オレオゲル：超音波処理がオレオゲル製剤を改善する仕組み
オレオゲルは幅広い産業で利用される多用途の材料で、テクスチャー、安定性、機能性の面で独自の利点をもたらします。プローブ型超音波処理装置を使用すると、オレオゲルの合成と性能が大幅に向上し、さまざまな産業用途への適合性が高まります。
オレオゲルとは？
オレオゲルは、オレオゲル化剤やゲル化剤などの構造形成剤がつくる三次元ネットワーク内に油相が固定された半固体システムです。これらの構造形成剤は、油にゲル状の稠度を与え、安定して塗り広げやすく、多くの場合は透明または半透明の製品を形成します。オレオゲルは、食品、化粧品、医薬品、工業用潤滑剤などのさまざまな産業で利用されており、食品のテクスチャー改善、スキンケア製品の保湿、医薬品の制御された薬物送達、工業用および化粧品処方の潤滑特性向上といった利点をもたらします。
強力な超音波を用いる超音波処理というプロセスでオレオゲルを製造すると、これらの油を基材とするゲルの合成が改善されます。超音波処理の作用がオレオゲルの形成をどのように促進するか、以下をご覧ください！
超音波処理装置UP400St によるオレオゲルの調製。
超音波による均質化は、オレオゲルの製剤化を促進し、改善します。
オレオゲルの超音波混合
超音波処理は、油相内の構造形成剤の分散と分布を改善することで、オレオゲルの合成を改善できます。オレオゲル化剤を含む油混合物に高強度の超音波を照射すると、構造形成剤の均一な混合と分散が促進され、より均質なゲルネットワークが形成されます。また、超音波処理は、より小さく均一な粒子の形成を促進でき、オレオゲルのテクスチャーをよりきめ細かくし、安定性を向上させます。超音波によって生じるキャビテーションの作用は、大きな凝集体を破壊し、ゲルマトリックス内に、より小さく均一に分散した構造が形成されるのを促進できます。
オレオゲル合成のための超音波直接分散
分散をテンプレートとするオレオゲル： 直接分散法では、超音波処理によってオレオゲル化剤をその融点より高い温度で液状油に直接分散させます。その後の冷却段階でゲル化剤のネットワークが固化し、固体の骨格内に油を閉じ込めることで、オレオゲルが得られます。この超音波直接分散法を用いると、使用する構造形成剤の性質に応じて、ゲル化過程で二種類の異なるネットワーク構造、すなわち微結晶構造または自己組織化ネットワークが形成される可能性があります。
オレオゲル合成のための超音波乳化
エマルションをテンプレートとするオレオゲル： プローブ型超音波処理を用いる超音波乳化は、主にマイクロメートルおよびナノスケールで効率的かつ一貫した混合を実現することで、オレオゲルの合成にいくつかの利点をもたらします。高強度の超音波は、強い超音波機械的せん断力と音響キャビテーションを生じさせ、水相中の油とゲル化剤を均一な大きさの液滴に微細化します。これにより、より安定で均質なエマルションが得られます。このようなエマルションは、望ましいテクスチャーと構造特性を持つオレオゲルの形成に重要です。また、超音波処理の局所的な加熱作用は、油相内でのゲル化剤の溶解と相互作用を促進し、ゲル化プロセスを改善できます。その結果、超音波乳化は、食品、医薬品、化粧品などのさまざまな用途において、優れた安定性、稠度、性能を持つオレオゲルの製造を促進します。
高い処理能力を必要とする生産でオレオゲルを製剤化するための超音波ホモジナイザー。
水／オレオゲル／水型エマルションの超音波均質化
水／オレオゲル／水型（W/O/W）エマルションは卓越した機能性を備えており、食品用途に最適です。例えば、水／オレオゲル／水型エマルションは、プロバイオティクスを送達し、食品の香りを保護する優れた担体となることが明らかになっています。超音波乳化は、水相と油相を効率的に混合して、二重エマルション、すなわちW/O/Wエマルションを形成します。脂肪を含む製品の油滴内に水滴を取り込むと、脂肪含有量が低下します。W/O/Wエマルションの油相をゲル化すると、構造的な一体性が付与され、油相内での水滴の合一などの不安定化現象が抑制されます。
超音波処理は、エマルション成分の分散と均質化を促進することで、水／オレオゲル／水型（W/O/W）エマルションの製剤化を支援できます。高強度・低周波の超音波処理（周波数約20–26kHz）は、大きな液滴をより小さく均一な液滴に微細化し、安定したエマルションの形成を促進できます。また、超音波処理は、水滴の油相への取り込みを促進し、油相内でのオレオゲル化剤の分散を改善することで、より効率的なゲル化とエマルションの安定性向上につながります。さらに、超音波処理はエマルション液滴の粒径分布の制御に役立ち、テクスチャー、口当たり、官能特性の改善など、望ましい特性を持つエマルションを得ることができます。
