アントシアニンの超音波抽出

アントシアニンは、食品の天然着色料および栄養添加物として広く使用されています。超音波抽出は、高品質のアントシアニンを得るための非常に効率的で簡単な技術です。プローブ型超音波処理装置を使用すると、植物から高品質のアントシアニンの放出が促進され、収率が向上し、処理が迅速になります。同時に、超音波処理は、食品グレードおよび医薬品グレードのアントシアニンを工業生産するための、穏やかで環境に優しく効率的な技術です。

アントシアニン – 超音波処理装置を用いて高品質のアントシアニンを抽出する方法

アントシアニンは、食品業界で天然着色料として広く使用されています。分子構造とpH値に応じて、オレンジから赤、紫、青まで幅広い色調を示します。アントシアニンへの関心は、その着色効果だけでなく、健康に有益な特性にも基づいています。合成色素に関する環境および健康への懸念が高まる中、天然色素は、食品業界および医薬品業界における環境に優しい着色料として、優れた代替品となります。

超音波によるアントシアニン抽出の改善

超音波でアントシアニンを抽出する方法 – 事例研究

紫米Oryza Sativa L.からのアントシアニンの超音波抽出

Oryza Sativa系統の紫米（Violet Noriまたはバイオレットライスとも呼ばれる）は、フラボノイド群に属するアントシアニンなどのフェノール性化合物を非常に豊富に含んでいます。Turrini et al. (2018)は、超音波抽出を用いて、紫米の穎果（全粒、玄米、およびパーボイルド米の形態）と葉から、アントシアニンや抗酸化物質などのポリフェノール性化合物を分離しました。超音波抽出にはHielscherの UP200St (200W, 26kHz, 左図）を使用し、溶媒には60%エタノールを使用しました。
アントシアニンの完全性を維持するため、超音波抽出物は −20°Cで保存され、これにより少なくとも最大三か月間の保存が可能となりました。
Turrini et al.の研究で調査された‘Violet Nori’、‘Artemide’および‘Nerone’の各品種では、検出されたアントシアニンのうちCyanidin-3 glucoside（クリサンテミンとも呼ばれる）が圧倒的に主要な成分であり、peonidin-3-glucosideおよびcyanidin-3-rutinoside（アンチリニンとも呼ばれる）は、より少量で検出されました。
Oryza Sativaの紫色の葉は、アントシアニンおよび総フェノール含量（TPC）の優れた供給源です。その含有量は米および米粉の約2–3倍であり、Oryzaの葉はアントシアニン抽出用の安価な原料となります。生葉から得られるアントシアニンの推定収量約4 kg/tは、米から得られるアントシアニン収量1 kg/tを大幅に上回ります。後者は、‘Violet Nori’の米で検出された平均アントシアニン含有量（米中1300 µg/g、cyanidin-3-glucosideとして）に基づき、約68 kgの米が100 kgの籾から得られる場合について算出されています。

赤キャベツからのアントシアニンの超音波抽出

Ravanfar et al. (2015)は、赤キャベツからのアントシアニンの超音波抽出の効率を調査しました。超音波抽出実験には、超音波システム UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W)を使用しました。ソノトロードMS10（先端直径10mm）を、温度制御されたジャケット付きガラスビーカーの中央に挿入しました。

この実験には、切りたての赤キャベツ片を使用しました。寸法は5mm（立方体）で、水分含量は92.11 ± 0.45 %でした。ジャケット付きガラスビーカー（容量：200ml）に、蒸留水100mlと赤キャベツ片2gを入れました。処理中の蒸発による溶媒（水）の損失を防ぐため、ビーカーをアルミニウム箔で覆いました。すべての実験で、恒温制御装置を使用してビーカー内の温度を維持しました。最後にサンプルを採取し、ろ過して4000rpmで遠心分離し、上清を用いてアントシアニン収量を測定しました。対照実験として、水浴での抽出を実施しました。
赤キャベツからのアントシアニンの最適収量は、出力100 W、時間30 min、温度15°Cで得られ、この条件でアントシアニン収量は約21 mg/Lとなりました。
赤キャベツ色素は、pH値に応じて色が変化し、強い着色性を持つため、医薬品製剤ではpH指示薬として、食品系では抗酸化物質および着色料として、それぞれ使用されてきました。

超音波は、植物原料からのアントシアニン抽出を大幅に強化します。
出典：Ravanfar et al. 2015

 
他の研究でも、ブルーベリー、ブラックベリー、ブドウ、サクランボ、イチゴ、紫サツマイモなどからのアントシアニンの超音波抽出が成功したことが示されています。

高性能超音波抽出装置

Hielscher Ultrasonicsは、植物原料から高品質の抽出物を生産するための高性能超音波プロセッサーの製造を専門としています。
Hielscherの超音波処理装置は、小型で強力な実験室用超音波処理装置から、堅牢な卓上型システムや本格的な産業用システムまで、幅広い製品群を備えています。これらは高強度の超音波を供給し、生理活性物質（アントシアニン、 ジンゲロール, ピペリン, クルクミン など）を効率的に抽出・分離します。
200W – 16,000W のすべての超音波処理装置には、デジタル制御用のカラータッチディスプレイ、自動データ記録用の内蔵SDカード、ブラウザーによる遠隔操作機能など、使いやすい機能が多数搭載されています。ソノトロードとフローセル（媒体に接触する部品）はオートクレーブ滅菌が可能で、洗浄も容易です。
Hielscherの超音波処理装置は非常に堅牢で、全負荷で24/7運転できるように設計されています。また、メンテナンスの必要性が低く、操作も簡単で安全です。デジタルカラーディスプレイにより、超音波処理装置を使いやすく制御できます。
当社のシステムは、低振幅から非常に高い振幅まで供給できます。カンナビノイドおよびテルペンの抽出には、高品質の活性物質を穏やかに分離するために最適化された特殊な超音波ソノトロード（超音波プローブまたはホーンとも呼ばれる）を提供しています。当社のすべてのシステムは、カンナビノイドの抽出と、その後の乳化に使用できます。Hielscherの超音波処理装置は堅牢であるため、高負荷かつ過酷な環境でも連続運転（24/7）が可能です。

超音波プロセスのパラメータを精密に制御することで、再現性とプロセスの標準化が確保されます。
 

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。

文献・参考資料

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

知っておきたい情報

超音波支援抽出はどのように機能するのでしょうか？

液体媒体に強力な超音波を照射すると、キャビテーションが発生します。この キャビテーション 現象により、媒体中に局所的に極端な温度、圧力、加熱・冷却速度、圧力差、および高いせん断力が生じます。キャビテーション気泡が固体（粒子、植物細胞、組織など）の表面で圧壊すると、マイクロジェットと粒子間衝突により、表面剥離、侵食、粒子の破砕などの作用が生じます。さらに、液体媒体中でのキャビテーション気泡の圧壊は、マクロな乱流とマイクロ混合を生じさせます。
植物原料への超音波照射は、植物細胞のマトリックスを断片化し、その水和を促進します。Chemat et al (2015)は、植物原料からの生理活性化合物の超音波抽出は、断片化、侵食、毛細管作用、組織構造の崩壊、およびソノポレーションなどの異なる機構が、独立または組み合わさって作用した結果であると結論づけています。これらの作用は細胞壁を破砕し、溶媒を細胞内に押し込んで植物由来化合物を含む溶媒を外へ吸い出すことで物質移動を改善するとともに、マイクロ混合により液体の移動を確保します。

