מיצוי קולגן באמצעות אולטרסאונד

קולגן עשיר בחלבונים ונמצא בשימוש נרחב במגוון יישומים תעשייתיים, כגון מזון, תרופות, תוספים ועוד.
ניתן לשלב סוניקציה בקלות עם מיצוי אנזימטי או חומצי של קולגן.
שילוב אולטרסאונד בתהליך מיצוי הקולגן מוביל לתפוקות גבוהות יותר ולמיצוי מהיר יותר.

השפעות האולטרסאונד על מיצוי קולגן

אולטרסאונד בעוצמה גבוהה נמצא בשימוש נרחב לשיפור מעבר המסה בתהליכים רטובים, כגון מיצוי, סונוכימיה ועוד. ניתן לשפר משמעותית את מיצוי הקולגן (המכונה גם בידוד קולגן) באמצעות טיפול אולטרסוני. סוניקציה מסייעת בביקוע מצע הקולגן ופותחת את סיבוני הקולגן, ובכך מקלה על הידרוליזה אנזימטית או על טיפול בחומצה.

מיצוי אנזימטי בסיוע אולטרסאונד

סוניקציה ידועה ביכולתה להגביר פעילות אנזימטית. השפעה זו מבוססת על הפיזור האולטרסוני ועל פירוק האגלומרטים של פפסין. אנזימים המפוזרים באופן הומוגני מספקים שטח פנים גדול יותר למעבר מסה, דבר הנמצא במתאם עם פעילות אנזימטית גבוהה יותר. נוסף על כך, גלי האולטרסאונד העוצמתיים פותחים את סיבוני הקולגן, כך שהקולגן משתחרר.

מיצוי באמצעות פפסין בסיוע אולטרסאונד: פפסין בשילוב סוניקציה מגדיל את תפוקת הקולגן עד לכ־124% ומקצר משמעותית את זמן המיצוי בהשוואה להידרוליזה המקובלת באמצעות פפסין. אנליזת דיכרואיזם מעגלי, מיקרוסקופיית כוח אטומי ו־FTIR הוכיחו שמבנה הסליל המשולש של הקולגן שמוצה לא הושפע מהסוניקציה ונותר שלם. (Li et al. 2009) הדבר הופך את המיצוי באמצעות פפסין בסיוע אולטרסאונד למעשי מאוד עבור תעשיית המזון, ומאפשר שיעורי השבת חלבון גבוהים יותר בזמן עיבוד קצר משמעותית.

במחקר שהשווה בין מיצוי קולגן מגיד בקר באמצעות אולטרסאונד לבין מיצוי ללא אולטרסאונד, הטיפול האולטרסוני (20kHz, מצב פעימות 20/20 sec.) הפגין תפוקה ויעילות גבוהות יותר. המיצוי המקובל בוצע באמצעות פפסין בחומצה אצטית במשך 48 שעות. המיצוי האולטרסוני בוצע באותם תנאים, אך משכי החשיפה לסוניקציה (3 עד 24 h) ולפפסין (24 עד 45 שעות) שונו, כך שמשך הטיפול הכולל היה 48 שעות. המיצוי המשולב באמצעות אולטרסאונד ופפסין הפגין יעילות גבוהה יותר במיצוי קולגן, והגיע לתפוקה של 6.2%, בעוד שתפוקת המיצוי המקובל הייתה 2.4%. התוצאות הטובות ביותר הושגו במשך מיצוי אולטרסוני של 18 h. הקולגן שמוצה הציג מבנה סלילי רציף ללא פגיעה, מסיסות טובה ויציבות תרמית גבוהה למדי. משמעות הדבר היא שמיצוי משולב באמצעות אולטרסאונד ופפסין שיפר את יעילות המיצוי של קולגן טבעי מבלי לפגוע באיכות הקולגן שהתקבל. (Ran and Wang 2014)

מיצוי באמצעות פפאין בסיוע אולטרסאונד: ניתן למצות ביעילות קולגן מקשקשי דגים באמצעות הידרוליזה עם פפאין בשילוב טיפול מקדים אולטרסוני. עבור מיצוי קולגן מקשקשי דגים באמצעות אולטרסאונד ופפאין, פרמטרי התהליך הבאים נמצאו מיטביים: משך טיפול מקדים אולטרסוני של 4min, יחס פפאין לקשקשי דגים של 4%, טמפרטורה של 60°C וזמן מיצוי כולל של 5h. בתנאים מיטביים אלה הגיע שיעור מיצוי הקולגן ל־90.7%. (Jiang et al. 2011)

מיצוי חומצי בסיוע אולטרסאונד

במחקר של Kim ועמיתיו (2012), מיצוי קולגן מסיס בחומצה מעורו של לברק יפני (Lateolabrax japonicus) הראה תפוקה מוגברת וזמן מיצוי מופחת לאחר טיפול אולטרסוני בתדר של 20 kHz בחומצה אצטית בריכוז 0.5 M. המיצוי באמצעות אולטרסאונד לא שינה את המרכיבים העיקריים של הקולגן, ובפרט את השרשראות α1, α2 ו־β.

מיצוי חלבון מקליפות ביצים באמצעות אולטרסאונד

להידרוליזטים אנזימטיים שעברו טיפול מקדים אולטרסוני היו תכונות תפקודיות טובות יותר. במיצוי אולטרסוני של הידרוליזטים חלבוניים תפקודיים מקליפות ביצי תרנגולת משתפרות תכונות המסיסות, התחלוב, ההקצפה ואצירת המים.
קרום קליפת הביצה הוא משאב טבעי המצוי בשפע ומורכב מכ־64 חלבונים, ובהם קולגן מסוג I, V ו־X, ליזוזים, אוסטאופונטין וסיאלופרוטאין. הרכב זה הופך את קליפות הביצים לחומר גלם מעניין למיצוי חלבונים. באמצעות מיצוי אולטרסוני ניתן לשפר משמעותית את שחרור החלבונים ואת תפקודיותם, וכך להשיג תהליך מהיר, יעיל וחסכוני.

Hielscher מספקת מכשירים אולטרסוניים רבי עוצמה בקנה מידה מעבדתי ועד תעשייתי (לחצו להגדלה!)

תהליכים אולטרסוניים: מקנה מידה מעבדתי ועד לקנה מידה תעשייתי

מיצוי בסיסי בסיוע אולטרסאונד

כדי למצות ולהמס חלבונים אלה
במיצוי חלבונים מקרום קליפת הביצה, הטיפול האולטרסוני בשילוב בסיס הניב חלבון מומס בשיעור הקרוב ל־100% מכלל החלבון שבקרום קליפת הביצה. קוויטציה אולטרסונית ניתקה צברי חלבונים גדולים יותר מקרום קליפת הביצה והקלה על המסת מרכיביו. מבנה החלבונים ותכונותיהם לא נפגעו מהסוניקציה ונותרו ללא שינוי. התכונות נוגדות החמצון של החלבונים היו זהות בטיפול הבסיסי בסיוע אולטרסאונד ובמיצוי הקונבנציונלי.

מיצוי אולטרסוני של ג'לטין

עורות של דגי פולוק שהוקפאו ויובשו באוויר טופלו בתמיסות מלח קרות ובתמיסות בסיסיות וחומציות כדי להפריד רקמת קולגן ולמצות ג'לטין באמצעות דנטורציה של קולגן ב־45°C במשך ארבע שעות, תוך שימוש בטיפול באולטרסאונד רב־עוצמה כאמצעי עזר לתהליך. הוערכו תפוקת הג'לטין, ה־pH, הצלילות, חוזק הג'ל והתכונות הוויסקואלסטיות, וכן התפלגות המשקל המולקולרי שנקבעה בשיטת PAGE-SDS. ג'לטין שמוצה באמבט מים ב־45°C במשך ארבע שעות שימש כביקורת. הטיפול באולטרסאונד רב־עוצמה הגדיל את תפוקת המיצוי ב־11.1% בהשוואה לביקורת, ואילו חוזק הג'ל ירד ב־7%. גם טמפרטורת ההתג'לטנות הייתה נמוכה יותר בג'לטין שמוצה באולטרסאונד (4.2°C). התנהגות זו קשורה להבדלים בהתפלגות המשקל המולקולרי של סלילים פוליפפטידיים בג'לטינים. ניתן להשתמש במיצוי באולטרסאונד רב־עוצמה כדי להגביר את מיצוי הג'לטין מעורות דגים שהוקפאו ויובשו באוויר. (Olson et al. 2005)

מערכות אולטרסוניות תעשייתיות

Hielscher Ultrasonics מספקת מערכות אולטרסוניות עוצמתיות בקנה מידה מעבדתי, שולחני ותעשייתי. כדי להבטיח תפוקת מיצוי מיטבית, ניתן לבצע סוניקציה אמינה באופן רציף בתנאים תובעניים. כל המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. ניתן להפעיל בקלות אמפליטודות של עד 200µm ברציפות, בפעולה של 24/7. לאמפליטודות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות המותאמות אישית. עמידותו של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת פעולה של 24/7 בעומס עבודה כבד ובסביבות תובעניות.
צרו איתנו קשר עוד היום עם דרישות התהליך שלכם! נשמח להמליץ לכם על מערכת אולטרסונית מתאימה לתהליך שלכם!

מכשירי פיזור אולטרסוניים זמינים החל ממכשיר קטן המוחזק ביד ועד מערכות אולטרסוניות שולחניות ומערכות תעשייתיות מלאות לעיבוד נפחים גדולים (לחצו להגדלה!)

ההומוגנייזרים האולטרסוניים רבי־העוצמה של Hielscher זמינים לכל קנה מידה של תהליך – ממעבדה ועד ייצור.

