Extração ultrassónica de colagénio
- O colagénio é rico em proteínas e é amplamente utilizado em diversas aplicações industriais, por exemplo, na alimentação, na indústria farmacêutica, em aditivos, etc.
- A sonicação pode ser facilmente combinada com a extração enzimática ou ácida de colagénio.
- A implementação de ultrassons no processo de extração de colagénio resulta em rendimentos mais elevados e numa extração mais rápida.
Efeitos dos ultrassons na extração de colagénio
Os ultrassons de alta intensidade são amplamente utilizados para melhorar a transferência de massa em processos por via húmida, por exemplo, extração, sonoquímica, etc. A extração de colagénio (também conhecida como isolamento de colagénio) pode ser significativamente melhorada pelo tratamento ultrassónico. A sonicação auxilia a clivagem do substrato de colagénio e abre as fibrilhas de colagénio, facilitando assim a hidrólise enzimática ou o tratamento ácido.
Extração enzimática assistida por ultrassons
A sonicação é conhecida pela sua capacidade de aumentar a atividade enzimática. Este efeito baseia-se na dispersão ultrassónica e na desaglomeração dos agregados de pepsina. As enzimas dispersas homogeneamente oferecem uma maior superfície para a transferência de massa, o que está correlacionado com uma maior atividade enzimática. Além disso, as potentes ondas ultrassónicas abrem as fibrilhas de colagénio, permitindo a libertação do colagénio.
Extração com pepsina e ultrassons: A pepsina combinada com a ultrassonicação aumenta o rendimento de colagénio até aproximadamente 124% e reduz significativamente o tempo de extração em comparação com a hidrólise convencional com pepsina. A análise por dicroísmo circular, a microscopia de força atómica e a FTIR demonstraram que a estrutura de tripla hélice do colagénio extraído não foi afetada pela sonicação e permaneceu intacta. (Li et al. 2009) Isto torna a extração com pepsina assistida por ultrassons altamente prática para a indústria alimentar, oferecendo taxas de recuperação de proteínas mais elevadas num tempo de processamento significativamente mais curto.
Num estudo comparativo da extração de colagénio de tendão bovino com e sem ultrassons, o tratamento ultrassónico (20kHz, modo pulsado 20/20 sec.) destacou-se pelo maior rendimento e eficiência. A extração convencional foi realizada com pepsina em ácido acético durante 48 horas. A extração ultrassónica foi realizada nas mesmas condições, mas os tempos de exposição à sonicação (3 a 24 h) e à pepsina (24 a 45 horas) foram variados, resultando num total de 48 horas de tratamento. A extração com ultrassons e pepsina apresentou uma eficiência superior na extração de colagénio, atingindo um rendimento de 6,2%, enquanto o rendimento da extração convencional foi de 2,4%. Os melhores resultados foram obtidos com um tempo de extração ultrassónica de 18 h. O colagénio extraído apresentou uma estrutura helicoidal contínua sem danos, boa solubilidade e uma estabilidade térmica bastante elevada. Isto significa que a extração com ultrassons e pepsina melhorou a eficiência da extração de colagénio natural sem prejudicar a qualidade do colagénio resultante. (Ran and Wang 2014)
Extração ácida assistida por ultrassons
Num estudo de Kim et al. (2012), a extração de colagénio solúvel em ácido da pele de robalo-japonês (Lateolabrax japonicus) apresentou um aumento do rendimento e uma redução do tempo de extração após tratamento ultrassónico a uma frequência de 20 kHz em ácido acético 0,5 M. A extração com ultrassons não alterou os principais componentes do colagénio, mais especificamente as cadeias α1, α2 e β.
Extração ultrassónica de proteínas de cascas de ovo
Os hidrolisados enzimáticos submetidos a pré-tratamento ultrassónico apresentaram melhores propriedades funcionais. Na extração ultrassónica de hidrolisados proteicos funcionais de casca de ovo de galinha, melhoram-se a solubilidade e as propriedades emulsionantes, espumantes e de retenção de água.
A membrana da casca de ovo é um recurso natural abundante e é constituída por cerca de 64 proteínas, incluindo colagénio dos tipos I, V e X, lisozima, osteopontina e sialoproteína. Isto torna as cascas de ovo uma matéria-prima interessante para a extração de proteínas. Com a extração ultrassónica, a libertação e a funcionalidade das proteínas podem ser significativamente melhoradas, resultando num processo rápido, eficiente e económico.
Processos ultrassónicos: Do laboratório à indústria em termos de escala
Extração alcalina assistida por ultrassons
para extrair e solubilizar estas proteínas
Na extração de proteínas da membrana da casca de ovo, o tratamento alcalino com ultrassons resultou num rendimento de proteína solubilizada próximo de 100% da proteína total da membrana da casca de ovo. A cavitação ultrassónica desprendeu aglomerados maiores de proteínas da membrana da casca de ovo e facilitou a solubilização dos seus compostos. A estrutura e as propriedades das proteínas não foram danificadas pela sonicação e permaneceram intactas. As propriedades antioxidantes das proteínas foram iguais no tratamento alcalino assistido por ultrassons e na extração convencional.
Extração ultrassónica de gelatina
Peles de escamudo congeladas e secas ao ar foram tratadas com soluções salinas frias, alcalinas e ácidas para separar o tecido de colagénio e extrair gelatina por desnaturação do colagénio a 45°C durante quatro horas, com um tratamento por ultrassons de potência como auxiliar de processamento. Foram avaliados o rendimento de gelatina, o pH, a limpidez, a resistência do gel e as propriedades viscoelásticas, bem como a distribuição do peso molecular determinada pelo método PAGE-SDS. A gelatina extraída num banho de água a 45°C durante quatro horas foi utilizada como controlo. O tratamento por ultrassons de potência aumentou o rendimento de extração em 11,1% em comparação com o controlo, enquanto a resistência do gel diminuiu 7%. A temperatura de gelificação também foi mais baixa na gelatina extraída com ultrassons (4,2°C). Este comportamento está relacionado com diferenças na distribuição do peso molecular das cadeias polipeptídicas enroladas nas gelatinas. A extração por ultrassons de potência pode ser utilizada para aumentar a extração de gelatina de peles de peixe congeladas e secas ao ar. (Olson et al. 2005)
Sistemas ultrassónicos industriais
A Hielscher Ultrasonics fornece sistemas ultrassónicos potentes, desde a escala laboratorial até à escala de bancada e industrial. Para garantir resultados ótimos de extração, pode realizar-se uma sonicação fiável e contínua em condições exigentes. Todos os processadores ultrassónicos industriais podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes até 200µm podem ser facilmente mantidas de forma contínua em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço intensivo e em ambientes exigentes.
Contacte-nos hoje com os requisitos do seu processo! Teremos todo o gosto em recomendar-lhe um sistema ultrassónico adequado ao seu processo!
Os homogeneizadores ultrassónicos de alta potência da Hielscher estão disponíveis para qualquer escala de processo – do laboratório à produção.
Bibliografia/Referências
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Recuperação otimizada de proteínas de cavalas inteiras utilizando extração sequencial por solubilização e precipitação isoelétrica ácida/alcalina (ISP) assistida por ultrassons. LWT – Food Science and Technology Vol. 88, fevereiro de 2018. 210–216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Otimização da extração de hidrolisados proteicos funcionais da membrana da casca de ovo de galinha (ESM) por extração assistida por ultrassons (UAE) e hidrólise enzimática. LWT – Food Science and Technology Vol. 69, junho de 2016. 295–302.
- Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, N.H. (2012): Efeitos do tratamento ultrassónico na extração de colagénio de peles do robalo Lateolabrax japonicus. Fisheries Science Volume 78, Número 78; 2013. 485–490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Irradiação ultrassónica na extração enzimática de colagénio. Ultrasonics Sonochemistry Volume 16, Número 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): Avaliação dos ultrassons de potência como auxiliar de processamento na extração de gelatina de peixe. Resumo de comunicação n.º 71C-26. Reunião Anual do IFT. Julho de 2005. New Orleans, LA.
- Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): Utilização conjunta do tratamento com ultrassons e pepsina para a extração de colagénio de subprodutos da indústria da carne. 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): Processo de extração de colagénio. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913–922.
- Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Efeitos da estirpe de Bombyx mori utilizada na produção de seda e do tempo de extração nas características moleculares e biológicas da sericina. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Vol. 80 , Número 2, 2016. 241–249.
- Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): Extração de colagénio de escamas de peixe com papaína sob pré-tratamento ultrassónico. Advanced Materials Research, Volume 366, 2011. 421–424.
Informações úteis
Colagénio
O colagénio é a principal proteína estrutural no espaço extracelular dos vários tecidos conjuntivos dos organismos animais. Como principal componente do tecido conjuntivo, é a proteína mais abundante nos mamíferos,[1] constituindo de 25% a 35% do teor proteico de todo o organismo. O colagénio é constituído por aminoácidos enrolados uns nos outros em triplas hélices, formando fibrilhas alongadas. As maiores quantidades de colagénio estão presentes em tecidos fibrosos, como tendões, ligamentos e pele. Distinguem-se três tipos de colagénio:
Colagénio de tipo I: fornece 90% das proteínas da pele, do cabelo, das unhas, dos órgãos, dos ossos e dos ligamentos
Colagénio de tipo II: fornece 50–60% das proteínas da cartilagem e 85–90% do colagénio da cartilagem articular
Colagénio de tipo III: fornece proteínas à proteína fibrosa dos ossos, da cartilagem, da dentina, dos tendões e de outros tecidos conjuntivos
O colagénio no organismo
Cada um dos três tipos de colagénio é composto por diferentes proteínas que desempenham diferentes funções no organismo. Os tipos I e III de colagénio são ambos componentes principais da pele, dos músculos, dos ossos, do cabelo e das unhas. São necessários para a sua saúde, crescimento e regeneração. O colagénio de tipo II encontra-se sobretudo na cartilagem e nas articulações.
Os colagénios dos tipos I e III contêm ambos 19 aminoácidos que são considerados aminoácidos essenciais. São produzidos por fibroblastos (células dos tecidos conjuntivos) e osteoblastos (células que formam os ossos). As proteínas mais importantes nos colagénios dos tipos I e III incluem glicina, prolina, alanina e hidroxiprolina. O tipo III é uma escleroproteína fibrosa.
A glicina é o aminoácido presente em maior quantidade no colagénio. A prolina é um aminoácido não essencial, que pode ser sintetizado a partir da glicina e contribui para as articulações e os tendões. A hidroxiprolina é um aminoácido que contribui para a estabilidade do colagénio. A alanina é um aminoácido importante para a biossíntese de proteínas.
Tal como os tipos I e III, o colagénio de tipo II forma fibrilhas. Esta rede fibrilhar de colagénio é importante na cartilagem, pois permite a retenção de proteoglicanos. Além disso, confere resistência à tração ao tecido.
Fontes e utilizações
O colagénio é uma proteína fibrosa que está abundantemente presente no tecido conjuntivo dos mamíferos, por exemplo, bovinos e suínos. A maior parte do colagénio é extraída
de peles e ossos de suínos e de fontes bovinas. Os peixes e as aves são uma fonte alternativa para a extração de colagénio. O colagénio é amplamente utilizado em alimentos, suplementos alimentares, produtos farmacêuticos/médicos e cosméticos, entre outros produtos. A extração de colagénio é um negócio em crescimento, uma vez que esta proteína pode substituir agentes sintéticos em vários processos industriais.