Ultrazvučna ekstrakcija kolagena
- Kolagen je bogat proteinima i široko se koristi u raznim industrijskim aplikacijama, npr. u hrani, farmaciji, aditivima itd.
- Sonikacija se može lako kombinovati sa enzimskom ili kiselom ekstrakcijom kolagena.
- Implementacija ultrazvuka u proces ekstrakcije kolagena rezultira većim prinosima i bržom ekstrakcijom.
Ultrazvučni efekti na ekstrakciju kolagena
Ultrazvuk visokog intenziteta se široko koristi za poboljšanje prijenosa mase u vlažnim procesima, npr. ekstrakcija, sonohemija itd. Ekstrakcija (također poznata kao izolacija kolagena) kolagena može se značajno poboljšati ultrazvučnim tretmanom. Sonikacija pomaže tokom cijepanja kolagenskog supstrata, otvara kolagene fibrile, čime se olakšava enzimska hidroliza ili kiselinski tretman.
Ultrazvučno potpomognuta enzimska ekstrakcija
Sonikacija je poznata po svojoj sposobnosti da poveća aktivnost enzima. Ovaj efekat se zasniva na ultrazvučnoj disperziji i deaglomeraciji agregata pepsina. Homogeno dispergirani enzimi nude povećanu površinu za prijenos mase, što je u korelaciji s većom aktivnošću enzima. Nadalje, snažni ultrazvučni valovi otvaraju kolagene fibrile tako da se kolagen oslobađa.
Ultrazvučna ekstrakcija pepsina: Pepsin u kombinaciji ultrazvučne obrade povećava prinos kolagena do cca. 124% i značajno skraćuje vrijeme ekstrakcije u odnosu na konvencionalnu hidrolizu pepsina. Analiza kružnog dihroizma, mikroskopija atomske sile i FTIR dokazali su da struktura trostruke spirale ekstrahiranog kolagena nije pod utjecajem ultrazvučne obrade i da je ostala netaknuta. (Li et al. 2009.) Ovo čini ultrazvučno potpomognutu ekstrakciju pepsina vrlo praktičnom za prehrambenu industriju, nudeći povećane stope oporavka proteina u znatno kraćem vremenu obrade.
U komparativnoj studiji ultrazvučne i ne-ultrazvučne ekstrakcije kolagena iz goveđe tetive, ultrazvučni tretman (20kHz, pulsni režim 20/20 sek.) uvjerava se u veći prinos i efikasnost. Konvencionalna ekstrakcija je izvedena pepsinom u sirćetnoj kiselini tokom 48 sati. Ultrazvučna ekstrakcija je izvedena pod istim uslovima, ali su vremena izlaganja sonikaciji (3 do 24 h) i pepsinu (24 do 45 sati) varirala, što je rezultiralo ukupno 48 sati tretmana. Ultrazvučno-pepsin ekstrakcija je pokazala superiornu efikasnost ekstrakcije kolagena, dostigavši prinos od 6,2%, kada je konvencionalna ekstrakcija iznosila 2,4%. Najbolji rezultati su postignuti pri ultrazvučnom vremenu ekstrakcije od 18 h. Ekstrahovani kolagen pokazao je neoštećenu kontinuiranu spiralnu strukturu, dobru rastvorljivost i prilično visoku termičku stabilnost. to znači da je ultrazvučna ekstrakcija pepsinom poboljšala efikasnost ekstrakcije prirodnog kolagena bez oštećenja kvaliteta nastalog kolagena. (Ran i Wang 2014.)

Ultrazvučna ekstrakcija kiseline
U studiji Kim et al. (2012), ekstrakcija kolagena rastvorljivog u kiselinama iz kože japanskog brancina (Lateolabrax japonicus) pokazala je povećan prinos i smanjeno vrijeme ekstrakcije nakon ultrazvučnog tretmana na frekvenciji od 20 kHz u 0,5 M octenoj kiselini. Ekstrakcija ultrazvukom nije promijenila glavne komponente kolagena, tačnije α1, α2 i β lance.
Ultrazvučna ekstrakcija proteina iz ljuske jajeta
Ultrazvučno prethodno obrađeni enzimski hidrolizati imali su bolja funkcionalna svojstva. Za ultrazvučnu ekstrakciju funkcionalnih proteinskih hidrolizata iz ljuske kokošjeg jajeta, poboljšana su svojstva topivosti, emulgiranja, pjene i zadržavanja vode.
