การผลิตโอลิโกแซ็กคาไรด์จากนมมนุษย์สังเคราะห์ทางชีวภาพ

การสังเคราะห์ทางชีวภาพของโอลิโกแซ็กคาไรด์จากนมมนุษย์ (HMO) ผ่านการหมักหรือปฏิกิริยาเอนไซม์เป็นกระบวนการที่ซับซ้อน สิ้นเปลือง และมักจะให้ผลผลิตต่ํา อัลตราโซนิกช่วยเพิ่มการถ่ายโอนมวลระหว่างสารตั้งต้นและโรงงานเซลล์และกระตุ้นการเจริญเติบโตของเซลล์และการเผาผลาญ ด้วยเหตุนี้ sonication จะเพิ่มความเข้มข้นในการหมักและกระบวนการทางชีวเคมีส่งผลให้การผลิต HMO เร่งขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

โอลิโกแซ็กคาไรด์จากนมมนุษย์

โอลิโกแซ็กคาไรด์จากนมมนุษย์ (HMOs) หรือที่เรียกว่าไกลแคนจากนมมนุษย์เป็นโมเลกุลของน้ําตาลซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มโอลิโกแซ็กคาไรด์ ตัวอย่างที่โดดเด่นของ HMO ได้แก่ 2′-ฟูโคซิลแลคโตส (2′-FL), แลคโต-เอ็น-นีโอเตตระโอส (LNnT), 3′-กาแลคโตซิลแลคโตส (3′-GL) และไดฟูโคซิลแลคโตส (DFL)
ในขณะที่น้ํานมแม่ของมนุษย์ประกอบด้วยโครงสร้าง HMO มากกว่า 150 โครงสร้าง ปัจจุบันมีเพียง 2′-fucosyllactose (2′-FL) และ lacto-N-neotetraose (LNnT) เท่านั้นที่ผลิตในระดับเชิงพาณิชย์และใช้เป็นสารเติมแต่งทางโภชนาการในนมผงสําหรับทารก
โอลิโกแซ็กคาไรด์จากนมมนุษย์ (HMO) เป็นที่รู้จักในด้านโภชนาการของทารก โอลิโกแซ็กคาไรด์จากนมมนุษย์เป็นสารอาหารชนิดหนึ่ง ซึ่งทําหน้าที่เป็นพรีไบโอติก ยาต้านจุลชีพต่อต้านกาว และสารกระตุ้นภูมิคุ้มกันภายในลําไส้ของทารก และมีส่วนสําคัญต่อการพัฒนาสมอง HMOs พบเฉพาะในน้ํานมแม่ของมนุษย์ นมสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่นๆ (เช่น วัว แพะ แกะ อูฐ ฯลฯ) ไม่มีโอลิโกแซ็กคาไรด์ในรูปแบบเฉพาะเหล่านี้
โอลิโกแซ็กคาไรด์จากนมมนุษย์เป็นส่วนประกอบที่เป็นของแข็งที่มีมากเป็นอันดับสามในน้ํานมมนุษย์ ซึ่งสามารถมีอยู่ในรูปแบบละลายน้ําหรืออิมัลชันหรือแขวนลอยในน้ํา แลคโตสและกรดไขมันเป็นของแข็งที่พบในนมมนุษย์มากที่สุด HMO มีอยู่ในความเข้มข้น 0.35–0.88 ออนซ์ (9.9–24.9 กรัม)/ L เป็นที่ทราบกันดีว่ามีโอลิโกแซ็กคาไรด์ในนมมนุษย์ที่มีโครงสร้างแตกต่างกันประมาณ 200 ชนิด โอลิโกแซ็กคาไรด์ที่โดดเด่นใน 80% ของผู้หญิงทั้งหมดคือ 2′-fucosyllactose ซึ่งมีอยู่ในน้ํานมแม่ของมนุษย์ที่ความเข้มข้นประมาณ 2.5 กรัม? ลิตร
เนื่องจาก HMO ไม่ถูกย่อย จึงไม่ก่อให้เกิดโภชนาการในแคลอรี่ คาร์โบไฮเดรตที่ย่อยไม่ได้พวกมันทําหน้าที่เป็นพรีไบโอติกและถูกคัดเลือกหมักโดยจุลินทรีย์ในลําไส้ที่พึงประสงค์โดยเฉพาะไบฟิโดแบคทีเรีย

