Penerapan Ultrafiltrasi dalam Ekstraksi Kolagen Alami

Kolagen, sebagai sumber protein alami, memiliki biokompatibilitas yang baik, antigenisitas yang rendah, biodegradabilitas dan hemostasis, struktur heliks yang rapat dan karakteristiknya sendiri, yang kesemuanya menjadi prasyarat bagi industrialisasinya. Kolagen dan produk turunannya tidak hanya digunakan sebagai bahan pengemas, kosmetik dan produk perawatan kesehatan, tetapi juga sebagai bahan tambahan pangan untuk penyempurnaan produk daging, dan memegang peranan penting terutama dalam bidang medis.

 

Apa itu Kolagen?

 

Kolagen adalah makromolekul biologis, komponen utama jaringan ikat hewan, dan protein fungsional yang paling melimpah dan tersebar luas pada mamalia, terhitung 25% hingga 30% dari total protein, dan bahkan hingga 80% atau lebih pada beberapa organisme. Ini memainkan peran mengikat jaringan dalam sel hewan.

Diukur bahwa tubuh orang dewasa memiliki sekitar 3kg kolagen, yang terutama terdapat di kulit manusia, tulang, mata, gigi, tendon, organ dalam (termasuk jantung, lambung, usus, pembuluh darah) dan bagian lain dari tubuh manusia, serta kolagennya. fungsinya untuk menjaga morfologi dan struktur kulit serta jaringan dan organ, dan juga merupakan bahan baku penting untuk perbaikan berbagai jaringan setelah cedera.

 

Ada banyak jenis protein kolagen, dan tipe yang umum adalah tipe I, tipe II, tipe III, tipe V dan XI. Karena biokompatibilitas, biodegradabilitas, dan bioaktivitasnya yang baik, kolagen telah banyak digunakan dalam makanan, kedokteran, rekayasa jaringan, kosmetik, dan bidang lainnya.

Cara mengekstrak kolagen alami

Jaringan hewan dari ternak dan unggas merupakan cara utama manusia memperoleh kolagen alami dan peptida kolagennya. Namun, karena penyakit hewan terkait dan keyakinan agama tertentu, penggunaan kolagen dan produk mamalia darat oleh masyarakat menjadi terbatas, dan perkembangannya secara bertahap beralih ke organisme laut. Otoritas Keamanan Pangan Eropa (EFSA) telah memastikan bahwa kolagen yang berasal dari tulang hewan pun tidak berpotensi menularkan penyakit sapi gila dan penyakit terkait lainnya. Karena perbedaan komposisi asam amino dan derajat ikatan silang, hewan akuatik, terutama kolagen yang kaya akan limbah pengolahannya seperti kulit, tulang dan sisik, memiliki banyak keunggulan yang tidak dimiliki kolagen ternak. Selain itu, kolagen yang berasal dari hewan laut jelas lebih unggul dibandingkan kolagen yang berasal dari hewan darat dalam beberapa aspek, seperti antigenisitas yang rendah dan hipoalergenisitas. Oleh karena itu, kolagen akuatik secara bertahap dapat menggantikan kolagen hewan darat. Proses ekstraksi kolagen dari sisik ikan mas diambil sebagai contoh.

 

Ekstraksi kolagen dari sisik ikan mas dengan metode ultrafiltrasi

1. Bahan dan metode

1.1 Sampel uji

Ekstrak air kolagen kasar.

1.2 Metode pengujian

1.2.1 Rute proses ultrafiltrasi

 

1.2.2 Penentuan proses pra-filtrasi

Dalam pengujian ini, metode filtrasi vakum dan metode mikrofiltrasi dibandingkan dan dianalisis untuk menentukan proses filtrasi pra-filtrasi terbaik. Metode pengujian spesifiknya adalah sebagai berikut:

① Ekstrak air kolagen kasar disaring dengan pemompaan vakum kertas saring untuk menghilangkan partikel tersuspensi dan kotoran dalam ekstrak air.

② Ekstrak air kolagen kasar disaring dengan membran mikrofiltrasi 0.2μm untuk menghilangkan bahan tidak larut dan kotoran dalam ekstrak air.

 

1.2.3 Pemilihan ukuran pori membran ultrafiltrasi

Ukuran pori membran ultrafiltrasi adalah 100 kDa.

 

1.2.4 Percobaan faktor tunggal proses pemurnian ultrafiltrasi

Teknologi ultrafiltrasi digunakan untuk memurnikan ekstrak air kolagen mentah, dan eksperimen faktor tunggal tentang pengaruh tekanan pengoperasian, suhu pengoperasian, dan nilai pH terhadap retensi kolagen dipelajari. Setelah peralatan ultrafiltrasi dimulai untuk jangka waktu tertentu dan distabilkan, pengaruh berbagai faktor terhadap retensi kolagen dipelajari.

 

1.2.5 Rumus Perhitungan

 

2. Hasil dan analisis

2.1 Analisis hasil proses pra-filtrasi

Hasil perbandingan kedua metode filtrasi yaitu ekstraksi vakum dan mikrofiltrasi disajikan pada tabel berikut.

 

Dapat dilihat dari tabel bahwa metode filtrasi vakum dan metode mikrofiltrasi dapat menghilangkan pengotor dan padatan tidak larut dalam larutan, namun metode mikrofiltrasi memiliki efek perlindungan yang lebih baik terhadap protein, yaitu kehilangannya tidak terlihat jelas, dan metode filtrasi vakum lebih baik. mudah menyebabkan hilangnya protein. Selain itu, pada metode filtrasi vakum muncul kekeruhan setelah filtrat ditempatkan dalam jangka waktu tertentu, dan mikrofiltrat masih jernih dan transparan, sehingga mikrofiltrasi dipilih sebagai proses pra-perawatan ultrafiltrasi.

 

2.2 Uji faktor tunggal proses ultrafiltrasi

2.2.1 Pengaruh tekanan ultrafiltrasi terhadap laju retensi

Pada kondisi suhu 40 derajat dan pH=9.0, pengaruh tekanan ultrafiltrasi yang berbeda (0.07MPa, {{9} }.09MPa, 0.11MPa, 0.13MPa dan 0.15MPa) pada retensi protein dipelajari. Hasilnya ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Seperti terlihat pada gambar di atas, dengan meningkatnya tekanan operasi, laju retensi protein secara bertahap menurun. Pada tekanan pengoperasian {{0}}.07MPa, laju retensi protein sebesar 96,53%, dan pada tekanan pengoperasian 0,15MPa, laju retensi protein sebesar 84,38%. Hal ini karena efek pemisahan ultrafiltrasi pada zat dilakukan oleh perbedaan tekanan. Pada kisaran tekanan operasi rendah, molekul kecil dapat dengan cepat melewati membran, sedangkan molekul besar dapat terperangkap oleh membran ultrafiltrasi dan terakumulasi pada permukaan membran. Pada saat ini, permukaan membran dan ekstrak air membentuk perbedaan konsentrasi, sehingga terjadi resistensi polarisasi konsentrasi. Pada saat ini, tekanannya relatif rendah, dan tidak berdampak besar pada tingkat retensi. Namun, dengan meningkatnya tekanan, resistensi polarisasi konsentrasi secara bertahap meningkat, dan perbedaan konsentrasi antara permukaan membran dan ekstrak air mencapai kesetimbangan. Ketika tekanan melebihi kesetimbangan ini, lapisan gel dapat terbentuk pada permukaan membran (yang konsisten dengan teori bahwa polarisasi konsentrasi dan lapisan kondensasi terbentuk selama ultrafiltrasi), dan tekanan terus meningkat, ketebalan lapisan gel meningkat. , dan protein yang tersisa di permukaan membran juga meningkat. Hal ini menghasilkan tingkat retensi yang lebih rendah. Untuk memastikan efek pemisahan membran, parameter tekanan operasi optimal adalah 0,07MPa.

 

2.2.2 Pengaruh suhu terhadap retensi protein

Pada kondisi tekanan {{0}}.11MPa dan pH=9.0, pengaruh suhu yang berbeda yaitu 25 derajat , 30 derajat , 35 derajat , 40 derajat dan 45 derajat , terhadap protein retensi dipelajari. Hasilnya ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Terlihat dari gambar di atas, laju retensi membran ultrafiltrasi meningkat secara bertahap seiring dengan kenaikan suhu, dan mencapai maksimum pada 45 derajat, dengan laju retensi 97,01%. Hal ini karena viskositas kolagen erat kaitannya dengan suhu. Ketika suhu rendah, viskositas kolagen lebih besar, dan akumulasi kolagen pada permukaan membran mudah membentuk resistensi, sehingga tingkat retensinya rendah. Ketika suhu meningkat, viskositas kolagen menurun, interaksi antar molekul kolagen melemah, laju perpindahan massa meningkat, fenomena polarisasi konsentrasi melemah, dan laju retensi meningkat. Alasan lain peningkatan laju retensi adalah karena suhu meningkat, kelarutan kolagen juga meningkat, dan fenomena kolagen yang menghalangi membran berkurang, sehingga suhu ultrafiltrasi optimal adalah 45 derajat.

