超音波抽出と保存

超音波抽出と保存は、細胞構造の破壊（溶解）に超音波を利用する。超音波で細胞を破砕することで、細胞内化合物を高効率で抽出し、微生物を不活性化することができる。多くの利点があるため、超音波処理は食品産業における抽出と保存に広く使用されています。超音波抽出と食品加工の利点について、詳しくはこちらをご覧ください！

食品と植物の抽出と保存のためのパワー超音波

超音波抽出： 超音波抽出とは、高周波の音波を利用して、植物、果物、野菜などさまざまな素材から化合物を抽出するプロセスである。このプロセスでは、超音波を使って液体または半固体の物質中に高圧の気泡を作り、それが急速に崩壊して強い熱と圧力を発生させ、物質の細胞壁を破壊して目的の化合物を放出させる。

超音波抽出と保存の原理

超音波抽出の基本原理は、音響キャビテーションとして知られる現象に基づいている。液体に高強度・低周波（約20kHz）の超音波を当てると圧力波が発生し、液体中に小さな真空の気泡ができる。この気泡は超音波の強度が増すにつれて大きくなり、ある大きさに達すると突然激しく崩壊して衝撃波を発生させ、熱と圧力の形でエネルギーを放出する。
このプロセスにより細胞壁が機械的に破壊され、材料から目的の化合物が液体溶媒中に放出される。放出された化合物は、濾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することができる。

 
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る。保存には、高周波音波を利用して腐敗の原因となる微生物の増殖を抑制し、生鮮食品の保存期間を延長するためにパワー超音波が適用される。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、破壊または抑制する。
このプロセスにより、微生物の細胞壁が機械的に破壊され、微生物の破壊や抑制につながる。また、超音波は細胞膜の透過性を高め、防腐剤やその他の抗菌剤を浸透させ、より効果的に微生物を死滅させることができる。
超音波保存が従来の保存方法よりも好まれるのは、処理時間が短い、効率が高い、食品の自然な性質や風味を保つことができるなど、いくつかの利点があるからである。ソース、ジュース、乳製品、卵、肉など幅広い食品に使用され、保存期間を延ばし、安全性を確保する。

超音波抽出・保存法は、従来の抽出・保存法に比べて、抽出速度が速い、製品の品質が優れている、収率が高い、純粋に機械的な非加熱処理である、幅広い化合物を抽出できる、などの利点があるため、好まれている。食品・飲料、医薬品、化粧品など幅広い産業で利用されている。

超音波によるタンパク質と酵素の抽出

特に、細胞や細胞内粒子に蓄積された酵素やタンパク質の抽出は、植物や種子の体内に含まれる有機化合物の溶媒による抽出を著しく改善することができるため、高強度超音波のユニークで効果的な応用である。したがって超音波は、例えば現在のプロセスで形成される非利用副産物の流れから、新規の潜在的生理活性成分を抽出・単離する際に、潜在的な利益をもたらす。超音波はまた、酵素処理の効果を強め、それによって必要な酵素の量を減らしたり、抽出可能な関連化合物の収量を増やしたりするのにも役立つ。

脂質とタンパク質の超音波抽出

超音波処理は、大豆（小麦粉または脱脂大豆など）やその他の油糧種子などの植物種子からの脂質およびタンパク質の抽出を改善するためにしばしば使用される。この場合、細胞壁の破壊は圧搾（冷間または熱間）を容易にし、圧搾ケーキ中の残留油脂を減少させる。

分散タンパク質の収率に対する連続超音波抽出の影響は、Moultonらにより実証された。超音波処理により、フレーク/溶媒比が1:10から1:30に変化するにつれて、分散タンパク質の回収率が徐々に増加した。超音波は、ほとんどすべての商業的処理能力で大豆タンパク質を沈殿させることができ、必要な超音波エネルギーは、より厚いスラリーを使用した場合に最も低いことが示された。

フェノール化合物とアントシアニンの超音波分離

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向上させるため、果汁加工に広く使用されている。細胞壁のマトリックスを破壊することで、フェノール化合物などの成分も果汁中に放出される。超音波は抽出プロセスを改善するため、一般的にプレスケーキに残るフェノール化合物、アルカロイド、果汁収量の増加につながる。

