Extraction du collagène par ultrasons
- Le collagène est riche en protéines et est largement utilisé dans de multiples applications industrielles, p. ex. l’alimentation, la pharmacie, les additifs, etc.
- La sonication peut être facilement combinée à l’extraction enzymatique ou acide du collagène.
- L’intégration des ultrasons dans le procédé d’extraction du collagène permet d’obtenir des rendements plus élevés et une extraction plus rapide.
Effets des ultrasons sur l’extraction du collagène
Les ultrasons de haute intensité sont largement utilisés pour améliorer le transfert de masse dans les procédés par voie humide, p. ex. l’extraction, la sonochimie, etc. L’extraction du collagène (également appelée isolement du collagène) peut être considérablement améliorée par un traitement aux ultrasons. La sonication favorise le clivage du substrat de collagène et ouvre les fibrilles de collagène, ce qui facilite l’hydrolyse enzymatique ou le traitement acide.
Extraction enzymatique assistée par ultrasons
La sonication est connue pour sa capacité à augmenter l’activité enzymatique. Cet effet repose sur la dispersion et la désagglomération par ultrasons des agrégats de pepsine. Les enzymes dispersées de manière homogène offrent une surface accrue pour le transfert de masse, ce qui est corrélé à une activité enzymatique plus élevée. En outre, les puissantes ondes ultrasonores ouvrent les fibrilles de collagène, de sorte que le collagène est libéré.
Extraction à la pepsine assistée par ultrasons : La pepsine combinée à l’ultrasonication augmente le rendement en collagène jusqu’à environ 124% et raccourcit considérablement la durée d’extraction par rapport à l’hydrolyse conventionnelle à la pepsine. L’analyse par dichroïsme circulaire, la microscopie à force atomique et la FTIR ont démontré que la structure en triple hélice du collagène extrait n’était pas affectée par la sonication et restait intacte. (Li et al. 2009) L’extraction à la pepsine assistée par ultrasons est donc très pratique pour l’industrie alimentaire, puisqu’elle offre des taux de récupération des protéines accrus en un temps de traitement considérablement plus court.
Dans une étude comparative de l’extraction avec et sans ultrasons du collagène issu de tendon bovin, le traitement par ultrasons (20kHz, mode pulsé 20/20 s) s’est distingué par un rendement et une efficacité supérieurs. L’extraction conventionnelle a été réalisée avec de la pepsine dans de l’acide acétique pendant 48 heures. L’extraction par ultrasons a été réalisée dans les mêmes conditions, mais les durées d’exposition à la sonication (3 à 24 h) et à la pepsine (24 à 45 heures) ont été variées, pour une durée totale de traitement de 48 heures. L’extraction ultrasons-pepsine a montré une efficacité d’extraction du collagène supérieure, atteignant un rendement de 6,2%, alors que le rendement de l’extraction conventionnelle était de 2,4%. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec une durée d’extraction par ultrasons de 18 h. Le collagène extrait présentait une structure hélicoïdale continue intacte, une bonne solubilité et une stabilité thermique assez élevée. Cela signifie que l’extraction ultrasons-pepsine a amélioré l’efficacité de l’extraction du collagène naturel sans altérer la qualité du collagène obtenu. (Ran and Wang 2014)
Extraction acide assistée par ultrasons
Dans une étude de Kim et al. (2012), l’extraction du collagène soluble dans l’acide à partir de la peau du bar japonais (Lateolabrax japonicus) a montré un rendement accru et une durée d’extraction réduite après un traitement par ultrasons à une fréquence de 20 kHz dans de l’acide acétique 0,5 M. L’extraction par ultrasons n’a pas modifié les principaux composants du collagène, plus précisément les chaînes α1, α2 et β.
Extraction par ultrasons des protéines de coquilles d’œufs
Les hydrolysats enzymatiques prétraités par ultrasons présentaient de meilleures propriétés fonctionnelles. Lors de l’extraction par ultrasons d’hydrolysats protéiques fonctionnels à partir de coquilles d’œufs de poule, les propriétés de solubilité, d’émulsification, de moussage et de rétention d’eau sont améliorées.
La membrane coquillière est une ressource naturelle abondante et se compose d’environ 64 protéines, dont les collagènes de type I, V et X, le lysozyme, l’ostéopontine et la sialoprotéine. Les coquilles d’œufs constituent donc une matière première intéressante pour l’extraction de protéines. Grâce à l’extraction par ultrasons, la libération et la fonctionnalité des protéines peuvent être considérablement améliorées, ce qui permet un procédé rapide, efficace et économique.
Procédés à ultrasons : du laboratoire à l’échelle industrielle
Extraction alcaline assistée par ultrasons
pour extraire et solubiliser ces protéines
Pour l’extraction des protéines de la membrane coquillière, le traitement ultrasons-alcali a permis d’obtenir un rendement en protéines solubilisées proche de 100% de la totalité des protéines de la membrane coquillière. La cavitation ultrasonore a détaché de plus gros amas de protéines de la membrane coquillière et a facilité la solubilisation de ses composés. La structure et les propriétés des protéines n’ont pas été endommagées par la sonication et sont restées intactes. Les propriétés antioxydantes des protéines étaient identiques pour le traitement alcalin assisté par ultrasons et pour l’extraction conventionnelle.
Extraction de la gélatine par ultrasons
Des peaux de lieu congelées et séchées à l’air ont été traitées avec des solutions salines froides, alcalines et acides afin de séparer le tissu collagénique et d’extraire la gélatine par dénaturation du collagène à 45°C pendant quatre heures, avec un traitement par ultrasons de puissance comme auxiliaire de procédé. Le rendement en gélatine, le pH, la clarté, la force du gel et les propriétés viscoélastiques, ainsi que la distribution des masses moléculaires déterminée par la méthode PAGE-SDS, ont été évalués. De la gélatine extraite au bain-marie à 45°C pendant quatre heures a servi de témoin. Le traitement par ultrasons de puissance a augmenté le rendement d’extraction de 11,1% par rapport au témoin, tandis que la force du gel a diminué de 7%. La température de gélification était également plus basse pour la gélatine extraite par ultrasons (4,2°C). Ce comportement est lié à des différences de distribution des masses moléculaires des pelotes polypeptidiques dans les gélatines. L’extraction par ultrasons de puissance peut être utilisée pour augmenter l’extraction de gélatine à partir de peaux de poisson congelées et séchées à l’air. (Olson et al. 2005)
Systèmes à ultrasons industriels
Hielscher Ultrasonics fournit des systèmes à ultrasons puissants, du laboratoire à l’échelle de paillasse et à l’échelle industrielle. Pour garantir un rendement d’extraction optimal, une sonication fiable peut être réalisée en continu dans des conditions exigeantes. Tous les processeurs à ultrasons industriels peuvent délivrer de très hautes amplitudes. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles. La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.
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Bibliographie et références
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Récupération optimisée des protéines de maquereaux entiers par extraction séquentielle acide/alcaline par solubilisation et précipitation isoélectriques (ISP) assistée par ultrasons. LWT – Food Science and Technology Vol. 88, February 2018. 210-216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Optimisation de l’extraction d’hydrolysats protéiques fonctionnels à partir de la membrane de coquille d’œuf de poule (ESM) par extraction assistée par ultrasons (UAE) et hydrolyse enzymatique. 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) : Effets du traitement ultrasonique sur l’extraction du collagène des peaux du bar Lateolabrax japonicus. Fisheries Science Volume 78, Issue 78 ; 2013. 485-490.
- Li, Defu ; Mu, Changdao ; Cai, Sumei ; Lin, Wei (2016) : L’irradiation ultrasonique dans l’extraction enzymatique du collagène. Ultrasonics Sonochemistry Volume 16, Issue 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) : Evaluation of power ultrasound as a processing aid for fish gelatin extraction (Évaluation des ultrasons de puissance en tant qu’aide au traitement pour l’extraction de la gélatine de poisson). Meeting Abstract No. 71C-26. Réunion annuelle de l’IFT. Juillet 2005. Nouvelle-Orléans, LA.
- Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): Use of ultrasonic and pepsin treatment in tandem for collagen extraction from meat industry by-products. 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.
- Siritientong, Tippawan ; Bonani, Walter ; Motta, Antonella ; Migliaresi, Claudio ; Aramwit, Pornanong (2016) : Les effets de la souche de soie de Bombyx mori et du temps d’extraction sur les caractéristiques moléculaires et biologiques de la séricine. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Vol. 80 , Iss. 2, 2016. 241-249.
- Zeng, J.N. ; Jiang, B.Q. ; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011) : Extraction du collagène des écailles de poisson avec de la papaïne sous prétraitement ultrasonique. Advanced Materials Research, Volume 366, 2011. 421-424.
Bon à savoir
Collagène
Le collagène est la principale protéine structurelle de l’espace extracellulaire dans les différents tissus conjonctifs du corps des animaux. En tant que composant principal du tissu conjonctif, c’est la protéine la plus abondante chez les mammifères,[1] représentant de 25% à 35% de la teneur totale en protéines de l’organisme. Le collagène est constitué d’acides aminés enroulés ensemble en triples hélices pour former des fibrilles allongées. Les plus grandes quantités de collagène se trouvent dans les tissus fibreux tels que les tendons, les ligaments et la peau. On distingue trois types de collagène :
Collagène de type I : fournit 90% des protéines de la peau, des cheveux, des ongles, des organes, des os et des ligaments
Collagène de type II : fournit 50–60% des protéines du cartilage et 85–90% du collagène du cartilage articulaire
Collagène de type III : fournit des protéines à la protéine fibreuse des os, du cartilage, de la dentine, des tendons et d’autres tissus conjonctifs
Le collagène dans l’organisme
Chacun des trois types de collagène est composé de protéines différentes qui remplissent des fonctions différentes dans l’organisme. Les collagènes de type I et III sont tous deux des composants principaux de la peau, des muscles, des os, des cheveux et des ongles. Ils sont nécessaires à leur santé, à leur croissance et à leur reconstruction. Le collagène de type II se trouve principalement dans le cartilage et les articulations.
Les collagènes de type I et III contiennent tous deux 19 acides aminés considérés comme des acides aminés essentiels. Ils sont produits par les fibroblastes (cellules des tissus conjonctifs) et les ostéoblastes (cellules qui fabriquent les os). Les protéines les plus importantes du collagène de type I et III comprennent la glycine, la proline, l’alanine et l’hydroxyproline. Le type III est une scléroprotéine fibreuse.
La glycine est l’acide aminé présent en plus grande quantité dans le collagène. La proline est un acide aminé non essentiel, qui peut être synthétisé à partir de la glycine et contribue aux articulations et aux tendons. L’hydroxyproline est un acide aminé qui contribue à la stabilité du collagène. L’alanine est un acide aminé important pour la biosynthèse des protéines.
Comme les types I et III, le collagène de type II forme des fibrilles. Ce réseau fibrillaire de collagène est important dans le cartilage, car il permet de piéger les protéoglycanes. En outre, il confère au tissu sa résistance à la traction.
Sources et utilisations
Le collagène est une protéine fibreuse abondamment présente dans le tissu conjonctif des mammifères, p. ex. les bovins et les porcs. La majeure partie du collagène est extraite
de peaux et d’os de porc ainsi que de sources bovines. Les poissons et les volailles constituent une source alternative pour l’extraction du collagène. Le collagène est largement utilisé, entre autres, dans les aliments, les compléments alimentaires, les produits pharmaceutiques/médicaux et les cosmétiques. L’extraction du collagène est un secteur en croissance, car cette protéine peut remplacer des agents synthétiques dans divers procédés industriels.