超音波処理による高効率アルテミシニン抽出

アルテミシニンは、高性能超音波処理によって効率的に抽出できる。超音波抽出は、穏やかな溶媒を用いて非常に高い収率でアルテミシニンを得ることができる。超音波を用いた抽出プロセスは劇的に加速される。超音波抽出器の処理条件は精密に制御可能であり、熱に弱い生体分子アルテミシニンの分解を防ぐことができる。

アルテミシニン抽出

アルテミシニンは、アルテミシア植物のトリコーム腺内に存在する生物活性分子であり、抗マラリア薬として使用され、癌やSARS-CoV-2を含む他のいくつかの疾患の治療薬として高い可能性を示している。従来の抽出法は有毒な溶媒を使用し、高価で最適とは言えないプロセスであった。アルテミシニンを環境的にも経済的にも有利な条件で大規模に生産するためには、効率的でグリーンな抽出技術が必要である。超音波抽出は広く確立された抽出法であり、無毒性溶媒である水やエタノールと組み合わせて使用することができる。超音波抽出はアルテミシニンの収率が高いことがすでに証明されており、アルテミシニンの生産を迅速に大量にスケールアップすることができる。工業レベルでのバッチ処理およびインライン処理用の超音波抽出装置は容易に入手可能である。

アルテミシアからのアルテミシニンの超音波抽出

抽出にパワー超音波を使用することで、収率、抽出時間、環境への優しさ、コスト効率など、さまざまな主要な要素で他の抽出方法に優る。

伝統的なアルテミシニン抽出の欠点

従来のアルテミシニンの抽出法は、時間がかかり、高温のため生理活性分子であるアルテミシニンに損傷を与える可能性があり、高温で使用される有機溶媒のため環境への影響が大きい。さらに、下流工程では、粗抽出物から不純物を取り除くために大規模な精製が必要となる。

超音波アルテミシニン抽出の利点

抽出にパワー超音波を適用すると、抽出プロセスを強化するいくつかのプラスの効果があります：高性能超音波は音響キャビテーションを発生させます。この音響キャビテーションは、細胞破壊による植物抽出を促進し、内包された生体分子が植物の細胞マトリックスから放出されます。さらに、キャビテーションの力は、アルテミシニンのような生体分子を周囲の溶媒に効率的に輸送する物質移動を強化します。超音波抽出の動作原理は、純粋にキャビテーションの機械的な力によるものである。つまり、超音波抽出は非熱的、非化学的抽出技術である。アルテミシニンは熱に敏感な化合物であるため、より高い温度（例えば70℃）では分解が起こる。アルテミシニンは熱に弱い化合物であるため、高温（例えば70℃）では分解してしまう。

超音波アルテミシニン抽出のためのグリーン溶剤

アルテミシニン生産に使用される古典的な抽出溶媒には、ヘキサン、石油エーテル、ジクロロメタンなどがある。超音波による抽出は、エタノールや水のような温和で環境に優しい溶媒を含め、どのような溶媒にも適合する。エタノールを用いたアルテミシニンの超音波抽出は、刺激の強い溶媒と比較しても同様に効率的である。アルテミシニンは水溶性に乏しいため、シクロデキストリンを用いてアルテミシニンの超音波冷水抽出を改善することができる。

超音波アルテミシニン抽出はなぜ効率的なのか？

超音波補助抽出の利点を理解するためには、パワー超音波の動作原理を理解する必要がある。パワー超音波の抽出強化メカニズムは、主に音響キャビテーション現象に起因する。超音波キャビテーションは、植物バイオマス（アルテミシアの葉など）の粒子間の衝突を引き起こし、粒子間の分画と粒子径の縮小をもたらす。キャビテーション気泡が植物性固形物の表面で崩壊すると、浸食と超音波蒸発によって粒子表面がさらに拡大する。こうして強化された物質移動により、タンパク質、脂質、糖、ビタミン、抗酸化物質、植物性化学物質（アルテミシニンなど）、食物繊維などの分子の放出が促進される。超音波で発生するせん断力は、それぞれ植物体の細胞マトリックスへの溶媒の浸透を改善し、細胞膜の透過性を向上させる。パワー超音波のこれらのメカニズムは、超音波処理を植物抽出に適用した場合に達成される大幅なプロセス強化の原因である。

パワー超音波は、植物の細胞構造を破壊し、生物活性化合物を放出し、植物材料と溶媒（エタノールなど）の間の物質移動を促進する。

超音波アルテミシニン抽出の研究成果

Artemisia annuaの葉からの超音波アルテミシニン抽出の効率と実用性を調べるために、いくつかの科学的研究が行われてきた。

BriarsとPaniwnykは、「低温で超音波を照射すると、A. annuaから抽出されるアルテミシニンの収量が約58％増加し、従来の蒸煮と比較して抽出物がより純粋になることを示した。(Briars and Paniwnyk, 2013)

Zhangら（2017）は、プロピレングリコールメチルエーテル（PGME）を溶媒として用いた超音波アルテミシニン抽出について研究した。超音波で生成したアルテミシニン抽出物を超高性能液体クロマトグラフィー（UPLC）を用いて分析した。分析の結果、抽出物の品質が確認された。抽出されたアルテミシニンの良好なプロセス再現性と安定性から、グリーンで効率的なモノエーテルプロピレングリコールメチルエーテル（PGME）を溶媒として用いた超音波補助抽出は、植物からの生物活性分子の抽出と分離に大きな可能性を示している。プロピレングリコールメチルエーテル(PGME)を溶媒として用いた超音波抽出は、全体的に高い抽出効率と高いアルテミシニン収率をもたらした。(Zhangら、2017参照）。

別の研究では、Zhangら（2020）がヒドロキシプロピル-β-シクロデキストリンを用いたアルテミシニンの超音波抽出を発表している。シクロデキストリンの添加により、難水溶性化合物であるアルテミシニンの放出が改善され、溶媒として水を使用することが可能となり、良好な抽出収率が得られた。シクロデキストリンと組み合わせた超音波抽出により、アルテミシニンの量は8.66 mg/gに増加し、水中で得られた対応する量1.70 mg/gを大幅に上回った。

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下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：