Ultraljudsextraktion av kollagen

• Kollagen är rikt på proteiner och används i stor utsträckning i många olika industriella tillämpningar, t.ex. livsmedel, läkemedel, tillsatser osv.
• Ultraljudsbehandling kan enkelt kombineras med enzymatisk extraktion eller syraextraktion av kollagen.
• Integrering av ultraljud i kollagenextraktionsprocessen ger högre utbyten och snabbare extraktion.

Ultraljudets effekter på kollagenextraktion

Högintensivt ultraljud används i stor utsträckning för att förbättra massöverföringen i våta processer, t.ex. extraktion, sonokemi osv. Extraktion av kollagen (även kallad kollagenisolering) kan förbättras avsevärt genom ultraljudsbehandling. Ultraljudsbehandling underlättar klyvningen av kollagensubstratet och öppnar upp kollagenfibrillerna, vilket underlättar enzymatisk hydrolys eller syrabehandling.

Ultraljudsassisterad enzymatisk extraktion

Ultraljudsbehandling är känd för sin förmåga att öka enzymaktiviteten. Denna effekt bygger på ultraljudsdispergering och deagglomerering av pepsinaggregaten. Homogent dispergerade enzymer erbjuder en större yta för massöverföring, vilket korrelerar med högre enzymaktivitet. Dessutom öppnar de kraftfulla ultraljudsvågorna upp kollagenfibrillerna så att kollagenet frigörs.

Ultraljudsassisterad pepsinextraktion: Pepsin i kombination med ultraljudsbehandling ökar kollagenutbytet till upp till cirka 124% och förkortar extraktionstiden avsevärt jämfört med konventionell pepsinhydrolys. Analys med cirkulär dikroism, atomkraftsmikroskopi och FTIR visade att trippelhelixstrukturen hos det extraherade kollagenet inte påverkades av ultraljudsbehandlingen utan förblev intakt. (Li et al. 2009) Detta gör ultraljudsassisterad pepsinextraktion mycket praktiskt användbar för livsmedelsindustrin, eftersom den ger högre proteinåtervinningsgrad under en avsevärt kortare bearbetningstid.

I en jämförande studie av kollagenextraktion från nötkreaturssenor med respektive utan ultraljud visade ultraljudsbehandlingen (20kHz, pulsläge 20/20 sek.) högre utbyte och effektivitet. Den konventionella extraktionen utfördes med pepsin i ättiksyra under 48 timmar. Ultraljudsextraktionen utfördes under samma förhållanden, men exponeringstiderna för ultraljudsbehandling (3 till 24 h) och pepsin (24 till 45 timmar) varierades, vilket gav en total behandlingstid på 48 timmar. Den ultraljudsassisterade pepsinextraktionen visade överlägsen effektivitet vid kollagenextraktion och uppnådde ett utbyte på 6,2%, medan utbytet vid konventionell extraktion var 2,4%. Bäst resultat uppnåddes vid en ultraljudsextraktionstid på 18 h. Det extraherade kollagenet uppvisade en oskadad, sammanhängande helixstruktur, god löslighet och ganska hög termisk stabilitet. Detta innebär att ultraljudsassisterad pepsinextraktion förbättrade effektiviteten vid extraktion av naturligt kollagen utan att försämra kvaliteten på det resulterande kollagenet. (Ran and Wang 2014)

Ultraljudsassisterad papainextraktion: Kollagen från fiskfjäll kan extraheras effektivt genom papainhydrolys i kombination med förbehandling med ultraljud. För ultraljudsassisterad papainextraktion av kollagen från fiskfjäll befanns följande processparametrar vara optimala: förbehandling med ultraljud under 4min, ett förhållande mellan papain och fiskfjäll på 4%, en temperatur på 60°C och en total extraktionstid på 5h. Under dessa optimala förhållanden nådde extraktionsgraden för kollagen 90,7%. (Jiang et al. 2011)

Ultraljudsassisterad syraextraktion

I en studie av Kim et al. (2012) visade extraktion av syralösligt kollagen från huden på japansk havsabborre (Lateolabrax japonicus) ett ökat utbyte och en kortare extraktionstid efter ultraljudsbehandling vid en frekvens på 20 kHz i 0,5 M ättiksyra. Extraktion med ultraljud förändrade inte kollagenets huvudsakliga beståndsdelar, närmare bestämt α1-, α2- och β-kedjorna.

Ultraljudsextraktion av protein från äggskal

Enzymatiska hydrolysat som förbehandlats med ultraljud hade bättre funktionella egenskaper. Vid ultraljudsextraktion av funktionella proteinhydrolysat från hönsäggskal förbättras lösligheten samt de emulgerande, skumbildande och vattenhållande egenskaperna.
Äggskalsmembran är en rikligt förekommande naturresurs och består av cirka 64 proteiner, däribland kollagen av typ I, V och X, lysozym, osteopontin och sialoprotein. Detta gör äggskal till en intressant råvara för extraktion av proteiner. Med ultraljudsextraktion kan proteinfrisättningen och funktionaliteten förbättras avsevärt, vilket ger en snabb, effektiv och ekonomisk process.

Ultraljudsassisterad alkalisk extraktion

för att extrahera och lösliggöra dessa proteiner
Vid proteinextraktion från äggskalsmembran gav behandlingen med ultraljud och alkali ett utbyte av lösliggjort protein nära 100% av äggskalsmembranets totala proteininnehåll. Ultraljudskavitation lösgjorde större proteinklumpar från äggskalsmembranet och underlättade lösliggörandet av dess beståndsdelar. Proteinernas struktur och egenskaper skadades inte av ultraljudsbehandlingen utan förblev intakta. Proteinernas antioxidativa egenskaper var desamma vid ultraljudsassisterad alkalisk behandling som vid konventionell extraktion.

Ultraljudsextraktion av gelatin

Frysta och lufttorkade skinn från pollock behandlades med kalla saltlösningar, alkaliska lösningar och sura lösningar för att separera kollagenvävnad och extrahera gelatin genom denaturering av kollagen vid 45°C under fyra timmar, med behandling med högeffektsultraljud som processhjälpmedel. Gelatinutbyte, pH, klarhet, gelstyrka och viskoelastiska egenskaper samt molekylviktsfördelning bestämd med PAGE-SDS-metoden utvärderades. Gelatin som extraherats i ett vattenbad vid 45°C under fyra timmar användes som kontroll. Behandlingen med högeffektsultraljud ökade extraktionsutbytet med 11,1% jämfört med kontrollen, medan gelstyrkan minskade med 7%. Gelningstemperaturen var också lägre i ultraljudsextraherat gelatin (4,2°C). Detta beteende är relaterat till skillnader i molekylviktsfördelningen hos polypeptidspiraler i gelatin. Extraktion med högeffektsultraljud kan användas för att öka gelatinextraktionen från frysta och lufttorkade fiskskinn. (Olson et al. 2005)

Industriella ultraljudssystem

Hielscher Ultrasonics tillhandahåller kraftfulla ultraljudssystem för laboratorieskala, bänkskala och industriell skala. För att säkerställa optimalt extraktionsutbyte kan tillförlitlig ultraljudsbehandling utföras kontinuerligt under krävande förhållanden. Alla industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, sju dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, sju dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer.
Kontakta oss redan idag med era processkrav! Vi rekommenderar gärna ett lämpligt ultraljudssystem för er process!