Ultralyd kollagen ekstraktion
- Kollagen er rig på proteiner og bruges i vid udstrækning i mange industrielle anvendelser, f.eks. fødevarer, lægemidler, tilsætningsstoffer osv.
- Sonikering kan let kombineres med enzymatisk eller syreekstraktion af kollagen.
- Implementeringen af ultralyd i kollagenekstraktionsprocessen resulterer i højere udbytter og hurtigere ekstraktion.
Ultralydseffekter på kollagenekstraktion
Ultralyd med høj intensitet bruges i vid udstrækning til at forbedre masseoverførsel i våde processer, f.eks. ekstraktion, sonokemi osv. Ekstraktionen (også kendt som kollagenisolering) af kollagen kan forbedres betydeligt ved ultralydsbehandling. Sonikering hjælper under spaltningen af kollagensubstratet, åbner kollagenfibrillerne, således at enzymatisk hydrolyse eller syrebehandling lettes.
Ultralydassisteret enzymatisk ekstraktion
Sonikering er kendt for sin evne til at øge enzymaktiviteten. Denne effekt er baseret på ultralydsdispersion og deagglomerering af pepsinaggregaterne. Homogent dispergerede enzymer giver en øget overflade til masseoverførsel, hvilket er korreleret med højere enzymaktivitet. Desuden åbner de kraftige ultralydsbølger kollagenfibrillerne, så kollagenet frigives.
Ultralyd Pepsin ekstraktion: Pepsin kombineret ultralydbehandling øger udbyttet af kollagen op til ca. 124% og forkorter ekstraktionstiden betydeligt sammenlignet med den konventionelle pepsinhydrolyse. Cirkulær dikroismeanalyse, atomkraftmikroskopi og FTIR viste, at den tredobbelte helixstruktur af det ekstraherede kollagen ikke blev påvirket af sonikering og forblev intakt. (Li et al. 2009) Dette gør den ultralydassisterede pepsinekstraktion yderst praktisk til fødevareindustrien, der tilbyder øgede proteingenvindingshastigheder i en betydeligt kortere behandlingstid.
I en sammenlignende undersøgelse af ultralyd vs. ikke-ultralydsekstraktion af kollagen fra kvægsene, ultralydsbehandlingen (20kHz, pulstilstand 20/20 sek.) overbevist af højere udbytte og effektivitet. Den konventionelle ekstraktion blev udført med pepsin i eddikesyre i 48 timer. Ultralydsekstraktionen blev udført ekstraktion under de samme betingelser, men eksponeringstiderne for sonikering (3 til 24 timer) og pepsin (24 til 45 timer) blev varieret, hvilket resulterede i i alt 48 timers behandling. Den ultralyds-pepsinekstraktion viste overlegen effektivitet af kollagenekstraktion og nåede et udbytte på 6,2%, når det konventionelle ekstraktionsudbytte var 2,4%. De bedste resultater blev opnået ved en ultralydsekstraktionstid ved hjælp af 18 timer. Det ekstraherede kollagen viste en ubeskadiget kontinuerlig helixstruktur, god opløselighed og ret høj termisk stabilitet. Dette betyder, at en ultralyd-pepsinekstraktion forbedrede effektiviteten af ekstraktionen af naturligt kollagen uden at skade kvaliteten af det resulterende kollagen. (Ran og Wang 2014)

Ultralydassisteret syreekstraktion
I en undersøgelse af Kim et al. (2012) viste ekstraktionen af syreopløseligt kollagen fra huden på japansk havaborre (Lateolabrax japonicus) øget udbytte og reduceret ekstraktionstid efter ultralydsbehandling med en frekvens på 20 kHz i 0,5 M eddikesyre. Ekstraktion med ultralyd ændrede ikke hovedkomponenterne i kollagenet, mere specifikt α1-, α2- og β-kæderne.
