超音波による抽出と保存

超音波による抽出と保存では、強力超音波を用いて細胞構造を破壊（溶解）します。超音波による細胞破砕により、細胞内化合物の非常に効率的な抽出と微生物の不活化が可能になります。数多くの利点があるため、超音波処理は食品業界で抽出と保存に広く利用されています。超音波抽出と食品加工の利点について詳しくご覧ください！

食品および植物原料の抽出と保存のための強力超音波

超音波抽出： 超音波抽出は、高周波の音波を用いて、植物、果物、野菜などのさまざまな材料から化合物を抽出するプロセスです。このプロセスでは、超音波を用いて液体または半固体材料内に高圧の気泡を発生させます。これらの気泡は急速に崩壊し、強烈な熱と圧力を発生させて材料の細胞壁を破壊し、目的の化合物を放出させます。

超音波による抽出と保存の動作原理

超音波抽出の基本原理は、音響キャビテーションと呼ばれる現象に基づいています。液体に高強度かつ低周波（約20 kHz）の超音波を照射すると、液体内に微小な真空気泡を形成する圧力波が発生します。これらの気泡は超音波の強度が増すにつれて大きくなり、一定の大きさに達すると突然激しく崩壊し、衝撃波を発生させるとともに、熱と圧力の形でエネルギーを放出します。
このプロセスによって細胞壁が機械的に破壊され、目的の化合物が材料から液体溶媒中へ放出されます。放出された化合物は、その後、ろ過や遠心分離などの標準的な分離技術を用いて溶媒から分離できます。

 
超音波保存： 超音波保存は、超音波抽出と同じキャビテーション効果に基づいています。保存では、高周波の音波によって腐敗の原因となる微生物の増殖を抑え、傷みやすい食品の保存期間を延ばすために強力超音波を適用します。このプロセスでは、食品に超音波を照射して細菌、酵母、カビの細胞壁を破壊し、それらを破壊または抑制します。
このプロセスによって微生物の細胞壁が機械的に破壊され、微生物が破壊または抑制されます。超音波は細胞膜の透過性を高めることもでき、保存料やその他の抗微生物剤がより効果的に浸透して微生物を死滅させることを可能にします。
超音波保存は、処理時間の短縮、効率の向上、食品本来の特性や風味を維持できることなど、複数の利点があるため、従来の保存方法よりも好まれています。ソース、ジュース、乳製品、卵、肉などの幅広い食品で、保存期間を延ばし、安全性を確保するために使用されています。

超音波による抽出と保存の技術は、抽出速度の向上、優れた製品品質、収率の向上、純粋に機械的な非加熱処理、より幅広い化合物を抽出できることなど、複数の利点があるため、従来の抽出・保存方法よりも好まれています。食品・飲料、医薬品、化粧品などの幅広い業界で使用されています。

タンパク質と酵素の超音波抽出

特に、細胞および細胞内粒子に蓄積された酵素とタンパク質の抽出は、高強度超音波の独特かつ効果的な用途です。植物体や種子内に含まれる有機化合物の溶媒による抽出を大幅に改善できるためです。したがって、超音波は、例えば既存のプロセスで生じる未利用の副産物流から、生物活性を持つ可能性のある新規成分を抽出・単離する際に、利点をもたらす可能性があります。超音波は酵素処理の効果を強めることにも役立ち、それによって必要な酵素量を減らしたり、抽出可能な目的化合物の収率を高めたりすることができます。

脂質とタンパク質の超音波抽出

超音波処理は、大豆（例えば大豆粉や脱脂大豆）やその他の油糧種子など、植物の種子からの脂質とタンパク質の抽出を改善するためによく使用されます。この場合、細胞壁の破壊によって圧搾（低温または高温）が容易になり、圧搾かすに残る油や脂肪が減少します。

連続超音波抽出が分散タンパク質の収率に及ぼす影響は、Moultonらによって実証されました。フレーク／溶媒比が1:10から1:30へと変化するにつれて、超音波処理による分散タンパク質の回収率は徐々に上昇しました。この結果は、超音波がほぼあらゆる商業規模の処理能力で大豆タンパク質を解膠できること、また、より濃厚なスラリーを用いた場合に、必要な超音波処理エネルギーが最も低くなることを示しました。

フェノール化合物とアントシアニンの超音波単離

ペクチナーゼ、セルラーゼ、ヘミセルラーゼなどの酵素は、細胞壁を分解して果汁の抽出性を高めるために、ジュース加工で広く使用されています。細胞壁マトリックスの破壊によって、フェノール化合物などの成分も果汁中へ放出されます。超音波は抽出プロセスを改善するため、通常は圧搾かすに残るフェノール化合物、アルカロイドおよび果汁の回収量を増やすことにつながる可能性があります。

