Ultradźwiękowa ekstrakcja kolagenu
- Kolagen jest bogaty w białka i jest szeroko stosowany w wielu zastosowaniach przemysłowych, np. w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, dodatkach itp.
- Sonikację można łatwo połączyć z enzymatyczną lub kwasową ekstrakcją kolagenu.
- Wdrożenie ultradźwięków do procesu ekstrakcji kolagenu skutkuje wyższą wydajnością i szybszą ekstrakcją.
Wpływ ultradźwięków na ekstrakcję kolagenu
Ultradźwięki o wysokiej intensywności są szeroko stosowane w celu poprawy przenoszenia masy w procesach mokrych, np. ekstrakcji, sonochemii itp. Ekstrakcja (znana również jako izolacja kolagenu) kolagenu może być znacznie poprawiona przez obróbkę ultradźwiękową. Sonikacja pomaga podczas rozszczepiania substratu kolagenowego, otwiera włókna kolagenowe, ułatwiając w ten sposób hydrolizę enzymatyczną lub obróbkę kwasem.
Ekstrakcja enzymatyczna wspomagana ultradźwiękami
Sonikacja jest znana ze swojej zdolności do zwiększania aktywności enzymu. Efekt ten opiera się na ultradźwiękowej dyspersji i deaglomeracji agregatów pepsyny. Jednorodnie zdyspergowane enzymy oferują zwiększoną powierzchnię do przenoszenia masy, co jest skorelowane z wyższą aktywnością enzymu. Ponadto silne fale ultradźwiękowe otwierają włókna kolagenowe, dzięki czemu kolagen jest uwalniany.
Ultradźwiękowa ekstrakcja pepsyny: Pepsyna w połączeniu z ultradźwiękami zwiększa wydajność kolagenu do ok. 124% i znacznie skraca czas ekstrakcji w porównaniu z konwencjonalną hydrolizą pepsyną. Analiza dichroizmu kołowego, mikroskopia sił atomowych i FTIR wykazały, że struktura potrójnej helisy ekstrahowanego kolagenu nie została naruszona przez sonikację i pozostała nienaruszona. (Li et al. 2009) To sprawia, że ultradźwiękowo wspomagana ekstrakcja pepsyny jest wysoce praktyczna dla przemysłu spożywczego, oferując zwiększone wskaźniki odzysku białka w znacznie krótszym czasie przetwarzania.
W badaniu porównawczym ekstrakcji ultradźwiękowej i nieultradźwiękowej kolagenu ze ścięgna bydlęcego, obróbka ultradźwiękowa (20 kHz, tryb impulsowy 20/20 sek.) przekonała wyższą wydajnością i wydajnością. Konwencjonalną ekstrakcję przeprowadzono za pomocą pepsyny w kwasie octowym przez 48 godzin. Ekstrakcję ultradźwiękową przeprowadzono w tych samych warunkach, ale czasy ekspozycji na sonikację (od 3 do 24 godzin) i pepsynę (od 24 do 45 godzin) były zróżnicowane, co dało łącznie 48 godzin leczenia. Ekstrakcja ultradźwiękowo-pepsyną wykazała wyższą skuteczność ekstrakcji kolagenu, osiągając wydajność 6,2%, podczas gdy konwencjonalna wydajność ekstrakcji wynosiła 2,4%. Najlepsze wyniki osiągnięto przy ultradźwiękowym czasie ekstrakcji wynoszącym 18 godzin. Ekstrahowany kolagen wykazywał nieuszkodzoną ciągłą strukturę helisy, dobrą rozpuszczalność i dość wysoką stabilność termiczną. oznacza to, że ekstrakcja ultradźwiękowo-pepsyną poprawiła wydajność ekstrakcji naturalnego kolagenu bez uszkadzania jakości powstałego kolagenu. (Ran i Wang 2014)

Ekstrakcja kwasem wspomagana ultradźwiękami
W badaniu przeprowadzonym przez Kim et al. (2012), ekstrakcja rozpuszczalnego w kwasie kolagenu ze skóry japońskiego okonia morskiego (Lateolabrax japonicus) wykazała zwiększoną wydajność i skrócony czas ekstrakcji po obróbce ultradźwiękowej przy częstotliwości 20 kHz w 0,5 M kwasie octowym. Ekstrakcja ultradźwiękami nie zmieniła głównych składników kolagenu, w szczególności łańcuchów α1, α2 i β.
Ultradźwiękowa ekstrakcja białka ze skorupek jaj
Hydrolizaty enzymatyczne poddane wstępnej obróbce ultradźwiękowej miały lepsze właściwości funkcjonalne. W przypadku ekstrakcji ultradźwiękowej funkcjonalnych hydrolizatów białkowych ze skorupy jaja kurzego, rozpuszczalność, emulgowanie, pienienie i właściwości zatrzymywania wody ulegają poprawie.
Błona skorupek jaj jest bogatym zasobem naturalnym i składa się z około 64 białek, w tym kolagenu typu I, V i X, lizozymu, osteopontyny i sialoproteiny. To sprawia, że skorupki jaj są interesującym surowcem do ekstrakcji białek. Dzięki ekstrakcji ultradźwiękowej uwalnianie białka i funkcjonalność można znacznie poprawić, co skutkuje szybkim, wydajnym i ekonomicznym procesem.

Procesy ultradźwiękowe: Od laboratorium do Przemysł Skala
Ekstrakcja alkaliczna wspomagana ultradźwiękami
do ekstrakcji i solubilizacji tych białek
W przypadku ekstrakcji białka z błony skorupy jaja kurzego, obróbka ultradźwiękowo-alkaliczna spowodowała uzyskanie rozpuszczonego białka o wydajności zbliżonej do 100% całkowitego białka błony skorupy jaja kurzego. Kawitacja ultradźwiękowa oderwała większe grudki białka od błony skorupy jaja i ułatwiła solubilizację jego związków. Struktura i właściwości białka 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 wysuszone na powietrzu skóry mintaja poddano działaniu zimnych roztworów soli, zasad i kwasów w celu oddzielenia tkanki kolagenowej i ekstrakcji żelatyny poprzez denaturację kolagenu w temperaturze 45°C przez cztery godziny z zastosowaniem ultradźwięków jako środka wspomagającego przetwarzanie. Oceniono wydajność żelatyny, pH, klarowność, wytrzymałość żelu i właściwości lepkosprężyste, a także rozkład masy cząsteczkowej określony metodą PAGE-SDS. Jako kontrolę zastosowano żelatynę ekstrahowaną w łaźni wodnej w temperaturze 45°C przez cztery godziny. Obróbka ultradźwiękowa mocy zwiększyła wydajność ekstrakcji o 11,1% w porównaniu z kontrolą, podczas gdy wytrzymałość żelu spadła o 7%. Temperatura żelowania była również niższa w żelatynie ekstrahowanej ultradźwiękami (4,2 ° C). To zachowanie jest związane z różnicami w rozkładzie masy cząsteczkowej cewek polipeptydowych w żelatynach. Ekstrakcja ultradźwiękowa mocy może być wykorzystana do zwiększenia ekstrakcji żelatyny z mrożonych i suszonych powietrzem skór rybich. (Olson et al. 2005)
przemysłowe systemy ultradźwiękowe
Hielscher Ultrasonics dostarcza wydajne systemy ultradźwiękowe od laboratoryjnych po stacjonarne i przemysłowe. Aby zapewnić optymalną wydajność ekstrakcji, niezawodna sonikacja w wymagających warunkach może być wykonywana w sposób ciągły. Wszystkie przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.
Skontaktuj się z nami już dziś i przedstaw swoje wymagania procesowe! Z przyjemnością polecimy Ci odpowiedni system ultradźwiękowy dla Twojego procesu!

Homogenizatory ultradźwiękowe o dużej mocy firmy Hielscher są dostępne dla każdej skali procesu – od laboratorium do produkcji.
