Ultrazvuková extrakce kolagenu

• Kolagen je bohatý na bílkoviny a je široce využíván v mnoha průmyslových aplikacích, např. v potravinářství, farmacii, u aditiv atd.
• Sonikaci lze snadno kombinovat s enzymatickou nebo kyselou extrakcí kolagenu.
• Zavedení ultrazvuku do procesu extrakce kolagenu vede k vyšším výtěžkům a rychlejší extrakci.

Účinky ultrazvuku na extrakci kolagenu

Vysoce intenzivní ultrazvuk se široce používá ke zlepšení přenosu hmoty v mokrých procesech, např. při extrakci, v sonochemii atd. Extrakci kolagenu (známou také jako izolace kolagenu) lze ultrazvukovým ošetřením výrazně zlepšit. Sonikace napomáhá štěpení kolagenového substrátu a otevírá kolagenové fibrily, čímž usnadňuje enzymatickou hydrolýzu nebo ošetření kyselinou.

Enzymatická extrakce s podporou ultrazvuku

Sonikace je známá svou schopností zvyšovat aktivitu enzymů. Tento účinek je založen na ultrazvukové disperzi a deaglomeraci agregátů pepsinu. Homogenně dispergované enzymy poskytují větší povrch pro přenos hmoty, což souvisí s vyšší aktivitou enzymů. Výkonné ultrazvukové vlny navíc otevírají kolagenové fibrily, takže se kolagen uvolňuje.

Ultrazvuková extrakce pepsinem: Pepsin v kombinaci s ultrazvukem zvyšuje výtěžek kolagenu až na přibl. 124% a ve srovnání s konvenční hydrolýzou pepsinem výrazně zkracuje dobu extrakce. Analýza cirkulárního dichroismu, mikroskopie atomárních sil a FTIR prokázaly, že struktura trojité šroubovice extrahovaného kolagenu nebyla sonikací ovlivněna a zůstala neporušená. (Li et al. 2009) Díky tomu je extrakce pepsinem s podporou ultrazvuku vysoce praktická pro potravinářský průmysl, protože nabízí vyšší výtěžnost bílkovin za výrazně kratší dobu zpracování.

Ve srovnávací studii extrakce kolagenu z hovězích šlach s ultrazvukem a bez ultrazvuku přesvědčilo ultrazvukové ošetření (20kHz, pulzní režim 20/20 s) vyšším výtěžkem a účinností. Konvenční extrakce probíhala s pepsinem v kyselině octové po dobu 48 hodin. Ultrazvuková extrakce probíhala za stejných podmínek, avšak doby expozice sonikaci (3 až 24 h) a pepsinu (24 až 45 hodin) se měnily, takže celková doba ošetření činila 48 hodin. Extrakce ultrazvukem a pepsinem vykázala vyšší účinnost extrakce kolagenu a dosáhla výtěžku 6,2%, zatímco výtěžek konvenční extrakce činil 2,4%. Nejlepších výsledků bylo dosaženo při době ultrazvukové extrakce 18 h. Extrahovaný kolagen vykazoval nepoškozenou souvislou šroubovicovou strukturu, dobrou rozpustnost a poměrně vysokou tepelnou stabilitu. To znamená, že extrakce ultrazvukem a pepsinem zvýšila účinnost extrakce přírodního kolagenu, aniž by poškodila kvalitu získaného kolagenu. (Ran a Wang 2014)

Ultrazvuková extrakce papainem: Kolagen z rybích šupin lze účinně extrahovat hydrolýzou papainem v kombinaci s ultrazvukovou předúpravou. Pro extrakci kolagenu z rybích šupin ultrazvukem a papainem byly jako optimální stanoveny tyto procesní parametry: doba ultrazvukové předúpravy 4min, poměr papainu k rybím šupinám 4%, teplota 60°C a celková doba extrakce 5h. Za těchto optimálních podmínek dosáhla míra extrakce kolagenu 90,7%. (Jiang et al. 2011)

Kyselá extrakce s podporou ultrazvuku

Ve studii Kim et al. (2012) vykázala extrakce kolagenu rozpustného v kyselině z kůže mořčáka japonského (Lateolabrax japonicus) zvýšený výtěžek a zkrácenou dobu extrakce po ultrazvukovém ošetření při frekvenci 20 kHz v 0,5 M kyselině octové. Extrakce ultrazvukem nezměnila hlavní složky kolagenu, konkrétně řetězce α1, α2 a β.

