Ултразвукова екстракция на колаген
- Колагенът е богат на протеини и се използва широко в различни промишлени приложения, например храни, фармацевтични продукти, добавки и др.
- Сонирането може лесно да се комбинира с ензимна или киселинна екстракция на колаген.
- Прилагането на ултразвук в процеса на извличане на колаген води до по-високи добиви и по-бърза екстракция.
Ултразвукови ефекти върху извличането на колаген
Високоинтензивният ултразвук се използва широко за подобряване на преноса на маса при мокри процеси, например екстракция, сонохимия и др. Екстракцията (известна също като колагенова изолация) на колаген може да бъде значително подобрена чрез ултразвуково лечение. Соникацията подпомага разцепването на колагеновия субстрат, отваря колагеновите фибрили, като по този начин се улеснява ензимната хидролиза или киселинното лечение.
Ултразвуково подпомагана ензимна екстракция
Соникацията е известна със способността си да повишава ензимната активност. Този ефект се основава на ултразвуковата дисперсия и деагломерацията на пепсиновите агрегати. Хомогенно диспергираните ензими предлагат увеличена повърхност за пренос на маса, което е свързано с по-висока ензимна активност. Освен това мощните ултразвукови вълни отварят колагеновите фибрили, така че колагенът да се освободи.
Ултразвукова екстракция на пепсин: Пепсин комбиниран с ултразвук увеличава добива на колаген до около 124% и значително съкращава времето за екстракция в сравнение с конвенционалната хидролиза на пепсин. Циркулярният анализ на дихроизма, атомно-силовата микроскопия и FTIR доказват, че структурата на тройната спирала на извлечения колаген не се влияе от ултразвука и остава непокътната. (Li et al. 2009) Това прави ултразвуковата екстракция на пепсин много практична за хранително-вкусовата промишленост, предлагайки повишени нива на възстановяване на протеини за значително по-кратко време за обработка.
В сравнително изследване на ултразвукова и неултразвукова екстракция на колаген от говеждо сухожилие, ултразвуковото лечение (20kHz, импулсен режим 20/20 сек.) е убедено в по-висок добив и ефективност. Конвенционалната екстракция се извършва с пепсин в оцетна киселина в продължение на 48 часа. Ултразвуковата екстракция се извършва при същите условия, но времето на излагане на ултразвук (3 до 24 часа) и пепсин (24 до 45 часа) е различно, което води до общо 48 часа обработка. Ултразвуковата екстракция с пепсин показва превъзходна ефективност на екстракцията на колаген, достигайки добив от 6,2%, когато конвенционалната екстракция е 2,4%. Най-добри резултати са постигнати при ултразвукова екстракция от 18 часа. Извлеченият колаген показва неповредена непрекъсната спирална структура, добра разтворимост и доста висока термична стабилност. Това означава, че ултразвуковата екстракция с пепсин подобрява ефективността на извличането на естествен колаген, без да уврежда качеството на получения колаген. (Ран и Уанг 2014)
Ултразвукова екстракция на киселина
В проучване на Kim et al. (2012), екстракцията на киселинно-разтворим колаген от кожата на японски лаврак (Lateolabrax japonicus) показва повишен добив и намалено време за екстракция след ултразвукова обработка с честота 20 kHz в 0,5 M оцетна киселина. Екстракцията с ултразвук не променя основните компоненти на колагена, по-специално α1, α2 и β веригите.
Ултразвукова екстракция на протеин от яйчени черупки
Ултразвуково предварително обработените ензимни хидролизати имат по-добри функционални свойства. За ултразвуковата екстракция на функционални протеинови хидролизати от черупката на пилешкото яйце се подобряват разтворимостта, емулгиращите, пенообразуващите и водозадържащите свойства.
Мембраната на яйчената черупка е изобилен природен ресурс и се състои от около 64 протеина, включително колаген тип I, V и X, лизозим, остеопонтин и сиалопротеин. Това прави яйчените черупки интересна суровина за извличане на протеини. С ултразвукова екстракция освобождаването на протеини и функционалността могат да бъдат значително подобрени, което води до бърз, ефективен и икономичен процес.