Membrana ljuske jajeta je bogat prirodni resurs i sastoji se od oko 64 proteina uključujući kolagen tipa I, V i X, lizozim, osteopontin i sijaloprotein. Ovo čini ljuske jaja zanimljivom sirovinom za ekstrakciju proteina. Uz ultrazvučnu ekstrakciju, oslobađanje proteina i funkcionalnost mogu se značajno poboljšati što rezultira brzim, efikasnim i ekonomičnim procesom.

Ultrazvučni procesi: Od lab to industrijski Scale
Ultrazvučno potpomognuta alkalna ekstrakcija
da ekstrahuje i rastvori ove proteine
Za ekstrakciju proteina iz membrane ljuske jajeta, ultrazvučno-alkalni tretman je rezultirao prinosom solubiliziranog proteina blizu 100% ukupnog proteina membrane ljuske jajeta. Ultrazvučna kavitacija je odvojila veće proteinske nakupine od membrane ljuske jajeta i olakšala solubilizaciju njenih jedinjenja. Struktura i svojstva proteina nisu oštećeni ultrazvukom i ostali su netaknuti. Antioksidativna svojstva proteina bila su ista za alkalni tretman uz pomoć ultrazvuka i konvencionalnu ekstrakciju.
Ultrazvučna ekstrakcija želatina
Smrznute i na zraku osušene kože poljona tretirane su hladnim fiziološkim, alkalnim i kiselim otopinama kako bi se odvojilo kolagensko tkivo i ekstrahirao želatin denaturacijom kolagena na 45°C četiri sata uz tretman ultrazvukom kao pomoć pri procesu. Procijenjeni su prinos želatina, pH, bistrina, čvrstoća gela i viskoelastična svojstva, kao i raspodjela molekulske mase određena PAGE-SDS metodom. Želatin ekstrahovan u vodenom kupatilu na 45°C četiri sata je korišćen kao kontrola. Tretman snažnim ultrazvukom povećao je prinos ekstrakcije za 11,1% u poređenju sa kontrolom dok je jačina gela smanjena za 7%. Temperatura geliranja je takođe bila niža kod želatina ekstrahovanog ultrazvukom (4,2°C). Ovo ponašanje je povezano sa razlikama u distribuciji molekulske mase polipeptidnih kolutova u želatini. Snažna ultrazvučna ekstrakcija može se koristiti za povećanje ekstrakcije želatina iz smrznute i na zraku sušene riblje kože. (Olson et al. 2005.)
Industrijski ultrazvučni sistemi
Hielscher Ultrasonics isporučuje moćne ultrazvučne sisteme od laboratorijskih do stonih i industrijskih razmjera. Da bi se osigurao optimalan izlaz ekstrakcije, pouzdana sonikacija pod zahtjevnim uvjetima može se izvoditi kontinuirano. Svi industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo velike amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima.
Kontaktirajte nas danas sa vašim zahtjevima procesa! Biće nam drago da Vam preporučimo odgovarajući ultrazvučni sistem za Vaš proces!

Hielscherovi ultrazvučni homogenizatori velike snage dostupni su za bilo koju skalu procesa – od laboratorije do proizvodnje.
Literatura/Reference
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Optimiziran oporavak proteina iz cijele ribe skuše korištenjem sekvencijalne ekstrakcije kiselinom/alkalnom izoelektričnom solubilizacijom (ISP) uz pomoć ultrazvuka. LWT – Nauka o hrani i tehnologija Vol. 88, februar 2018. 210-216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Optimizacija ekstrakcije funkcionalnih proteinskih hidrolizata iz membrane ljuske kokošjeg jajeta (ESM) ultrazvučnom potpomognutom ekstrakcijom (UAE) i enzimskom hidrolizom. LWT – Nauka o hrani i tehnologija Vol. 69, jun 2016. 295-302.
- Kim, HK; Kim, YH; Kim, YJ; Park, HJ; Lee, NH (2012): Efekti ultrazvučnog tretmana na ekstrakciju kolagena iz kože brancina Lateolabrax japonicus. Fisheries Science Volume 78, Issue 78; 2013. 485-490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Ultrazvučno zračenje u enzimskoj ekstrakciji kolagena. Ultrasonics Sonochemistry Volume 16, Issue 5; 2009. 605-609.
