Ultrazvuková extrakce kolagenu
- Kolagen je bohatý na bílkoviny a je široce používán v různých průmyslových aplikacích, např. v potravinářství, farmacii, přísadách atd.
- Sonikaci lze snadno kombinovat s enzymatickou nebo kyselou extrakcí kolagenu.
- Implementace ultrazvuku do procesu extrakce kolagenu vede k vyšším výnosům a rychlejší extrakci.
Ultrazvukové účinky na extrakci kolagenu
Ultrazvuk s vysokou intenzitou je široce používán ke zlepšení přenosu hmoty v mokrých procesech, např. extrakce, sonochemie atd. Extrakci (známou také jako izolace kolagenu) kolagenu lze výrazně zlepšit ultrazvukovou léčbou. Sonikace pomáhá během štěpení kolagenového substrátu, otevírá kolagenové fibrily, čímž je usnadněna enzymatická hydrolýza nebo léčba kyselinou.
Ultrazvukem asistovaná enzymatická extrakce
Sonikace je známá svou schopností zvyšovat aktivitu enzymů. Tento účinek je založen na ultrazvukové disperzi a deaglomeraci pepsinových agregátů. Homogenně dispergované enzymy nabízejí zvýšený povrch pro přenos hmoty, což koreluje s vyšší aktivitou enzymů. Silné ultrazvukové vlny navíc otevírají kolagenové fibrily, takže se kolagen uvolňuje.
Ultrazvuková extrakce pepsinu: Pepsin v kombinaci s ultrazvukem zvyšuje výtěžek kolagenu až na cca. 124% a výrazně zkracuje dobu extrakce ve srovnání s konvenční hydrolýzou pepsinu. Analýza cirkulárního dichroismu, mikroskopie atomárních sil a FTIR prokázaly, že struktura trojité šroubovice extrahovaného kolagenu nebyla ovlivněna sonikací a zůstala neporušená. (Li et al. 2009) Díky tomu je ultrazvukem asistovaná extrakce pepsinu vysoce praktická pro potravinářský průmysl, protože nabízí zvýšenou rychlost obnovy bílkovin při výrazně kratší době zpracování.
Ve srovnávací studii ultrazvukové vs. neultrazvukové extrakce kolagenu z hovězí šlachy přesvědčila ultrazvuková léčba (20 kHz, pulzní režim 20/20 s) vyšším výtěžkem a účinností. Konvenční extrakce byla prováděna pepsinem v kyselině octové po dobu 48 hodin. Ultrazvuková extrakce byla provedena extrakce za stejných podmínek, ale doby expozice sonikaci (3 až 24 hodin) a pepsinu (24 až 45 hodin) se lišily, což vedlo k celkem 48 hodinám léčby. Extrakce ultrazvukem a pepsinem vykazovala vynikající účinnost extrakce kolagenu a dosáhla výtěžku 6,2 %, když konvenční extrakční výtěžek byl 2,4 %. Nejlepších výsledků bylo dosaženo při ultrazvukové extrakci s použitím 18 hodin. Extrahovaný kolagen vykazoval nepoškozenou strukturu kontinuální šroubovice, dobrou rozpustnost a poměrně vysokou tepelnou stabilitu. To znamená, že extrakce ultrazvukem a pepsinem zlepšila účinnost extrakce přírodního kolagenu, aniž by došlo k poškození kvality výsledného kolagenu. (Ran a Wang 2014)

Ultrazvukem asistovaná extrakce kyselin
Ve studii Kim et al. (2012) extrakce kolagenu rozpustného v kyselině z kůže japonského mořčáka (Lateolabrax japonicus) prokázala zvýšený výnos a zkrácení doby extrakce po ultrazvukovém ošetření při frekvenci 20 kHz v 0,5 M kyselině octové. Extrakce ultrazvukem nezměnila hlavní složky kolagenu, konkrétněji řetězce α1, α2 a β.
Ultrazvuková extrakce proteinu z vaječných skořápek
Ultrazvukem předupravené enzymatické hydrolyzáty měly lepší funkční vlastnosti. Pro ultrazvukovou extrakci funkčních proteinových hydrolyzátů ze skořápky slepičích vajec se zlepšuje rozpustnost, emulgace, pěnění a zadržování vody.
