استخلاص الكولاجين بالموجات فوق الصوتية

الكولاجين غني بالبروتينات ويُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات صناعية متعددة، مثل الأغذية والمستحضرات الصيدلانية والمواد المضافة وغيرها.
يمكن بسهولة الجمع بين المعالجة بالموجات فوق الصوتية والاستخلاص الإنزيمي أو الحمضي للكولاجين.
يؤدي إدخال الموجات فوق الصوتية في عملية استخلاص الكولاجين إلى زيادة المردود وتسريع الاستخلاص.

تأثيرات الموجات فوق الصوتية على استخلاص الكولاجين

تُستخدم الموجات فوق الصوتية عالية الشدة على نطاق واسع لتحسين انتقال الكتلة في العمليات الرطبة، مثل الاستخلاص والكيمياء الصوتية وغيرها. ويمكن تحسين استخلاص الكولاجين، المعروف أيضًا بعزل الكولاجين، بدرجة كبيرة باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وتساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية في شطر ركيزة الكولاجين وتفتح لييفات الكولاجين، مما يُيسّر التحلل المائي الإنزيمي أو المعالجة الحمضية.

الاستخلاص الإنزيمي بمساعدة الموجات فوق الصوتية

تُعرف المعالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرتها على زيادة نشاط الإنزيمات. ويستند هذا التأثير إلى تشتيت تجمعات البيبسين وتفكيك تكتلاتها بالموجات فوق الصوتية. وتوفر الإنزيمات المشتتة بصورة متجانسة مساحة سطح أكبر لانتقال الكتلة، وهو ما يرتبط بزيادة نشاط الإنزيمات. إضافةً إلى ذلك، تفتح الموجات فوق الصوتية القوية لييفات الكولاجين، مما يؤدي إلى تحرير الكولاجين.

الاستخلاص بالبيبسين والموجات فوق الصوتية: يزيد البيبسين، عند دمجه مع المعالجة بالموجات فوق الصوتية، مردود الكولاجين إلى نحو 124%، ويُقصّر زمن الاستخلاص بدرجة كبيرة مقارنةً بالتحلل المائي التقليدي بالبيبسين. وقد أثبت تحليل ازدواج اللون الدائري والفحص بالمجهر ذي القوة الذرية وFTIR أن البنية الحلزونية الثلاثية للكولاجين المستخلص لم تتأثر بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية وظلت سليمة. (Li et al. 2009) وهذا يجعل الاستخلاص بالبيبسين بمساعدة الموجات فوق الصوتية عمليًا للغاية في صناعة الأغذية، إذ يوفر معدلات أعلى لاسترداد البروتين خلال زمن معالجة أقصر بكثير.

في دراسة مقارنة بين استخلاص الكولاجين من وتر الأبقار بالموجات فوق الصوتية واستخلاصه دونها، أظهرت المعالجة بالموجات فوق الصوتية (20kHz، نمط نبضي 20/20 sec.) مردودًا وكفاءة أعلى. وأُجري الاستخلاص التقليدي باستخدام البيبسين في حمض الأسيتيك لمدة 48 ساعة. وأُجري الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية في الظروف نفسها، مع تغيير مدد التعرض للمعالجة بالموجات فوق الصوتية (من 3 إلى 24 h) وللبيبسين (من 24 إلى 45 ساعة)، ليبلغ إجمالي مدة المعالجة 48 ساعة. وأظهر الاستخلاص بالبيبسين والموجات فوق الصوتية كفاءة أعلى في استخلاص الكولاجين، إذ بلغ المردود 6.2%، مقابل 2.4% للاستخلاص التقليدي. وتحققت أفضل النتائج عند استخدام زمن استخلاص بالموجات فوق الصوتية قدره 18 h. وأظهر الكولاجين المستخلص بنية حلزونية متصلة وسليمة، وذوبانية جيدة، وثباتًا حراريًا مرتفعًا إلى حدٍّ كبير. وهذا يعني أن الاستخلاص بالبيبسين والموجات فوق الصوتية حسّن كفاءة استخلاص الكولاجين الطبيعي دون الإضرار بجودة الكولاجين الناتج. (Ran and Wang 2014)

منظومة للموجات فوق الصوتية مزودة بخزان ذي تقليب

الاستخلاص بالباباين والموجات فوق الصوتية: يمكن استخلاص الكولاجين من حراشف الأسماك بكفاءة بواسطة التحلل المائي بالباباين مقترنًا بمعالجة مسبقة بالموجات فوق الصوتية. وقد وُجد أن معلمات العملية المثلى لاستخلاص الكولاجين من حراشف الأسماك بالباباين والموجات فوق الصوتية هي: مدة معالجة مسبقة بالموجات فوق الصوتية تبلغ 4min، ونسبة باباين إلى حراشف الأسماك تبلغ 4%، ودرجة حرارة 60°C، وزمن استخلاص إجمالي يبلغ 5h. وفي هذه الظروف المثلى، بلغ معدل استخلاص الكولاجين 90.7%. (Jiang et al. 2011)

الاستخلاص الحمضي بمساعدة الموجات فوق الصوتية

في دراسة أجراها Kim et al. (2012)، أظهر استخلاص الكولاجين القابل للذوبان في الحمض من جلد القاروص الياباني (Lateolabrax japonicus) زيادةً في المردود وانخفاضًا في زمن الاستخلاص بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية بتردد 20 kHz في حمض الأسيتيك بتركيز 0.5 M. ولم يغيّر الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية المكونات الرئيسية للكولاجين، وتحديدًا سلاسل α1 وα2 وβ.

استخلاص البروتين من قشور البيض بالموجات فوق الصوتية

امتازت نواتج التحلل المائي الإنزيمي التي خضعت لمعالجة مسبقة بالموجات فوق الصوتية بخصائص وظيفية أفضل. ويُحسّن استخلاص نواتج التحلل المائي للبروتينات الوظيفية من قشور بيض الدجاج بالموجات فوق الصوتية خصائص الذوبانية والاستحلاب وتكوين الرغوة والاحتفاظ بالماء.
يُعد غشاء قشرة البيض موردًا طبيعيًا وفيرًا، ويتكون من نحو 64 بروتينًا، بما فيها الكولاجين من الأنواع I وV وX، والليزوزيم، والأوستيوبونتين، والسيالوبروتين. وهذا يجعل قشور البيض مادة خام جديرة بالاهتمام لاستخلاص البروتينات. ويمكن باستخدام الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية تحسين تحرير البروتين وخصائصه الوظيفية بدرجة كبيرة، مما يتيح عملية سريعة وفعالة واقتصادية.

توفر Hielscher أجهزة قوية للموجات فوق الصوتية من النطاق المختبري إلى النطاق الصناعي (انقر للتكبير!)

عمليات الموجات فوق الصوتية: من النطاق المختبري إلى النطاق الصناعي

الاستخلاص القلوي بمساعدة الموجات فوق الصوتية

لاستخلاص هذه البروتينات وإذابتها
عند استخلاص البروتين من غشاء قشرة البيض، أسفرت المعالجة القلوية بالموجات فوق الصوتية عن مردود بروتين مذاب يقارب 100% من إجمالي بروتين غشاء قشرة البيض. وفصل التجويف الناتج عن الموجات فوق الصوتية كتلًا بروتينية أكبر عن غشاء قشرة البيض، وسهّل إذابة مكوناته. ولم تتضرر بنية البروتين وخصائصه بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية، بل ظلتا سليمتين. وكانت خصائص البروتينات المضادة للأكسدة متماثلة في المعالجة القلوية بمساعدة الموجات فوق الصوتية والاستخلاص التقليدي.

