Ultrazvočna ekstrakcija kolagena

• Kolagen je bogat z beljakovinami in se široko uporablja v številnih industrijskih aplikacijah, npr. v živilski in farmacevtski industriji, pri dodatkih itd.
• Sonikacijo je mogoče preprosto kombinirati z encimsko ali kislinsko ekstrakcijo kolagena.
• Vključitev ultrazvoka v postopek ekstrakcije kolagena omogoča večje izkoristke in hitrejšo ekstrakcijo.

Učinki ultrazvoka na ekstrakcijo kolagena

Ultrazvok visoke intenzivnosti se široko uporablja za izboljšanje prenosa snovi v mokrih procesih, npr. pri ekstrakciji, sonokemiji itd. Ekstrakcijo kolagena (znano tudi kot izolacija kolagena) je mogoče z ultrazvočno obdelavo znatno izboljšati. Sonikacija pomaga pri cepitvi kolagenskega substrata in razpira kolagenske fibrile ter tako olajša encimsko hidrolizo ali kislinsko obdelavo.

Encimska ekstrakcija s pomočjo ultrazvoka

Sonikacija je znana po svoji sposobnosti povečanja encimske aktivnosti. Ta učinek temelji na ultrazvočnem dispergiranju in deaglomeraciji agregatov pepsina. Homogeno dispergirani encimi zagotavljajo večjo površino za prenos snovi, kar je povezano z večjo encimsko aktivnostjo. Poleg tega močni ultrazvočni valovi razpirajo kolagenske fibrile, tako da se kolagen sprosti.

Ultrazvočna ekstrakcija s pepsinom: Pepsin v kombinaciji s sonikacijo poveča izkoristek kolagena do približno 124% in znatno skrajša čas ekstrakcije v primerjavi s konvencionalno hidrolizo s pepsinom. Analiza krožnega dikroizma, mikroskopija na atomsko silo in FTIR so dokazale, da sonikacija ni vplivala na strukturo trojne vijačnice ekstrahiranega kolagena in da je ta ostala nepoškodovana. (Li et al. 2009) Zaradi tega je ekstrakcija s pepsinom ob pomoči ultrazvoka zelo praktična za živilsko industrijo, saj omogoča večje izkoristke pridobivanja beljakovin v znatno krajšem času obdelave.

V primerjalni študiji ultrazvočne ekstrakcije kolagena iz goveje kite in ekstrakcije brez ultrazvoka je ultrazvočna obdelava (20kHz, pulzni način 20/20 sek.) izkazala večji izkoristek in učinkovitost. Konvencionalna ekstrakcija je potekala s pepsinom v ocetni kislini 48 ur. Ultrazvočna ekstrakcija je potekala pod enakimi pogoji, vendar so spreminjali čas izpostavljenosti sonikaciji (od 3 do 24 h) in pepsinu (od 24 do 45 ur), pri čemer je skupni čas obdelave znašal 48 ur. Ultrazvočna ekstrakcija s pepsinom je pokazala večjo učinkovitost ekstrakcije kolagena in dosegla izkoristek 6,2%, medtem ko je izkoristek konvencionalne ekstrakcije znašal 2,4%. Najboljše rezultate so dosegli pri času ultrazvočne ekstrakcije 18 h. Ekstrahirani kolagen je imel nepoškodovano neprekinjeno vijačno strukturo, dobro topnost in precej visoko toplotno stabilnost. To pomeni, da je ultrazvočna ekstrakcija s pepsinom izboljšala učinkovitost ekstrakcije naravnega kolagena, ne da bi poslabšala kakovost pridobljenega kolagena. (Ran and Wang 2014)

Ultrazvočna ekstrakcija s papainom: Kolagen iz ribjih lusk je mogoče učinkovito ekstrahirati s hidrolizo s papainom v kombinaciji z ultrazvočno predobdelavo. Za ultrazvočno ekstrakcijo kolagena iz ribjih lusk s papainom so bili kot optimalni določeni naslednji procesni parametri: trajanje ultrazvočne predobdelave 4min, razmerje med papainom in ribjimi luskami 4%, temperatura 60°C in skupni čas ekstrakcije 5h. Pri teh optimalnih pogojih je stopnja ekstrakcije kolagena dosegla 90,7%. (Jiang et al. 2011)

Kislinska ekstrakcija s pomočjo ultrazvoka

V študiji avtorjev Kim et al. (2012) je ekstrakcija v kislini topnega kolagena iz kože japonskega brancina (Lateolabrax japonicus) po ultrazvočni obdelavi pri frekvenci 20 kHz v 0.5 M ocetni kislini pokazala večji izkoristek in krajši čas ekstrakcije. Ekstrakcija z ultrazvokom ni spremenila glavnih sestavin kolagena, natančneje verig α1, α2 in β.

