Ultraschallgestützte Kollagenextraktion

• Kollagen ist reich an Proteinen und wird in vielfältigen industriellen Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie sowie als Zusatzstoff.
• Die Ultraschallbehandlung lässt sich problemlos mit der enzymatischen oder sauren Extraktion von Kollagen kombinieren.
• Die Integration von Ultraschall in den Kollagenextraktionsprozess führt zu höheren Ausbeuten und einer schnelleren Extraktion.

Auswirkungen von Ultraschall auf die Kollagenextraktion

Hochintensiver Ultraschall wird häufig eingesetzt, um den Stofftransport in Nassverfahren zu verbessern, z. B. bei der Extraktion oder in der Sonochemie. Die Extraktion von Kollagen – auch als Kollagenisolierung bezeichnet – lässt sich durch eine Ultraschallbehandlung deutlich verbessern. Die Beschallung unterstützt die Spaltung des Kollagensubstrats und öffnet die Kollagenfibrillen, wodurch die enzymatische Hydrolyse oder die Säurebehandlung erleichtert wird.

Ultraschallgestützte enzymatische Extraktion

Die Ultraschallbehandlung ist dafür bekannt, die Enzymaktivität steigern zu können. Dieser Effekt beruht auf der ultraschallgestützten 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 starken Ultraschallwellen die Kollagenfibrillen, sodass das Kollagen freigesetzt wird.

Ultraschallgestützte Pepsinextraktion: Pepsin in Kombination mit einer Ultraschallbehandlung erhöht die Kollagenausbeute auf bis zu ca. 124% und verkürzt die Extraktionszeit gegenüber der herkömmlichen Pepsinhydrolyse erheblich. Zirkulardichroismus-Analyse, Rasterkraftmikroskopie und FTIR zeigten, dass die Tripelhelixstruktur des extrahierten Kollagens durch die Beschallung nicht beeinträchtigt wurde und intakt blieb. (Li et al. 2009) Dadurch eignet sich die ultraschallgestützte Pepsinextraktion sehr gut für den praktischen Einsatz in der Lebensmittelindustrie, da sie höhere Proteinrückgewinnungsraten bei deutlich kürzerer Verarbeitungszeit ermöglicht.

In einer Vergleichsstudie zur Kollagenextraktion aus Rindersehnen mit und ohne Ultraschall überzeugte die Ultraschallbehandlung (20kHz, Pulsbetrieb 20/20 sec.) durch höhere Ausbeute und Effizienz. Die herkömmliche Extraktion wurde mit Pepsin in Essigsäure über 48 Stunden durchgeführt. Die Ultraschallextraktion erfolgte unter denselben Bedingungen, wobei jedoch die Einwirkzeiten von Ultraschall (3 bis 24 h) und Pepsin (24 bis 45 Stunden) variiert wurden, sodass sich eine Gesamtbehandlungszeit von 48 Stunden ergab. Die Ultraschall-Pepsin-Extraktion zeigte eine höhere Effizienz bei der Kollagenextraktion und erreichte eine Ausbeute von 6,2%, während die herkömmliche Extraktion eine Ausbeute von 2,4% erzielte. Die besten Ergebnisse wurden bei einer Ultraschallextraktionszeit von 18 h erreicht. Das extrahierte Kollagen wies eine unbeschädigte, durchgängige Helixstruktur, gute Löslichkeit und eine recht hohe thermische Stabilität auf. Dies bedeutet, dass die Ultraschall-Pepsin-Extraktion die Effizienz der Extraktion von natürlichem Kollagen verbesserte, ohne die Qualität des gewonnenen Kollagens zu beeinträchtigen. (Ran und Wang 2014)

Ultraschallgestützte Papainextraktion: Kollagen aus Fischschuppen lässt sich durch Papainhydrolyse in Kombination mit einer Ultraschallvorbehandlung effizient extrahieren. Für die Ultraschall-Papain-Extraktion von Kollagen aus Fischschuppen wurden folgende Prozessparameter als optimal ermittelt: eine Ultraschallvorbehandlungsdauer von 4min, ein Verhältnis von Papain zu Fischschuppen von 4%, eine Temperatur von 60°C und eine Gesamtextraktionszeit von 5h. Unter diesen optimalen Bedingungen erreichte die Extraktionsausbeute des Kollagens 90,7%. (Jiang et al. 2011)

