果実およびバイオ廃棄物からの超音波ペクチン抽出

• ペクチンは非常に頻繁に使用される食品添加物で、主にゲル化作用を目的として添加されます。
• 超音波抽出は、ペクチン抽出物の収量と品質を大幅に向上させます。
• 超音波処理はプロセスを強化する効果で知られ、その効果はすでに多様な工業プロセスで活用されています。

ペクチンとペクチン抽出

ペクチンは天然の複合多糖類（ヘテロ多糖類）で、特に果実の細胞壁に存在し、中でも柑橘類やリンゴの搾りかすに多く含まれます。リンゴと柑橘類のいずれも、果皮にはペクチンが豊富に含まれています。リンゴの搾りかすには乾物基準で10–15%のペクチンが含まれ、柑橘類の果皮には20–30%が含まれます。ペクチンは生体適合性と生分解性を備えた再生可能な多糖類で、優れたゲル化・増粘機能を持つため、添加物として高く評価されています。食品、化粧品、医薬品においてレオロジー調整剤として広く使用され、ゲル化剤、光沢剤、安定剤、増粘剤として、また一部の配合では乳化剤としても機能します。超音波抽出は、果皮や搾りかすから高品質のペクチンを分離する効率的な方法で、処理時間と総コストを削減しながら収量を増加させます。

工業用途の従来のペクチン抽出は、酸触媒プロセス（硝酸、塩酸、硫酸を使用）で行われます。酸触媒抽出は、工業的なペクチン製造で最も頻繁に用いられるプロセスです。最大24hrsにわたる直接煮沸（60ºC–100ºC）や低pH（1.0–3.0）での抽出など、他の抽出技術は時間がかかり、収量が低く、抽出される繊維の熱分解を引き起こす可能性があり、またプロセス条件によってペクチン収量が制限される場合もあるためです。しかし、酸触媒抽出にも欠点があります。過酷な酸処理はペクチン鎖の解重合と脱エステル化を引き起こし、ペクチンの品質に悪影響を及ぼします。大量の酸性排水が発生するため、後処理と高額な再利用処理が必要となり、このプロセスは環境への負担となります。

超音波ペクチン抽出

超音波抽出は穏やかな非熱的処理で、多様な食品プロセスに適用されています。果実や野菜からのペクチン抽出では、超音波処理により高品質のペクチンが得られます。超音波抽出されたペクチンは、無水ウロン酸、メトキシル基、ペクチン酸カルシウムの含有量、およびエステル化度に優れています。超音波抽出の穏やかな条件は、熱に敏感なペクチンの熱分解を防ぎます。
ペクチンの品質と純度は、抽出されたペクチンの無水ガラクツロン酸含有量、エステル化度、灰分含有量によって変わることがあります。高分子量で、灰分含有量が低く（10%未満）、無水ガラクツロン酸含有量が高い（65%超）ペクチンは、良質なペクチンとして知られています。超音波処理の強度は非常に精密に制御できるため、振幅、抽出温度、圧力、滞留時間、溶媒を調整することで、ペクチン抽出物の特性に影響を与えることができます。

 

この動画では、プローブ型超音波処理装置UP200Htを使用した、グレープフルーツ果皮からの高効率なペクチンの超音波抽出を紹介します。超音波処理は、果物や野菜の副産物から高品質のペクチンを高収率で得るための、極めて効率的な方法です。超音波抽出により、より短い処理時間で、より多くの高品質なペクチンを得られます。

 
上の動画で実演した、グレープフルーツの果皮からの超音波ペクチン抽出プロトコルはこちらをご覧ください！
 

超音波抽出には、さまざまな 溶媒 を使用できます。例えば、水、クエン酸、硝酸溶液（HNO₃, pH 2.0）、シュウ酸アンモニウム／シュウ酸などが使用でき、既存の抽出ラインへの超音波処理の組み込み（後付け）も可能です。

原料としての果実廃棄物： 高性能超音波は、リンゴの搾りかす、柑橘類の果皮（オレンジ、レモン、グレープフルーツなど）、ブドウの搾りかす、ザクロ、テンサイパルプ、ドラゴンフルーツの果皮、ウチワサボテンの扁平茎、パッションフルーツの果皮、マンゴーの果皮からのペクチン分離に、すでに成功裏に適用されています。

超音波抽出後のペクチン沈殿

抽出液にエタノールを添加すると、沈殿と呼ばれるプロセスによってペクチンを分離しやすくすることができます。植物の細胞壁に存在する複合多糖類であるペクチンは、通常の条件では水に溶けます。しかし、エタノールの添加によって溶媒環境を変えると、ペクチンの溶解度を低下させ、溶液から沈殿させることができます。

エタノールによるペクチン沈殿の化学的仕組みは、三つの反応で説明できます：

• 水素結合の破壊：ペクチン分子は水素結合によって互いに結びついており、これらの結合が水への溶解性に寄与しています。エタノールは、ペクチン分子上の結合部位をめぐって水分子と競合することにより、これらの水素結合を破壊します。ペクチン分子の周囲でエタノール分子が水分子に取って代わるにつれ、ペクチン分子間の水素結合が弱まり、溶媒への溶解度が低下します。
• 溶媒の極性の低下： エタノールは水よりも極性が低く、ペクチンのような極性物質を溶かす能力が低いことを意味します。抽出液にエタノールを添加すると、溶媒全体の極性が低下し、ペクチン分子が溶液中にとどまりにくくなります。これにより、エタノールと水の混合液中でペクチンの溶解度が低下し、溶液からペクチンが沈殿します。
• ペクチン濃度の上昇： ペクチン分子が溶液から沈殿するにつれ、残った溶液中のペクチン濃度が上昇します。これにより、ろ過や遠心分離によって液相からペクチンを分離しやすくなります。