การสังเคราะห์ทางชีวภาพของโอลิโกแซ็กคาไรด์จากนมมนุษย์

โรงงานเซลล์และระบบเอนไซม์? เคมีเอนไซม์เป็นเทคโนโลยีปัจจุบันที่ใช้สําหรับการสังเคราะห์ HMO สําหรับการผลิต HMO ในระดับอุตสาหกรรมการหมักของโรงงานเซลล์จุลินทรีย์การสังเคราะห์ทางชีวเคมีและปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่แตกต่างกันเป็นวิธีที่เป็นไปได้ในการผลิตทางชีวภาพ HMO เนื่องจากเหตุผลทางเศรษฐกิจการสังเคราะห์ทางชีวภาพผ่านโรงงานเซลล์จุลินทรีย์เป็นเทคนิคเดียวที่ใช้ในระดับการผลิตทางอุตสาหกรรมของ HMO

การหมัก HMOs โดยใช้โรงงานเซลล์จุลินทรีย์

E.coli, Saccharomyces cerevisiae และ Lactococcus lactis เป็นโรงงานเซลล์ที่ใช้กันทั่วไปที่ใช้ในการผลิตโมเลกุลทางชีวภาพเช่น HMO การหมักเป็นกระบวนการทางชีวเคมีโดยใช้จุลินทรีย์เพื่อเปลี่ยนสารตั้งต้นให้เป็นโมเลกุลทางชีวภาพเป้าหมาย โรงงานเซลล์จุลินทรีย์ใช้น้ําตาลธรรมดาเป็นสารตั้งต้น ซึ่งจะเปลี่ยนเป็น HMO เนื่องจากน้ําตาลเชิงเดี่ยว (เช่น แลคโตส) เป็นสารตั้งต้นที่มีปริมาณมากและราคาถูก จึงทําให้กระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพคุ้มค่า
อัตราการเจริญเติบโตและการแปลงทางชีวภาพส่วนใหญ่ได้รับอิทธิพลจากการถ่ายเทมวลของสารอาหาร (สารตั้งต้น) ไปยังจุลินทรีย์ อัตราการถ่ายเทมวลเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ในระหว่างการหมัก อัลตราโซนิกเป็นที่รู้จักกันดีในการส่งเสริมการถ่ายโอนมวล
ในระหว่างการหมัก สภาวะในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพจะต้องได้รับการตรวจสอบและควบคุมอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้เซลล์สามารถเติบโตได้เร็วที่สุด เพื่อผลิตโมเลกุลชีวภาพเป้าหมาย (เช่น โอลิโกแซ็กคาไรด์ เช่น HMOs; อินซูลิน; โปรตีนรีคอมบิแนนท์) ในทางทฤษฎีการสร้างผลิตภัณฑ์จะเริ่มขึ้นทันทีที่การเพาะเลี้ยงเซลล์เริ่มเติบโต อย่างไรก็ตาม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเซลล์ดัดแปลงพันธุกรรม เช่น จุลินทรีย์ที่ผ่านการดัดแปลง มักจะถูกเหนี่ยวนําในภายหลังโดยการเพิ่มสารเคมีลงในสารตั้งต้น ซึ่งจะควบคุมการแสดงออกของชีวโมเลกุลเป้าหมาย เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอัลตราโซนิก (sono-bioreactor) สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยําและช่วยให้สามารถกระตุ้นจุลินทรีย์ได้โดยเฉพาะ ส่งผลให้การสังเคราะห์ทางชีวภาพเร็วขึ้นและให้ผลผลิตสูงขึ้น
การสลายและการสกัดด้วยอัลตราโซนิก: การหมัก HMOs ที่ซับซ้อนอาจถูกจํากัดโดยไตเตอร์การหมักต่ําและผลิตภัณฑ์ที่เหลืออยู่ในเซลล์ การสลายและการสกัดด้วยอัลตราโซนิกใช้เพื่อปลดปล่อยวัสดุภายในเซลล์ก่อนการทําให้บริสุทธิ์และกระบวนการปลายน้ํา

