超音波によるシナモンの高速抽出

従来のシナモン抽出は時間がかかり、比較的効率が低い方法です。超音波抽出は、シンプルでありながら非常に効率的なプロセス強化技術で、抽出時間を数時間に短縮すると同時に、シナモン精油の収量を増加させます。

超音波によるシナモン抽出の改善

従来のシナモン精油の抽出は、シナモンの樹皮と葉の水蒸気蒸留によって行われます。従来の水蒸気蒸留は非常に遅く、時間がかかります。目標とするシナモン精油の収量が高いほど、水蒸気蒸留にかかる時間は長くなります。そのため、釜いっぱいのシナモンの葉の水蒸気蒸留には最大12時間かかることがあり、シナモン樹皮の水蒸気蒸留には24時間を超える時間がかかることがあります。超音波抽出はシナモンの樹皮と葉の細胞構造を破砕し、シナモン精油を迅速かつ完全に放出させます。超音波抽出は水蒸気蒸留を大幅に加速し、処理時間を丸一日から数時間に短縮すると同時に、シナモン精油の収量を増加させます。
超音波抽出は、シンナムアルデヒド、リナロール、オイゲノール、ケイ皮酸など、シナモンの芳香成分を全範囲にわたって放出させます。高品質な精油成分を全範囲にわたって含む抽出物が得られることが、超音波で抽出したシナモン精油の優れた品質の理由です。特に主要な有機化合物であるシンナムアルデヒドは、シナモン特有の風味と香りをもたらします。超音波処理は非加熱処理であるため、精油成分の熱分解が防がれます。そのため、超音波抽出では最高の品質基準を満たす、香りの強い精油が得られます。
超音波抽出はシナモンの樹皮と葉に適用できます。シナモン葉油は樹皮油よりも強い香りを持ちます。シナモンの葉にはオイゲノールが多量に含まれています。

超音波抽出が水蒸気蒸留よりも優れている理由

水蒸気蒸留によってシナモンから精油を製造するには、まず植物マトリックス（すなわち、シナモンの葉または樹皮の植物細胞）から精油を放出させる必要があります。水蒸気蒸留では、シナモンの植物原料を釜で最大24時間煮沸します。熱だけで細胞構造を破砕し、内部に閉じ込められた精油を放出させる方法は、比較的効率が低いものです。一般に、煮沸では閉じ込められた精油が完全には放出されず、多量の残留油が抽出されないまま無駄になります。加熱抽出工程の後、水蒸気蒸留が行われます。このため、互いに混ざらない二種類の液体（すなわち、精油と水）の混合物を沸騰させます。この混合物は、両者の蒸気圧の合計が760 mm Hgに等しくなると沸騰し始めます。したがって、水と精油の混合物の沸点は、各成分単独の沸点よりも低くなります。従来の水蒸留には大きな欠点があります。長時間の煮沸と蒸気処理には、非常に多くの時間とエネルギーが必要です。
超音波抽出は音響キャビテーションによって作用します。音響キャビテーションは、高出力の超音波が液体（例えば、溶媒または水に植物原料を懸濁させたもの）に結合すると発生します。超音波は液体中を伝わり、高圧と低圧の周期を交互に生じさせます。低圧周期には微小な真空気泡（いわゆるキャビテーション気泡）が形成され、複数の圧力周期を経て成長します。気泡が一定の大きさに達してそれ以上エネルギーを吸収できなくなると、高圧周期中に激しく崩壊します。気泡の崩壊は、微小な乱流や最大100m/sの速度の液体流を含む、強いキャビテーション力を特徴とします。これらのキャビテーションによるせん断効果は、超音波機械的効果とも呼ばれます。生理活性分子の超音波抽出は、主に超音波機械的効果によって生じます。撹拌と乱流が細胞を破砕し、物質移動を促進します。つまり、精油、ポリフェノール、テルペン、カンナビノイドなどの生理活性分子が、植物細胞マトリックスから溶媒中に放出されます。
従来の煮沸および水蒸気蒸留法に対する超音波抽出の利点は、大幅に短い時間で、精油やその他の有機化合物を比較的多く抽出できることです。抽出収量が高まることで原料の無駄がなくなり、抽出の収益性が向上します。超音波抽出によって得られる時間とエネルギーの節約は大きなものです。非加熱法である超音波抽出は、熱に敏感な化合物の熱による分解を防ぎます。
穏やかな温度と短い処理時間は、天然抽出物の熱分解を防ぐため、超音波抽出の大きな利点です。これによって超音波抽出は非常に効率的になり、その結果、超音波処理で優れた品質の精油が得られます。

