Kollageeni ultrahelipõhine ekstraktsioon
- Kollageen on valgurikas ja seda kasutatakse laialdaselt mitmesugustes tööstuslikes rakendustes, nt toiduainetes, farmaatsias, lisaainetes jne.
- Ultraheli töötlust (sonikeerimist) saab hõlpsasti kombineerida kollageeni ensümaatilise või happelise ekstraktsiooniga.
- Ultraheli kasutuselevõtt kollageeni ekstraktsiooniprotsessis annab suurema saagise ja kiirema ekstraktsiooni.
Ultraheli mõju kollageeni ekstraktsioonile
Suure intensiivsusega ultraheli kasutatakse laialdaselt massiülekande parandamiseks märgprotsessides, nt ekstraktsioonil, sonokeemias jne. Kollageeni ekstraktsiooni (tuntud ka kui kollageeni isoleerimine) saab ultraheli töötlusega oluliselt parandada. Ultraheli töötlus soodustab kollageeni substraadi lõhustumist ja avab kollageenikiud (fibrillid), mistõttu ensümaatiline hüdrolüüs või happega töötlemine muutub lihtsamaks.
Ultraheli abil toetatud ensümaatiline ekstraktsioon
Ultraheli töötlus on tuntud oma võime poolest suurendada ensüümide aktiivsust. See mõju põhineb pepsiini agregaatide ultraheliga dispergeerimisel ja deaglomeratsioonil. Homogeenselt dispergeeritud ensüümid pakuvad massiülekandeks suuremat pinda, mis on seotud ensüümide kõrgema aktiivsusega. Lisaks avavad võimsad ultraheli lained kollageenikiud (fibrillid), nii et kollageen vabaneb.
Pepsiiniga ultraheli ekstraktsioon: Pepsiini ja ultraheli töötluse kombineerimine suurendab kollageeni saagist kuni ligikaudu 124% ning lühendab oluliselt ekstraktsiooniaega võrreldes tavapärase pepsiinhüdrolüüsiga. Ringdikroismi analüüs, aatomjõumikroskoopia ja FTIR tõestasid, et ekstraheeritud kollageeni kolmikheeliksi struktuuri sonikeerimine ei mõjutanud ja see jäi puutumatuks. (Li et al. 2009) See muudab ultraheli abil toetatud pepsiinekstraktsiooni toiduainetööstuse jaoks väga praktiliseks, pakkudes suuremat valgu taaskasutusmäära oluliselt lühema töötlusaja jooksul.
Võrdlevas uuringus, kus ekstraheeriti kollageeni veise kõõlusest ultraheliga ja ilma ultrahelita, oli ultraheli töötlus (20kHz, pulssrežiim 20/20 sek.) veenev suurema saagise ja efektiivsuse poolest. Tavapärane ekstraktsioon tehti pepsiiniga äädikhappes 48 tunni jooksul. Ultraheliekstraktsioon tehti samadel tingimustel, kuid sonikeerimise (3 kuni 24 h) ja pepsiini (24 kuni 45 tundi) toimeaegu varieeriti, mille tulemusena oli töötluse koguaeg 48 tundi. Ultraheli-pepsiini ekstraktsioon näitas kollageeni ekstraheerimisel paremat efektiivsust, saavutades saagise 6,2%, kui tavapärase ekstraktsiooni saagis oli 2,4%. Parimad tulemused saavutati ultraheliekstraktsiooni ajaga 18 h. Ekstraheeritud kollageen näitas kahjustamata pidevat heeliksstruktuuri, head lahustuvust ja üsna kõrget termilist stabiilsust. See tähendab, et ultraheli-pepsiini ekstraktsioon parandas looduliku kollageeni ekstraheerimise efektiivsust, kahjustamata saadud kollageeni kvaliteeti. (Ran and Wang 2014)
Ultraheli abil toetatud happeline ekstraktsioon
Kim et al. (2012) uuringus näitas happelahustuva kollageeni ekstraktsioon Jaapani merluuri (Lateolabrax japonicus) nahast suuremat saagist ja lühemat ekstraktsiooniaega pärast ultraheli töötlust sagedusel 20 kHz 0,5 M äädikhappes. Ultraheliga ekstraktsioon ei muutnud kollageeni põhikomponente, täpsemalt α1-, α2- ja β-ahelaid.