Membrána vaječné skořápky je bohatým přírodním zdrojem a skládá se z asi 64 proteinů včetně kolagenu typu I, V a X, lysozymu, osteopontinu a sialoproteinu. Díky tomu jsou vaječné skořápky zajímavou surovinou pro extrakci bílkovin. S ultrazvukovou extrakcí lze výrazně zlepšit uvolňování a funkčnost proteinů, což vede k rychlému, efektivnímu a ekonomickému procesu.

Ultrazvukové procesy: Od laboratoř k industriální Škála
Ultrazvukem asistovaná extrakce alkálií
extrahovat a solubilizovat tyto proteiny
Při extrakci bílkovin z membrány vaječné skořápky vedla ultrazvukovo-alkalická úprava k výtěžku solubilizovaného proteinu téměř 100 % celkového proteinu membrány vaječné skořápky. Ultrazvuková kavitace oddělila větší shluky proteinů od membrány vaječné skořápky a usnadnila solubilizaci jejích sloučenin. Proteinová struktura a vlastnosti nebyly poškozeny sonikací a zůstaly nedotčeny. Antioxidační vlastnosti proteinů byly stejné pro ultrazvukem asistovanou alkalickou léčbu a konvenční extrakci.
Ultrazvuková extrakce želatiny
Zmrazené a na vzduchu vysušené kůže tresky obecné byly ošetřeny studeným fyziologickým roztokem, alkalickými a kyselými roztoky, aby se oddělila kolagenová tkáň a extrahovala želatina denaturací kolagenu při 45 °C po dobu čtyř hodin s ultrazvukovým ošetřením jako pomocnou látkou. Hodnocen byl výtěžek želatiny, pH, čirost, pevnost gelu a viskoelastické vlastnosti, jakož i distribuce molekulové hmotnosti stanovená metodou PAGE-SDS. Jako kontrola byla použita želatina extrahovaná ve vodní lázni o teplotě 45 °C po dobu čtyř hodin. Ošetření výkonovým ultrazvukem zvýšilo výtěžnost extrakce o 11,1 % ve srovnání s kontrolní metodou, zatímco síla gelu se snížila o 7 %. Teplota gelovatění byla také nižší u želatiny extrahované ultrazvukem (4,2 °C). Toto chování souvisí s rozdíly v distribuci molekulové hmotnosti polypeptidových cívek v želatinách. Výkonová ultrazvuková extrakce může být použita ke zvýšení extrakce želatiny ze zmrazených a vzduchem sušených rybích kůží. (Olson et al. 2005)
Průmyslové ultrazvukové systémy
Hielscher Ultrasonics dodává výkonné ultrazvukové systémy z laboratoře na stolní a průmyslové měřítko. Aby byl zajištěn optimální výkon extrakce, lze nepřetržitě provádět spolehlivou sonikaci za náročných podmínek. Všechny průmyslové ultrazvukové procesory mohou poskytovat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích.
Kontaktujte nás prosím ještě dnes se svými procesními požadavky! Rádi vám doporučíme vhodný ultrazvukový systém pro váš proces!

Ultrazvukové vysoce výkonné homogenizátory Hielscher jsou k dispozici pro jakékoli procesní měřítko – Z laboratoře do výroby.
Literatura/Odkazy
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynchová, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Optimalizované získávání bílkovin z celých ryb makrely pomocí sekvenční extrakce kyselým/alkalickým izoelektrickým solubilizačním srážením (ISP) za pomoci ultrazvuku. LWT – Potravinářská věda a technologie, sv. 88, únor 2018. 210-216.
- Džinista, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Optimalizace extrakce funkčních proteinových hydrolyzátů z membrány skořápky kuřecích vajec (ESM) pomocí ultrazvukem asistované extrakce (SAE) a enzymatické hydrolýzy. LWT – Potravinářská věda a technologie, sv. 69, červen 2016. 295-302.
- Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, NH (2012): Účinky ultrazvukového ošetření na extrakci kolagenu z kůží mořského vlka Lateolabrax japonicus. Rybářská věda, svazek 78, vydání 78; 2013. 485-490.
- Li, Defu; Mu, Čchang-tao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Ultrazvukové ozařování při enzymatické extrakci kolagenu. Ultrazvuková sonochemie svazek 16, vydání 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, TH (2005): Hodnocení výkonového ultrazvuku jako pomocné látky pro extrakci rybí želatiny. Abstrakt ze zasedání č. 71C-26. Výroční zasedání IFT. Červenec 2005. New Orleans, Los Angeles.
- Ran, X.G.; Wang, LY (2014): Použití ultrazvukové a pepsinové léčby v tandemu pro extrakci kolagenu z vedlejších produktů masného průmyslu. Časopis vědy o potravinách a zemědělství 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): Proces extrakce kolagenu. Mezinárodní časopis pro výzkum potravin 23(3), 2016. 913-922.
- Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Účinky kmene hedvábí Bombyx mori a doba extrakce na molekulární a biologické vlastnosti sericinu. Biověda, biotechnologie a biochemie sv. 80 , Iss. 2, 2016. 241-249.
- Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, ZQ, Li, SH (2011): Extrakce kolagenu z rybích šupin pomocí papainu pod ultrazvukovou předúpravou. Pokročilý materiálový výzkum, svazek 366, 2011. 421-424.
Fakta, která stojí za to vědět
kolagen
Kolagen je hlavním strukturálním proteinem v extracelulárním prostoru v různých pojivových tkáních v tělech zvířat. Jako hlavní složka pojivové tkáně je nejhojnějším proteinem u savců,[1] který tvoří 25 % až 35 % obsahu bílkovin v celém těle. Kolagen se skládá z aminokyselin svinutých dohromady za vzniku trojitých šroubovic do formy prodloužených fibril. Nejvyšší množství kolagenu je přítomno ve vazivových tkáních, jako jsou šlachy, vazy a kůže. Je třeba rozlišovat tři typy kolagenu:
Kolagen typu I: poskytuje 90 % bílkovin v kůži, vlasech, nehtech, orgánech, kostech, vazivech
Kolagen typu II: poskytuje 50-60 % bílkovin v chrupavce, 85-90 % kolagenu v kloubní chrupavce
Kolagen typu III: poskytuje proteiny pro vláknitý protein v kostech, chrupavkách, dentinu, šlachách a dalších pojivových tkáních
Kolagen v těle
Každý ze tří typů kolagenu se skládá z různých proteinů, které v těle plní různé účely. Kolagen typu I a III jsou hlavními složkami kůže, svalů, kostí, vlasů a nehtů. Jsou nezbytné pro jejich zdraví, růst a obnovu. Kolagen typu II se většinou nachází v chrupavkách a kloubech.
Kolagen typu I a III obsahuje 19 aminokyselin, které jsou považovány za esenciální aminokyseliny. Jsou produkovány fibroblasty (buňky v pojivových tkáních) a osteoblasty (buňky, které tvoří kosti). Mezi nejdůležitější proteiny kolagenu typu I a III patří glycin, prolin, alanin a hydroxyprolin. Typ III je vláknitý skleroprotein.
Glycin je aminokyselina s nejvyšším množstvím kolagenu. Prolin je neesenciální aminokyselina, kterou lze syntetizovat z glycinu a přispívá k činnosti kloubů a šlach. Hydroxyprolin je aminokyselina, která přispívá ke stabilitě kolagenu. Alanin je aminokyselina důležitá pro biosyntézu bílkovin.
Stejně jako kolagen typu I a III tvoří fibrily. Tato fibrilární síť kolagenu je důležitá v chrupavce, protože umožňuje zachycení proteoglykanů. Kromě toho poskytuje tkáni pevnost v tahu.
Zdroje a použití
Kolagen je vláknitá bílkovina, která je hojně přítomna v pojivové tkáni savců, např. skotu, prasete. Většina kolagenu je extrahována
z prasečích kůží a kostí a ze zdrojů skotu. Alternativním zdrojem pro extrakci kolagenu jsou ryby a drůbež. Kolagen je široce používán mimo jiné v potravinách, doplňcích stravy, léčivech/lékařství a kosmetice. Extrakce kolagenu je rostoucí byznys, protože tento protein může nahradit syntetická činidla v různých průmyslových procesech.