超音波処理による高効率なアルテミシニン抽出

アルテミシニンは、高性能な超音波処理を用いて効率よく抽出できます。超音波抽出では、穏やかな溶媒を用いてアルテミシニンを非常に高い収率で得られます。超音波を利用することで、抽出プロセスは大幅に加速されます。超音波抽出装置の処理条件は精密に制御できるため、熱に敏感な生体分子であるアルテミシニンの分解を防ぐことができます。

アルテミシニンの抽出

アルテミシニンは、Artemisia annua（クソニンジン）の腺毛内に存在する生理活性分子です。抗マラリア薬として使用されており、がんやSARS-CoV-2を含む他の複数の疾患の治療薬としても高い可能性を示しています。従来の抽出方法は有毒な溶媒を使用し、費用が高く、十分に最適化されていないプロセスです。環境面と経済面で有利な条件下でアルテミシニンを大規模に生産するには、効率的で環境に配慮した抽出技術が必要です。超音波抽出は広く確立された抽出方法であり、無毒の溶媒である水やエタノールと組み合わせて使用できます。超音波抽出ではアルテミシニンが高い収率で得られることがすでに実証されているため、アルテミシニンの生産を迅速に大容量へと拡大できます。産業規模のバッチ処理およびインライン処理に対応する超音波抽出装置は、容易に入手できます。

Artemisia annuaからのアルテミシニンの超音波抽出

抽出に高出力超音波を使用すると、収率、抽出時間、環境への配慮、費用効率など、さまざまな主要な要因で他の抽出方法を上回ります。

従来のアルテミシニン抽出の欠点

従来のアルテミシニン抽出方法は時間がかかり、使用される高温によって生理活性分子であるアルテミシニンが損傷する可能性があります。また、高温で有機溶媒を使用するため、環境への影響も大きくなります。さらに、後工程では粗抽出物から不純物を除去するために、大がかりな精製が必要です。

アルテミシニンの超音波抽出の利点

抽出に高出力超音波を利用すると、抽出プロセスを促進する複数の好ましい効果が得られます。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、細胞破砕によって植物からの抽出を促進し、閉じ込められていた生体分子を植物の細胞マトリックスから放出させます。さらに、キャビテーションによる力が物質移動を促進し、アルテミシニンなどの生体分子を周囲の溶媒へ効率よく移動させます。超音波抽出の作用原理は、キャビテーションの純粋に機械的な力に帰することができます。これは、超音波処理が非熱的かつ非化学的な抽出技術であることを意味します。アルテミシニンは熱に敏感な化合物であり、高温（例えば70°C）では分解するため、非熱的な抽出技術である超音波抽出は特に有利です。したがって、アルテミシニンを得るためにArtemisia annua L.を熱湯で煮沸することはできません。

アルテミシニンの超音波抽出に適した環境に配慮した溶媒

アルテミシニンの生産に使用される従来の抽出溶媒には、ヘキサン、石油エーテル、ジクロロメタンなどがあります。超音波による抽出は、エタノールや水などの穏やかで環境に配慮した溶媒を含め、あらゆる溶媒に対応します。エタノールを用いたアルテミシニンの超音波抽出は、過酷な溶媒を用いた場合と同等の効率を示します。アルテミシニンは水への溶解性が低いため、シクロデキストリンを使用して、冷水によるアルテミシニンの超音波抽出を改善できます。

アルテミシニンの超音波抽出はなぜこれほど効率的なのでしょうか？

超音波支援抽出の利点を理解するには、高出力超音波の作用原理を理解する必要があります。高出力超音波による抽出促進の機構は、主に音響キャビテーションという現象に起因します。超音波キャビテーションは、植物バイオマス（Artemisia annua L.の葉など）の粒子間に衝突を引き起こし、その結果、粒子間の衝突による破砕と粒径の減少が生じます。キャビテーション気泡が植物固形物の表面で崩壊すると、侵食とソノポレーションによって粒子の表面積がさらに拡大します。これによって促進される物質移動は、タンパク質、脂質、糖、ビタミン、抗酸化物質、植物化学物質（アルテミシニンなど）、食物繊維といった分子の放出を容易にします。超音波によって発生するせん断力は、植物材料の細胞マトリックスへの溶媒の浸透と、細胞膜の透過性をそれぞれ向上させます。これらの高出力超音波の機構により、植物からの抽出に超音波処理を適用した際に、大幅なプロセス促進が達成されます。

