ЗастосуванняUлтрафільтрація вEвилученняNприроднийCоллаген

 

Ⅰ.Що таке колаген

Колаген є біополімером, основним компонентом сполучної тканини тварин, а також найбільш поширеним і широко розповсюдженим функціональним білком у ссавців, на який припадає 25–30 % загального білка, а в деяких навіть більше 80 %. організмів. Він відіграє роль сполучної тканини в клітинах тварин.

Згідно з вимірюванням, у дорослої людини в організмі близько 3 кг колагену, який в основному присутній у шкірі, кістках, очах, зубах, сухожиллях, внутрішніх органах (включаючи серце, шлунок, кишечник і кровоносні судини) та інших частинах. людського тіла. Його функція полягає в підтримці морфології та структури шкіри та органів, а також це важлива сировина для відновлення пошкоджених тканин.

II. Екстракція колагену з луски білого амура шляхом ультрафільтрації

1. Матеріали та методи

1.1 Дослідні зразки

Водний екстракт сирого колагену.

1.2 Методи випробувань

1.2.1 Процес ультрафільтрації

1.2.2 Визначення процесу попередньої фільтрації

У цьому тесті оптимальний процес попередньої фільтрації визначається шляхом порівняльного аналізу методу вакуумної фільтрації та методу мікрофільтрації. Конкретні методи випробування такі:

① Неочищений водний екстракт колагену фільтрують за допомогою фільтрувального паперу методом вакуумної фільтрації для видалення зважених часток і домішок у водному екстракті.

② Неочищений водний екстракт колагену фільтрується за допомогою мікрофільтраційної мембрани 0.2 мкм для видалення нерозчинних речовин, домішок тощо з водного екстракту.

1.2.3 Вибір розміру пор ультрафільтраційної мембрани

Під час очищення розмір пор ультрафільтраційної мембрани становить 100 кДа.

1.2.4 Однофакторний експеримент процесу очищення ультрафільтрацією

Водний екстракт неочищеного колагену очищається за технологією ультрафільтрації. Вивчіть однофакторний експеримент щодо впливу робочого тиску, робочої температури та pH на утримання колагену. Після запуску обладнання для ультрафільтрації протягом певного часу дослідіть вплив різних факторів на швидкість утримання колагену.

1.2.5 Формула розрахунку

2. Результати та аналіз

2.1 Аналіз процесу попередньої фільтрації

Див. таблицю нижче для порівняння результатів методу вакуумної фільтрації та методу мікрофільтрації.

Метод фільтрації	Концентрація розчину до фільтрації/(г/л)	Концентрація розчину після фільтрації/(г/л)	Сенсорні явища
метод вакуумної фільтрації	0.45	0.35	Розчин прозорий наприкінці фільтрації, але стає каламутним після деякого часу.
метод мікрофільтрації	0.45	0.42	Розчин стає прозорим наприкінці фільтрування та залишається прозорим після витримки протягом деякого часу

 

З таблиці видно, що як метод вакуумної фільтрації, так і метод мікрофільтрації можуть видалити домішки та нерозчинні тверді речовини в розчині, але метод мікрофільтрації має кращий захисний ефект для білка, тобто втрати не значні, і метод вакуумної фільтрації може спричинити втрати білка. Крім того, фільтрат стає каламутним після того, як його поміщають на певний період часу за допомогою вакуумної фільтрації, тоді як мікрофільтрація залишається чистою та прозорою, тому мікрофільтрацію вибирають як процес попередньої обробки ультрафільтрації.

2.2 Однофакторний тест процесу ультрафільтрації

2.2.1 Вплив тиску ультрафільтрації на швидкість утримання

За умови температури 40 градуси та pH 9.0 дослідіть вплив різних тисків ультрафільтрації (0.07 МПа, 0.{ {11}}9 МПа, 0,11 МПа, 0,13 МПа та 0,15 МПа) на швидкість утримання білка. Результати показано на малюнку нижче.

 

Як видно з наведеного вище малюнка, зі збільшенням робочого тиску швидкість перехоплення білка поступово знижувалася. При {{0}}.07 МПа рівень утримання білка становить 96,53%, коли робочий тиск становить 0,15 МПа, рівень утримання білка становить 84,38%. Це тому, що розділення речовин за допомогою ультрафільтрації обумовлено різницею тиску. У цьому діапазоні низького робочого тиску невеликі молекулярні речовини можуть швидко проходити крізь мембрану, але макромолекулярні речовини можуть бути захоплені ультрафільтраційною мембраною та накопичуватися на поверхні мембрани, і на даний момент поверхня мембрани та водяний розчин витягувати різницю концентрацій, щоб викликати поляризаційний опір різниці концентрацій; однак із збільшенням тиску концентраційний поляризаційний опір поступово зростає, і різниця концентрацій між поверхнею мембрани та водним екстрактом досягає рівноваги. Коли тиск перевищує цю рівновагу, на поверхні мембрани може бути написаний шар гелю (що узгоджується з теорією концентраційної поляризації та шару гелю, утвореного під час ультрафільтрації). Тиск продовжує зростати, і товщина шару гелю збільшується, а кількість білка, що залишається на поверхні мембрани, збільшується, що призводить до низького рівня утримання. Щоб забезпечити роздільний ефект мембрани, оптимальний параметр робочого тиску становить 0,07 МПа.

2.2.2 Вплив температури на швидкість утримання білка

За умови тиску {{0}}.11 МПа, рН 9,0 дослідіть вплив різних температур (25 градусів, 30 градусів, 35 градусів, 40 градусів і 45 градусів) на утримання білка. Результати показано на малюнку нижче.

 

Як показано на наведеному вище малюнку, зі збільшенням температури швидкість утримування ультрафільтраційної мембрани поступово зростає, і вона досягає максимуму при 45 градусах, при цьому швидкість утримання становить 97,01%. Оскільки в’язкість колагену тісно пов’язана з температурою: коли температура нижча, в’язкість колагену більша, і, таким чином, колагену легко утворювати опір на поверхні мембрани, що призводить до низького рівня утримання. Коли температура підвищується, в'язкість колагену зменшується, а взаємодія між молекулами колагену послаблюється, таким чином швидкість масообміну збільшується, а концентраційна поляризація послаблюється, тим самим збільшуючи швидкість утримання. Інша причина збільшення швидкості утримування полягає в тому, що температура підвищується, і відповідно збільшується розчинність колагену, і явище колагену, що блокує мембрану, зменшується. Тому оптимальна температура для ультрафільтрації - 45 градусів.

2.2.3 Вплив pH на утримання білка

За умови тиску {{0}}.11 МПа та температури 40 градуси вивчіть вплив різних умов pH, а саме pH=6.0, pH{ {5}}.{{10}}, рН=8.0, рН=9.0 і рН=10.0, на швидкість утримання. Результати показано на малюнку нижче.

 

As shown in the above figure, within the pH value range of 6–7, with the increase of pH value, the protein retention rate decreases, and there is a minimum value of 82.13% at pH=7.0. When pH>7, with the increase of pH value, the retention rate gradually increases. This is because the isoelectric point of collagen pH=7, at the isoelectric point of protein is a precipitation state, easy to stay on the surface of the membrane block membrane, so that the retention rate is low; When pH>7, швидкість утримування поступово зростає зі збільшенням pH. Це пояснюється тим, що ультрафільтраційна мембрана — це поліефірна кленова мембрана з негативним зарядом, колаген із негативним зарядом у лужних умовах, негативно заряджені молекули колагену та ультрафільтраційна мембрана з однаковим зарядом утворюють взаємовиключний стан, тому молекулам колагену нелегко залишатися на поверхні. мембрани непросто заблокувати мембрану, тому оптимальний рН ультрафільтрації становить 8-10.

2.3 Оптимізація процесу ультрафільтрації та перевірка результатів

Аналіз програмного забезпечення Design-Expert8.05 показує, що оптимальні параметри процесу такі: робочий тиск 0.14 МПа, робоча температура 40,98 градусів і pH розчину=9.43. За цих умов рівень утримання склав 92,551%. Враховуючи працездатність фактичних параметрів, робочий тиск становить 0,14 МПа, робоча температура становить 40 градусів, а значення рН вихідної рідини становить 9,50 в умовах ультрафільтрації. Експериментальна перевірка розпочинається після того, як система ультрафільтраційного пристрою починає працювати стабільно. Отриманий результат коефіцієнта збереження становить (92.61 0.1)% (n=3). Прогнозоване значення рівняння в основному подібне до виміряного значення, яке вказує на те, що прогнозований результат умовного параметра відповідає фактичному умовному результату.

2.4 Результати аналізу електрофорезу

Очищений колаген аналізують за допомогою електрофорезу SDS-PAGE, і результати показані на малюнку нижче.

Як показано на малюнку вище, доріжка 1 — це очищений колаген у цьому експерименті, а доріжка 2 — стандартний зразок колагену з сухожилля литки. З електрофорезу SDS-PAGE можна було побачити, що білок колагену, запропонований у цьому експерименті, можна ідентифікувати як колаген, але, здавалося б, нечіткі межі пептидного ланцюга a1 і пептидного ланцюга a2 нечіткі. З електрофорезу видно, що інших білкових смуг немає, і можна зробити висновок про високу чистоту очищеного колагену.