• کلاژن غنی از پروتئین‌ها است و به طور گسترده در کاربدهای صنعتی مختلف مانند صنایع غذایی، فارما، مواد افزودنی و غیره استفاده می‌شود.
• التراسونیک با استخراج آنزیمی یا اسیدی کولاژن به راحتی ترکیب می شود.
• گنجاندن التراسونیک در فرآیند استخراج کولاژن منجر به افزایش بهره‌وری و سرعت بیشتر استخراج می‌شود.

 استخراج کولاژن با التراسونیک

التراسونیک با به طور گسترده برای بهبود انتقال جرم در فرایندهای مرطوب، مانند استخراج، سونوشیمی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. استخراج (معروف به جداسازی کولاژن) کولاژن می‌تواند توسط فرآوری التراسونیک بسیار بهبود یابد. سونیکیشن در هنگام جداسازی کولاژن از بستر، باعث بازکردن فیبرهای کولاژن شده، بنابراین هیدرولیز آنزیمی یا درمان اسیدی تسهیل می‌شوند.

استخراج کلاژن به روش آنزیمی به کمک التراسونیک

سونیکیشن به خاطر توانایی افزایش فعالیت آنزیم شناخته شده است. این اثر بر اساس پخش و کلوخه‌زدایی اولتراسونیک کلوخه‌های پپسین است. دیپسرس همگن آنزیم‌ها باعث افزایش سطح شده برای انتقال جرم، که باعث فعالیت بالاتر آنزیم می گردد. علاوه بر این، موج‌های قوی التراسونیک فیبرهای کولاژن را باز می‌کنند تا کولاژن آزاد شود.

استخراج کلاژن با پپسین به کمک التراسونیک

 استخراج کلاژن با پپسین به کمک التراسونیک، بهره‌وری کلاژن را تا حدود ۱۲۴٪ افزایش می‌دهد و زمان استخراج را نسبت به هیدرولیز پپسین سنتی به شدت کاهش می‌دهد. تحلیل دیکرونیزم دایره‌ای، میکروسکوپ نیروی اتمی و FTIR نشان دادند که ساختار تریپل هلیکس کلاژن استخراج شده تحت تأثیر اولتراسونیک قرار نگرفته و سالم مانده است. این امر باعث می‌شود که استخراج پپسین التراسونیک برای صنعت غذایی بسیار کارآمد باشد و نرخ بازیابی پروتئین را در زمان پردازش را به شدت کوتاه نماید.

در یک مطالعه مقایسه‌ای برای استخراج کلاژن از تاندون گاو با استفاده و عدم استفاده از اولتراسونیک، فرآوری اولتراسونیک (۲۰kHz، حالت پالس ۲۰/۲۰ ثانیه) با بازده و کارآیی بالاتر متقاعد کننده بود. استخراج سنتی با پپسین در استیک اسید برای ۴۸ ساعت انجام شد. استخراج اولتراسونیک تحت همان شرایط انجام شد، اما زمان تابش به اولتراسونیک (۳ تا ۲۴ ساعت) و پپسین (۲۴ تا ۴۵ ساعت) متفاوت بود، که منجر به مجموع ۴۸ ساعت فرآوری شد. استخراج کلاژن با پپسین به کمک اولتراسونیک به تاثیر بالاتری در استخراج کلوژن دست یافت، که نرخ بازدهی آن ۶.۲٪ بود در حالی که نرخ بازدهی استخراج سنتی ۲.۴٪ بود. بهترین نتایج با استفاده از زمان استخراج اولتراسونیک ۱۸ ساعت به دست آمد. کلاژن استخراج شده دارای ساختار پیوسته حلزونی آسیب ندیده، حلالیت مناسب و پایداری حرارتی قابل توجه بود. این بدان معناست که استخراج پپسین اولتراسونیک به بهبود کارایی استخراج کلاژن طبیعی بدون آسیب‌رساندن به کیفیت کلاژن نهایی منجر شد.

برای آشنایی بیشتر با استخراج و عصاره گیری التراسونیک کلیک کنید.

استخراج کلاژن با پاپائین به کمک التراسونیک

کلاژن از اسکلت ماهی می‌تواند با هیدرولیز پاپائین که با فرآیند اولتراسونیک ترکیب شده است، به طور بهینه استخراج شود. برای استخراج کلاژن با پاپائین به کمک التراسونیک، کلاژن از اسکلت ماهی، پارامترهای فرایند زیر به عنوان بهینه شناسایی شد: مدت زمان پیش‌فرآوری اولتراسونیک 4 دقیقه، نسبت پاپائین به اسکلت ماهی 4%، دما 60 درجه سانتی‌گراد و زمان کل استخراج 5 ساعت. در این شرایط بهینه، نرخ استخراج کلاژن به 90.7٪ می‌رسد. (جیانگ و همکاران، 2011) 

استخراج کلاژن به روش اسیدی با کمک اولتراسونیک 

در یک مطالعه توسط کیم و همکاران (2012)، استخراج کلاژن حل شدنی در اسید از پوست ماهی دریای ژاپنی (لاتئولابراکس ژاپونیکوس) نشان داد که با اعمال اولتراسونیک در یک فرکانس 20 کیلوهرتز در استیک اسید 0.5 مولار، عملکرد افزایش یافته و زمان استخراج کاهش یافت. استخراج با اولتراسونیک باعث تغییرات در مواد اصلی کلاژن نشد، به‌طور خاص زنجیرهای α1، α2 و β. 

استخراج پروتئین از پوست تخم مرغ با کمک اولتراسونیک 

هیدرولیز آنزیمی با پیش فرآوری اولتراسونیک ویژگی‌های کاربردی بهتری داشت. برای استخراج اولتراسونیک هیدرولیز پروتئین کاربردی از پوست تخم مرغ، حلالیت، امولسیفای کردن، تولید کف و نگه داشت آب بهتر شده‌اند. 

غشاء پوست تخم مرغ یک منبع طبیعی غنی است و حدود 64 پروتئین از جمله کلاژن نوع I، V و X، لیزوزیم، اوستئوپونتین و سیالوپروتئین را شامل می‌شود. این ویژگی‌ها پوست تخم مرغ را به عنوان مواد خام جذابی برای استخراج پروتئین تبدیل می‌کند. با استخراج اولتراسونیک، آزادسازی پروتئین و کارایی می‌تواند به‌طور قابل توجهی افزایش یابد و باعث فرایند سریع، کارآمد و اقتصادی می‌شود.

استخراج پروتئین به روش قلیایی با التراسونیک

برای استخراج پروتئین از غشای تخم‌مرغ، اعمال التراسونیک در محیط قلیایی منجر به بازده پروتئین محلول نزدیک به 100٪ از کل پروتئین غشای تخم‌مرغ شد. کویتاسیون التراسونیک خوشه‌های بزرگتر پروتئینی را از غشای تخم‌مرغ جدا کرده و انحلال ترکیبات آن را آسان می‌کند. ساختار و خصوصیات پروتئین به دلیل اعمال التراسونیک دچار آسیب نشد و سالم ماند. خواص آنتی‌اکسیدانی پروتئین‌ها برای فرآوری قلیایی التراسونیک و استخراج سنتی یکسان بودند.

برای آشنایی با التراسونیک هموژنایزر کلیک کنید.

استخراج ژلاتین التراسونیک

پوست‌های منجمد و خشک هوا از ماهی پالاک با محلول سرد نمکی، قلیایی و اسیدی فرآوری شد تا با دگرگونی کلاژن در دمای 45 درجه سانتی‌گراد به مدت چهار ساعت تجزیه شود و ژلاتین از آن با استفاده از پردازش التراسونیک استخراج شود. در این مطالعه میزان ژلاتین به‌دست آمده، pH، شفافیت، قدرت ژله‌ای و خاصیت ویسکوالاستیک به همراه توزیع وزن مولکولی با استفاده از روش PAGE-SDS ارزیابی شد. ژلاتین استخراج‌شده در حمام آبی با دمای 45 درجه سانتی‌گراد به مدت چهار ساعت به‌عنوان شاهد استفاده شد. بر اساس نتایج، به‌دست آمد که پردازش التراسونیک موجب افزایش 11.1 درصدی بازده استخراج ژلاتین نسبت به شاهد شده و به‌نرخی 7 درصدی قدرت ژله‌ای کاهش یافت. همچنین دمای ژله‌شدن در ژلاتین‌های التراسونیک پایین‌تر بود (4.2 درجه سانتی‌گراد). این رفتار مربوط به تفاوت‌ها در توزیع وزن مولکولی پلی پپتیدهای مارپیچی در ژلاتین‌ها است. مشخصات ارتعاشی الکترواولتراسونیک می‌تواند برای افزایش استخراج ژلاتین از پوست‌های ماهی منجمد و خشک هوا مورد استفاده قرار گیرد. (اولسون و همکاران، 2005)