高出力超音波は植物の細胞構造を破砕し、生理活性化合物を放出させ、植物材料と溶媒（エタノールなど）の間の物質移動を促進します。

研究で実証されたアルテミシニンの超音波抽出の結果

Artemisia annuaの葉からアルテミシニンを超音波抽出する際の効率と実用性を調べるため、複数の科学的研究が行われています。

BriarsとPaniwnykは、「低温での超音波処理によって、A. annuaから抽出されるアルテミシニンの収率が約58%増加し、従来の浸漬法と比較して抽出物の純度も高いように見える。したがって、抽出時に超音波を使用することで、アルテミシニンを基盤とする治療法をより低コストで提供できる可能性がある」と示しました。(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）を溶媒として使用したアルテミシニンの超音波抽出を調査しました。超音波で生成したアルテミシニン抽出物は、超高性能液体クロマトグラフィー（UPLC）を用いて分析されました。分析結果は抽出物の品質の高さを裏付けました。プロセスの反復再現性と抽出されたアルテミシニンの安定性が良好なため、環境に配慮した効率的なモノエーテルであるプロピレングリコールメチルエーテル（PGME）を溶媒とする超音波支援抽出は、植物からの生理活性分子の抽出と分離において大きな将来性を示しています。プロピレングリコールメチルエーテル（PGME）を溶媒とする超音波抽出では、高い総合抽出効率と高いアルテミシニン収率が得られました。(cf. Zhang et al., 2017)

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使用したアルテミシニンの超音波抽出を報告しています。シクロデキストリンの添加は、水への溶解性が低い化合物であるアルテミシニンの放出を改善し、水を溶媒として使用しながら良好な抽出収率を得ることを可能にします。超音波抽出とシクロデキストリンを組み合わせることで、アルテミシニン量は8.66 mg/gに増加しました。これは、水中で得られた対応する量である1.70 mg/gを大幅に上回ります。

アルテミシニン生産用の高性能超音波抽出装置

Hielscher Ultrasonicsの高性能超音波抽出システムは、食品、栄養補助食品、医薬品の生産など、さまざまな産業において、研究開発、小規模、中規模、本格的な商業生産の各段階で世界中で使用されています。高性能超音波抽出装置は抽出プロセスを促進し、収率を高めることで、高品質な抽出物の生産における総合効率を向上させます。Hielscher Ultrasonicsは、あらゆる容量／処理能力に対応する抽出装置を提供しています。植物からの抽出において25年を超える経験を持つHielscher Ultrasonicsは、Artemisia annuaからの高性能超音波抽出における信頼できるパートナーです！

高性能で最先端の超音波処理装置

Hielscherの超音波処理装置のスマート機能は、信頼性の高い運転、再現性のある結果、使いやすさを保証するように設計されています。デジタルカラータッチディスプレイやブラウザーによる遠隔操作から利用できる直感的なメニューを通じて、運転設定に容易にアクセスし、調整できます。そのため、正味エネルギー、総エネルギー、振幅、時間、圧力、温度など、すべての処理条件が内蔵SDカードに自動的に記録されます。これにより、過去の超音波処理を再確認して比較し、アルテミシニンの抽出プロセスを最高の効率へと最適化できます。
Hielscher Ultrasonicsのシステムは、高品質な植物抽出物の製造に世界中で使用されています。Hielscherの産業用超音波処理装置は、連続運転（24/7/365）において容易に高振幅で稼働できます。標準ソノトロード（超音波プローブ／ホーン）を使用して、最大200µmの振幅を容易に連続発生させることができます。さらに高い振幅には、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご用意しています。当社の超音波抽出システムは、堅牢で保守の手間が少ないため、高負荷の用途や厳しい環境で広く導入されています。

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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の目安を示しています。