해파리에서 초음파를 이용한 콜라겐 추출
- 해파리 콜라겐은 고유한 특성을 지니면서도 I형, II형, III형 및 V형 콜라겐과 유사한 특성을 나타내는 고품질 콜라겐입니다.
- 초음파 추출은 수율을 높이고 공정을 가속하며 고분자량 콜라겐을 생산하는 순수한 기계적 기술입니다.
초음파를 이용한 해파리 추출
해파리에는 무기질과 단백질이 풍부하며, 콜라겐은 이 젤라틴성 해양 생물의 주요 단백질입니다. 해파리는 바다에서 거의 풍부하다고 할 수 있는 자원입니다. 흔히 골칫거리로 여겨지는 해파리를 콜라겐 추출에 이용하면 지속 가능한 천연 자원을 활용하여 우수한 콜라겐을 생산하고 해파리 대량 발생을 해소한다는 양쪽 측면에서 이점이 있습니다.
초음파 추출은 정밀하게 제어하고 처리할 원료에 맞게 조정할 수 있는 기계적 추출 방법입니다. 초음파 추출은 해파리에서 콜라겐, 당단백질 및 기타 단백질을 분리하는 데 성공적으로 적용되어 왔습니다.
일반적으로 해파리에서 분리한 단백질은 강력한 항산화 활성을 나타내므로 식품, 보충제 및 제약 산업에서 가치 있는 활성 화합물입니다.
추출에는 해파리 전체, 중교질(= 해파리 우산부의 주요 부분) 또는 구완을 사용할 수 있습니다.
초음파 추출은 해파리에서 콜라겐을 대량으로 생산하는 효율적이고 신속한 기술입니다.
- 식품 / 의약품 등급 콜라겐
- 고분자량
- 아미노산 조성
- 수율 증가
- 신속한 처리
- 간편한 조작
초음파–산 추출 및 초음파–효소 추출
초음파 추출은 다양한 산 용액과 병용하여 해파리에서 산 가용성 콜라겐(ASC)을 방출시키는 데 사용할 수 있습니다. 초음파 캐비테이션은 세포 구조를 파괴하고 산을 기질 내부로 유입시켜 해파리 기질과 산 용액 사이의 물질 전달을 촉진합니다. 이에 따라 콜라겐과 기타 표적 단백질이 액체로 이동합니다.
후속 단계에서는 남은 해파리 기질을 초음파 처리하면서 효소(즉, 펩신)로 처리하여 펩신 가용성 콜라겐(PSC)을 분리합니다. 초음파 처리는 효소 활성을 높일 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 이 효과는 펩신 응집체의 초음파 분산 및 해응집에 기반합니다. 균일하게 분산된 효소는 물질 전달을 위한 표면적이 더 넓으며, 이는 더 높은 효소 활성과 관련이 있습니다. 또한 강력한 초음파는 콜라겐 원섬유 구조를 열어 콜라겐이 방출되도록 합니다.
연구에 따르면 초음파 보조 효소(펩신) 추출은 수율을 높이고 추출 공정을 단축합니다.
콜라겐 생산을 위한 고성능 초음파 처리기
Hielscher Ultrasonics는 실험실부터 벤치탑 및 산업 규모에 이르는 강력한 초음파 시스템을 공급합니다. 최적의 추출 생산량을 보장하기 위해 까다로운 조건에서도 신뢰할 수 있는 초음파 처리를 연속적으로 수행할 수 있습니다. 모든 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 이보다 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 장비의 견고함은 고부하 및 까다로운 환경에서도 24/7 운전을 가능하게 합니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다.
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장비 |
|---|---|---|
| 0.5–1.5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | 더 높은 유량 | 클러스터로 구성된 UIP16000 |
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문헌 및 참고자료
- Nicholas M.H. Khonga, Fatimah Md. Yusoff, B. Jamilah, Mahiran Basri, I. Maznah, Kim Wei Chan, Nurdin Armania, Jun Nishikawa (2018): 물리적으로 유도되는 가용화 공정의 강화를 통한 해파리(Acromitus hardenbergi)의 콜라겐 추출 개선. Food Chemistry Vol. 251, 15 June 2018. 41–50.
- Guoyan Ren, Bafang Li, Xue Zhao, Yongliang Zhuang, Mingyan Yan (2008): 해파리(Rhopilema esculentum) 구완에서 당단백질을 추출하기 위한 초음파 보조 추출 기술. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2008-02.
- Guoyan Ren, Bafang Li, Xue Zhao, Yongliang Zhuang, Mingyan Yan, Hu Hou, Xiukun Zhang, Li Chen (2009): 고성능 액체 크로마토그래피를 이용한 해파리(Rhopilema esculentum) 구완의 당단백질 추출 방법 선별. Journal of Ocean University of China 2009, Volume 8, Issue 1. 83–88.
알아두면 좋은 사실
콜라겐
콜라겐은 삼중 나선 구조를 가진 섬유성 단백질이며, 세포외기질과 결합 조직의 주요 불용성 섬유성 단백질입니다. 콜라겐에는 적어도 16가지 유형이 있지만, 대부분(약 90%)은 I형, II형, III형에 속합니다. 콜라겐은 인체에서 가장 풍부한 단백질로, 뼈, 근육, 피부 및 힘줄에 존재합니다. 포유류에서는 전신 단백질의 25–35%를 차지합니다. 다음 목록은 각 유형의 콜라겐이 가장 풍부하게 존재하는 조직의 예를 보여줍니다. I형 – 뼈, 진피, 힘줄, 인대, 각막; II형 – 연골, 유리체, 수핵; III형 – 피부, 혈관벽, 대부분의 조직(폐, 간, 비장 등)의 세망섬유; IV형 – 기저막; V형 – 특히 각막에서 I형 콜라겐과 함께 분포하는 경우가 많습니다. 이러한 특성은 자연스럽게 일반적으로 풍부한 콜라겐(I–V형 콜라겐)의 상업적 활용을 촉진했습니다. 주로 사람, 소 및 돼지 조직에서 기존의 고수율 제조 공정으로 이러한 콜라겐을 분리하고 정제하여 고품질 콜라겐 배치를 생산하게 되었습니다. (Silva et al., Mar. Drugs 2014, 12)
내인성 콜라겐은 신체가 합성하는 천연 콜라겐인 반면, 외인성 콜라겐은 합성 콜라겐이며 보충제와 같은 외부 공급원에서 유래할 수 있습니다. 콜라겐은 신체, 특히 피부, 뼈 및 결합 조직에 존재합니다. 생체 내 콜라겐 생성은 나이가 들고 흡연 및 자외선과 같은 요인에 노출됨에 따라 감소합니다. 의학 분야에서는 새로운 피부 세포를 상처 부위로 유인하기 위해 콜라겐을 콜라겐 상처 드레싱에 사용할 수 있습니다.
콜라겐은 재흡수될 수 있으므로 보충제와 의약품에 널리 사용됩니다. 이는 콜라겐이 분해되고 변환된 후 체내로 다시 흡수될 수 있음을 의미합니다. 또한 압축된 고체나 격자형 겔로 성형할 수도 있습니다. 다양한 기능과 체내에 자연적으로 존재한다는 특성 덕분에 임상적으로 활용 범위가 넓고 다양한 의료 목적에 적합합니다. 의료용 콜라겐은 소, 돼지, 양 및 해양 생물에서 얻을 수 있습니다.
동물에서 콜라겐을 분리하는 주요 방법에는 염석법, 알칼리법, 산법 및 효소법의 네 가지가 있습니다.