超音波抽出は、音響キャビテーションと、それによる流体力学的せん断力に基づいています

植物原料への超音波照射は、植物細胞のマトリックスを断片化し、その水和を促進します。Chemat et al. (2015)は、植物原料からの生理活性化合物の超音波抽出は、断片化、侵食、毛細管作用、組織構造の崩壊、およびソノポレーションなどの異なる機構が、独立または組み合わさって作用した結果であると結論づけています。これらの作用は細胞壁を破砕し、溶媒を細胞内に押し込んで植物由来化合物を含む溶媒を外へ吸い出すことで物質移動を改善するとともに、マイクロ混合により液体の移動を確保します。
超音波抽出は、化合物を非常に迅速に分離します – 処理時間の短さ、収率の高さ、および処理温度の低さで、従来の抽出法を上回ります。穏やかな機械的処理である超音波支援抽出は、生理活性成分の熱分解を回避し、熱に敏感な分子を破壊することが知られている従来の溶媒抽出、水蒸留、ソックスレー抽出などの他の技術と比較して優れています。これらの利点により、超音波抽出は、植物原料から温度に敏感な生理活性化合物を放出させるための好ましい技術となっています。

植物細胞からの超音波抽出：顕微鏡横断面（TS）は、細胞からの超音波抽出中の作用機構を示しています（倍率2000x）［資料：Vilkhu et al. 2011］

アントシアニン – 価値ある植物色素

アントシアニンは、液胞内に存在する植物色素で、赤、紫、青、または黒に見えることがあります。水溶性のアントシアニン色素の発色は、pH値に依存します。アントシアニンは細胞の液胞内に存在し、主に花や果実に見られますが、葉、茎、根にも存在します。これらの部位では、主に表皮や周辺部の葉肉細胞など、外側の細胞層に存在します。
自然界で最も頻繁に見られるのは、シアニジン、デルフィニジン、マルビジン、ペラルゴニジン、ペオニジン、およびペツニジンの配糖体です。
アントシアニンを豊富に含む植物の代表例には、ブルーベリー、クランベリー、ビルベリーなどのスノキ属の植物、ブラックラズベリー、レッドラズベリー、ブラックベリーなどのキイチゴ属のベリー類、ブラックカラント、サクランボ、ナス、黒米、ウベ、沖縄産紫サツマイモ、コンコードブドウ、マスカダインブドウ、赤キャベツ、およびスミレの花弁があります。果肉が赤いモモやリンゴにもアントシアニンが含まれています。バナナ、アスパラガス、エンドウ、フェンネル、ナシ、およびジャガイモではアントシアニンの含有量が少なく、緑色のグーズベリーの一部の品種では、まったく含まれていない可能性があります。

主要なアントシアニンの構造

アントシアニンは、食品中の合成着色料に代わる優れた代替品です。アントシアニンは、欧州連合、オーストラリア、およびニュージーランドで食品着色料としての使用が認可されており、着色料コードはE163です。アントシアニンは果物や野菜に含まれ、水溶性植物色素の一種と説明できます。化学的には、アントシアニンは2-phenylbenzophyrylium（フラビリウム）構造に基づくアントシアニジンの配糖体です。アントシアニンに分類される異なる植物化学物質は200種類を超えます。野生の果実やベリー類の主要な色素であるため、アントシアニンを抽出できる供給源は数多くあります。代表的な供給源はブドウの果皮です。ブドウの果皮に含まれるアントシアニン色素は、主にペオニジン、マルビジン、シアニジン、ペツニジン、およびデルフィニジンのジグルコシド、モノグルコシド、アシル化モノグルコシド、およびアシル化ジグルコシドから構成されます。ブドウのアントシアニン含有量は30–750mg/100gの範囲で変動します。
最も代表的なアントシアニンは、シアニジン、デルフィニジン、ペラルゴニジン、ペオニジン、マルビジン、およびペツニジンです。
例えば、紫サツマイモには、アントシアニンであるpeonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside、peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside、およびcyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucosideが含まれています。

アントシアニン – 健康への利点

アントシアニンは、天然の食品着色料として機能する優れた能力に加え、抗酸化作用でも高く評価されています。そのため、アントシアニンは健康に多くの好ましい効果を示します。研究では、アントシアニンが、がん細胞におけるDNA損傷の抑制、消化酵素の阻害、単離した膵臓細胞におけるインスリン産生の誘導、炎症反応の軽減、加齢に伴う脳機能低下からの保護、毛細血管の密閉性の向上、および血小板凝集の防止に作用できることが示されています。