Ultrazvočna ekstrakcija za proizvodnjo leghemoglobina

Čistejši, hitrejši in lažje razširljiv način pridobivanja molekule, ki daje rastlinskim živilom »mesne« lastnosti: leghemoglobin – beljakovina, ki vsebuje hem in je odgovorna za aromo, barvo in okus mesa – je postal ena najdragocenejših biomolekul v industriji rastlinskih živil. Leghemoglobin se tradicionalno proizvaja s fermentacijo ali kompleksnimi nadaljnjimi postopki obdelave, njegova ekstrakcija pa ostaja draga in jo je težko prenesti v večje merilo. Obdelava z ultrazvokom to razmerje povsem spremeni.
Ultrazvočna obdelava omogoča učinkovito sproščanje, dispergiranje in stabilizacijo sojinih hemoglobinskih beljakovin ter ponuja jasno pot do ekstrakcije leghemoglobina v industrijskem merilu.

Zakaj je leghemoglobin pomemben

Leghemoglobin je naravno prisoten v velikih količinah v koreninskih gomoljčkih soje in ima ključno biološko vlogo pri uravnavanju kisika. Pri uporabi v živilih njegova hemska skupina med kuhanjem katalizira reakcije, pri katerih nastaja okus, ki zelo spominja na okus živalskega mesa. Raziskovalci so potrdili, da sojin leghemoglobin ohranja vezavo hema, peroksidazno aktivnost in prebavljivost, zaradi česar je primerna in varna živilska sestavina.
Izziv nikoli ni bila funkcionalnost – izziv sta bila učinkovita ekstrakcija in obdelava, ki jo je mogoče prenesti v večje merilo.
Ultrazvočna ekstrakcija povečuje izkoristek pridobivanja leghemoglobina, ohranja funkcionalnost njegovega hema in jo je mogoče linearno prenesti iz laboratorijskega v industrijsko merilo, zato je zelo učinkovita in robustna metoda za proizvodnjo leghemoglobina za uporabo v rastlinskih živilih.

Ekstrakcija leghemoglobina iz soje ali bioreaktorjev z E. coli

Leghemoglobin je mogoče pridobiti na dva bistveno različna načina, vendar današnja industrijska proizvodnja temelji na mikrobni sintezi namesto na neposredni ekstrakciji iz soje. Čeprav je leghemoglobin naravno prisoten v visokih koncentracijah v koreninskih gomoljčkih soje, je neposredna ekstrakcija iz rastlin v velikem merilu nepraktična zaradi nizkih izkoristkov pridobivanja, spremenljivosti kmetijske pridelave in kompleksnega nadaljnjega čiščenja. Zato se leghemoglobin pretežno proizvaja z biosintezo v gensko spremenjenih mikroorganizmih, najpogosteje v bakteriji Escherichia coli ali kvasovkah, v katere se vnese gen za sojin leghemoglobin, ki se nato izraža v nadzorovanih pogojih v bioreaktorju. Nedavne študije kažejo, da lahko sistemi na osnovi E. coli, vključno s celičnimi in brezceličnimi bioreaktorji, proizvajajo funkcionalen sojin leghemoglobin s pravilnim aminokislinskim zaporedjem, vezavo hema in encimsko aktivnostjo, zaradi česar je mikrobna sinteza prednostna pot industrijske proizvodnje.
Ultrazvočni ekstraktorji so primerni za ekstrakcijo leghemoglobina iz obeh virov – koreninskih gomoljčkov soje in bioreaktorjev z E.coli.

Kako ultrazvok izboljšuje ekstrakcijo leghemoglobina

Ultrazvočna obdelava deluje tako, da v tekočih medijih ustvarja visokointenzivno akustično kavitacijo. Ko se mikroskopski mehurčki sesedejo, nastanejo lokalne strižne sile, ki:

• Razgradijo rastlinske in mikrobne celične strukture
• Sprostijo znotrajcelične beljakovine, kot je leghemoglobin
• Zmanjšajo beljakovinske agregate in izboljšajo dispergiranje
• Pospešijo prenos snovi brez agresivnih kemikalij

V nadzorovanih laboratorijskih sistemih je že bilo dokazano, da sonikacija razgrajuje hemoglobinske agregate in zmanjša velikost delcev za več velikostnih redov, pri tem pa ohranja funkcionalnost beljakovin.

To je še posebej pomembno za leghemoglobin, pri katerem lahko agregacija in neenakomerna dispergiranost omejita izkoristek in učinkovitost nadaljnje obdelave.

Od laboratorija do tovarne: linearno povečevanje merila z industrijskimi sonikatorji

Ena največjih prednosti ultrazvoka je možnost linearnega povečevanja merila. V nasprotju z mehansko homogenizacijo ali mletjem s kroglicami se vnos ultrazvočne energije povečuje neposredno sorazmerno s prostornino obdelovanega materiala. To pomeni, da je parametre, optimizirane na laboratorijski mizi – kot so amplituda, gostota energije in zadrževalni čas – mogoče zanesljivo prenesti v pilotno in proizvodno merilo.

Industrijski ultrazvočni sistemi podjetja Hielscher Ultrasonics so zasnovani posebej za ta namen. Njihovi visokozmogljivi sonikatorji z neprekinjenim pretokom omogočajo:

• Ekstrakcijo iz sojinih suspenzij neposredno v pretočni liniji
• Ponovljivo sproščanje beljakovin v kilogramskem in tonskem merilu
• Natančen nadzor vnosa energije (W/L)
• Industrijsko delovanje 24/7 z materiali, primernimi za stik z živili

Ti sistemi proizvajalcem omogočajo nemoten prehod iz raziskav in razvoja v komercialno proizvodnjo brez ponovnega načrtovanja procesa.

Čistejša obdelava, boljša kakovost beljakovin

Druga pomembna prednost ultrazvočne ekstrakcije je čistost procesa. Študije kažejo, da lahko ultrazvok zmanjša odvisnost od agresivnih topil ali pretirane toplotne obdelave, pri katerih obstaja tveganje poškodbe hemske skupine ali denaturacije beljakovin.

Ob ustreznem uravnavanju temperature sonikacija ohranja:

• Celovitost hema
• Lastnosti vezave kisika
• Prebavljivost v simuliranih želodčnih pogojih

To se dobro ujema s povpraševanjem industrije po trajnostnih tehnologijah obdelave za izdelke s pregledno navedbo sestavin.

Kaj to pomeni za rastlinska živila

Ker povpraševanje po rastlinskem mesu še naprej narašča, proizvajalci iščejo načine za zmanjšanje stroškov ob hkratnem izboljšanju enotnosti izdelkov. Ultrazvočna ekstrakcija ponuja prepričljivo rešitev:

• Višji izkoristki iz sojinih surovin
• Krajši časi obdelave
• Predvidljiv prenos v večje merilo
• Manjša kompleksnost obratovanja

V kombinaciji z ultrazvočnimi reaktorji podjetja Hielscher Ultrasonics, zasnovanimi za industrijsko uporabo, tehnologija zagotavlja neposredno pot do komercialno izvedljive proizvodnje leghemoglobina.

Znanstveni dokazi zdaj potrjujejo to, kar so procesni inženirji že dolgo domnevali: ultrazvok ni le laboratorijsko orodje – je gonilna sila industrije. Pri ekstrakciji leghemoglobina iz soje ultrazvočna obdelava združuje učinkovitost, možnost povečevanja merila in kakovost izdelka na eni platformi.

Ker se obseg sektorja rastlinskih živil še naprej povečuje, lahko ultrazvočna ekstrakcija postane temeljna tehnologija, ki bo končno omogočila hitrejšo, čistejšo in ekonomsko vzdržno proizvodnjo leghemoglobina.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključevanje naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijaznim upravljanjem. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne z zahtevami CE ter izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.