オレオゲルを基材とする各種エマルションシステムを示す模式図。
研究および画像：©Pinto et al., 2021
科学的に実証されたオレオゲルの超音波分散の有効性
Noonim et al. (2022)は、異なる濃度のカルナウバワックス（5%または10%）を用いて調製したパーム油ベースのオレオゲルについて、Hielscherの超音波処理装置UP200Stを用いた超音波処理が物理的、熱的、構造的特性および貯蔵安定性に及ぼす影響を調べ、ホモジナイザー（2000 rpmで10 min）で調製したオレオゲルと比較しました。超音波処理により、カルナウバワックス濃度がより高い（10%）オレオゲルの調製が可能となり、パーム油ベースのオレオゲルの特性と安定性が効果的に改善されました（p < 0.05）。
食品用途のオレオゲル
ヴィーガンマヨネーズ用オレオゲルの調製手順
オレオゲルを基材とするヴィーガン調理用クリーム
（Szymanska et al., 2024を参照）
原材料：
- 菜種油
- パーム油
- 亜麻仁油
- キャンデリラワックス
- 大豆飲料
オレオゲル（100 g）は次のように調製しました。まず、精製菜種油と亜麻仁油の混合物（1:1 w/w）に3–7%のキャンデリラワックス（w/w）を加え、80 ± 1 °Cの水浴中で10 min加熱した後、チタン製ソノトロードS26d7を装備した超音波ホモジナイザーUP200St（Hielscher Ultrasonics）を用いて10 sの超音波処理（26 kHz、72 W、100%パルス、100%振幅）を行い、分散させました。透明で均質な混合物を恒温槽内で20 ± 1 °Cにて24 h、適切な構造が形成されるまで静置冷却しました。オレオゲルの調製は三回繰り返しました。
マヨネーズの超音波乳化にご関心のある方は、こちらでレシピ、動画、詳細情報をご覧いただけます！
超音波処理で調製したオレオゲルを用いたクリーム型エマルションの調製
クリーム型O/W（30/70 w/w）エマルション（100 g）は、私たちの予備研究[38]の手順に若干の変更を加えて調製しました。水相（2.6% w/wのタンパク質を含む大豆飲料）と脂質相（パーム油またはオレオゲル）の両方を55 °Cまで予熱し、直ちに周波数26 kHzの超音波ホモジナイザーUP200St（Hielscher Ultrasonics）で均質化しました。使用したパラメーターは、100%パルス、80%振幅、ビーカー（容量200 mL）の中央部でのソノトロードの浸漬深さ15 mmです。均質化時間2.5 min（τ）は、試料の温度上昇を考慮し、技術試験と予備試験の結果に基づいて決定しました（τ = 2.5 minの場合：エネルギー密度：69.1 ± 0.4 J∙g–1、最高温度：61.0 ± 0.3 °C）。抗菌剤として0.15%（w/w）の安息香酸ナトリウムを水相に添加しました。
食品グレードのオレオゲルに最も一般的に使用されるオレオゲル化剤。
模式図：©Perta-Crisan et al., 2023.
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超音波処理装置UIP2000hdT によるオレオゲルの工業生産。
文献／参考文献
- Szymanska, I.; Zbikowska, A.; Onacik-Gür, S. (2024): New Insight into Food-Grade Emulsions: Candelilla Wax-Based Oleogels as an Internal Phase of Novel Vegan Creams. Foods 2024, 13, 729.
- Noonim, P.; Rajasekaran, B.; Venkatachalam, K. (2022): Structural Characterization and Peroxidation Stability of Palm Oil-Based Oleogel Made with Different Concentrations of Carnauba Wax and Processed with Ultrasonication. Gels 2022, 8, 763.
