Εκχύλιση κολλαγόνου με υπερήχους
- Το κολλαγόνο είναι πλούσιο σε πρωτεΐνες και χρησιμοποιείται ευρέως σε ποικίλες βιομηχανικές εφαρμογές, π.χ. σε τρόφιμα, φαρμακευτικά προϊόντα, πρόσθετα κ.λπ.
- Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί εύκολα να συνδυαστεί με ενζυμική ή όξινη εκχύλιση κολλαγόνου.
- Η ενσωμάτωση των υπερήχων στη διαδικασία εκχύλισης κολλαγόνου οδηγεί σε υψηλότερες αποδόσεις και ταχύτερη εκχύλιση.
Επιδράσεις των υπερήχων στην εκχύλιση κολλαγόνου
Οι υπέρηχοι υψηλής έντασης χρησιμοποιούνται ευρέως για τη βελτίωση της μεταφοράς μάζας σε υγρές διεργασίες, π.χ. στην εκχύλιση, την ηχοχημεία κ.λπ. Η εκχύλιση του κολλαγόνου (γνωστή και ως απομόνωση κολλαγόνου) μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά με κατεργασία με υπερήχους. Η κατεργασία με υπερήχους υποβοηθά τη διάσπαση του υποστρώματος κολλαγόνου και διανοίγει τα ινίδια κολλαγόνου, διευκολύνοντας έτσι την ενζυμική υδρόλυση ή την όξινη κατεργασία.
Ενζυμική εκχύλιση υποβοηθούμενη από υπερήχους
Η κατεργασία με υπερήχους είναι γνωστή για την ικανότητά της να αυξάνει την ενζυμική ενεργότητα. Η επίδραση αυτή βασίζεται στη διασπορά και την αποσυσσωμάτωση των συσσωματωμάτων πεψίνης με υπερήχους. Τα ομοιογενώς διεσπαρμένα ένζυμα προσφέρουν αυξημένη επιφάνεια για τη μεταφορά μάζας, η οποία συσχετίζεται με υψηλότερη ενζυμική ενεργότητα. Επιπλέον, τα ισχυρά υπερηχητικά κύματα διανοίγουν τα ινίδια κολλαγόνου, με αποτέλεσμα να απελευθερώνεται το κολλαγόνο.
Εκχύλιση με πεψίνη και υπερήχους: Η πεψίνη σε συνδυασμό με την κατεργασία με υπερήχους αυξάνει την απόδοση του κολλαγόνου έως περίπου 124% και μειώνει σημαντικά τον χρόνο εκχύλισης σε σύγκριση με τη συμβατική υδρόλυση με πεψίνη. Η ανάλυση κυκλικού διχρωισμού, η μικροσκοπία ατομικής δύναμης και η FTIR απέδειξαν ότι η δομή τριπλής έλικας του εκχυλισμένου κολλαγόνου δεν επηρεάστηκε από την κατεργασία με υπερήχους και παρέμεινε άθικτη. (Li et al. 2009) Αυτό καθιστά την υποβοηθούμενη από υπερήχους εκχύλιση με πεψίνη ιδιαίτερα πρακτική για τη βιομηχανία τροφίμων, προσφέροντας αυξημένα ποσοστά ανάκτησης πρωτεϊνών σε σημαντικά μικρότερο χρόνο επεξεργασίας.
Σε συγκριτική μελέτη εκχύλισης κολλαγόνου από βόειο τένοντα με και χωρίς υπερήχους, η κατεργασία με υπερήχους (20kHz, παλμική λειτουργία 20/20 sec.) έδειξε υψηλότερη απόδοση και αποτελεσματικότητα. Η συμβατική εκχύλιση πραγματοποιήθηκε με πεψίνη σε οξικό οξύ για 48 ώρες. Η εκχύλιση με υπερήχους πραγματοποιήθηκε υπό τις ίδιες συνθήκες, αλλά οι χρόνοι έκθεσης στην κατεργασία με υπερήχους (3 έως 24 h) και στην πεψίνη (24 έως 45 ώρες) μεταβλήθηκαν, με συνολικό χρόνο κατεργασίας 48 ωρών. Η εκχύλιση με υπερήχους και πεψίνη παρουσίασε ανώτερη αποτελεσματικότητα εκχύλισης κολλαγόνου, επιτυγχάνοντας απόδοση 6,2%, ενώ η απόδοση της συμβατικής εκχύλισης ήταν 2,4%. Τα καλύτερα αποτελέσματα επιτεύχθηκαν με χρόνο εκχύλισης με υπερήχους 18 h. Το εκχυλισμένο κολλαγόνο παρουσίασε άθικτη συνεχή ελικοειδή δομή, καλή διαλυτότητα και αρκετά υψηλή θερμική σταθερότητα. Αυτό σημαίνει ότι η εκχύλιση με υπερήχους και πεψίνη βελτίωσε την αποτελεσματικότητα της εκχύλισης φυσικού κολλαγόνου χωρίς να υποβαθμίσει την ποιότητα του προκύπτοντος κολλαγόνου. (Ran and Wang 2014)
Όξινη εκχύλιση υποβοηθούμενη από υπερήχους
Σε μελέτη των Kim et al. (2012), η εκχύλιση οξυδιαλυτού κολλαγόνου από το δέρμα ιαπωνικού λαβρακιού (Lateolabrax japonicus) παρουσίασε αυξημένη απόδοση και μειωμένο χρόνο εκχύλισης μετά από κατεργασία με υπερήχους σε συχνότητα 20 kHz σε οξικό οξύ 0,5 M. Η εκχύλιση με υπερήχους δεν αλλοίωσε τα κύρια συστατικά του κολλαγόνου, και συγκεκριμένα τις αλυσίδες α1, α2 και β.