シナモンの超音波抽出の事例研究

研究分野と産業界では、シナモンの葉や樹皮を含む多くの植物原料から高品質な精油を製造するために、すでに超音波抽出が採用されています。

シナモンの超音波水蒸留

Chen et al. (2020)は、超音波によって促進される水蒸留を調査し、超音波処理が蒸留工程を大幅に改善すると結論付けました。超音波水蒸気蒸留では、抽出時間を大幅に短縮しながら、より高いシナモン精油収量が得られました。GC-MS分析により、超音波支援水蒸留では従来の水蒸留と比べて、主要成分であるtrans-シンナムアルデヒドを高濃度で含む、より価値の高い精油が得られることが示されました。走査電子顕微鏡画像（SEM）により、シナモン精油の抽出における超音波処理の効率が確認されました。また、電力消費量とCO2排出量の分析は、超音波支援水蒸留工程が、より経済的で環境に優しい方法であることを示しています。そのため、Chen et al.は、超音波支援水蒸留はシナモン精油の量と品質を向上させることができる、効率的で環境に優しいシナモン精油抽出技術であるとまとめています。

深共晶溶媒を用いたシナモンの超音波抽出

深共晶溶媒を用いた超音波抽出は、シナモン樹皮からtrans-シンナムアルデヒドとクマリンを高収量で抽出する優れた技術であることが示されています。
最適条件下でのこの方法では、有機溶媒（96%エタノール）を用いた従来法（還流抽出、ソックスレー抽出、浸漬抽出）よりも高いtrans-シンナムアルデヒドおよびクマリン含有量が得られました。シナモン樹皮（C. burmannii Blume）からtrans-シンナムアルデヒド（9.24 ± 0.01 mg/g）とクマリン（11.6 ± 0.11 mg/g）を抽出するための、天然深共晶溶媒を用いた超音波抽出の最適条件は、塩化コリン–クエン酸（ChCl-CA）に40%の水を添加し、抽出時間を30分とすることでした。シナモン樹皮由来のtrans-シンナムアルデヒドとクマリンの薬理活性を探るため、さらなる調査が必要です。（参照：Aryati et al. 2020）

走査電子顕微鏡を用いた1000x倍率のシナモン樹皮の表面画像。乾燥粉末（a）、浸漬抽出後（b）、還流抽出後（c）、ソックスレー抽出後（d）、NADES-UAE ChCl-CAを用いた抽出後（e）。
研究および画像：Aryati et al. 2020

高性能超音波抽出装置

超音波抽出は、高品質な精油の製造を容易にし、加速する信頼性の高い処理技術です。Hielscher Ultrasonicsの製品群は、コンパクトなラボ用超音波処理装置から産業用抽出システムまで、全範囲を網羅しています。そのため、Hielscherは、お客様が想定する処理能力に最適な超音波処理装置をご提供できます。長年の経験を持つスタッフが、実現可能性試験やプロセス最適化から、最終的な生産規模での超音波システムの設置まで、お客様をサポートします。
当社の超音波抽出装置は、設置面積が小さく、設置方法の選択肢も多様なため、スペースの限られた処理施設にも適しています。超音波プロセッサーは、世界中の食品、医薬品、栄養補助食品の製造施設に設置されています。

Hielscher Ultrasonics – 高度な抽出装置

Hielscher Ultrasonicsの製品群は、小規模から大規模まで、高性能超音波抽出装置の全範囲を網羅しています。追加のアクセサリーにより、お客様の抽出プロセスに最適な超音波装置構成を容易に組み立てられます。最適な超音波システム構成は、想定する処理能力、容量、原料、バッチ処理またはインライン処理、スケジュールによって異なります。

バッチ処理とインライン処理

Hielscherの超音波処理装置は、バッチ処理と連続フロー処理に使用できます。超音波バッチ処理は、プロセス試験、最適化、小規模から中規模の生産に最適です。大量の植物原料（例えば、シナモンの葉や樹皮）を生産する場合には、インライン処理の方が有利なことがあります。バッチ処理に必要なのは非常にシンプルな構成だけですが、時間と労力はより多くかかります。連続インライン抽出工程には、ポンプ、ホースまたは配管、タンクからなる高度な構成が必要ですが、効率が高く、速度が速く、必要な労力も大幅に少なくなります。Hielscher Ultrasonicsは、お客様の抽出量とプロセス目標に最適な抽出システム構成をご用意しています。

あらゆる生産能力に対応する超音波抽出装置

Hielscher Ultrasonicsの製品群は、コンパクトなラボ用超音波処理装置から、卓上システム、パイロットシステム、毎時トラック数台分を処理できる本格的な産業用超音波プロセッサーまで、全範囲を網羅しています。充実した製品群により、お客様の原料、処理能力、生産目標に最適な超音波抽出装置をご提供できます。
卓上型超音波システムは、実現可能性試験やプロセス最適化に最適です。確立したプロセスパラメーターに基づく線形スケールアップにより、小ロットから本格的な商業生産へと処理能力を非常に容易に拡大できます。スケールアップは、より高出力の超音波抽出装置を設置するか、複数の超音波処理装置を並列に組み合わせることで行えます。Hielscherは、UIP16000により、世界で最も高出力の超音波抽出装置をご提供しています。

最適な結果を得るための精密に制御可能な振幅

Hielscherのすべての超音波処理装置は精密に制御できるため、生産現場で頼れる主力装置として機能します。振幅は、シナモンから精油を超音波抽出する際の効率と有効性に影響する、重要なプロセスパラメーターの一つです。
Hielscher Ultrasonicsのすべてのプロセッサーで、振幅を精密に設定できます。ソノトロードとブースターホーンは、さらに広い範囲で振幅を調整できるアクセサリーです。Hielscherの産業用超音波プロセッサーは非常に高い振幅を発生させ、要求の厳しい用途に必要な超音波強度を提供できます。最大200µmの振幅でも、24時間・週7日の連続運転を容易に行えます。
精密な振幅設定と、スマートソフトウェアによる超音波プロセスパラメーターの常時監視により、シナモンの葉と樹皮を最も効果的な超音波条件で処理できます。最良の抽出結果を得るための最適な超音波処理です！
Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷かつ過酷な環境でも24時間・週7日の運転が可能です。このため、Hielscherの超音波装置は、お客様の抽出要件を満たす信頼性の高い作業装置となります。

容易でリスクのない試験

超音波プロセスは完全に線形スケールアップできます。これは、ラボ用または卓上型の超音波処理装置を用いて得られたあらゆる結果を、まったく同じプロセスパラメーターを用いて、まったく同じ出力へとスケールアップできることを意味します。このため、超音波処理は、リスクのない実現可能性試験、プロセス最適化、その後の商業製造への導入に最適です。超音波処理によってシナモン抽出物の生産をどのように増やせるかについては、お問い合わせください。

最高の品質 – ドイツで設計・製造

家族所有・家族経営の企業として、Hielscherは超音波プロセッサーに最高の品質基準を適用することを最優先しています。すべての超音波処理装置は、ドイツのベルリン近郊のテルトウにある当社本社で設計、製造され、徹底的に試験されます。Hielscherの超音波装置は、その堅牢性と信頼性によって、お客様の生産現場で主力装置として機能します。全負荷かつ過酷な環境での24時間・週7日の運転は、Hielscherの高性能ミキサーに備わる基本的な特性です。

下表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。