Ултразвучна екстракција колагена
- Колаген је богат протеинима и широко се користи у разноврсним индустријским применама, нпр. у прехрамбеној и фармацеутској индустрији, за адитиве итд.
- Соникација се може лако комбиновати са ензимском или киселинском екстракцијом колагена.
- Увођење ултразвука у процес екстракције колагена доводи до већих приноса и брже екстракције.
Утицај ултразвука на екстракцију колагена
Ултразвук високог интензитета широко се користи за побољшање преноса масе у влажним процесима, нпр. у екстракцији, сонохемији итд. Екстракција колагена (позната и као изолација колагена) може се значајно побољшати ултразвучним третманом. Соникација помаже при цепању колагенског супстрата и отвара колагенске фибриле, чиме се олакшавају ензимска хидролиза или киселински третман.
Ензимска екстракција потпомогнута ултразвуком
Соникација је позната по својој способности да повећа активност ензима. Овај ефекат заснива се на ултразвучном дисперговању и деагломерацији агрегата пепсина. Хомогено дисперговани ензими обезбеђују већу површину за пренос масе, што је повезано са већом активношћу ензима. Поред тога, снажни ултразвучни таласи отварају колагенске фибриле, тако да се колаген ослобађа.
Ултразвучна екстракција пепсином: Пепсин у комбинацији са ултразвучним третманом повећава принос колагена до приближно 124% и значајно скраћује време екстракције у поређењу са конвенционалном хидролизом пепсином. Анализа циркуларног дихроизма, микроскопија атомских сила и FTIR потврдили су да соникација није утицала на структуру троструке спирале екстрахованог колагена и да је она остала нетакнута. (Li et al. 2009) Због тога је екстракција пепсином потпомогнута ултразвуком веома практична за прехрамбену индустрију, јер омогућава већи степен издвајања протеина уз значајно краће време обраде.
У упоредном истраживању ултразвучне екстракције колагена из говеђе тетиве и екстракције без ултразвука, ултразвучни третман (20kHz, импулсни режим 20/20 sec.) показао је већи принос и ефикасност. Конвенционална екстракција спроведена је пепсином у сирћетној киселини током 48 сати. Ултразвучна екстракција спроведена је под истим условима, али су времена излагања соникацији (од 3 до 24 h) и пепсину (од 24 до 45 сати) варирана, што је дало укупно 48 сати третмана. Ултразвучна екстракција пепсином показала је већу ефикасност екстракције колагена, достижући принос од 6,2%, док је принос конвенционалне екстракције износио 2,4%. Најбољи резултати постигнути су при трајању ултразвучне екстракције од 18 h. Екстраховани колаген имао је неоштећену континуирану спиралну структуру, добру растворљивост и прилично високу термичку стабилност. То значи да је ултразвучна екстракција пепсином побољшала ефикасност екстракције природног колагена без нарушавања квалитета добијеног колагена. (Ran and Wang 2014)
Киселинска екстракција потпомогнута ултразвуком
У истраживању које су спровели Kim et al. (2012), екстракција колагена растворљивог у киселини из коже јапанског бранцина (Lateolabrax japonicus) показала је повећан принос и скраћено време екстракције након ултразвучног третмана на фреквенцији од 20 kHz у 0,5 M сирћетној киселини. Екстракција ултразвуком није променила главне компоненте колагена, тачније ланце α1, α2 и β.
Ултразвучна екстракција протеина из љуски јаја
Ензимски хидролизати претходно третирани ултразвуком имали су боља функционална својства. При ултразвучној екстракцији функционалних протеинских хидролизата из љуске кокошијег јајета побољшавају се растворљивост, својства емулговања, стварања пене и задржавања воде.
Мембрана љуске јајета је обилан природни ресурс и састоји се од око 64 протеина, укључујући колаген типова I, V и X, лизозим, остеопонтин и сијалопротеин. То чини љуске јаја занимљивом сировином за екстракцију протеина. Ултразвучном екстракцијом могу се значајно побољшати ослобађање и функционалност протеина, што резултира брзим, ефикасним и економичним процесом.
Ултразвучни процеси: од лабораторијске до индустријске размере
Алкална екстракција потпомогнута ултразвуком
за екстракцију и солубилизацију ових протеина
При екстракцији протеина из мембране љуске јајета, ултразвучно-алкални третман дао је принос солубилизованих протеина близу 100% укупних протеина мембране љуске јајета. Ултразвучна кавитација одвојила је веће накупине протеина од мембране љуске јајета и олакшала солубилизацију њених једињења. Структура и својства протеина нису оштећени соникацијом и остали су очувани. Антиоксидативна својства протеина била су иста код алкалног третмана потпомогнутог ултразвуком и конвенционалне екстракције.
