Ultralydsekstraktion af kollagen

• Kollagen er rigt på proteiner og anvendes bredt i mange forskellige industrielle anvendelser, f.eks. fødevarer, lægemidler, tilsætningsstoffer osv.
• Sonikering kan nemt kombineres med enzymatisk ekstraktion eller syreekstraktion af kollagen.
• Anvendelse af ultralyd i kollagenekstraktionsprocessen giver højere udbytter og hurtigere ekstraktion.

Ultralydens virkninger på kollagenekstraktion

Ultralyd med høj intensitet anvendes bredt til at forbedre masseoverførslen i våde processer, f.eks. ekstraktion, sonokemi osv. Ekstraktion af kollagen (også kendt som kollagenisolering) kan forbedres betydeligt ved ultralydsbehandling. Sonikering hjælper med spaltningen af kollagensubstratet og åbner kollagenfibrillerne, hvilket letter enzymatisk hydrolyse eller syrebehandling.

Ultralydsassisteret enzymatisk ekstraktion

Sonikering er kendt for sin evne til at øge enzymaktiviteten. Denne effekt skyldes ultralydsdispergering og deagglomerering af pepsinaggregaterne. Homogent dispergerede enzymer giver et større overfladeareal til masseoverførsel, hvilket er korreleret med højere enzymaktivitet. Desuden åbner de kraftige ultralydsbølger kollagenfibrillerne, så kollagenet frigives.

Ultralydsekstraktion med pepsin: Pepsin kombineret med sonikering øger kollagenudbyttet til op til ca. 124% og forkorter ekstraktionstiden betydeligt sammenlignet med konventionel pepsinhydrolyse. Analyse med cirkulær dikroisme, atomkraftmikroskopi og FTIR viste, at det ekstraherede kollagens tredobbelte helixstruktur ikke blev påvirket af sonikering og forblev intakt. (Li et al. 2009) Dette gør ultralydsassisteret pepsinekstraktion særdeles praktisk for fødevareindustrien, da den giver en højere grad af proteingenvinding på en betydeligt kortere behandlingstid.

I en sammenlignende undersøgelse af kollagenekstraktion fra kvægsener med og uden ultralyd udmærkede ultralydsbehandlingen (20kHz, pulstilstand 20/20 sek.) sig ved højere udbytte og effektivitet. Den konventionelle ekstraktion blev udført med pepsin i eddikesyre i 48 timer. Ultralydsekstraktionen blev udført under de samme betingelser, men eksponeringstiderne for sonikering (3 til 24 h) og pepsin (24 til 45 timer) blev varieret, hvilket resulterede i en samlet behandlingstid på 48 timer. Ekstraktion med ultralyd og pepsin viste overlegen effektivitet ved kollagenekstraktionen og opnåede et udbytte på 6,2%, mens udbyttet ved konventionel ekstraktion var 2,4%. De bedste resultater blev opnået ved en ultralydsekstraktionstid på 18 h. Det ekstraherede kollagen udviste en ubeskadiget, sammenhængende helixstruktur, god opløselighed og forholdsvis høj termisk stabilitet. Dette betyder, at ekstraktion med ultralyd og pepsin forbedrede effektiviteten af ekstraktionen af naturligt kollagen uden at skade kvaliteten af det resulterende kollagen. (Ran and Wang 2014)

Ultralydsekstraktion med papain: Kollagen fra fiskeskæl kan ekstraheres effektivt ved papainhydrolyse kombineret med ultralydsforbehandling. Ved ekstraktion af kollagen fra fiskeskæl med ultralyd og papain blev følgende procesparametre fundet optimale: ultralydsforbehandling i 4min, et forhold mellem papain og fiskeskæl på 4%, en temperatur på 60°C og en samlet ekstraktionstid på 5h. Under disse optimale betingelser nåede ekstraktionsgraden for kollagen op på 90,7%. (Jiang et al. 2011)

Ultralydsassisteret syreekstraktion

I en undersøgelse af Kim et al. (2012) viste ekstraktionen af syreopløseligt kollagen fra skindet af japansk havaborre (Lateolabrax japonicus) et øget udbytte og en reduceret ekstraktionstid efter ultralydsbehandling ved en frekvens på 20 kHz i 0,5 M eddikesyre. Ekstraktion med ultralyd ændrede ikke kollagenets hovedbestanddele, nærmere bestemt α1-, α2- og β-kæderne.

Ultralydsekstraktion af protein fra æggeskaller

Enzymatiske hydrolysater, som var forbehandlet med ultralyd, havde bedre funktionelle egenskaber. Ved ultralydsekstraktion af funktionelle proteinhydrolysater fra hønseægsskaller forbedres opløseligheden samt de emulgerende, skumdannende og vandbindende egenskaber.
Æggeskalsmembranen er en rigeligt tilgængelig naturressource og består af omkring 64 proteiner, herunder kollagen af type I, V og X, lysozym, osteopontin og sialoprotein. Dette gør æggeskaller til et interessant råmateriale til ekstraktion af proteiner. Med ultralydsekstraktion kan proteinfrigivelsen og funktionaliteten forbedres betydeligt, hvilket resulterer i en hurtig, effektiv og økonomisk proces.

Ultralydsassisteret alkalisk ekstraktion

for at ekstrahere og opløseliggøre disse proteiner
Ved proteinekstraktion fra æggeskalsmembranen resulterede behandlingen med ultralyd og alkali i et udbytte af opløseliggjort protein på næsten 100% af æggeskalsmembranens samlede proteinindhold. Ultralydskavitation løsnede større proteinklumper fra æggeskalsmembranen og lettede opløseliggørelsen af dens bestanddele. Proteinernes struktur og egenskaber blev ikke beskadiget af sonikering og forblev intakte. Proteinernes antioxidante egenskaber var de samme ved den ultralydsassisterede alkaliske behandling og ved konventionel ekstraktion.

Ultralydsekstraktion af gelatine

Frosne og lufttørrede skind fra sej blev behandlet med kolde saltopløsninger samt alkaliske og sure opløsninger for at adskille kollagenvæv og ekstrahere gelatine ved denaturering af kollagen ved 45°C i fire timer med behandling med højintensiv ultralyd som proceshjælp. Gelatineudbytte, pH, klarhed, gelstyrke og viskoelastiske egenskaber samt molekylvægtfordelingen bestemt med PAGE-SDS-metoden blev vurderet. Gelatine ekstraheret i et vandbad ved 45°C i fire timer blev anvendt som kontrol. Behandlingen med højintensiv ultralyd øgede ekstraktionsudbyttet med 11,1% sammenlignet med kontrollen, mens gelstyrken faldt med 7%. Geleringstemperaturen var også lavere i gelatine ekstraheret med ultralyd (4,2°C). Denne adfærd hænger sammen med forskelle i molekylvægtfordelingen af polypeptidspiraler i gelatiner. Ekstraktion med højintensiv ultralyd kan bruges til at øge gelatineekstraktionen fra frosne og lufttørrede fiskeskind. (Olson et al. 2005)

Industrielle ultralydssystemer

Hielscher Ultrasonics leverer kraftige ultralydssystemer fra laboratorieskala til bordmodeller og industriel skala. For at sikre et optimalt ekstraktionsudbytte kan pålidelig sonikering udføres kontinuerligt under krævende forhold. Alle industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder. Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr muliggør 24/7-drift ved høj belastning og i krævende miljøer.
Kontakt os i dag med dine proceskrav! Vi anbefaler gerne et passende ultralydssystem til din proces!