シュガービートのコセットからの糖の超音波抽出
超音波抽出は、シュガービートのコセットから抽出されるスクロースの収率を高め、抽出工程の所要時間を大幅に短縮します。超音波処理は簡便で安全な技術であり、抽出効率を向上させるために、現在の向流抽出技術と容易に組み合わせることができます。
シュガービートのコセットの超音波抽出
超音波支援抽出は、音響キャビテーションまたは超音波キャビテーションの作用原理に基づいています。超音波によって誘発されるキャビテーションが生み出す機械的作用は、超音波による細胞壁の穿孔と破砕を引き起こし、その結果、細胞内部に閉じ込められている分子の透過性を高めます。キャビテーションによって生じる液体の流れと微小乱流は、抽出工程の物質移動を改善し、スクロースなどの分子を溶媒、すなわち水へと移行させます。
超音波処理装置UIP4000hdT は、産業規模のシュガービート抽出に使用されます。
- 超音波前処理（向流抽出塔の前）
- 向流抽出中の超音波処理
- 超音波後処理（向流抽出塔の後）
既存の抽出設備、生産目標、利用可能なスペースに応じて、超音波処理は前処理や後処理として、また向流抽出中の処理としても、容易に既存設備へ追加導入できます。
シュガービートのコセットの超音波前処理
シュガービートのコセットの超音波前処理は、プロセスを強化する技術です。超音波抽出装置は、シュガービートの抽出に主に使用される向流抽出塔と容易に組み合わせることができます。シュガービートのコセットが向流抽出システムに入る前に短時間の超音波処理を行うと、細胞壁の破砕と開口が促進されます。超音波処理は、溶媒（すなわち水）とビートのコセットとの間の物質移動を促進し、スクロースなどの細胞内分子を細胞内部から溶媒へと移行させます。シュガービートのコセットの超音波前処理は、向流抽出カラムでのスクロース抽出を容易にし、加速します。
抽出時間を変えて50°C、400 Wで超音波処理したシュガービートのコセット試料のSEM像（200×）。A）コセットの向流抽出、B）UAEを10 min行った後、C）UAEを20 min行った後、D）UAEを40 min行った後。超音波抽出は細胞壁を破砕し、細胞内物質を放出させます。
(©Fu et al., 2013)
超音波抽出と向流抽出の比較
Fu et al. (2013)は、シュガービートのコセットからのスクロース抽出について、従来の向流抽出と超音波抽出を比較しました。この研究の結果、超音波処理によって、より高い純度でより高い収率が得られると同時に、抽出時間が70 min.（向流抽出）から40 min.（超音波処理）へと大幅に短縮されることが示されました。超音波支援抽出（UAE）は、コロイド状不純物（特にペクチン）の濃度を低下させ、より高いスクロース収率（94.0±0.15%）をもたらします。抽出液の純度は高く、92.6±0.11%です。（参照：Fu et al., 2013）
製糖施設には従来の向流抽出塔がすでに備わっているため、一般的には、相乗効果をもたらす超音波処理を既存設備と組み合わせる方法が好まれます。超音波によるスクロース抽出をコストと時間の両面で最も効率的に適用するために、超音波抽出は、従来の向流抽出の前、途中、または後に、相乗効果をもたらす処理として導入できます。超音波処理はシュガービートの細胞を破砕して細胞からスクロースを放出させるため、スクロース収率を高めながら、向流処理の所要時間を短縮できます。
- 工程の加速
- 収率の向上
- プロセスの強化
- 向流システムとの相乗効果
- 既存設備への容易な追加導入
- 簡便な試験
- 線形のスケールアップ
- 少ないメンテナンス
- 迅速な投資回収
高性能超音波抽出装置
Hielscher Ultrasonicsの抽出システムは、食品、栄養補助食品、医薬品として使用される高品質な抽出物の商業生産のために、世界中の食品・製薬分野で使用されています。ベンチトップ規模で超音波処理パラメータの試験と最適化を行う場合でも、インライン生産のために本格的な産業用超音波抽出システムを導入する場合でも、Hielscher Ultrasonicsは適切な超音波抽出構成を提供します。設置面積が小さく、設置方法も柔軟なため、スペースが限られた処理施設にも追加導入できます。
Hielscher Ultrasonicsによるプロセスの標準化
食品グレードの製品は、適正製造規範（GMP）に従い、標準化された処理仕様の下で製造するべきです。Hielscher Ultrasonicsのデジタル抽出システム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、超音波処理工程を容易かつ精密に設定・制御できます。自動データ記録機能は、超音波エネルギー（総エネルギーおよび正味エネルギー）、振幅、温度、圧力（温度センサーと圧力センサーを取り付けた場合）など、すべての超音波処理パラメータを日時情報とともに内蔵SDカードに記録します。これにより、超音波処理された各ロットを見直すことができます。同時に、再現性と継続的に高い製品品質が確保されます。
Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波処理装置は、非常に高い振幅を発生させることができます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅には、カスタマイズされた超音波ソノトロードを利用できます。Hielscherの超音波装置は堅牢であり、高負荷や厳しい環境でも24/7の運転が可能です。
以下の表は、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。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 該当なし | 10–100L/min | UIP16000 |
| 該当なし | さらに大きい流量 | クラスター構成の UIP16000 |
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文献・参考資料
- Fu et al. (2013): The ultrasonic-assisted extraction of sugar from sugar beet cossettes. International Sugar Journal, Sept. 2013. 696-700.
