高出力超音波による高効率な水抽出

植物成分の水抽出（例：冷水抽出、熱水抽出、加圧水抽出、亜臨界水抽出）は、超音波処理によって効率的に改善できます。超音波支援水抽出は、従来の抽出技術と比較して、収率を高め、処理時間を短縮するだけでなく、エネルギー消費の低減、より穏やかな抽出条件、高品質な抽出物の取得も実現します。超音波水抽出は、アルカロイド、フラボノイド、配糖体、フェノール化合物、多糖類など、多数の植物由来化合物の抽出に成功裏に使用されています。

生理活性化合物の超音波水抽出

水は最も極性の高い溶媒であり、極性化合物にとって優れた溶媒です。無毒で環境に優しいという性質から、水はあらゆる植物抽出物に理想的な溶媒となり得ます。ただし、極性の低い成分や非極性成分は、水にはほとんど溶解しないか、まったく溶解しません。また、物質移動を促進しなければ、水中での抽出プロセスは極めて遅くなり、経済的に成り立ちません。高強度・低周波の超音波は、強力な混合と物質移動をもたらす非常に効率的な抽出技術です。そのため、超音波抽出が従来の抽出方法に対して大きな利点をもたらすことは広く知られています。これらの利点には、より高い収率、迅速な処理、素早いバッチの切り替えと連続インライン抽出、環境に優しい溶媒の使用、抽出成分を保持する穏やかな抽出条件、安全な操作、商業生産に向けた大きな処理能力への容易なスケールアップが含まれます。（参照：Zabot et al., 2021）

超音波処理による熱水抽出の改善

水抽出における植物成分の抽出を左右するパラメータは、温度、時間、圧力、植物材料の表面積です。熱水抽出物は、水の温度が高いため、比較的短時間で調製できます。
解決策： 超音波による撹拌を適用すると、収率と抽出速度を大幅に向上させることができます。熱水だけでは細胞構造を破壊する能力が限られており、高温は熱に不安定な化合物を損傷または破壊することが多いため、抽出物の品質が低下します。超音波抽出を熱水抽出と組み合わせると、温度を大幅に下げることができ（例：100°Cから50°Cへ）、抽出した植物成分の熱分解を防ぎ、総収率を高め、エネルギーを節約できます。超音波キャビテーションは、超音波抽出現象の基礎となる原理です。超音波（または音響）キャビテーションは純粋に機械的な力であり、細胞壁を破壊して目的化合物を放出させ、細胞内部と水（溶媒）の間の物質移動を改善します。このように、超音波水抽出は優れた抽出結果をもたらします。

超音波処理による冷水抽出の改善

冷水抽出（冷水浸出）は熱水の使用を避けるため、効率が大幅に低下します。冷水や室温の水では、植物材料への浸透が非常に遅く、物質移動もほぼ無視できるほど小さいため、植物成分を十分に抽出できません。冷水抽出の利点は、温度上昇を一切避けることで、熱に敏感な化合物の熱分解を防ぐことにあります。しかし、抽出の進行が極めて遅いため、従来の冷水抽出は商業生産には実用的ではありません。そのため、冷水浸出は、その遅さと非効率性から、ほぼ実験段階でのみ使用されています。
解決策： 冷水抽出に超音波処理を導入すると、冷水浸漬の遅さと非効率性を容易に克服できます。超音波で強化した冷水抽出では、低い抽出温度を維持しながら、固液媒体に強いせん断力を伝えることができます。超音波抽出の作用機構によって細胞壁が開かれ、植物成分が速やかに水中へ放出されます。超音波による冷水抽出と浸出は、冷水浸漬を、短い抽出時間で高収率と高品質な抽出物を得られる非常に効果的なプロセスへと変えます。

超音波処理を組み合わせた加圧水抽出

超音波抽出は微細な混合を特徴とし、振動によって溶媒の粒子内部への拡散と粒子内部から表面への拡散を促進し、物質移動を強化します。また、超音波処理は細胞材料の粒径を小さくし、超音波支援加圧液体抽出の効果を高めます。約0.68 mmの小さな粒子は、より大きな粒子（約1.05 mm）よりも高い収率を示します。これは、表面積が大きくなることで物質移動が大幅に増加し、抽出収率が向上するためです。（参照：Zabot et al., 2021）

