超音波抽出によるペクチン収率の向上

超音波抽出により、優れた品質のペクチンを高収率で得られます。超音波処理を用いることで、果実廃棄物（例えば、果汁加工の副産物）やその他の生物由来原料から、有用なペクチンを効率的に製造できます。超音波ペクチン抽出は、より高い収率、より優れたペクチン品質、迅速な抽出操作を実現することで、他の抽出技術を上回ります。

超音波処理によるペクチン抽出の強化

ペクチンは、多くの食品でゲル化剤、乳化剤、増粘剤として利用されるほか、化粧品や医薬品の成分としても使用されます。従来の工業的なペクチン抽出では熱水抽出が行われ、柑橘類の皮、リンゴ搾りかす、その他の果実廃棄物などの原料を、低pH（約pH 1.5 – 3.5）の60–100°Cの熱水に長時間浸します。このため、従来の熱水抽出は時間とエネルギーを消費するプロセスとなり、原料中に存在するペクチンの全量を放出させるには、効率が十分でないことも少なくありません。
従来の製造方法の非効率性を克服するため、プロセスを強化する技術として超音波抽出が用いられます。これは、従来の熱水抽出と比較して、抽出時間を短縮し、ペクチン収率を大幅に最大化します。

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、化粧品向けの植物抽出物やハーブ抽出物など、抽出物製造の多くの分野で利用されています。超音波抽出の非常に代表的な例として、大麻植物からのカンナビジオール（CBD）やその他の化合物の抽出が挙げられます。
超音波抽出は非熱的な抽出技術であり、生理活性化合物の熱分解を防ぎます。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を正確に制御できます。これにより、精密なプロセス管理と品質管理が可能になり、一度得られた抽出結果を容易に繰り返し再現できます。抽出物の製造者は、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反復再現性という点で超音波処理を評価しています。

 
上の動画で実演している、グレープフルーツの皮からの超音波ペクチン抽出プロトコルはこちらをご覧ください！
 

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品質が得られるように最適化できます。
例えば、原料（柑橘類の皮など）の粒径は重要な要因です。粒径が小さいほど、超音波が作用する表面積が大きくなります。そのため、粒径が小さいと、ペクチン収率が高くなり、メチル化度が低くなり、ラムノガラクツロナン領域の割合が大きくなります。
抽出溶媒（すなわち、水＋酸）のpH値も重要なパラメーターです。酸性条件下でペクチンを抽出すると、ポリマーのラムノガラクツロナン分岐領域の多くが分解され、主として、直鎖状の主鎖上または主鎖内に少数の中性糖分子が結合したホモガラクツロナンの「直線状」領域が残ります。
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低下させるため、酸による望ましくないペクチンの改変が起こる可能性を低減します。これにより、限定された条件下で酸を使用し、製品要件に正確に合わせてペクチンを改変できます。

超音波ペクチン抽出はなぜこれほど効率的なのでしょうか？

超音波抽出の作用は、細胞壁の膨潤、穿孔、破壊に直接影響します。超音波によって誘起される物質移動は、中葉にあるペクチン質の水和を引き起こし、植物組織の崩壊につながります。超音波キャビテーションとせん断力は細胞壁に直接作用し、細胞壁を破壊して開きます。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します。

化学分析とFT-IR分析によると、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とも呼ばれ、略称はACAE）は、従来の加熱抽出ペクチンと比較して、分子量とメトキシル化度が低く、長い側鎖を持つラムノガラクツロナン-I領域がより豊富でした。超音波ペクチン抽出のエネルギー消費量は、従来の加熱方法よりも大幅に低く、工業的な生産規模への有望な適用可能性を示しています。
（参照：Wang et al., 2017）
Wangとその同僚（2017）は、超音波支援抽出が、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と実証されていることも裏付けています。
 

1000x倍率で観察した残留テンサイパルプのSEM画像：（a）抽出前、および（b）Xylanasae（250 U/g）、（c）セルラーゼ（300 U/g）、（d）Xylanasae＋セルラーゼ（1:1）、（e）Xylanasae＋セルラーゼ（1:1.5）、（f）Xylanasae＋セルラーゼ（1:2）を用いたペクチン抽出後。
（研究および画像：Abou-Elseoud et al., 2021）