Εκχύλιση πρωτεϊνών από κελύφη αυγών με υπερήχους
Τα ενζυμικά υδρολύματα που είχαν υποστεί προκατεργασία με υπερήχους παρουσίαζαν καλύτερες λειτουργικές ιδιότητες. Κατά την εκχύλιση λειτουργικών πρωτεϊνικών υδρολυμάτων από κελύφη αυγών κότας με υπερήχους, βελτιώνονται η διαλυτότητα, η γαλακτωματοποιητική και η αφριστική ικανότητα, καθώς και η ικανότητα συγκράτησης νερού.
Η μεμβράνη του κελύφους των αυγών αποτελεί έναν άφθονο φυσικό πόρο και αποτελείται από περίπου 64 πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένων του κολλαγόνου τύπου I, V και X, της λυσοζύμης, της οστεοποντίνης και της σιαλοπρωτεΐνης. Αυτό καθιστά τα κελύφη των αυγών ενδιαφέρουσα πρώτη ύλη για την εκχύλιση πρωτεϊνών. Με την εκχύλιση με υπερήχους, η απελευθέρωση και η λειτουργικότητα των πρωτεϊνών μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά, με αποτέλεσμα μια ταχεία, αποδοτική και οικονομική διεργασία.
Διεργασίες υπερήχων: Από εργαστηριακή έως βιομηχανική κλίμακα
Αλκαλική εκχύλιση υποβοηθούμενη με υπερήχους
για την εκχύλιση και τη διαλυτοποίηση αυτών των πρωτεϊνών
Για την εκχύλιση πρωτεϊνών από τη μεμβράνη του κελύφους των αυγών, η αλκαλική κατεργασία με υπερήχους απέδωσε διαλυτοποιημένη πρωτεΐνη σε ποσοστό κοντά στο 100% της συνολικής πρωτεΐνης της μεμβράνης του κελύφους των αυγών. Η σπηλαίωση που προκαλείται από τους υπερήχους αποκόλλησε μεγαλύτερα συσσωματώματα πρωτεϊνών από τη μεμβράνη του κελύφους των αυγών και διευκόλυνε τη διαλυτοποίηση των συστατικών της. Η δομή και οι ιδιότητες των πρωτεϊνών δεν υπέστησαν βλάβη από την κατεργασία με υπερήχους και παρέμειναν άθικτες. Οι αντιοξειδωτικές ιδιότητες των πρωτεϊνών ήταν ίδιες τόσο κατά την αλκαλική κατεργασία που υποβοηθείται με υπερήχους όσο και κατά τη συμβατική εκχύλιση.
