収率を高めるアスタキサンチンの超音波抽出
- アスタキサンチンは、医薬品や栄養補助食品に使用される非常に強力な抗酸化物質です。
- 藻類などの天然資源から高品質のアスタキサンチンを製造するには、高性能な抽出技術が必要です。
- 超音波抽出は、非常に短い抽出時間でアスタキサンチンを高収率で得られる機械的処理です。
高品質なアスタキサンチン抽出物を得るための高性能超音波処理装置
超音波抽出は、強力な超音波を用いて、微細藻類、オキアミ、甲殻類などの天然資源からアスタキサンチンを抽出する高性能な抽出技術です。アスタキサンチンは、強力な抗酸化作用とさまざまな健康上の利点で知られる、天然に存在するカロテノイド色素です。一般に栄養補助食品や食品着色料として使用されています。超音波処理がアスタキサンチンの抽出プロセスの改善にどのように役立つかをご覧ください。
高出力超音波によるアスタキサンチン抽出の改善に使用するMultiSonoReactor
微細藻類からのアスタキサンチンの超音波抽出
人や動物が健康上の利点を得るために摂取する栄養補助食品用のアスタキサンチンは、魚介類から得られるか、藻類H. pluvialisから抽出されます。Haematococcus pluvialisは緑色の微細藻類であり、高塩分、窒素欠乏、高温、光などのストレス条件を与えると、高含有量のアスタキサンチンを生成します。Haematococcus pluvialisは、藻類細胞あたり最大9.2mg/gのアスタキサンチン（= H. pluvialisの乾燥重量の最大3.8%）という、非常に高い含有量の天然アスタキサンチンを蓄積するため、アスタキサンチンの製造に好まれる生物です。
緑色微細藻類からアスタキサンチンを放出させるには、藻類細胞を破砕する必要があります。超音波処理は、細胞破砕、溶解、および脂質、抗酸化物質、ポリフェノール、天然色素などの生理活性化合物の分離を目的とする技術として十分に確立されています。高性能超音波は純粋に機械的な力を生み出し、せん断力によって細胞壁を破砕して、アスタキサンチンなどの生理活性物質を放出させます。
酵母からのアスタキサンチンの超音波抽出
Phaffia rhodozymaはアスタキサンチンを豊富に含む酵母です。しかし、主にグルカンで構成され、細胞の剛性を担うP. rhodozymaの厚い細胞壁により、細胞破砕とアスタキサンチンの分離は困難な作業となります。研究者ら（Gogate et al. 2015）は、乳酸と組み合わせた超音波抽出が細胞破砕を強化し、P. rhodozymaからのアスタキサンチン抽出を、より環境に配慮した、より環境に優しいプロセスにすることを見いだしました。研究者らは、破砕用の媒体として乳酸を、抽出用の溶媒としてエタノールを使用しました。アスタキサンチンの最大収率（90%）は、3 Mの乳酸を使用し、破砕時間を15 minとする超音波支援抽出法で得られました。UIP4000hd（4kW、左図参照）などの強力な超音波抽出装置を加圧可能なフロースルーリアクターと組み合わせることで、非常に強力なキャビテーションを発生させることができます。キャビテーションによるせん断力は酵母の細胞壁を破砕し、細胞内部と溶媒との間の物質移動を促進します。
- 優れた収率
- 高速抽出 – 数分以内
- 高品質の抽出物 – 穏やかな非熱処理
- 環境に配慮した溶媒（例：水／エタノール）
- 高い費用対効果
- 簡単で安全な操作
- 低い投資費用と運転費用
- 高負荷条件下での24/7運転
- 環境に配慮した、環境に優しい方法
アスタキサンチンの超音波抽出 – バッチ方式または連続フロー方式
アスタキサンチンは親油性化合物であり、溶媒（例：酢酸エチル中の48.0%エタノール）や油（例：大豆油）に溶解できます。
バッチ方式： 超音波抽出プロセスは、単純なバッチプロセスとして、または媒体を超音波フロースルーリアクターに連続的に供給するインライン処理として運用できます。
バッチ処理は、ロットごとに抽出を行う簡単な方法です。Hielscher Ultrasonicsは、小規模から大規模まで、すなわち1L–120Lのバッチに対応する超音波処理装置を提供しています。
5–10Lのバッチを処理する場合は、 UP400St にソノトロードS24d22L2Dを組み合わせた構成を推奨します（左図参照）。
約120Lのバッチを処理する場合は、 超音波処理装置UIP2000hdT にソノトロードRS4d40L4を組み合わせた構成を推奨します。
フロースルー方式： より大きな処理量や本格的な商業規模の抽出では、液体を超音波リアクターに連続的に供給し、そこで溶媒と植物原料のスラリーに強力な超音波処理を施します。
