栄養補助食品のための超音波藻類抽出

超音波抽出は、藻類細胞を効果的かつ迅速に破壊する優れた方法である。超音波抽出は、生物活性化合物を完全に放出することができるため、非常に効率的である。

超音波で藻類からタンパク質、脂質、フェノールを抽出する方法

藻類や微細藻類には、タンパク質、脂質、カロテノイド、色素（フィコシアニン、アスタキサンチンなど）、フェノール、多糖類（カラギーナンなど）といった生物学的に活性な化合物が豊富に含まれている。そのため、食品や栄養補助食品用のエキスを製造する天然素材として広く利用されている。栄養補助食品によく使われる藻類は、Arthrospira maxima（スピルリナとしても知られる）、Chlorella vulgaris（クロレラ）、Haematococcus pluvialis（ヘマトコッカス・プルビアリス）、Ulva spp.などである。藻類は、高品質のタンパク質、脂質、長鎖PUFA（オメガ3など）、多糖類（アルギン酸、カラギーナン、β-グルカンなど）、ビタミン、抗酸化物質の優れた供給源であることが知られている。
スピルリナは、一般的に使用される藻類の一種であり、タンパク質（乾燥重量で50〜70％）などの価値の高い生物活性化合物を豊富に含んでいます。スピルリナは、FDA（米国食品医薬品局）によりGRAS（一般に安全と認められる）として承認されているため、スピルリナおよびスピルリナ抽出物は、製品化された食品や食品サプリメントとして使用することができます。

超音波藻類抽出の利点

超音波抽出は、高収率、信頼性、安全性、簡便性、環境への優しさなど、さまざまな点で他の抽出法に優れている。

完全抽出収率

高性能の超音波装置は藻類の細胞を破砕し、細胞内物質が放出されるように破壊する。超音波抽出により、フィコビリタンパク質、カロテノイド、脂質、フェノールなど、あらゆる生理活性化合物が放出される。
フィコビリタンパク質は、クロロフィコシアニン、アロフィコシアニン、フィコエリスリンの3つのグループに大別される。C-フィコシアニンは天然の青色色素で、食品や医薬品に広く使用されている。超音波抽出は、タンパク質の全スペクトルを放出する。

高い抽出効率

Duangseeら（2009）は、Arthospiraバイオマスから生理活性化合物を抽出する2つの異なる方法（超音波支援溶媒抽出と凍結融解の繰り返しによる抽出）を試験し、超音波溶媒抽出は凍結融解（15.6％）よりも高い抽出効率（22.1％）を示した。超音波処理と凍結融解の繰り返しによる細胞破裂の比較では、超音波処理の方がより効果的であることが示された。超音波キャビテーションは藻類細胞を迅速かつ効果的に破壊し、その結果、凍結融解を繰り返して処理したスピルリナ細胞と比較した場合、より高い細胞破壊をもたらした。
凍結と解凍を繰り返すよりも、超音波処理の方が細胞外皮を壊すのに効果的であった。フィコシアニンの抽出収率は、処理温度が抽出効率に影響することを示した。

迅速な抽出プロセス

高性能超音波システムは、藻類の懸濁液に高振幅で高い超音波パワーを加えることができる。これにより、超音波抽出は非常に高速な処理方法となる。

温度調節

超音波処理は、非加熱で純粋に機械的な抽出技術である。抽出温度は、Hielscher社製デジタル超音波発生装置に接続されたプラグ式温度センサーを使用して正確に制御することができる。Hielscher社製デジタル超音波装置のソフトウェアでは、温度リミットを設定することができ、温度リミットに達すると超音波ホモジナイザーは一時停止する。正確な温度制御により、フィコビリタンパク質、ビタミン、ポリフェノール、多糖類、脂質、その他の生理活性化合物などの熱に弱い物質の熱劣化を防ぐことができます。

各種溶剤に対応

超音波抽出はほとんどの溶媒と相性が良い。水やエタノールなどのグリーン溶剤と組み合わせて超音波抽出を行うと、クリーンな抽出液が得られる。抽出溶媒であるエタノールや水はGRAS（Generally Recognized As Safe：一般に安全と認められる）ステータスを持っているため、これらの超音波抽出物は食品に安全に取り入れることができる。

再現性とプロセスの標準化

Hielscher社のデジタル超音波処理装置には、インテリジェントなソフトウェアが付属しており、理想的な抽出パラメーターのための精巧で多様な設定が可能です。このソフトウェアは、全ての超音波プロセスパラメーター（例：振幅、ネットパワー、トータルパワー、温度、圧力、時間、日付）をプロトコル化し、超音波処理データを内蔵SDカードのCSVファイルに書き込みます。これにより、抽出プロセスを標準化し、超音波処理と品質出力を厳密にモニターすることができます。これらの機能は、抽出物がサプリメント、食品、医薬品として製造される場合に非常に重要な、プロセスの標準化要件や適正製造基準（GMP）を満たすのに役立ちます。

