Prodhimi biosintetik i oligosakarideve të qumështit të njeriut

Biosinteza e oligosakarideve të qumështit të njeriut (HMO) përmes fermentimit ose reaksioneve enzimatike është një proces kompleks, kërkues dhe shpesh me rendiment të ulët. Trajtimi me ultratinguj rrit transferimin e masës ndërmjet substratit dhe fabrikave qelizore dhe stimulon rritjen dhe metabolizmin qelizor. Në këtë mënyrë, trajtimi me ultratinguj intensifikon fermentimin dhe proceset biokimike, duke sjellë një prodhim më të shpejtë dhe më efikas të HMO-ve.

Oligosakaridet e qumështit të njeriut

Oligosakaridet e qumështit të njeriut (HMO), të njohura edhe si glikane të qumështit të njeriut, janë molekula sheqeri që bëjnë pjesë në grupin e oligosakarideve. Shembuj të spikatur të HMO-ve përfshijnë 2’-fukozillaktozën (2′-FL), lakto-N-neotetraozën (LNnT), 3’-galaktozillaktozën (3′-GL) dhe difukozillaktozën (DFL).
Ndërsa qumështi i gjirit të njeriut përmban më shumë se 150 struktura të ndryshme të HMO-ve, aktualisht vetëm 2′-fukozillaktoza (2′-FL) dhe lakto-N-neotetraoza (LNnT) prodhohen në shkallë tregtare dhe përdoren si shtesa ushqyese në formulat për foshnja.
Oligosakaridet e qumështit të njeriut (HMO) njihen për rëndësinë e tyre në ushqyerjen e foshnjave. Oligosakaridet e qumështit të njeriut janë një lloj unik lëndësh ushqyese, të cilat veprojnë si prebiotikë, antimikrobikë antiaderues dhe imunomodulues brenda zorrëve të foshnjës dhe kontribuojnë ndjeshëm në zhvillimin e trurit. HMO-të gjenden ekskluzivisht në qumështin e gjirit të njeriut; qumështi i gjitarëve të tjerë (p.sh. lopës, dhisë, deles, devesë etj.) nuk i përmban këto forma specifike të oligosakarideve.
Oligosakaridet e qumështit të njeriut janë përbërësi i tretë i ngurtë më i bollshëm në qumështin e njeriut dhe mund të jenë të pranishme në ujë në formë të tretur, të emulsionuar ose të pezulluar. Laktoza dhe acidet yndyrore janë lëndët e ngurta më të bollshme që gjenden në qumështin e njeriut. HMO-të janë të pranishme në një përqendrim prej 0,35–0,88 uncësh (9,9–24,9 g)/ L. Njihen afërsisht 200 oligosakaride të qumështit të njeriut me struktura të ndryshme. Oligosakaridi mbizotërues te 80% e të gjitha grave është 2′-fukozillaktoza, e cila është e pranishme në qumështin e gjirit të njeriut në një përqendrim prej afërsisht 2,5 g/ L.
Meqenëse HMO-të nuk treten, ato nuk kontribuojnë me kalori në ushqyerje. Duke qenë karbohidrate të patretshme, ato funksionojnë si prebiotikë dhe fermentohen në mënyrë selektive nga mikroflora e dëshirueshme e zorrëve, veçanërisht nga bifidobakteret.

Biosinteza e oligosakarideve të qumështit të njeriut

Fabrikat qelizore dhe sistemet enzimatike / kimiko-enzimatike janë teknologji që përdoren aktualisht për sintezën e HMO-ve. Për prodhimin e HMO-ve në shkallë industriale, fermentimi me fabrika qelizore mikrobike, sinteza biokimike dhe reaksione të ndryshme enzimatike janë mënyra të realizueshme të bioprodhimit të HMO-ve. Për arsye ekonomike, biosinteza përmes fabrikave qelizore mikrobike është aktualisht e vetmja teknikë që përdoret në prodhimin e HMO-ve në shkallë industriale.

Fermentimi i HMO-ve duke përdorur fabrika qelizore mikrobike

E.coli, Saccharomyces cerevisiae dhe Lactococcus lactis janë fabrika qelizore që përdoren zakonisht për bioprodhimin e molekulave biologjike si HMO-të. Fermentimi është një proces biokimik që përdor mikroorganizma për të shndërruar një substrat në molekulat biologjike të synuara. Fabrikat qelizore mikrobike përdorin si substrat sheqerna të thjeshta, të cilat i shndërrojnë në HMO. Meqë sheqernat e thjeshta (p.sh. laktoza) janë një substrat i bollshëm dhe i lirë, kjo e mban procesin e biosintezës ekonomikisht efikas.
Shpejtësia e rritjes dhe e biokonvertimit ndikohet kryesisht nga transferimi i masës së lëndëve ushqyese (substratit) te mikroorganizmat. Shpejtësia e transferimit të masës është një faktor kryesor që ndikon në sintezën e produktit gjatë fermentimit. Trajtimi me ultratinguj njihet mirë për nxitjen e transferimit të masës.
Gjatë fermentimit, kushtet në bioreaktor duhet të monitorohen dhe të rregullohen vazhdimisht në mënyrë që qelizat të rriten sa më shpejt që të jetë e mundur, për të prodhuar më pas biomolekulat e synuara (p.sh. oligosakaride si HMO-të; insulinë; proteina rekombinante). Teorikisht, formimi i produktit fillon sapo kultura qelizore nis të rritet. Megjithatë, veçanërisht në qelizat e modifikuara gjenetikisht, si mikroorganizmat e krijuar me inxhinieri gjenetike, ai zakonisht induktohet më vonë duke shtuar në substrat një substancë kimike, e cila rrit shprehjen e biomolekulës së synuar. Bioreaktorët me ultratinguj (sono-bioreaktorët) mund të kontrollohen me saktësi dhe mundësojnë stimulimin specifik të mikrobeve. Kjo sjell biosintezë të përshpejtuar dhe rendimente më të larta.
Liza dhe ekstraktimi me ultratinguj: Fermentimi i HMO-ve komplekse mund të kufizohet nga titrat e ulët të fermentimit dhe nga produktet që mbeten brenda qelizave. Liza dhe ekstraktimi me ultratinguj përdoren për të çliruar materialin brendaqelizor përpara pastrimit dhe proceseve pasuese.

Fermentimi i nxitur me ultratinguj

Shpejtësia e rritjes së mikrobeve si Escherichia coli, E.coli e modifikuar me inxhinieri gjenetike, Saccharomyces cerevisiae dhe Lactococcus lactis mund të përshpejtohet duke rritur shpejtësinë e transferimit të masës dhe përshkueshmërinë e murit qelizor nëpërmjet trajtimit të kontrolluar me ultratinguj me frekuencë të ulët. Si një teknikë e butë përpunimi jotermik, trajtimi me ultratinguj ushtron forca thjesht mekanike në lëngun e fermentimit.
Kavitacioni akustik: Parimi i funksionimit të sonikimit bazohet në kavitacionin akustik. Sonda ultrasonike (sonotroda) transmeton valë ultrasonike me frekuencë të ulët në mjedis. Valët ultrasonike përhapen nëpër lëng duke krijuar cikle të alternuara presioni të lartë (ngjeshje) / presioni të ulët (rrallim). Duke ngjeshur dhe tërhequr lëngun në cikle të alternuara, krijohen flluska shumë të vogla vakumi. Këto flluska të vogla vakumi rriten gjatë disa cikleve derisa arrijnë një madhësi në të cilën nuk mund të përthithin më energji. Në këtë pikë të rritjes maksimale, flluska e vakumit shembet vrullshëm drejt brendësisë dhe krijon kushte ekstreme lokale, të njohura si fenomeni i kavitacionit. Në “pikën e nxehtë” të kavitacionit mund të vërehen diferenca të larta presioni dhe temperature, si dhe forca prerëse intensive me rryma lëngu me shpejtësi deri në 280m/sec. Nëpërmjet këtyre efekteve të kavitacionit arrihen transferim i plotë i masës dhe sonoporacion (shpimi i mureve qelizore dhe i membranave qelizore). Lëndët ushqyese të substratit transportohen drejt dhe brenda qelizave të gjalla të plota, në mënyrë që fabrikat qelizore të ushqehen në mënyrë optimale dhe të përshpejtohen si shpejtësia e rritjes, ashtu edhe ajo e shndërrimit. Bioreaktorët me ultratinguj janë një strategji e thjeshtë, por shumë efektive për përpunimin e biomasës në një proces biosinteze në një enë të vetme.
Sonikimi i butë dhe i kontrolluar me saktësi njihet mirë për intensifikimin e proceseve të fermentimit.
Sonikimi përmirëson “produktivitetin e shumë bioproceseve që përfshijnë qeliza të gjalla nëpërmjet përmirësimit të marrjes së substratit, rritjes së prodhimit ose të rritjes qelizore duke shtuar porozitetin e qelizave, dhe çlirimit potencialisht më të madh të përbërësve qelizorë.” (Naveena et al. 2015)
Lexoni më shumë për fermentimin e asistuar me ultratinguj!

Naveena et al. (2015) konstatuan se intensifikimi me ultratinguj ofron disa përparësi gjatë biopërpunimit, përfshirë kosto të ulëta operative krahasuar me alternativa të tjera trajtimi për përmirësimin e procesit, thjeshtësi përdorimi dhe kërkesa modeste për fuqi.