ブドウおよびベリーのマトリックス、特にビルベリー（Vaccinium myrtillus）とブラックカラント（>Ribes nigrum）から果汁中へのフェノール化合物とアントシアニンの放出に対する超音波処理の有益な効果は、フィンランドのVTT Biotechnologyによって調査されました。解凍、破砕、酵素とのインキュベーション後に、超音波処理装置UIP2000hdを使用しました。酵素処理（ビルベリーにはPectinex BE-3L、ブラックカラントにはBiopectinase CCM）による細胞壁の破壊は、超音波と組み合わせることで改善されました。「US処理は、ビルベリー果汁中のフェノール化合物濃度を15%を超えて増加させます。[…] US（超音波）の影響は、ブラックカラントでより顕著でした。ブラックカラントは、ペクチン含有量が高く、細胞壁構造も異なるため、ビルベリーよりもジュース加工が難しいベリーです。[…] 酵素とのインキュベーション後にUS（超音波）処理を行うことで、果汁中のフェノール化合物濃度が15–25%増加しました。」（Mokkilaら、2004参照）
 

微生物と酵素の不活化

例えば果汁やソースにおける微生物と酵素の不活化（保存）は、食品加工における超音波のもう一つの用途です。現在でも、短時間の昇温による保存（低温殺菌）は、保存期間の延長（保存）につながる微生物または酵素の不活化のための最も一般的な処理方法です。従来の加熱による低温殺菌では、食品が高温にさらされるため、食品に不利益が生じることがよくあります。
熱によって触媒される反応からの新たな物質の生成、高分子の変化、植物および動物の構造の変形は、品質の低下につながる可能性があります。そのため、加熱処理は、食感、風味、色、においといった官能特性や、ビタミン、タンパク質といった栄養面の品質に、望ましくない変化を引き起こすことがあります。超音波は、効率的な非加熱（最小限の）処理の代替手段です。

従来の加熱処理とは対照的に、超音波保存では音響キャビテーションのエネルギーとせん断力を用いて酵素を不活化します。超音波処理のレベルが十分に低い場合、細胞を破壊することなく、細胞内で構造的および代謝的な変化が起こることがあります。ほとんどの生の果物や野菜、およびブランチングしていない果物や野菜に存在し、特に異味や褐変色素の発生に関連することがあるペルオキシダーゼの活性は、超音波の使用によって大幅に低減できます。超高温処理に耐え、加熱処理された牛乳やその他の乳製品の品質および保存期間を低下させることがあるリパーゼやプロテアーゼなどの耐熱性酵素は、超音波、熱、圧力を同時に適用すること（MTS）によって、より効果的に不活化できます。

超音波は、E.coli、サルモネラ属菌、回虫、ジアルジア、クリプトスポリジウムのシスト、ポリオウイルスなどの食品媒介性病原体を破壊する可能性を示しています。

適用対象：ジャム、マーマレードまたはトッピング、果汁およびソース、肉製品、乳製品およびアイスクリームの保存。
 

超音波と温度および圧力の相乗効果

超音波処理は、以下のような他の抗微生物処理方法と組み合わせることで、より効果的になることがよくあります：

• 熱併用超音波処理、すなわち熱と超音波
• 圧力併用超音波処理、すなわち圧力と超音波
• 圧力・熱併用超音波処理、すなわち圧力、熱、超音波

Bacillus subtilis、Bacillus coagulans、Bacillus cereus、Bacillus sterothermophilus、Saccharomyces cerevisiae、およびAeromonas hydrophilaには、超音波と熱および／または圧力の併用が推奨されます。

超音波とその他の食品保存技術の比較

高圧ホモジナイゼーション、加熱による低温殺菌、高圧処理（HPP）、圧縮二酸化炭素（cCO2）と超臨界二酸化炭素（ScCO2）、高電界パルス（HELP）、マイクロ波など、他の加熱および非加熱プロセスとは異なり、超音波は実験室規模または卓上規模で容易に試験でき、スケールアップに向けて再現性のある結果を得ることができます。強度とキャビテーション特性は、特定の目的に合わせて、個々の抽出プロセスに容易に適応させることができます。振幅と圧力は、例えば最もエネルギー効率の高い抽出条件を特定するために、広い範囲で変更できます。

プローブ型超音波抽出の使用に伴うその他の利点には、抽出物の取り扱いが容易であること、迅速に実施できること、残留物がないこと、高収率、環境への配慮、品質の向上、抽出物の劣化防止があります。
（Chematら、2011参照）

抽出と保存のための高性能超音波処理装置

Hielscher Ultrasonicsは、効率的な抽出と保存のための高性能超音波処理装置を設計、製造、販売しています。抽出と食品保存にHielscherの超音波装置を使用することは、安全かつ環境に配慮して適用できるだけでなく、効率的かつ経済的にも適用できる強力な処理技術です。均質化と保存の効果は、果汁やピューレ（例えばオレンジ、リンゴ、グレープフルーツ、マンゴー、ブドウ、プラム）、野菜のソースやスープ（例えばトマトソースやアスパラガスのスープ）、乳製品、卵、肉など、あらゆる液状またはペースト状の食品に容易に利用できます。
当社の超音波ホモジナイザーと抽出装置の製品群は、手持ち式の携帯可能な装置から、商業規模で大量の材料をインライン処理するための本格的な産業用生産システムまでを網羅しています。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高水準の品質と設計基準で広く知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業設備へ円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に重点を置いています。当然ながら、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています：