Biosyntéza oligosacharidů lidského mléka (HMOs) prostřednictvím fermentace nebo enzymatických reakcí je složitý, náročný a často s nízkým výnosem. Ultrazvuku zvyšuje přenos hmoty mezi substrátem a buněčných továren a stimuluje růst buněk a metabolismus. Tím, sonikace zesiluje fermentaci a bio-chemické procesy, což vede k urychlené a efektivnější výrobu HmOs.

Lidské mléko Oligosacharidy

Lidské mléko oligosacharidy (HmOs), také známý jako lidské mléko glykany, jsou molekuly cukru, které jsou součástí skupiny oligosacharidů. Mezi významné příklady HmO patří 2'-fukosyllactóza (2′-FL), lakto-N-neotetraos (LNnT), 3'-galaktosyllactose (3′-GL) a difukosylabaktóza (DFL).
Zatímco lidské mateřské mléko se skládá z více než různých 150 HMO struktur, pouze 2′-fucosyllactose (2′-FL) a lakto-N-neotetraose (LNnT) jsou v současné době vyrábí na komerční úrovni a používá se jako nutriční přísady v kojenecké výživy.
Lidské mléko oligosacharidy (HmOs) jsou známé pro jejich význam v dětské výživy. Lidské mléko oligosacharidy jsou jedinečným typem živin, které působí jako prebiotika, anti-adhesive antimikrobiální látky, a imunomodulátory ve střevě dítěte a významně přispívají k rozvoji mozku. HmO se nacházejí výhradně v lidském mateřském mléce; ostatní savčí mléko (např. kráva, koza, ovce, velbloud atd.) nemají tyto specifické formy oligosacharidů.
Lidské mléko oligosacharidy jsou třetí nejhojnější pevnou složkou v lidském mléce, která může být přítomna buď v rozpuštěné nebo emulgované nebo suspendované formě ve vodě. Laktóza a mastné kyseliny jsou nejhojnější pevné látky nalezené v lidském mléce. HmO jsou přítomny v koncentraci 0,35–0,88 unce (9,9–24,9 g)/ L. Je známo přibližně 200 strukturálně odlišných oligosacharidů lidského mléka. Dominantní oligosaacharid u 80% všech žen je 2′-fucosyllactóza, která je přítomna v mateřském mléce v koncentraci přibližně 2,5 g/ L.
Vzhledem k tomu, že HmOs nejsou tráveny, kaloricky nepřispívají k výživě. Jsou nestravivé sacharidy, fungují jako prebiotika a jsou selektivně fermentovány žádoucí střevní mikroflórou, zejména bifidobakteriemi.

Biosyntéza oligosacharidů lidského mléka

Buněčné továrny a enzymatické / chemo-enzymatické systémy jsou současné technologie používané pro syntézu HMO. Pro výrobu HMO v průmyslovém měřítku jsou možné způsoby biovýroby HMO fermentace mikrobiálních buněčných továren, biochemické syntézy a různé enzymatické reakce. Z ekonomických důvodů je biosyntace prostřednictvím mikrobiálních buněčných továren v současné době jedinou technikou používanou na úrovni průmyslové výroby HmOs.