- Hedayati K., Emadi B., Khojastehpour M., Beyraghi Toosi Sh. (2014): The Effect Of Ultrasonic Waves On Sugar Extraction And Mechanical Properties Of Sugar Beet. Journal of Agricultural Machinery Volume 3, Issue 2, 2014. 144-153.
- Martín-García Beatriz; Pasini, Federica; Verardo, Vito; Díaz-de-Cerio, Elixabet; Tylewicz, Urszula; Gómez-Caravaca, Ana María; Caboni Maria Fiorenza (2019): Optimization of Sonotrode Ultrasonic-Assisted Extraction of Proanthocyanidins from Brewers’ Spent Grains. Antioxidants 2019, 8, 282.
知っておきたい情報
砂糖の製造
食卓用の砂糖としても知られるスクロースは、主にサトウキビとシュガービート（Beta vulgaris）から製造されます。糖、すなわちスクロースは、熱水を使用する多段階工程でビートから抽出されます。この工程では、向流システム内で熱水による拡散抽出を行い、粗糖汁を抽出します。その後、糖汁を真空下で濃縮し、繰り返し洗浄して、最後に乾燥させます。
収穫後、ビートの根は製糖工場に運ばれ、洗浄された後、機械的に細い薄切りの帯状片、いわゆるコセットに切断されます。コセットは向流抽出システムに供給されます。向流システムは拡散によって機能し、コセットから糖分を熱水中へ浸出させます。
向流拡散システムは、長い反応器または高さ数メートルの塔・カラムで構成され、コセットが一方向（上向き）に流れる一方で、熱水は反対方向（下向き）に流れます。最新の塔式抽出設備は、日当たり最大17,000メートルトンの処理能力を備えています。向流塔内でのコセットの通常の滞留時間は約90 min.ですが、水が拡散カラム内に滞留する時間はわずか45 min.です。向流システムの主な利点は、熱水反応器内でシュガービートを浸漬する方法と比べて、水の使用量が少ないことです。向流拡散システムで得られる糖汁溶液は、粗汁と呼ばれます。粗汁の色は、酸化の程度に応じて黒色から暗赤色まで変化します。
抽出後のコセットは、水分約95%でスクロース含有量の少ないパルプとして拡散システムから排出されます。
湿ったパルプは、残留するスクロースを回収するために、スクリュープレスで水分約75%まで圧搾されます。
残ったパルプは乾燥させ、主に家畜飼料として使用されます。
粗汁から糖結晶を析出させる前に、不純物を除去するために炭酸飽充を行います。そのため、粗汁を高温の石灰乳、すなわち水酸化カルシウムの水懸濁液と混合します。炭酸飽充中に、硫酸塩、リン酸塩、クエン酸塩、シュウ酸塩などの不純物が沈殿します。これらは、カルシウム塩や、タンパク質、ペクチン、サポニンなどのより大きな有機分子の形で沈殿します。また、アルカリ性のpHによって、単糖のグルコースとフルクトース、およびアミノ酸のグルタミンが、化学的に安定したカルボン酸へと変換されます。これらの分子は結晶化を妨げるため、後にろ過によって除去できます。
次の工程では、アルカリ性の糖溶液に二酸化炭素を気泡として吹き込み、石灰を炭酸カルシウムとして沈殿させます。炭酸カルシウム粒子は一部の不純物を結合します。重い粒子はタンク内で沈降し、ろ過によって除去できます。これらの精製・清浄工程を経て、いわゆる薄汁が得られます。薄汁は、pHを調整するためにソーダ灰で処理されることがあり、また、単糖の熱分解によって生じる可能性のある着色を低減するために、硫黄系化合物で処理されることもあります。
多重効用蒸発システムを使用して薄汁を蒸発濃縮し、濃汁にします。濃汁には、重量比で約60%のスクロースが含まれています。
最終工程では、濃汁を晶析装置で処理します。再利用する砂糖を加えて溶解させると、いわゆる母液が生成されます。母液は、真空結晶缶と呼ばれる大型容器内で真空下で沸騰させることにより、さらに濃縮され、種晶として非常に微細な糖結晶が加えられます。母液中の糖がこれらの結晶の周囲に形成されることで、結晶が成長します。得られた糖結晶とシロップの混合物は、フランス語で「煮詰めた塊」を意味するマスキュイットと呼ばれます。マスキュイットは遠心分離機に供給され、遠心力によって「High Greenシロップ」がマスキュイットから除去されます。遠心分離後、遠心分離機内に水を噴霧して糖結晶を洗浄すると、いわゆる「Low Greenシロップ」が生じます。その後、遠心分離機を非常に高速で回転させ、結晶を部分的に乾燥させます。遠心分離機の回転速度が低下すると、砂糖を遠心分離機の壁からかき落として搬送システムに載せ、回転式造粒機へ運び、そこで温風によって乾燥させます。乾燥した清浄な糖結晶は、さらなる処理や使用のために、精糖業者や食品メーカーへ販売できる状態になります。