Ultrasonik Kolajen Ekstraksiyonu
- Kolajen protein bakımından zengindir ve gıda, ilaç, katkı maddeleri vb. çok çeşitli endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılır.
- Sonikasyon, kolajenin enzimatik veya asitle ekstraksiyonuyla kolayca birleştirilebilir.
- Ultrasonun kolajen ekstraksiyon prosesine dahil edilmesi, daha yüksek verim ve daha hızlı ekstraksiyon sağlar.
Ultrasonun Kolajen Ekstraksiyonu Üzerindeki Etkileri
Yüksek yoğunluklu ultrason, ekstraksiyon, sonokimya vb. ıslak proseslerde kütle transferini iyileştirmek için yaygın olarak kullanılır. Kolajenin ekstraksiyonu (kolajen izolasyonu olarak da bilinir), ultrasonik işlemle önemli ölçüde iyileştirilebilir. Sonikasyon, kolajen substratının parçalanmasına yardımcı olur ve kolajen fibrillerini açar; böylece enzimatik hidroliz veya asitle işlem kolaylaşır.
Ultrason Destekli Enzimatik Ekstraksiyon
Sonikasyon, enzim aktivitesini artırma yeteneğiyle bilinir. Bu etki, pepsin agregatlarının ultrasonik dispersiyonuna ve deaglomerasyonuna dayanır. Homojen olarak disperse edilmiş enzimler, kütle transferi için daha geniş bir yüzey sunar; bu da daha yüksek enzim aktivitesiyle ilişkilidir. Ayrıca güçlü ultrason dalgaları, kolajenin serbest kalmasını sağlayacak şekilde kolajen fibrillerini açar.
Ultrasonik Pepsin Ekstraksiyonu: Ultrasonikasyonla birleştirilen pepsin, kolajen verimini yaklaşık %124’e kadar artırır ve geleneksel pepsin hidrolizine kıyasla ekstraksiyon süresini önemli ölçüde kısaltır. Dairesel dikroizm analizi, atomik kuvvet mikroskopisi ve FTIR, ekstrakte edilen kolajenin üçlü sarmal yapısının sonikasyondan etkilenmediğini ve bozulmadan kaldığını kanıtlamıştır. (Li et al. 2009) Bu durum, önemli ölçüde daha kısa bir işlem süresinde daha yüksek protein geri kazanım oranları sunan ultrason destekli pepsin ekstraksiyonunu gıda endüstrisi için son derece kullanışlı hale getirir.
Sığır tendonundan kolajenin ultrasonik ve ultrason kullanılmadan ekstraksiyonunun karşılaştırıldığı bir çalışmada, ultrasonik işlem (20kHz, darbe modu 20/20 sec.) daha yüksek verimi ve etkinliğiyle öne çıkmıştır. Geleneksel ekstraksiyon, asetik asit içinde pepsinle 48 saat boyunca gerçekleştirilmiştir. Ultrasonik ekstraksiyon aynı koşullarda gerçekleştirilmiş, ancak sonikasyona (3–24 h) ve pepsine (24–45 saat) maruz kalma süreleri değiştirilerek toplam 48 saatlik işlem uygulanmıştır. Ultrasonik-pepsin ekstraksiyonu, kolajen ekstraksiyonunda üstün etkinlik göstermiş ve %6,2 verime ulaşırken geleneksel ekstraksiyonun verimi %2,4 olmuştur. En iyi sonuçlar, 18 h ultrasonik ekstraksiyon süresinde elde edilmiştir. Ekstrakte edilen kolajen, hasar görmemiş kesintisiz bir sarmal yapı, iyi çözünürlük ve oldukça yüksek termal kararlılık göstermiştir. Bu, ultrasonik-pepsin ekstraksiyonunun, elde edilen kolajenin kalitesine zarar vermeden doğal kolajenin ekstraksiyon etkinliğini artırdığı anlamına gelir. (Ran and Wang 2014)
Ultrason Destekli Asitle Ekstraksiyon
Kim et al. (2012) tarafından yapılan bir çalışmada, Japon levreğinin (Lateolabrax japonicus) derisinden asitte çözünür kolajenin ekstraksiyonu, 0,5 M asetik asit içinde 20 kHz frekansta uygulanan ultrasonik işlem sonrasında daha yüksek verim ve daha kısa ekstraksiyon süresi göstermiştir. Ultrasonla ekstraksiyon, kolajenin başlıca bileşenlerini, daha özel olarak α1, α2 ve β zincirlerini değiştirmemiştir.
Yumurta Kabuklarından Ultrasonik Protein Ekstraksiyonu
Ultrasonik ön işlem uygulanmış enzimatik hidrolizatlar daha iyi fonksiyonel özelliklere sahip olmuştur. Tavuk yumurtası kabuğundan fonksiyonel protein hidrolizatlarının ultrasonik ekstraksiyonunda çözünürlük, emülsiyon oluşturma, köpük oluşturma ve su tutma özellikleri iyileşir.
