Aplicació de la Ultrafiltració en l'extracció de col·lagen natural

El col·lagen, com a recurs proteic natural, té una bona biocompatibilitat, baixa antigenicitat, biodegradabilitat i hemostàsia, la seva estructura helicoïdal ajustada i les seves pròpies característiques, tot això proporciona els requisits previs per a la seva industrialització. El col·lagen i els seus subproductes no només s'utilitzen com a materials d'embalatge, cosmètics i productes sanitaris, sinó també com a additius alimentaris per millorar el producte carni, i té un paper important, especialment en l'àmbit mèdic.

 

Què és el col·lagen?

 

El col·lagen és una macromolècula biològica, el component principal del teixit connectiu animal i la proteïna funcional més abundant i àmpliament distribuïda en mamífers, que representa entre el 25% i el 30% de la proteïna total, i fins i tot fins al 80% o més en alguns organismes. Té el paper d'unió del teixit a les cèl·lules animals.

Es mesura que el cos d'un adult té uns 3 kg de col·lagen, que existeix principalment a la pell humana, els ossos, els ulls, les dents, els tendons, els òrgans interns (inclosos el cor, l'estómac, els intestins, els vasos sanguinis) i altres parts del cos humà. La funció és mantenir la morfologia i l'estructura de la pell i els teixits i òrgans, i també és una matèria primera important per a la reparació de diversos teixits després de lesions.

 

Hi ha molts tipus de proteïnes de col·lagen, i els tipus més comuns són els tipus I, II, III, V i XI. A causa de la seva bona biocompatibilitat, biodegradabilitat i bioactivitat, el col·lagen s'ha utilitzat àmpliament en aliments, medicina, enginyeria de teixits, cosmètica i altres camps.

Com extreure col·lagen natural

Els teixits animals de bestiar i aus de corral són la principal via perquè les persones obtenen col·lagen natural i els seus pèptids de col·lagen. Tanmateix, a causa de malalties animals relacionades i certes creences religioses, l'ús de col·lagen i els seus productes dels mamífers terrestres per part de les persones és limitat i el desenvolupament s'està convertint gradualment en organismes marins. L'Autoritat Europea de Seguretat Alimentària (EFSA) ha confirmat que fins i tot el col·lagen derivat dels ossos d'animals no té el potencial d'infectar la malaltia de les vaques boges i altres malalties relacionades. A causa de les diferències en la composició d'aminoàcids i el grau de reticulació, els animals aquàtics, especialment el col·lagen ric en els seus residus de processament com la pell, els ossos i les escates, tenen molts avantatges que el col·lagen del bestiar no té. A més, el col·lagen derivat d'animals marins és òbviament superior al col·lagen dels animals terrestres en alguns aspectes, com ara la baixa antigenicitat i hipoalergenicitat. Per tant, el col·lagen aquàtic pot substituir gradualment el col·lagen animal terrestre. Es va prendre com a exemple el procés d'extracció de col·lagen d'escates de peix carpa herba.

 

Extracció de col·lagen d'escates de peix carpa herba per mètode d'ultrafiltració

1. Materials i mètodes

1.1 Mostra de prova

Extracte aquós de col·lagen brut.

1.2 Mètodes de prova

1.2.1 Ruta del procés d'ultrafiltració

 

1.2.2 Determinació del procés de prefiltració

En aquesta prova, el mètode de filtració al buit i el mètode de microfiltració es comparen i s'analitzen per determinar el millor procés de filtració prèvia. Els mètodes de prova específics són els següents:

① L'extracte d'aigua de col·lagen brut es va filtrar mitjançant el bombeig al buit de paper de filtre per eliminar les partícules en suspensió i les impureses de l'extracte d'aigua.

② L'extracte d'aigua de col·lagen brut es va filtrar mitjançant una membrana de microfiltració de 0.2μm per eliminar la matèria insoluble i les impureses de l'extracte d'aigua.

 

1.2.3 Selecció de la mida dels porus de la membrana d'ultrafiltració

La mida dels porus de la membrana d'ultrafiltració era de 100 kDa.