고품질 콜라겐을 생산할 때는 산법과 효소법을 병용하는 경우가 가장 많습니다. 콜라겐의 일부는 산 가용성 콜라겐(ASC)이고 다른 일부는 펩신 가용성 콜라겐(PSC)이므로, 산 처리 후 펩신을 이용한 효소 추출을 수행합니다. 산을 이용한 콜라겐 추출에는 클로로아세트산, 구연산 또는 젖산과 같은 유기산을 사용합니다. 산을 이용한 콜라겐 추출 공정의 잔류 물질에서 펩신 가용성 콜라겐(PSC)을 방출시키기 위해, 용해되지 않은 물질을 효소인 펩신으로 처리하여 펩신 가용성 콜라겐(PSC)을 분리합니다. PSC는 일반적으로 0.5M 아세트산과 함께 사용됩니다. 펩신은 단백질 사슬의 N-말단과 비나선형 펩타이드를 절단하여 콜라겐 구조를 유지할 수 있으므로 흔히 사용되는 효소입니다.
콜라겐은 영양 보충제(뉴트라슈티컬), 화장품 및 의약품에 사용됩니다. 포유류 및 해양(어류) 콜라겐은 시중에서 판매되며 어떤 수량으로도 구매할 수 있습니다. 해파리 콜라겐은 인체 생체적합성이 있으며 포유류에서 유래하지 않는(질병이 없는) 새로운 형태의 콜라겐입니다. 해파리 콜라겐은 특정 콜라겐 유형(I–V형) 중 어느 하나와도 일치하지 않지만, I형, II형 및 V형 콜라겐의 다양한 특성을 나타냅니다.
당단백질
당단백질은 세균부터 인간에 이르기까지 많은 생물에서 발견되며 다양한 기능을 합니다. 짧은 올리고당 사슬을 가진 이 단백질은 여러 세포 활동에서 호르몬, 바이러스 및 기타 물질에 의한 세포 표면 인식에 관여합니다. 또한 세포 표면 항원은 세포외 기질 성분, 위장관 및 비뇨생식관의 뮤신 분비로 기능합니다. 알부민, 분비 효소 및 단백질을 제외한 혈장 내 거의 모든 구형 단백질은 당단백질 구조를 가지고 있습니다. 세포막은 단백질, 지질 및 탄수화물 분자로 구성되어 있습니다. 한편, 세포막에서 당단백질의 역할은 단백질의 수와 분포에 영향을 미칩니다. 이 단백질은 막에서 물질로의 전이에 관여합니다. 당지질과 당단백질의 수와 분포는 세포 특이성을 부여합니다.
당단백질은 세포 인식, 세포막의 선택적 투과성 및 호르몬 흡수를 담당합니다. 당단백질의 탄수화물 부분에는 7가지 주요 단당류 유형이 있습니다. 이러한 단당류는 서로 다른 배열과 결합 구조로 결합하여 수많은 탄수화물 사슬 구조를 형성합니다. 하나의 당단백질은 단일 N-결합 올리고당 구조를 포함할 수도 있고, 한 가지를 초과하는 유형의 올리고당을 포함할 수도 있습니다. N-결합 올리고당은 구조가 같거나 다를 수 있으며, O-결합 올리고당 내에도 존재할 수 있습니다. 올리고당 사슬의 수는 단백질과 기능에 따라 달라집니다.
당질층의 구성 요소인 당단백질에 포함된 시알산은 세포 인식에 중요한 역할을 합니다. 어떤 이유로든 시알산이 파괴되면 막의 당질층 구조가 손상되어 세포는 정해진 기능 대부분을 수행할 수 없게 됩니다. 또한 일부 구조 당단백질도 있습니다. 여기에는 피브로넥틴, 라미닌, 태아 피브로넥틴이 있으며, 이들은 모두 체내에서 서로 다른 역할을 합니다. 또한 진핵생물의 당단백질에는 주로 육탄당과 아미노육탄당 유형의 일부 단당류가 존재합니다. 이들은 단백질 접힘을 돕고 단백질의 안정성을 높일 수 있으며, 세포 신호 전달에 관여합니다.