Fermentace HmOs pomocí mikrobiálních buněčných továren

E.coli, Saccharomyces cerevisiae a Lactococcus lactis jsou běžně používané buněčné továrny používané pro bioprodukci biologických molekul, jako jsou HmOs. Fermentace je biochemický proces využívající mikroorganismy k přeměně substrátu na cílené biologické molekuly. Továrny na mikrobiální buňky používají jednoduché cukry jako substrát, které přeměňují na HmOs. Vzhledem k tomu, jednoduché cukry (např. laktóza) jsou hojné, levné substrát, to udržuje bio-syntéza proces nákladově efektivní.
Rychlost růstu a biokonverze je ovlivněna především hromadným přenosem živin (substrátu) na mikroorganismy. Přenosová rychlost hmoty je hlavním faktorem, který ovlivňuje syntézu produktu během fermentace. Ultrazvuku je dobře známo, že podporují přenos hmoty.
Během fermentace musí být podmínky v bioreaktoru neustále sledovány a regulovány tak, aby buňky mohly růst co nejrychleji, aby pak vznikly cílené biomolekuly (např. oligosacharidy, jako jsou HmOs; inzulín; rekombinantní proteiny). Teoreticky se tvorba produktu začíná, jakmile začne růst buněčná kultura. Nicméně zejména v geneticky modifikovaných buňkách, jako jsou umělé mikroorganismy, je obvykle vyvolána později přidáním chemické látky do substrátu, což zvyšuje regulaci cílené biomolekuly. Ultrazvukové bioreaktory (sono-bioreaktor) mohou být přesně kontrolovány a umožňují specifickou stimulaci mikrobů. To má za následek zrychlené biosyntézy a vyšší výnosy.
Ultrazvuková lýza a extrakce: Fermentace komplexních HMO může být omezena nízkou fermentační titry a produkty zbývající intracelulární. Ultrazvuková lýza a extrakce se používá k uvolnění intracelulárního materiálu před čištěním a procesy down-stream.

Ultrazvukem podporované fermentace

Rychlost růstu mikrobů, jako je Escherichia coli, inženýrství E.coli, Saccharomyces cerevisiae a Lactococcus lactis lze urychlit zvýšením rychlosti přenosu hmoty a propustnost buněčné stěny použitím řízené nízkofrekvenční ultrazvuku. Jako mírné, non-tepelné zpracování techniky, ultrazvuku platí čistě mechanické síly do fermentačního vývaru.
Akustická kavitace: Pracovní princip sonikace je založen na akustické kavitaci. Ultrazvuková sonda (sonotroda) spojuje nízkofrekvenční ultrazvukové vlny do média. Ultrazvukové vlny procházejí kapalinou a vytvářejí střídavé vysokotlaké (kompresní) / nízkotlaké (rarefakční) cykly. Stlačením a natažením kapaliny ve střídavých cyklech vznikají nepatrné vakuové bubliny. Tyto malé vakuové bubliny rostou v průběhu několika cyklů, dokud nedosáhnou velikosti, kde nemohou absorbovat žádnou další energii. V tomto bodě maximálního růstu vakuová bublina prudce imploduje a vytváří lokálně extrémní podmínky, známé jako fenomén kavitace. V kavitačním "horkém místě" lze pozorovat vysoké tlakové a teplotní rozdíly a intenzivní smykové síly s kapalnými tryskami až 280 m / s. Těmito kavitačními účinky je dosaženo důkladného přenosu hmoty a sonoporace (perforace buněčných stěn a buněčných membrán). Živiny substrátu jsou plaveny do a do živých celých buněk, takže buněčné továrny jsou optimálně vyživovány a růst i konverzní poměry jsou urychleny. Ultrazvukové bioreaktory jsou jednoduchou, ale vysoce účinnou strategií pro zpracování biomasy v procesu biosyntézy v jednom hrnci.
Přesně kontrolované, mírné použití ultrazvuku je dobře známo, že zesílit fermentační procesy.
Sonikace zlepšuje "produktivitu mnoha bioprocesů zahrnujících živé buňky prostřednictvím zvýšení příjmu substrátu, zvýšení výroby nebo růstu zvýšením buněčné pórovitosti a potenciálně vylepšeného uvolňování buněčných složek." (Naveena et al. 2015)
Přečtěte si více o ultrazvukem asistované fermentaci!

Naveena et al. (2015) zjistila, že ultrazvukové intenzifikace nabízí několik výhod během biologického zpracování, včetně nízkých provozních nákladů ve srovnání s jinými možnostmi zlepšení léčby, jednoduchosti provozu a skromných požadavků na napájení.