استخلاص الجيلاتين بالموجات فوق الصوتية

عولجت جلود أسماك البولوك المجمدة والمجففة بالهواء بمحاليل ملحية باردة وقلوية وحمضية لفصل نسيج الكولاجين واستخلاص الجيلاتين عن طريق تمسّخ الكولاجين عند 45°C لمدة أربع ساعات، مع استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة عاملًا مساعدًا للعملية. وجرى تقييم مردود الجيلاتين وpH والصفاء وقوة الهلام والخصائص اللزجة المرنة، وكذلك توزيع الوزن الجزيئي المحدد بطريقة PAGE-SDS. واستُخدم الجيلاتين المستخلص في حمام مائي عند 45°C لمدة أربع ساعات عينةً ضابطة. وزادت المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة مردود الاستخلاص بنسبة 11.1% مقارنةً بالعينة الضابطة، في حين انخفضت قوة الهلام بنسبة 7%. وكانت درجة حرارة التهلم أيضًا أقل في الجيلاتين المستخلص بالموجات فوق الصوتية (4.2°C). ويرتبط هذا السلوك بالاختلافات في توزيع الوزن الجزيئي للّفافات عديدة الببتيد في الجيلاتين. ويمكن استخدام الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة لزيادة استخلاص الجيلاتين من جلود الأسماك المجمدة والمجففة بالهواء. (Olson et al. 2005)

أنظمة الموجات فوق الصوتية الصناعية

توفر Hielscher Ultrasonics أنظمة قوية للموجات فوق الصوتية، بدءًا من النطاق المختبري وصولًا إلى الأنظمة المكتبية والنطاق الصناعي. ولضمان أفضل ناتج استخلاص، يمكن إجراء معالجة موثوقة بالموجات فوق الصوتية بصورة مستمرة في ظروف تشغيل شاقة. ويمكن لجميع أجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية توفير سعات اهتزاز عالية جدًا. ويمكن التشغيل المستمر بسهولة بسعات اهتزاز تصل إلى 200µm على مدار 24/7. ولسعات اهتزاز أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية. وتتيح متانة معدات Hielscher للموجات فوق الصوتية التشغيل على مدار 24/7 تحت أحمال تشغيل شديدة وفي بيئات صعبة.
يرجى التواصل معنا اليوم وإبلاغنا بمتطلبات عمليتكم! يسعدنا أن نوصي بنظام مناسب للموجات فوق الصوتية لعمليتكم!

تتوفر أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية بدءًا من الأجهزة الصغيرة المحمولة باليد وصولًا إلى الأنظمة المكتبية والأنظمة الصناعية الكاملة للموجات فوق الصوتية لمعالجة أحجام كبيرة (انقر للتكبير!)

تتوفر مجانسات Hielscher عالية القدرة بالموجات فوق الصوتية لجميع نطاقات العمليات – من المختبر إلى الإنتاج.

المصادر والمراجع

Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): تحسين استرداد البروتين من أسماك الماكريل الكاملة باستخدام الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية عبر الإذابة والترسيب المتتابعين عند نقطة التعادل الكهربي في وسط حمضي/قلوي (ISP). LWT – Food Science and Technology، المجلد 88، فبراير 2018. 210–216.
Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): تحسين استخلاص نواتج التحلل المائي للبروتينات الوظيفية من غشاء قشرة بيض الدجاج (ESM) بواسطة الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية (UAE) والتحلل المائي الإنزيمي. LWT – Food Science and Technology، المجلد 69، يونيو 2016. 295–302.
Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, N.H. (2012): تأثيرات المعالجة بالموجات فوق الصوتية على استخلاص الكولاجين من جلود القاروص Lateolabrax japonicus. Fisheries Science، المجلد 78، العدد 78؛ 2013. 485–490.
Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): التشعيع بالموجات فوق الصوتية في الاستخلاص الإنزيمي للكولاجين. Ultrasonics Sonochemistry، المجلد 16، العدد 5؛ 2009. 605–609.
Olson, D.A., Avena Bustillos, R.D., Olsen, C.W., Chiou, B., Yee, E., Bower, C.K., Bechtel, P.J., Pan, Z., Mc Hugh, T.H. (2005): تقييم الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بوصفها عاملًا مساعدًا في عملية استخلاص جيلاتين الأسماك. ملخص الاجتماع رقم 71C-26. الاجتماع السنوي لـ IFT. يوليو 2005. New Orleans, LA.
Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية والبيبسين بالتتابع لاستخلاص الكولاجين من المنتجات الثانوية لصناعة اللحوم. Journal of the Science of Food and Agriculture 94(3)، 2014. 585–590.
Schmidt, M.M.; Dornelles, R.C.P.; Mello, R.O.; Kubota, E.H.; Mazutti, M.A.; Kempka, A.P.; Demiate, I.M. (2016): عملية استخلاص الكولاجين. International Food Research Journal 23(3)، 2016. 913–922.
Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): تأثيرات سلالة حرير Bombyx mori وزمن الاستخلاص على الخصائص الجزيئية والبيولوجية للسيريسين. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry، المجلد 80، العدد 2، 2016. 241–249.
Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): استخلاص الكولاجين من حراشف الأسماك بالباباين مع المعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية. Advanced Materials Research، المجلد 366، 2011. 421–424.

موضوعات ذات صلة

حقائق جديرة بالمعرفة

الكولاجين

الكولاجين هو البروتين البنيوي الرئيسي في الحيز خارج الخلايا في الأنسجة الضامة المختلفة في أجسام الحيوانات. وبصفته المكون الرئيسي للنسيج الضام، فهو البروتين الأكثر وفرة في الثدييات،[1] إذ يشكل من 25% إلى 35% من إجمالي محتوى الجسم من البروتين. ويتكون الكولاجين من أحماض أمينية ملتفة معًا لتكوين لوالب ثلاثية تُشكّل لييفات ممدودة. وتوجد أعلى كميات الكولاجين في الأنسجة الليفية، مثل الأوتار والأربطة والجلد. ويمكن التمييز بين ثلاثة أنواع من الكولاجين:
الكولاجين من النوع I: يوفر 90% من البروتين في الجلد والشعر والأظافر والأعضاء والعظام والأربطة
الكولاجين من النوع II: يوفر 50–60% من البروتين في الغضاريف، و85–90% من الكولاجين في الغضروف المفصلي
الكولاجين من النوع III: يوفر بروتينات للبروتين الليفي في العظام والغضاريف والعاج والأوتار والأنسجة الضامة الأخرى

الكولاجين في الجسم

يتكون كل نوع من أنواع الكولاجين الثلاثة من بروتينات مختلفة تؤدي وظائف مختلفة في الجسم. ويُعد الكولاجين من النوعين I وIII من المكونات الرئيسية للجلد والعضلات والعظام والشعر والأظافر. وهما ضروريان لصحتها ونموها وإعادة بنائها. ويوجد الكولاجين من النوع II في الغالب في الغضاريف والمفاصل.
يحتوي كل من الكولاجين من النوعين I وIII على 19 حمضًا أمينيًا تُعد أحماضًا أمينية أساسية. وتنتجهما الخلايا الليفية (خلايا في الأنسجة الضامة) والخلايا البانية للعظم (خلايا تُكوّن العظام). وتشمل أهم البروتينات في الكولاجين من النوعين I وIII الغليسين والبرولين والألانين والهيدروكسي برولين. والنوع III بروتين صلب ليفي.
الغليسين هو الحمض الأميني الأكثر وفرة في الكولاجين. والبرولين حمض أميني غير أساسي يمكن تصنيعه من الغليسين، ويسهم في المفاصل والأوتار. والهيدروكسي برولين حمض أميني يسهم في ثبات الكولاجين. والألانين حمض أميني مهم للتخليق الحيوي للبروتينات.
كما هو الحال في النوعين I وIII، يُكوّن الكولاجين من النوع II لييفات. وتكتسب هذه الشبكة اللييفية من الكولاجين أهمية في الغضاريف لأنها تتيح احتجاز البروتيوغليكانات. إضافةً إلى ذلك، فإنها تمنح النسيج مقاومة الشد.

المصادر والاستخدامات

الكولاجين بروتين ليفي يوجد بوفرة في النسيج الضام للثدييات، مثل الأبقار والخنازير. ويُستخلص معظم الكولاجين
من جلود الخنازير وعظامها ومن مصادر بقرية. وتُعد الأسماك والطيور مصادر بديلة لاستخلاص الكولاجين. ويُستخدم الكولاجين على نطاق واسع في الأغذية والمكملات الغذائية والمستحضرات الصيدلانية/الطبية ومستحضرات التجميل، إلى جانب منتجات أخرى. ويُعد استخلاص الكولاجين نشاطًا تجاريًا متناميًا، إذ يمكن لهذا البروتين أن يحل محل المواد الاصطناعية في عمليات صناعية مختلفة.