植物化学と超音波処理：植物由来生理活性成分の高効率超音波抽出
植物化学は、ポリフェノール、フラボノイド、アルカロイドから、テルペン、サポニン、配糖体、色素、抗酸化物質、精油成分に至るまで、植物由来の化学物質を研究する学問です。これらの植物化学成分は、栄養補助食品、医薬品、化粧品、食品原料、天然着色料、香料、ハーブ抽出物、分析研究において価値があります。
Hielscherの超音波処理装置で植物化学成分の抽出を向上
より短時間で、より多くの生理活性成分を抽出
Hielscherのプローブ型超音波処理装置は、植物細胞を破砕し、物質移動を促進することで、植物成分の抽出を強化します。これにより、ハーブ、根、葉、花、果実、種子、樹皮、藻類、その他の植物材料から植物化学成分を高収率で抽出できます。
Hielscherの超音波抽出システムを選ぶ理由
- 抽出収率の向上： 同じ植物原料から、より多くの目的化合物を回収できます。
- 処理時間の短縮： 長時間の浸漬抽出や多量の熱を必要とする抽出工程を、迅速な超音波処理に置き換えられます。
- 穏やかな非熱抽出： ポリフェノール、テルペン、アントシアニン、ビタミン、抗酸化物質など、熱に敏感な植物化学成分を保持できます。
- 溶媒選択の柔軟性： 水、エタノール、エタノール水溶液、グリセリン、油、深共晶溶媒、その他の適切な抽出媒体を使用できます。
- 精密なプロセス制御： 振幅、出力、投入エネルギー、時間、温度、圧力、流量を調整できます。
- 線形スケールアップ： ラボで抽出パラメータを確立し、パイロット生産や産業生産に移行できます。
- バッチ運転とインライン運転： ビーカー規模の超音波処理、撹拌槽での処理、連続フロー式抽出から選択できます。
- 堅牢な産業用設計： Hielscherの超音波処理装置は、厳しい生産環境、再現性のある運転、容易なシステム統合を実現するよう設計されています。
超音波処理装置UIP1000hdT による植物化学成分の抽出
より迅速で、よりクリーンかつより完全な植物化学成分の抽出を実現する超音波処理
植物化学成分を製剤、アッセイ、商業製品に使用するには、まず植物マトリックスから放出させる必要があります。この工程で、超音波処理は最も効果的な抽出技術の一つとなっています。プローブ型超音波処理装置は、液体やスラリー中に強力な音響キャビテーションを発生させます。それによって生じる微小乱流、せん断力、圧力変動が植物細胞を破砕し、溶媒の浸透を改善するとともに、生理活性分子の抽出媒体への移動を促進します。
Hielscher Ultrasonicsは、ラボでの研究から本格的な産業生産まで、植物化学成分の抽出に対応する高性能超音波処理装置を提供しています。植物抽出物の開発、分析用サンプル前処理の最適化、植物由来原料の製造プロセスのスケールアップのいずれにおいても、超音波処理により、抽出強度、再現性、処理能力を精密に制御できます。
超音波処理装置UP200Ht による植物化学成分の抽出
植物化学における超音波処理とは？
超音波処理とは、液体やスラリーに高出力超音波を適用することです。植物化学では、超音波処理は主に、超音波支援抽出、サンプル前処理、細胞破砕、分散、乳化、プロセス強化に使用されます。
高強度超音波プローブが抽出媒体に音波を伝えると、高圧と低圧の周期が交互に繰り返され、音響キャビテーションが発生します。キャビテーション気泡は成長し、激しく崩壊します。この崩壊によって、局所的なせん断力、液体のマイクロジェット、強力な混合効果が生じます。
植物成分の抽出では、これらの効果が次の作用に役立ちます。
- 細胞壁と細胞膜の破壊
- 細胞内化合物への溶媒のアクセスの向上
- 植物粒子の周囲の境界層の低減
- 植物化学成分の溶媒中への拡散の改善
- 抽出時間の短縮
- 再現性の向上
- 過度な加熱や長時間の溶媒への曝露の必要性の低減
その結果、従来の浸漬抽出、浸出、パーコレーション、還流法に比べて、より迅速で効率的な、また多くの場合より穏やかな抽出プロセスが得られます。
現代の植物化学成分抽出で超音波処理が重要な理由
植物原料は複雑な構造を持っています。生理活性化合物は植物細胞内に閉じ込められていたり、構造成分に結合していたり、異なる組織に分布していたりします。従来の抽出では、長い滞留時間、大量の溶媒、高温が必要になることがよくあります。こうした条件は非効率となる場合があり、熱に不安定な化合物を分解する可能性があります。
超音波支援抽出は、植物化学成分の物理的な放出を強化することで、これらの制約に対処します。超音波処理は、受動的な拡散だけに頼るのではなく、植物マトリックスを能動的に破壊して物質移動を促進します。
そのため、超音波抽出は、処理事業者が次の点を必要とする場合に特に有用です。
- 高価な植物原料からの収率の向上
- 生産サイクルの短縮
- 溶媒消費量の低減
- 熱に敏感な化合物の抽出の改善
- 品質管理のための再現性のある抽出
- ラボから生産までスケールアップ可能な処理
- 環境に配慮した溶媒やクリーンラベル原料との適合性
植物化学研究では、超音波処理は分析用サンプル前処理も改善します。研究室では、HPLC、GC-MS、LC-MS、UV-Vis、抗酸化アッセイ、その他の分析法を実施する前に、目的化合物を迅速かつ一貫して抽出できます。
従来法と抽出法 – 比較
| 従来の抽出法 | 従来法の制約 | 超音波処理の利点 |
|---|---|---|
| 浸漬抽出 | 浸漬抽出は簡単ですが、時間がかかります。許容できる抽出収率に達するまで、数時間、数日、場合によっては数週間を要することがあります。 | 超音波処理は、植物細胞を能動的に破砕し、拡散を改善することで、同じ溶媒抽出の原理に基づく抽出を促進します。これにより、処理時間を大幅に短縮できる可能性があります。 |
| 還流抽出 | 還流抽出は、熱を利用して溶解性と物質移動を改善します。しかし、熱は敏感な植物化学成分を分解し、エネルギー消費を増加させる可能性があります。 | 超音波処理は、より低い温度で高い抽出効率を実現するため、熱に敏感な植物由来化合物に適しています。 |
| ソックスレー抽出 | ソックスレー抽出は研究室で広く使用されていますが、大量の溶媒を必要とし、時間がかかります。 | 超音波抽出は、溶媒量と抽出時間を低減できるため、分析業務、研究開発、プロセス開発に魅力的な方法です。 |
| 機械撹拌 | 撹拌は混合を改善しますが、プローブ型超音波と同等のキャビテーションによる細胞破砕は実現しません。 | 超音波処理は、混合、粒子の解凝集、細胞の破壊を一つの工程で組み合わせ、より強力な抽出を実現します。 |
植物抽出物のためのバッチ式およびインライン超音波処理
バッチ式超音波抽出
バッチ式超音波処理は、ラボでの研究、製剤開発、小規模生産、柔軟な処理に最適です。植物材料と溶媒からなるスラリーを入れた容器に、プローブ型超音波処理装置を挿入します。バッチ処理は容易に準備でき、溶媒の種類、振幅、抽出時間、温度などのパラメータのスクリーニングに優れています。
連続インライン超音波抽出
より大きな生産量には、連続インライン超音波処理が推奨される構成です。植物スラリーをポンプで超音波フローセルに送り、制御されたキャビテーションに曝します。インライン処理は、再現性、プロセス制御、処理能力を向上させます。また、投入エネルギー、滞留時間、流量を精密に設定できるため、スケールアップの予測可能性も高まります。
Hielscherの産業用超音波処理装置は連続運転用に設計されており、ポンプ、熱交換器、貯留槽、ろ過システム、溶媒回収設備、後段の濃縮設備と統合できます。
以下の表は、植物成分の抽出における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。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨超音波処理装置 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | より大きな流量 | 複数台で構成するクラスター： UIP16000hdT |
超音波処理で抽出される植物化学成分
超音波処理は、幅広い種類の植物化学成分に適しています。抽出結果は、植物材料、粒子径、溶媒、温度、超音波振幅、滞留時間、後段の分離工程に依存します。
ポリフェノールとフラボノイド
ポリフェノールとフラボノイドは、抗酸化特性と、食品、栄養補助食品、化粧品の配合における重要性から、最も研究されている植物化学成分の一部です。超音波抽出は、葉、果実、果皮、花、種子、樹皮から、フェノール酸、カテキン、ケルセチン、ルチン、アントシアニン、関連化合物の放出を促進します。
テルペンと精油成分
テルペンと芳香化合物は、ハーブ抽出物、香料、食品用香料、カンナビスやヘンプの加工において重要です。超音波処理は、穏やかな温度制御を可能にしながら、植物組織からの抽出を改善できる可能性があります。これは、揮発性化合物や酸化に敏感な化合物にとって重要です。
アルカロイド
アルカロイドは多くの薬用植物に含まれ、分析、医薬品、栄養補助食品を目的として抽出されることがよくあります。超音波処理はマトリックスの破壊を改善し、適切な溶媒へのアルカロイドの移動を促進できる可能性があります。
サポニン、配糖体、タンニン
多くの根、ハーブ、マメ科植物、薬用植物には、サポニン、配糖体、タンニンが含まれています。超音波処理は、繊維質または緻密な植物マトリックスからこれらの化合物を放出させるのに役立ち、抽出収率と選択性のバランスを取るよう最適化できます。
色素と抗酸化物質
アントシアニン、クロロフィル、カロテノイド、ベタレインなどの天然色素は、食品、飲料、化粧品、分析用途において価値があります。多くの色素は熱、酸素、pHに敏感なため、温度を制御した条件下での超音波抽出は非常に有利です。
カンナビノイドとヘンプの植物化学成分
ヘンプとカンナビスには、カンナビノイド、テルペン、フラボノイド、その他の植物成分が含まれています。超音波抽出は、粉砕したバイオマスからのこれらの化合物の放出を改善し、エタノール、エタノール水溶液、その他の溶媒系に適合させることができます。
植物化学成分の超音波抽出
よくある質問：超音波処理と植物化学
植物化学における超音波処理とは何ですか？
植物化学における超音波処理とは、高出力超音波を使用して、植物由来の化学物質を抽出、放出、処理することです。ポリフェノール、フラボノイド、テルペン、アルカロイド、色素、抗酸化物質、精油成分などの植物化学成分の超音波支援抽出に広く使用されています。
超音波処理はどのように植物から植物化学成分を抽出しますか？
超音波処理は、抽出液中に音響キャビテーションを発生させます。キャビテーションによって生じるせん断力、マイクロジェット、強力な混合が、植物細胞の構造を破壊し、溶媒の浸透を改善します。これにより、植物マトリックスから溶媒への植物化学成分の移動が促進されます。
超音波で抽出できる植物化学成分には何がありますか？
超音波抽出は、ポリフェノール、フラボノイド、アントシアニン、テルペン、カンナビノイド、アルカロイド、サポニン、タンニン、配糖体、クロロフィル、カロテノイド、精油成分、その他多くの植物由来化合物に使用できます。
超音波抽出は熱に敏感な植物化学成分に適していますか？
はい。温度が適切に制御されている場合、超音波処理は穏やかな非熱抽出法と見なされます。そのため、抗酸化物質、色素、テルペン、一部のビタミンなど、熱に敏感な化合物に適しています。
植物化学成分の抽出では、プローブ型超音波処理は超音波バスより優れていますか？
効率的な抽出において、プローブ型超音波処理は一般に、超音波バスよりはるかに強力で、制御性にも優れています。プローブ型超音波処理装置は、液体に直接エネルギーを伝え、サンプルやプロセス流中に強力なキャビテーションを発生させます。超音波バスは強度が著しく低く、厳しい抽出条件では再現性のある結果が得られにくいという問題があります。 プローブ型超音波処理装置と超音波バスによる超音波抽出結果の違いをご覧ください！
植物化学成分の超音波抽出にはどのような溶媒を使用できますか？
一般的な溶媒には、水、エタノール、エタノールと水の混合物、グリセリン、油、その他の用途に応じた溶媒があります。分析目的の抽出には、メタノールやその他の実験用溶媒が使用される場合があります。超音波処理は、深共晶溶媒や天然深共晶溶媒と組み合わせることもできます。
超音波処理で抽出時間を短縮できますか？
はい。キャビテーションが細胞破砕と物質移動を促進するため、超音波抽出は、従来の浸漬抽出、浸出、溶媒抽出に比べて抽出時間を大幅に短縮できます。
超音波抽出はスケールアップできますか？
はい。Hielscherの超音波処理装置は、ラボ規模から産業規模まで提供されています。振幅、投入エネルギー、温度、滞留時間などのパラメータを制御して開発したプロセスは、より大型のバッチシステムや連続インラインシステムに移行できます。
超音波処理は産業規模での植物成分抽出に適していますか？
はい。フロー式反応器を備えた産業用超音波処理装置は、植物スラリーを連続処理できます。そのため、超音波処理は、栄養補助食品用抽出物、ハーブチンキ、化粧品用活性成分、食品原料、植物由来生理活性成分の商業生産に適しています。
植物化学におけるHielscherの超音波処理装置の主な利点は何ですか？
Hielscherの超音波処理装置は、強力なキャビテーション、精密なパラメータ制御、再現性のある抽出、バッチ運転とインライン運転、スケールアップ可能な装置の選択肢、多くの溶媒や植物材料との適合性を提供します。研究、プロセス開発、本格的な生産に適しています。
適切な超音波抽出装置はどのように選べばよいですか？
最適な超音波抽出装置は、植物材料、目的化合物、溶媒、容量、固形分含有量、温度制限、必要な処理能力によって異なります。Hielscherは、お客様の抽出プロセスに基づき、適切なラボ用、パイロット用、産業用超音波処理装置をご提案できます。
文献 / 参考文献
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- 高効率
- 最先端技術
- 信頼性と堅牢性
- 調整可能で精密なプロセス制御
- バッチ式とインライン式
- あらゆる容量に対応
- インテリジェントなソフトウェア
- スマート機能（例：プログラム設定、データ記録、遠隔制御）
- 簡単かつ安全な操作
- 少ないメンテナンス
- CIP（定置洗浄）
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。