ספרות ומקורות

Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): השבה מיטבית של חלבון מדגי מקרל שלמים באמצעות מיצוי הכולל המסה ושיקוע איזואלקטריים (ISP) ברצף חומצי/בסיסי בסיוע אולטרסאונד. LWT – Food Science and Technology כרך 88, February 2018. 210–216.
Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): מיטוב המיצוי של הידרוליזטים חלבוניים תפקודיים מקרום קליפת ביצת תרנגולת (ESM) באמצעות מיצוי בסיוע אולטרסאונד (UAE) והידרוליזה אנזימטית. LWT – Food Science and Technology כרך 69, June 2016. 295–302.
Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, N.H. (2012): השפעות הטיפול האולטרסוני על מיצוי קולגן מעורות של דג הלברק Lateolabrax japonicus. Fisheries Science כרך 78, גיליון 78; 2013. 485–490.
Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): הקרנה אולטרסונית במיצוי אנזימטי של קולגן. Ultrasonics Sonochemistry כרך 16, גיליון 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): הערכת אולטרסאונד רב־עוצמה כאמצעי עזר בתהליך מיצוי ג'לטין מדגים. תקציר כנס מס' 71C-26. הכנס השנתי של IFT. July 2005. ניו אורלינס, לואיזיאנה.
Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): שימוש בטיפול אולטרסוני ובטיפול בפפסין בזה אחר זה למיצוי קולגן מתוצרי לוואי של תעשיית הבשר. 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): תהליך מיצוי קולגן. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913–922.
Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): השפעות זן טוואי המשי Bombyx mori וזמן המיצוי על המאפיינים המולקולריים והביולוגיים של סריצין. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry כרך 80 , גיליון 2, 2016. 241–249.
Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): מיצוי קולגן מקשקשי דגים באמצעות פפאין עם טיפול מקדים אולטרסוני. Advanced Materials Research, כרך 366, 2011. 421–424.

נושאים קשורים

עובדות שכדאי לדעת

קולגן

קולגן הוא החלבון המבני העיקרי במרחב החוץ־תאי ברקמות החיבור השונות בגופם של בעלי חיים. כמרכיב העיקרי של רקמת החיבור, הוא החלבון הנפוץ ביותר ביונקים,[1] ומהווה בין 25% ל־35% מתכולת החלבון בגוף כולו. קולגן מורכב מחומצות אמינו הכרוכות זו בזו ליצירת סלילים משולשים, היוצרים סיבונים מוארכים. הכמויות הגבוהות ביותר של קולגן מצויות ברקמות סיביות כגון גידים, רצועות ועור. יש להבחין בין שלושה סוגי קולגן:
קולגן מסוג I: מספק 90% מהחלבון בעור, בשיער, בציפורניים, באיברים, בעצמות וברצועות
קולגן מסוג II: מספק 50–60% מהחלבון בסחוס, 85–90% מהקולגן בסחוס המפרקי
קולגן מסוג III: מספק חלבונים לחלבון סיבי בעצמות, בסחוס, בדנטין, בגידים וברקמות חיבור אחרות

קולגן בגוף

כל אחד משלושת סוגי הקולגן מורכב מחלבונים שונים הממלאים תפקידים שונים בגוף. קולגן מסוג I וקולגן מסוג III הם שניהם מרכיבים עיקריים של העור, השרירים, העצמות, השיער והציפורניים. הם נחוצים לשמירה על בריאותם, לגדילתם ולבנייתם מחדש. קולגן מסוג II מצוי בעיקר בסחוס ובמפרקים.
קולגן מסוג I וקולגן מסוג III מכילים שניהם 19 חומצות אמינו הנחשבות לחומצות אמינו חיוניות. הם מיוצרים על ידי פיברובלסטים (תאים ברקמות חיבור) ואוסטאובלסטים (תאים הבונים עצמות). החלבונים החשובים ביותר בקולגן מסוג I ומסוג III כוללים גליצין, פרולין, אלנין והידרוקסיפרולין. סוג III הוא סקלרופרוטאין סיבי.
גליצין היא חומצת האמינו המצויה בכמות הגבוהה ביותר בקולגן. פרולין היא חומצת אמינו לא חיונית, שניתן לסנתז מגליצין, והיא תורמת למפרקים ולגידים. הידרוקסיפרולין היא חומצת אמינו התורמת ליציבות הקולגן. אלנין היא חומצת אמינו החשובה לביוסינתזה של חלבונים.
בדומה לסוגים I ו־III, גם קולגן מסוג II יוצר סיבונים. רשת סיבונית זו של קולגן חשובה בסחוס משום שהיא מאפשרת לכידה של פרוטאוגליקנים. נוסף על כך, היא מעניקה לרקמה חוזק מתיחה.

מקורות ושימושים

קולגן הוא חלבון סיבי המצוי בשפע ברקמת החיבור של יונקים, כגון בקר וחזירים. רוב הקולגן מופק
מעורות ומעצמות של חזירים וממקורות בקר. דגים ועופות הם מקור חלופי למיצוי קולגן. קולגן נמצא בשימוש נרחב במזון, בתוספי תזונה, בתכשירים פרמצבטיים ורפואיים ובמוצרי קוסמטיקה, בין היתר. מיצוי קולגן הוא תחום עסקי צומח, שכן חלבון זה יכול להחליף חומרים סינתטיים בתהליכים תעשייתיים שונים.