超音波抽出による高いペクチン収率

超音波抽出により、優れた品質のペクチンが高収率で得られる。超音波を使用することで、果実廃棄物（例えば、ジュース加工の副産物）やその他の生物学的原料から貴重なペクチンを効率的に生産することができます。超音波ペクチン抽出は、収率が高く、ペクチンの品質が優れており、抽出手順が迅速であるため、他の抽出技術よりも優れています。

ソニケーションによるペクチン抽出の強化

ペクチンは、ゲル化剤、乳化剤、増粘剤として多くの食品に利用されているほか、化粧品や医薬品の成分としても利用されている。従来の工業的なペクチン抽出は熱水抽出で行われており、柑橘類の皮やリンゴの搾りかす、その他の果実廃棄物などの原料を、低pH（約pH1.5～3.5）の60～100℃の熱水に長時間浸す。このため、従来の熱水抽出は時間もエネルギーもかかるプロセスであり、原料に含まれるペクチンを完全に放出するのに十分な効率も得られないことが多い。
従来の製造法の非効率性を克服するため、超音波抽出をプロセス強化技術として適用し、従来の熱水抽出と比較して抽出時間を短縮し、ペクチン収量を最大化した。

超音波ペクチン抽出の利点

超音波抽出は、食品、サプリメント、医薬品、化粧品などの植物エキスやハーブエキスなど、エキス製造の多くの分野で応用されている。超音波抽出の非常に顕著な例は、大麻植物からのカンナビジオール（CBD）およびその他の化合物の抽出である。
超音波抽出は非熱抽出技術であり、生物活性化合物の熱劣化を防ぐことができる。振幅、強度、時間、温度、圧力など、すべての超音波プロセスパラメーターは正確に制御することができる。そのため、正確な工程管理と品質管理が可能になり、一度得られた抽出結果の反復・再現が容易になる。抽出物製造業者は、プロセスや製品の標準化に役立つ信頼性の高いプロセスの再現性を超音波処理に期待しています。

 
グレープフルーツの皮から超音波でペクチンを抽出する手順は、上のビデオでご覧いただけます！
 

関連するプロセスパラメーターを決定することで、超音波抽出プロセスを最高の効率と優れた抽出物の品質に最適化することができる。
例えば、原料（柑橘類の皮など）の粒径は重要な要素である：粒子径が小さいほど、超音波が作用する表面積が大きくなる。粒子径が小さいほど、超音波が作用する表面積が大きくなるため、ペクチンの収率が高くなり、メチル化の程度が低くなり、ラムノガラクツロナン領域の比率が高くなる。
抽出溶媒（水＋酸）のpH値も重要なパラメーターである。酸性条件下でペクチンを抽出すると、ポリマーの多くのラムノガラクツロナンの分岐領域が分解され、主にホモガラクツロナンが抽出される。 “ストレート” 数個の中性糖分子が主鎖上または主鎖中に結合した領域が残る。
超音波ペクチン抽出は、抽出時間を短縮し、必要なプロセス温度を下げる。これにより、製品の要求に合わせてペクチンを正確に改質するために、限られた条件下で酸を使用することが可能になる。

超音波ペクチン抽出はなぜ効率的なのか？

超音波抽出の影響は、細胞壁の膨潤、穿孔、破壊に直接影響する。超音波による物質移動は、中間層のペクチン質の水和を引き起こし、植物組織の破壊につながる。超音波キャビテーションとせん断力は、細胞壁に直接衝撃を与え、細胞壁を破壊する。これらのメカニズムにより、超音波抽出は非常に効率的な結果をもたらす。

超音波抽出ペクチン（音響キャビテーション支援抽出ペクチン、略称ACAE）は、従来の加熱抽出ペクチンと比較して、分子量およびメトキシル化度が低く、側鎖の長いラムノガラクツロナン-I領域に富んでいた。また、超音波ペクチン抽出のエネルギー消費量は、従来の加熱法よりも有意に低く、工業生産規模への応用が期待される。
(参照：Wang et al.）
Wangと彼の同僚（2017）も、超音波アシスト抽出は従来の加熱抽出と比較して効率が高く、コストが低く、より経済的で環境に優しいプロセスであることが証明されていることを裏付けている。
 

(a)抽出前、(b)キシラナーゼ(250 U/g)、(c)セルラーゼ(300 U/g)、(d)キシラナーゼ+セルラーゼ(1:1)、(e)キシラナーゼ+セルラーゼ(1:1.5)、(f)キシラナーゼ+セルラーゼ(1:2)によるペクチン抽出後。
(研究および画像：Abou-Elseoud他、2021年）