エタノールによるペクチン沈殿は、抽出液からペクチンを分離する簡便で効果的な方法であり、超音波ペクチン抽出の後に容易に実施できるプロセス工程です。抽出液へのエタノールの添加は、ペクチンの溶解度を低下させるように溶媒環境を変え、沈殿とその後の溶液からの分離をもたらします。この技術は、さまざまな工業用途および食品用途向けに、植物材料からペクチンを抽出・精製する際に一般的に使用されています。
 
 
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ペクチン抽出用の工業用超音波処理装置

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以下の表は、当社の超音波処理装置の概算処理能力の目安を示しています：

超音波ペクチン抽出の研究結果

トマト廃棄物： 還流法での長い抽出時間（12–24 h）を回避するため、抽出プロセスを時間の面で強化する目的で超音波処理が用いられました（15、30、45、60、90 min）。最初の超音波抽出工程で得られたペクチン収率は、抽出時間によって異なり、60°Cと80°Cでそれぞれ15.2–17.2%と16.3–18.5%でした。二度目の超音波抽出工程を適用すると、トマト廃棄物からのペクチン収率は、温度と時間に応じて34–36%に増加しました）。明らかに、超音波抽出はトマトの細胞壁マトリックスの破壊を促進し、溶媒と抽出対象材料との相互作用を改善します。
超音波抽出されたペクチンは、急速にゲル化する特性（DE > 70%）を持つ高メトキシルペクチン（HM-pectin）に分類でき、エステル化度は73.3–85.4%です。 n. 超音波抽出されたペクチンのペクチン酸カルシウム含有量は、抽出パラメータ（温度と時間）に応じて41.4%から97.5%の間と測定されました。超音波抽出の温度が高いほど、ペクチン酸カルシウム含有量は高くなり（91–97%）、そのため、従来の抽出と比較したペクチンのゲル化能力を示す重要なパラメータとなります。
24hrの従来の溶媒抽出では、15 minの超音波抽出処理と同程度のペクチン収率が得られます。得られた結果から、超音波処理は抽出時間を著しく短縮すると結論づけられます。NMRおよびFTIR分光法により、調査したすべての試料に、主としてエステル化されたペクチンが存在することが確認されています。 [Grassino et al. 2016]

パッションフルーツの果皮： 抽出収率、ガラクツロン酸、エステル化度が、抽出効率の指標として検討されました。超音波支援抽出で得られたペクチンの最高収率は12.67%でした（抽出条件：85ºC、664 W/cm2、pH 2.0、10 min）。同じ条件で従来の加熱抽出を行ったところ、結果は7.95%でした。これらの結果は、超音波の支援により、ペクチン、ヘミセルロース、その他の水溶性多糖類を含む多糖類を短時間で効果的に抽出できると報告している他の研究と一致しています。また、超音波の支援を用いた抽出では、抽出収率が1.6倍に増加することも観察されました。得られた結果は、超音波がパッションフルーツの果皮からペクチンを抽出するための効率的で時間を節約できる技術であることを示しました。 [Freitas de Oliveira et al. 2016]

ウチワサボテンの扁平茎： 粘質物を除去した後のOpuntia ficus indica（OFI）の扁平茎から、応答曲面法を用いてペクチンの超音波支援抽出（UAE）が試みられました。ペクチン抽出収率を改善するため、等分散中心複合計画によってプロセス変数が最適化されました。得られた最適条件は、超音波処理時間70 min、温度70、pH 1.5、水と材料の比率30 ml/gでした。この条件は検証され、実験による抽出成績は18.14% ± 1.41%で、予測値（19.06%）に近い値となりました。したがって、超音波抽出は、より短い時間とより低い温度で高い効率を達成できるため、従来の抽出プロセスに代わる有望な方法です。OFIの扁平茎から超音波抽出されたペクチン（UAEPC）は、低いエステル化度、高いウロン酸含有量、重要な機能特性、良好な抗ラジカル活性を持ちます。これらの結果は、食品産業における添加物候補としてのUAEPCの利用を支持しています。 [Bayar et al. 2017]

ブドウの搾りかす： 研究論文「Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach」では、クエン酸を抽出剤として、超音波処理によりブドウの搾りかすからペクチンを抽出しています。応答曲面法によると、pH 2.0のクエン酸溶液を用いて75ºCで60 minの超音波抽出を行うと、最高のペクチン収率（∼32.3%）を達成できます。これらのペクチン多糖類は、主にガラクツロン酸単位（全糖の∼97%）からなり、平均分子量は163.9kDa、エステル化度（DE）は55.2%です。
超音波処理されたブドウの搾りかすの表面形態は、植物組織の破壊と抽出収率の向上に超音波処理が重要な役割を果たすことを示しています。最適条件（75°C、60 min、pH 2.0）でペクチンを超音波抽出した際の収率は、温度、時間、pHが同じ条件で超音波の支援なしに抽出した場合の収率より20%高くなりました。さらに、超音波抽出で得られたペクチンは、平均分子量も高い値を示しました。 [Minjares-Fuentes et al. 2014]