Ultrazvuková extrakce bílkovin z vaječných skořápek

Enzymatické hydrolyzáty předupravené ultrazvukem měly lepší funkční vlastnosti. Při ultrazvukové extrakci funkčních proteinových hydrolyzátů ze skořápek slepičích vajec se zlepšuje rozpustnost, emulgační a pěnotvorné vlastnosti i schopnost vázat vodu.
Membrána vaječné skořápky je hojným přírodním zdrojem a skládá se z přibližně 64 bílkovin, včetně kolagenu typu I, V a X, lysozymu, osteopontinu a sialoproteinu. Díky tomu jsou vaječné skořápky zajímavou surovinou pro extrakci bílkovin. Ultrazvukovou extrakcí lze výrazně zlepšit uvolňování a funkčnost bílkovin, což vede k rychlému, účinnému a ekonomickému procesu.

Alkalická extrakce s podporou ultrazvuku

k extrakci a solubilizaci těchto bílkovin
Při extrakci bílkovin z membrány vaječné skořápky vedlo ultrazvukovo-alkalické ošetření k výtěžku solubilizovaných bílkovin blížícímu se 100% celkových bílkovin membrány vaječné skořápky. Ultrazvuková kavitace oddělila větší shluky bílkovin od membrány vaječné skořápky a usnadnila solubilizaci jejích složek. Struktura a vlastnosti bílkovin nebyly sonikací poškozeny a zůstaly neporušené. Antioxidační vlastnosti bílkovin byly u alkalického ošetření s podporou ultrazvuku a u konvenční extrakce stejné.

Ultrazvuková extrakce želatiny

Zmrazené a na vzduchu sušené kůže tresky pollock byly ošetřeny studenými solnými, alkalickými a kyselými roztoky za účelem oddělení kolagenní tkáně a extrakce želatiny denaturací kolagenu při 45°C po dobu čtyř hodin s využitím ošetření výkonovým ultrazvukem jako pomocného prostředku zpracování. Hodnotil se výtěžek želatiny, pH, čirost, pevnost gelu a viskoelastické vlastnosti a také distribuce molekulové hmotnosti stanovená metodou PAGE-SDS. Jako kontrola sloužila želatina extrahovaná ve vodní lázni při 45°C po dobu čtyř hodin. Ošetření výkonovým ultrazvukem zvýšilo výtěžek extrakce o 11,1% ve srovnání s kontrolou, zatímco pevnost gelu klesla o 7%. Teplota gelace byla u želatiny extrahované ultrazvukem rovněž nižší (4,2°C). Toto chování souvisí s rozdíly v distribuci molekulové hmotnosti polypeptidových klubek v želatinách. Extrakci výkonovým ultrazvukem lze využít ke zvýšení extrakce želatiny ze zmrazených a na vzduchu sušených rybích kůží. (Olson et al. 2005)

Průmyslové ultrazvukové systémy

Hielscher Ultrasonics dodává výkonné ultrazvukové systémy od laboratorního přes stolní až po průmyslové měřítko. Pro zajištění optimálního výstupu extrakce lze spolehlivou sonikaci za náročných podmínek provádět kontinuálně. Všechny průmyslové ultrazvukové procesory dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno udržovat v nepřetržitém provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zákaznicky upravené ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích.
Kontaktujte nás ještě dnes se svými procesními požadavky! Rádi Vám doporučíme vhodný ultrazvukový systém pro Váš proces!