高出力超音波による効果的な加圧冷水抽出

高圧下では、冷水の植物組織への浸透が促進され、熱分解を起こさずに水溶性の植物化学成分を溶解させることができます。高圧冷水抽出法は超音波と組み合わせることで、極性および非極性の植物成分の分離を改善できます。無毒で安価、かつ環境に優しい溶媒である水は、特に植物由来の食品、治療用製品、栄養補助食品の製造において、有機溶媒に代わる魅力的な選択肢です。
超音波で強化した加圧冷水抽出では、超音波プローブ（ソノトロード）を抽出タンクまたはフローセルに組み込みます。タンクまたはフローセルは、目的の抽出成分に応じて、通常5–100 bargの圧力で加圧します。Hielscher Ultrasonicsは、最大300bargまで加圧できる特注の産業用超音波リアクターとフローセルも提供しており、抽出プロセスに最適な圧力を設定できます。
 

超音波処理による超臨界水抽出の改善

超音波で強化した亜臨界水抽出も、高出力超音波が固体と液体の間の物質移動を改善する相乗的な技術です。亜臨界水抽出（SWE）– 加圧熱水抽出または過熱水抽出とも呼ばれます – は、極性の低い植物成分の抽出に用いられる、比較的使用頻度の低い技術です。亜臨界水抽出では、超臨界状態の水を溶媒として使用します。
亜臨界水とは何でしょうか。また、なぜ亜臨界水は、極性の低い植物成分の抽出に適した溶媒なのでしょうか。「水には、温度と圧力の影響を大きく受ける多くの熱力学的性質があります。条件によって、その物理的状態（固体、液体、気体）、熱的挙動、密度、粘度を変化させることができます。温度と圧力を、臨界点と呼ばれる点（221 barおよび374 °Cと定義されます）より高くすると、水は超臨界状態に達することができます。蒸発を避けるために、温度が100°Cと臨界温度（374°C）の間、圧力が1 barと臨界圧力（221 bar）の間にある亜臨界条件下では、水の極性が低下します。そのため、水はさまざまな有機生理活性化合物の抽出に、より適した溶媒となります。」（Li and Chemat, 2019）
超音波を亜臨界水抽出と組み合わせると、抽出収率を高め、抽出時間を短縮することで、抽出効率を改善できます。最適な結果を得るには、密閉された加圧バッチリアクターまたはフローセルリアクター内の圧力を、水の蒸気圧の少なくとも二倍にする必要があります。（水の蒸気圧の表は、このページの末尾にあります。）
Huang et al. (2010)は、低周波・高出力超音波と亜臨界水抽出を組み合わせた抽出効果を調査しました。この目的で、亜臨界水抽出装置の釜に超音波プローブを組み込み、Lithospermum erythrorhizonから揮発性油を抽出しました。結果は、20 KHzの超音波支援による強化効果が36 KHzよりも優れており、出力（0–250 W）の増加に伴って高まることを示しました。温度160°C、圧力5 MPaで25分間抽出した際、超音波振動（250 W、20 KHz）によって亜臨界水抽出の収率は1.87%から2.39%に増加しました。超音波処理は抽出収率だけでなく抽出速度も改善でき、時間の節約につながりました。
超音波支援亜臨界水抽出は、従来の亜臨界水抽出（例：10MPa）より低い圧力（例：5barg）で実施できるため、エネルギー費用を削減し、抽出操作の安全性を高めます。

植物成分の超音波抽出の利点

科学研究と産業での実施の両方が、超音波支援抽出は信頼性が高く操作が容易で、技術的な予備知識や集中的な訓練を必要としない技術であることを示しています。非常に高い抽出効率、高収率、低い運転費用、低い設備投資費用（特にCO₂ 抽出装置などの他の技術と比較した場合）、低いエネルギー費用が、プローブ型超音波抽出装置の主な利点です。
超音波抽出技術が選ばれる方法となるその他の利点には、低い抽出温度による高品質な抽出物、信頼性の高い結果（反復性／再現性）、あらゆる生産規模への完全に線形なスケールアップ、メンテナンスの少なさがあります。
「プローブ型超音波抽出の使用に伴うその他の利点には、抽出物の取り扱いの容易さ、迅速な実施、残留物がないこと、高収率、環境への優しさ、品質の向上、抽出物の劣化防止があります。」
（参照：Chemat and Khan, 2011）

