Tillämpning av ultrafiltrering i naturlig kollagenextraktion

Kollagen, som en naturlig proteinresurs, har god biokompatibilitet, låg antigenicitet, biologisk nedbrytbarhet och hemostas, sin täta spiralformade struktur och sina egna egenskaper, som alla ger förutsättningar för dess industrialisering. Kollagen och dess biprodukter används inte bara som förpackningsmaterial, kosmetika och hälsovårdsprodukter, utan också som livsmedelstillsatser för att förbättra köttprodukten, och det spelar en viktig roll, särskilt inom det medicinska området.

 

Vad är kollagen?

 

Kollagen är en biologisk makromolekyl, huvudkomponenten i animalisk bindväv, och det vanligaste och mest spridda funktionella proteinet hos däggdjur, som står för 25 % till 30 % av det totala proteinet, och till och med upp till 80 % eller mer i vissa organismer. Det spelar rollen som bindande vävnad i djurceller.

Man mäter att en vuxens kropp har cirka 3 kg kollagen, som huvudsakligen finns i mänsklig hud, ben, ögon, tänder, senor, inre organ (inklusive hjärta, mage, tarmar, blodkärl) och andra delar av människokroppen, och dess Funktionen är att upprätthålla morfologin och strukturen hos huden och vävnader och organ, och det är också en viktig råvara för reparation av olika vävnader efter skada.

 

Det finns många typer av kollagenprotein, och de vanligaste typerna är typ I, typ II, typ III, typ V och XI. På grund av dess goda biokompatibilitet, biologiska nedbrytbarhet och bioaktivitet har kollagen använts i stor utsträckning inom livsmedel, medicin, vävnadsteknik, kosmetika och andra områden.

Hur man extraherar naturligt kollagen

Djurvävnad från boskap och fjäderfä är det främsta sättet för människor att få naturligt kollagen och dess kollagenpeptider. Men på grund av relaterade djursjukdomar och vissa religiösa övertygelser är människors användning av kollagen och dess produkter från landdäggdjur begränsad, och utvecklingen går gradvis över till marina organismer. Europeiska myndigheten för livsmedelssäkerhet (EFSA) har bekräftat att inte ens kollagen som härrör från djurben har potential att infektera galna ko-sjukdomar och andra relaterade sjukdomar. På grund av skillnader i aminosyrasammansättning och tvärbindningsgrad har vattenlevande djur, särskilt kollagenet rikt på deras bearbetningsavfall såsom hud, ben och fjäll, många fördelar som boskapskollagen inte har. Dessutom är kollagen som härrör från marina djur uppenbarligen överlägset kollagen från landdjur i vissa aspekter, såsom låg antigenicitet och hypoallergenicitet. Därför kan vattenlevande kollagen gradvis ersätta kollagen från landdjur. Processen att utvinna kollagen från gräskarpfiskfjäll togs som ett exempel.

 

Utvinning av kollagen från gräskarpfiskfjäll genom ultrafiltreringsmetod

1. Material och metoder

1.1 Testprov

Rå kollagen vattenhaltigt extrakt.

1.2 Testmetoder

1.2.1 Ultrafiltreringsprocessväg

 

1.2.2 Bestämning av förfiltreringsprocess

I detta test jämförs och analyseras vakuumfiltreringsmetoden och mikrofiltreringsmetoden för att bestämma den bästa förfiltreringsprocessen. De specifika testmetoderna är följande:

① Det råa kollagenvattenextraktet filtrerades genom vakuumpumpning av filterpapper för att avlägsna suspenderade partiklar och föroreningar i vattenextraktet.

② Det råa kollagenvattenextraktet filtrerades med 0.2μm mikrofiltreringsmembran för att avlägsna olösligt material och föroreningar i vattenextraktet.

 

1.2.3 Val av porstorlek för ultrafiltreringsmembran

Porstorleken för ultrafiltreringsmembranet var 100 kDa.

