深共晶溶媒を用いた超音波抽出

深共晶溶媒（DES）と天然深共晶溶媒（NADES）は、植物原料、食品、機能性食品、化粧品および医薬品成分の抽出に用いられる、強力で調整可能な環境に優しい抽出媒体です。Hielscherのプローブ型超音波処理装置は、物質移動を加速し、植物の細胞構造を破砕し、溶媒の浸透を改善することでDES抽出を促進します – グリセロール系NADESのような粘性の高い溶媒系でも効果を発揮します。

実験室での溶媒配合のスクリーニング、特定の植物化学物質に合わせた抽出パラメーターの最適化、連続インライン生産へのスケールアップのいずれにおいても、Hielscherの超音波抽出装置は、再現性のある振幅制御、堅牢な24/7運転、ミリリットル単位から産業規模の流量までスケールアップ可能な処理を提供します。

抽出物メーカーがDES抽出にHielscherを選ぶ理由

• ポリフェノール、フラボノイド、カンナビノイド、テルペン、アントシアニンおよびその他の生理活性化合物の抽出効率が向上
• 従来の浸漬抽出および撹拌槽による溶媒抽出と比べて高速な抽出
• DES、NADES、グリセリン、水、エタノールおよび混合溶媒系に対応
• 高振幅のプローブ型超音波処理による高粘度溶媒の効果的な処理
• バッチ式、再循環式および連続フロー式の構成
• 振幅、投入エネルギー、温度および処理時間の精密な制御
• 実現可能性試験からパイロット生産、本格的な産業生産まで容易にスケールアップ

超音波処理がDESおよびNADES抽出を改善する理由

深共晶溶媒および天然深共晶溶媒を用いたプローブ型超音波抽出は、生理活性化合物の抽出にいくつかの利点をもたらす可能性があります。主な利点の一つは、天然原料からのフェノール性化合物およびその他の植物化学物質の抽出効率が向上することです。深共晶溶媒は高い抽出効率で知られており、超音波支援抽出によってさらに向上させることができます。毒性がないため、医薬品や食品に用いる溶媒として優れた選択肢です。このため、深共晶溶媒を用いた超音波抽出は、生理活性化合物を回収するための環境に優しく持続可能な方法となります。超音波処理と深共晶溶媒を相乗的に組み合わせることで、さまざまな生理活性化合物の収率が高まることが科学的に証明されています。総じて、深共晶溶媒および天然深共晶溶媒を用いたプローブ型超音波抽出は、生理活性化合物の抽出に、より効率的で環境に優しいアプローチを提供します。

DESを用いたアントシアニンの超音波抽出

アントシアニンは、黒ニンジン、ベリー類、ブドウ、紫トウモロコシおよびその他の植物原料に含まれる、価値の高い天然色素および抗酸化物質です。深共晶溶媒は、水素結合ネットワークをこれらの色素化合物の極性および安定性の要件に合わせて調整できるため、アントシアニンの抽出に適しています。プローブ型超音波処理と組み合わせると、DES抽出の効率は大幅に向上します。超音波キャビテーションが植物の細胞構造を破砕し、溶媒の浸透を改善し、抽出媒体へのアントシアニンの放出を加速します。超音波処理装置UP400Stを用いた黒ニンジンのアントシアニンに関する研究では、塩化コリン系DESが、特に超音波支援抽出と組み合わせた場合、従来の酸性化エタノールまたはメタノールによる抽出に代わる、持続可能で効果的な方法となり得ることが示されています。（参照：Türker et al., 2021）

DESを用いたポリフェノールの超音波抽出

フラボノイド、フェノール酸および関連する抗酸化化合物を含むポリフェノールは、植物、食品、機能性食品および化粧品の抽出における重要な目的分子です。グリセロール系深共晶溶媒は、その極性と水素結合能力がフェノール性化合物の可溶化を促すため、ポリフェノールの回収に特に魅力的です。プローブ型超音波は、物質移動を増大させ、抽出時間を短縮し、DESと植物マトリックスの接触を改善することで、プロセスをさらに促進します。
ある研究では、温度、DES濃度、超音波振幅などのパラメーターを最適化し、グリセロール–酢酸アンモニウムDESを用いて超音波支援抽出を行いました。その結果、超音波DES抽出によってセンダンの果実から総フェノール、フラボノイドおよび抗酸化活性を効率的に回収できることが示され、DESを用いた超音波抽出が、産業規模の植物原料処理における環境に優しい抽出方法となる可能性が実証されました。（参照：Jamshed et al., 2022）