Ултразвукови процеси: От лаборатория да промишлен Мащаб
Ултразвукова алкална екстракция
за извличане и разтваряне на тези протеини
За екстракция на протеин от мембраната на яйчената черупка, ултразвуково-алкалната обработка води до разтварящ се добив на протеин близо 100% от общия протеин на мембраната на яйчената черупка. Ултразвуковата кавитация отделя по-големи протеинови бучки от мембраната на черупката на яйцата и улеснява разтварянето на нейните съединения. Структурата и свойствата на протеина не са повредени от ултразвука и остават непокътнати. Антиоксидантните свойства на протеините са еднакви за ултразвуково алкално лечение и конвенционална екстракция.
Ултразвукова екстракция на желатин
Замразените и изсушени на въздух кожи от минтай се третират със студени физиологичени, алкални и киселинни разтвори за отделяне на колагенова тъкан и извличане на желатин чрез денатурация на колаген при 45°C в продължение на четири часа с ултразвукова обработка като помощно средство за обработка. Оценени са добивът на желатин, рН, чистотата, якостта на гела и вискоеластичните свойства, както и разпределението на молекулното тегло, определени по метода PAGE-SDS. Желатинът, извлечен на водна баня при 45°C в продължение на четири часа, е използван като контрола. Силовата ултразвукова обработка увеличава добива на екстракция с 11,1% в сравнение с контролата, докато силата на гела намалява със 7%. Температурата на желиране също е по-ниска при ултразвуково извлечения желатин (4,2°C). Това поведение е свързано с разликите в разпределението на молекулното тегло на полипептидните намотки в желатините. Мощната ултразвукова екстракция може да се използва за увеличаване на извличането на желатин от замразени и изсушени на въздух рибни кожи. (Olson et al. 2005)
Индустриални ултразвукови системи
Hielscher Ultrasonics доставя мощни ултразвукови системи от лабораторни до настолни и индустриални мащаби. За да се осигури оптимална мощност на извличане, може да се извършва надеждна ултразвук при тежки условия непрекъснато. Всички индустриални ултразвукови процесори могат да осигурят много високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява 24/7 работа при тежки натоварвания и в взискателни среди.
Моля, свържете се с нас днес с вашите изисквания към процеса! Ще се радваме да ви препоръчаме подходяща ултразвукова система за вашия процес!
Ултразвуковите хомогенизатори с висока мощност на Hielscher се предлагат за всеки технологичен мащаб – от лабораторията до производството.
Литература/Препратки
- Алварес, Карлос; Лелу, Полин; Линч, Сара А.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Оптимизирано възстановяване на протеин от цяла риба скумрия чрез използване на екстракция с последователно киселинно/алкално изоелектрично разтварящо утаяване (ISP), подпомогнато от ултразвук. LWT – Наука и технологии за храните том 88, февруари 2018 г. 210-216.
- Джайн, Сурангна; Кумар Анал, Анил (2016): Оптимизиране на екстракцията на функционални протеинови хидролизати от мембраната на черупката на пилешкото яйце (ESM) чрез ултразвукова асистирана екстракция (ОАЕ) и ензимна хидролиза. LWT – Наука и технологии за храните том 69, юни 2016 г. 295-302.
- Ким, Х.К.; Ким, Ю.Х.; Ким, Ю.Дж.; Парк, Х.Дж.; Лий, Н.Х. (2012): Ефекти от ултразвуковото лечение върху екстракцията на колаген от кожата на лаврак Lateolabrax japonicus. Наука за рибарството, том 78, брой 78; 2013. 485-490.
- Ли, Дефу; Му, Чандао; Кай, Сумей; Лин, Вей (2016): Ултразвуково облъчване при ензимната екстракция на колаген. Ултразвукова сонохимия том 16, брой 5; 2009. 605-609.
- Олсън, Д.А., Авена Бустилос, Р.Д., Олсен, К.У., Чиу, Б., Йи, Е., Бауър, К.К., Бехтел, П.Дж., Пан, З., МакХю, Т.Х. (2005): Оценка на мощен ултразвук като помощно средство за обработка за екстракция на рибен желатин. Резюме на срещата No 71C-26. Годишна среща на IFT. Юли 2005 г. Ню Орлиънс, Лос Анджелис.
