栄養補助食品向けの藻類の超音波抽出

超音波抽出は、藻類の細胞を効果的かつ迅速に破砕するための優れた方法です。超音波処理は生理活性化合物の全量を放出できるため、超音波技術は非常に効率的です。

超音波を用いて藻類からタンパク質、脂質、フェノール性化合物を抽出する方法

藻類および微細藻類の各種には、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）、フェノール性化合物、多糖類（カラギーナンなど）といった生理活性化合物が豊富に含まれています。そのため、食品や栄養補助食品向けの抽出物を製造する天然原料として広く利用されています。栄養補助食品に一般的に用いられる藻類の種は、Arthrospira maximaおよび（スピルリナとしても知られる）、Chlorella vulgaris、Haematococcus pluvialis、Ulva spp.です。藻類は、高品質のタンパク質、脂質、長鎖PUFA（すなわちオメガ3）、多糖類（アルギン酸塩、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として知られています。
スピルリナは一般的に使用される藻類の一種で、タンパク質（乾燥重量の50–70%）など、価値の高い生理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）によって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、市販食品に使用したり、栄養補助食品として使用したりできます。

藻類の超音波抽出の利点

超音波抽出は、高収率、信頼性、安全性、簡便さ、環境への配慮など、多くの点で他の抽出方法より優れています。

全量を抽出する収率

高性能超音波装置は、藻類の細胞を開裂させて破砕し、細胞内物質を放出させます。これにより、超音波抽出は、フィコビリタンパク質、カロテノイド、脂質、フェノール性化合物など、あらゆる種類の生理活性化合物を放出します。
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、フィコエリトリンという三つの主要なグループに分類できます。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ます。超音波抽出は、あらゆる種類のタンパク質を放出します。

高い抽出効率

Duangsee et al. (2009)は、Arthospiraバイオマスから生理活性化合物を抽出する二つの異なる方法（超音波支援溶媒抽出と、凍結・解凍を繰り返す抽出）を試験し、超音波溶媒抽出の抽出効率（22.1%）が凍結・解凍（15.6%）より高いことを見いだしました。超音波処理と凍結・解凍の繰り返しによる細胞の破裂を比較すると、超音波処理の方が効果的であることが示されています。超音波キャビテーションは藻類の細胞を迅速かつ効果的に破砕するため、凍結・解凍を繰り返したスピルリナ細胞と比べて、より高い細胞破砕効果が得られます。
超音波処理は、凍結・解凍の繰り返しと比べて、細胞外被の破壊により効果的でした。フィコシアニンの抽出収率から、処理温度が抽出効率に影響することが示されました。

迅速な抽出プロセス

高性能超音波システムは、高振幅によって高い超音波出力を藻類懸濁液に投入できます。そのため、超音波抽出は非常に迅速な処理方法です。

温度制御

超音波処理は、非熱的で、純粋に機械的な抽出技術です。デジタル式Hielscher超音波装置に配線接続する着脱式温度センサーを使用して、抽出温度を正確に制御できます。Hielscherのデジタル式超音波装置のソフトウェアでは温度上限を設定でき、温度が上限に達すると超音波ホモジナイザーが一時停止します。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、熱に敏感な物質の熱分解を防ぐことができます。

さまざまな溶媒に対応

超音波処理は、ほぼあらゆる溶媒に対応しています。水やエタノールなど、環境に配慮した溶媒と組み合わせた超音波抽出によって、クリーンな抽出物が得られます。抽出溶媒であるエタノールと水はGRAS（一般に安全と認められる）に該当するため、これらの超音波抽出物は食品に安全に配合できます。

再現性とプロセスの標準化

Hielscherのデジタル式超音波装置は、インテリジェントなソフトウェアと、理想的な抽出パラメーターを設定するための精緻で多様な設定機能を備えています。ソフトウェアはすべての超音波プロセスパラメーター（振幅、正味出力、総出力、温度、圧力、時刻、日付など）を記録し、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、超音波処理と得られる品質を綿密に監視できます。これらの機能は、プロセス標準化の要件と適正製造規範（GMP）の遵守を支援します。いずれも、栄養補助食品、食品、医薬品向けに抽出物を製造する際に非常に重要です。