 

1.2.4 Enkelfaktorexperiment för ultrafiltreringsreningsprocess

Ultrafiltreringsteknik användes för att rena rått kollagenvattenextrakt, och enfaktorexperiment på effekterna av driftstryck, driftstemperatur och pH-värde på kollagenretention studerades. Efter att ultrafiltreringsutrustningen startats under en tid och stabiliserats studerades olika faktorers inverkan på kollagenretentionen.

 

1.2.5 Beräkningsformel

 

2. Resultat och analys

2.1 Analysresultat av förfiltreringsprocessen

Jämförelseresultaten för de två filtreringsmetoderna vakuumextraktion och mikrofiltrering visas i följande tabell.

 

Det kan ses från tabellen att både vakuumfiltreringsmetod och mikrofiltreringsmetod kan ta bort föroreningar och olösliga fasta ämnen i lösningen, men mikrofiltreringsmetoden har en bättre skyddande effekt på proteiner, det vill säga förlusten är inte uppenbar, och vakuumfiltreringsmetoden är lätt att orsaka förlust av proteiner. Dessutom verkar vakuumfiltreringsmetoden vara grumlig efter att filtratet placerats under en viss tid, och mikrofiltratet är fortfarande klart och transparent, så mikrofiltrering väljs som förbehandlingsprocessen för ultrafiltrering.

 

2.2 Enkelfaktortest av ultrafiltreringsprocess

2.2.1 Ultrafiltreringstryckets inverkan på retentionshastigheten

Under villkoret temperatur 40 grader och pH=9.0, påverkan av olika ultrafiltreringstryck (0.07MPa, {{9} }.09 MPa, 0,11 MPa, 0,13 MPa och 0,15 MPa) på proteinretention studerades. Resultaten visas i figuren nedan.

Som framgår av figuren ovan, med ökningen av arbetstrycket, minskar proteinretentionshastigheten gradvis. När driftstrycket är {{0}}.07MPa är proteinretentionsgraden 96,53 %, och när driftstrycket är 0,15MPa är proteinretentionsgraden 84,38 %. Detta beror på att separationseffekten av ultrafiltrering på ämnen utförs av tryckskillnaden. I området för lågt driftstryck kan små molekyler snabbt passera genom membranet, medan stora molekyler kan fångas av ultrafiltreringsmembranet och ackumuleras på membranytan. Vid denna tidpunkt bildar membranytan och vattenextraktet en koncentrationsskillnad, vilket resulterar i koncentrationens polarisationsmotstånd. Vid denna tidpunkt är trycket relativt lågt och kan inte ha någon större inverkan på retentionsgraden. Men med ökningen av trycket ökar koncentrationens polarisationsmotstånd gradvis, och koncentrationsskillnaden mellan membranytan och vattenextraktet når jämvikt. När trycket överstiger denna jämvikt kan ett gelskikt bildas på membranytan (vilket stämmer överens med teorin att koncentrationspolarisation och kondensationsskikt bildas under ultrafiltrering), och trycket fortsätter att öka, tjockleken på gelskiktet ökar och proteinet som finns kvar på membranytan ökar också. Detta resulterar i en lägre retentionsgrad. För att säkerställa membranets separationseffekt är den optimala parametern för driftstryck 0,07 MPa.

 

2.2.2 Temperaturens inverkan på proteinretentionen

Under förhållandena {{0}}.11MPa tryck och pH=9.0, effekterna av olika temperaturer, nämligen 25 grader, 30 grader, 35 grader, 40 grader och 45 grader, på protein retention studerades. Resultaten visas i figuren nedan.

Som framgår av figuren ovan ökar retentionsgraden för ultrafiltreringsmembran gradvis med ökningen av temperaturen och når maximum vid 45 grader , med en retentionsgrad på 97,01 %. Detta beror på att viskositeten hos kollagen är nära relaterad till temperaturen. När temperaturen är låg är kollagenets viskositet större, och ackumuleringen av kollagen på membranytan är lätt att bilda motstånd, vilket resulterar i låg retentionshastighet. När temperaturen ökar minskar kollagenets viskositet, interaktionen mellan kollagenmolekylerna försvagas och massöverföringshastigheten ökar, koncentrationspolarisationsfenomenet försvagas och retentionshastigheten ökar. En annan anledning till ökningen av retentionshastigheten är att temperaturen ökar, kollagenets löslighet ökar också i motsvarande grad, och fenomenet med kollagen som blockerar membranet minskar, så den optimala temperaturen för ultrafiltrering är 45 grader.

 

2.2.3 pH-värdets inverkan på proteinretention

Under förhållanden med {{0}}.11MPa tryck och 40 graders temperatur, påverkan av olika pH-förhållanden, nämligen pH=6.0, pH{{ 5}}.{{10}}, pH=8.0, pH=9.0 och pH=10.0, på retentionshastigheten studerades. Resultaten visas i figuren nedan.

 

As can be seen from the figure above, in the range of pH 6-7, the protein retention rate decreases with the increase of pH value, and the minimum value is 82.13% when pH=7.0; when pH>7, the retention rate gradually increases with the increase of pH value. This is because the isoelectric point of collagen is pH=7. At the isoelectric point, the protein is in a state of precipitation, which is easy to stay on the surface of the membrane and block the membrane, thus reducing the retention rate. When pH>7, ökar retentionshastigheten gradvis med ökningen av pH-värdet. Detta beror på att ultrafiltreringsmembranet är ett polyeterlönnmembran med negativ laddning och kollagen är negativt laddat under alkaliska förhållanden. De negativt laddade kollagenmolekylerna bildar ett ömsesidigt uteslutande tillstånd med ultrafiltreringsmembranet med samma laddning, så kollagenmolekyler är inte lätta att stanna på membranets yta och blockera membranet. Därför är det optimala pH-värdet för ultrafiltrering 8-10.

 

2.3 Ultrafiltreringsprocessoptimering och resultatverifiering

Enligt analysen av programvaran Design-Expert8.05 är de optimala processparametrarna: driftstryck 0.14MPa, driftstemperatur 40.98 grader, lösningens pH{{7 }}.43, och retentionsgraden är 92,551 %. Med tanke på de faktiska parametrarnas funktionsduglighet valdes ultrafiltreringsbetingelserna som 0,14 MPa arbetstryck, 40 graders driftstemperatur och 9,50 pH-värde för materiallösningen, och testverifieringen startade efter att ultrafiltreringssystemet startats och stabiliserats. Resultatet av retentionsgraden var (92,61±0,1) % (n=3). De förutsagda värdena i ekvationen liknar i princip de uppmätta värdena, vilket visar att de förutsagda konditionsparameterresultaten överensstämmer med de faktiska konditionsresultaten.

 

2.4 Elektroforetiska analysresultat

Det renade kollagenet analyserades genom SDS-PAGE-elektrofores, och resultaten visades i följande figur.

 

Som framgår av figuren ovan är bana 1 det renade kollagenet i detta test, och bana 2 är standardkollagenprovet från vadsenan. Det kan ses från SDS-PAGE-elektrofores att kollagenet i denna studie kan identifieras som kollagen, men gränserna mellan a1-peptidkedjan och a2-peptidkedjan verkar inte vara tydliga. Det kan ses från den elektroforetiska kartan att det inte finns någon annan proteinförorening, så man kan dra slutsatsen att det renade kollagenet har hög renhet.

Om Guidling

 

Guidling Technology är ett nationellt högteknologiskt företag med fokus på bioläkemedel, cellodling, rening och koncentration av biomedicin, diagnos och industriella vätskor. Vi har framgångsrikt utvecklat centrifugalfilteranordningar, ultrafiltrerings- och mikrofiltreringskassetter, virusfilter, TFF-system, djupfilter, ihåliga fibrer, etc. Som fullt ut uppfyller tillämpningsscenarierna för bioläkemedel, cellodling och så vidare. Våra membran och membranfilter används i stor utsträckning vid koncentrering, extraktion och separation av förfiltrering, mikrofiltrering, ultrafiltrering och nanofiltrering. Våra många produktlinjer, från små laboratoriefiltrering för engångsbruk till produktionsfiltreringssystem, sterilitetstestning, fermentering, cellodling och mer, möter behoven för testning och produktion. Guidling Technology ser fram emot att samarbeta med dig!