超音波フィコシアニン抽出プロトコル

Mazumderら（2017）は、Arthospira platensisからフィコシアニンとフェノールを超音波抽出するための最適な処理パラメーターを調査した。フィコシアニン（29.9 mg/g）および総フェノール（2.4 mg/g）の最大収率は、40％エタノール濃度、34.9℃の抽出温度で、超音波処理装置UP50H（50ワット、30kHz）を用い、95％の振幅、104.7秒の抽出時間で得られた。

Vernèsら（2019）は、スピルリナからタンパク質を抽出するためにUIP1000hdT（1000W、20kHz）超音波装置を使用した。超音波装置は、BS2d34ソノトロードと超音波フローリアクターを備えていた（フローセルとSeepexポンプを備えた正確な超音波抽出セットアップについては下の写真を参照）。

UIP1000hdT – MTSセットアップとスピルリナからのタンパク質抽出（ラボスケール
ソースヴェルネスら2019年

研究の結果、タンパク質の収量に最適な超音波抽出条件には、温度と圧力をわずかに上昇させること（いわゆるMTS）が必要であることが示された。MTSは物質移動を促進し、超音波を使用しない従来のプロセス（8.63±1.15g/100g dry wt）に比べ、229％多くのタンパク質（28.42±1.15g/100g dry wt）を得ることを可能にした。
抽出物中の乾燥スピルリナバイオマス100gあたり28.42gのタンパク質が得られ、連続的な超音波処理プロセスでは、わずか6分で50％のタンパク質回収率が達成された。顕微鏡イメージングにより、音響キャビテーションは、断片化、超音波破砕、剥離などのさまざまなメカニズムによってスピルリナフィラメントに影響を与えることが明らかになった。これらの様々な効果は、スピルリナ生理活性化合物の抽出、放出および可溶化が容易になり、より効果的で、その結果、高品質の高タンパク質収量になります。
超音波抽出タンパク質の品質に関しては、アミノ酸は超音波処理によって分解されなかったが、従来の抽出に比べ、超音波処理の場合、アミノ酸はより多量に存在する。
昇圧・昇温を伴わない超音波抽出と人工温熱抽出を比較すると、抽出収量と抽出効率の差はわずかである。したがって、超音波抽出はスピルリナタンパク質を豊富に含む高品質の抽出物を製造するための最も経済的で簡単な技術であると考えられる。超音波抽出は、実験室規模でのスピルリナからのタンパク質抽出に適した、環境に優しい抽出技術であり、パイロット規模や工業規模に容易にスケールアップできる。(参照：Vernès et al.）

高性能超音波抽出機

小規模で得られたすべての抽出結果は、より大きな生産能力へと直線的にスケールアップすることができます。Hielscher Ultrasonicsのラボ用から工業用まで幅広い製品ラインナップは、お客様のプロセス容量に最適な超音波装置を提供します。長年経験を積んだスタッフが、フィージビリティテストやプロセスの最適化から、最終的な生産レベルでの超音波システムの設置まで、お客様をサポートいたします。

Hielscher Ultrasonics – 洗練された抽出装置

Hielscher Ultrasonicsの製品ポートフォリオは、小規模から大規模まで、高性能超音波抽出器の全範囲をカバーしています。追加アクセサリーにより、お客様のプロセスに最適な超音波装置構成を簡単に組み立てることができます。最適な超音波セットアップは、想定される容量、量、原料、バッチまたはインラインプロセス、タイムラインによって異なります。Hielscherの超音波装置の堅牢性は、重負荷や厳しい環境下での24時間365日の稼働を可能にします。超音波抽出プロセスの直線的なスケーラビリティは、シンプルで信頼性の高い増産を可能にします。 超音波抽出プロセスのリニアスケールアップについてはこちらをご覧ください！

など、さまざまなアクセサリーから選べる：

• 様々なサイズ、直径、形状のソノトロード
• 200μm以上の高振幅用ソノトロード
• 様々な容積と形状のフローセルリアクター
• ゲインを増減させる多数のブースターホーン
• 超音波抽出器、タンク、攪拌機、ポンプを含むSonoStationのような超音波処理セットアップ一式
• プラグ式温度センサー
• プラグ式圧力センサー

十分な訓練を受けた経験豊富なスタッフがご相談に応じ、お客様の抽出プロセス要件に最適な超音波システムをご提案いたします！

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：