植物成分の分離用抽出設備： プローブ型超音波装置UP400St、Büchi真空フィルター、ロータリーエバポレーターを使用して植物化学成分を抽出します。

水抽出用の高性能超音波装置

Hielscher Ultrasonicsの抽出装置は、使用する溶媒を問わず、植物抽出の分野で広く定着しています。抽出物の製造業者は – 小規模で独自性の高いニッチな抽出物の製造業者から、大規模な大量生産業者まで – Hielscherの幅広い機器群の中から、生産要件に最適な超音波抽出装置を見つけることができます。バッチ処理と連続インライン処理の設備は、いずれもすぐに提供でき、在庫から出荷できます。あらゆる溶媒で使用できるため、超音波抽出はどのような植物材料の抽出にも柔軟に適用できます。水を溶媒として使用すると、非常に高価な「有機」エタノールを使用せずに、有機認証を受けた抽出物を製造できます。（もちろん、有機水抽出物を製造するには、植物材料が有機栽培されている必要があります。）

Hielscher Ultrasonicsによる高効率抽出

Hielscherの超音波抽出装置は、植物細胞を効率的に破砕し、溶媒が浸透するための植物材料の表面積と、植物化学成分（二次代謝産物）を放出するための物質移動を増加させます。使いやすさを考慮して設計されたHielscherの抽出装置は、短時間で設置でき、安全かつ直感的に操作できます。

最高の品質基準を満たす – ドイツで設計・製造

Hielscher超音波装置の高度なハードウェアとスマートなソフトウェアは、使いやすく安全な操作と再現可能な結果を伴って、植物原料から信頼性の高い超音波抽出結果が得られることを保証するように設計されています。堅牢性、信頼性、全負荷での24/7運転、作業者にとっての操作の容易さも、Hielscherの超音波装置が選ばれる品質上の要因です。
Hielscher Ultrasonicsの抽出装置は、高品質な植物化学成分の抽出に世界中で使用されています。高品質な植物成分を得られることが実証されたHielscherの超音波抽出装置は、特殊な抽出物や少量のこだわりの抽出物を製造する小規模な製造業者に使用されるだけでなく、主として、広く市販されている抽出物、栄養補助食品、治療用製品の工業生産に使用されています。堅牢なハードウェアとスマートなソフトウェアにより、Hielscherの超音波処理装置は容易に操作・監視できます。

データの自動記録

食品、栄養補助食品、治療用製品の製造基準を満たすためには、製造プロセスを詳細に監視し、記録する必要があります。Hielscher Ultrasonicsのデジタル超音波装置には、データの自動記録機能が搭載されています。このスマートな機能により、装置の電源を入れるとすぐに、超音波エネルギー（総エネルギーと正味エネルギー）、温度、圧力、時間など、重要なプロセスパラメータすべてが内蔵SDカードに自動保存されます。プロセスの監視とデータの記録は、継続的なプロセスの標準化と製品品質にとって重要です。自動記録されたプロセスデータにアクセスすることで、過去の超音波処理を見直し、結果を評価できます。
当社のデジタル超音波システムには、別の使いやすい機能として、ブラウザーによる遠隔操作があります。ブラウザーを介した遠隔操作により、どこからでも超音波処理装置の起動、停止、調整、監視を行えます。
植物材料からの超音波水抽出の利点について、さらに詳しく知りたいですか？植物抽出物の製造プロセスについてご相談いただくため、今すぐお問い合わせください。経験豊富なスタッフが、超音波抽出、当社の超音波システム、価格について、喜んで詳しい情報をご提供します。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。

超音波水抽出に関する技術情報

植物からの薬用成分の抽出には、浸漬、浸出、浸透抽出、煎出、還流抽出、水蒸気蒸留、昇華、圧搾などの従来の抽出方法が一般的に使用されています。これらの方法の欠点には、時間のかかるプロセス、純度の低さ、効率の低さがあります。

超音波抽出に影響するプロセスパラメータ

超音波支援抽出は、その独自の特徴と利点で知られており、植物成分の従来の抽出方法と比較して、超音波処理を優れた抽出技術にしています。超音波支援抽出の大きな利点は、超音波処理の要因（振幅、時間、温度、圧力など）を精密に調整できることであり、これによって目的化合物に最適な超音波プロセスを設定できます。各植物材料には、最高の収率、品質、抽出速度が得られる理想的な抽出パラメータがあります。超音波抽出プロセスでは、こうした最適な抽出条件に完全に合わせることができます。