 

1.2.4 Experiment d'un sol factor del procés de purificació per ultrafiltració

Es va utilitzar la tecnologia d'ultrafiltració per purificar l'extracte d'aigua de col·lagen brut i es van estudiar experiments d'un sol factor sobre els efectes de la pressió de funcionament, la temperatura de funcionament i el valor del pH sobre la retenció de col·lagen. Després de posar en marxa l'equip d'ultrafiltració durant un període de temps i estabilitzat, es va estudiar la influència de diversos factors en la retenció de col·lagen.

 

1.2.5 Fórmula de càlcul

 

2. Resultats i anàlisi

2.1 Resultats de l'anàlisi del procés de prefiltració

Els resultats de comparació dels dos mètodes de filtració d'extracció al buit i microfiltració es mostren a la taula següent.

 

Es pot veure a la taula que tant el mètode de filtració al buit com el mètode de microfiltració poden eliminar impureses i sòlids insolubles de la solució, però el mètode de microfiltració té un millor efecte protector sobre les proteïnes, és a dir, la pèrdua no és òbvia i el mètode de filtració al buit és fàcil de provocar la pèrdua de proteïnes. A més, el mètode de filtració al buit apareix terbolesa després de col·locar el filtrat durant un període de temps, i el microfiltrat encara és clar i transparent, de manera que s'escull la microfiltració com a procés de pretractament d'ultrafiltració.

 

2.2 Prova d'un sol factor del procés d'ultrafiltració

2.2.1 Influència de la pressió d'ultrafiltració en la taxa de retenció

En condicions de temperatura 40 graus i pH=9.0, la influència de diferents pressions d'ultrafiltració (0.07MPa, {{9} }.09MPa, 0,11MPa, 0,13MPa i 0,15MPa) es va estudiar la retenció de proteïnes. Els resultats es mostren a la figura següent.

Com es pot veure a la figura anterior, amb l'augment de la pressió de funcionament, la taxa de retenció de proteïnes disminueix gradualment. Quan la pressió de funcionament és de {{0}}.{07MPa, la taxa de retenció de proteïnes és del 96,53%, i quan la pressió de funcionament és de 0,15MPa, la taxa de retenció de proteïnes és del 84,38%. Això es deu al fet que l'efecte de separació de la ultrafiltració sobre les substàncies es duu a terme per la diferència de pressió. En el rang de baixa pressió de funcionament, les molècules petites poden passar ràpidament a través de la membrana, mentre que les molècules grans poden quedar atrapades per la membrana d'ultrafiltració i acumular-se a la superfície de la membrana. En aquest moment, la superfície de la membrana i l'extracte d'aigua formen una diferència de concentració, donant lloc a la resistència a la polarització de concentració. En aquest moment, la pressió és relativament baixa i no pot tenir un gran impacte en la taxa de retenció. Tanmateix, amb l'augment de la pressió, la resistència a la polarització de concentració augmenta gradualment i la diferència de concentració entre la superfície de la membrana i l'extracte d'aigua arriba a l'equilibri. Quan la pressió supera aquest equilibri, es pot formar una capa de gel a la superfície de la membrana (que és coherent amb la teoria que la polarització de concentració i la capa de condensació es formen durant la ultrafiltració), i la pressió continua augmentant, augmenta el gruix de la capa de gel. , i la proteïna que queda a la superfície de la membrana també augmenta. Això es tradueix en una menor taxa de retenció. Per tal de garantir l'efecte de separació de la membrana, el paràmetre òptim de pressió de funcionament és de 0,07 MPa.

 

2.2.2 Influència de la temperatura en la retenció de proteïnes

En les condicions de pressió {{0}}.11MPa i pH=9.0, els efectes de diferents temperatures, és a dir, 25 graus, 30 graus, 35 graus, 40 graus i 45 graus, sobre les proteïnes S'ha estudiat la retenció. Els resultats es mostren a la figura següent.

Com es pot veure a la figura anterior, la taxa de retenció de la membrana d'ultrafiltració augmenta gradualment amb l'augment de la temperatura i arriba al màxim a 45 graus, amb una taxa de retenció del 97,01%. Això es deu al fet que la viscositat del col·lagen està estretament relacionada amb la temperatura. Quan la temperatura és baixa, la viscositat del col·lagen és més gran i l'acumulació de col·lagen a la superfície de la membrana és fàcil de formar resistència, donant lloc a una baixa taxa de retenció. Quan la temperatura augmenta, la viscositat del col·lagen disminueix, la interacció entre les molècules de col·lagen es debilita i la velocitat de transferència de massa augmenta, el fenomen de polarització de concentració es debilita i la taxa de retenció augmenta. Un altre motiu per a l'augment de la taxa de retenció és que la temperatura augmenta, la solubilitat del col·lagen també augmenta en conseqüència i el fenomen del col·lagen que bloqueja la membrana es redueix, de manera que la temperatura òptima d'ultrafiltració és de 45 graus.

 

2.2.3 Influència del valor del pH en la retenció de proteïnes

En condicions de pressió de {{0}}.11MPa i temperatura de 40 graus, la influència de diferents condicions de pH, és a dir, pH=6.0, pH{{ Es va estudiar 5}}.{{10}}, pH{=8.0, pH{=9.0 i pH{=10.0, sobre la taxa de retenció. Els resultats es mostren a la figura següent.

 

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, la taxa de retenció augmenta gradualment amb l'augment del valor del pH. Això es deu al fet que la membrana d'ultrafiltració és una membrana d'auró de polièter amb càrrega negativa i el col·lagen està carregat negativament en condicions alcalines. Les molècules de col·lagen carregades negativament formen un estat mútuament exclusiu amb la membrana d'ultrafiltració amb la mateixa càrrega, per tant les molècules de col·lagen no són fàcils de quedar-se a la superfície de la membrana i bloquejar la membrana. Per tant, el valor de pH òptim de la ultrafiltració és 8-10.

 

2.3 Optimització del procés d'ultrafiltració i verificació de resultats

Segons l'anàlisi del programari Design-Expert8.05, els paràmetres òptims del procés són: pressió de funcionament 0,14MPa, temperatura de funcionament 40,98 graus, pH de la solució{{7 }},43, i la taxa de retenció és del 92,551%. Tenint en compte l'operativitat dels paràmetres reals, les condicions d'ultrafiltració es van seleccionar com a pressió de funcionament de 0,14 MPa, temperatura de funcionament de 40 graus i valor de pH de 9,50 de la solució del material, i la verificació de la prova es va iniciar després que el sistema d'ultrafiltració s'hagués iniciat i estabilitzat. El resultat de la taxa de retenció va ser (92,61±0,1)% (n=3). Els valors predits de l'equació són bàsicament similars als valors mesurats, la qual cosa mostra que els resultats dels paràmetres de condició predits estan d'acord amb els resultats de la condició real.

 

2.4 Resultats de l'anàlisi electroforètica

El col·lagen purificat es va analitzar mitjançant electroforesi SDS-PAGE i els resultats es van mostrar a la figura següent.

 

Com es pot veure a la figura anterior, el carril 1 és el col·lagen purificat d'aquesta prova i el carril 2 és la mostra estàndard de col·lagen del tendó del vedell. Es pot veure a partir de l'electroforesi SDS-PAGE que el col·lagen d'aquest estudi es pot identificar com a col·lagen, però els límits entre la cadena peptídica a1 i la cadena peptídica a2 semblen no estar clars. Des del mapa electroforètic es pot veure que no hi ha cap altra impuresa proteica, per la qual cosa es pot concloure que el col·lagen purificat és d'alta puresa.

Sobre Guidling

 

Guidling Technology és una empresa nacional d'alta tecnologia centrada en productes biofarmacèutics, cultiu cel·lular, purificació i concentració de biomedicina, diagnòstic i fluids industrials. Hem desenvolupat amb èxit dispositius de filtre centrífug, cassets d'ultrafiltració i microfiltració, filtre de virus, sistema TFF, filtre de profunditat, fibra buida, etc. Que compleixen plenament els escenaris d'aplicació de biofarmacèutics, cultiu cel·lular, etc. Les nostres membranes i filtres de membrana s'utilitzen àmpliament en concentració, extracció i separació de prefiltració, microfiltració, ultrafiltració i nanofiltració. Les nostres moltes línies de productes, des de la petita filtració de laboratori d'un sol ús fins a sistemes de filtració de producció, proves d'esterilitat, fermentació, cultiu cel·lular i més, satisfan les necessitats de proves i producció. Guidling Technology està desitjant cooperar amb vosaltres!