超音波抽出とその動作原理

超音波抽出は、植物原料から生理活性化合物を単離するために優先的に選ばれる技術です。超音波処理によって完全な抽出が達成されるため、非常に短い抽出時間で優れた抽出収率が得られます。このように効率的な抽出方法である超音波抽出は、コストと時間を節約しながら、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もたらします。

超音波抽出

超音波抽出は、食品、栄養補助食品、製薬業界で、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などの生理活性化合物を植物原料から放出させるために使用されています。超音波支援抽出は、音響キャビテーション、すなわち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はどのように作用するのか？

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ます。高出力の超音波は、プローブ型超音波プロセッサーを介してスラリーに結合されます。高いエネルギーを持つ超音波が液体中を伝わり、高圧／低圧のサイクルを交互に生じさせることで、音響キャビテーションという現象が起こります。音響キャビテーション、すなわち超音波キャビテーションは、媒体中に局所的に極端な温度、圧力、加熱／冷却速度、圧力差、高いせん断力を生じさせます。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って、表面剥離、侵食、粒子の破壊、ソノポレーション（細胞壁および細胞膜への穿孔）、細胞破砕などの効果が生じます。さらに、液体媒体中でのキャビテーション気泡の圧壊は、マクロな乱流と微細混合を引き起こします。超音波処理は、キャビテーションと、それに関連する液体ジェットによる微小な動き、材料内部の圧縮と減圧およびそれに続く細胞壁の破砕、高い加熱・冷却速度などの機構を生じさせるため、超音波照射は物質移動プロセスを促進する効率的な方法です。
プローブ型超音波装置は、強力なキャビテーションの発生に必要な、非常に高い振幅を生成できます。Hielscher Ultrasonicは、24/7の連続運転で200µmの振幅を容易に生成できる高性能超音波抽出装置を製造しています。さらに高い振幅に対応するため、Hielscherは指定された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、加圧可能な超音波反応器とフローセルが使用されます。圧力が上昇するにつれて、キャビテーションとキャビテーションによるせん断力の破壊作用が強まり、超音波抽出の効果が向上します。

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

超音波抽出の効果

超音波による細胞破砕と物質移動の促進
超音波は、細胞破砕と、固体マトリックスを取り囲む境界層での物質移動の促進の両方によって、抽出プロセスを支援できます。
細胞壁および細胞膜へ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、多くの場合、超音波処理によって細胞が完全に破砕される前の中間段階となります。
超音波によって誘起されるキャビテーションの機械的効果、例えば熱および圧力の差、衝撃波、せん断力、液体ジェット、微小流動は、溶媒の細胞内部への浸透を強め、細胞と溶媒の間の物質移動を促進することで、細胞間物質を溶媒中へ移行させます。

植物細胞からの超音波抽出：顕微鏡による横断面（TS）は、細胞からの超音波抽出における作用機構を示しています（倍率2000x）［出典：Vilkhu et al. 2011］

超音波抽出装置

Hielscher Ultrasonicsのプロセッサーは、操作が簡単で安全な高性能抽出システムです。Hielscherは、原料、プロセスの処理能力、目標とする生産量に応じて、最も適した超音波装置を提供します。当社の製品ラインアップは、コンパクトで強力なハンドヘルド型超音波装置から卓上型システム、毎時数トンを処理できる本格的な産業用超音波装置まで幅広く取り揃えています。
Hielscher Ultrasonicsの抽出装置は、バッチ抽出と連続インライン抽出に使用でき、あらゆる溶媒と組み合わせて使用できます。
さまざまなサイズや形状のソノトロード（プローブ）、ブースターホーン、さまざまな容量や形状のフローセル、接続可能な温度・圧力センサー、その他多くの付属機器を用意しており、抽出プロセスに理想的な超音波システムを構成できます。
当社のすべてのデジタルモデルには、抽出パラメーターの調整、監視、設定を可能にするインテリジェントソフトウェアが搭載されています。振幅、超音波処理時間、デューティサイクルを精密に制御することで、優れた収率や最高の抽出物品質など、最適なプロセス結果を達成できます。超音波処理プロセスの自動データ記録は、適正製造規範（GMP）で要求されるプロセスの標準化および再現性／反復性の基盤となります。

Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、非常に高い振幅を提供できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅に対応するため、カスタマイズされた超音波ソノトロードを用意しています。Hielscherの超音波装置は堅牢であり、高負荷かつ厳しい環境での24/7運転が可能です。
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。