フィコシアニンの超音波抽出プロトコル

Mazumder et al. (2017)は、Arthospira platensisからフィコシアニンとフェノール性化合物を超音波抽出する際の最適な処理パラメーターを調査しました。フィコシアニン（29.9 mg/g）および総フェノール性化合物（2.4 mg/g）の最大収率は、エタノール濃度40%、抽出温度34.9°Cで、超音波装置UP50H（50ワット、30kHz）を振幅95%、抽出時間104.7 secで使用したときに得られました。

Vernès et al. (2019)は、UIP1000hdT（1000W、20kHz）超音波装置を使用してスピルリナからタンパク質を抽出しました。この超音波装置には、BS2d34ソノトロードと超音波フローリアクターが装備されていました（フローセルとSeepexポンプを備えた超音波抽出システムの正確な構成は、下の画像をご覧ください）。

UIP1000hdT – 加圧加熱超音波処理（MTS）の構成および当社によるラボ規模でのスピルリナからのタンパク質抽出
出典：Vernes et al. 2019

研究結果は、タンパク質収率に対して最適化された超音波抽出条件には、温度と圧力をわずかに高めること（いわゆる加圧加熱超音波処理、MTS）が含まれることを示しています。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（乾燥重量100 g当たり8.63 ± 1.15 g）より229%多いタンパク質（乾燥重量100 g当たり28.42 ± 1.15 g）を得ることができます。
乾燥スピルリナバイオマス100 g当たり28.42 gのタンパク質が抽出物中に得られ、連続超音波処理プロセスで、わずか6分で50%のタンパク質回収率が達成されました。顕微鏡画像から、音響キャビテーションが、断片化、ソノポレーション、組織構造の崩壊など、さまざまな機構によってスピルリナのフィラメントに作用することが明らかになっています。これらのさまざまな効果により、スピルリナの生理活性化合物の抽出、放出、可溶化が容易になり、より効果的に進むため、高品質のタンパク質を高収率で得られます。
超音波抽出されたタンパク質の品質については、超音波処理によってアミノ酸は分解されず、従来の抽出と比べて、超音波処理の場合にはより多量に存在していました。
加圧加熱超音波処理と、圧力および温度を高めない超音波抽出を比較すると、抽出収率と効率の差はごくわずかです。そのため、超音波のみを使用する方法が、スピルリナのタンパク質を豊富に含む高品質な抽出物を製造するための最も経済的で最も簡単な技術と考えられています。超音波抽出は、ラボ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、パイロット規模や産業規模へ容易にスケールアップできます。（参照：Vernès et al. 2019）

高性能超音波抽出装置

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線形にスケールアップできます。Hielscher Ultrasonicsの、ラボ用から産業用の抽出システムまで幅広く揃う製品群には、お客様が想定する処理能力に最適な超音波装置があります。長年の経験を持つ当社スタッフが、実現可能性試験と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支援します。

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、お客様のプロセスに最適な超音波装置の構成を容易に組み立てることができます。最適な超音波システムの構成は、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。Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷条件や厳しい環境下でも24/7運転が可能です。超音波抽出プロセスの線形なスケールアップ性により、生産量を簡単かつ確実に増やせます。 超音波抽出プロセスの線形スケールアップについて詳しくご覧ください！

以下のような各種アクセサリーからお選びいただけます：

• さまざまなサイズ、直径、形状のソノトロード
• 200µm以上の高振幅に対応するソノトロード
• さまざまな容量と形状のフローセルリアクター
• 増幅率を上げたり下げたりするための多様なブースターホーン
• 超音波抽出装置、タンク、撹拌機、ポンプを含むSonoStationなどの完全な超音波処理システム
• 着脱式温度センサー
• 着脱式圧力センサー

十分な訓練を受け、長年の経験を持つ当社スタッフがご相談に応じ、お客様の抽出プロセスの要件に最適な超音波システムをご提案します！

下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力の目安を示しています：