Εκχύλιση ζελατίνης με υπερήχους
Κατεψυγμένα και αποξηραμένα στον αέρα δέρματα πόλοκ υποβλήθηκαν σε κατεργασία με ψυχρά αλατούχα, αλκαλικά και όξινα διαλύματα για τον διαχωρισμό του κολλαγονικού ιστού και την εκχύλιση ζελατίνης μέσω μετουσίωσης του κολλαγόνου στους 45°C για τέσσερις ώρες, με κατεργασία με υπερήχους ισχύος ως βοήθημα της διεργασίας. Αξιολογήθηκαν η απόδοση ζελατίνης, το pH, η διαύγεια, η αντοχή της γέλης και οι ιξωδοελαστικές ιδιότητες, καθώς και η κατανομή μοριακού βάρους που προσδιορίστηκε με τη μέθοδο PAGE-SDS. Ως μάρτυρας χρησιμοποιήθηκε ζελατίνη που εκχυλίστηκε σε υδατόλουτρο στους 45°C για τέσσερις ώρες. Η κατεργασία με υπερήχους ισχύος αύξησε την απόδοση εκχύλισης κατά 11,1% σε σύγκριση με τον μάρτυρα, ενώ η αντοχή της γέλης μειώθηκε κατά 7%. Η θερμοκρασία σχηματισμού γέλης ήταν επίσης χαμηλότερη στη ζελατίνη που εκχυλίστηκε με υπερήχους (4,2°C). Αυτή η συμπεριφορά σχετίζεται με διαφορές στην κατανομή μοριακού βάρους των πολυπεπτιδικών σπειραμάτων στις ζελατίνες. Η εκχύλιση με υπερήχους ισχύος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της εκχύλισης ζελατίνης από κατεψυγμένα και αποξηραμένα στον αέρα δέρματα ψαριών. (Olson et al. 2005)
Βιομηχανικά συστήματα υπερήχων
Η Hielscher Ultrasonics παρέχει ισχυρά συστήματα υπερήχων από εργαστηριακή έως επιτραπέζια και βιομηχανική κλίμακα. Για τη διασφάλιση της βέλτιστης απόδοσης εκχύλισης, μπορεί να πραγματοποιείται συνεχώς αξιόπιστη κατεργασία με υπερήχους υπό απαιτητικές συνθήκες. Όλοι οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Πλάτη ταλάντωσης έως 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ειδικά προσαρμοσμένα ηχοτρόδια υπερήχων. Η στιβαρότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τη λειτουργία 24/7 υπό βαριά καταπόνηση και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Επικοινωνήστε μαζί μας σήμερα και γνωστοποιήστε μας τις απαιτήσεις της διεργασίας σας! Θα χαρούμε να σας προτείνουμε ένα κατάλληλο σύστημα υπερήχων για τη διεργασία σας!
Οι ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής ισχύος της Hielscher διατίθενται για κάθε κλίμακα διεργασίας – από το εργαστήριο έως την παραγωγή.
Βιβλιογραφία/Παραπομπές
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Βελτιστοποιημένη ανάκτηση πρωτεϊνών από ολόκληρα σκουμπριά με χρήση διαδοχικής όξινης/αλκαλικής εκχύλισης με ισοηλεκτρική διαλυτοποίηση και κατακρήμνιση (ISP), υποβοηθούμενης με υπερήχους. LWT – Food Science and Technology τόμ. 88, February 2018. 210–216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Βελτιστοποίηση της εκχύλισης λειτουργικών πρωτεϊνικών υδρολυμάτων από τη μεμβράνη του κελύφους αυγών κότας (ESM) με εκχύλιση υποβοηθούμενη με υπερήχους (UAE) και ενζυμική υδρόλυση. LWT – Food Science and Technology τόμ. 69, June 2016. 295–302.
- Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, N.H. (2012): Επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους στην εκχύλιση κολλαγόνου από δέρματα του λαβρακιού Lateolabrax japonicus. Fisheries Science τόμος 78, τεύχος 78; 2013. 485–490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Ακτινοβόληση με υπερήχους στην ενζυμική εκχύλιση κολλαγόνου. Ultrasonics Sonochemistry Τόμος 16, Τεύχος 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): Αξιολόγηση των υπερήχων ισχύος ως βοηθητικού μέσου επεξεργασίας για την εκχύλιση ζελατίνης ψαριών. Περίληψη συνεδρίου αρ. 71C-26. Ετήσιο συνέδριο IFT. July 2005. Νέα Ορλεάνη, LA.
- Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): Χρήση διαδοχικής κατεργασίας με υπερήχους και πεψίνη για την εκχύλιση κολλαγόνου από παραπροϊόντα της βιομηχανίας κρέατος. Journal of the Science of Food and Agriculture 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): Διαδικασία εκχύλισης κολλαγόνου. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913–922.
- Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Οι επιδράσεις του στελέχους του μεταξοσκώληκα Bombyx mori και του χρόνου εκχύλισης στα μοριακά και βιολογικά χαρακτηριστικά της σερικίνης. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Τόμος 80 , Τεύχος 2, 2016. 241–249.
- Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): Εκχύλιση κολλαγόνου από λέπια ψαριών με παπαΐνη κατόπιν προκατεργασίας με υπερήχους. Advanced Materials Research, Τόμος 366, 2011. 421–424.