Yumurta kabuğu zarı, bol bulunan doğal bir kaynaktır ve Tip I, V ve X kolajen, lizozim, osteopontin ve sialoprotein dahil yaklaşık 64 proteinden oluşur. Bu, yumurta kabuklarını protein ekstraksiyonu için ilgi çekici bir hammadde haline getirir. Ultrasonik ekstraksiyonla proteinlerin serbest kalması ve fonksiyonelliği önemli ölçüde iyileştirilebilir; bunun sonucunda hızlı, etkin ve ekonomik bir proses elde edilir.
Ultrasonik prosesler: Laboratuvar ölçeğinden Endüstriyel ölçeğe
Ultrason Destekli Alkali Ekstraksiyonu
bu proteinleri ekstrakte etmek ve çözünür hale getirmek için
Yumurta kabuğu zarından protein ekstraksiyonunda, ultrasonik-alkali işlem sonucunda toplam yumurta kabuğu zarı proteininin %100’üne yakın çözünür hale getirilmiş protein verimi elde edilmiştir. Ultrasonik kavitasyon, daha büyük protein kümelerini yumurta kabuğu zarından ayırmış ve zarın bileşenlerinin çözünür hale gelmesini kolaylaştırmıştır. Proteinlerin yapısı ve özellikleri sonikasyondan zarar görmemiş ve bozulmadan kalmıştır. Proteinlerin antioksidan özellikleri, ultrason destekli alkali işlemde ve geleneksel ekstraksiyonda aynı olmuştur.
Ultrasonik Jelatin Ekstraksiyonu
Dondurulmuş ve havada kurutulmuş pollok balığı derileri, kolajen dokusunu ayırmak ve proses yardımcısı olarak güç ultrasonu işlemi kullanılarak 45°C’de dört saat boyunca kolajen denatürasyonuyla jelatin ekstrakte etmek için soğuk tuzlu, alkali ve asit çözeltileriyle işlenmiştir. Jelatin verimi, pH, berraklık, jel dayanımı ve viskoelastik özelliklerin yanı sıra PAGE-SDS yöntemiyle belirlenen moleküler ağırlık dağılımı değerlendirilmiştir. 45°C’de dört saat boyunca su banyosunda ekstrakte edilen jelatin kontrol olarak kullanılmıştır. Güç ultrasonu işlemi, kontrole kıyasla ekstraksiyon verimini %11,1 artırırken jel dayanımı %7 azalmıştır. Ultrasonla ekstrakte edilen jelatinde jelleşme sıcaklığı da daha düşük olmuştur (4,2°C). Bu davranış, jelatinlerdeki polipeptit yumaklarının moleküler ağırlık dağılımındaki farklılıklarla ilişkilidir. Güç ultrasonuyla ekstraksiyon, dondurulmuş ve havada kurutulmuş balık derilerinden jelatin ekstraksiyonunu artırmak için kullanılabilir. (Olson et al. 2005)
Endüstriyel Ultrasonik Sistemler
Hielscher Ultrasonics, laboratuvar ölçeğinden tezgâh üstü ve endüstriyel ölçeğe kadar güçlü ultrasonik sistemler sunar. Optimum ekstraksiyon çıktısını sağlamak için zorlu koşullarda güvenilir sonikasyon kesintisiz olarak gerçekleştirilebilir. Tüm endüstriyel ultrasonik işlemciler çok yüksek genlikler sağlayabilir. 200µm’ye kadar genliklerle 24/7 işletimde kolayca ve kesintisiz çalışılabilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur. Hielscher ultrasonik ekipmanlarının sağlamlığı, ağır hizmet koşullarında ve zorlu ortamlarda 24/7 işletime olanak tanır.
Proses gereksinimlerinizle ilgili bugün bizimle iletişime geçin! Prosesiniz için uygun bir ultrasonik sistem önermekten memnuniyet duyarız!
Hielscher yüksek güçlü ultrasonik homojenizatörleri, laboratuvardan üretime kadar her proses ölçeği için mevcuttur.
Literatür/Kaynaklar
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Ultrason destekli ardışık asit/alkali izoelektrik çözündürme-çöktürme (ISP) ekstraksiyonu kullanılarak bütün uskumrudan optimize edilmiş protein geri kazanımı. LWT – Food Science and Technology Cilt 88, February 2018. 210–216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Ultrason destekli ekstraksiyon (UAE) ve enzimatik hidroliz yoluyla tavuk yumurtası kabuğu zarından (ESM) fonksiyonel protein hidrolizatlarının ekstraksiyonunun optimizasyonu. LWT – Food Science and Technology Cilt 69, June 2016. 295–302.
- Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, N.H. (2012): Ultrasonik işlemin Lateolabrax japonicus levreğinin derilerinden kolajen ekstraksiyonu üzerindeki etkileri. Fisheries Science Cilt 78, Sayı 78; 2013. 485–490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Kolajenin enzimatik ekstraksiyonunda ultrasonik ışınlama. Ultrasonics Sonochemistry Cilt 16, Sayı 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): Balık jelatini ekstraksiyonu için proses yardımcısı olarak güç ultrasonunun değerlendirilmesi. Toplantı Özeti No. 71C-26. IFT Yıllık Toplantısı. July 2005. New Orleans, LA.
- Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): Et endüstrisi yan ürünlerinden kolajen ekstraksiyonu için ultrasonik işlemin ve pepsin işleminin birlikte kullanımı. 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): Kolajen ekstraksiyon prosesi. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913–922.
- Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Bombyx mori ipek suşunun ve ekstraksiyon süresinin serisinin moleküler ve biyolojik özellikleri üzerindeki etkileri. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Cilt 80 , Sayı 2, 2016. 241–249.
- Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): Ultrasonik ön işlem altında papainle balık pullarından kolajen ekstraksiyonu. Advanced Materials Research, Cilt 366, 2011. 421–424.
Bilinmesi Gerekenler
Kolajen
Kolajen, hayvan vücutlarındaki çeşitli bağ dokularının hücre dışı alanında bulunan başlıca yapısal proteindir. Bağ dokusunun ana bileşeni olan kolajen, memelilerde en bol bulunan proteindir[1] ve tüm vücudun protein içeriğinin %25 ile %35’ini oluşturur. Kolajen, uzamış fibrilleri oluşturmak üzere üçlü sarmallar meydana getirecek şekilde birbirine sarılmış amino asitlerden oluşur. En yüksek miktarda kolajen, tendonlar, bağlar ve deri gibi fibröz dokularda bulunur. Birbirinden ayırt edilmesi gereken üç kolajen tipi vardır:
Tip I kolajen: deri, saç, tırnaklar, organlar, kemik ve bağlardaki proteinin %90’ını sağlar
Tip II kolajen: kıkırdaktaki proteinin %50–60’ını, eklem kıkırdağındaki kolajenin %85–90’ını sağlar
Tip III kolajen: kemik, kıkırdak, dentin, tendon ve diğer bağ dokularındaki fibröz proteine proteinler sağlar
Vücutta Kolajen
Üç kolajen tipinin her biri, vücutta farklı amaçlara hizmet eden farklı proteinlerden oluşur. Tip I ve III kolajenin her ikisi de deri, kaslar, kemik, saç ve tırnağın ana bileşenleridir. Bunların sağlığı, büyümesi ve yeniden yapılanması için gereklidirler. Tip II kolajen çoğunlukla kıkırdak ve eklemlerde bulunur.
Tip I ve III kolajenin her ikisi de esansiyel amino asit olarak kabul edilen 19 amino asit içerir. Fibroblastlar (bağ dokularındaki hücreler) ve osteoblastlar (kemik oluşturan hücreler) tarafından üretilirler. Tip I ve III kolajendeki en önemli proteinler arasında glisin, prolin, alanin ve hidroksiprolin bulunur. Tip III, fibröz bir skleroproteindir.
Glisin, kolajende en yüksek miktarda bulunan amino asittir. Prolin, glisinden sentezlenebilen ve eklemler ile tendonlara katkıda bulunan, esansiyel olmayan bir amino asittir. Hidroksiprolin, kolajenin kararlılığına katkıda bulunan bir amino asittir. Alanin, proteinlerin biyosentezi için önemli bir amino asittir.
Tip I ve III gibi Tip II kolajen de fibriller oluşturur. Kolajenin bu fibriler ağı, proteoglikanların tutulmasına olanak tanıdığı için kıkırdakta önemlidir. Ayrıca dokuya çekme dayanımı sağlar.
Kaynaklar ve Kullanım Alanları
Kolajen, sığır ve domuz gibi memelilerin bağ dokusunda bol miktarda bulunan fibröz bir proteindir. Kolajenin büyük bölümü
domuz derilerinden ve kemiklerinden ve sığır kaynaklarından ekstrakte edilir. Balıklar ve kümes hayvanları, kolajen ekstraksiyonu için alternatif kaynaklardır. Kolajen, diğer ürünlerin yanı sıra gıdalarda, besin takviyelerinde, ilaçlarda/tıbbi ürünlerde ve kozmetiklerde yaygın olarak kullanılır. Bu protein, çeşitli endüstriyel proseslerde sentetik maddelerin yerini alabildiğinden kolajen ekstraksiyonu büyüyen bir iş alanıdır.