การหมักที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิก

อัตราการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์เช่น Escherichia coli, E.coli วิศวกรรม, Saccharomyces cerevisiae และ Lactococcus lactis สามารถเร่งได้โดยการเพิ่มอัตราการถ่ายเทมวลและการซึมผ่านของผนังเซลล์โดยใช้อัลตราโซนิกความถี่ต่ําที่ควบคุมได้ ในฐานะที่เป็นเทคนิคการประมวลผลที่ไม่รุนแรงและไม่ผ่านความร้อนอัลตราโซนิกจะใช้แรงเชิงกลล้วนๆ ลงในน้ําซุปหมัก
Acoustic Cavitation: หลักการทํางานของ sonication ขึ้นอยู่กับโพรงอากาศอะคูสติก โพรบอัลตราโซนิก (sonotrode) จับคู่คลื่นอัลตราซาวนด์ความถี่ต่ําเข้ากับตัวกลาง คลื่นอัลตราซาวนด์เดินทางผ่านของเหลวทําให้เกิดแรงดันสูง (การบีบอัด) สลับกัน? วงจรความดันต่ํา (หายาก) โดยการบีบอัดและยืดของเหลวในรอบสลับกันฟองสูญญากาศขนาดเล็กจะเกิดขึ้น ฟองอากาศสูญญากาศขนาดเล็กเหล่านี้เติบโตในหลายรอบจนกว่าจะถึงขนาดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีก ฟองอากาศสูญญากาศจะระเบิดอย่างรุนแรงและสร้างสภาวะที่รุนแรงในท้องถิ่น หรือที่เรียกว่าปรากฏการณ์โพรงอากาศ ในโพรงอากาศ “ฮอตสปอต”สามารถสังเกตความแตกต่างของแรงดันและอุณหภูมิสูงและแรงเฉือนที่รุนแรงด้วยไอพ่นของเหลวสูงถึง 280 ม./วินาที ด้วยผลกระทบของโพรงอากาศเหล่านี้การถ่ายเทมวลและ sonoporation อย่างทั่วถึง (การเจาะผนังเซลล์และเยื่อหุ้มเซลล์) สารอาหารของสารตั้งต้นจะถูกลอยไปยังและเข้าสู่เซลล์ทั้งหมดที่มีชีวิตเพื่อให้โรงงานเซลล์ได้รับการบํารุงอย่างเหมาะสมและการเจริญเติบโตตลอดจนอัตราการแปลงจะเร่งขึ้น เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอัลตราโซนิกเป็นกลยุทธ์ที่เรียบง่าย แต่มีประสิทธิภาพสูงในการประมวลผลชีวมวลในกระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพแบบหม้อเดียว
การ sonication ที่ควบคุมได้อย่างแม่นยําและอ่อนโยนเป็นที่รู้จักกันดีว่าเพิ่มกระบวนการหมัก
Sonication ดีขึ้น “ผลผลิตของกระบวนการทางชีวภาพจํานวนมากที่เกี่ยวข้องกับเซลล์ที่มีชีวิตผ่านการเพิ่มการดูดซึมสารตั้งต้น การผลิตหรือการเจริญเติบโตที่เพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มความพรุนของเซลล์ และการปลดปล่อยส่วนประกอบของเซลล์ที่อาจเพิ่มขึ้น” (Naveena et al. 2015)
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการหมักด้วยอัลตราโซนิก!

Naveena et al. (2015) พบว่าการเพิ่มความเข้มข้นของอัลตราโซนิกมีข้อดีหลายประการในระหว่างการประมวลผลทางชีวภาพรวมถึงต้นทุนการดําเนินงานที่ต่ําเมื่อเทียบกับตัวเลือกการรักษาที่เพิ่มขึ้นอื่น ๆ ความเรียบง่ายในการใช้งานและความต้องการพลังงานที่พอเหมาะ

เครื่องปฏิกรณ์การหมักอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูง

กระบวนการหมักเกี่ยวข้องกับจุลินทรีย์ที่มีชีวิต เช่น แบคทีเรียหรือยีสต์ ซึ่งทําหน้าที่เป็นโรงงานเซลล์ ในขณะที่ sonication ถูกนําไปใช้เพื่อส่งเสริมการถ่ายโอนมวลและเพิ่มการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์และอัตราการแปลงเป็นสิ่งสําคัญที่จะต้องควบคุมความเข้มของอัลตราโซนิกอย่างแม่นยําเพื่อหลีกเลี่ยงการทําลายโรงงานเซลล์
Hielscher Ultrasonics เป็นผู้เชี่ยวชาญในการออกแบบผลิตและจัดจําหน่ายเครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงซึ่งสามารถควบคุมและตรวจสอบได้อย่างแม่นยําเพื่อให้แน่ใจว่าผลผลิตการหมักที่เหนือกว่า

การควบคุมกระบวนการไม่เพียงแต่จําเป็นสําหรับผลผลิตสูงและคุณภาพที่เหนือกว่า แต่ยังช่วยให้สามารถทําซ้ําและสร้างผลลัพธ์ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพูดถึงการกระตุ้นโรงงานเซลล์การปรับตัวเฉพาะเซลล์ของพารามิเตอร์ sonication เป็นสิ่งสําคัญเพื่อให้ได้ผลผลิตสูงและเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพของเซลล์ ดังนั้นเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher รุ่นดิจิทัลทั้งหมดจึงติดตั้งซอฟต์แวร์อัจฉริยะซึ่งช่วยให้คุณสามารถปรับตรวจสอบและแก้ไขพารามิเตอร์ sonication ได้ พารามิเตอร์กระบวนการอัลตราโซนิกเช่นแอมพลิจูดอุณหภูมิความดันระยะเวลาการ sonication รอบการทํางานและพลังงานที่ป้อนเป็นสิ่งจําเป็นในการส่งเสริมการผลิต HMO ผ่านการหมัก
ซอฟต์แวร์อัจฉริยะของเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher จะบันทึกพารามิเตอร์กระบวนการที่สําคัญทั้งหมดโดยอัตโนมัติบนการ์ด SD ในตัว การบันทึกข้อมูลอัตโนมัติของกระบวนการ sonication เป็นรากฐานสําหรับการกําหนดมาตรฐานกระบวนการและความสามารถในการทําซ้ํา? ความสามารถในการทําซ้ําซึ่งจําเป็นสําหรับแนวทางปฏิบัติที่ดีในการผลิต (GMP)

อัลตราโซนิก Rectors สําหรับการหมัก

Hielscher นําเสนอโพรบอัลตราโซนิกที่มีขนาดความยาวและรูปทรงเรขาคณิตต่างๆซึ่งสามารถใช้สําหรับชุดและการรักษาแบบไหลผ่านอย่างต่อเนื่อง เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกหรือที่เรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพโซโนมีให้สําหรับปริมาณใด ๆ ที่ครอบคลุมการประมวลผลทางชีวภาพอัลตราโซนิกตั้งแต่ตัวอย่างห้องปฏิบัติการขนาดเล็กไปจนถึงระดับการผลิตนําร่องและเชิงพาณิชย์อย่างเต็มที่
เป็นที่ทราบกันดีว่าตําแหน่งของ sonotrode อัลตราโซนิกในภาชนะปฏิกิริยามีอิทธิพลต่อการกระจายของโพรงอากาศและการสตรีมขนาดเล็กภายในตัวกลาง ควรเลือกเครื่องปฏิกรณ์ Sonotrode และอัลตราโซนิกตามปริมาตรการประมวลผลของน้ําซุปเซลล์ ในขณะที่ sonication สามารถทําได้เป็นชุดและในโหมดต่อเนื่องสําหรับปริมาณการผลิตที่สูงแนะนําให้ใช้การติดตั้งแบบไหลต่อเนื่อง ผ่านเซลล์การไหลอัลตราโซนิกตัวกลางเซลล์ทั้งหมดจะได้รับการสัมผัสกับ sonication เท่ากันทุกประการเพื่อให้มั่นใจว่าการรักษาที่มีประสิทธิภาพสูงสุด Hielscher Ultrasonics โพรบอัลตราโซนิกและเครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหลที่หลากหลายช่วยให้สามารถประกอบการตั้งค่าการประมวลผลทางชีวภาพอัลตราโซนิกในอุดมคติ

Hielscher Ultrasonics – จากห้องปฏิบัติการสู่การนําร่องไปจนถึงการผลิต

Hielscher Ultrasonics ครอบคลุมสเปกตรัมทั้งหมดของอุปกรณ์อัลตราโซนิกที่นําเสนอโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกมือถือขนาดกะทัดรัดสําหรับการเตรียมตัวอย่างไปยังระบบตั้งโต๊ะและระบบนําร่องตลอดจนหน่วยอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมที่มีประสิทธิภาพซึ่งประมวลผลรถบรรทุกต่อชั่วโมงได้อย่างง่ายดาย ด้วยความหลากหลายและยืดหยุ่นในตัวเลือกการติดตั้งและการติดตั้งเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher สามารถรวมเข้ากับเครื่องปฏิกรณ์แบทช์ทุกชนิดชุดป้อนหรือการตั้งค่าการไหลผ่านอย่างต่อเนื่องได้อย่างง่ายดาย
อุปกรณ์เสริมต่างๆรวมถึงชิ้นส่วนที่กําหนดเองช่วยให้สามารถปรับการตั้งค่าอัลตราโซนิกของคุณให้เข้ากับความต้องการของกระบวนการของคุณได้
สร้างขึ้นสําหรับการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันภายใต้ภาระเต็มที่และงานหนักในสภาวะที่ต้องการโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกของ Hielscher มีความน่าเชื่อถือและต้องการการบํารุงรักษาต่ําเท่านั้น
ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: