Ultrazvučna ekstrakcija kolagena

Kolagen je bogat proteinima i široko se upotrebljava u brojnim industrijskim primjenama, npr. u prehrambenoj i farmaceutskoj industriji, u aditivima itd.
Sonikacija se može jednostavno kombinirati s enzimskom ili kiselinskom ekstrakcijom kolagena.
Uvođenje ultrazvuka u proces ekstrakcije kolagena rezultira većim prinosima i bržom ekstrakcijom.

Učinci ultrazvuka na ekstrakciju kolagena

Ultrazvuk visokog intenziteta široko se upotrebljava za poboljšanje prijenosa tvari u mokrim procesima, npr. pri ekstrakciji, u sonokemiji itd. Ekstrakcija kolagena (poznata i kao izolacija kolagena) može se znatno poboljšati ultrazvučnom obradom. Sonikacija pomaže pri cijepanju kolagenskog supstrata i otvara kolagenske fibrile, čime se olakšava enzimska hidroliza ili obrada kiselinom.

Enzimska ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom

Sonikacija je poznata po svojoj sposobnosti povećanja aktivnosti enzima. Taj se učinak temelji na ultrazvučnom dispergiranju i deaglomeraciji agregata pepsina. Homogeno dispergirani enzimi pružaju veću površinu za prijenos tvari, što je povezano s većom aktivnošću enzima. Osim toga, snažni ultrazvučni valovi otvaraju kolagenske fibrile pa se kolagen oslobađa.

Ultrazvučna ekstrakcija pepsinom: Pepsin u kombinaciji s ultrazvučnom obradom povećava prinos kolagena do približno 124% i znatno skraćuje vrijeme ekstrakcije u usporedbi s konvencionalnom hidrolizom pepsinom. Analiza kružnog dikroizma, mikroskopija atomskih sila i FTIR dokazali su da sonikacija nije utjecala na strukturu trostruke uzvojnice ekstrahiranog kolagena te da je ona ostala netaknuta. (Li et al. 2009) Zbog toga je ekstrakcija pepsinom potpomognuta ultrazvukom vrlo praktična za prehrambenu industriju jer omogućuje veće iskorištenje proteina uz znatno kraće vrijeme obrade.

U usporednom istraživanju ekstrakcije kolagena iz goveđe tetive s ultrazvukom i bez njega, ultrazvučna obrada (20kHz, pulsni način rada 20/20 sec.) pokazala je veći prinos i učinkovitost. Konvencionalna ekstrakcija provodila se pepsinom u octenoj kiselini tijekom 48 sati. Ultrazvučna ekstrakcija provodila se u istim uvjetima, ali su se mijenjala vremena izlaganja sonikaciji (od 3 do 24 h) i pepsinu (od 24 do 45 sati), što je rezultiralo ukupnim trajanjem obrade od 48 sati. Ekstrakcija ultrazvukom i pepsinom pokazala je veću učinkovitost ekstrakcije kolagena, postižući prinos od 6,2%, dok je prinos konvencionalne ekstrakcije iznosio 2,4%. Najbolji rezultati postignuti su pri trajanju ultrazvučne ekstrakcije od 18 h. Ekstrahirani kolagen pokazao je neoštećenu kontinuiranu strukturu uzvojnice, dobru topljivost i prilično visoku toplinsku stabilnost. To znači da je ekstrakcija ultrazvukom i pepsinom poboljšala učinkovitost ekstrakcije prirodnog kolagena bez narušavanja kvalitete dobivenog kolagena. (Ran and Wang 2014)

Ultrazvučni sustav sa spremnikom s miješalicom

Ultrazvučna ekstrakcija papainom: Kolagen iz ribljih ljusaka može se učinkovito ekstrahirati hidrolizom papainom u kombinaciji s ultrazvučnom predobradom. Za ekstrakciju kolagena iz ribljih ljusaka ultrazvukom i papainom sljedeći su procesni parametri utvrđeni kao optimalni: trajanje ultrazvučne predobrade od 4min, omjer papaina i ribljih ljusaka od 4%, temperatura od 60°C i ukupno vrijeme ekstrakcije od 5h. U tim optimalnim uvjetima stupanj ekstrakcije kolagena dosegnuo je 90,7%. (Jiang et al. 2011)

Kiselinska ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom

U istraživanju koje su proveli Kim et al. (2012), ekstrakcija kolagena topljivog u kiselini iz kože japanskog brancina (Lateolabrax japonicus) pokazala je veći prinos i kraće vrijeme ekstrakcije nakon ultrazvučne obrade pri frekvenciji od 20 kHz u 0,5 M octenoj kiselini. Ekstrakcija ultrazvukom nije promijenila glavne sastavnice kolagena, točnije lance α1, α2 i β.