بیشتر بدانید

کلاژن

کلاژن پروتئین ساختاری اصلی در فضای بین سلولی در انواع بافت‌های ترکیبی در بدن حیوانات است. به عنوان مؤلفه‌ای اصلی از بافت ترکیبی، این پروتئین پراکنده‌ترین پروتئین در پستانداران است، که از 25٪ تا 35٪ از مجموع پروتئین بدن را تشکیل می‌دهد. کلاژن از اسیدهای آمینه بافت شده است که با هم پیچیده شده‌اند تا مارپیچ های سه گانه، رگه های کشیده را تشکیل دهند. بیشترین میزان کلاژن در بافت‌های تاردار مانند زردپی، رباط‌ها و پوست وجود دارد. سه نوع کلاژن به شرح زیر هستند:

- کلاژن نوع I: 90٪ پروتئین پوست، مو، ناخن‌ها، اعضا، استخوان‌ها، رباط‌ها را تأمین می‌کند.

- کلاژن نوع II: 50-60٪ پروتئین غضروف، 85-90٪ کلاژن موجود در غضروف مفصلی را تأمین می‌کند.

کلاژن - نوع III: پروتئین‌ها را برای پروتئین فیبری در استخوان، غضروف، دندانها، زردپی و سایر بافت‌های پیوندی فراهم می‌کند.

کلاژن در بدن

هر یک از سه نوع کلاژن از پروتئین‌های مختلفی تشکیل شده‌اند که اهداف مختلفی را برای بدن برآورده می‌سازند. کلاژن نوع I و III هر دو از جمله مؤلفه‌های اصلی پوست، عضلات، استخوان، مو و ناخن هستند. آنها برای سلامتی، رشد و بازسازی خود مورد نیاز هستند.  کلاژن نوع II به اندازه زیادی در غضروف و مفاصل یافت می‌شود.

کلاژن نوع I و III هر دو شامل 19 اسید آمینه هستند که به عنوان اسیدهای آمینه ضروری محسوب می‌شوند. آنها توسط فیبروبلاست‌ها (سلول‌های در بافت‌های پیوندی) و استئوبلاست‌ها (سلول‌های سازنده استخوان) تولید می‌شوند. مهمترین پروتئین‌ها در کلاژن نوع I و III شامل گلیسین، پرولین، آلانین و هیدروکسی پرولین هستند. نوع III یک اسکلروپروتئین فیبری است.

گلیسین اسید آمینه با بیشترین میزان در کلاژن است. پرولین یک اسید آمینه غیرضروری است که می‌تواند از گلیسین سنتز شود و به مفاصل و تاندون ها کمک می‌کند. هیدروکسی پرولین یک اسید آمینه است که به پایداری کلاژن کمک می‌کند. آلانین یک اسید آمینه مهم برای بیوسنتز پروتئین‌ها است.

همانند نوع I و III، کلاژن نوع II نیز فیبرها را تشکیل می‌دهد. این شبکه فیبری از کلاژن در غضروف مهم است زیرا این امکان را برای حبس پروتئوگلیکان‌ها فراهم می‌کند. علاوه بر این، این موجب قدرت کششی در بافت می‌شود.

منابع و کاربردهای کلاژن

کلاژن یک پروتئین فیبری است که به وفور در بافت‌های ترکیبی حیوانات، مانند گاو و خوک، وجود دارد. بیشتر کلاژن از پوست و استخوان‌های خوکی و منابع گاوی استخراج می‌شود. یک منبع جایگزین برای استخراج کلاژن، ماهیان و طیور هستند. کلاژن به طور گسترده در غذا، مکمل‌های رژیمی، داروها/پزشکی، محصولات آرایشی و خیلی چیزهای دیگر استفاده می‌شود. استخراج کلاژن کسب و کار رو به رشدی است زیرا این پروتئین می‌تواند به جای عوامل سنتزی در فرآیندهای صنعتی مختلف استفاده شود.