Assessing the feasibility of applying natural deep eutectic solvents for the solubilisation of collagen

Abstract

Kollagen er et viktig biologisk materiale av stor etterspørsel innen biomedisin, farmasøytisk industri og i næringsmiddelindustrien for sine allsidige egenskaper. Den konvensjonelle ekstraksjonsmetoden som benyttes i industrien i dag er en tidskrevende prosess, som inkluderer flere runder med behandling i sure eller alkaliske miljøer, og lengre rensetrinn. I dette arbeidet utforskes det om løsemidlene «natural deep eutectic solvents» (NADES) kan benyttes som et grønnere alternativ til den konvensjonelle metoden for oppløsningen av kollagen. To typer NADES ble valgt ut, sitronsyre : xylitol : vann (CA-X-W) og kolinklorid : oksalsyre dihydrat (ChCl-OAD), og disse ble testet på representative prøvematerialer for å utforske deres potensielle egenskaper for ekstraksjon av kollagen. Gelatin ble brukt for å ha primærstrukturen til kollagen, og cellulose representerer makrofiberstrukturen. Ulike analyser ble utført for å vurdere grad av oppløst prøvemateriale, løsemidlenes egenskaper og egenskapene til de oppløste prøvene. CA-X-W løste opp 99.5 % av gelatinet og forårsaket en høy grad av oppløsning av kollagenmolekylene. Løsemiddelet ble også observert å ikke ha destruktivt effekt på kollagenmolekylene og er dermed det mest lovende løsningsmidlet for bruk i en industriell ekstraksjon. ChCl-OAD løste opp 66,1 % av gelatinprøven og skilte seg ut ved å ha en overdreven proteolytisk effekt på kollagenmolekylene, noe som skapte små peptider. Ekstraksjonsproduktet vil sannsynligvis ikke ha de ettersøkte geleringsegenskapene til kollagen, men kan potensielt ha bruksområder innen andre felt enn næringsmiddelindustrien. Dette prosjektet har totalt sett samlet betydelig informasjon om disse løsningsmidlene, og denne kunnskapen vil gi et godt grunnlag for videre forskning på bruk av NADES i ekstraksjonsprosesser for kollagen.

Collagen is an important biological material desired in biomedicine, pharmaceuticals, and in the food industry for its versatile properties. The conventional extraction method applied in the industry today is a timely process, which includes multiple rounds of treatment in acidic or alkaline environments, and excessive purification steps. In this work, natural deep eutectic solvents (NADESs) are explored for the solubilisation of collagen as a greener alternative to the conventional method. Two NADES formulations were chosen, citric acid : xylitol : water (CA-X-W) and choline chloride : oxalic acid dihydrate (ChCl-OAD), and they were tested on representative sample materials to explore their potential properties for extraction of collagen. Where gelatin represents the collagen peptide sequence, and cellulose the macrofibre structure. Different assays were performed to assess for their solubilisation efficacy, solvent attributes, and the characteristics of the solubilised samples. CA-X-W solubilised 99.5% of the gelatin sample and caused a high degree of dissolution of the collagen molecules. It was also observed to be non-destructive to the collagen molecules and is thus the most promising solvent for application in an industrial extraction. ChCl-OAD solubilised 66.1% of the gelatin sample and stood out for having an excessive proteolytic effect on the collagen molecules, creating small peptides. The extraction product would likely not have the sought gelation properties of collagen but could potentially be utilised in fields other than the food industry. This project has overall provided significant information about these solvents, and this knowledge will provide a sound basis for further research on the topic of applying NADESs in extraction processes for collagen.