Chiết xuất collagen bằng siêu âm
- Collagen giàu protein và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp, ví dụ như thực phẩm, dược phẩm, phụ gia, v.v.
- Có thể dễ dàng kết hợp xử lý siêu âm với chiết xuất collagen bằng enzyme hoặc axit.
- Việc ứng dụng siêu âm vào quy trình chiết xuất collagen giúp tăng hiệu suất thu hồi và rút ngắn thời gian chiết xuất.
Tác động của siêu âm đối với quá trình chiết xuất collagen
Siêu âm cường độ cao được sử dụng rộng rãi để cải thiện quá trình truyền khối trong các quy trình ướt, ví dụ như chiết xuất, hóa học siêu âm, v.v. Quá trình chiết xuất collagen (còn gọi là phân lập collagen) có thể được cải thiện đáng kể bằng xử lý siêu âm. Xử lý siêu âm hỗ trợ quá trình phân cắt cơ chất collagen, làm mở cấu trúc các vi sợi collagen, qua đó tạo thuận lợi cho quá trình thủy phân bằng enzyme hoặc xử lý bằng axit.
Chiết xuất bằng enzyme có hỗ trợ siêu âm
Xử lý siêu âm được biết đến với khả năng tăng hoạt tính enzyme. Tác động này dựa trên sự phân tán và phá vỡ các khối kết tụ pepsin bằng siêu âm. Các enzyme được phân tán đồng đều cung cấp diện tích bề mặt lớn hơn cho quá trình truyền khối, điều này có tương quan với hoạt tính enzyme cao hơn. Ngoài ra, sóng siêu âm mạnh làm mở cấu trúc các vi sợi collagen, nhờ đó collagen được giải phóng.
Chiết xuất bằng pepsin kết hợp siêu âm: Pepsin kết hợp với xử lý siêu âm làm tăng hiệu suất thu hồi collagen lên đến khoảng 124% và rút ngắn đáng kể thời gian chiết xuất so với quá trình thủy phân bằng pepsin thông thường. Phân tích lưỡng sắc tròn, kính hiển vi lực nguyên tử và FTIR đã chứng minh rằng cấu trúc xoắn ba của collagen được chiết xuất không bị ảnh hưởng bởi xử lý siêu âm và vẫn nguyên vẹn. (Li et al. 2009) Điều này khiến phương pháp chiết xuất bằng pepsin có hỗ trợ siêu âm có tính ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp thực phẩm, giúp tăng tỷ lệ thu hồi protein trong thời gian xử lý ngắn hơn đáng kể.
Trong một nghiên cứu so sánh chiết xuất collagen từ gân bò có và không sử dụng siêu âm, phương pháp xử lý siêu âm (20kHz, chế độ xung 20/20 giây) cho thấy ưu thế nhờ hiệu suất thu hồi và hiệu quả cao hơn. Quá trình chiết xuất thông thường được thực hiện bằng pepsin trong axit axetic trong 48 giờ. Quá trình chiết xuất bằng siêu âm được thực hiện trong cùng điều kiện, nhưng thời gian xử lý bằng siêu âm (3 đến 24 h) và pepsin (24 đến 45 giờ) được thay đổi, với tổng thời gian xử lý là 48 giờ. Phương pháp chiết xuất kết hợp siêu âm và pepsin cho thấy hiệu quả chiết xuất collagen vượt trội, đạt hiệu suất thu hồi 6,2%, trong khi hiệu suất thu hồi của phương pháp chiết xuất thông thường là 2,4%. Kết quả tốt nhất đạt được khi thời gian chiết xuất bằng siêu âm là 18 h. Collagen được chiết xuất có cấu trúc xoắn liên tục không bị hư hại, độ hòa tan tốt và độ ổn định nhiệt khá cao. Điều này có nghĩa là phương pháp chiết xuất kết hợp siêu âm và pepsin đã cải thiện hiệu quả chiết xuất collagen tự nhiên mà không làm suy giảm chất lượng collagen thu được. (Ran and Wang 2014)
Chiết xuất bằng axit có hỗ trợ siêu âm
Trong một nghiên cứu của Kim et al. (2012), quá trình chiết xuất collagen hòa tan trong axit từ da cá vược Nhật Bản (Lateolabrax japonicus) cho thấy hiệu suất thu hồi tăng và thời gian chiết xuất giảm sau khi xử lý siêu âm ở tần số 20 kHz trong axit axetic 0,5 M. Chiết xuất bằng siêu âm không làm thay đổi các thành phần chính của collagen, cụ thể là các chuỗi α1, α2 và β.
Chiết xuất protein từ vỏ trứng bằng siêu âm
Các sản phẩm thủy phân bằng enzyme được tiền xử lý bằng siêu âm có đặc tính chức năng tốt hơn. Khi chiết xuất các sản phẩm thủy phân protein có chức năng từ vỏ trứng gà bằng siêu âm, độ hòa tan, khả năng nhũ hóa, tạo bọt và giữ nước được cải thiện.
Màng vỏ trứng là một nguồn tài nguyên thiên nhiên dồi dào và chứa khoảng 64 loại protein, bao gồm collagen loại I, V và X, lysozyme, osteopontin và sialoprotein. Điều này khiến vỏ trứng trở thành nguyên liệu đáng quan tâm để chiết xuất protein. Với phương pháp chiết xuất bằng siêu âm, khả năng giải phóng protein và các đặc tính chức năng của protein có thể được cải thiện đáng kể, tạo nên một quy trình nhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm.
Các quy trình siêu âm: Từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp
Chiết xuất bằng kiềm có hỗ trợ siêu âm
để chiết xuất và hòa tan các protein này
Đối với việc chiết xuất protein từ màng vỏ trứng, xử lý bằng kiềm kết hợp siêu âm cho hiệu suất thu hồi protein hòa tan đạt gần 100% tổng lượng protein trong màng vỏ trứng. Hiện tượng xâm thực siêu âm tách các cụm protein lớn hơn ra khỏi màng vỏ trứng và tạo thuận lợi cho việc hòa tan các hợp chất cấu thành màng. Cấu trúc và đặc tính của protein không bị tổn hại do xử lý siêu âm và vẫn nguyên vẹn. Các đặc tính chống oxy hóa của protein là như nhau khi xử lý bằng kiềm có hỗ trợ siêu âm và khi chiết xuất theo phương pháp thông thường.
Chiết xuất gelatin bằng siêu âm
Da cá minh thái đông lạnh và da cá minh thái được làm khô bằng không khí được xử lý bằng các dung dịch nước muối lạnh, kiềm và axit để tách mô collagen và chiết xuất gelatin thông qua biến tính collagen ở 45°C trong bốn giờ, với xử lý siêu âm công suất cao làm biện pháp hỗ trợ quá trình. Hiệu suất thu hồi gelatin, pH, độ trong, độ bền gel và các đặc tính nhớt đàn hồi, cũng như phân bố khối lượng phân tử được xác định bằng phương pháp PAGE-SDS, đã được đánh giá. Gelatin được chiết xuất trong bể cách thủy ở 45°C trong bốn giờ được dùng làm đối chứng. Xử lý siêu âm công suất cao làm tăng hiệu suất chiết xuất thêm 11,1% so với đối chứng, trong khi độ bền gel giảm 7%. Nhiệt độ tạo gel cũng thấp hơn ở gelatin được chiết xuất bằng siêu âm (4,2°C). Đặc điểm này liên quan đến sự khác biệt trong phân bố khối lượng phân tử của các cuộn polypeptide trong gelatin. Chiết xuất bằng siêu âm công suất cao có thể được sử dụng để tăng lượng gelatin chiết xuất từ da cá đông lạnh và da cá được làm khô bằng không khí. (Olson và cộng sự 2005)
Các hệ thống siêu âm công nghiệp
Hielscher Ultrasonics cung cấp các hệ thống siêu âm mạnh mẽ từ quy mô phòng thí nghiệm đến hệ thống để bàn và quy mô công nghiệp. Để đảm bảo sản lượng chiết xuất tối ưu, quá trình xử lý siêu âm đáng tin cậy có thể được thực hiện liên tục trong các điều kiện khắt khe. Tất cả các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp đều có thể cung cấp biên độ rất cao. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Đối với các biên độ còn cao hơn, có sẵn các đầu phát siêu âm được tùy chỉnh. Độ bền của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong các môi trường khắt khe.
Hãy liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay và cho biết các yêu cầu về quy trình của bạn! Chúng tôi rất sẵn lòng đề xuất một hệ thống siêu âm phù hợp với quy trình của bạn!
Các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm công suất cao của Hielscher có sẵn cho mọi quy mô quy trình – từ phòng thí nghiệm đến sản xuất.
Tài liệu/Tài liệu tham khảo
- Álvarez, Carlos; Lélu, Pauline; Lynch, Sarah A.; Tiwari, Brijesh K. (2018): Tối ưu hóa việc thu hồi protein từ cá thu nguyên con bằng phương pháp chiết xuất hòa tan và kết tủa đẳng điện (ISP) tuần tự trong môi trường axit/kiềm có hỗ trợ siêu âm. LWT – Food Science and Technology Tập 88, February 2018. 210–216.
- Jain, Surangna; Kumar Anal, Anil (2016): Tối ưu hóa việc chiết xuất các sản phẩm thủy phân protein có chức năng từ màng vỏ trứng gà (ESM) bằng chiết xuất có hỗ trợ siêu âm (UAE) và thủy phân bằng enzyme. LWT – Food Science and Technology Tập 69, June 2016. 295–302.