- Ран, Х.Г.; Wang, L.Y. (2014): Използване на ултразвуково и пепсиново лечение в тандем за екстракция на колаген от странични продукти от месната промишленост. Вестник за науката за храните и земеделието 94(3), 2014. 585-590.
- Шмид, М.М.; Dornelles, R.C.P.; Мело, Р.О.; Кубота, Е.Х.; Мазути, М.А.; Кемпка, А.П.; Demiate, I.M. (2016): Процес на извличане на колаген. Международно списание за изследване на храните 23(3), 2016. 913-922.
- Сиритиентонг, Типпауан; Бонани, Уолтър; Мота, Антонела; Миляреси, Клаудио; Aramwit, Pornanong (2016): Ефектите от щама на коприна Bombyx mori и времето за екстракция върху молекулярните и биологичните характеристики на серицина. Бионаука, биотехнология и биохимия том 80 , ис. 2, 2016. 241-249.
- Зенг, Дж.Н.; Дзян, Б.К.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): Екстракция на колаген от рибни люспи с папаин при ултразвукова предварителна обработка. Изследване на съвременни материали, том 366, 2011 г. 421-424.
Факти, които си струва да знаете
Колаген
Колагенът е основният структурен протеин в извънклетъчното пространство в различните съединителни тъкани в животинските тела. Като основен компонент на съединителната тъкан, той е най-разпространеният протеин при бозайниците,[1] съставлявайки от 25% до 35% от съдържанието на протеини в цялото тяло. Колагенът се състои от аминокиселини, навити заедно, за да образуват тройни спирали, за да образуват удължени фибрили. Най-големите количества колаген присъстват във фиброзните тъкани като сухожилия, връзки и кожа. Има три вида колаген, които трябва да се разграничат:
Колаген тип I: Осигурява 90% протеин в кожата, косата, ноктите, органите, костите, връзките
Колаген тип II: осигурява 50-60% протеин в хрущяла, 85-90% колаген в ставния хрущял
Колаген тип III: осигурява протеини на фиброзния протеин в костите, хрущялите, дентина, сухожилията и други съединителни тъкани
Колаген в тялото
Всеки от трите вида колаген е съставен от различни протеини, които изпълняват различни цели в тялото. Колагенът тип I и III са основни компоненти на кожата, мускулите, костите, косата и ноктите. Те са необходими за тяхното здраве, растеж и възстановяване. Колагенът тип II се намира най-вече в хрущяла и ставите.
Колагенът от тип I и III съдържа 19 аминокиселини, които се считат за незаменими аминокиселини. Те се произвеждат от фибробласти (клетки в съединителната тъкан) и остеобласти (клетки, които правят кости). Най-важните протеини в колаген тип I и III включват глицин, пролин, аланин и хидроксипролин. Тип III е влакнест склеропротеин.
Глицинът е аминокиселината с най-голямо количество колаген. Пролинът е несъществена аминокиселина, която може да се синтезира от глицин и допринася за ставите и сухожилията. Хидроксипролинът е аминокиселина, която допринася за стабилността на колагена. Аланинът е аминокиселина, важна за биосинтезата на протеини.
Подобно на тип I и III, колагенът тип II образува фибрили. Тази фибриларна мрежа от колаген е важна в хрущяла, тъй като позволява улавянето на протеогликаните. Освен това осигурява якост на опън на тъканта.
Източници и употреби
Колагенът е влакнест протеин, който присъства в изобилие в съединителната тъкан на бозайници, например говеда, свине. Повечето колаген се извлича
от свински кожи и кости и от говежди източници. Алтернативен източник за извличане на колаген са рибите и птиците. Колагенът се използва широко в храните, хранителните добавки, фармацевтичните продукти/лекарствата и козметиката, наред с други продукти. Извличането на колаген е разрастващ се бизнес, тъй като този протеин може да замени синтетичните агенти в различни промишлени процеси.