Ultrazvučna ekstrakcija proteina iz ljusaka jaja

Enzimski hidrolizati prethodno obrađeni ultrazvukom imali su bolja funkcionalna svojstva. Pri ultrazvučnoj ekstrakciji funkcionalnih proteinskih hidrolizata iz ljuske kokošjeg jajeta poboljšavaju se topljivost, svojstva emulgiranja i pjenjenja te sposobnost zadržavanja vode.
Membrana ljuske jajeta obilan je prirodni resurs i sastoji se od približno 64 proteina, uključujući kolagen tipa I, V i X, lizozim, osteopontin i sijaloprotein. Zbog toga su ljuske jajeta zanimljiva sirovina za ekstrakciju proteina. Ultrazvučnom ekstrakcijom oslobađanje i funkcionalnost proteina mogu se znatno poboljšati, što rezultira brzim, učinkovitim i ekonomičnim procesom.

Hielscher isporučuje snažne ultrazvučne uređaje od laboratorijske do industrijske razine (Kliknite za povećanje!)

Ultrazvučni procesi: od laboratorijskog do industrijskog mjerila

Ultrazvučno potpomognuta lužnata ekstrakcija

za ekstrakciju i solubilizaciju tih proteina
Pri ekstrakciji proteina iz membrane ljuske jajeta ultrazvučna obrada u lužnatom mediju rezultirala je prinosom solubiliziranih proteina od gotovo 100% ukupnih proteina membrane ljuske jajeta. Ultrazvučna kavitacija odvojila je veće nakupine proteina od membrane ljuske jajeta i olakšala solubilizaciju njezinih sastojaka. Sonikacija nije oštetila strukturu ni svojstva proteina te su ostali očuvani. Antioksidacijska svojstva proteina bila su jednaka pri ultrazvučno potpomognutoj lužnatoj obradi i konvencionalnoj ekstrakciji.

Ultrazvučna ekstrakcija želatine

Zamrznute i na zraku osušene kože kolje obrađene su hladnim otopinama soli, lužina i kiselina radi odvajanja kolagenskog tkiva i ekstrakcije želatine denaturacijom kolagena pri 45°C tijekom četiri sata, uz primjenu ultrazvuka visokog intenziteta kao pomoćnog postupka obrade. Procijenjeni su prinos želatine, pH, bistrina, čvrstoća gela i viskoelastična svojstva te raspodjela molekulskih masa određena metodom PAGE-SDS. Želatina ekstrahirana u vodenoj kupelji pri 45°C tijekom četiri sata upotrijebljena je kao kontrola. Obrada ultrazvukom visokog intenziteta povećala je prinos ekstrakcije za 11,1% u usporedbi s kontrolom, dok se čvrstoća gela smanjila za 7%. Temperatura geliranja također je bila niža kod želatine ekstrahirane ultrazvukom (4,2°C). Takvo je ponašanje povezano s razlikama u raspodjeli molekulskih masa polipeptidnih klupka u želatinama. Ekstrakcija ultrazvukom visokog intenziteta može se primijeniti za povećanje ekstrakcije želatine iz zamrznutih i na zraku osušenih ribljih koža. (Olson et al. 2005)

Industrijski ultrazvučni sustavi

Hielscher Ultrasonics isporučuje snažne ultrazvučne sustave za laboratorijsko, stolno i industrijsko mjerilo. Kako bi se osigurao optimalan učinak ekstrakcije, pouzdana sonikacija u zahtjevnim uvjetima može se provoditi kontinuirano. Svi industrijski ultrazvučni procesori mogu postići vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm lako se mogu kontinuirano održavati u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost ultrazvučne opreme Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikom opterećenju i u zahtjevnim okruženjima.
Obratite nam se već danas sa zahtjevima svojeg procesa! Rado ćemo vam preporučiti prikladan ultrazvučni sustav za vaš proces!

Ultrazvučni dispergatori dostupni su u rasponu od malih ručnih uređaja preko stolnih sustava do potpuno industrijskih ultrazvučnih sustava za obradu velikih volumena (Kliknite za povećanje!)

Ultrazvučni homogenizatori velike snage Hielscher dostupni su za svako mjerilo procesa – od laboratorija do proizvodnje.

Literatura i reference

Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Optimizirano izdvajanje proteina iz cijelih skuša primjenom uzastopne kisele/lužnate ekstrakcije izoelektričnom solubilizacijom i precipitacijom (ISP) potpomognute ultrazvukom. LWT – Food Science and Technology sv. 88, February 2018. 210–216.
Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Optimizacija ekstrakcije funkcionalnih proteinskih hidrolizata iz membrane ljuske kokošjeg jajeta (ESM) ultrazvučno potpomognutom ekstrakcijom (UAE) i enzimskom hidrolizom. LWT – Food Science and Technology sv. 69, June 2016. 295–302.
Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, N.H. (2012): Učinci ultrazvučne obrade na ekstrakciju kolagena iz kože brancina Lateolabrax japonicus. Fisheries Science svezak 78, broj 78; 2013. 485–490.
Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Ultrazvučno zračenje pri enzimskoj ekstrakciji kolagena. Ultrasonics Sonochemistry, svezak 16, broj 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): Procjena ultrazvuka velike snage kao pomoćnog sredstva u procesu ekstrakcije riblje želatine. Sažetak sa skupa br. 71C-26. Godišnji skup IFT-a. July 2005. New Orleans, LA.
Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): Primjena ultrazvučne obrade i obrade pepsinom u kombinaciji za ekstrakciju kolagena iz nusproizvoda mesne industrije. 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): Proces ekstrakcije kolagena. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913–922.
Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Učinci soja svilene bube Bombyx mori i vremena ekstrakcije na molekularna i biološka svojstva sericina. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, sv. 80, br. 2, 2016. 241–249.
Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): Ekstrakcija kolagena iz ribljih ljusaka papainom uz ultrazvučnu predobradu. Advanced Materials Research, svezak 366, 2011. 421–424.

Povezane teme

Činjenice koje vrijedi znati

Kolagen

Kolagen je glavni strukturni protein u izvanstaničnom prostoru različitih vezivnih tkiva u tijelima životinja. Kao glavna sastavnica vezivnog tkiva, najzastupljeniji je protein u sisavaca,[1] te čini od 25% do 35% ukupnog sadržaja proteina u tijelu. Kolagen se sastoji od aminokiselina međusobno uvijenih u trostruke uzvojnice koje tvore izdužene fibrile. Najveće količine kolagena prisutne su u vlaknastim tkivima poput tetiva, ligamenata i kože. Razlikuju se tri tipa kolagena:
Kolagen tipa I: osigurava 90% proteina u koži, kosi, noktima, organima, kostima i ligamentima
Kolagen tipa II: osigurava 50–60% proteina u hrskavici, 85–90% kolagena u zglobnoj hrskavici
Kolagen tipa III: osigurava proteine vlaknastom proteinu u kostima, hrskavici, dentinu, tetivama i drugim vezivnim tkivima

Kolagen u tijelu

Svaki od triju tipova kolagena sastoji se od različitih proteina koji imaju različite uloge u tijelu. Kolageni tipa I i III glavne su sastavnice kože, mišića, kostiju, kose i noktiju. Potrebni su za njihovo zdravlje, rast i obnovu. Kolagen tipa II uglavnom se nalazi u hrskavici i zglobovima.
Kolageni tipa I i III sadrže po 19 aminokiselina koje se smatraju esencijalnim aminokiselinama. Proizvode ih fibroblasti (stanice vezivnog tkiva) i osteoblasti (stanice koje stvaraju kosti). Najvažniji proteini u kolagenu tipa I i III uključuju glicin, prolin, alanin i hidroksiprolin. Tip III vlaknasti je skleroprotein.
Glicin je aminokiselina koja je u kolagenu prisutna u najvećoj količini. Prolin je neesencijalna aminokiselina koja se može sintetizirati iz glicina i doprinosi zglobovima i tetivama. Hidroksiprolin je aminokiselina koja doprinosi stabilnosti kolagena. Alanin je aminokiselina važna za biosintezu proteina.
Poput kolagena tipa I i III, kolagen tipa II tvori fibrile. Ta fibrilarna mreža kolagena važna je u hrskavici jer omogućuje zadržavanje proteoglikana. Osim toga, tkivu daje vlačnu čvrstoću.

Izvori i primjene

Kolagen je vlaknasti protein koji je obilno prisutan u vezivnom tkivu sisavaca, npr. goveda i svinja. Većina kolagena ekstrahira se
iz svinjskih koža i kostiju te iz goveđih izvora. Alternativni izvori za ekstrakciju kolagena su ribe i perad. Kolagen se široko primjenjuje u hrani, dodacima prehrani, farmaceutskim i medicinskim proizvodima te kozmetici, među ostalim proizvodima. Ekstrakcija kolagena rastuća je djelatnost jer taj protein može zamijeniti sintetska sredstva u različitim industrijskim procesima.