- Olson, DA, Avena Bustillos, RD, Olsen, CW, Chiou, B., Yee, E., Bower, CK, Bechtel, PJ, Pan, Z., Mc Hugh, TH (2005): Evaluacija ultrazvuka snage kao pomoćno sredstvo za preradu za ekstrakciju ribljeg želatina. Sažetak sastanka br. 71C-26. Godišnji sastanak IFT-a. Juli 2005. New Orleans, LA.
- Ran, XG; Wang, LY (2014): Upotreba ultrazvučnog i pepsinskog tretmana u tandemu za ekstrakciju kolagena iz nusproizvoda mesne industrije. Časopis za nauku o hrani i poljoprivredi 94(3), 2014. 585-590.
- Schmidt, MM; Dornelles, RCP; Mello, RO; Kubota, EH; Mazutti, MA; Kempka, AP; Demiate, IM (2016): Proces ekstrakcije kolagena. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913-922.
- Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Efekti soja Bombyx mori svile i vremena ekstrakcije na molekularne i biološke karakteristike sericina. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Vol. 80 , br. 2, 2016. 241-249.
- Zeng, JN; Jiang, BQ; Xiao, ZQ, Li, SH (2011): Ekstrakcija kolagena iz riblje krljušti papainom pod ultrazvučnom prethodnom obradom. Advanced Materials Research, Volume 366, 2011. 421-424.
Činjenice koje vrijedi znati
kolagen
Kolagen je glavni strukturni protein u ekstracelularnom prostoru u različitim vezivnim tkivima u životinjskim tijelima. Kao glavna komponenta vezivnog tkiva, on je najzastupljeniji protein kod sisara,[1] koji čini od 25% do 35% sadržaja proteina u cijelom tijelu. Kolagen se sastoji od aminokiselina koje su namotane zajedno da formiraju trostruke spirale koje formiraju izdužene fibrile. Najveće količine kolagena prisutne su u vlaknastim tkivima kao što su tetive, ligamenti i koža. Postoje tri vrste kolagena koje treba razlikovati:
Kolagen tipa I: obezbjeđuje 90% proteina u koži, kosi, noktima, organima, kostima, ligamentima
Kolagen tipa II: obezbeđuje 50-60% proteina u hrskavici, 85-90% kolagena u zglobnoj hrskavici
Kolagen tipa III: obezbjeđuje proteine vlaknastim proteinima u kostima, hrskavici, dentinu, tetivama i drugim vezivnim tkivima
Kolagen u tijelu
Svaki od tri tipa kolagena sastoji se od različitih proteina koji ispunjavaju različite svrhe u tijelu. Kolagen tipa I i III su glavne komponente kože, mišića, kostiju, kose i noktiju. Potrebni su za njihovo zdravlje, rast i obnovu. Kolagen tipa II se uglavnom nalazi u hrskavici i zglobovima.
Kolagen tipa I i III sadrži 19 aminokiselina koje se smatraju esencijalnim aminokiselinama. Proizvode ih fibroblasti (ćelije u vezivnom tkivu) i osteoblasti (ćelije koje prave kosti). Najvažniji proteini u kolagenu tipa I i III uključuju glicin, prolin, alanin i hidroksiprolin. Tip III je fibrozni skleroprotein.
Glicin je aminokiselina sa najvećom količinom kolagena. Prolin je neesencijalna aminokiselina, koja se može sintetizirati iz glicina i doprinosi zglobovima i tetivama. Hidroksiprolin je aminokiselina koja doprinosi stabilnosti kolagena. Alanin je aminokiselina važna za biosintezu proteina.
Kao tip I i III, kolagen tipa II stvara fibrile. Ova fibrilarna mreža kolagena je važna u hrskavici jer omogućava hvatanje proteoglikana. Nadalje, daje zateznu čvrstoću tkiva.
Izvori i upotrebe
Kolagen je vlaknasti protein koji je u izobilju prisutan u vezivnom tkivu sisara, npr. goveda, svinja. Većina kolagena se ekstrahuje
iz svinjske kože i kostiju i iz goveđeg izvora. Alternativni izvor za ekstrakciju kolagena su riba i živina. Kolagen se široko koristi u hrani, dodacima prehrani, farmaceutskim/medicinskim i kozmetičkim proizvodima, među ostalim proizvodima. Ekstrakcija kolagena je rastući posao jer ovaj protein može zamijeniti sintetička sredstva u različitim industrijskim procesima.