Ultrazvočna ekstrakcija beljakovin iz jajčnih lupin

Encimski hidrolizati, predhodno obdelani z ultrazvokom, so imeli boljše funkcionalne lastnosti. Pri ultrazvočni ekstrakciji funkcionalnih beljakovinskih hidrolizatov iz lupin kokošjih jajc se izboljšajo topnost, emulgiranje, penjenje in sposobnost zadrževanja vode.
Membrana jajčne lupine je obilno dostopen naravni vir in je sestavljena iz približno 64 beljakovin, vključno s kolagenom tipov I, V in X, lizocimom, osteopontinom in sialoproteinom. Zato so jajčne lupine zanimiva surovina za ekstrakcijo beljakovin. Z ultrazvočno ekstrakcijo je mogoče znatno izboljšati sproščanje in funkcionalnost beljakovin, kar omogoča hiter, učinkovit in ekonomičen postopek.

Alkalna ekstrakcija s pomočjo ultrazvoka

za ekstrakcijo in solubilizacijo teh beljakovin
Pri ekstrakciji beljakovin iz membrane jajčne lupine je ultrazvočna alkalna obdelava omogočila izkoristek solubiliziranih beljakovin, ki je znašal skoraj 100% vseh beljakovin v membrani jajčne lupine. Ultrazvočna kavitacija je od membrane jajčne lupine ločila večje skupke beljakovin in olajšala solubilizacijo njenih sestavin. Sonikacija ni poškodovala strukture in lastnosti beljakovin, ki so ostale nespremenjene. Antioksidativne lastnosti beljakovin so bile pri alkalni obdelavi s pomočjo ultrazvoka in konvencionalni ekstrakciji enake.

Ultrazvočna ekstrakcija želatine

Zamrznjene in na zraku posušene kože polaka so obdelali s hladno slanico ter alkalnimi in kislinskimi raztopinami, da bi ločili kolagensko tkivo in ekstrahirali želatino z denaturacijo kolagena pri 45°C štiri ure, pri čemer so kot pomoč pri obdelavi uporabili močnostni ultrazvok. Ocenili so izkoristek želatine, pH, bistrost, trdnost gela in viskoelastične lastnosti ter porazdelitev molekulskih mas, določeno z metodo PAGE-SDS. Kot kontrolo so uporabili želatino, ekstrahirano v vodni kopeli pri 45°C štiri ure. Obdelava z močnostnim ultrazvokom je v primerjavi s kontrolo povečala izkoristek ekstrakcije za 11,1%, medtem ko se je trdnost gela zmanjšala za 7%. Tudi temperatura želiranja je bila pri želatini, ekstrahirani z ultrazvokom, nižja (4,2°C). To vedenje je povezano z razlikami v porazdelitvi molekulskih mas polipeptidnih klobčičev v želatinah. Ekstrakcijo z močnostnim ultrazvokom je mogoče uporabiti za povečanje ekstrakcije želatine iz zamrznjenih in na zraku posušenih ribjih kož. (Olson et al. 2005)

Industrijski ultrazvočni sistemi

Hielscher Ultrasonics dobavlja zmogljive ultrazvočne sisteme za laboratorijsko, namizno in industrijsko merilo. Za zagotavljanje optimalnega rezultata ekstrakcije je mogoče zanesljivo sonikacijo v zahtevnih pogojih izvajati neprekinjeno. Vsi industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Z amplitudami do 200µm je mogoče preprosto neprekinjeno delovati v režimu 24/7. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Sporočite nam svoje procesne zahteve še danes! Z veseljem vam bomo priporočili ustrezen ultrazvočni sistem za vaš proces!