Ultraschallextraktion von Kollagen aus Quallen
- Quallenkollagen ist ein hochwertiges Kollagen, das einzigartig ist, jedoch ähnliche Eigenschaften wie Kollagen der Typen I, II, III und V aufweist.
- Die Ultraschallextraktion ist ein rein mechanisches Verfahren, das die Ausbeute erhöht, den Prozess beschleunigt und Kollagen mit hohem Molekulargewicht liefert.
Ultraschallextraktion aus Quallen
Quallen sind reich an Mineralstoffen und Proteinen, und Kollagen ist eines der Hauptproteine dieser gallertartigen Meereslebewesen. Quallen stellen eine nahezu reichlich vorhandene Quelle in den Ozeanen dar. Sie werden häufig als Plage angesehen. Ihre Nutzung zur Kollagenextraktion bietet beiderseitige Vorteile: Sie liefert hervorragendes Kollagen, nutzt eine nachhaltige natürliche Quelle und beseitigt Quallenblüten.
Die Ultraschallextraktion ist ein mechanisches Extraktionsverfahren, das sich präzise steuern und an das behandelte Ausgangsmaterial anpassen lässt. Die Ultraschallextraktion wurde bereits erfolgreich zur Isolierung von Kollagen, Glykoproteinen und anderen Proteinen aus Quallen eingesetzt.
Im Allgemeinen weisen aus Quallen isolierte Proteine eine starke antioxidative Aktivität auf und sind daher wertvolle Wirkstoffe für die Lebensmittel-, Nahrungsergänzungsmittel- und Pharmaindustrie.
Für die Extraktion können die gesamte Qualle, die Mesogloea (= Hauptbestandteil des Quallenschirms) oder die Mundarme verwendet werden.
Die Ultraschallextraktion ist ein effizientes und schnelles Verfahren zur Gewinnung großer Mengen Kollagen aus Quallen.
- Kollagen in Lebensmittel- / Pharmaqualität
- hohes Molekulargewicht
- Aminosäurezusammensetzung
- höhere Ausbeuten
- schnelle Verarbeitung
- einfache Bedienung
Ultraschallunterstützte saure und enzymatische Extraktion
Die Ultraschallextraktion kann in Kombination mit verschiedenen Säurelösungen eingesetzt werden, um säurelösliches Kollagen (ASC) aus Quallen freizusetzen. Die Ultraschallkavitation fördert den Stofftransport zwischen dem Quallensubstrat und der Säurelösung, indem sie Zellstrukturen aufbricht und die Säuren in das Substrat einspült. Dadurch werden das Kollagen sowie weitere Zielproteine in die Flüssigkeit überführt.
In einem anschließenden Schritt wird das verbleibende Quallensubstrat unter Ultraschallbehandlung mit Enzymen (d. h. Pepsin) behandelt, um pepsinlösliches Kollagen (PSC) zu isolieren. Die Beschallung ist dafür bekannt, die Enzymaktivität steigern zu können. Dieser Effekt beruht auf der ultraschallinduzierten Dispergierung und Deagglomeration der Pepsinaggregate. Homogen dispergierte Enzyme bieten eine größere Oberfläche für den Stofftransport, was mit einer höheren Enzymaktivität korreliert. Darüber hinaus öffnen die leistungsstarken Ultraschallwellen die Kollagenfibrillen, sodass das Kollagen freigesetzt wird.
Untersuchungen haben gezeigt, dass eine ultraschallunterstützte enzymatische Extraktion mit Pepsin zu höheren Ausbeuten und einem kürzeren Extraktionsprozess führt.
Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Kollagenproduktion
Hielscher Ultrasonics liefert leistungsstarke Ultraschallsysteme vom Labor über Tischgeräte bis hin zum industriellen Maßstab. Um optimale Extraktionsergebnisse zu gewährleisten, lässt sich auch unter anspruchsvollen Bedingungen eine zuverlässige Beschallung im Dauerbetrieb durchführen. Alle industriellen Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden erzeugen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im 24/7-Dauerbetrieb nutzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 0,5 bis 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
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Literatur/Quellen
- Nicholas M.H. Khonga, Fatimah Md. Yusoff, B. Jamilah, Mahiran Basri, I. Maznah, Kim Wei Chan, Nurdin Armania, Jun Nishikawa (2018): Improved collagen extraction from jellyfish (Acromitus hardenbergi) with increased physical-induced solubilization processes. Food Chemistry Vol. 251, 15 June 2018. 41–50.
- Guoyan Ren, Bafang Li, Xue Zhao, Yongliang Zhuang, Mingyan Yan (2008): Ultraschallunterstützte Extraktionstechnologie zur Gewinnung von Glykoprotein aus den Mundarmen der Qualle Rhopilema esculentum. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2008-02.
- Guoyan Ren, Bafang Li, Xue Zhao, Yongliang Zhuang, Mingyan Yan, Hu Hou, Xiukun Zhang, Li Chen (2009): Screening von Extraktionsverfahren für Glykoproteine aus den Mundarmen der Qualle Rhopilema esculentum mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie. Journal of Ocean University of China 2009, Band 8, Heft 1. 83–88.
Wissenswertes
Kollagen
Kollagen ist ein Faserprotein mit Tripelhelixstruktur und das wichtigste unlösliche Faserprotein in der extrazellulären Matrix und im Bindegewebe. Es gibt mindestens 16 Kollagentypen, wobei der größte Anteil (ca. 90%) auf die Typen I, II und III entfällt. Kollagen ist das häufigste Protein im menschlichen Körper und kommt in Knochen, Muskeln, Haut und Sehnen vor. Bei Säugetieren macht es 25–35% des gesamten Körperproteins aus. Die folgende Aufzählung nennt Beispiele für Gewebe, in denen die jeweiligen Kollagentypen am häufigsten vorkommen: Typ I – Knochen, Dermis, Sehnen, Bänder, Hornhaut; Typ II – Knorpel, Glaskörper, Nucleus pulposus; Typ III – Haut, Gefäßwand, retikuläre Fasern der meisten Gewebe (Lunge, Leber, Milz usw.); Typ IV – Basalmembranen; Typ V – häufig gemeinsam mit Typ-I-Kollagen verteilt, insbesondere in der Hornhaut. Dies begünstigte naturgemäß die kommerzielle Nutzung der üblichen, reichlich vorhandenen Kollagene (Kollagene I–V), indem sie überwiegend aus menschlichem Gewebe sowie aus Rinder- und Schweinegewebe mit konventionellen Herstellungsverfahren mit hoher Ausbeute isoliert und gereinigt wurden, wodurch hochwertige Kollagenchargen entstanden. (Silva et al., Mar. Drugs 2014, 12)
Endogenes Kollagen ist ein natürliches, vom Körper synthetisiertes Kollagen, während exogenes Kollagen synthetisch ist und aus einer externen Quelle wie Nahrungsergänzungsmitteln stammen kann. Kollagen kommt im Körper vor allem in der Haut, den Knochen und im Bindegewebe vor. Die Kollagenproduktion eines Organismus nimmt mit zunehmendem Alter und durch Einflüsse wie Rauchen und UV-Licht ab. In der Medizin kann Kollagen in kollagenhaltigen Wundauflagen eingesetzt werden, um neue Hautzellen an die Wundstellen zu locken.
Kollagen wird häufig in Nahrungsergänzungsmitteln und Arzneimitteln verwendet, da es resorbiert werden kann. Das bedeutet, dass es abgebaut, umgewandelt und wieder vom Körper aufgenommen werden kann. Es lässt sich auch zu kompakten Festkörpern oder gitterartigen Gelen formen. Sein breites Funktionsspektrum und sein natürliches Vorkommen machen es klinisch vielseitig einsetzbar und für eine Vielzahl medizinischer Zwecke geeignet. Für medizinische Anwendungen kann Kollagen aus Rindern, Schweinen, Schafen und Meeresorganismen gewonnen werden.
Es gibt vier Hauptverfahren zur Isolierung von Kollagen aus Tieren: Aussalzen sowie alkalische, saure und enzymatische Verfahren.
Für die Herstellung von hochwertigem Kollagen werden am häufigsten saure und enzymatische Verfahren kombiniert. Da ein Teil des Kollagens säurelöslich (ASC) und ein anderer Teil pepsinlöslich (PSC) ist, folgt auf die Säurebehandlung eine enzymatische Extraktion mit Pepsin. Die saure Kollagenextraktion erfolgt mit organischen Säuren wie Chloressigsäure, Zitronensäure oder Milchsäure. Um pepsinlösliches Kollagen (PSC) aus dem verbleibenden Material der sauren Kollagenextraktion freizusetzen, wird das ungelöste Material mit dem Enzym Pepsin behandelt, sodass das pepsinlösliche Kollagen (PSC) isoliert werden kann. PSC wird üblicherweise in Kombination mit 0,5M Essigsäure eingesetzt. Pepsin ist ein häufig verwendetes Enzym, da es durch Spaltung am N-Terminus der Proteinkette und am nichthelikalen Peptid eine Kollagenstruktur erhalten kann.
Kollagen wird in Nahrungsergänzungsmitteln (Nutraceuticals), kosmetischen Produkten und in der Medizin verwendet. Kollagen aus Säugetieren und marines Kollagen (aus Fischen) sind auf dem Markt erhältlich und können in beliebigen Mengen erworben werden. Quallenkollagen ist eine neue Form von Kollagen, die mit dem menschlichen Körper biokompatibel ist und nicht von Säugetieren stammt (krankheitsfrei). Quallenkollagen entspricht keinem bestimmten Kollagentyp (Typ I–V), weist jedoch verschiedene Eigenschaften der Kollagentypen I, II und V auf.
Glykoproteine
Glykoproteine kommen in vielen Organismen von Bakterien bis zum Menschen vor und erfüllen unterschiedliche Funktionen. Diese Proteine mit kurzen Oligosaccharidketten sind bei vielen zellulären Vorgängen an der Erkennung der Zelloberfläche durch Hormone, Viren und andere Substanzen beteiligt. Darüber hinaus dienen Zelloberflächenantigene als Muzinsekretion des extrazellulären Matrixelements, des Gastrointestinaltrakts und des Urogenitaltrakts. Fast alle globulären Proteine im Plasma mit Ausnahme von Albumin, sezernierten Enzymen und Proteinen weisen eine Glykoproteinstruktur auf. Die Zellmembran besteht aus Protein-, Lipid- und Kohlenhydratmolekülen. Die Funktion der Glykoproteine in der Zellmembran beeinflusst wiederum die Anzahl und Verteilung der Proteine. Diese Proteine sind am Übergang von der Membran zur Substanz beteiligt. Die Anzahl und Verteilung von Glykolipiden und Glykoproteinen verleihen der Zelle ihre Spezifität.
Glykoproteine sind für die Erkennung von Zellen, die selektive Permeabilität der Zellmembran und die Aufnahme von Hormonen verantwortlich. Im Kohlenhydratanteil von Glykoproteinen gibt es 7 Haupttypen von Monosacchariden. Diese Monosaccharide verbinden sich in unterschiedlicher Reihenfolge und mit unterschiedlichen Bindungsstrukturen, wodurch zahlreiche Kohlenhydratkettenstrukturen entstehen. Ein Glykoprotein kann eine einzelne N-verknüpfte Oligosaccharidstruktur oder mehr als einen Oligosaccharidtyp enthalten. Die N-verknüpften Oligosaccharide können gleiche oder unterschiedliche Strukturen aufweisen oder auch in O-verknüpften Oligosacchariden vorhanden sein. Die Anzahl der Oligosaccharidketten variiert je nach Protein und Funktion.
Sialinsäuren in Glykoproteinen, einem Bestandteil der Glykokalyx, spielen eine wichtige Rolle bei der Erkennung von Zellen. Werden die Sialinsäuren aus irgendeinem Grund zerstört, wird die Glykokalyxstruktur der Membran gestört, und die Zelle kann die meisten der genannten Aufgaben nicht mehr erfüllen. Darüber hinaus gibt es einige strukturelle Glykoproteine. Dazu gehören Fibronektine, Laminine und fetale Fibronektine, die jeweils unterschiedliche Aufgaben im Körper erfüllen. Auch in eukaryotischen Glykoproteinen kommen einige Monosaccharide vor, überwiegend vom Hexose- und Aminohexosetyp. Sie können die Proteinfaltung unterstützen, die Stabilität des Proteins verbessern und sind an der zellulären Signalübertragung beteiligt.