- H. Pehlivanoglu, A. Akcicek, A.M. Can, S. Karasu, M. Demirci, M.T. Yilmaz (2021): Effect of oil type and concentration on solid fat contents and rheological properties of watery oleogels. La Rivista Italiana Delle Sostanze Grasse No 3, 2021.
- Pinto, Tiago; Martins, Artur; Pastrana, Lorenzo; Pereira, Maria; Cerqueira, Miguel (2021): Oleogel-Based Systems for the Delivery of Bioactive Compounds in Foods. Gels 7(3), 2021.
- Perta-Crisan, S.; Ursachi, C.-S, .; Chereji, B.-D.; Tolan, I.; Munteanu, F.-D. (2023): Food-Grade Oleogels: Trends in Analysis, Characterization, and Applicability. Gels 9, 386; 2023.
知っておきたい情報
オレオゲルとは？ – オレオゲルの定義
ゲルはコロイドの一種で、固体状の三次元ネットワーク内に液相が閉じ込められた構造を持ちます。
ゲル製剤は、製造に使用する溶媒に応じて二つの主要な種類に分類できます。液相が水の場合はヒドロゲル、分散した液体が有機溶媒で、オルガノゲル化剤によって構造化されている場合はオルガノゲル（またはオレオゲル）と呼ばれます。
オルガノゲルは、ゲル化剤と有機溶媒という二つの相からなる双連続系と考えられる半剛性の製剤です。オルガノゲルの製剤化に15%未満の濃度で使用されるゲル化剤は、自己組織化構造を生み出す物理的・化学的変化を起こす可能性があります。これらの構造が互いに絡み合い、三次元ネットワークを形成します。有機溶媒はゲル化剤のネットワークの空隙内に保持され、固定されます。使用する溶媒が液状油である場合、これらの製剤にはオレオゲルという用語も適切です。したがって、オレオゲルでは、化合物の疎水性など、ヒドロゲルでは対応できない特性を活用できます。オレオゲルの主な利点の一つは、親油性の生理活性化合物を担持できることで、医薬品用途と食品用途の両方で非常に有用です。構造と健康上の利点が組み合わさることにより、オレオゲルは新しい食品において重要な役割を果たし得ます。食品にとって理想的な特性を満たすように調整でき、固体脂肪の健康的な代替物として機能するためです。
食用油をゲル化する物質は、分子量に基づいて、低分子量有機ゲル化剤（LMOGs）と高分子ゲル化剤の二種類に大別できます。LMOGsには、主にワックス、ステロール系ゲル化剤、脂肪酸誘導体、モノアシルグリセロールが含まれます。
オレオゲルが一般的に使用される産業には、以下が含まれます：
- 食品産業： オレオゲルは、バターやマーガリンなどの固体脂肪を置き換えたり、その含有量を減らしたりするために食品に使用されます。スプレッド、マーガリン、ベーカリー製品、菓子、加工食品に配合することで、テクスチャー、口当たり、保存安定性を改善できます。また、オレオゲルは食品処方において、香味成分、栄養素、機能性成分の担体としても使用できます。
- 化粧品・パーソナルケア： 化粧品・パーソナルケア産業では、オレオゲルはさまざまなスキンケア製品やヘアケア製品に利用されています。クリーム、ローション、バーム、ヘアスタイリング製品に配合され、保湿、エモリエント、コンディショニングの特性を付与します。オレオゲルは、脂っぽさがないこと、なめらかに塗布できること、皮膚や毛髪への有効成分の送達を促進することなどの利点をもたらします。
- 医薬品： オレオゲルは、薬物送達のための局所製剤として医薬品用途に使用されます。軟膏、ゲル、経皮パッチの基剤として使用でき、治療薬の放出を制御し、皮膚を通じた浸透を改善します。オレオゲルは医薬品製剤において、放出時間の延長、バイオアベイラビリティの向上、患者の服薬・使用遵守の改善などの利点をもたらします。
- 工業用・化粧品用潤滑剤： オレオゲルは、金属加工、機械加工、潤滑グリースなどの工業用途で潤滑剤として使用されます。高い熱安定性、耐酸化性、従来の潤滑剤と比べて優れた潤滑性などの利点をもたらします。化粧品処方では、オレオゲルのなめらかでべたつかないテクスチャーと長時間持続する潤滑特性を生かし、パーソナル潤滑剤やマッサージオイルに配合できます。
Hielscher Ultrasonicsは、高性能超音波ホモジナイザーを ラボ規模 から 産業規模まで製造しています。