超音波抽出とその原理

超音波抽出は、植物から生物活性化合物を単離するのに適した技術である。超音波抽出は完全な抽出を実現するため、非常に短い抽出時間で優れたエキス収率を得ることができる。このように効率的な抽出方法である超音波抽出は、コストと時間の節約になると同時に、食品、サプリメント、医薬品に使用される高品質の抽出物を得ることができます。

超音波抽出

超音波抽出は、ビタミン、ポリフェノール、多糖類、カンナビノイド、その他の植物化学物質のような生物活性化合物を植物から放出するために、食品、栄養補助食品、製薬業界で使用されています。超音波アシスト抽出は、音響または超音波キャビテーションの動作原理に基づいています。

音響キャビテーションの仕組み

超音波抽出は、溶媒中の植物原料からなるスラリーに、高出力・低周波の超音波を結合させることで達成される。高出力超音波は、プローブ型超音波処理装置を介してスラリーに結合される。高エネルギーの超音波が液体中を伝わり、高圧と低圧のサイクルが交互に繰り返され、その結果、音響キャビテーション現象が発生する。音響キャビテーションまたは超音波キャビテーションは、局所的に極端な温度、圧力、加熱/冷却速度、圧力差、媒体中の高いせん断力につながります。キャビテーション気泡が固体（粒子、植物細胞、組織など）の表面で爆縮すると、マイクロジェットと粒子間衝突により、表面の剥離、浸食、粒子の破壊、ソノポレーション（細胞壁や細胞膜の穿孔）、細胞の破壊などの効果が生じます。さらに、液体媒体中のキャビテーション気泡の爆縮は、マクロタービュランスやマイクロミキシングを発生させます。超音波照射は、キャビテーションとそれに関連するメカニズム（液体ジェットによる微小運動、細胞壁の破壊を伴う材料内の圧縮と減圧、高い加熱速度と冷却速度など）をもたらすため、物質移動プロセスを促進する効率的な方法である。
プローブタイプの超音波発生器は、衝撃的なキャビテーションを発生させるために必要な非常に高い振幅を発生させることができます。Hielscher Ultrasonicは、24時間365日の連続運転で200µmの振幅を簡単に発生できる高性能超音波エクストラクターを製造しています。さらに高い振幅を得るために、Hielscherは指定の高振幅ソノトロード（プローブ）を提供しています。
キャビテーションを強化するために、加圧可能な超音波リアクターとフローセルが使用される。圧力が高くなるにつれて、キャビテーションとキャビテーションせん断力はより破壊的になり、超音波抽出効果が向上します。

超音波抽出は、音響キャビテーションとその流体力学的せん断力に基づいている。

超音波抽出の効果

超音波による細胞の破壊と物質移動の増大
超音波は、細胞の破砕と、固体マトリックスを取り囲む境界層での物質移動を促進することによって、抽出プロセスを支援することができる。
細胞壁と細胞膜の穿孔であるソノポレーションは、細胞壁と細胞膜の透過性を高め、細胞を超音波処理で完全に破壊する前の中間段階であることが多い。
超音波によるキャビテーションの機械的効果、例えば熱と圧力の差、衝撃波、せん断力、液体ジェット、マイクロストリーミングは、細胞内部への溶媒の浸透を強め、細胞間物質が溶媒に移行するように細胞と溶媒間の物質移動を改善する。

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メカニズムを示す（倍率2000倍）[resource: Vilkhu et al.］

超音波抽出装置

Hielscher社の超音波処理装置は、操作が簡単で安全な高性能抽出システムです。お客様の原料、処理能力、生産目標に応じて、Hielscherは最適な超音波処理装置を提供します。コンパクトでパワフルなハンドヘルド型超音波処理機から、1時間に数トンの処理が可能な産業用超音波処理機まで、幅広い製品ラインナップを取り揃えています。
Hielscher社の超音波抽出装置は、バッチ式および連続式のインライン抽出に使用でき、あらゆる溶媒との組み合わせが可能です。
様々なサイズと形状のソノトロード（プローブ）、ブースターホーン、様々な容積と形状のフローセル、プラグイン可能な温度・圧力センサーなど、様々なアクセサリーが用意されており、抽出プロセスに理想的な超音波セットアップを組み立てることができる。
すべてのデジタルモデルにはインテリジェントなソフトウェアが搭載されており、抽出パラメーターの調整、モニター、設定が可能です。振幅、超音波処理時間、デューティーサイクルを正確に制御することで、優れた収率や最高の抽出品質など、最適なプロセス結果を得ることができます。超音波処理プロセスの自動データ記録は、GMP（適正製造基準）に要求されるプロセスの標準化と再現性／反復性の基礎となります。

Hielscher Ultrasonicsの工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続運転が容易です。さらに高い振幅を得るためには、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷や過酷な環境下でも24時間365日の稼働が可能です。
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：