Ultraschallgestützte Säureextraktion

In einer Studie von Kim et al. (2012) zeigte die Extraktion von säurelöslichem Kollagen aus der Haut des Japanischen Wolfsbarschs (Lateolabrax japonicus) nach einer Ultraschallbehandlung bei einer Frequenz von 20 kHz in 0,5 M Essigsäure eine höhere Ausbeute und eine kürzere Extraktionszeit. Die Extraktion mit Ultraschall veränderte die Hauptbestandteile des Kollagens, insbesondere die α1-, α2- und β-Ketten, nicht.

Ultraschallgestützte Proteinextraktion aus Eierschalen

Mit Ultraschall vorbehandelte enzymatische Hydrolysate wiesen bessere funktionelle Eigenschaften auf. Bei der ultraschallgestützten Extraktion funktioneller Proteinhydrolysate aus Hühnereierschalen werden die Löslichkeit sowie die Emulgier-, Schaumbildungs- und Wasserbindungseigenschaften verbessert.
Die Eierschalenmembran ist eine reichlich verfügbare natürliche Ressource und besteht aus etwa 64 Proteinen, darunter Kollagen der Typen I, V und X, Lysozym, Osteopontin und Sialoprotein. Dies macht Eierschalen zu einem interessanten Rohstoff für die Proteinextraktion. Durch die Ultraschallextraktion lassen sich die Proteinfreisetzung und die Funktionalität deutlich verbessern, wodurch ein schnelles, effizientes und wirtschaftliches Verfahren entsteht.

Ultraschallgestützte alkalische Extraktion

Bei der Extraktion und Solubilisierung von Proteinen aus Eierschalenmembranen führte die Ultraschall-Alkali-Behandlung zu einer Ausbeute an solubilisiertem Protein von nahezu 100% des gesamten Proteingehalts der Eierschalenmembran. Die Ultraschallkavitation löste größere Proteinaggregate von der Eierschalenmembran ab und erleichterte die Solubilisierung ihrer Bestandteile. Die Proteinstruktur und die Proteineigenschaften wurden durch die Beschallung nicht geschädigt und blieben intakt. Die antioxidativen Eigenschaften der Proteine waren bei der ultraschallgestützten alkalischen Behandlung und der herkömmlichen Extraktion gleich.

Ultraschallgestützte Gelatineextraktion

Gefrorene und luftgetrocknete Pollackhäute wurden mit kalten Salz-, Laugen- und Säurelösungen behandelt, um Kollagengewebe abzutrennen und Gelatine durch Kollagendenaturierung bei 45°C über vier Stunden zu extrahieren, wobei eine Behandlung mit Leistungsultraschall als Prozesshilfsmittel eingesetzt wurde. Bewertet wurden Gelatineausbeute, pH-Wert, Klarheit, Gelstärke und viskoelastische Eigenschaften sowie die mittels PAGE-SDS bestimmte Molekulargewichtsverteilung. Gelatine, die in einem Wasserbad bei 45°C über vier Stunden extrahiert wurde, diente als Kontrolle. Die Behandlung mit Leistungsultraschall erhöhte die Extraktionsausbeute gegenüber der Kontrolle um 11,1%, während die Gelstärke um 7% abnahm. Auch die Geliertemperatur war bei der mit Ultraschall extrahierten Gelatine niedriger (4,2°C). Dieses Verhalten hängt mit Unterschieden in der Molekulargewichtsverteilung der Polypeptidknäuel in den Gelatinen zusammen. Die Extraktion mit Leistungsultraschall kann eingesetzt werden, um die Gelatinegewinnung aus gefrorenen und luftgetrockneten Fischhäuten zu steigern. (Olson et al. 2005)

Industrielle Ultraschallsysteme

Hielscher Ultrasonics liefert leistungsstarke Ultraschallsysteme vom Laborgerät über Tischgeräte bis hin zu Anlagen im Industriemaßstab. Um optimale Extraktionsergebnisse zu gewährleisten, kann eine zuverlässige Beschallung unter anspruchsvollen Bedingungen kontinuierlich durchgeführt werden. Alle industriellen Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden erzeugen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb realisieren. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb bei hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
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