約8L/min.の体積の場合は、 UIP4000hdT にソノトロードRS4d40L3と加圧可能なフローセルFC130L4-3G0を組み合わせた構成を推奨します
UIP2000hdT （2kW）による大規模バッチ抽出
抽出用の高性能超音波処理装置
Hielscher Ultrasonicsは、植物、酵母、細胞から高品質の抽出物を製造するための高性能超音波処理装置の製造を専門としています。Hielscher Ultrasonicsの幅広い製品群は、小型で強力な実験室用超音波処理装置から、堅牢な卓上型装置、完全な産業用システムまでを網羅しています。これらは高強度の超音波を供給し、アスタキサンチン、ケルセチン、カフェイン、クルクミン、テルペンなどの生理活性成分を効率的に抽出・分離します。200W–16,000Wのすべてのデジタル超音波処理装置には、設定をプログラムできる直感的なメニュー、快適な操作を実現する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、多数の使いやすい機能が備わっています。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、洗浄も簡単です。当社のすべての超音波処理装置は24/7運転を前提に設計されており、保守の手間が少なく、簡単かつ安全に操作できます。
デジタルカラーディスプレイにより、超音波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対応できます。アスタキサンチンなどの化合物の抽出には、高品質の活性物質を慎重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ます）を提供しています。Hielscherは、高振幅用の特殊なソノトロードと加圧可能なフローセルを組み合わせて提供しています。この組み合わせは極めて強力なキャビテーションによるせん断力を発生させ、非常に頑丈な酵母細胞さえも破砕できます。Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷条件下や過酷な環境でも24/7運転が可能です。
超音波プロセスパラメーターの精密な制御により、再現性とプロセスの標準化が確保されます。Hielscherの産業規模の自動超音波抽出システムは、優れた品質の抽出物を高い生産能力で製造すると同時に、労力、費用、エネルギーを削減するよう設計されています。
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文献／参考資料
- B. Brands and M. Kleinke (2022): Astaxanthin production in Xanthophyllomyces dendrorhous grown in medium containing watery extracts from vegetable residue streams. IOP Conference Series: Earth Environ. Sci. 1034, 2022.
- Chougle, J.A.; Singha, R.S.; Baik, O.-D.(2014): Recovery of Astaxanthin from Paracoccus NBRC 101723 using Ultrasound-Assisted Three Phase Partitioning (UA-TPP). Separation Science and Technology, 49, 2014.
- Gogate et al. (2015): Ultrasound-assisted Intensification of Extraction of Astaxanthin from Phaffia rhodozyma. Indian Chemical Engineer 2015, 57:3-4, 240-255.
- Zou et al. (2013): Response Surface Methodology for Ultrasound-Assisted Extraction of Astaxanthin from Haematococcus pluvialis. Marine Drugs 2013, 11, 1644-1655.
- Farid Chemat, Natacha Rombaut, Anne-Gaëlle Sicaire, Alice Meullemiestre, Anne-Sylvie Fabiano-Tixier, Maryline Abert-Vian (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 34, 2017. 540-560.
知っておきたい基礎知識
超音波抽出
超音波抽出は、音響キャビテーションの原理に基づいています。
液体系に強力な超音波を加えると、真空気泡が発生し、成長して最終的に崩壊する現象である音響キャビテーションが生じます（下図参照）。超音波の伝播中、真空気泡は振動し、これ以上エネルギーを吸収できなくなるまで成長します。気泡の成長が最大に達すると、気泡は激しく崩壊し、局所的な熱的、機械的、化学的作用を引き起こします。機械的作用には、最大1000atmの高圧、乱流、強力なせん断力が含まれます。これらの力は細胞壁を破砕し、細胞内部と溶媒との間の物質移動を促進して、生理活性化合物を周囲の液体（すなわち溶媒）へ放出させます。
高強度・低周波の超音波によって生じる音響キャビテーションは、強力なせん断力と、局所的に生じる大きな圧力差および温度差をもたらし、細胞破砕、強力な混合、物質移動に必要な作用を与えます。これらの超音波によるせん断力は、大麻の抽出に効果的に利用されています。
植物原料や細胞組織からの化合物の超音波抽出については、十分に研究されています。非常に強力な超音波を加えることで、抽出プロセスが大幅に促進されます。プロセスの強化によって収率が高まり、抽出時間が短縮されるだけでなく、超音波処理は非熱処理であるため、熱分解や温度に敏感な成分の損失も防止されます。さらに、超音波抽出は投資費用と運転費用が低く、溶媒の使用量を削減し、より環境に配慮した溶媒の使用を可能にする、またはその両方を実現するため、経済的で環境に優しい抽出技術です。従来の抽出法を上回る超音波支援抽出 (UAE) は、食品産業から導入され、経済的な利益を得ながら生理活性化合物を製造するために使用されています。
強力な超音波は生物構造の細胞マトリックスを破砕し、生理活性化合物を放出させます。植物原料と溶媒との間の物質移動が強化されます。これらの機構により、超音波抽出は大麻の抽出において非常に効率的です。
アスタキサンチン
アスタキサンチンは濃い赤色が特徴です。藻類（例：Haematococcus pluvialis、Chlorella zofingiensis、Chlorococcum）、酵母（例：Phaffia rhodozyma）、サケ、マス、オキアミ、エビ、ザリガニに含まれる脂溶性色素です。アスタキサンチンの抗酸化力は、β-カロテン、ルテイン、ゼアキサンチンなど多くの他のカロテノイドの十–二十倍、α-トコフェロール（ビタミンE）の百倍も強いため、極めて強力な抗酸化物質と考えられています。
アスタキサンチン（3,3′-dihydroxy-β, β′-carotene-4,4′-dione）はケトカロテノイドであり、炭素数五の前駆体であるイソペンテニル二リン酸とジメチルアリル二リン酸から構成される、テルペンと呼ばれるより大きな化合物群に、テトラテルペノイドとして属しています。アスタキサンチンは、ゼアキサンチンやカンタキサンチンと同様に、酸素を含む構成要素、すなわちヒドロキシル基（-OH）またはケトン基（C=O）を持つカロテノイド化合物の一種に分類されます。アスタキサンチンはゼアキサンチンおよび／またはカンタキサンチンの代謝産物であり、ヒドロキシル基とケトン基の両方を含みます。多くのカロテノイドと同様に、アスタキサンチンは脂溶性色素であり、赤色が特徴です。アスタキサンチンを含むカロテノイドは、その抗酸化能でよく知られています。
アスタキサンチンは赤い色素であり、雨水中の微細藻類（Haematococcus pluvialis）と、Xanthophyllomyces dendrorhous（Phaffia rhodozymaとも呼ばれます）という酵母に天然に由来します。この藻類は、栄養不足、塩分の増加、過剰な日光などの条件を単独または組み合わせて与えられることでストレスを受け、アスタキサンチンを生成します。サケ、赤いマス、マダイ、フラミンゴ、甲殻類（例：エビ、オキアミ、カニ、ロブスター、ザリガニ）など、こうしたストレスを受けた淡水微細藻類を摂取する生物は、その外見に赤橙色の色素を反映します。
アスタキサンチンは、健康増進作用や疾病治療作用を目的としてサプリメントとして投与されます。アスタキサンチンは、皮膚の健康改善（例：しわや日焼けによる損傷などの軽減）のために投与される、十分に確立された機能性栄養成分です。
さらに、アルツハイマー病、パーキンソン病、心血管疾患、高コレステロール、肝疾患、加齢黄斑変性の治療や、がんの予防に使用する目的で、アスタキサンチンへの関心が高まっています。
Hielscher Ultrasonicsは、 実験室規模 から 産業規模までの高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。