Valgu ultraheliekstraktsioon munakoortest
Ultraheli abil eeltöödeldud ensümaatilistel hüdrolüsaatidel olid paremad funktsionaalsed omadused. Funktsionaalsete valguhüdrolüsaatide ultraheliekstraheerimisel kanamunakoorest paranevad lahustuvus, emulgeerimis-, vahutamis- ja veesidumisomadused.
Munakoore membraan on rikkalik looduslik ressurss ja koosneb ligikaudu 64 valgust, sealhulgas I, V ja X tüüpi kollageenist, lüsosüümist, osteopontiinist ja sialoproteiinist. See teeb munakoortest huvitava tooraine valkude ekstraheerimiseks. Ultraheliekstraheerimisega saab valkude vabanemist ja funktsionaalsust märkimisväärselt parandada, mille tulemuseks on kiire, tõhus ja ökonoomne protsess.
Ultrahelipõhised protsessid: alates laborist kuni tööstusliku mastaabini
Ultraheli abil toetatud leeliseline ekstraheerimine
nende valkude ekstraheerimiseks ja lahustamiseks
Munakoore membraanist valkude ekstraheerimisel andis ultraheli ja leelise kombineeritud töötlus lahustunud valgu saagise, mis oli ligi 100% munakoore membraani koguvalgust. Ultraheli kavitatsioon eraldas munakoore membraanist suuremad valgutükid ja hõlbustas selle komponentide lahustumist. Sonikeerimine ei kahjustanud valgu struktuuri ja omadusi ning need jäid puutumata. Valkude antioksüdantsed omadused olid ultraheli abil toetatud leeliselise töötluse ja tavapärase ekstraheerimise korral samasugused.
Ultraheliekstraheerimine želatiini saamiseks
Külmutatud ja õhkkuivatatud süsimaimu (pollock) nahku töödeldi külmade soolalahuste, leeliseliste ja happeliste lahustega, et eraldada kollageenkude ning ekstraheerida želatiin kollageeni denatureerimise teel temperatuuril 45°C neli tundi, kasutades töötlemise abivahendina võimsat ultraheli töötlust. Hinnati želatiini saagist, pH-d, selgust, geelitugevust ja viskoelastseid omadusi ning PAGE-SDS meetodil määratud molekulmassi jaotust. Kontrollina kasutati želatiini, mis ekstraheeriti veevannis temperatuuril 45°C neli tundi. Võimas ultraheli töötlus suurendas ekstraktsioonisaagist kontrolliga võrreldes 11,1% võrra, samal ajal kui geelitugevus vähenes 7%. Ka geeldumistemperatuur oli ultraheli abil ekstraheeritud želatiinis madalam (4,2°C). See käitumine on seotud želatiinides olevate polüpeptiidiahelate molekulmassi jaotuse erinevustega. Võimsat ultraheliekstraheerimist saab kasutada želatiini ekstraheerimise suurendamiseks külmutatud ja õhkkuivatatud kalanahkadest. (Olson et al. 2005)
Tööstuslikud ultraheli süsteemid
Hielscher Ultrasonics tarnib võimsaid ultraheli süsteeme laborist kuni lauaseadmete ja tööstusliku mastaabini. Optimaalse ekstraktsioonitulemuse tagamiseks saab nõudlikes tingimustes usaldusväärset ultraheli töötlust (sonikeerimist) teostada pidevalt. Kõik tööstuslikud ultraheliprotsessorid suudavad pakkuda väga suuri amplituude. Kuni 200µm amplituude on võimalik hõlpsalt pidevalt kasutada ööpäevaringses 24/7 töös. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Hielscheri ultraheliseadmete vastupidavus võimaldab 24/7 töörežiimi raskes koormuses ja nõudlikes keskkondades.
Võtke meiega täna ühendust oma protsessinõuetega! Soovitame hea meelega teie protsessi jaoks sobiva ultraheli süsteemi!
Hielscheri võimsad ultraheli homogenisaatorid on saadaval igaks protsessi mastaabiks – alates laborist kuni tootmiseni.
Kirjandus ja viited
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Valkude eraldamise optimeerimine tervetest makrellidest ultraheli abil toimuva järjestikuse happelise ja aluselise isoelektrilise lahustamise-sadestamise (ISP) meetodil. LWT – Food Science and Technology Vol. 88, February 2018. 210-216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Funktsionaalsete valguhüdrolüsaatide ekstraheerimise optimeerimine kanamunakoore membraanist (ESM) ultraheliga toetatud ekstraheerimise (UAE) ja ensümaatilise hüdrolüüsi abil. LWT – Food Science and Technology Vol. 69, June 2016. 295-302.
- Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, N.H. (2012): Ultraheliravi mõju kollageeni ekstraheerimisele meriahvena nahast Lateolabrax japonicus. Kalandusteaduse 78. köide, 78. väljaanne; 2013. 485-490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Ultraheli kiiritamine kollageeni ensümaatilisel ekstraheerimisel. Ultraheli sonokeemia köide 16, väljaanne 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): võimsuse ultraheli hindamine kala želatiini ekstraheerimise abivahendina. Koosoleku kokkuvõte nr 71C-26. IFT aastakoosolek. Juuli 2005. New Orleans, LA.
- Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): Ultraheli ja pepsiini töötlemise kasutamine koos kollageeni ekstraheerimiseks lihatööstuse kõrvalsaadustest. Toidu- ja põllumajandusteaduse ajakiri 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): Collagen extraction process. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913-922.
- Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Bombyx mori siiditüve ja ekstraheerimisaja mõju seritsiini molekulaarsetele ja bioloogilistele omadustele. Bioteadus, biotehnoloogia ja biokeemia kd 80 , Iss. 2, 2016. 241-249.
- Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): kollageeni ekstraheerimine kala kaaludest papaiiniga ultraheli eeltöötluse all. Kõrgtehnoloogiliste materjalide uurimine, köide 366, 2011. 421-424.
Teadmisväärsed faktid
Kollageen
Kollageen on peamine struktuurvalk loomade kehades paiknevate erinevate sidekudede rakuvälises ruumis. Sidekoe peamise komponendina on see imetajate kõige rohkem esinev valk,[1] moodustades 25% kuni 35% kogu keha valgusisaldusest. Kollageen koosneb aminohapetest, mis on omavahel keerdunud kolmikheeliksiteks, moodustades piklikke fibrille. Kõige suuremas koguses esineb kollageeni kiulistes kudedes, näiteks kõõlustes, sidemetes ja nahas. Eristada tuleb kolme kollageenitüüpi:
I tüüpi kollageen: annab 90% valgust nahas, juustes, küüntes, organites, luudes ja sidemetes
II tüüpi kollageen: annab 50-60% valgust kõhres ja 85-90% kollageenist liigesekõhres
III tüüpi kollageen: annab valke kiulisele valgule luudes, kõhres, dentiinis, kõõlustes ja muudes sidekudedes
Kollageen kehas
Kõik kolm kollageenitüüpi koosnevad erinevatest valkudest, mis täidavad kehas erinevaid ülesandeid. I ja III tüüpi kollageen on mõlemad naha, lihaste, luude, juuste ja küünte peamised komponendid. Neid on vaja nende tervise, kasvu ja uuenemise jaoks. II tüüpi kollageeni leidub enamasti kõhres ja liigestes.
I ja III tüüpi kollageen sisaldavad mõlemad 19 aminohapet, mida peetakse asendamatuteks aminohapeteks. Neid toodavad fibroblastid (sidekudede rakud) ja osteoblastid (luid moodustavad rakud). Kõige olulisemad valgud I ja III tüüpi kollageenis on glütsiin, proliin, alaniin ja hüdroksüproliin. III tüüp on kiuline skleroproteiin.
Glütsiin on kollageenis kõige suuremas koguses esinev aminohape. Proliin on asendatav aminohape, mida saab sünteesida glütsiinist ja mis aitab kaasa liigeste ja kõõluste toimimisele. Hüdroksüproliin on aminohape, mis aitab kaasa kollageeni stabiilsusele. Alaniin on valkude biosünteesi jaoks oluline aminohape.
Nagu I ja III tüüp, moodustab ka II tüüpi kollageen fibrille. See kollageeni fibrillaarne võrgustik on kõhres oluline, sest see võimaldab proteoglükaanide kinnihoidmist. Lisaks annab see koele tõmbetugevuse.
Allikad ja kasutusalad
Kollageen on kiuline valk, mida leidub rohkesti imetajate, näiteks veiste ja sigade sidekoes. Enamik kollageenist ekstraheeritakse
sigade nahast ja luudest ning veiseallikatest. Alternatiivne allikas kollageeni ekstraheerimiseks on kalad ja linnud. Kollageeni kasutatakse laialdaselt toidus, toidulisandites, farmaatsia- ja meditsiinitoodetes ning kosmeetikas, muuhulgas teistes toodetes. Kollageeni ekstraheerimine on kasvav äriharu, sest see valk võib asendada sünteetilisi aineid mitmesugustes tööstusprotsessides.