超音波ペクチン抽出はどのように機能するのでしょうか？

超音波抽出は、高強度超音波の機械的作用に基づいています。超音波処理によってペクチン抽出を促進・強化するため、高出力の超音波を、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、すなわちペクチンを含む原料と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周期を生じさせます。低圧周期中に、微小な真空気泡（いわゆるキャビテーション気泡）が形成され、複数の圧力周期を経て成長します。この気泡成長の周期中に、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。ある大きさに達し、気泡がそれ以上エネルギーを吸収できなくなると、高圧周期中に激しく圧壊します。気泡の圧壊は、非常に強いキャビテーション力を特徴とし、温度と圧力はそれぞれ最大4000Kと1000atmに達する極めて高い値となり、それに伴う大きな温度差と圧力差も生じます。超音波によって発生するこれらの乱流とせん断力は、植物細胞を破壊し、細胞内のペクチンを水系溶媒中に放出させます。超音波キャビテーションは極めて強い物質移動を生じさせるため、超音波処理により、非常に短い処理時間で並外れて高い収率が得られます。
超音波処理はペクチン抽出だけでなく、果実の搾りかす、果肉、皮、種子からのポリフェノールの単離にも用いられます。 詳しくはこちらをご覧ください！

植物細胞からの超音波抽出：顕微鏡による横断面（TS）は、細胞からの超音波抽出中における作用メカニズムを示しています（倍率2000x）［出典：Vilkhu et al. 2011］

果実廃棄物から抽出されるペクチン

皮、果肉残渣（果汁の搾汁後）、その他の果実副産物などの果実廃棄物は、ペクチンが豊富な供給源であることが多くあります。果実廃棄物は動物飼料としてよく利用されますが、ペクチン抽出は、果実廃棄物をより価値の高い用途に利用する方法です。
超音波ペクチン抽出は、柑橘類の皮（オレンジ、タンジェリン、グレープフルーツなど）、メロンの皮、リンゴ搾りかす、テンサイパルプ、マンゴーの皮、トマト廃棄物のほか、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も、すでに成功裏に実施されています。

超音波ペクチン抽出の事例研究

従来の加熱によるペクチン抽出には欠点があるため、研究分野と産業界では、超音波抽出などの革新的な代替手法がすでに検討されています。そのため、さまざまな原料のプロセスパラメーターに関する豊富な情報と、プロセス最適化データを利用できます。

リンゴ搾りかすからのペクチンの超音波抽出

DrancaとOroian（2019）は、さまざまな超音波条件を適用し、Box-Behnken応答曲面計画を用いて、リンゴ搾りかすからのペクチンの超音波支援抽出プロセスを調査しました。その結果、超音波振幅は抽出されたペクチンの収率とエステル化度に強く影響する一方、抽出時のpHは、収率、GalA含有量、エステル化度という三つの応答すべてに大きな影響を与えることが分かりました。最適な抽出条件は、振幅100%、pH 1.8、固液比1:10 g/mL、超音波処理30 minでした。この条件下で、ペクチン収率は9.183%、GalA含有量は98.127 g/100 g、エステル化度は83.202%でした。超音波抽出ペクチンの結果を市販ペクチンと関連付けて評価するため、最適条件下の超音波抽出で得られたペクチン試料を、市販の柑橘ペクチンおよびリンゴペクチン試料と、FT-IR、DSC、レオロジー分析、SEMによって比較しました。最初の二つの手法は、超音波抽出で得られたペクチン試料の特徴として、より狭い分子量分布範囲、規則的な分子配列、市販のリンゴペクチンと同程度の高いエステル化度を明らかにしました。超音波で得られた試料の形態的特徴の分析は、一方の、この試料の断片サイズ分布とGalA含有量と、他方の吸水能力との間に、決定関係のパターンがあることを示しています。超音波抽出ペクチン溶液の粘度は、市販ペクチンを用いて調製した溶液よりもはるかに高く、これはガラクツロン酸濃度が高いためかもしれません。高いエステル化度も考慮すると、これが超音波抽出ペクチンの粘度が高かった理由を説明する可能性があります。研究者らは、Malus domestica ‘Fălticeni’のリンゴ搾りかすから超音波抽出されたペクチンの純度、構造、レオロジー挙動が、この水溶性食物繊維の有望な用途を示していると結論付けています。（参照：Dranca & Oroian 2019）