Ултразвучна екстракција желатина
Замрзнуте и на ваздуху осушене коже полака третиране су хладним сланим, алкалним и киселим растворима ради одвајања колагенског ткива и екстракције желатина денатурацијом колагена на 45°C током четири сата, уз третман ултразвуком велике снаге као помоћ у обради. Процењени су принос желатина, pH, бистрина, чврстоћа гела и вискоеластична својства, као и расподела молекулских маса одређена методом PAGE-SDS. Желатин екстрахован у воденом купатилу на 45°C током четири сата коришћен је као контрола. Третман ултразвуком велике снаге повећао је принос екстракције за 11,1% у поређењу са контролом, док је чврстоћа гела смањена за 7%. Температура желирања такође је била нижа код желатина екстрахованог ултразвуком (4,2°C). Ово понашање повезано је са разликама у расподели молекулских маса полипептидних клупка у желатинима. Екстракција ултразвуком велике снаге може се користити за повећање екстракције желатина из замрзнутих и на ваздуху осушених рибљих кожа. (Olson et al. 2005)
Индустријски ултразвучни системи
Hielscher Ultrasonics испоручује снажне ултразвучне системе у лабораторијским, стоним и индустријским размерама. Да би се обезбедио оптималан учинак екстракције, поуздана соникација у захтевним условима може се спроводити непрекидно. Сви индустријски ултразвучни процесори могу да остваре веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у режиму рада 24/7. За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери. Робусност ултразвучне опреме компаније Hielscher омогућава рад 24/7 при великим оптерећењима и у захтевним окружењима.
Обратите нам се данас са захтевима свог процеса! Радо ћемо вам препоручити одговарајући ултразвучни систем за ваш процес!
Ултразвучни хомогенизатори велике снаге компаније Hielscher доступни су за све размере процеса – од лабораторије до производње.
Литература/референце
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Оптимизовано издвајање протеина из целих скуша применом узастопне киселинске/алкалне изоелектричне солубилизације и преципитације (ISP) у екстракцији потпомогнутој ултразвуком. LWT – Food Science and Technology, том 88, February 2018. 210–216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Оптимизација екстракције функционалних протеинских хидролизата из мембране љуске кокошијег јајета (ESM) екстракцијом потпомогнутом ултразвуком (UAE) и ензимском хидролизом. LWT – Food Science and Technology, том 69, June 2016. 295–302.
- Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, N.H. (2012): Утицај ултразвучног третмана на екстракцију колагена из коже бранцина Lateolabrax japonicus. Fisheries Science, том 78, број 78; 2013. 485–490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Ултразвучно озрачивање при ензимској екстракцији колагена. Ultrasonics Sonochemistry, том 16, број 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): Процена примене ултразвука велике снаге као помоћног поступка при екстракцији рибљег желатина. Сажетак са скупа бр. 71C-26. Годишњи скуп IFT. July 2005. New Orleans, LA.
- Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): Узастопна примена ултразвучног третмана и третмана пепсином за екстракцију колагена из споредних производа месне индустрије. 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): Поступак екстракције колагена. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913–922.
- Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Утицај соја свилене бубе Bombyx mori и времена екстракције на молекулске и биолошке карактеристике серицина. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, том 80 , број 2, 2016. 241–249.
- Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): Екстракција колагена из рибљих крљушти папаином уз ултразвучни предтретман. Advanced Materials Research, том 366, 2011. 421–424.
Чињенице које вреди знати
Колаген
Колаген је главни структурни протеин у ванћелијском простору различитих везивних ткива у телу животиња. Као главна компонента везивног ткива, он је најзаступљенији протеин код сисара,[1] и чини од 25% до 35% укупног садржаја протеина у телу. Колаген се састоји од аминокиселина које су међусобно увијене у троструке хеликсе, које образују издужене фибриле. Највеће количине колагена присутне су у влакнастим ткивима као што су тетиве, лигаменти и кожа. Разликују се три типа колагена:
Колаген типа I: обезбеђује 90% протеина у кожи, коси, ноктима, органима, костима и лигаментима
Колаген типа II: обезбеђује 50–60% протеина у хрскавици и 85–90% колагена у зглобној хрскавици
Колаген типа III: обезбеђује протеине за влакнасти протеин у костима, хрскавици, дентину, тетивама и другим везивним ткивима
Колаген у телу
Сваки од три типа колагена састоји се од различитих протеина који имају различите улоге у телу. Колагени типа I и III су главне компоненте коже, мишића, костију, косе и ноктију. Неопходни су за њихово здравље, раст и обнављање. Колаген типа II се углавном налази у хрскавици и зглобовима.
И колаген типа I и колаген типа III садрже 19 аминокиселина које се сматрају есенцијалним аминокиселинама. Производе их фибробласти (ћелије везивног ткива) и остеобласти (ћелије које стварају кости). Најважнији протеини у колагену типа I и III обухватају глицин, пролин, аланин и хидроксипролин. Тип III је влакнасти склеропротеин.
Глицин је аминокиселина која је у колагену присутна у највећој количини. Пролин је неесенцијална аминокиселина која се може синтетисати из глицина и доприноси зглобовима и тетивама. Хидроксипролин је аминокиселина која доприноси стабилности колагена. Аланин је аминокиселина важна за биосинтезу протеина.
Попут колагена типа I и III, и колаген типа II образује фибриле. Ова фибриларна мрежа колагена важна је у хрскавици јер омогућава задржавање протеогликана. Поред тога, ткиву обезбеђује затезну чврстоћу.
Извори и примена
Колаген је влакнасти протеин који је обилно присутан у везивном ткиву сисара, нпр. говеда и свиња. Већина колагена екстрахује се
из свињске коже и костију и из извора говеђег порекла. Алтернативни извори за екстракцију колагена су рибе и живина. Колаген се широко користи у храни, додацима исхрани, фармацеутским и медицинским производима и козметици, између осталих производа. Екстракција колагена је растућа привредна делатност јер овај протеин може да замени синтетичка средства у различитим индустријским процесима.