超音波振幅

振幅とは、超音波プローブ（ソノトロード）の振動変位です。振幅が高いほど、超音波処理される液体内の振動とキャビテーションが強くなります。Hielscher Ultrasonicsは、振幅を精密に調整できる高性能プローブ型超音波装置を専門としています。24/7の連続運転で最大200µmの振幅を供給できる特注プローブは、在庫からすぐに提供できます。さらに高い振幅に対応する特注の超音波ソノトロードも、容易に製造できます。
振幅は、効率的な植物抽出において、唯一最も重要なパラメータでないとしても、最も重要なパラメータの一つです。高い振幅は、細胞壁を破壊し、細胞内物質を放出させるために必要な力を生み出します。そのため、高性能な超音波処理は、植物抽出において非常に効果的です。

超音波処理の時間／継続時間

超音波処理は、著しく高い抽出速度で植物成分を放出させるため、超音波支援抽出は通常、従来の方法よりもはるかに短時間で完了します。超音波処理によって抽出操作を短縮できるため、抽出成分を過剰な処理から保護できます。超音波による処理時間の短縮は、処理能力の向上と抽出物の品質向上を意味します。

パルス超音波処理

超音波パルス処理は、定められた休止サイクルによって超音波処理を中断する処理モードです（例：デューティサイクル50%：30秒オン、30秒オフ；デューティサイクル100%：休止なしの連続超音波処理）。超音波のデューティサイクル（パルスモードまたは超音波パルスサイクルとも呼ばれます）とは、一つのパルス周期のうち、超音波が媒体に結合されている時間（パルス継続時間）の割合を指します。例えば、50%のサイクルモードでは、30秒オン、30秒オフとなります。デューティサイクルの休止期間中、超音波処理された液体は、所定の時間（例：30秒）、乱されていない状態に戻ります。これは放熱に有利で、目標の処理温度を維持するのに役立ちます。超音波処理のデューティサイクルは、抽出効率にとっての重要性は低いものの、一定のプロセス温度を維持するために使用されます。

静水圧

圧力も、超音波プロセスにおける非常に重要なパラメータです。超音波処理される媒体に静水圧を加えると、キャビテーションの強度に影響します。圧力が高い条件下では、超音波（音響）キャビテーションの強度が増加します。Hielscher Ultrasonicsは、超音波処理の効果を強化するために加圧できる、さまざまな種類の超音波バッチリアクターとフローセルを提供しています。

抽出温度

あらゆる機械的処理と同様に、超音波処理は温度上昇を引き起こし、これは熱力学第2法則に従っています。それでも、超音波支援処理は純粋に機械的な力（音響機械的な力とも呼ばれます）に基づくため、超音波処理は非熱的な処理技術です。超音波抽出中の抽出温度は、効率的に制御し、選択した一定の温度範囲内に維持できます。Hielscherのすべてのデジタル超音波処理装置には、着脱可能な温度センサーとスマートなソフトウェアが搭載されており、プロセスの温度範囲を設定できます。この温度範囲を超えると、超音波装置は温度が再び選択した範囲内に戻るまで停止し、その後、超音波処理を自動的に再開します。Hielscher超音波装置のこのスマートな機能により、超音波処理を精密に制御し、理想的な結果を得ることができます。
抽出温度は植物成分や植物ごとに異なる場合があるため、温度は、超音波プロセスの最適化において無視してはならない重要な要因です。例えば、Sophora flavescensからフラボノイドを最大収率で得るには80°Cが理想的であることが分かっている一方、小麦ふすまからのアラビノキシランの抽出では50°Cで最良の結果が得られました。

超音波抽出にはあらゆる溶媒を使用可能

植物成分はそれぞれ極性が異なり、それが各種溶媒への溶解性に影響します。例えば、サポニンと多糖類は極性が高く、水も極性が高いため、水に良好に溶解します。一方、アントシアニンやクロロゲン酸などのフェノール化合物はかなり非極性であり、そのためエタノールなどの極性の低い溶媒によく溶解します。したがって、高い抽出効率を得るには、目的化合物の溶解性に応じて溶媒を選択する必要があります。例えば、水は、キノコに含まれるシロシビンや、オリゴ糖、配糖体、フラボノイドなどの極性化合物の抽出に適した溶媒です。一方、エタノール濃度60% (v/v)のエタノールと水の混合溶媒は、例えばアピゲニン、バイカリン、ルテオリンの超音波支援抽出に適しています。
溶媒、溶媒の極性、超音波抽出に最も適した溶媒について、さらに詳しくご覧ください。

抽出溶媒としての水

水は最も極性の高い溶媒であり、幅広い極性化合物の抽出に適しています。その主な利点には、幅広い物質を溶解できることがあります。また、安価で無毒、安全で不燃性です。欠点には、極性が高いために極性化合物に対する選択性が強いことがあります。沸点が100°Cと高いため、抽出物の濃縮（例：蒸留やロータリーエバポレーターによる濃縮）には大量のエネルギーが必要です。また、水では細菌やカビが増殖しやすくなります。

超音波周波数

約20kHzの超音波周波数は、植物抽出において最も強力で効率的であることが確立されています。超音波周波数は、植物から薬用成分を抽出する際の超音波支援抽出の効率に影響します。一般に、低い超音波周波数（すなわち約20kHz）は、より強いキャビテーション（音響機械的効果）を生み出し、抽出操作の効果を高めます。

植物材料

植物材料は、細胞の構造と剛性が大きく異なる場合があります。細胞壁は、セルロース、ヘミセルロース、リグニン、ペクチン性多糖類、タンパク質、フェノール性および非セルロース性化合物、水を含む場合があり、その組成によって強固にも柔軟にもなります。植物の種類や部位によって、これらの細胞壁成分の種類と量は異なります。そのため、最適な抽出結果を得るには、植物の種類ごとに特定の処理パラメータが必要です。
強度を精密に調整できるため、Hielscherの超音波抽出装置は、柔らかい細胞壁と硬い細胞壁を確実に破壊できます。柔らかい細胞壁には比較的弱い超音波処理で十分な場合がありますが、強固な細胞構造には、より強い処理が有効です。
植物抽出の原料には、収穫直後のもの（湿潤）と乾燥したものを使用できます。超音波抽出は、新鮮な植物／湿潤した植物と乾燥した植物の両方に適しています。植物固形物の粒径も重要な要因です。大きな表面積（すなわち小さな粒径）は、超音波キャビテーションによるせん断力との接触面積を広げ、効率を高めるため有利です。そのため、植物材料は浸漬するか、粉砕して小片（約3–5mm）にします。

超音波抽出が最良の方法である理由

効率

• より高い収率
• 迅速な抽出プロセス – 数分以内
• 高品質な抽出物 – 穏やかな非熱的抽出
• 環境に優しい溶媒（水、エタノール、グリセリン、植物油、NADESなど）

簡便性

• プラグアンドプレイ – 数分以内に設置して運転
• 高い処理能力 – 大規模な抽出物生産に対応
• バッチ運転または連続インライン運転
• 簡単な設置と立ち上げ
• 携帯可能／移動可能 – 携帯型装置または車輪付き装置
• 線形なスケールアップ – 別の超音波システムを並列に追加して能力を拡大
• 遠隔監視と制御 – PC、スマートフォン、タブレットから操作
• プロセスの監視が不要 – 設置して運転
• 高性能 – 24/7の連続生産向けに設計
• 堅牢でメンテナンスが少ない
• 高品質 – ドイツで設計・製造
• ロット間の迅速な投入と排出
• 清掃が容易

安全性

• 簡単で安全な運転
• 無溶媒抽出または溶媒を使用する抽出（水、エタノール、植物油、グリセリンなど）
• 高圧・高温なし
• ATEX認証を取得した防爆システムを提供可能
• 制御が容易（遠隔操作にも対応）

文献／参考資料

• Ping-ping Huang, Ri-fu Yang, Tai-qiu Qiu, Wei Zhang & Chun-mei Li (2010): Ultrasound-Enhanced Subcritical Water Extraction of Volatile Oil from Lithospermum erythrorhizon. Separation Science and Technology, 45:10, 1433-1439.
• Zabot, G. L., Viganó, J., & Silva, E. K. (2021): Low-Frequency Ultrasound Coupled with High-Pressure Technologies: Impact of Hybridized Techniques on the Recovery of Phytochemical Compounds. Molecules, 26(17), 2021. 5117.
• Li, Ying; Chemat, Farid (2019): Plant Based “Green Chemistry 2.0”: Moving from Evolutionary to Revolutionary. Springer Science 2019.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Fooladi, Hamed; Mortazavi, Seyyed Ali; Rajaei, Ahmad; Elhami Rad, Amir Hossein; Salar Bashi, Davoud; Savabi Sani Kargar, Samira (2013): Optimize the extraction of phenolic compounds of jujube (Ziziphus Jujube) using ultrasound-assisted extraction method.
• Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk (2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.