深共晶溶媒（DES）とは？

深共晶溶媒（DES）は、カルボン酸やその他の再生可能な化合物を含む、少なくとも一種類の水素結合受容体（HBA）と一種類の水素結合供与体（HBD）の混合物です。Cai et al. (2019)によると、「HBAとHBDの間の強い水素結合相互作用が、DESの形成にとって最も重要な要因です」。 [Cai et al. 2019]
水素結合供与体としては、糖、アミノ酸、カルボン酸（例：安息香酸、クエン酸、コハク酸）またはアミン（例：尿素、ベンズアミド）などの化合物がよく使用されます。水素結合供与体の化学的相互作用能力は、深共晶溶媒の形成と効率に寄与する主要な要因です。塩化コリンや塩化亜鉛などのハロゲン化物塩も、水素結合供与体と組み合わせて使用できます。その他の塩化コリン系深共晶溶媒は、マロン酸、フェノールまたはグリセリンと組み合わせて形成されます。強い水素結合相互作用の結果、深共晶溶媒の融点は、個々の成分と比較して大幅に低下します。従来の溶媒（例：エタノール、メタノール、ヘキサン、ブタンなど）とは異なり、深共晶溶媒は不揮発性です。つまり、蒸気圧が非常に低いため、極めて引火しにくいということです。深共晶溶媒は毒性が低く、生分解性が高く、必要な前駆体は安価で、容易かつ豊富に入手でき、さらに再生可能です。
天然深共晶溶媒（NADES）は、すべての前駆体が天然原料に由来するため、さらに環境に優しい溶媒です。深共晶溶媒は、溶質の化学的性質と深共晶溶媒の調製に用いる化学種に応じて、溶解能力を調整することもできます。一部の天然深共晶溶媒は粘度が高く、そのためバッチ抽出にはあまり適していません。しかし、粘度の高い天然深共晶溶媒でも、超音波フロー抽出の溶媒として良好に使用できます。

以下の表は、植物化学物質の抽出に用いる天然深共晶溶媒（NADES）の組成例をいくつか示しています。

深共晶溶媒を用いた超音波抽出の仕組み

超音波抽出は、高強度・低周波超音波の音響機械的効果に基づいています。超音波処理によって植物由来化合物（すなわち生理活性物質）の抽出を促進・強化するため、高出力超音波を超音波プローブ（超音波ホーンまたはソノトロードとも呼ばれます）を介して液体媒体、すなわち植物原料と（天然）深共晶溶媒からなるスラリーに結合させます。超音波は液体中を伝わり、低圧と高圧が交互に繰り返されるサイクルを生じさせます。低圧サイクルでは微小な真空気泡（いわゆるキャビテーション気泡）が生成され、複数の圧力サイクルにわたって成長します。この気泡成長サイクルの間に、液体中の溶存ガスが真空気泡に入り、真空気泡は成長するガス気泡へと変化します。数サイクルにわたって成長すると、真空気泡はそれ以上エネルギーを吸収できない大きさに達し、高圧サイクル中に激しく圧壊します。気泡の圧壊は、最大4000Kの極めて高い温度と最大1000atmの極めて高い圧力、およびそれに伴う大きな温度差と圧力差を含む、強烈なキャビテーション力を特徴とします。超音波によって生じたこれらの乱流とせん断力が植物細胞を破砕し、細胞内の生理活性化合物を（天然）深共晶溶媒中に放出します。超音波抽出は植物原料の細胞構造を開き、植物原料と溶媒の間の物質移動を促進します。これにより、超音波処理は天然深共晶溶媒の有効性を高めます。（天然）深共晶溶媒を用いた超音波抽出は、非常に短い処理時間で極めて高い収率をもたらします。

高出力超音波は、植物原料の細胞構造を破砕し、生理活性化合物を放出し、植物原料と溶媒（例：深共晶溶媒）の間の物質移動を促進します。

超音波抽出と（天然）深共晶溶媒を組み合わせることで、超音波のプロセス促進能力と、深共晶溶媒の顕著な可溶化効果および優れた設計自由度を組み合わせることができます。超音波抽出は効率に優れているため、 超音波処理装置は水を用いた抽出にも良好に使用されています.
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実験室、パイロットおよび産業規模のDES抽出用超音波抽出装置

超音波抽出は、さまざまな植物原料とあらゆる溶媒を用いた高品質な抽出物の製造を容易にし、加速する信頼性の高い処理技術です。超音波抽出は（天然）深共晶溶媒との適合性が非常に高く、これらの溶媒は、優れた可溶化能力、抽出物に合わせた設計自由度、持続可能性、生分解性および環境への優しさにより有利です。高出力超音波によるプロセス促進と（天然）深共晶溶媒の利点を組み合わせることで、このプロセス技術は多くの面で優位性を発揮します。Hielscher Ultrasonicsの製品群は、コンパクトな実験室用超音波処理装置から産業用抽出システムまで、全範囲を網羅しています。もちろん、そのすべてが深共晶溶媒を用いた抽出に適しています。
長年の経験を持つ当社スタッフが、実現可能性試験とプロセスの最適化から、最終的な生産規模での超音波システムの設置まで支援します。