Ultrazvuková extrakcia kolagénu
- Kolagén je bohatý na bielkoviny a široko sa využíva v rozmanitých priemyselných aplikáciách, napr. v potravinárstve, farmácii, pri výrobe prísad atď.
- Sonikáciu možno ľahko kombinovať s enzymatickou alebo kyslou extrakciou kolagénu.
- Zavedenie ultrazvuku do procesu extrakcie kolagénu vedie k vyšším výťažkom a rýchlejšej extrakcii.
Účinky ultrazvuku na extrakciu kolagénu
Ultrazvuk s vysokou intenzitou sa široko využíva na zlepšenie prenosu hmoty v mokrých procesoch, napr. pri extrakcii, sonochémii atď. Extrakciu kolagénu (známu aj ako izolácia kolagénu) možno výrazne zlepšiť ultrazvukovým spracovaním. Sonikácia pomáha pri štiepení kolagénového substrátu a rozvoľňuje kolagénové fibrily, čím uľahčuje enzymatickú hydrolýzu alebo spracovanie kyselinou.
Enzymatická extrakcia podporovaná ultrazvukom
Sonikácia je známa svojou schopnosťou zvyšovať aktivitu enzýmov. Tento účinok je založený na ultrazvukovej dispergácii a deaglomerácii agregátov pepsínu. Homogénne dispergované enzýmy poskytujú väčšiu plochu na prenos hmoty, čo súvisí s vyššou aktivitou enzýmov. Silné ultrazvukové vlny navyše rozvoľňujú kolagénové fibrily, čím sa kolagén uvoľňuje.
Ultrazvuková extrakcia pepsínom: Pepsín v kombinácii s ultrazvukovým spracovaním zvyšuje výťažok kolagénu až na približne 124% a výrazne skracuje čas extrakcie v porovnaní s konvenčnou hydrolýzou pepsínom. Analýza cirkulárneho dichroizmu, mikroskopia atómových síl a FTIR preukázali, že sonikácia neovplyvnila štruktúru trojitej špirály extrahovaného kolagénu a tá zostala neporušená. (Li et al. 2009) Vďaka tomu je extrakcia pepsínom podporovaná ultrazvukom veľmi praktická pre potravinársky priemysel, pretože umožňuje dosiahnuť vyššiu mieru získavania bielkovín pri výrazne kratšom čase spracovania.
V štúdii porovnávajúcej extrakciu kolagénu z hovädzej šľachy s použitím ultrazvuku a bez neho preukázalo ultrazvukové spracovanie (20kHz, pulzný režim 20/20 sec.) vyšší výťažok a účinnosť. Konvenčná extrakcia sa vykonávala pepsínom v kyseline octovej počas 48 hodín. Ultrazvuková extrakcia sa vykonávala za rovnakých podmienok, ale časy pôsobenia sonikácie (3 až 24 h) a pepsínu (24 až 45 hodín) sa menili tak, aby celkový čas spracovania dosiahol 48 hodín. Extrakcia kombinujúca ultrazvuk a pepsín vykazovala vyššiu účinnosť extrakcie kolagénu a dosiahla výťažok 6,2%, zatiaľ čo výťažok konvenčnej extrakcie bol 2,4%. Najlepšie výsledky sa dosiahli pri čase ultrazvukovej extrakcie 18 h. Extrahovaný kolagén vykazoval nepoškodenú súvislú špirálovú štruktúru, dobrú rozpustnosť a pomerne vysokú tepelnú stabilitu. To znamená, že extrakcia kombinujúca ultrazvuk a pepsín zlepšila účinnosť extrakcie prírodného kolagénu bez poškodenia kvality výsledného kolagénu. (Ran and Wang 2014)
Kyslá extrakcia podporovaná ultrazvukom
V štúdii Kim et al. (2012) sa pri extrakcii kolagénu rozpustného v kyseline z kože japonského morského ostrieža (Lateolabrax japonicus) po ultrazvukovom spracovaní pri frekvencii 20 kHz v 0.5 M kyseline octovej preukázal vyšší výťažok a kratší čas extrakcie. Extrakcia ultrazvukom nezmenila hlavné zložky kolagénu, konkrétne reťazce α1, α2 a β.