VTTバイオテクノロジー社（フィンランド）は、解凍、摩砕、酵素インキュベーションの後、超音波処理装置UIP2000hdを用いて、ブドウと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）のフェノール化合物とアントシアニンのジュースへの遊離に対する超音波処理の有益な効果を調査した。酵素処理（ビルベリーはPectinex BE-3L、ブラックカラントは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た。 “US処理はビルベリージュースのフェノール化合物の濃度を15％以上増加させる。[…]US（超音波）の影響は、ペクチンの含有量が高く、細胞壁の構造が異なるため、ビルベリーよりも果汁加工が難しいブラックカラントでより顕著であった。[…酵素培養後に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％増加した。” (Mokkilaら、2004参照）。
 

微生物と酵素の不活性化

フルーツジュースやソースなどにおける微生物や酵素の不活性化（保存）は、食品加工における超音波のもう一つの応用である。現在でも、短時間の昇温による保存（低温殺菌）は、微生物や酵素の不活性化（保存）のための最も一般的な処理方法であり、賞味期限の延長（保存）につながっている。高温にさらされるため、従来の熱殺菌は食品にとってしばしば不利になる。
熱触媒反応による新物質の生成や高分子の修飾、動植物の構造の変形は、品質の低下を招く可能性がある。そのため、熱処理は、食感、風味、色、香りなどの官能的特性や、ビタミンやタンパク質などの栄養的特性に望ましくない変化を引き起こす可能性がある。超音波は、効率的な非加熱（最小）処理の代替手段です。

従来の加熱処理とは対照的に、超音波保存は酵素を不活性化するために音響キャビテーションのエネルギーとせん断力を利用する。十分に低いレベルの超音波処理では、細胞を破壊することなく、構造的・代謝的な変化を起こすことができる。ペルオキシダーゼの活性は、ほとんどの生野菜や果物に含まれ、特に異臭や褐変色素の発生に関係する。超高温処理に耐えるリパーゼやプロテアーゼのような耐熱性酵素は、加熱処理した牛乳やその他の乳製品の品質や保存性を低下させるが、超音波、熱、圧力の同時適用（MTS）により、より効果的に不活性化できる。

超音波は、大腸菌、サルモネラ菌、アスカリス、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病原体の破壊において、その可能性を実証している。

適用：ジャム、マーマレード、トッピング、フルーツジュース、ソース、肉製品、乳製品、アイスクリームの保存。
 

超音波と温度・圧力の相乗効果

超音波治療は、他の抗菌方法と併用するとより効果的であることが多い：

• サーモソニケーション、すなわち熱と超音波
• 加圧と超音波によるマノ・ソニケーション
• 圧力、熱、超音波を利用した熱超音波ソニケーション。

枯草菌、バチルス・コアギュランス、バチルス・セレウス、バチルス・ステロサーモフィルス、サッカロマイセス・セレビシエ、アエロモナス・ヒドロフィラには、超音波と熱および/または圧力の併用が推奨される。

超音波と他の食品保存技術との比較

高圧ホモジナイズ、加熱殺菌、高圧処理(HPP)、圧縮二酸化炭素(cCO2)や超臨界二酸化炭素(ScCO2)、高電界パルス(HELP)やマイクロ波などの他の熱や非熱プロセスとは異なり、超音波はラボやベンチトップスケールで簡単にテストできます。 – スケールアップのための再現性のある結果を生成します。強度とキャビテーション特性は、特定の抽出プロセスに容易に適合させることができ、特定の目的を達成することができます。例えば、最もエネルギー効率の高い抽出セットアップを特定するために、振幅と圧力を広い範囲で変化させることができます。

超音波プローブ式抽出を使用することで得られるその他の利点は、抽出液の取り扱いが容易であること、迅速な抽出が可能であること、残留物がないこと、収率が高いこと、環境に優しいこと、品質が向上すること、抽出液の劣化が防止されることである。
(Chemat et al.）

抽出と保存のための高性能超音波発生装置

Hielscher Ultrasonics社は、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。Hielscher社の超音波装置を抽出と食品保存に使用することは、安全で環境に優しいだけでなく、効率的かつ経済的に適用できる強力な加工技術です。果汁やピューレ（オレンジ、リンゴ、グレープフルーツ、マンゴー、ブドウ、プラムなど）、野菜ソースやスープ（トマトソースやアスパラガススープなど）、乳製品、卵、肉類など、あらゆる液体やペースト状の食品に、均質化と保存効果を簡単に利用できます。
当社の超音波ホモジナイザーと抽出機の製品ラインアップは、手持ち式のポータブル機器から、商業規模で大量にインライン処理するための完全な工業生産システムまで多岐にわたる。

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：