- Kim, H.K.; Kim, Y.H.; Kim, Y.J.; Park, H.J.; Lee, N.H. (2012): Ảnh hưởng của xử lý siêu âm đến việc chiết xuất collagen từ da cá vược Lateolabrax japonicus. Fisheries Science Tập 78, Số 78; 2013. 485–490.
- Li, Defu; Mu, Changdao; Cai, Sumei; Lin, Wei (2016): Chiếu xạ siêu âm trong chiết xuất collagen bằng enzyme. Ultrasonics Sonochemistry Tập 16, Số 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): Đánh giá siêu âm công suất cao như một biện pháp hỗ trợ quá trình chiết xuất gelatin từ cá. Tóm tắt hội nghị số 71C-26. Hội nghị thường niên IFT. July 2005. New Orleans, LA.
- Ran, X.G.; Wang, L.Y. (2014): Sử dụng xử lý siêu âm và pepsin nối tiếp để chiết xuất collagen từ phụ phẩm ngành công nghiệp thịt. 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): Quy trình chiết xuất collagen. International Food Research Journal 23(3), 2016. 913–922.
- Siritientong, Tippawan; Bonani, Walter; Motta, Antonella; Migliaresi, Claudio; Aramwit, Pornanong (2016): Ảnh hưởng của giống tằm Bombyx mori và thời gian chiết xuất đến các đặc tính phân tử và sinh học của sericin. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Tập 80 , Số 2, 2016. 241–249.
- Zeng, J.N.; Jiang, B.Q.; Xiao, Z.Q., Li, S.H. (2011): Chiết xuất collagen từ vảy cá bằng papain với tiền xử lý siêu âm. Advanced Materials Research, Tập 366, 2011. 421–424.
Những điều cần biết
Collagen
Collagen là protein cấu trúc chính trong không gian ngoại bào của các mô liên kết khác nhau trong cơ thể động vật. Là thành phần chính của mô liên kết, đây là protein dồi dào nhất ở động vật có vú,[1] chiếm từ 25% đến 35% tổng lượng protein trong cơ thể. Collagen gồm các axit amin xoắn lại với nhau tạo thành các cấu trúc xoắn ba, từ đó hình thành các vi sợi kéo dài. Hàm lượng collagen cao nhất có trong các mô dạng sợi như gân, dây chằng và da. Có ba loại collagen cần phân biệt:
Collagen loại I: cung cấp 90% lượng protein trong da, tóc, móng, các cơ quan, xương, dây chằng
Collagen loại II: cung cấp 50–60% lượng protein trong sụn, 85–90% lượng collagen trong sụn khớp
Collagen loại III: cung cấp protein cho protein dạng sợi trong xương, sụn, ngà răng, gân và các mô liên kết khác
Collagen trong cơ thể
Mỗi loại trong ba loại collagen được cấu thành từ các protein khác nhau, đảm nhiệm những chức năng khác nhau trong cơ thể. Collagen loại I và III đều là thành phần chính của da, cơ, xương, tóc và móng. Chúng cần thiết để duy trì sức khỏe, sự phát triển và tái tạo của các cấu trúc này. Collagen loại II chủ yếu có trong sụn và khớp.
Collagen loại I và III đều chứa 19 axit amin được xem là axit amin thiết yếu. Chúng được sản xuất bởi nguyên bào sợi (các tế bào trong mô liên kết) và nguyên bào xương (các tế bào tạo xương). Các protein quan trọng nhất trong collagen loại I và III bao gồm glycine, proline, alanine và hydroxyproline. Loại III là một scleroprotein dạng sợi.
Glycine là axit amin có hàm lượng cao nhất trong collagen. Proline là một axit amin không thiết yếu, có thể được tổng hợp từ glycine và góp phần cấu tạo khớp và gân. Hydroxyproline là một axit amin góp phần tạo nên tính ổn định của collagen. Alanine là một axit amin quan trọng đối với quá trình sinh tổng hợp protein.
Giống như loại I và III, collagen loại II cũng tạo thành các vi sợi. Mạng lưới vi sợi collagen này có vai trò quan trọng trong sụn vì nó cho phép giữ các proteoglycan bên trong. Ngoài ra, nó còn mang lại độ bền kéo cho mô.
Nguồn và ứng dụng
Collagen là một protein dạng sợi có nhiều trong mô liên kết của động vật có vú, ví dụ như bò và lợn. Phần lớn collagen được chiết xuất
từ da và xương lợn cũng như từ các nguồn có nguồn gốc từ bò. Cá và gia cầm là những nguồn thay thế để chiết xuất collagen. Collagen được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, thực phẩm bổ sung, dược phẩm/sản phẩm y tế và mỹ phẩm, cùng nhiều sản phẩm khác. Chiết xuất collagen là một lĩnh vực kinh doanh đang phát triển vì protein này có thể thay thế các tác nhân tổng hợp trong nhiều quy trình công nghiệp.