ヘンプを原料とする超音波抽出
- Cannabis sativaという植物には、マリファナとヘンプという二つの種が区別されます。
- 超音波は、マリファナとヘンプの両方からカンナビノイドを単離する優れた方法として広く知られています。
カンナビノイドの超音波抽出
超音波抽出技術は、活性化合物（すなわちカンナビノイド（CBD、THC、CBG）、 精油, テルペン など）を花穂、葉、茎などの植物原料から放出させるうえで、非常に効率的です。
超音波抽出は、さまざまな利点により、従来の抽出技術を上回ります。
超音波支援抽出（UAE）は、物質移動を改善し、カンナビノイドやテルペンなどの生理活性化合物をより高い収率で放出させる、プロセス強化技術として広く知られています。
超音波抽出では、カンナビノイドを放出させるために刺激性の強い有毒な溶媒を使用する必要がないため、超音波処理によって高品質の抽出物が得られます。例えば、水、水とアルコールの混合液、アルコール、油（オリーブ油、ココナッツ油）を溶媒として超音波抽出を実施できます。このため、超音波支援抽出（UAE）は環境に大幅に優しくなります。
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超音波処理の穏やかな抽出条件により、原料（ヘンプ、マリファナなど）と同じ特性を、より強めた形で備える抽出物が得られます – 優れた健康効果、味、香りをもたらします。
Hielscherの超音波抽出装置は精密に制御できます。強度や温度などのプロセスパラメーターを完全に制御することで、極めて高い抽出物品質が得られます。超音波処理は非加熱処理法であるため、熱に敏感な成分の熱分解を回避できます。優れた抽出物を得るには、0–60°Cの抽出温度が最適です。
超音波抽出のもう一つの利点は、処理の速さです。植物細胞からカンナビノイドを放出させる抽出プロセス全体はわずか数分で完了する一方、他の抽出技術では数時間、さらには数日の処理時間を要します。
超臨界CO2抽出装置などの代替抽出装置と比較して、設備投資費用と運転費用はいずれも最小限です。超音波抽出システムは、非常に迅速な投資回収（RoI）を実現します。
UP400St によるヘンプからのカンナビノイド抽出
- 高品質の抽出物
- より完全な抽出
- 高い抽出速度
- フルスペクトラム抽出物
- さまざまな溶媒の使用
- 無毒
- 非加熱（低温）法
- 迅速な抽出プロセス
- 安全で使いやすい
- 線形のスケールアップが可能
ヘンプとマリファナの比較
大麻は植物の科であり、 C. Indica と C. Sativaに分類できます。ヘンプとマリファナはCannabis Sativaの種です。
ヘンプとマリファナを比較すると、大きな違いがあります。ヘンプのTHC濃度は非常に低い（0.3%以下）のに対し、マリファナはTHCを豊富に含み、その濃度は15%と40%の間です。
そのため、最近までヘンプは主に産業用途のために栽培されてきました。現在では、ヘンプはCBDの収量という点でも評価されています。CBDは、抗炎症作用と抗不安作用を持つ、精神活性のないカンナビノイドです。マリファナは主に、嗜好目的や医療目的で使用されるTHCを得るために栽培されています。
ヘンプ油と、ヘンプに含まれる主要なカンナビノイドであるCBDは、不安、慢性炎症、自己免疫疾患、痛み、頭痛、片頭痛、胃腸障害などの病状の改善を助けるために投与される、有望な物質です。
プローブ型超音波処理装置UP400St は、ヘンプとマリファナからCBD、THC、CBG、CBN、その他のカンナビノイド、およびテルペンを単離するために使用される、人気の超音波抽出装置です。
高性能超音波抽出装置
Hielscher Ultrasonicsは、 小型, 中型 および 産業用 の超音波処理装置を提供しており、これらは24/7で運転できます。原料と処理量に応じて、お客様のニーズに合う超音波抽出システムをご提供できます。バッチ抽出と連続抽出のいずれかを選択できます。超音波プロセスは線形にスケールアップできるため、後から処理能力を拡大することも容易です。
Hielscherのパイロット用および産業用システムは、非常に高い振幅を実現できます – 最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を確実に行えます。さらに高い振幅に対応するため、特注の超音波ソノトロードもご用意しています。Hielscherの超音波処理装置は堅牢であり、高負荷条件や厳しい環境での運転が可能です。
高出力超音波抽出装置のメーカーとして長年の経験を持つHielscherは、高度な抽出を実現するための信頼できるパートナーです。当社はお客様に 助言を行い、 当社の知識を活用して支援し、実現可能性試験から産業設備の設置までご案内します。
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4kWの超音波抽出装置Hielscher UIP4000hdTの設置 （産業規模の抽出用）。
文献・参考資料
- Casiraghi A., Gentile A., Selmin F., Gennari C.G.M., Casagni E., Roda G., Pallotti G., Rovellini P., Minghetti P. (2022): Ultrasound-Assisted Extraction of Cannabinoids from Cannabis Sativa for Medicinal Purpose. Pharmaceutics. 14(12), 2022.
- Espinoza-Silva, Clara, Pascual, Erika, Delgadillo, Yacnehs, Flores, Omar R., Artica, Luis M., Marmolejo, Doris and Baños-Medina, Lilian (2023): Optimization of extraction using surface response methodology and quantification of cannabinoids in female inflorescences of marijuana (Cannabis sativa L.) at three altitudinal floors of Peru. Open Agriculture, Vol. 8, No. 1, 2023.
- Uzma Altaf, A Rouf, Varsha Kanojia, Qudsiya Ayaz, Imtiyaz Zargar (2018): Ultrasound treatment: A novel processing technique for food preservation. The Pharma Innovation Journal 2018; 7(2): 234-241.
- Renata Vardanega, Diego T. Santos, M. Angela A. Meireles (2014): Intensification of bioactive compounds extraction from medicinal plants using ultrasonic irradiation. Pharmacogn Rev. 2014 Jul-Dec; 8(16): 88–95.
知っておきたい情報
超音波抽出は、植物から生理活性化合物を抽出する際に、最も効果的で使いやすい技術となっています。抽出の成功例として最も代表的なのは、大麻からのCBDおよびその他のカンナビノイドの単離かもしれません。
超音波抽出と従来の抽出方法の比較
エタノールへの浸漬は簡単な方法ですが、非常に時間がかかり、処理能力が限られ、溶媒費用とエネルギー費用が高くなります。最終製品に残留する溶媒は、高品質の抽出物を製造するという目標の妨げになります。
密閉式炭化水素システムを使用する抽出では化石燃料を使用する必要があるため、ベンゼンなどの発がん性物質が最終製品に含まれる可能性があります。
超臨界CO2抽出システムは、設備投資費用とエネルギー消費量がともに高くなります。高圧CO2システムの運転には危険が伴うため、超臨界CO2抽出装置の運転には十分な訓練を受けたスタッフが必要です。CO2が漏れると、その場にいる作業員が窒息死するおそれがあります。
臨界条件の水による抽出は、環境に優しい代替方法ですが、処理が遅く、生理活性化合物のごく一部しか放出されません。
超音波抽出
超音波抽出は、 水（溶媒不使用） に加え、 溶媒 （エタノール、エタノールと水の混合液、グリセリン、メタノール、植物油、その他の任意の溶媒など）と組み合わせて使用できる、抽出を強化する技術です。超音波抽出は物質移動を促進するため、 95–99%の抽出収率 が得られます。超音波処理は容易にスケールアップでき、高品質の抽出物を生成します。
UP400St（400W）などの小規模超音波抽出装置 は、最大10Lのバッチを5–15minで処理できます（原料の状態（生または乾燥、花穂、葉、茎）、溶媒、温度などのプロセスパラメーターによって異なります）。
2kWの高出力超音波抽出装置UIP2000hdT は、インラインシステムとして運転できます。フロースルーモードでは、 UIP2000hdT は200–800L/hrを容易に処理します（これもプロセスパラメーターによって異なります）。
超音波処理装置の設備投資費用は、CO2抽出装置と比較して低くなります。また、運転に必要なエネルギー費用も無視できるほど少額です。超音波抽出装置は運転時の安全性が非常に高く、清掃が容易で、必要なメンテナンスもごくわずかです。
大麻
大麻植物（ヘンプとマリファナの両方）の生理活性化合物は、近年大きな注目を集めています。特にカンナビノイドの一種であるカンナビジオール（CBD）については、抗がん作用や抗炎症作用から、鎮痛効果や抗うつ効果まで、多くの健康上の利点が示されています。大麻植物には、カンナビジオールのほかにも、THC（テトラヒドロカンナビノール）、カンナビノール（CBN）、カンナビゲロール（CBG）、カンナビクロメン（CBC）、カンナビノジオール（CBND）など、多様なカンナビノイドが含まれています。カンナビノイドは非常に大きな治療上の可能性を示しており、多くの研究で注目されています。
さまざまなカンナビノイドと、テルペン、ポリフェノール、フラボノイド、アルカロイドなどの他の生理活性化合物との相互作用により、さらに優れた健康効果がもたらされるようです。異なるテルペン、異なるカンナビノイド、その他の植物成分の相互作用は「アントラージュ効果」と呼ばれます。このアントラージュ効果により、超音波支援抽出（UAE）で良好に得られるフルスペクトラム抽出物は、卓越した治療効果で知られています。
大麻のテルペン
テルペノイドは植物に含まれる精油成分です。大麻植物には テルペンが非常に豊富に含まれています。大麻では、テルペンは植物のトリコームで作られます。トリコームは、葉や花穂に付着する、光沢があり粘着性のある結晶です。これらのトリコームは大麻植物の自然な防御機構であり、昆虫や動物から植物を守ります。テルペンは、その芳香によって忌避剤として働きます。私たち人間にとって、大麻のテルペンの最も顕著な特徴はその香りです。これらのテルペンは、大麻植物（ヘンプとマリファナ）の多様な健康効果に寄与しています。
テルペン分子は、芳香や香りに加え、さまざまな医療上の利点をもたらす、強力な植物由来物質です。
Cannabis Sativa属のマリファナとヘンプは、どちらも極めて多量のテルペノイドを含み、その種類は100を超えます。
各テルペンには、鎮静から気分の高揚まで、それぞれ固有の特性があります。例えば、ネロリドールには鎮静効果と抗不安効果があり、リナロールは不安や関節炎の症状の管理に役立ち、ミルセンは慢性疼痛を緩和することで知られています。テルペンであるβ-ミルセン、Ɣ-pinene、フムレンは、炎症を軽減し、鎮痛効果を持ちます。
さまざまなテルペンが大麻に固有ですが、大麻に含まれるテルペンの多くは、他のいくつかの植物にも存在します。例えば、カリオフィレンは緑色の葉物野菜、 ホップ のほか、ローズマリーやオレガノにも含まれています。リモネンは、レモンやオレンジなどの柑橘類に含まれる主要なテルペンです。
アントラージュ効果
各テルペンは、特定の治療効果を持つことで知られています。一方、テルペンと、ポリフェノールやフラボノイドなどの他の植物成分は、卓越した相乗効果を示し、カンナビノイド間の共生関係を改善することが知られています。さまざまな生理活性化合物によるこの相互作用は「アントラージュ効果」と呼ばれます。
アントラージュ効果はテルペンの生体利用率を高め、体がカンナビノイドをより効率的に吸収するのを助けます。
生理活性化合物の種類
生理活性化合物の数、濃度、多様性が、植物抽出物の薬効を決定します。これらの生理活性化合物は、植物の成長や光合成に寄与しない二次代謝産物として合成されます。しかし、植物の生存と環境との相互作用には不可欠です。植物由来の生理活性化合物は、大きく、テルペンとテルペノイド、アルカロイド、フェノール化合物という三つの種類に分類できます。フェノール化合物は、植物界に最も広く分布する二次代謝産物のグループであり、その抗酸化作用で広く知られ、高く評価されています。低分子量フェノール化合物のもう一つの重要な種類はフラボノイドで、これらも非常に強い抗酸化作用を示します。
フェノール化合物には、安息香酸やヒドロキシ桂皮酸などのフェノール酸、フラボンやフラボノールなどのフラボノイド、リグナン、スチルベンが含まれます。フルスペクトラム抽出物（例えば、 大麻からの超音波抽出によって得られるもの）には、これらの異なる植物成分がすべて含まれており、最も幅広い健康効果を示します。
超音波抽出の作用原理
超音波抽出は、液体媒体に結合された音波（超音波）に基づいています。強力な超音波は、高圧と低圧の周期を生み出します。超音波が液体中を伝播する際の圧力差によって、キャビテーション気泡が発生します。これらのキャビテーション気泡の内向きの崩壊により、エネルギー密度の高い状態が生じます。
活性化合物と精油の超音波抽出は、 音響キャビテーションの作用原理に基づいています。上の図は、キャビテーション気泡の崩壊による作用と、それによって植物原料から精油が放出される様子を示しています。
出典：Altaf et al. 2018
崩壊するキャビテーション気泡の近傍では、極端な条件が生じることがあります – 温度は最大4500°C、圧力は最大100 MPaに達します。内向きの崩壊と、それによって生じる圧力差により、キャビテーションのホットスポットに非常に強いせん断力と乱流が発生します。圧力差、熱の差、せん断というこれらの要因の組み合わせが物質移動を促進し、その結果、抽出プロセスを促進します。強力な超音波キャビテーションの力によって、細胞（植物、細菌、組織などの細胞）が破砕され、細胞内物質（油、脂質、タンパク質、活性化合物など）が周囲の溶媒に放出されます。
したがって、超音波抽出は、抽出プロセスを強化するために推奨される方法です。
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
ラボからパイロット規模、産業規模まで対応する高出力超音波抽出装置。