Ultrazvočna ekstrakcija kolagena
- Kolagen je bogat z beljakovinami in se pogosto uporablja v različnih industrijskih aplikacijah, npr. v hrani, farmaciji, aditivih itd.
- Ultrazvočno razbijanje je mogoče enostavno kombinirati z encimsko ali kislinsko ekstrakcijo kolagena.
- Izvajanje ultrazvoka v proces ekstrakcije kolagena ima za posledico višje donose in hitrejšo ekstrakcijo.
Ultrazvočni učinki na ekstrakcijo kolagena
Ultrazvok visoke intenzivnosti se pogosto uporablja za izboljšanje prenosa mase v mokrih procesih, npr. ekstrakcija, sonokemija itd. Ekstrakcija (znana tudi kot izolacija kolagena) kolagena se lahko znatno izboljša z ultrazvočnim zdravljenjem. Sonication pomaga pri cepitvi kolagenskega substrata, odpira kolagenske vlakna, s čimer se olajša encimska hidroliza ali kislinska obdelava.
Ultrazvočno podprta encimska ekstrakcija
Sonication je znan po svoji sposobnosti povečanja encimske aktivnosti. Ta učinek temelji na ultrazvočni disperziji in deaglomeraciji agregatov pepsina. Homogeno razpršeni encimi ponujajo povečano površino za prenos mase, kar je povezano z višjo encimsko aktivnostjo. Poleg tega močni ultrazvočni valovi odprejo kolagenska vlakna, tako da se kolagen sprosti.
Ultrazvočna ekstrakcija pepsina: Pepsin v kombinaciji z ultrazvokom poveča donos kolagena do približno 124% in bistveno skrajša čas ekstrakcije v primerjavi s konvencionalno hidrolizo pepsina. Analiza krožnega dikroizma, mikroskopija atomske sile in FTIR so dokazali, da ultrazvočna razbijanje ni vplivalo na strukturo trojne vijačnice ekstrahiranega kolagena in je ostala nedotaknjena. (Li et al. 2009) Zaradi tega je ultrazvočno podprto ekstrakcija pepsina zelo praktična za živilsko industrijo, ki ponuja povečano stopnjo predelave beljakovin v bistveno krajšem času obdelave.
V primerjalni študiji ultrazvočne in neultrazvočne ekstrakcije kolagena iz goveje tetive je ultrazvočno zdravljenje (20kHz, impulzni način 20/20 sekund) prepričalo večji donos in učinkovitost. Konvencionalna ekstrakcija je bila izvedena s pepsinom v ocetni kislini 48 ur. Ultrazvočna ekstrakcija je bila izvedena z ekstrakcijo pod enakimi pogoji, vendar so bili časi izpostavljenosti ultrazvočni ekstrakciji (3 do 24 ur) in pepsinu (24 do 45 ur) različni, kar je povzročilo skupno 48 ur zdravljenja. Ultrazvočna ekstrakcija pepsina je pokazala vrhunsko učinkovitost ekstrakcije kolagena, ki je dosegla donos 6,2%, medtem ko je bil običajni donos ekstrakcije 2,4%. Najboljši rezultati so bili doseženi pri času ultrazvočne ekstrakcije z uporabo 18 ur. Ekstrahirani kolagen je pokazal nepoškodovano neprekinjeno vijačno strukturo, dobro topnost in dokaj visoko toplotno stabilnost. To pomeni, da je ultrazvočna ekstrakcija pepsina izboljšala učinkovitost ekstrakcije naravnega kolagena, ne da bi pri tem poškodovala kakovost nastalega kolagena. (Ran in Wang 2014)
Ultrazvočno podprta ekstrakcija kisline
(2012) je ekstrakcija kislinsko topnega kolagena iz kože japonskega brancina (Lateolabrax japonicus) pokazala povečan donos in skrajšan čas ekstrakcije po ultrazvočni obdelavi pri frekvenci 20 kHz v 0,5 M ocetni kislini. Ekstrakcija z ultrazvokom ni spremenila glavnih sestavin kolagena, natančneje verig α1, α2 in β.
Ultrazvočna ekstrakcija beljakovin iz jajčnih lupin
Ultrazvočno predhodno obdelani encimski hidrolizati so imeli boljše funkcionalne lastnosti. Za ultrazvočno ekstrakcijo funkcionalnih beljakovinskih hidrolizatov iz lupine piščančjega jajca se izboljšajo topnost, emulgiranje, penjenje in zadrževanje vode.
Membrana jajčne lupine je bogat naravni vir in je sestavljena iz približno 64 beljakovin, vključno s kolagenom tipa I, V in X, lizocmom, osteopontinom in sialoproteinom. Zaradi tega so jajčne lupine zanimiva surovina za ekstrakcijo beljakovin. Z ultrazvočno ekstrakcijo se lahko znatno izboljša sproščanje beljakovin in funkcionalnost, kar ima za posledico hiter, učinkovit in ekonomičen proces.
Ultrazvočni procesi: Od laboratorij k industrijska Lestvica
Ultrazvočno podprta alkalijska ekstrakcija
za ekstrakcijo in raztapljanje teh beljakovin
Za ekstrakcijo beljakovin iz membrane jajčne lupine je ultrazvočno-alkalna obdelava povzročila donos topnih beljakovin blizu 100% celotnega proteina membrane jajčne lupine. Ultrazvočna kavitacija je ločila večje beljakovinske grudice iz membrane jajčne lupine in olajšala raztapljanje njenih spojin. Struktura in lastnosti beljakovin niso bile poškodovane s ultrazvočnim razbijanjem in so ostale nedotaknjene. Antioksidativne lastnosti beljakovin so bile enake za ultrazvočno alkalno obdelavo in konvencionalno ekstrakcijo.
Ultrazvočna ekstrakcija želatine
Zamrznjene in na zraku posušene kože so bile obdelane s hladno slano, alkalnimi in kislinskimi raztopinami, da bi ločili kolagensko tkivo in ekstrahirali želatino z denaturacijo kolagena pri 45 ° C štiri ure z močnim ultrazvočnim zdravljenjem kot pomožnim sredstvom za predelavo. Ocenjeni so bili donos želatine, pH, jasnost, trdnost gela in viskoelastične lastnosti ter porazdelitev molekulske mase, določena z metodo PAGE-SDS. Kot kontrolo je bila uporabljena želatina, ekstrahirana v vodni kopeli pri 45 °C štiri ure. Ultrazvočna obdelava moči je povečala donos ekstrakcije za 11,1% v primerjavi s kontrolo, medtem ko se je moč gela zmanjšala za 7%. Temperatura gelacije je bila nižja tudi pri ultrazvočno ekstrahirani želatini (4,2 ° C). To vedenje je povezano z razlikami v porazdelitvi molekulske mase polipeptidnih tuljav v želatinah. Močna ultrazvočna ekstrakcija se lahko uporablja za povečanje ekstrakcije želatine iz zamrznjenih in na zraku sušenih ribjih kož. (Olson et al. 2005)
Industrijski ultrazvočni sistemi
Hielscher Ultrasonics dobavlja zmogljive ultrazvočne sisteme od laboratorija do klopi in industrijskega obsega. Da bi zagotovili optimalno ekstrakcijo, se lahko zanesljivo ultrazvočno razbijanje v zahtevnih pogojih izvaja neprekinjeno. Vsi industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotovijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Robustnost Hielscherjeve ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Prosimo, kontaktirajte nas danes z vašimi zahtevami glede postopka! Z veseljem vam bomo priporočili ustrezen ultrazvočni sistem za vaš proces!
Hielscherjevi ultrazvočni homogenizatorji z visoko močjo so na voljo za vse procesne lestvice – Od laboratorija do proizvodnje.
Literatura/Reference
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Optimizirano pridobivanje beljakovin iz celih rib skuše z uporabo sekvenčnega kislinskega / alkalnega obarjanja izoelektričnega solubilizacije (ISP) s pomočjo ultrazvoka. LWT – Znanost in tehnologija o hrani, letnik 88, februar 2018. 210-216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Optimizacija ekstrakcije funkcionalnih proteinskih hidrolizatov iz membrane piščančje jajčne lupine (ESM) z ultrazvočno podprto ekstrakcijo (ZAE) in encimsko hidrolizo. LWT – Znanost in tehnologija o hrani, letnik 69, junij 2016. 295-302.
- Kim, HK; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, N.H. (2012): Učinki ultrazvočnega zdravljenja na ekstrakcijo kolagena iz kože brancina Lateolabrax japonicus. Fisheries Science letnik 78, številka 78; 2013. 485-490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Ultrazvočno obsevanje pri encimski ekstrakciji kolagena. Ultrazvočna sonokemija, letnik 16, številka 5; 2009. 605-609.
- Olson, DA, Avena Bustillos, RD, Olsen, C.W., Chiou, B., Yee, E., Bower, C.K., Bechtel, P.J., Pan, Z., Mc Hugh, T.H. (2005): Vrednotenje ultrazvoka moči kot pripomočka za predelavo za ekstrakcijo ribje želatine. Povzetek sestanka št. 71C-26. Letno srečanje IFT. Julij 2005. New Orleans, LA.
- Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): Uporaba ultrazvočne in pepsinove obdelave v tandemu za ekstrakcijo kolagena iz stranskih proizvodov mesne industrije. Revija za znanost o prehrani in kmetijstvu 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): Postopek ekstrakcije kolagena. Mednarodna revija za raziskave hrane 23(3), 2016. 913-922.
- Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Učinki seva svile Bombyx mori in čas ekstrakcije na molekularne in biološke značilnosti sericina. Bioznanost, biotehnologija in biokemija, zvezek 80, Iss. 2, 2016. 241-249.
- Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): Ekstrakcija kolagena iz ribjih lusk s papainom pod ultrazvočno predobdelavo. Napredne raziskave materialov, letnik 366, 2011. 421-424.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Kolagena
Kolagen je glavni strukturni protein v zunajceličnem prostoru v različnih vezivnih tkivih v živalskih telesih. Kot glavna sestavina vezivnega tkiva je najbogatejša beljakovina pri sesalcih,[1] ki predstavlja od 25% do 35% vsebnosti beljakovin v celotnem telesu. Kolagen je sestavljen iz aminokislin, ki so navite skupaj, da tvorijo trojne vijačnice, ki tvorijo podolgovate fibrile. Največje količine kolagena so prisotne v vlaknastih tkivih, kot so kite, vezi in koža. Razlikujemo tri vrste kolagena:
Kolagen tipa I: zagotavlja 90% beljakovin v koži, laseh, nohtih, organih, kosteh, ligamentih
Kolagen tipa II: zagotavlja 50-60% beljakovin v hrustancu, 85-90% kolagena v sklepnem hrustancu
Kolagen tipa III: zagotavlja beljakovine vlaknastim beljakovinam v kosteh, hrustancu, dentinu, tetivah in drugih vezivnih tkivih
Kolagen v telesu
Vsaka od treh vrst kolagena je sestavljena iz različnih beljakovin, ki v telesu izpolnjujejo različne namene. Kolagenski tipi I in III sta glavni sestavini kože, mišic, kosti, las in nohtov. Potrebni so za njihovo zdravje, rast in obnovo. Kolagen tipa II se večinoma nahaja v hrustancu in sklepih.
Kolagen tipa I in III vsebujeta 19 aminokislin, ki veljajo za esencialne aminokisline. Proizvajajo jih fibroblasti (celice v vezivnem tkivu) in osteoblasti (celice, ki izdelujejo kosti). Najpomembnejše beljakovine v kolagenu tipa I in III vključujejo glicin, prolin, alanin in hidroksiprolin. Tip III je vlaknasti skleroprotein.
Glicin je aminokislina z največjo količino kolagena. Prolin je nebistvena aminokislina, ki jo lahko sintetiziramo iz glicina in prispevamo k sklepom in kitam. Hidroksiprolin je aminokislina, ki prispeva k stabilnosti kolagena. Alanin je aminokislina, pomembna za biosintezo beljakovin.
Tako kot tip I in III, kolagen tipa II tvori vlakna. Ta fibrilarna mreža kolagena je pomembna v hrustancu, saj omogoča ujetje proteoglikanov. Poleg tega zagotavlja natezno trdnost tkiva.
Viri in uporaba
Kolagen je vlaknasta beljakovina, ki je obilno prisotna v vezivnem tkivu sesalcev, npr. goveda, prašiča. Večina kolagena se ekstrahira
iz prašičjih kož in kosti ter iz govejih virov. Alternativni vir za ekstrakcijo kolagena so ribe in kokoši. Kolagen se med drugim pogosto uporablja v hrani, prehranskih dopolnilih, farmacevtskih izdelkih / zdravilih in kozmetiki. Ekstrakcija kolagena je rastoča dejavnost, saj lahko ta beljakovina nadomesti sintetična sredstva v različnih industrijskih procesih.