超音波によるテルペン抽出

超音波によるテルペン抽出では、例えば大麻やホップから、テルペンであるカリオフィレンオキシドを高収率で得られることが実証されています。カリオフィレンオキシドは、大麻、ホップ、コショウ、バジル、ローズマリーに含まれるテルペンです。抽出されたテルペンであるカリオフィレンオキシドは、活性化合物として、香味添加剤や健康補助食品に使用されます。

抽出したカリオフィレンオキシドの用途

カリオフィレンオキシドは、その芳香と風味（ハーブのような香りと味）が特徴です。その強い芳香と風味により、食品の香味添加剤として、また香料成分としてよく使用されます。さらに、人体の内分泌系のCB2受容体に結合する能力もあるため、医薬品成分として関心を集めています。

ホップからのテルペンの超音波抽出：HielscherのUP100Hを使用し、ホップの球花からカリオフィレンやその他のテルペンを分離します。

カリオフィレンオキシドの超音波抽出

テルペンであるカリオフィレンオキシドの超音波抽出は、例えば大麻やホップから高収率で抽出物を得るための優れた技術です。超音波抽出の作用原理である音響キャビテーションの詳細をご覧ください！
一例として、超音波装置 UP100H (100W, 30kHz) を用いて、乾燥したホップのつぼみからβ-カリオフィレンオキシドを超音波抽出しました。
GC分析データは、Hielscherの UP100H を用いてホップから抽出したβ-カリオフィレンオキシドの抽出収率を示しています。

超音波で得たホップ抽出物のガスクロマトグラフィー分析：β-カリオフィレンオキシド、α-カリオフィレン、α-ピネン、mycrene、リモネン、α-caryophylene、カリオフィレンオキシドなど。

β-カリオフィレンオキシドに加えて、α-カリオフィレン、α-ピネン、mycrene、リモネン、α-caryophyleneなどの他のテルペンも抽出に成功しました。

プローブ式超音波処理で植物からテルペンを抽出するには？手順を段階ごとに解説！

まず、抽出に利用できる表面積を増やすために、植物材料を粉砕するか、小片に刻みます。
次に、テルペンを抽出するために、植物材料を溶媒（エタノールや水など）と混合します。
次に、プローブ式超音波処理を用いて、約20kHzの高強度・低周波超音波をスラリーに照射し、抽出プロセスを促進します。これにより音響キャビテーションと溶媒の急速な振動が生じ、植物細胞の崩壊と破砕、およびテルペンの放出が促進されます。
続いて混合物をろ過し、固体の植物材料を、抽出されたテルペンを含む液体から分離します。
次に、この液体を蒸発させるか、さらに処理して溶媒を除去し、テルペンを濃縮します。
最終製品はテルペンを豊富に含む抽出物で、栄養補助食品、機能性食品、化粧品など、さまざまな用途に使用できます。

テルペンの超音波抽出プロトコル

ホップ試料の粒径をより均一にするため、一般的なコーヒーグラインダーでホップを粉砕しました。
4.5mgのホップをバイアルに入れ、次に5mLのエタノールを加えました。放熱のため、バイアルを氷水の入ったビーカーに入れました。その後、 UP100HにソノトロードMS7を装備し、振幅設定50%で90sec、試料を超音波処理しました。

超音波で得たホップ抽出物のガスクロマトグラフィー分析：

超音波処理により、細胞マトリックスと溶媒の間で高い物質移動が確保され、その結果、高品質な抽出物が非常に高い収率で得られます。

テルペンの超音波抽出の利点

高品質なテルペン抽出物（熱分解なし）
高収率
迅速な処理
迅速な投資回収
より穏やかな溶媒
溶媒使用量の削減
安全で操作が容易
メンテナンスが少ない
環境に優しいテルペン抽出

超音波によるテルペン抽出は、他の従来の抽出方法（超臨界CO2、ソックスレー抽出など）よりも少ないエネルギーで、テルペン抽出の処理を大幅に加速できる、環境に優しい抽出方法として際立っています。テルペンの超音波抽出には、超音波抽出装置の取り扱いが容易、処理が迅速、化学廃棄物が発生しない、高収率、環境に優しい、穏やかな処理条件による品質向上、熱分解の防止といった利点もあります。

テルペン用超音波抽出装置

以下の表は、テルペン抽出の要件に最も適している可能性のある超音波装置を選ぶ際の目安となります。

バッチ容量	流量	推奨装置
10–2000mL	20–400mL/min	UP200Ht, UP400St
0.1–20L	0.2–4L/min	UIP2000hdT
10–100L	2–10L/min	UIP4000
n.a.	10–100L/min	UIP16000
n.a.	さらに大きい流量	クラスター構成の UIP16000

このプレゼンテーションでは、植物抽出物の製造についてご紹介します。高品質な植物抽出物を製造する際の課題と、超音波処理装置がその解決にどのように役立つかを説明します。超音波抽出の仕組みに加え、抽出に超音波処理装置を使用することで期待できる利点や、抽出物の製造工程に超音波抽出装置を導入する方法をご紹介します。

文献／参考文献

Selvamuthukumaran, M.; Shi, J. (2017): Recent advances in extraction of antioxidants from plant by-products processing industries. Food Quality and Safety, 2017, 1, 61–81.
Suslick, K.S. (1990): Sonochemistry. Science 23 Mar 1990: Vol. 247, Issue 4949, pp. 1439-1445

知っておきたい知識

カリオフィレン

カリオフィレン、または(−)-β-カリオフィレンは、多くの精油に含まれる天然の二環式セスキテルペンです。以下のハーブは、カリオフィレンの良好な供給源として知られています：大麻、ヘンプ（Cannabis sativa）、ブラックキャラウェイ（Carum nigrum）、クローブ（Syzygium aromaticum）、ホップ（Humulus lupulus）、バジル（Ocimum spp.）、オレガノ（Origanum vulgare）、黒コショウ（Piper nigrum）、ラベンダー（Lavandula angustifolia）、ローズマリー（Rosmarinus officinali、およびコパイバ油（Copaifera spp.）。β-カリオフィレンは、カンナビノイド受容体2型（CB 2）に強い親和性を持つ植物性カンナビノイドですが、カンナビノイド受容体1型（CB 1）には強い親和性を持ちません。

カリオフィレンオキシド

カリオフィレンオキシド（β-カリオフィレンオキシドとも呼ばれます）は、β-カリオフィレンの酸化誘導体で、融点が約62°Cの白色結晶性固体粉末です。
抗炎症作用、局所麻酔作用、抗酸化作用が評価されています。初期の研究では、カリオフィレンオキシドががん治療薬となる可能性も示唆されています。カリオフィレンオキシドはシクロブタン環の一部であり、この環は、広く使用されている化学療法薬カルボプラチンを合成するために、すでに医学研究で使用されています。
カリオフィレンのオレフィンがエポキシドになったカリオフィレンオキシドは、食品用香料の成分として承認されています。
β-カリオフィレンとβ-カリオフィレンオキシドはいずれも水への溶解性が低く、そのため細胞への吸収が妨げられます。これらのセスキテルペンを医薬品や栄養補助食品として使用するには、リポソームへの封入により、これらのセスキテルペンの水性液体中での低い溶解性を克服し、バイオアベイラビリティと生物活性を確保します。生理活性化合物の超音波による封入について、詳しくはこちらをご覧ください！

大麻に含まれるカリオフィレンオキシド

カンナビス・サティバ植物では、カリオフィレンオキシドは三つのイソプレン単位からなるセスキテルペンとして存在します。カリオフィレンオキシドは、大麻植物に含まれるテルペンの中でも分子が最も大きく、最も豊富なものの一つであり、大麻特有の芳香とにおいをもたらします。超音波抽出は、フルスペクトラムのカンナビジオールオイルの製造に有効に利用されており、多様な化合物によるアントラージュ効果が得られます。

抽出のための超音波キャビテーション

高出力超音波を液体に導入すると、流体中で圧縮と膨張（希薄化）のサイクルが生じます。希薄化の際に、液体中に空洞、すなわちキャビテーション気泡が生成されます。これらのキャビテーション気泡は微小な真空気泡で、負圧が作用し、液体の局所的な引張強度を超えると発生します。真空気泡は、圧縮／希薄化のサイクルを繰り返す間に成長し、それ以上エネルギーを吸収できなくなると、キャビテーション気泡は内向きに激しく崩壊します。この現象はキャビテーションと呼ばれます。Suslick教授の研究（1990）によると、キャビテーション気泡内では、温度が最大5000 K、圧力が1000気圧、加熱・冷却速度が1010 K/s超という極端な条件が生じ、速度が最大280m/sの液体ジェットが発生します。これらは、キャビテーション領域で非常に高いせん断力と乱流として現れます。これらの要因（圧力、熱、せん断、乱流）の組み合わせは、抽出プロセスでの物質移動を加速するために利用されます。さらに、こうした局所的に生じる条件は、ホモジナイズ、乳化、分散などの超音波プロセスにも利用されます。

超音波／音響キャビテーションは、結晶化と沈殿のプロセスを促進する非常に強い力を生み出します（クリックして拡大！）

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

テルペンの超音波抽出

超音波抽出の原理は、高出力超音波を液体またはスラリーに結合させたときに生じる二つの作用に基づいています：
第一に、溶媒（周囲の液体媒体）が細胞マトリックスに押し込まれます。キャビテーションの振幅と強度に応じて、液体の圧力により細胞壁に孔が開くか、細胞壁が破砕されます。
第二に、希薄化サイクル中に、細胞の内容物（細胞内物質）が細胞内部から洗い出されます。超音波抽出後、目的の化合物は溶媒中に存在し、溶媒から分離できるため（例えば溶媒を蒸発させることで）、最終的に純粋な抽出物が得られます。
原料の組成（水分含有量、浸軟／粉砕の程度、粒径など、および選択した溶媒は、効率的かつ効果的な超音波抽出プロセスを実現するうえで非常に重要な要因です。超音波プロセスのパラメーターも不可欠です。最良の結果を得るためには、振幅、圧力、温度、超音波処理時間を設定し、最適化する必要があります。