Χρήσιμες πληροφορίες
Κολλαγόνο
Το κολλαγόνο είναι η κύρια δομική πρωτεΐνη στον εξωκυττάριο χώρο των διαφόρων συνδετικών ιστών του σώματος των ζώων. Ως κύριο συστατικό του συνδετικού ιστού, είναι η αφθονότερη πρωτεΐνη στα θηλαστικά,[1] αποτελώντας το 25% έως 35% της συνολικής περιεκτικότητας του σώματος σε πρωτεΐνες. Το κολλαγόνο αποτελείται από αμινοξέα που περιελίσσονται μεταξύ τους σχηματίζοντας τριπλές έλικες, οι οποίες σχηματίζουν επιμήκη ινίδια. Οι μεγαλύτερες ποσότητες κολλαγόνου βρίσκονται σε ινώδεις ιστούς όπως οι τένοντες, οι σύνδεσμοι και το δέρμα. Διακρίνονται τρεις τύποι κολλαγόνου:
Κολλαγόνο τύπου I: παρέχει το 90% των πρωτεϊνών στο δέρμα, στα μαλλιά, στα νύχια, στα όργανα, στα οστά και στους συνδέσμους
Κολλαγόνο τύπου II: παρέχει το 50–60% των πρωτεϊνών στον χόνδρο και το 85–90% του κολλαγόνου στον αρθρικό χόνδρο
Κολλαγόνο τύπου III: παρέχει πρωτεΐνες στην ινώδη πρωτεΐνη στα οστά, στον χόνδρο, στην οδοντίνη, στους τένοντες και σε άλλους συνδετικούς ιστούς
Το κολλαγόνο στο σώμα
Καθένας από τους τρεις τύπους κολλαγόνου αποτελείται από διαφορετικές πρωτεΐνες που εξυπηρετούν διαφορετικούς σκοπούς στο σώμα. Οι τύποι κολλαγόνου I και III είναι και οι δύο κύρια συστατικά του δέρματος, των μυών, των οστών, των μαλλιών και των νυχιών. Είναι απαραίτητοι για την υγεία, την ανάπτυξη και την αναδόμησή τους. Το κολλαγόνο τύπου II βρίσκεται κυρίως στον χόνδρο και στις αρθρώσεις.
Τόσο το κολλαγόνο τύπου I όσο και το κολλαγόνο τύπου III περιέχουν 19 αμινοξέα που θεωρούνται απαραίτητα αμινοξέα. Παράγονται από ινοβλάστες (κύτταρα των συνδετικών ιστών) και οστεοβλάστες (κύτταρα που σχηματίζουν οστά). Στις σημαντικότερες πρωτεΐνες του κολλαγόνου τύπου I και III περιλαμβάνονται η γλυκίνη, η προλίνη, η αλανίνη και η υδροξυπρολίνη. Ο τύπος III είναι μια ινώδης σκληροπρωτεΐνη.
Η γλυκίνη είναι το αμινοξύ που υπάρχει στη μεγαλύτερη ποσότητα στο κολλαγόνο. Η προλίνη είναι ένα μη απαραίτητο αμινοξύ, το οποίο μπορεί να συντεθεί από γλυκίνη και συμβάλλει στις αρθρώσεις και στους τένοντες. Η υδροξυπρολίνη είναι ένα αμινοξύ που συμβάλλει στη σταθερότητα του κολλαγόνου. Η αλανίνη είναι ένα αμινοξύ σημαντικό για τη βιοσύνθεση των πρωτεϊνών.
Όπως οι τύποι I και III, το κολλαγόνο τύπου II σχηματίζει ινίδια. Αυτό το ινιδιακό δίκτυο κολλαγόνου είναι σημαντικό στον χόνδρο, καθώς επιτρέπει την παγίδευση πρωτεογλυκανών. Επιπλέον, παρέχει στον ιστό αντοχή σε εφελκυσμό.
Πηγές και χρήσεις
Το κολλαγόνο είναι μια ινώδης πρωτεΐνη που υπάρχει σε αφθονία στον συνδετικό ιστό των θηλαστικών, π.χ. των βοοειδών και των χοίρων. Το μεγαλύτερο μέρος του κολλαγόνου εκχυλίζεται
από δέρματα και οστά χοίρων και από πηγές βοοειδών. Εναλλακτικές πηγές για την εκχύλιση κολλαγόνου είναι τα ψάρια και τα πουλερικά. Το κολλαγόνο χρησιμοποιείται ευρέως σε τρόφιμα, συμπληρώματα διατροφής, φαρμακευτικά και ιατρικά προϊόντα, καθώς και καλλυντικά, μεταξύ άλλων προϊόντων. Η εκχύλιση κολλαγόνου είναι μια αναπτυσσόμενη επιχειρηματική δραστηριότητα, καθώς αυτή η πρωτεΐνη μπορεί να αντικαταστήσει συνθετικούς παράγοντες σε διάφορες βιομηχανικές διεργασίες.