Literatura/Referencje
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Zoptymalizowany odzysk białka z całych ryb makreli przy użyciu sekwencyjnej ekstrakcji kwasowo-alkalicznej izoelektrycznej solubilizacji (ISP) wspomaganej ultradźwiękami. LWT – Food Science and Technology Vol. 88, luty 2018. 210-216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Optymalizacja ekstrakcji funkcjonalnych hydrolizatów białkowych z membrany skorupy jaja kurzego (ESM) za pomocą ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami (UAE) i hydrolizy enzymatycznej. LWT – Food Science and Technology Vol. 69, czerwiec 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 okonia morskiego Lateolabrax japonicus. Fisheries Science Volume 78, Issue 78; 2013. 485-490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Promieniowanie ultradźwiękowe w enzymatycznej ekstrakcji kolagenu. Ultradźwięki Sonochemia Tom 16, Wydanie 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 mocy jako pomoc w przetwarzaniu do ekstrakcji żelatyny rybnej. Streszczenie spotkania nr 71C-26. IFT doroczne spotkanie. Lipiec 2005. Nowy Orlean, LA.
- Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): Zastosowanie obróbki ultradźwiękowej i pepsyny w tandemie 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 jedwabiu Bombyx mori i czasu ekstrakcji na molekularne i biologiczne właściwości serycyny. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Vol. 80, Iss. 2, 2016. 241-249.
- Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): Ekstrakcja kolagenu z rybich łusek z papainą w ultradźwiękowej obróbce wstępnej. Advanced Materials Research, tom 366, 2011. 421-424.
Fakty, które warto znać
kolagen
Kolagen jest głównym białkiem strukturalnym w przestrzeni pozakomórkowej w różnych tkankach łącznych w ciałach zwierząt. Jako główny składnik tkanki łącznej, jest najobficiej występującym białkiem u ssaków[1], stanowiąc od 25% do 35% zawartości białka w całym organizmie. Kolagen składa się z aminokwasów zwiniętych razem w potrójne helisy, tworząc wydłużone włókna. Największe ilości kolagenu występują w tkankach włóknistych, takich jak ścięgna, więzadła i skóra. Wyróżnia się trzy rodzaje kolagenu:
Kolagen typu I: zapewnia 90% białka w skórze, włosach, paznokciach, narządach, kościach, więzadłach
Kolagen typu II: dostarcza 50-60% białka w chrząstce, 85-90% kolagenu w chrząstce stawowej
Kolagen typu III: dostarcza białka do białek włóknistych w kościach, chrząstkach, 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 są głównymi składnikami skóry, mięśni, kości, włosów i paznokci. Są one niezbędne dla ich zdrowia, wzrostu i odbudowy. Kolagen typu II występuje głównie w chrząstkach i stawach.
Kolagen typu I i III zawiera 19 aminokwasów, które są uważane za niezbędne aminokwasy. Są one wytwarzane przez fibroblasty (komórki tkanki łącznej) i osteoblasty (komórki wytwarzające kości). Najważniejsze białka w kolagenie typu I i III obejmują glicynę, prolinę, alaninę i hydroksyprolinę. Typ III jest włóknistą skleroproteiną.
Glicyna jest aminokwasem o najwyższej zawartości w kolagenie. Prolina jest aminokwasem nieistotnym, który może być syntetyzowany z glicyny i przyczynia się do budowy stawów i ścięgien. Hydroksyprolina to aminokwas, 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 uwięzienie proteoglikanów. Ponadto zapewnia tkance wytrzymałość na rozciąganie.
Źródła i zastosowania
Kolagen to włókniste białko, które jest obficie obecne w tkance łącznej ssaków, np. bydła i świń. Większość kolagenu jest ekstrahowana
ze skór i kości wieprzowych oraz bydlęcych. Alternatywnym źródłem pozyskiwania kolagenu są ryby i ptactwo. Kolagen jest szeroko stosowany między innymi w żywności, suplementach diety, farmaceutykach i kosmetykach. Ekstrakcja kolagenu jest rozwijającym się biznesem, ponieważ białko to może zastąpić syntetyczne środki w różnych procesach przemysłowych.