Application de l'ultrafiltration à l'extraction du collagène naturel

Le collagène, en tant que ressource protéique naturelle, présente une bonne biocompatibilité, une faible antigénicité, une biodégradabilité et une hémostase, sa structure hélicoïdale serrée et ses propres caractéristiques, qui constituent toutes des conditions préalables à son industrialisation. Le collagène et ses sous-produits ne sont pas seulement utilisés comme matériaux d'emballage, produits cosmétiques et de soins de santé, mais également comme additifs alimentaires pour améliorer le produit carné, et jouent un rôle important, notamment dans le domaine médical.

 

Qu'est-ce que le collagène?

 

Le collagène est une macromolécule biologique, composant principal du tissu conjonctif animal, et la protéine fonctionnelle la plus abondante et la plus largement distribuée chez les mammifères, représentant 25 à 30 % des protéines totales, et même jusqu'à 80 % ou plus chez certains organismes. Il joue le rôle de liant les tissus des cellules animales.

On mesure que le corps d'un adulte contient environ 3 kg de collagène, qui existe principalement dans la peau humaine, les os, les yeux, les dents, les tendons, les organes internes (y compris le cœur, l'estomac, les intestins, les vaisseaux sanguins) et d'autres parties du corps humain, et son Sa fonction est de maintenir la morphologie et la structure de la peau, des tissus et des organes, et c'est également une matière première importante pour la réparation de divers tissus après une blessure.

 

Il existe de nombreux types de protéines de collagène, les types courants étant les types I, II, III, V et XI. En raison de sa bonne biocompatibilité, biodégradabilité et bioactivité, le collagène a été largement utilisé dans l’alimentation, la médecine, l’ingénierie tissulaire, les cosmétiques et d’autres domaines.

Comment extraire le collagène naturel

Les tissus animaux provenant du bétail et de la volaille constituent le principal moyen permettant à l’homme d’obtenir du collagène naturel et ses peptides de collagène. Cependant, en raison des maladies animales associées et de certaines croyances religieuses, l'utilisation du collagène et de ses produits provenant des mammifères terrestres est limitée et le développement se tourne progressivement vers les organismes marins. L'Autorité européenne de sécurité des aliments (EFSA) a confirmé que même le collagène dérivé d'os d'animaux n'a pas le potentiel d'infecter la maladie de la vache folle et d'autres maladies associées. En raison des différences dans la composition des acides aminés et le degré de réticulation, les animaux aquatiques, en particulier le collagène riche en déchets de transformation tels que la peau, les os et les écailles, présentent de nombreux avantages que le collagène du bétail n'a pas. De plus, le collagène dérivé d’animaux marins est évidemment supérieur au collagène provenant d’animaux terrestres sous certains aspects, tels que sa faible antigénicité et son hypoallergénicité. Le collagène aquatique pourrait donc progressivement remplacer le collagène animal terrestre. Le processus d’extraction du collagène des écailles de carpe herbivore a été pris comme exemple.

 

Extraction du collagène des écailles de carpe herbivore par méthode d'ultrafiltration

1. Matériels et méthodes

1.1 Échantillon d'essai

Extrait aqueux brut de collagène.

1.2 Méthodes d'essai

1.2.1 Itinéraire du processus d'ultrafiltration

 

1.2.2 Détermination du processus de préfiltration

Dans ce test, la méthode de filtration sous vide et la méthode de microfiltration sont comparées et analysées pour déterminer le meilleur processus de filtration préfiltration. Les méthodes de test spécifiques sont les suivantes :

① L'extrait d'eau de collagène brut a été filtré par pompage sous vide de papier filtre pour éliminer les particules en suspension et les impuretés dans l'extrait d'eau.

② L'extrait aqueux de collagène brut a été filtré par une membrane de microfiltration de 0,2 μm pour éliminer les matières insolubles et les impuretés dans l'extrait aqueux.

 

1.2.3 Sélection de la taille des pores de la membrane d'ultrafiltration

La taille des pores de la membrane d'ultrafiltration était de 100 kDa.

 

1.2.4 Expérience à facteur unique du processus de purification par ultrafiltration

La technologie d’ultrafiltration a été utilisée pour purifier l’extrait brut d’eau de collagène, et des expériences à facteur unique sur les effets de la pression de fonctionnement, de la température de fonctionnement et de la valeur du pH sur la rétention de collagène ont été étudiées. Après que l'équipement d'ultrafiltration ait été démarré pendant un certain temps et stabilisé, l'influence de divers facteurs sur la rétention de collagène a été étudiée.

 

1.2.5 Formule de calcul

 

2. Résultats et analyse

2.1 Résultats d'analyse du processus de préfiltration

Les résultats de comparaison des deux méthodes de filtration d'extraction sous vide et de microfiltration sont présentés dans le tableau suivant.

 

Le tableau montre que la méthode de filtration sous vide et la méthode de microfiltration peuvent éliminer les impuretés et les solides insolubles dans la solution, mais la méthode de microfiltration a un meilleur effet protecteur sur les protéines, c'est-à-dire que la perte n'est pas évidente et la méthode de filtration sous vide est facile à provoquer une perte de protéines. De plus, la méthode de filtration sous vide apparaît turbidité après que le filtrat ait été placé pendant un certain temps, et le microfiltrat est toujours clair et transparent, c'est pourquoi la microfiltration est choisie comme processus de prétraitement de l'ultrafiltration.

 

2.2 Test à facteur unique du processus d'ultrafiltration

2.2.1 Influence de la pression d'ultrafiltration sur le taux de rétention

Dans des conditions de température de 40 degrés et de pH=9.0, l'influence de différentes pressions d'ultrafiltration (0.07MPa, {{9} }.09MPa, 0,11MPa, 0,13MPa et 0,15MPa) sur la rétention des protéines a été étudiée. Les résultats sont présentés dans la figure ci-dessous.