超音波ペクチン抽出の仕組み

超音波抽出は、高強度超音波のソノメカニカル効果に基づいている。ペクチンの超音波抽出を促進するために、高出力の超音波が超音波プローブ（超音波ホーンまたはソノトロードとも呼ばれる）を介して液体媒体、すなわちペクチン含有原料と溶媒からなるスラリーに結合される。超音波は液体中を伝わり、低圧と高圧のサイクルを交互に作り出す。低圧サイクルの間、微小な真空気泡（いわゆるキャビテーション気泡）が発生し、数回の圧力サイクルを経て成長する。気泡が成長するサイクルの間に、液体中の溶存ガスが真空気泡に入り込み、真空気泡は成長するガス気泡へと変化する。ある大きさになると、気泡がそれ以上のエネルギーを吸収できなくなり、高圧サイクルの間に激しく内破する。気泡の爆縮は、それぞれ4000Kと1000atmに達する非常に高い温度と圧力、およびそれに対応する高い温度差と圧力差を含む、強烈なキャビテーション力によって特徴付けられる。これらの超音波により発生した乱流とせん断力により、植物細胞は破砕され、細胞内のペクチンが水性溶媒中に放出される。超音波キャビテーションは非常に激しい物質移動を引き起こすため、超音波処理によって非常に短い処理時間で非常に高い収率が得られる。
ソニケーションはペクチン抽出だけでなく、果実の搾りかす、果肉、果皮、種子からポリフェノールを分離するためにも使われる。 詳しくはこちら

植物細胞からの超音波抽出：顕微鏡横断面（TS）は、細胞からの超音波抽出中の作用メカニズムを示す（倍率2000倍）[resource: Vilkhu et al.］

果実廃棄物から抽出したペクチン

果実の皮、果肉（果汁搾汁後）、その他の副産物などの果実廃棄物は、しばしば豊富なペクチン源となる。果実廃棄物はしばしば家畜の飼料として利用されるが、ペクチン抽出は果実廃棄物のより価値ある利用法である。
超音波によるペクチン抽出は、柑橘類の皮（オレンジ、ミカン、グレープフルーツなど）、メロンの皮、リンゴの搾りかす、テンサイの果肉、マンゴーの皮、トマトの搾りかす、ジャックフルーツ、パッションフルーツ、イチジクの皮などですでに成功している。

超音波ペクチン抽出のケーススタディ

従来の熱によるペクチン抽出の欠点から、研究および産業界はすでに超音波抽出のような革新的な代替法を研究してきた。そのため、様々な原料のプロセス・パラメーターやプロセスの最適化に関するデータが豊富に得られている。

リンゴ果肉からのペクチンの超音波抽出

DrancaとOroian（2019）は、様々な超音波条件を適用し、Box-Behnken応答曲面計画を用いて、リンゴの搾りかすからのペクチンの超音波支援抽出プロセスを研究した。その結果、超音波の振幅が抽出ペクチンの収量とエステル化の程度に強く影響し、抽出pHが3つの反応（収量、GalA含量、エステル化の程度）すべてに大きな影響を与えることがわかった。最適な抽出条件は、振幅100%、pH1.8、固液比1:10g/mL、超音波処理30分であった。この条件下でのペクチン収率は9.183%で、GalA含量は98.127g/100g、エステル化度は83.202%であった。超音波抽出したペクチンの結果を市販のペクチンと比較するため、最適な条件で超音波抽出したペクチン試料を、FT-IR、DSC、レオロジー分析、SEMを用いて市販の柑橘類とリンゴのペクチン試料と比較した。最初の2つの手法により、超音波抽出で得られたペクチン試料のいくつかの特徴が浮き彫りになった。例えば、分子量の分布範囲が狭いこと、分子配列が整然としていること、エステル化度が高く市販のリンゴペクチンと類似していることなどである。超音波抽出で得られた試料の形態学的特徴を分析した結果、この試料の断片サイズの分布とGalA含量との間には、一方では決定パターンがあり、他方では吸水能があることが示された。超音波抽出されたペクチン溶液の粘度は、市販のペクチンを使用した溶液の粘度よりもはるかに高かったが、これはガラクツロン酸の濃度が高いためであろう。また、エステル化の程度が高いことを考慮すると、超音波抽出ペクチンの粘度が高い理由も説明できるかもしれない。研究者らは、Malus domestica 'Fălticeni'から超音波抽出法で抽出したペクチンの純度、構造、レオロジー的挙動について次のように結論づけた。’ リンゴの搾りかすは、この水溶性食物繊維の有望な利用法を示している。(参照：Dranca & オロイアン2019)

ペクチン製造用高性能超音波抽出機

超音波抽出は、柑橘類の副産物や皮、リンゴの搾りかすなど、様々な原料の高品質なペクチンの製造を促進する、信頼性の高い処理技術です。Hielscher Ultrasonicsの製品ラインアップは、コンパクトなラボ用超音波発生装置から工業用抽出システムまで、フルレンジをカバーしています。そのため、私たちHielscherは、お客様の想定される処理能力に最適な超音波装置を提供することができます。長年経験を積んだスタッフが、フィージビリティテストやプロセスの最適化から、最終生産レベルでの超音波システムの設置まで、お客様をサポートいたします。
当社の超音波抽出機は、設置面積が小さいだけでなく、設置オプションの多様性により、小スペースのペクチン処理施設にも適合します。超音波処理装置は、世界中の食品、医薬品、栄養補助食品製造施設に設置されています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：

Hielscher Ultrasonics – 洗練された抽出装置

Hielscher Ultrasonicsの製品ラインナップは、小規模から大規模まで、高性能超音波抽出機の全範囲をカバーしています。追加アクセサリーにより、お客様のペクチン抽出プロセスに最適な超音波装置構成を簡単に組み立てることができます。最適な超音波セットアップは、想定される容量、量、原料、バッチまたはインラインプロセス、タイムラインによって異なります。

バッチとインライン

Hielscher社の超音波処理装置は、バッチ処理および連続フロースルー処理に使用できます。超音波バッチ処理は、プロセスのテスト、最適化、中小規模の生産レベルに最適です。大量のペクチンを生産する場合は、インライン処理の方が有利かもしれない。連続インライン混合プロセスには、高度なセットアップが必要です。 – ポンプ、ホース、パイプ、タンクで構成されていますが、非常に効率的で、迅速で、労働力が大幅に少なくて済みます。Hielscher Ultrasonicsは、お客様の抽出量とプロセス目標に最適な抽出セットアップを提供します。

あらゆる製品容量に対応する超音波抽出機

Hielscher Ultrasonicsの製品レンジは、コンパクトな実験用超音波処理装置から、ベンチトップやパイロットシステム、1時間にトラック1台分の処理能力を持つ工業用超音波処理装置まで、あらゆる超音波処理装置をカバーしています。お客様のペクチン含有原料、処理能力、生産目標に最適な超音波抽出機をご提案いたします。
超音波ベンチトップ・システムは、フィージビリティ・テストやプロセスの最適化に最適です。確立されたプロセスパラメーターに基づくリニアなスケールアップにより、小ロットから完全な商業生産まで、処理能力を非常に簡単に向上させることができます。スケールアップは、より強力な超音波抽出ユニットを設置するか、複数の超音波処理装置を並列にクラスタリングすることで可能です。UIP16000により、Hielscher社は世界で最も強力な超音波抽出装置を提供します。

最適な結果を得るために正確に制御可能な振幅

Hielscher社の超音波発生装置は、すべて精密に制御可能であり、生産現場において信頼性の高い作業馬となります。振幅は、果実やバイオ廃棄物からのペクチンの超音波抽出の効率と効果に影響を与える重要なプロセスパラメータの一つです。
Hielscherのソニケーターはすべて、振幅を正確に設定することができます。ソノトロードとブースターホーンは、さらに広い範囲で振幅を変更できるアクセサリーです。Hielscherの工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供し、要求の厳しいアプリケーションに必要な超音波強度を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続運転が可能です。
正確な振幅設定と、スマートソフトウェアによる超音波プロセスパラメータの常時モニタリングにより、最も効果的な超音波条件で原料を処理することができます。最適な超音波処理により、最高の抽出結果を得ることができます！
Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、過酷な環境下でも24時間365日の稼働が可能です。これにより、Hielscherの超音波装置は、お客様の抽出要件を満たす信頼性の高い作業ツールとなります。

簡単でリスクのないテスト

超音波プロセスは、完全にリニアなスケーリングが可能です。つまり、実験室やベンチトップの超音波発生装置を使用して達成されたすべての結果は、まったく同じプロセスパラメーターを使用して、まったく同じ出力にスケールアップすることができます。このため、超音波処理は、リスクのない実現可能性試験、プロセスの最適化、その後の商業生産への導入に理想的です。超音波処理によってペクチンエキスの生産量をどのように増やせるかについては、当社までお問い合わせください。

最高品質 – ドイツで設計・製造

家族経営の企業として、Hielscher社は超音波プロセッサーの最高品質基準を優先しています。すべての超音波処理装置は、ドイツ・ベルリン近郊のテルトウにある本社で設計、製造、徹底的なテストが行われています。Hielscherの超音波装置は、頑丈で信頼性が高いため、お客様の生産現場で活躍します。全負荷、過酷な環境下での24時間365日の稼働は、Hielscherの高性能ミキサーの当然の特徴です。