Ультразвуковая экстракция коллагена
- Коллаген богат белками и широко используется в различных отраслях промышленности, например, в пищевой промышленности, фармацевтике, добавках и т. д.
- Ультразвуковую обработку можно легко сочетать с ферментативной или кислотной экстракцией коллагена.
- Внедрение ультразвука в процесс экстракции коллагена приводит к более высокому выходу и более быстрой экстракции.
Ультразвуковое воздействие на экстракцию коллагена
Высокоинтенсивный ультразвук широко используется для улучшения массопереноса во влажных процессах, например, в экстракции, сонохимии и т. д. Экстракция коллагена (также известная как выделение коллагена) может быть значительно улучшена с помощью ультразвукового лечения. Ультразвуковая обработка помогает во время расщепления коллагенового субстрата, раскрывает коллагеновые волокна, тем самым облегчая ферментативный гидролиз или кислотное лечение.
Ультразвуковая ферментативная экстракция
Ультразвуковая обработка известна своей способностью повышать активность ферментов. Этот эффект основан на ультразвуковом диспергировании и деагломерации агрегатов пепсина. Однородно диспергированные ферменты обеспечивают увеличенную поверхность для массопереноса, что коррелирует с более высокой активностью ферментов. Кроме того, мощные ультразвуковые волны открывают коллагеновые фибриллы, чтобы коллаген высвобождался.
Ультразвуковая экстракция пепсином: Пепсин в сочетании с ультразвуком увеличивает выход коллагена примерно до 124% и значительно сокращает время экстракции по сравнению с обычным гидролизом пепсина. Анализ кругового дихроизма, атомно-силовая микроскопия и ИК-Фурье спектрометрия доказали, что структура тройной спирали экстрагированного коллагена не подверглась ультразвуковой обработке и осталась нетронутой. (Ли и др. 2009) Это делает ультразвуковую экстракцию пепсина очень практичной для пищевой промышленности, обеспечивая повышенную скорость извлечения белка при значительно более коротком времени обработки.
В сравнительном исследовании ультразвуковой и неультразвуковой экстракции коллагена из бычьего сухожилия ультразвуковое лечение (20 кГц, импульсный режим 20/20 сек.) убедило в более высоком выходе и эффективности. Традиционную экстракцию проводили пепсином в уксусной кислоте в течение 48 часов. Ультразвуковая экстракция проводилась в тех же условиях, но время воздействия ультразвуком (от 3 до 24 часов) и пепсином (от 24 до 45 часов) варьировалось, в результате чего общая продолжительность лечения составила 48 часов. Ультразвуковая экстракция пепсином показала превосходную эффективность экстракции коллагена, достигнув выхода 6,2%, в то время как обычный выход экстракции составлял 2,4%. Наилучшие результаты были достигнуты при ультразвуковой экстракции с использованием 18 ч. Извлеченный коллаген показал неповрежденную непрерывную структуру спирали, хорошую растворимость и достаточно высокую термическую стабильность. Это означает, что ультразвуковая экстракция пепсином повысила эффективность экстракции натурального коллагена без ущерба для качества получаемого коллагена. (Ран и Ван 2014)
Ультразвуковая кислотная экстракция
В исследовании Kim et al. (2012) экстракция кислоторастворимого коллагена из кожи японского морского окуня (Lateolabrax japonicus) показала увеличение выхода и сокращение времени экстракции после ультразвуковой обработки на частоте 20 кГц в 0,5 М уксусной кислоте. Экстракция с помощью ультразвука не изменила основные компоненты коллагена, в частности, α1, α2 и β цепи.
Ультразвуковая экстракция белка из яичной скорлупы
Предварительно обработанные ультразвуком ферментативные гидролизаты обладали лучшими функциональными свойствами. Для ультразвуковой экстракции функциональных белковых гидролизатов из скорлупы куриных яиц улучшаются растворимость, эмульгирующие, пенообразующие и водоудерживающие свойства.
Мембрана яичной скорлупы является богатым природным ресурсом и состоит примерно из 64 белков, включая коллаген I, V и X типов, лизоцим, остеопонтин и сиалопротеин. Это делает яичную скорлупу интересным сырьем для извлечения белков. С помощью ультразвуковой экстракции можно значительно улучшить высвобождение белка и его функциональность, что приводит к быстрому, эффективному и экономичному процессу.
Ультразвуковые процессы: От лаборатория Кому промышленный Шкала
Ультразвуковая экстракция щелочей
для извлечения и солюбилизации этих белков
При экстракции белка из мембраны яичной скорлупы ультразвуковая щелочная обработка привела к получению растворимого белка, близкого к 100% от общего белка мембраны яичной скорлупы. Ультразвуковая кавитация отделяла более крупные белковые комки от мембраны яичной скорлупы и способствовала солюбилизации ее соединений. Структура и свойства белка не были повреждены ультразвуком и остались нетронутыми. Антиоксидантные свойства белков были одинаковыми как при ультразвуковом щелочном лечении, так и при обычной экстракции.
Ультразвуковая экстракция желатином
Замороженные и высушенные на воздухе шкуры минтая обрабатывали холодным физиологическим, щелочным и кислотным растворами для отделения коллагеновой ткани и извлечения желатина путем денатурации коллагена при 45°C в течение четырех часов с помощью мощного ультразвука в качестве вспомогательного средства. Оценивали выход желатина, pH, прозрачность, прочность геля и вязкоупругие свойства, а также распределение молекулярной массы, определенные методом PAGE-SDS. В качестве контроля использовали желатин, экстрагированный на водяной бане при 45°С в течение четырех часов. Ультразвуковая обработка мощностью увеличила выход экстракции на 11,1% по сравнению с контролем, в то время как прочность геля снизилась на 7%. Температура гелеобразования также была ниже в желатине, экстрагированном ультразвуком (4,2°C). Такое поведение связано с различиями в распределении молекулярной массы полипептидных спиралей в желатинах. Мощная ультразвуковая экстракция может быть использована для увеличения экстракции желатина из замороженной и высушенной на воздухе рыбьей кожи. (Олсон и др. 2005)
Промышленные ультразвуковые системы
Hielscher Ultrasonics поставляет мощные ультразвуковые системы от лабораторных до настольных и промышленных масштабов. Для обеспечения оптимальной производительности экстракции можно непрерывно выполнять надежную ультразвуковую обработку в сложных условиях. Все промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечивать очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях эксплуатации и в сложных условиях.
Пожалуйста, свяжитесь с нами сегодня, чтобы сообщить о ваших технологических требованиях! Мы будем рады порекомендовать Вам подходящую ультразвуковую систему для Вашего технологического процесса!
Ультразвуковые гомогенизаторы высокой мощности Hielscher доступны для любого технологического масштаба – От лаборатории до производства.
Литература/Литература
- Альварес, Карлос; Лелу, Полина; Линч, Сара А.; Тивари, Бриджеш К. (2018): Оптимизированное извлечение белка из целой рыбы скумбрии с использованием последовательной экстракции кислотно-щелочной изолюбилизирующей осадки (ISP) с помощью ультразвука. LWT – Пищевая наука и технологии Том 88, февраль 2018 г. 210-216.
- Джайн, Сурангна; Кумар, Анил (2016): Оптимизация экстракции функциональных белковых гидролизатов из мембраны скорлупы куриного яйца (ЭСМ) с помощью ультразвуковой экстракции (ЭМА) и ферментативного гидролиза. LWT – Пищевая наука и технология, том 69, июнь 2016 г. 295-302.
- Ким, Х.К.; Ким, Ю.Х.; Ким, И.Дж.; Парк, Х.Дж.; Ли, Н.Х. (2012): Влияние ультразвуковой обработки на экстракцию коллагена из кожи морского окуня Lateolabrax japonicus. Наука о рыболовстве, том 78, выпуск 78; 2013. 485-490.
- Ли, Дэфу; Му, Чандао; Цай, Сумэй; Лин, Вэй (2016): Ультразвуковое облучение при ферментативной экстракции коллагена. Ультразвуковая сонохимия Том 16, Выпуск 5; 2009. 605-609.
- Олсон, Д.А., Авена Бустильос, Р.Д., Олсен, К.В., Чиу, Б., Йи, Э., Бауэр, К.К., Бектел,.Дж., Пан, З., Мак Хью, Т.Х. (2005): Оценка силового ультразвука в качестве технологического вспомогательного средства для экстракции рыбного желатина. Тезисы заседаний No 71С-26. Ежегодное собрание IFT. Июль 2005 года. Новый Орлеан, Луизиана.
- Ран, Х.Г.; Ванг, Л.Й. (2014): Использование ультразвуковой и пепсиновой обработки в тандеме для экстракции коллагена из побочных продуктов мясной промышленности. Журнал науки о продовольствии и сельском хозяйстве 94 (3), 2014. 585-590.
- Шмидт, М.М.; Дорнеллес, R.C.P.; Мелло, Р.О.; Кубота, Э.Х.; Мазутти, М.А.; Кемпка, А..; Демиате, И.М. (2016): Процесс экстракции коллагена. Международный журнал исследований в области пищевых продуктов 23 (3), 2016. 913-922.
- Сиритьентонг, Типпаван; Бонани, Уолтер; Мотта, Антонелла; Мильярези, Клаудио; Арамвит, Порнанонг (2016): Влияние штамма шелка Bombyx mori и времени экстракции на молекулярные и биологические характеристики серицина. Биология, биотехнология и биохимия Том 80 , Вып. 2, 2016. 241-249.
- Zeng, J.N.; Цзян, Б.К.; Сяо, З.К., Ли, С.Х. (2011): Экстракция коллагена из рыбьей чешуи с папаином под ультразвуковой предварительной обработкой. Передовые исследования материалов, том 366, 2011. 421-424.
Факты, которые стоит знать
коллаген
Коллаген является основным структурным белком во внеклеточном пространстве в различных соединительных тканях в организме животных. Являясь основным компонентом соединительной ткани, он является наиболее распространенным белком у млекопитающих[1], составляя от 25% до 35% от общего содержания белка в организме. Коллаген состоит из аминокислот, свернутых вместе в тройные спирали, образующие удлиненные фибриллы. Наибольшее количество коллагена присутствует в фиброзных тканях, таких как сухожилия, связки и кожа. Различают три типа коллагена:
Коллаген I типа: обеспечивает 90% белка в коже, волосах, ногтях, органах, костях, связках
Коллаген II типа: обеспечивает 50-60% белка в хрящах, 85-90% коллагена в суставном хряще
Коллаген III типа: Обеспечивает белки волокнистым белком в костях, хрящах, дентине, сухожилиях и других соединительных тканях
Коллаген в организме
Каждый из трех типов коллагена состоит из различных белков, которые выполняют различные функции в организме. Коллаген I и III типов является основным компонентом кожи, мышц, костей, волос и ногтей. Они необходимы для их здоровья, роста и восстановления. Коллаген II типа в основном содержится в хрящах и суставах.
Коллаген I и III типа содержит 19 аминокислот, которые считаются незаменимыми аминокислотами. Они вырабатываются фибробластами (клетками в соединительных тканях) и остеобластами (клетками, из которых состоят кости). К наиболее важным белкам в коллагене I и III типов относятся глицин, пролин, аланин и гидроксипролин. Тип III представляет собой волокнистый склеропротеин.
Глицин – это аминокислота с наибольшим содержанием коллагена. Пролин является заменимой аминокислотой, которая может синтезироваться из глицина и способствует работе суставов и сухожилий. Гидроксипролин – это аминокислота, которая способствует стабильности коллагена. Аланин – это аминокислота, важная для биосинтеза белков.
Как и коллаген I и III типа, коллаген II типа образует фибриллы. Эта фибриллярная сеть коллагена важна в хряще, поскольку она способствует захвату протеогликанов. Кроме того, он обеспечивает прочность ткани на разрыв.
Источники и использование
Коллаген – это волокнистый белок, который в изобилии присутствует в соединительной ткани млекопитающих, например, крупного рогатого скота, свиньи. Большая часть коллагена экстрагируется
из свиных шкур и костей, а также из бычьих источников. Альтернативными источниками для экстракции коллагена являются рыба и птица. Коллаген широко используется в продуктах питания, пищевых добавках, фармацевтике и косметике, а также в других продуктах. Экстракция коллагена является растущим бизнесом, поскольку этот белок может заменить синтетические агенты в различных промышленных процессах.