Vysoce výkonné ultrazvukové fermentační reaktory

Fermentační procesy zahrnují živé mikroorganismy, jako jsou bakterie nebo kvasinky, které fungují jako buněčné továrny. Zatímco použití ultrazvuku se používá na podporu přenosu hmoty a zvýšení růstu mikroorganismu a konverzní rychlost, je důležité kontrolovat ultrazvukové intenzity přesně, aby se zabránilo zničení buněčných továren.
Hielscher Ultrazvuk je specialista na navrhování, výrobu a distribuci vysoce výkonných ultrasonicators, které mohou být přesně kontrolovány a monitorovány, aby zajistily vynikající fermentační výnosy.

Řízení procesů je nezbytné nejen pro vysoké výnosy a vynikající kvalitu, ale umožňuje opakovat a reprodukovat výsledky. Zvláště když ist přijde na stimulaci buněčných továren, buňka-specifické adaptace parametrů ultrazvuku je nezbytné pro dosažení vysokých výnosů a aby se zabránilo degradaci buněk. Proto jsou všechny digitální modely Hielscher ultrasonicators jsou vybaveny inteligentním softwarem, který vám umožní nastavit, sledovat, a revidovat parametry použití ultrazvuku. Ultrazvukové parametry procesu, jako je amplituda, teplota, tlak, doba sonikace, pracovní cykly a energetické vstupy, jsou nezbytné pro podporu výroby HMO prostřednictvím fermentace.
Inteligentní software Hielscher ultrasonicators automaticky zaznamenává všechny důležité parametry procesu na integrované SD-kartě. Automatické zaznamenávání dat procesu použití ultrazvuku jsou základem pro standardizaci procesů a reprodukovatelnost / opakovatelnost, které jsou potřebné pro správnou výrobní praxi (GMP).

Ultrazvukové rektoři pro fermentaci

Hielscher nabízí ultrazvukové sondy různých velikostí, délky a geometrií, které lze použít pro dávkové i kontinuální průtokové ošetření. Ultrazvukové reaktory, také známý jako sono-bioreaktory, jsou k dispozici pro jakýkoli objem pokrývající ultrazvukové bioprocessing z malých laboratorních vzorků na pilotní a plně komerční úroveň výroby.
Je dobře známo, že umístění ultrazvukové sonotrody v reakční nádobě ovlivňuje distribuci kavitace a mikro-streamingu v médiu. Sonotroda a ultrazvukový reaktor by měly být vybrány v souladu s objemem zpracování buněčného vývaru. Zatímco použití ultrazvuku lze provádět v dávce i v nepřetržitém režimu, pro vysoké objemy výroby se doporučuje použití kontinuálního toku instalace. Procházející ultrazvukové průtokové buňky, všechny buněčné médium dostane přesně stejnou expozici použití ultrazvuku zajištění nejúčinnější léčby. Hielscher Ultrazvukem širokou škálu ultrazvukových sond a toku buněk reaktorů umožňuje sestavit ideální ultrazvukové bioprocessing nastavení.

Hielscher Ultrazvuk – Od laboratoře k pilotovi k výrobě

Hielscher Ultrazvuk pokrývá celé spektrum ultrazvukových zařízení, které nabízejí kompaktní ruční ultrazvukové homogenizátory pro přípravu vzorků na bench-top a pilotní systémy, stejně jako výkonné průmyslové ultrazvukové jednotky, které snadno zpracovávají náklad za hodinu. Být univerzální a flexibilní v možnostech instalace a montáže, Hielscher ultrasonicators lze snadno integrovat do všech druhů dávkových reaktorů, fed-dávky nebo kontinuální průtok-through nastavení.
Různé příslušenství, stejně jako přizpůsobené díly umožňují ideální přizpůsobení vašeho ultrazvukového nastavení vašim požadavkům na proces.
Postaven pro 24 / 7 provoz při plném zatížení a vysoké zatížení v náročných podmínkách, Hielscher ultrazvukové procesory jsou spolehlivé a vyžadují pouze nízkou údržbu.
Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators: