Ekstraksi Kolagen Ultrasonik
- Kolagen kaya akan protein dan banyak digunakan dalam berbagai aplikasi industri, misalnya pangan, farmasi, bahan tambahan, dan sebagainya.
- Sonikasi dapat dengan mudah dikombinasikan dengan ekstraksi kolagen secara enzimatis atau menggunakan asam.
- Penerapan ultrasonik dalam proses ekstraksi kolagen menghasilkan rendemen yang lebih tinggi dan ekstraksi yang lebih cepat.
Efek Ultrasonik pada Ekstraksi Kolagen
Ultrasonik berintensitas tinggi banyak digunakan untuk meningkatkan perpindahan massa dalam proses basah, misalnya ekstraksi, sonokimia, dan sebagainya. Ekstraksi kolagen (juga dikenal sebagai isolasi kolagen) dapat ditingkatkan secara signifikan melalui perlakuan ultrasonik. Sonikasi membantu pemutusan substrat kolagen dan membuka fibril kolagen, sehingga mempermudah hidrolisis enzimatis atau perlakuan asam.
Ekstraksi Enzimatis Berbantuan Ultrasonik
Sonikasi dikenal karena kemampuannya meningkatkan aktivitas enzim. Efek ini didasarkan pada dispersi ultrasonik dan deaglomerasi agregat pepsin. Enzim yang terdispersi secara homogen menyediakan luas permukaan yang lebih besar untuk perpindahan massa, yang berkorelasi dengan aktivitas enzim yang lebih tinggi. Selain itu, gelombang ultrasonik yang kuat membuka fibril kolagen sehingga kolagen dilepaskan.
Ekstraksi Pepsin Ultrasonik: Pepsin yang dikombinasikan dengan ultrasonikasi meningkatkan rendemen kolagen hingga sekitar 124% dan secara signifikan mempersingkat waktu ekstraksi dibandingkan dengan hidrolisis pepsin konvensional. Analisis dikroisme sirkular, mikroskopi gaya atom, dan FTIR membuktikan bahwa struktur heliks rangkap tiga kolagen yang diekstraksi tidak terpengaruh oleh sonikasi dan tetap utuh. (Li et al. 2009) Hal ini menjadikan ekstraksi pepsin berbantuan ultrasonik sangat praktis bagi industri pangan karena menawarkan tingkat perolehan kembali protein yang lebih tinggi dalam waktu pemrosesan yang jauh lebih singkat.
Dalam studi perbandingan ekstraksi kolagen secara ultrasonik dan nonultrasonik dari tendon sapi, perlakuan ultrasonik (20kHz, mode pulsa 20/20 detik) menunjukkan keunggulan berupa rendemen dan efisiensi yang lebih tinggi. Ekstraksi konvensional dilakukan dengan pepsin dalam asam asetat selama 48 jam. Ekstraksi ultrasonik dilakukan dalam kondisi yang sama, tetapi waktu paparan sonikasi (3 hingga 24 h) dan pepsin (24 hingga 45 jam) divariasikan, sehingga total waktu perlakuan mencapai 48 jam. Ekstraksi ultrasonik-pepsin menunjukkan efisiensi ekstraksi kolagen yang lebih unggul, dengan rendemen mencapai 6,2%, sedangkan rendemen ekstraksi konvensional sebesar 2,4%. Hasil terbaik dicapai pada waktu ekstraksi ultrasonik selama 18 h. Kolagen yang diekstraksi menunjukkan struktur heliks berkesinambungan yang tidak rusak, kelarutan yang baik, dan stabilitas termal yang cukup tinggi. Ini berarti bahwa ekstraksi ultrasonik-pepsin meningkatkan efisiensi ekstraksi kolagen alami tanpa merusak kualitas kolagen yang dihasilkan. (Ran and Wang 2014)
Ekstraksi Asam Berbantuan Ultrasonik
Dalam studi oleh Kim et al. (2012), ekstraksi kolagen larut asam dari kulit ikan bass laut Jepang (Lateolabrax japonicus) menunjukkan peningkatan rendemen dan pengurangan waktu ekstraksi setelah perlakuan ultrasonik pada frekuensi 20 kHz dalam asam asetat 0,5 M. Ekstraksi dengan ultrasonik tidak mengubah komponen utama kolagen, khususnya rantai α1, α2, dan β.
Ekstraksi Protein Ultrasonik dari Cangkang Telur
Hidrolisat enzimatis yang diberi praperlakuan ultrasonik memiliki sifat fungsional yang lebih baik. Pada ekstraksi ultrasonik hidrolisat protein fungsional dari cangkang telur ayam, sifat kelarutan, pengemulsian, pembentukan busa, dan kemampuan menahan air meningkat.
Membran cangkang telur merupakan sumber daya alami yang melimpah dan terdiri atas sekitar 64 protein, termasuk kolagen Tipe I, V, dan X, lisozim, osteopontin, dan sialoprotein. Hal ini menjadikan cangkang telur bahan baku yang menarik untuk ekstraksi protein. Dengan ekstraksi ultrasonik, pelepasan dan fungsionalitas protein dapat ditingkatkan secara signifikan, sehingga menghasilkan proses yang cepat, efisien, dan ekonomis.
Proses ultrasonik: Dari Laboratorium hingga Industri dalam Berbagai Skala
Ekstraksi Alkali Berbantuan Ultrasonik
untuk mengekstraksi dan melarutkan protein-protein ini
Pada ekstraksi protein dari membran cangkang telur, perlakuan ultrasonik-alkali menghasilkan rendemen protein terlarut mendekati 100% dari total protein membran cangkang telur. Kavitasi ultrasonik melepaskan gumpalan protein yang lebih besar dari membran cangkang telur dan mempermudah pelarutan senyawa penyusunnya. Struktur dan sifat protein tidak rusak akibat sonikasi dan tetap utuh. Sifat antioksidan protein sama pada perlakuan alkali berbantuan ultrasonik dan ekstraksi konvensional.
Ekstraksi Gelatin Ultrasonik
Kulit ikan pollock yang dibekukan dan dikeringkan dengan udara diberi perlakuan dengan larutan garam dingin, alkali, dan asam untuk memisahkan jaringan kolagen dan mengekstraksi gelatin melalui denaturasi kolagen pada 45°C selama empat jam, dengan perlakuan ultrasonik berdaya tinggi sebagai bantuan pemrosesan. Rendemen gelatin, pH, kejernihan, kekuatan gel, dan sifat viskoelastis, serta distribusi berat molekul yang ditentukan dengan metode PAGE-SDS, dievaluasi. Gelatin yang diekstraksi dalam penangas air pada 45°C selama empat jam digunakan sebagai kontrol. Perlakuan ultrasonik berdaya tinggi meningkatkan rendemen ekstraksi sebesar 11,1% dibandingkan dengan kontrol, sementara kekuatan gel menurun sebesar 7%. Suhu gelasi juga lebih rendah pada gelatin yang diekstraksi dengan ultrasonik (4,2°C). Perilaku ini berkaitan dengan perbedaan distribusi berat molekul gulungan polipeptida dalam gelatin. Ekstraksi ultrasonik berdaya tinggi dapat digunakan untuk meningkatkan ekstraksi gelatin dari kulit ikan yang dibekukan dan dikeringkan dengan udara. (Olson et al. 2005)
Sistem Ultrasonik Industri
Hielscher Ultrasonics menyediakan sistem ultrasonik bertenaga tinggi mulai dari skala laboratorium hingga skala meja dan industri. Untuk memastikan hasil ekstraksi yang optimal, sonikasi yang andal dalam kondisi berat dapat dilakukan secara kontinu. Semua prosesor ultrasonik industri dapat menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dijalankan secara kontinu dalam pengoperasian 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang disesuaikan dengan kebutuhan. Ketangguhan peralatan ultrasonik Hielscher memungkinkan pengoperasian 24/7 dengan beban kerja berat dan di lingkungan yang menantang.
Hubungi kami hari ini dan sampaikan kebutuhan proses Anda! Kami dengan senang hati akan merekomendasikan sistem ultrasonik yang sesuai untuk proses Anda!
Homogenizer ultrasonik berdaya tinggi Hielscher tersedia untuk setiap skala proses – dari laboratorium hingga produksi.
Literatur/referensi
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Perolehan kembali protein yang dioptimalkan dari ikan makerel utuh menggunakan ekstraksi pelarutan dan pengendapan isoelektrik (ISP) secara berurutan dalam kondisi asam/basa berbantuan ultrasonik. LWT – Food Science and Technology Vol. 88, February 2018. 210-216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Optimasi ekstraksi hidrolisat protein fungsional dari membran cangkang telur ayam (ESM) melalui ekstraksi berbantuan ultrasonik (UAE) dan hidrolisis enzimatis. LWT – Food Science and Technology Vol. 69, June 2016. 295-302.
- Kim, HK; Kim, YH; Kim, YJ; Taman, HJ; Lee, N.H. (2012): Efek pengobatan ultrasonik pada ekstraksi kolagen dari kulit bass laut Lateolabrax japonicus. Ilmu Perikanan Volume 78, Edisi 78; 2013. 485-490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Iradiasi ultrasonik dalam ekstraksi enzimatik kolagen. Ultrasonik Sonochemistry Volume 16, Edisi 5; 2009. 605-609.
- Olson, DA, Avena Bustillos, RD, Olsen, CW, Chiou, B., Yee, E., Bower, CK, Bechtel, PJ, Pan, Z., Mc Hugh, TH (2005): Evaluasi ultrasound daya sebagai alat bantu pemrosesan untuk ekstraksi gelatin ikan. Abstrak Rapat No. 71C-26. Pertemuan Tahunan IFT. bulan juli 2005. New Orleans, LA.
- Ran, XG; Wang, LY (2014): Penggunaan pengobatan ultrasonik dan pepsin bersama-sama untuk ekstraksi kolagen dari produk sampingan industri daging. Jurnal Ilmu Pangan dan Pertanian 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): Efek strain sutra Bombyx mori dan waktu ekstraksi pada karakteristik molekuler dan biologis serisin. Biosains, Bioteknologi, dan Biokimia Vol. 80 , Iss. 2, 2016. 241-249.
- Zeng, JN; Jiang, B.Q.; Xiao, ZQ, Li, SH (2011): Ekstraksi Kolagen dari Sisik Ikan dengan Papain di bawah Pretreatment Ultrasonik. Penelitian Bahan Lanjutan, Volume 366, 2011. 421-424.
Fakta yang Perlu Diketahui
Kolagen
Kolagen merupakan protein struktural utama di ruang ekstraseluler dalam berbagai jaringan ikat pada tubuh hewan. Sebagai komponen utama jaringan ikat, kolagen merupakan protein yang paling melimpah pada mamalia,[1] mencakup 25% hingga 35% dari kandungan protein seluruh tubuh. Kolagen terdiri atas asam amino yang saling berpilin membentuk heliks rangkap tiga yang membentuk fibril memanjang. Kolagen dalam jumlah tertinggi terdapat pada jaringan berserat seperti tendon, ligamen, dan kulit. Ada tiga tipe kolagen yang perlu dibedakan:
Kolagen tipe I: menyediakan 90% protein pada kulit, rambut, kuku, organ, tulang, dan ligamen
Kolagen tipe II: menyediakan 50–60% protein pada tulang rawan, 85–90% kolagen pada tulang rawan artikular
Kolagen tipe III: menyediakan protein bagi protein berserat pada tulang, tulang rawan, dentin, tendon, dan jaringan ikat lainnya
Kolagen dalam Tubuh
Masing-masing dari ketiga tipe kolagen tersusun atas protein berbeda yang menjalankan fungsi berbeda dalam tubuh. Kolagen tipe I dan III sama-sama merupakan komponen utama kulit, otot, tulang, rambut, dan kuku. Keduanya diperlukan untuk kesehatan, pertumbuhan, dan pembentukan kembali bagian-bagian tubuh tersebut. Kolagen tipe II sebagian besar ditemukan pada tulang rawan dan sendi.
Kolagen tipe I dan III sama-sama mengandung 19 asam amino yang dianggap sebagai asam amino esensial. Keduanya diproduksi oleh fibroblas (sel pada jaringan ikat) dan osteoblas (sel pembentuk tulang). Protein terpenting dalam kolagen tipe I dan III meliputi glisin, prolin, alanin, dan hidroksiprolin. Tipe III merupakan skleroprotein berserat.
Glisin merupakan asam amino dengan jumlah tertinggi dalam kolagen. Prolin merupakan asam amino nonesensial yang dapat disintesis dari glisin dan berkontribusi pada sendi dan tendon. Hidroksiprolin merupakan asam amino yang berkontribusi terhadap stabilitas kolagen. Alanin merupakan asam amino yang penting untuk biosintesis protein.
Seperti tipe I dan III, kolagen tipe II juga membentuk fibril. Jaringan fibrilar kolagen ini penting pada tulang rawan karena memungkinkan terperangkapnya proteoglikan. Selain itu, jaringan tersebut memberikan kekuatan tarik pada jaringan tubuh.
Sumber dan Penggunaan
Kolagen merupakan protein berserat yang banyak terdapat pada jaringan ikat mamalia, misalnya sapi dan babi. Sebagian besar kolagen diekstraksi
dari kulit dan tulang babi serta dari sumber asal sapi. Sumber alternatif untuk ekstraksi kolagen adalah ikan dan unggas. Kolagen banyak digunakan dalam pangan, suplemen makanan, produk farmasi/medis, dan kosmetik, serta berbagai produk lainnya. Ekstraksi kolagen merupakan bisnis yang berkembang karena protein ini dapat menggantikan bahan sintetis dalam berbagai proses industri.