ペクチン製造向けの高性能超音波抽出装置

超音波抽出は、柑橘類の副産物や皮、リンゴ搾りかすなど、さまざまな原料からの高品質ペクチン製造を容易にし、加速する信頼性の高い処理技術です。Hielscher Ultrasonicsの製品群は、コンパクトな実験室用超音波装置から工業用抽出システムまで、全範囲を網羅しています。そのため、Hielscherは、お客様が想定する処理能力に最も適した超音波装置をご提供できます。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。
当社の超音波抽出装置は設置面積が小さく、設置方法の選択肢も多様なため、スペースの限られたペクチン処理施設にも適合します。超音波プロセッサーは、世界各地の食品、医薬品、栄養補助食品の製造施設に設置されています。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力の目安を示しています。

Hielscher Ultrasonics – 高度な抽出装置

Hielscher Ultrasonicsの製品群は、小規模から大規模まで、高性能超音波抽出装置の全範囲を網羅しています。追加の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も適した超音波装置構成を容易に組み立てられます。最適な超音波設備構成は、想定する能力、容量、原料、バッチまたはインラインのプロセス、およびスケジュールによって異なります。

バッチとインライン

Hielscherの超音波装置は、バッチ処理および連続フロー処理に使用できます。超音波バッチ処理は、プロセス試験、最適化、小規模から中規模の生産に最適です。大量のペクチンを製造する場合は、インライン処理の方が有利な可能性があります。連続インライン混合プロセスには、高度な設備構成 – ポンプ、ホースまたは配管、タンクからなる構成 – が必要ですが、非常に効率的かつ迅速で、必要な労力も大幅に少なくなります。Hielscher Ultrasonicsは、お客様の抽出量とプロセス目標に最も適した抽出設備構成をご提供します。

あらゆる生産能力に対応する超音波抽出装置

Hielscher Ultrasonicsの製品群は、コンパクトな実験室用超音波装置から、卓上型・パイロットシステム、毎時トラック積載量規模の処理能力を持つ完全な工業用超音波プロセッサーまで、超音波プロセッサーの全範囲を網羅しています。この幅広い製品群により、お客様のペクチン含有原料、処理能力、生産目標に最も適した超音波抽出装置をご提供できます。
超音波卓上システムは、実現可能性試験とプロセス最適化に最適です。確立されたプロセスパラメーターに基づく線形スケールアップにより、小ロットから本格的な商業生産まで、処理能力を非常に容易に拡大できます。スケールアップは、より高出力の超音波抽出装置を設置するか、複数の超音波装置を並列に組み合わせることで行えます。Hielscherは、UIP16000により、世界で最も強力な超音波抽出装置をご提供しています。

最適な結果のために精密に制御可能な振幅

Hielscherのすべての超音波装置は精密に制御できるため、生産現場で信頼できる主力装置となります。振幅は、果実や生物由来廃棄物からのペクチンの超音波抽出の効率と有効性に影響する、重要なプロセスパラメーターの一つです。
Hielscherのすべての超音波装置では、振幅を精密に設定できます。ソノトロードとブースターホーンは、振幅をさらに広い範囲で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ーは非常に高い振幅を実現でき、厳しい用途に必要な超音波強度を供給できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。
精密な振幅設定と、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ーの常時監視により、最も効果的な超音波条件で原料を処理できます。最良の抽出結果を得るための最適な超音波処理です！
Hielscherの超音波装置は堅牢であり、高負荷かつ厳しい環境での24/7運転が可能です。そのため、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装置となります。

簡単でリスクのない試験

超音波プロセスは、完全に線形にスケールアップできます。これは、実験室用または卓上型の超音波装置を用いて得られたすべての結果を、まったく同じプロセスパラメーターを用いて、まったく同じ出力が得られるようにスケールアップできることを意味します。そのため、超音波処理は、リスクのない実現可能性試験、プロセス最適化、その後の商業製造への導入に最適です。超音波処理でペクチン抽出物の生産をどのように増やせるかについては、当社にお問い合わせください。

最高品質 – ドイツで設計・製造

家族所有・家族経営の企業として、Hielscherは超音波プロセッサーに最高の品質基準を適用することを優先しています。すべての超音波装置は、ドイツのベルリン近郊、Teltowにある当社本社で設計・製造され、徹底的に試験されています。Hielscherの超音波装置は、その堅牢性と信頼性により、お客様の生産現場の主力装置となります。全負荷かつ厳しい環境での24/7運転は、Hielscherの高性能ミキサーが本来備えている特性です。