Ultralydsekstraktion af protein fra æggeskaller
Ultralydsforbehandlede enzymatiske hydrolysater havde bedre funktionelle egenskaber. Til ultralydsekstraktion af funktionelle proteinhydrolysater fra kyllingægskal forbedres opløselighed, emulgering, skumdannelse og vandholdende egenskaber.
Æggeskalsmembran er en rigelig naturressource og består af omkring 64 proteiner, herunder Type I, V og X kollagen, lysozym, osteopontin og sialoprotein. Dette gør æggeskaller til et interessant råmateriale til udvinding af proteiner. Med ultralydsekstraktion kan proteinfrigivelsen og funktionaliteten forbedres betydeligt, hvilket resulterer i en hurtig, effektiv og økonomisk proces.

Ultralydsprocesser: Fra Lab til industriel Skæl
Ultralydassisteret alkaliekstraktion
at udvinde og opløse disse proteiner
Til proteinekstraktionen fra æggeskalsmembranen resulterede ultralyds-alkalibehandlingen i et opløseligt proteinudbytte tæt på 100 % af det samlede æggeskalsmembranprotein. Ultralydskavitation løsnede større proteinklumper fra æggeskalsmembranen og lettede opløseligheden af dens forbindelser. Proteinstrukturen og egenskaberne blev ikke beskadiget af sonikering og forblev intakte. Proteinernes antioxidantegenskaber var de samme for ultralydsassisteret alkalisk behandling og konventionel ekstraktion.
Ultralyd gelatine ekstraktion
Frosne og lufttørrede sejskind blev behandlet med koldt saltvand, alkaliske og sure opløsninger for at adskille kollagenvæv og ekstrahere gelatine ved kollagendenaturering ved 45°C i fire timer med en ultralydsbehandling som proceshjælpemiddel. Gelatineudbytte, pH, klarhed, gelstyrke og viskoelastiske egenskaber samt molekylvægtsfordeling bestemt ved PAGE-SDS-metoden blev evalueret. Gelatine ekstraheret i et vandbad ved 45 °C i fire timer blev brugt som kontrol. Ultralydsbehandlingen øgede ekstraktionsudbyttet med 11,1 % sammenlignet med kontrollen, mens gelstyrken faldt 7 %. Geleringstemperaturen var også lavere i ultralydekstraheret gelatine (4,2 °C). Denne adfærd er relateret til forskelle i molekylvægtfordeling af polypeptidspoler i gelatiner. Power ultralydsekstraktion kan bruges til at øge gelatineekstraktion fra frosne og lufttørrede fiskeskind. (Olson et al. 2005)
Industrielle ultralydssystemer
Hielscher Ultrasonics leverer kraftfulde ultralydssystemer fra laboratorie til bordplade og industriel skala. For at sikre optimal ekstraktionseffekt kan pålidelig sonikering under krævende forhold udføres kontinuerligt. Alle industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige. Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift ved tunge og krævende miljøer.
Kontakt os venligst i dag med dine proceskrav! Vi vil med glæde anbefale dig et passende ultralydssystem til din proces!

Hielschers ultralydshomogenisatorer med høj effekt er tilgængelige til enhver processkala – fra laboratorium til produktion.
Litteratur/Referencer
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Optimeret proteingenvinding fra hele makrelfisk ved hjælp af sekventiel syre/alkalisk isoelektrisk solubiliseringsudfældning (ISP) ekstraktion assisteret af ultralyd. LWT – Fødevarevidenskab og -teknologi Vol. 88, februar 2018. 210-216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Optimering af ekstraktion af funktionelle proteinhydrolysater fra kyllingeægskalsmembran (ESM) ved ultralydsassisteret ekstraktion (UAE) og enzymatisk hydrolyse. LWT – Fødevarevidenskab og -teknologi Vol. 69, juni 2016. 295-302.
- Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, NH (2012): Virkninger af ultralydsbehandling på kollagenekstraktion fra skind af havabbor Lateolabrax japonicus. Fiskerividenskab bind 78, nummer 78; 2013. 485-490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Ultralydbestråling i den enzymatiske ekstraktion af kollagen. Ultralyd Sonochemistry bind 16, udgave 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, T.H. (2005): Evaluering af ultralyd som et forarbejdningshjælpemiddel til udvinding af fiskegelatine. Mødeabstrakt nr. 71C-26. IFT's årsmøde. Juli 2005. New Orleans, LA.
- Ran, X.G.; Wang, LEY (2014): Brug af ultralyds- og pepsinbehandling sammen til kollagenekstraktion fra kødindustriens biprodukter. Tidsskrift for videnskab om fødevarer og landbrug 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): Kollagenekstraktionsproces. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913-922.
- Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Virkningerne af Bombyx mori silkestamme og ekstraktionstid på sericins molekylære og biologiske egenskaber. Biovidenskab, bioteknologi og biokemi Vol. 80, Iss. 2, 2016. 241-249.
- Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, ZQ, Li, SH (2011): Ekstraktion af kollagen fra fiskeskæl med papain under ultralydsforbehandling. Avanceret materialeforskning, bind 366, 2011. 421-424.
Fakta, der er værd at vide
Kollagen
Kollagen er det vigtigste strukturelle protein i det ekstracellulære rum i de forskellige bindevæv i dyrekroppe. Som hovedkomponenten i bindevæv er det det mest udbredte protein hos pattedyr,[1] der udgør fra 25% til 35% af hele kroppens proteinindhold. Kollagen består af aminosyrer, der er viklet sammen for at danne tredobbelte helixer til form af aflange fibriller. De højeste mængder kollagen er til stede i fibrøst væv som sener, ledbånd og hud. Der er tre typer kollagen, der skal skelnes:
Type I kollagen: Giver 90% protein i hud, hår, negle, organer, knogler, ledbånd
Type II kollagen: Giver 50-60% protein i brusk, 85-90% kollagen i ledbrusk
Type III kollagen: Giver proteiner til fibrøst protein i knogler, brusk, dentin, sener og andet bindevæv
Kollagen i kroppen
Hver af de tre kollagentyper er sammensat af forskellige proteiner, som opfylder forskellige formål i kroppen. Kollagentyperne I og III er begge hovedkomponenter i hud, muskler, knogler, hår og negle. De er nødvendige for deres sundhed, vækst og genopbygning. Kollagen type II findes mest i brusk og led.
Kollagen af type I og III indeholder begge 19 aminosyrer, der betragtes som essentielle aminosyrer. De produceres af fibroblaster (celler i bindevæv) og osteoblaster (celler, der laver knogler). De vigtigste proteiner i kollagen type I og III omfatter glycin, prolin, alanin og hydroxyprolin. Type III er et fibrøst skleroprotein.
Glycin er den aminosyre, der har den højeste mængde i kollagen. Prolin er en ikke-essentiel aminosyre, som kan syntetiseres fra glycin og bidrager til led og sener. Hydroxyprolin er en aminosyre, der bidrager til kollagenets stabilitet. Alanin er en aminosyre, der er vigtig for biosyntesen af proteiner.
Ligesom type I og III danner type II kollagen fibriller. Dette fibrillære netværk af kollagen er vigtigt i brusk, da det gør det muligt at fange proteoglykaner. Desuden giver det trækstyrke til vævet.
Kilder og anvendelser
Kollagen er et fibrøst protein, som er rigeligt til stede i bindevævet hos pattedyr, f.eks. kvæg, svin. Det meste kollagen udvindes
skind og knogler fra svin og fra kvæg. En alternativ kilde til kollagenekstraktion er fisk og fjerkræ. Kollagen er meget udbredt i fødevarer, kosttilskud, lægemidler/medicin og kosmetik blandt andre produkter. Kollagenekstraktionen er en voksende forretning, da dette protein kan erstatte syntetiske stoffer i forskellige industrielle processer.