Comme le montre la figure ci-dessus, avec l'augmentation de la pression de fonctionnement, le taux de rétention des protéines diminue progressivement. Lorsque la pression de fonctionnement est de {{0}}.07MPa, le taux de rétention des protéines est de 96,53 %, et lorsque la pression de fonctionnement est de 0,15MPa, le taux de rétention des protéines est de 84,38 %. En effet, l'effet de séparation de l'ultrafiltration sur les substances est réalisé par la différence de pression. Dans la plage de faible pression de fonctionnement, les petites molécules peuvent traverser rapidement la membrane, tandis que les grosses molécules peuvent être piégées par la membrane d'ultrafiltration et s'accumuler à la surface de la membrane. À ce moment, la surface de la membrane et l’extrait aqueux forment une différence de concentration, entraînant une résistance à la polarisation de concentration. À l'heure actuelle, la pression est relativement faible et ne peut pas avoir un impact important sur le taux de rétention. Cependant, avec l'augmentation de la pression, la résistance à la polarisation de la concentration augmente progressivement et la différence de concentration entre la surface de la membrane et l'extrait aqueux atteint l'équilibre. Lorsque la pression dépasse cet équilibre, une couche de gel peut se former sur la surface de la membrane (ce qui est cohérent avec la théorie selon laquelle une polarisation de concentration et une couche de condensation se forment pendant l'ultrafiltration), et la pression continue d'augmenter, l'épaisseur de la couche de gel augmente , et la protéine restant à la surface de la membrane augmente également. Cela se traduit par un taux de rétention inférieur. Afin d'assurer l'effet de séparation de la membrane, le paramètre optimal de pression de fonctionnement est de 0,07 MPa.

 

2.2.2 Influence de la température sur la rétention des protéines

Dans les conditions de pression de {{0}}.11MPa et de pH=9.0, les effets de différentes températures, à savoir 25 degrés, 30 degrés, 35 degrés, 40 degrés et 45 degrés, sur les protéines la rétention a été étudiée. Les résultats sont présentés dans la figure ci-dessous.

Comme le montre la figure ci-dessus, le taux de rétention de la membrane d'ultrafiltration augmente progressivement avec l'augmentation de la température et atteint son maximum à 45 degrés, avec un taux de rétention de 97,01 %. En effet, la viscosité du collagène est étroitement liée à la température. Lorsque la température est basse, la viscosité du collagène est plus grande et l'accumulation de collagène sur la surface de la membrane forme facilement une résistance, ce qui entraîne un faible taux de rétention. Lorsque la température augmente, la viscosité du collagène diminue, l'interaction entre les molécules de collagène est affaiblie et le taux de transfert de masse augmente, le phénomène de polarisation de concentration est affaibli et le taux de rétention augmente. Une autre raison de l'augmentation du taux de rétention est que la température augmente, la solubilité du collagène augmente également en conséquence et le phénomène de blocage de la membrane par le collagène est réduit, de sorte que la température optimale d'ultrafiltration est de 45 degrés.

 

2.2.3 Influence de la valeur du pH sur la rétention des protéines

Dans les conditions de pression de {{0}}.11MPa et de température de 40 degrés, l'influence de différentes conditions de pH, à savoir pH=6.0, pH{{ 5}}.{{10}}, pH=8.0, pH=9.0 et pH=10.0, sur le taux de rétention a été étudié. Les résultats sont présentés dans la figure ci-dessous.

 

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, le taux de rétention augmente progressivement avec l'augmentation de la valeur du pH. En effet, la membrane d'ultrafiltration est une membrane d'érable polyéther avec une charge négative et le collagène est chargé négativement dans des conditions alcalines. Les molécules de collagène chargées négativement forment un état mutuellement exclusif avec la membrane d'ultrafiltration avec la même charge, ainsi les molécules de collagène ne sont pas faciles à rester à la surface de la membrane et à bloquer la membrane. Par conséquent, la valeur optimale du pH de l’ultrafiltration est 8-10.

 

2.3 Optimisation du processus d'ultrafiltration et vérification des résultats

Selon l'analyse du logiciel Design-Expert8.05, les paramètres de processus optimaux sont : pression de fonctionnement 0,14 MPa, température de fonctionnement 40,98 degrés, pH de la solution{{7 }}.43, et le taux de rétention est de 92,551 %. Compte tenu de l'opérabilité des paramètres réels, les conditions d'ultrafiltration ont été sélectionnées comme une pression de fonctionnement de 0,14 MPa, une température de fonctionnement de 40 degrés et une valeur de pH de 9,50 de la solution matérielle, et la vérification des tests a été lancée après le démarrage et la stabilisation du système d'ultrafiltration. Le résultat du taux de rétention était de (92,61 ± 0,1) % (n=3). Les valeurs prédites de l'équation sont fondamentalement similaires aux valeurs mesurées, ce qui montre que les résultats des paramètres de condition prédits sont en accord avec les résultats des conditions réelles.

 

2.4 Résultats de l'analyse électrophorétique

Le collagène purifié a été analysé par électrophorèse SDS-PAGE et les résultats ont été présentés dans la figure suivante.

 

Comme le montre la figure ci-dessus, la piste 1 est le collagène purifié de ce test et la piste 2 est l'échantillon de collagène standard du tendon du mollet. L'électrophorèse SDS-PAGE montre que le collagène dans cette étude peut être identifié comme étant du collagène, mais les limites entre la chaîne peptidique a1 et la chaîne peptidique a2 ne semblent pas claires. La carte électrophorétique montre qu’il n’y a aucune autre impureté protéique, on peut donc conclure que le collagène purifié est d’une grande pureté.

À propos du guidisme

 

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