 

2.2.3 Pengaruh nilai pH terhadap retensi protein

Pada kondisi tekanan {{0}}.11MPa dan suhu 40 derajat, pengaruh kondisi pH berbeda yaitu pH=6.0, pH{{ 5}}.{{10}}, pH=8.0, pH=9.0 dan pH=10.0, pada tingkat retensi dipelajari. Hasilnya ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

 

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, tingkat retensi secara bertahap meningkat seiring dengan meningkatnya nilai pH. Hal ini karena membran ultrafiltrasi merupakan membran polieter maple dengan muatan negatif, dan kolagen bermuatan negatif dalam kondisi basa. Molekul kolagen yang bermuatan negatif membentuk keadaan saling eksklusif dengan membran ultrafiltrasi dengan muatan yang sama, sehingga molekul kolagen tidak mudah untuk tetap berada di permukaan membran dan menyumbat membran. Oleh karena itu, nilai pH optimal ultrafiltrasi adalah 8-10.

 

2.3 Optimalisasi proses ultrafiltrasi dan verifikasi hasil

Menurut analisis perangkat lunak Design-Expert8.05, parameter proses optimal adalah: tekanan pengoperasian 0.14MPa, suhu pengoperasian 40.98 derajat, pH larutan{{7 }}.43, dan tingkat retensinya adalah 92,551%. Mempertimbangkan pengoperasian parameter sebenarnya, kondisi ultrafiltrasi dipilih sebagai tekanan operasi 0,14MPa, suhu pengoperasian 40 derajat, dan nilai pH larutan material 9,50, dan verifikasi pengujian dimulai setelah sistem ultrafiltrasi dimulai dan distabilkan. Hasil tingkat retensi adalah (92,61±0,1) % (n=3). Nilai prediksi persamaan pada dasarnya sama dengan nilai terukur, yang menunjukkan bahwa hasil parameter kondisi prediksi sesuai dengan hasil kondisi sebenarnya.

 

2.4 Hasil analisis elektroforesis

Kolagen yang dimurnikan dianalisis dengan elektroforesis SDS-PAGE, dan hasilnya ditunjukkan pada gambar berikut.

 

Terlihat dari gambar di atas, jalur 1 adalah kolagen yang dimurnikan dari pengujian ini, dan jalur 2 adalah sampel kolagen standar tendon betis. Terlihat dari elektroforesis SDS-PAGE bahwa kolagen pada penelitian ini dapat diidentifikasi sebagai kolagen, namun batas antara rantai peptida a1 dan rantai peptida a2 tampaknya belum jelas. Terlihat dari peta elektroforesis tidak terdapat pengotor protein lain, sehingga dapat disimpulkan bahwa kolagen yang dimurnikan memiliki kemurnian yang tinggi.

Tentang Panduan

 

Guidling Technology adalah perusahaan teknologi tinggi nasional yang berfokus pada biofarmasi, kultur sel, pemurnian dan konsentrasi biomedis, diagnosis, dan cairan industri. Kami telah berhasil mengembangkan perangkat filter sentrifugal, kaset ultrafiltrasi & mikrofiltrasi, filter virus, sistem TFF, filter kedalaman, serat berongga, dll. Yang sepenuhnya memenuhi skenario penerapan biofarmasi, kultur sel, dan sebagainya. Membran dan filter membran kami banyak digunakan dalam konsentrasi, ekstraksi dan pemisahan pra-filtrasi, mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, dan nanofiltrasi. Berbagai lini produk kami, mulai dari filtrasi laboratorium kecil sekali pakai hingga sistem filtrasi produksi, pengujian sterilitas, fermentasi, kultur sel, dan banyak lagi, memenuhi kebutuhan pengujian dan produksi. Guidling Technology berharap dapat bekerja sama dengan Anda!