Ultrazvuková extrakcia bielkovín z vaječných škrupín
Enzymatické hydrolyzáty vopred ošetrené ultrazvukom mali lepšie funkčné vlastnosti. Pri ultrazvukovej extrakcii funkčných proteínových hydrolyzátov zo škrupín slepačích vajec sa zlepšuje rozpustnosť, emulgačné a penivé vlastnosti a schopnosť zadržiavať vodu.
Membrána vaječnej škrupiny je hojne dostupný prírodný zdroj a pozostáva z približne 64 proteínov vrátane kolagénu typu I, V a X, lyzozýmu, osteopontínu a sialoproteínu. Vaječné škrupiny sú preto zaujímavou surovinou na extrakciu proteínov. Ultrazvukovou extrakciou možno výrazne zlepšiť uvoľňovanie a funkčnosť proteínov, čím sa dosiahne rýchly, účinný a hospodárny proces.
Ultrazvukové procesy: Od laboratórnej po priemyselnú mierku
Alkalická extrakcia podporovaná ultrazvukom
na extrakciu a solubilizáciu týchto proteínov
Pri extrakcii proteínov z membrány vaječnej škrupiny viedlo ultrazvukové alkalické ošetrenie k výťažku solubilizovaných proteínov blížiacemu sa k 100% celkového obsahu proteínov v membráne vaječnej škrupiny. Ultrazvuková kavitácia oddeľovala väčšie zhluky proteínov od membrány vaječnej škrupiny a uľahčovala solubilizáciu jej zložiek. Štruktúra a vlastnosti proteínov neboli sonikáciou poškodené a zostali neporušené. Antioxidačné vlastnosti proteínov boli rovnaké pri alkalickom ošetrení podporovanom ultrazvukom aj pri konvenčnej extrakcii.
Ultrazvuková extrakcia želatíny
Zmrazené a na vzduchu sušené kože tresky sa ošetrili studenými soľnými, alkalickými a kyslými roztokmi s cieľom oddeliť kolagénové tkanivo a extrahovať želatínu denaturáciou kolagénu pri 45°C počas štyroch hodín, pričom sa ako pomocný technologický postup použilo ošetrenie výkonovým ultrazvukom. Hodnotil sa výťažok želatíny, pH, čírosť, pevnosť gélu a viskoelastické vlastnosti, ako aj distribúcia molekulovej hmotnosti stanovená metódou PAGE-SDS. Ako kontrola sa použila želatína extrahovaná vo vodnom kúpeli pri 45°C počas štyroch hodín. Ošetrenie výkonovým ultrazvukom zvýšilo výťažok extrakcie o 11,1% v porovnaní s kontrolou, zatiaľ čo pevnosť gélu klesla o 7%. Teplota gélovatenia bola pri želatíne extrahovanej ultrazvukom tiež nižšia (4,2°C). Toto správanie súvisí s rozdielmi v distribúcii molekulovej hmotnosti polypeptidových klbiek v želatínach. Extrakciu výkonovým ultrazvukom možno použiť na zvýšenie množstva želatíny extrahovanej zo zmrazených a na vzduchu sušených rybích koží. (Olson et al. 2005)
Priemyselné ultrazvukové systémy
Hielscher Ultrasonics dodáva výkonné ultrazvukové systémy od laboratórnych cez stolové až po priemyselné. Na zabezpečenie optimálneho výkonu extrakcie možno spoľahlivú sonikáciu vykonávať nepretržite aj v náročných podmienkach. Všetky priemyselné ultrazvukové procesory dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno ľahko udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.
Kontaktujte nás ešte dnes so svojimi požiadavkami na proces! Radi vám odporučíme vhodný ultrazvukový systém pre váš proces!
Vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory Hielscher sú k dispozícii pre akúkoľvek mierku procesu – od laboratória až po výrobu.
Literatúra / referencie
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Optimalizované získavanie proteínov z celých makrel pomocou sekvenčnej kyslej/alkalickej izoelektrickej solubilizačno-precipitačnej extrakcie (ISP) podporovanej ultrazvukom. LWT – Food Science and Technology zv. 88, February 2018. 210–216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Optimalizácia extrakcie funkčných proteínových hydrolyzátov z membrány škrupiny slepačieho vajca (ESM) pomocou extrakcie podporovanej ultrazvukom (UAE) a enzymatickej hydrolýzy. LWT – Food Science and Technology zv. 69, June 2016. 295–302.
- Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, N.H. (2012): Účinky ultrazvukového ošetrenia na extrakciu kolagénu z koží morského ostrieža Lateolabrax japonicus. Fisheries Science zväzok 78, číslo 78; 2013. 485–490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Ultrazvukové ožarovanie pri enzymatickej extrakcii kolagénu. Ultrasonics Sonochemistry, ročník 16, číslo 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): Hodnotenie výkonového ultrazvuku ako pomocného prostriedku pri extrakcii rybej želatíny. Abstrakt konferenčného príspevku č. 71C-26. Výročná konferencia IFT. July 2005. New Orleans, LA.
- Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): Použitie ultrazvukového a pepsínového ošetrenia v tandeme na extrakciu kolagénu z vedľajších produktov mäsového priemyslu. 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 extrakcie kolagénu. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913–922.
- Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Vplyv kmeňa priadky morušovej Bombyx mori a času extrakcie na molekulové a biologické vlastnosti sericínu. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, ročník 80, číslo 2, 2016. 241–249.
- Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): Extrakcia kolagénu z rybích šupín papaínom pri ultrazvukovej predúprave. Advanced Materials Research, ročník 366, 2011. 421–424.
Užitočné fakty
Kolagén
Kolagén je hlavnou štruktúrnou bielkovinou v extracelulárnom priestore rôznych spojivových tkanív v telách živočíchov. Ako hlavná zložka spojivového tkaniva je najhojnejšie zastúpenou bielkovinou u cicavcov,[1] pričom tvorí 25% až 35% celkového obsahu bielkovín v tele. Kolagén pozostáva z aminokyselín stočených do trojitých helixov, ktoré vytvárajú pretiahnuté fibrily. Najväčšie množstvá kolagénu sa nachádzajú vo väzivových tkanivách, ako sú šľachy, väzy a koža. Rozlišujú sa tri typy kolagénu:
Kolagén typu I: tvorí 90% bielkovín v koži, vlasoch, nechtoch, orgánoch, kostiach a väzoch
Kolagén typu II: tvorí 50–60% bielkovín v chrupavke a 85–90% kolagénu v kĺbovej chrupavke
Kolagén typu III: dodáva bielkoviny vláknitej bielkovine v kostiach, chrupavke, dentíne, šľachách a iných spojivových tkanivách
Kolagén v tele
Každý z troch typov kolagénu sa skladá z rôznych bielkovín, ktoré v tele plnia rôzne úlohy. Kolagény typu I a III sú hlavnými zložkami kože, svalov, kostí, vlasov a nechtov. Sú potrebné pre ich zdravie, rast a obnovu. Kolagén typu II sa nachádza prevažne v chrupavke a kĺboch.
Kolagény typu I a III obsahujú 19 aminokyselín, ktoré sa považujú za esenciálne aminokyseliny. Produkujú ich fibroblasty (bunky v spojivových tkanivách) a osteoblasty (bunky tvoriace kosti). Medzi najdôležitejšie bielkoviny v kolagéne typu I a III patria glycín, prolín, alanín a hydroxyprolín. Typ III je vláknitý skleroproteín.
Glycín je aminokyselina s najvyšším zastúpením v kolagéne. Prolín je neesenciálna aminokyselina, ktorá sa môže syntetizovať z glycínu a prispieva k fungovaniu kĺbov a šliach. Hydroxyprolín je aminokyselina, ktorá prispieva k stabilite kolagénu. Alanín je aminokyselina dôležitá pre biosyntézu bielkovín.
Podobne ako typy I a III aj kolagén typu II tvorí fibrily. Táto fibrilárna sieť kolagénu je v chrupavke dôležitá, pretože umožňuje zachytávanie proteoglykánov. Okrem toho poskytuje tkanivu pevnosť v ťahu.
Zdroje a použitie
Kolagén je vláknitá bielkovina, ktorá sa hojne vyskytuje v spojivovom tkanive cicavcov, napr. hovädzieho dobytka a ošípaných. Väčšina kolagénu sa extrahuje
z bravčových koží a kostí a zo zdrojov hovädzieho pôvodu. Alternatívnym zdrojom na extrakciu kolagénu sú ryby a hydina. Kolagén sa široko používa okrem iných výrobkov aj v potravinách, výživových doplnkoch, farmaceutických výrobkoch a zdravotníckych prípravkoch a v kozmetike. Extrakcia kolagénu je rastúcim odvetvím, pretože táto bielkovina môže nahradiť syntetické látky v rôznych priemyselných procesoch.