Reaktorë fermentimi me ultratinguj me performancë të lartë

Proceset e fermentimit përfshijnë mikroorganizma të gjallë, si bakteret ose majatë, të cilët funksionojnë si fabrika qelizore. Ndërsa sonikimi zbatohet për të nxitur transferimin e masës dhe për të rritur shpejtësinë e rritjes dhe të shndërrimit të mikroorganizmave, është thelbësore që intensiteti i ultratingujve të kontrollohet me saktësi për të shmangur shkatërrimin e fabrikave qelizore.
Hielscher Ultrasonics është e specializuar në projektimin, prodhimin dhe shpërndarjen e pajisjeve me ultratinguj me performancë të lartë, të cilat mund të kontrollohen dhe monitorohen me saktësi për të siguruar rendimente superiore fermentimi.

Kontrolli i procesit nuk është vetëm thelbësor për rendimente të larta dhe cilësi superiore, por mundëson edhe përsëritjen dhe riprodhimin e rezultateve. Veçanërisht kur bëhet fjalë për stimulimin e fabrikave qelizore, përshtatja e parametrave të sonikimit sipas qelizave specifike është thelbësore për të arritur rendimente të larta dhe për të parandaluar degradimin e qelizave. Prandaj, të gjitha modelet digjitale të pajisjeve me ultratinguj të Hielscher janë të pajisura me softuer inteligjent, i cili ju lejon të rregulloni, monitoroni dhe rishikoni parametrat e sonikimit. Parametrat e procesit me ultratinguj, si amplituda, temperatura, presioni, kohëzgjatja e sonikimit, ciklet e punës dhe energjia e futur, janë thelbësorë për të nxitur prodhimin e HMO-ve nëpërmjet fermentimit.
Softueri inteligjent i pajisjeve me ultratinguj të Hielscher regjistron automatikisht të gjithë parametrat e rëndësishëm të procesit në kartën SD të integruar. Regjistrimi automatik i të dhënave të procesit të sonikimit përbën bazën për standardizimin e procesit dhe riprodhueshmërinë / përsëritshmërinë, të cilat kërkohen për Praktikat e Mira të Prodhimit (GMP).

Reaktorë me ultratinguj për fermentim

Hielscher ofron sonda me ultratinguj me madhësi, gjatësi dhe gjeometri të ndryshme, të cilat mund të përdoren si për trajtime me lote, ashtu edhe për trajtime me rrjedhje të vazhdueshme. Reaktorët me ultratinguj, të njohur edhe si sonobioreaktorë, janë të disponueshëm për çdo vëllim, duke mbuluar biopërpunimin me ultratinguj nga mostrat e vogla laboratorike deri te prodhimi në shkallë pilot dhe në shkallë plotësisht komerciale.
Dihet mirë se vendndodhja e sonotrodës me ultratinguj në enën e reaksionit ndikon në shpërndarjen e kavitacionit dhe të mikrorrymave brenda mjedisit. Sonotroda dhe reaktori me ultratinguj duhet të zgjidhen në përputhje me vëllimin e lëngut të kulturës qelizore që do të përpunohet. Ndërsa sonikimi mund të kryhet si me lote, ashtu edhe në mënyrë të vazhdueshme, për vëllime të mëdha prodhimi rekomandohet përdorimi i një instalimi me rrjedhje të vazhdueshme. Duke kaluar përmes një qelize rrjedhjeje me ultratinguj, i gjithë mjedisi qelizor merr saktësisht të njëjtin ekspozim ndaj sonikimit, duke siguruar trajtimin më efektiv. Gama e gjerë e sondave me ultratinguj dhe e reaktorëve me qelizë rrjedhjeje të Hielscher Ultrasonics mundëson montimin e konfigurimit ideal për biopërpunim me ultratinguj.

Hielscher Ultrasonics – Nga laboratori te shkalla pilot e deri te prodhimi

Hielscher Ultrasonics mbulon të gjithë gamën e pajisjeve ultrasonike, duke ofruar që nga homogjenizuesit ultrasonikë kompaktë të dorës për përgatitjen e mostrave deri te sistemet e tavolinës dhe ato pilot, si dhe njësi të fuqishme ultrasonike industriale që përpunojnë me lehtësi ngarkesa të tëra kamionësh në orë. Duke ofruar mundësi të gjithanshme dhe fleksibël instalimi dhe montimi, ultrasonikatorët Hielscher mund të integrohen lehtësisht në të gjitha llojet e reaktorëve me tufa, sistemeve me tufa me ushqim gradual ose sistemeve me rrjedhje të vazhdueshme.
Aksesorë të ndryshëm, si dhe pjesë të përshtatura sipas porosisë, mundësojnë përshtatjen ideale të sistemit tuaj ultrasonik me kërkesat e procesit tuaj.
Të ndërtuar për funksionim 24/7 me ngarkesë të plotë dhe punë intensive në kushte kërkuese, procesorët ultrasonikë Hielscher janë të besueshëm dhe kërkojnë vetëm pak mirëmbajtje.
Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të ultrasonikatorëve tanë: