استخراج فراصوتی کلاژن
- کلاژن سرشار از پروتئین است و در کاربردهای صنعتی گوناگون، از جمله صنایع غذایی، دارویی، افزودنی‌ها و غیره، به‌طور گسترده استفاده می‌شود.
- فراصوت‌دهی را می‌توان به‌راحتی با استخراج آنزیمی یا اسیدی کلاژن ترکیب کرد.
- به‌کارگیری فناوری فراصوت در فرایند استخراج کلاژن، بازده را افزایش می‌دهد و استخراج را سریع‌تر می‌کند.
اثرات فراصوت بر استخراج کلاژن
فراصوت با شدت بالا به‌طور گسترده برای بهبود انتقال جرم در فرایندهای تر، مانند استخراج، سونوشیمی و غیره، استفاده می‌شود. استخراج کلاژن، که جداسازی کلاژن نیز نامیده می‌شود، با تیمار فراصوتی می‌تواند به‌طور چشمگیری بهبود یابد. فراصوت‌دهی به شکافت سوبسترای کلاژن کمک می‌کند و فیبریل‌های کلاژن را باز می‌کند؛ در نتیجه، هیدرولیز آنزیمی یا تیمار اسیدی تسهیل می‌شود.
استخراج آنزیمی به کمک فراصوت
فراصوت‌دهی به‌دلیل توانایی افزایش فعالیت آنزیم شناخته شده است. این اثر بر پراکنده‌سازی فراصوتی و کلوخه‌زدایی تجمعات پپسین استوار است. آنزیم‌هایی که به‌صورت همگن پراکنده شده‌اند، سطح بیشتری برای انتقال جرم فراهم می‌کنند که با فعالیت آنزیمی بالاتر مرتبط است. افزون بر این، امواج قدرتمند فراصوت فیبریل‌های کلاژن را باز می‌کنند و بدین‌ترتیب کلاژن آزاد می‌شود.
استخراج با پپسین به کمک فراصوت: پپسین در ترکیب با فراصوت‌دهی، بازده کلاژن را تا حدود 124% افزایش می‌دهد و در مقایسه با هیدرولیز متداول با پپسین، زمان استخراج را به‌طور چشمگیری کوتاه می‌کند. آنالیز دورنگ‌نمایی دورانی، میکروسکوپی نیروی اتمی و FTIR ثابت کردند که ساختار مارپیچ سه‌گانهٔ کلاژن استخراج‌شده تحت تأثیر فراصوت‌دهی قرار نگرفته و دست‌نخورده باقی مانده است. (Li et al. 2009) این ویژگی، استخراج با پپسین به کمک فراصوت را برای صنایع غذایی بسیار کاربردی می‌کند، زیرا میزان بازیابی پروتئین را در زمان پردازشی به‌مراتب کوتاه‌تر افزایش می‌دهد.
در مطالعه‌ای مقایسه‌ای دربارهٔ استخراج فراصوتی و غیرفراصوتی کلاژن از تاندون گاو، تیمار فراصوتی (20kHz، حالت پالسی 20/20 sec.) بازده و کارایی بالاتری نشان داد. استخراج متداول با پپسین در اسید استیک به‌مدت 48 ساعت انجام شد. استخراج فراصوتی تحت همان شرایط انجام گرفت، اما زمان‌های قرارگیری در معرض فراصوت‌دهی (3 تا 24 h) و پپسین (24 تا 45 ساعت) تغییر داده شدند، به‌طوری‌که زمان کل تیمار 48 ساعت بود. استخراج با فراصوت و پپسین، کارایی بالاتری در استخراج کلاژن نشان داد و به بازده 6٫2% رسید، درحالی‌که بازده استخراج متداول 2٫4% بود. بهترین نتایج با زمان استخراج فراصوتی 18 h به دست آمد. کلاژن استخراج‌شده دارای ساختار مارپیچی پیوسته و آسیب‌ندیده، حلالیت خوب و پایداری حرارتی نسبتاً بالا بود. این بدان معناست که استخراج با فراصوت و پپسین، کارایی استخراج کلاژن طبیعی را بدون آسیب رساندن به کیفیت کلاژن حاصل بهبود داد. (Ran and Wang 2014)
استخراج اسیدی به کمک فراصوت
در مطالعهٔ Kim et al. (2012)، استخراج کلاژن محلول در اسید از پوست ماهی سی‌باس ژاپنی (Lateolabrax japonicus)، پس از تیمار فراصوتی با فرکانس 20 kHz در اسید استیک 0٫5 M، افزایش بازده و کاهش زمان استخراج را نشان داد. استخراج با فراصوت، اجزای اصلی کلاژن، به‌ویژه زنجیره‌های α1، α2 و β را تغییر نداد.
