Ultradźwiękowa ekstrakcja kolagenu
- Kolagen jest bogaty w białka i jest szeroko stosowany w licznych zastosowaniach przemysłowych, np. w żywności, farmacji, dodatkach itp.
- Sonikację można łatwo połączyć z enzymatyczną lub kwasową ekstrakcją kolagenu.
- Wprowadzenie ultradźwięków do procesu ekstrakcji kolagenu skutkuje wyższą wydajnością i szybszą ekstrakcją.
Wpływ ultradźwięków na ekstrakcję kolagenu
Ultradźwięki o wysokiej intensywności są szeroko stosowane do poprawy przenoszenia masy w procesach mokrych, np. w ekstrakcji, sonochemii itp. Ekstrakcję kolagenu (znaną również jako izolacja kolagenu) można znacznie usprawnić za pomocą obróbki ultradźwiękowej. Sonikacja wspomaga rozszczepianie substratu kolagenowego i rozluźnia fibryle kolagenowe, ułatwiając w ten sposób hydrolizę enzymatyczną lub obróbkę kwasową.
Ekstrakcja enzymatyczna wspomagana ultradźwiękami
Sonikacja jest znana ze swojej zdolności do zwiększania aktywności enzymów. Efekt ten opiera się na ultradźwiękowym dyspergowaniu i deaglomeracji agregatów pepsyny. Jednorodnie zdyspergowane enzymy zapewniają większą powierzchnię przenoszenia masy, co jest skorelowane z wyższą aktywnością enzymatyczną. Ponadto silne fale ultradźwiękowe rozluźniają fibryle kolagenowe, dzięki czemu kolagen jest uwalniany.
Ultradźwiękowa ekstrakcja z użyciem pepsyny: Pepsyna w połączeniu z sonikacją zwiększa wydajność ekstrakcji kolagenu do ok. 124% i znacznie skraca czas ekstrakcji w porównaniu z konwencjonalną hydrolizą pepsynową. Analiza dichroizmu kołowego, mikroskopia sił atomowych i FTIR wykazały, że sonikacja nie wpłynęła na strukturę potrójnej helisy wyekstrahowanego kolagenu, która pozostała nienaruszona. (Li i in. 2009) Dzięki temu ekstrakcja z użyciem pepsyny wspomagana ultradźwiękami jest bardzo praktyczna dla przemysłu spożywczego, zapewniając większy stopień odzysku białka w znacznie krótszym czasie przetwarzania.
W badaniu porównującym ultradźwiękową i nieultradźwiękową ekstrakcję kolagenu ze ścięgna bydlęcego obróbka ultradźwiękowa (20kHz, tryb impulsowy 20/20 sec.) wykazała wyższą wydajność i efektywność. Konwencjonalną ekstrakcję prowadzono z użyciem pepsyny w kwasie octowym przez 48 godzin. Ekstrakcję ultradźwiękową prowadzono w tych samych warunkach, lecz zmieniano czas ekspozycji na sonikację (od 3 do 24 h) i pepsynę (od 24 do 45 godzin), uzyskując łącznie 48 godzin obróbki. Ekstrakcja z użyciem ultradźwięków i pepsyny wykazała wyższą efektywność ekstrakcji kolagenu, osiągając wydajność 6,2%, podczas gdy wydajność konwencjonalnej ekstrakcji wynosiła 2,4%. Najlepsze wyniki uzyskano przy czasie ekstrakcji ultradźwiękowej wynoszącym 18 h. Wyekstrahowany kolagen wykazywał nieuszkodzoną, ciągłą strukturę helikalną, dobrą rozpuszczalność i dość wysoką stabilność termiczną. Oznacza to, że ekstrakcja z użyciem ultradźwięków i pepsyny poprawiła efektywność ekstrakcji naturalnego kolagenu bez pogorszenia jakości otrzymanego kolagenu. (Ran i Wang 2014)
Ekstrakcja kwasowa wspomagana ultradźwiękami
W badaniu Kim i in. (2012) ekstrakcja kolagenu rozpuszczalnego w kwasie ze skóry labraksa japońskiego (Lateolabrax japonicus) wykazała zwiększoną wydajność i skrócony czas ekstrakcji po obróbce ultradźwiękowej przy częstotliwości 20 kHz w 0,5 M kwasie octowym. Ekstrakcja z użyciem ultradźwięków nie zmieniła głównych składników kolagenu, a konkretnie łańcuchów α1, α2 i β.
Ultradźwiękowa ekstrakcja białka ze skorupek jaj
Hydrolizaty enzymatyczne poddane ultradźwiękowej obróbce wstępnej miały lepsze właściwości funkcjonalne. W przypadku ultradźwiękowej ekstrakcji funkcjonalnych hydrolizatów białkowych ze skorupek jaj kurzych poprawiają się rozpuszczalność, zdolność emulgowania, zdolność tworzenia piany i zdolność zatrzymywania wody.
Błona skorupki jaja jest obficie dostępnym zasobem naturalnym i składa się z około 64 białek, w tym kolagenu typu I, V i X, lizozymu, osteopontyny i sialoproteiny. Dzięki temu skorupki jaj stanowią interesujący surowiec do ekstrakcji białek. Ekstrakcja ultradźwiękowa może znacznie poprawić uwalnianie białek i ich funkcjonalność, zapewniając szybki, wydajny i ekonomiczny proces.
Procesy ultradźwiękowe: od laboratorium do skali przemysłowej
Ekstrakcja alkaliczna wspomagana ultradźwiękami
w celu ekstrakcji i solubilizacji tych białek
W przypadku ekstrakcji białka z błony skorupki jaja obróbka ultradźwiękowo-alkaliczna pozwoliła uzyskać wydajność solubilizowanego białka bliską 100% całkowitej zawartości białka w błonie skorupki jaja. Kawitacja ultradźwiękowa odrywała większe skupiska białek od błony skorupki jaja i ułatwiała solubilizację jej składników. Struktura i właściwości białek nie zostały uszkodzone przez sonikację i pozostały nienaruszone. Właściwości przeciwutleniające białek były takie same w przypadku obróbki alkalicznej wspomaganej ultradźwiękami i konwencjonalnej ekstrakcji.
Ultradźwiękowa ekstrakcja żelatyny
Zamrożone i suszone na powietrzu skóry mintaja poddano działaniu zimnych roztworów soli, roztworów alkalicznych i kwasowych w celu oddzielenia tkanki kolagenowej i ekstrakcji żelatyny poprzez denaturację kolagenu w temperaturze 45°C przez cztery godziny, z wykorzystaniem obróbki ultradźwiękami dużej mocy jako czynnika wspomagającego proces. Oceniano wydajność żelatyny, pH, klarowność, wytrzymałość żelu i właściwości lepkosprężyste, a także rozkład mas cząsteczkowych określony metodą PAGE-SDS. Żelatynę ekstrahowaną w łaźni wodnej w temperaturze 45°C przez cztery godziny wykorzystano jako próbę kontrolną. Obróbka ultradźwiękami dużej mocy zwiększyła wydajność ekstrakcji o 11,1% w porównaniu z próbą kontrolną, podczas gdy wytrzymałość żelu zmniejszyła się o 7%. Temperatura żelowania była również niższa w przypadku żelatyny ekstrahowanej ultradźwiękowo (4,2°C). Zachowanie to jest związane z różnicami w rozkładzie mas cząsteczkowych kłębków polipeptydowych w żelatynach. Ekstrakcję ultradźwiękami dużej mocy można stosować w celu zwiększenia ekstrakcji żelatyny z zamrożonych i suszonych na powietrzu skór ryb. (Olson i in. 2005)
Przemysłowe systemy ultradźwiękowe
Hielscher Ultrasonics dostarcza systemy ultradźwiękowe dużej mocy w skali laboratoryjnej, stołowej i przemysłowej. Aby zapewnić optymalną wydajność ekstrakcji, niezawodna sonikacja w wymagających warunkach może być prowadzona w sposób ciągły. Wszystkie przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w sposób ciągły podczas pracy w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do indywidualnych wymagań. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach.
Skontaktuj się z nami już dziś i przedstaw wymagania swojego procesu! Chętnie polecimy odpowiedni system ultradźwiękowy do Twojego procesu!
Homogenizatory ultradźwiękowe dużej mocy Hielscher są dostępne dla każdej skali procesu – od laboratorium po produkcję.
Literatura / źródła
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Zoptymalizowany odzysk białka z całych makreli z zastosowaniem sekwencyjnej kwasowej/alkalicznej ekstrakcji metodą izoelektrycznej solubilizacji i wytrącania (ISP) wspomaganej ultradźwiękami. LWT – Food Science and Technology, tom 88, February 2018. 210–216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Optymalizacja ekstrakcji funkcjonalnych hydrolizatów białkowych z błony skorupki jaja kurzego (ESM) za pomocą ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami (UAE) i hydrolizy enzymatycznej. LWT – Food Science and Technology, tom 69, June 2016. 295–302.
- Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, N.H. (2012): Wpływ obróbki ultradźwiękowej na ekstrakcję kolagenu ze skór labraksa Lateolabrax japonicus. Fisheries Science, tom 78, numer 78; 2013. 485–490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Oddziaływanie ultradźwięków w enzymatycznej ekstrakcji kolagenu. Ultrasonics Sonochemistry, tom 16, numer 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): Ocena ultradźwięków dużej mocy jako czynnika wspomagającego proces ekstrakcji żelatyny rybnej. Streszczenie konferencyjne nr 71C-26. Doroczna konferencja IFT. July 2005. Nowy Orlean, LA.
- Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): Łączne zastosowanie obróbki ultradźwiękowej i pepsynowej do ekstrakcji kolagenu z produktów ubocznych przemysłu mięsnego. 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 ekstrakcji kolagenu. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913–922.
- Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Wpływ szczepu jedwabnika Bombyx mori i czasu ekstrakcji na molekularne i biologiczne właściwości serycyny. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, tom 80, numer 2, 2016. 241–249.
- Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): Ekstrakcja kolagenu z łusek ryb z użyciem papainy i ultradźwiękowej obróbki wstępnej. Advanced Materials Research, tom 366, 2011. 421–424.
Warto wiedzieć
Kolagen
Kolagen jest głównym białkiem strukturalnym w przestrzeni pozakomórkowej różnych tkanek łącznych w organizmach zwierząt. Jako główny składnik tkanki łącznej jest najobficiej występującym białkiem u ssaków,[1] stanowiącym od 25% do 35% całkowitej zawartości białka w organizmie. Kolagen składa się z aminokwasów skręconych razem w potrójne helisy, które tworzą wydłużone fibryle. Największe ilości kolagenu występują w tkankach włóknistych, takich jak ścięgna, więzadła i skóra. Wyróżnia się trzy typy kolagenu:
Kolagen typu I: stanowi 90% białka w skórze, włosach, paznokciach, narządach, kościach i więzadłach
Kolagen typu II: stanowi 50–60% białka w chrząstce i 85–90% kolagenu w chrząstce stawowej
Kolagen typu III: dostarcza białka do białka włóknistego w kościach, chrząstce, zębinie, ścięgnach i innych tkankach łącznych
Kolagen w organizmie
Każdy z trzech typów kolagenu składa się z różnych białek, które pełnią różne funkcje w organizmie. Kolageny typu I i III stanowią główne składniki skóry, mięśni, kości, włosów i paznokci. Są one niezbędne do utrzymania ich zdrowia, wzrostu i odbudowy. Kolagen typu II występuje przede wszystkim w chrząstce i stawach.
Zarówno kolagen typu I, jak i kolagen typu III zawierają 19 aminokwasów uznawanych za aminokwasy niezbędne. Są one wytwarzane przez fibroblasty (komórki w tkankach łącznych) i osteoblasty (komórki tworzące kości). Do najważniejszych białek w kolagenie typu I i III należą glicyna, prolina, alanina i hydroksyprolina. Typ III jest włóknistą skleroproteiną.
Glicyna jest aminokwasem występującym w kolagenie w największej ilości. Prolina jest aminokwasem endogennym, który może być syntetyzowany z glicyny i wspomaga stawy oraz ścięgna. Hydroksyprolina jest aminokwasem, który przyczynia się do stabilności kolagenu. Alanina jest aminokwasem ważnym dla biosyntezy białek.
Podobnie jak typ I i III, kolagen typu II tworzy fibryle. Ta fibrylarna sieć kolagenu jest ważna w chrząstce, ponieważ umożliwia zatrzymywanie proteoglikanów. Ponadto zapewnia tkance wytrzymałość na rozciąganie.
Źródła i zastosowania
Kolagen jest białkiem włóknistym, które obficie występuje w tkance łącznej ssaków, np. bydła i świń. Większość kolagenu ekstrahuje się
ze skór i kości świń oraz ze źródeł bydlęcych. Alternatywnym źródłem do ekstrakcji kolagenu są ryby i ptactwo. Kolagen jest szeroko stosowany między innymi w żywności, suplementach diety, produktach farmaceutycznych i medycznych oraz kosmetykach. Ekstrakcja kolagenu jest rozwijającą się działalnością, ponieważ białko to może zastępować środki syntetyczne w różnych procesach przemysłowych.