eau désionisée pendant 30’ à 1h30 à une température comprise entre 45°C et 60°C suivi d’un rinçage à l’eau désionisée à une température comprise entre 45 et 60°C. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel les cheveux sont rincés à l’eau désionisée entre 1 et 3 fois préalablement à ladite étape de lavage. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel ratio poids de cheveux/volume d’eau compris entre 500 et 700 g/L. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel les étapes de la réaction d’extraction sont réalisées dans les conditions suivantes : 30 min à 140°C, 30 min à 180°C et 1h à 205°C. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel ledit séchage est réalisé par lyophilisation, ou spraydryer.