استخراج فراصوتی پروتئین از پوستهٔ تخم‌مرغ
هیدرولیزات‌های آنزیمی که پیش‌تیمار فراصوتی شده بودند، خواص عملکردی بهتری داشتند. در استخراج فراصوتی هیدرولیزات‌های پروتئینی عملکردی از پوستهٔ تخم‌مرغ، خواص حلالیت، امولسیون‌سازی، کف‌کنندگی و نگهداری آب بهبود می‌یابند.
غشای پوستهٔ تخم‌مرغ یک منبع طبیعی فراوان است و از حدود 64 پروتئین، از جمله کلاژن نوع I، V و X، لیزوزیم، استئوپونتین و سیالوپروتئین تشکیل شده است. این ویژگی، پوستهٔ تخم‌مرغ را به مادهٔ اولیه‌ای جذاب برای استخراج پروتئین تبدیل می‌کند. با استخراج فراصوتی می‌توان آزادسازی پروتئین و عملکرد آن را به‌طور چشمگیری بهبود داد و به فرایندی سریع، کارآمد و اقتصادی دست یافت.
استخراج قلیایی به کمک فراصوت
برای استخراج و محلول‌سازی این پروتئین‌ها
در استخراج پروتئین از غشای پوستهٔ تخم‌مرغ، تیمار فراصوتی–قلیایی به بازده پروتئین محلول‌شده‌ای نزدیک به 100% از کل پروتئین غشای پوستهٔ تخم‌مرغ منجر شد. کاویتاسیون فراصوتی توده‌های بزرگ‌تر پروتئین را از غشای پوستهٔ تخم‌مرغ جدا کرد و محلول‌سازی ترکیبات آن را تسهیل کرد. ساختار و خواص پروتئین در اثر فراصوت‌دهی آسیب ندیدند و دست‌نخورده باقی ماندند. خواص آنتی‌اکسیدانی پروتئین‌ها در تیمار قلیایی به کمک فراصوت و استخراج متداول یکسان بود.
استخراج فراصوتی ژلاتین
پوست‌های منجمد و خشک‌شده در هوای ماهی پولاک با محلول‌های سرد نمکی، قلیایی و اسیدی تیمار شدند تا بافت کلاژن جدا شود و ژلاتین از طریق دناتوراسیون کلاژن در دمای 45°C به‌مدت چهار ساعت، با استفاده از تیمار فراصوت پرتوان به‌عنوان کمک‌فرایند، استخراج شود. بازده ژلاتین، pH، شفافیت، استحکام ژل و خواص ویسکوالاستیک، و نیز توزیع وزن مولکولی تعیین‌شده با روش PAGE-SDS ارزیابی شدند. ژلاتین استخراج‌شده در حمام آب در دمای 45°C به‌مدت چهار ساعت، به‌عنوان شاهد استفاده شد. تیمار فراصوت پرتوان، بازده استخراج را در مقایسه با شاهد 11٫1% افزایش داد، درحالی‌که استحکام ژل 7% کاهش یافت. دمای ژل‌شدن نیز در ژلاتین استخراج‌شده با فراصوت پایین‌تر بود (4٫2°C). این رفتار با تفاوت‌های توزیع وزن مولکولی کلاف‌های پلی‌پپتیدی در ژلاتین‌ها مرتبط است. استخراج با فراصوت پرتوان را می‌توان برای افزایش استخراج ژلاتین از پوست‌های منجمد و خشک‌شده در هوای ماهی به کار برد. (Olson et al. 2005)
سامانه‌های فراصوتی صنعتی
Hielscher Ultrasonics سامانه‌های فراصوتی قدرتمند را در مقیاس‌های آزمایشگاهی، رومیزی و صنعتی عرضه می‌کند. برای تضمین خروجی بهینهٔ استخراج، می‌توان فراصوت‌دهی قابل‌اعتماد را در شرایط دشوار به‌صورت پیوسته انجام داد. همهٔ پردازشگرهای فراصوتی صنعتی می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm در حالت 24/7 به‌راحتی امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 را با بار کاری سنگین و در محیط‌های دشوار فراهم می‌کند.
همین امروز با ما تماس بگیرید و الزامات فرایند خود را مطرح کنید! خوشحال می‌شویم سامانهٔ فراصوتی مناسبی برای فرایند شما پیشنهاد کنیم!
هموژنایزرهای فراصوتی پرتوان Hielscher برای هر مقیاس فرایندی – از آزمایشگاه تا تولید – در دسترس هستند.
منابع و مراجع
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): بازیابی بهینه‌شدهٔ پروتئین از ماهی کامل خال‌مخالی با استفاده از استخراج به روش انحلال و رسوب‌دهی ایزوالکتریک متوالی اسیدی/قلیایی (ISP) به کمک فراصوت. LWT – Food Science and Technology Vol. 88, February 2018. 210-216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): بهینه‌سازی استخراج هیدرولیزات‌های پروتئینی دارای خواص عملکردی از غشای پوستهٔ تخم‌مرغ (ESM) با استفاده از استخراج به کمک فراصوت (UAE) و هیدرولیز آنزیمی. LWT – Food Science and Technology Vol. 69, June 2016. 295-302.
- کیم ، اچ کی. کیم ، YH. کیم ، وای جی. پارک، اچ جی. لی ، NH (2012): اثر درمان اولتراسونیک در استخراج کلاژن از پوست باس دریایی Lateolabrax japonicus. علوم شیلات دوره 78، شماره 78; 2013. 485-490.
- لی، دفو؛ مو ، چانگدائو ؛ کای، سومی؛ لین ، وی (2016): تابش اولتراسونیک در استخراج آنزیمی کلاژن. سونوشیمی سونوگرافی جلد 16 ، شماره 5; 2009. 605-609.
- اولسون ، DA ، Avena Bustillos ، R.D. ، Olsen ، CW ، Chiou ، B. ، Yee ، E. ، Bower ، CC ، Bechtel ، P.J. ، Pan ، Z. ، Mc Hugh ، T.H. (2005): ارزیابی سونوگرافی قدرت به عنوان یک کمک پردازش برای استخراج ژلاتین ماهی. چکیده جلسه شماره 71C-26. نشست سالانه IFT. ژوئیه 2005. نیواورلئان ، لس آنجلس
- Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): استفادهٔ متوالی از تیمار فراصوت و پپسین برای استخراج کلاژن از محصولات جانبی صنعت گوشت. 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): Collagen extraction process. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913-922.
- سیریتینتونگ، تیپاوان؛ بونانی، والتر؛ موتا، آنتونلا؛ میگلیارسی، کلودیو؛ Aramwit، Pornanong (2016): اثرات سویه ابریشم Bombyx mori و زمان استخراج بر ویژگی های مولکولی و بیولوژیکی سریسین. علوم زیستی ، بیوتکنولوژی و بیوشیمی جلد 80 ، ISS. 2, 2016. 241-249.
- زنگ ، جی ان. جیانگ ، BQ. Xiao، Z.Q.، Li، S.H. (2011): استخراج کلاژن از فلس ماهی با پاپائین تحت پیش تصفیه اولتراسونیک. تحقیقات مواد پیشرفته، دوره 366، 2011. 421-424.
دانستنی‌های مفید
کلاژن
کلاژن، پروتئین ساختاری اصلی در فضای خارج‌سلولی بافت‌های همبند گوناگون در بدن جانوران است. این پروتئین، به‌عنوان جزء اصلی بافت همبند، فراوان‌ترین پروتئین در پستانداران است[1] و 25% تا 35% از کل محتوای پروتئینی بدن را تشکیل می‌دهد. کلاژن از اسیدهای آمینه‌ای تشکیل شده است که به دور یکدیگر پیچیده‌اند و مارپیچ‌های سه‌گانه‌ای می‌سازند که فیبریل‌های کشیده را تشکیل می‌دهند. بیشترین مقدار کلاژن در بافت‌های لیفی، مانند تاندون‌ها، رباط‌ها و پوست وجود دارد. سه نوع کلاژن را می‌توان از هم متمایز کرد:
کلاژن نوع I: 90% از پروتئین موجود در پوست، مو، ناخن‌ها، اندام‌ها، استخوان و رباط‌ها را تأمین می‌کند
کلاژن نوع II: 50–60% از پروتئین موجود در غضروف و 85–90% از کلاژن موجود در غضروف مفصلی را تأمین می‌کند
کلاژن نوع III: پروتئین‌هایی را برای پروتئین لیفی موجود در استخوان، غضروف، عاج دندان، تاندون و سایر بافت‌های همبند تأمین می‌کند
کلاژن در بدن
هر یک از این سه نوع کلاژن از پروتئین‌های متفاوتی تشکیل شده است که وظایف مختلفی را در بدن انجام می‌دهند. کلاژن‌های نوع I و III هر دو از اجزای اصلی پوست، ماهیچه‌ها، استخوان، مو و ناخن هستند. این کلاژن‌ها برای سلامت، رشد و بازسازی آن‌ها ضروری‌اند. کلاژن نوع II بیشتر در غضروف و مفاصل یافت می‌شود.
کلاژن‌های نوع I و III هر دو حاوی 19 اسید آمینه هستند که اسیدهای آمینهٔ ضروری محسوب می‌شوند. این کلاژن‌ها توسط فیبروبلاست‌ها (سلول‌های موجود در بافت‌های همبند) و استئوبلاست‌ها (سلول‌های سازندهٔ استخوان) تولید می‌شوند. مهم‌ترین پروتئین‌های موجود در کلاژن نوع I و III شامل گلیسین، پرولین، آلانین و هیدروکسی‌پرولین هستند. نوع III یک اسکلروپروتئین لیفی است.
گلیسین، اسید آمینه‌ای است که بیشترین مقدار را در کلاژن دارد. پرولین یک اسید آمینهٔ غیرضروری است که می‌تواند از گلیسین سنتز شود و در مفاصل و تاندون‌ها نقش دارد. هیدروکسی‌پرولین اسید آمینه‌ای است که به پایداری کلاژن کمک می‌کند. آلانین اسید آمینه‌ای مهم برای زیست‌سنتز پروتئین‌هاست.
کلاژن نوع II نیز مانند انواع I و III فیبریل تشکیل می‌دهد. این شبکهٔ فیبریلی کلاژن در غضروف اهمیت دارد، زیرا به دام افتادن پروتئوگلیکان‌ها را امکان‌پذیر می‌کند. افزون بر این، استحکام کششی بافت را تأمین می‌کند.
منابع و کاربردها
کلاژن یک پروتئین لیفی است که به‌وفور در بافت همبند پستانداران، مانند گاو و خوک، وجود دارد. بیشتر کلاژن از پوست و استخوان خوک و از منابع گاوی استخراج می‌شود. ماهی‌ها و پرندگان منابع جایگزین برای استخراج کلاژن هستند. کلاژن به‌طور گسترده در مواد غذایی، مکمل‌های غذایی، محصولات دارویی و پزشکی و محصولات آرایشی، در کنار سایر محصولات، استفاده می‌شود. استخراج کلاژن کسب‌وکاری رو به رشد است، زیرا این پروتئین می‌تواند در فرایندهای صنعتی گوناگون جایگزین عوامل مصنوعی شود.