超音波処理は抽出速度で他の抽出法を上回る
超音波抽出の迅速な処理と、それによって得られる抽出物製造時間の短縮は、植物から生理活性化合物を超音波抽出する際の数多くの利点の一つです。超音波抽出は、超臨界CO2抽出、浸漬抽出、加熱還流抽出、ソックスレー抽出、マイクロ波抽出などの代替抽出技術と科学的に比較されており、研究結果は、抽出速度と収率における超音波処理の大きな優位性を実証しています。
迅速な抽出法としての超音波処理
生理活性化合物の超音波抽出は、高収率、高品質の抽出物、短い抽出時間、低エネルギー消費、非常に穏和な溶媒を使用できることによって広く知られています。これらの要因すべてが、植物原料から生理活性成分を超音波抽出する際の卓越した総合効率に寄与します。
以下に、超音波抽出（超音波支援抽出 / UAEとも呼ばれます）を、浸漬抽出、ソックスレー抽出、加熱還流抽出、超臨界CO2抽出、マイクロ波抽出などの他の抽出技術と比較した科学研究報告をいくつか紹介します。
超音波処理装置 UP400St によるバッチモードでの植物原料の高速抽出
| 抽出用途 | 超音波抽出時間 | 代替抽出法の所要時間 | 追加情報 | 出典 |
|---|---|---|---|---|
| ギンバイカの果実からのアントシアニン抽出 | 5 min | 15 min マイクロ波抽出 |
超音波処理装置 UP200S | Gonzalez et al., 2019 |
| ボルド葉の抽出 | 5–30 min | 15–90 min 浸漬抽出 |
超音波処理装置 UIP1000hdT 「5–30 minの超音波処理による収率は、15–90 minの従来の浸漬抽出による収率と同等であることがわかります。 UAE では、葉の可溶性物質を抽出するのに必要な時間は、従来の浸漬抽出の三分の一です。」 |
Petigny et al., 2013 |
| セージからの総フェノール類およびフラボノイドの抽出 | 11 min | 30 min 60ºCの恒温水槽振とう機を用いた従来の抽出 |
超音波抽出装置 UP100H, UP400S |
Dent et al., 2015 |
| オリーブ葉のポリフェノール抽出 | 21 min | 60min 従来の加熱還流抽出 |
超音波処理装置 UP400S | Dobrinčić et al., 2020 |
| Malva sylvestrisの葉からの生理活性フェノール類の抽出 | 49 min 110Wで48°C |
5 h 150 rpmでの撹拌床抽出 |
超音波処理装置 UP200S HPLC分析により、生理活性フェノール類の濃度の有意な増加（p≺0.05）が、最適な UAE 条件下で認められたことが明らかになりました。 |
Bimakr et al., 2017 |
| トウガン（Benincasa hispida）の種子からの脂質抽出 | ∼36 min | 圧力スイング技術を組み合わせた超臨界二酸化炭素抽出（SCE-PST) (∼50 min）、超臨界CO2 (∼97 min）、および従来のソックスレー抽出（∼360 min) | 超臨界二酸化炭素（sCO2）、超音波支援抽出（UAE）、圧力スイング技術を組み合わせた超臨界二酸化炭素抽出（SCE-PST）、およびソックスレー抽出の比較から、UAEが最も効率的かつ迅速な抽出技術であることがわかります。 | Bimakr et al. (2015) |
超臨界二酸化炭素（sCO2）、超音波支援抽出（UAE）、圧力スイング技術を組み合わせた超臨界二酸化炭素抽出（SCE-PST）、およびソックスレー抽出の比較から、 UAE が最も効率的かつ迅速な抽出技術であることがわかります。
- 高い抽出効率
- 優れた抽出収率
- 迅速な処理
- 低温
- 熱に不安定な化合物の抽出に適合
- あらゆる溶媒に対応
- 低エネルギー消費
- 環境に配慮した抽出技術
- 容易で安全な操作
- 低い設備投資費用と運転費用
- 高負荷条件下での24/7運転
化合物を迅速に単離するための高性能超音波抽出装置
Hielscherの最先端の超音波装置は、植物から高品質の生体分子を迅速に抽出できます。振幅、温度、圧力、エネルギー投入量などのプロセスパラメータを完全に制御することで、最も効率的かつ最も穏和な抽出条件を実現し、損傷のない、生理活性の高い抽出物を生成できます。原料の粒子径、溶媒の種類、固体と溶媒の比率、抽出時間などの超音波抽出パラメータを最適化することで、最高の効率と総合的に最良の結果を得ることができます。超音波抽出は非熱的抽出法であるため、生理活性成分の熱分解を回避でき、優れた抽出物品質が得られます。
全体として、高収率、短い抽出時間、低い抽出温度、溶媒必要量の削減などの利点によって、超音波処理は好まれる抽出法となっています。
ギンバイカの果実からのアントシアニン抽出では、超音波処理がマイクロ波抽出を上回ります。 超音波処理はマイクロ波抽出の三倍の速さです。
超音波抽出と恒温水槽振とう機を用いた従来の抽出との比較から、超音波抽出を使用すると、セージからの総フェノール類およびフラボノイドの抽出時間が大幅に短縮されることがわかります。 超音波抽出に必要な時間は、恒温水槽振とう機による抽出時間のわずか三分の一です。
超音波抽出：実験室と産業で確立された技術
超音波抽出は、植物原料、菌類、藻類、細菌、哺乳類細胞からあらゆる種類の生理活性化合物を抽出するために広く利用されています。超音波抽出は、簡単で費用対効果が高く、非常に効率的な方法として確立されており、より高い抽出収率とより短い処理時間によって、他の従来の抽出技術を上回ります。
実験室用、卓上型、本格的な産業用の超音波システムが容易に入手できる現在、超音波抽出は十分に確立された信頼性の高い技術となっています。Hielscherの超音波抽出装置は、食品グレードおよび医薬品グレードの生理活性化合物を製造するために、世界中の産業処理施設に設置されています。
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 | 複数台で構成されるクラスター： UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonicsは、実験室、パイロット、産業規模での混合用途、分散、乳化、抽出に使用する高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
文献 / 参考文献
- Bimakr, Mandana; Ganjloo, Ali; Zarringhalami, Soheila; Ansarian, Elham (2017): Ultrasound-assisted extraction of bioactive compounds from Malva sylvestris leaves and its comparison with agitated bed extraction technique. Food Science and Biotechnology 26(6); 2017.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Bimakr, Mandana; Abdul Rahman, Russly; Ganjloo, Ali; Taip, Farah; Mohd Adzahan, Noranizan; Sarker, Md Zaidul (2016): Characterization of Valuable Compounds from Winter Melon (Benincasa hispida (Thunb.) Cogn.) Seeds Using Supercritical Carbon Dioxide Extraction Combined with Pressure Swing Technique. Food and Bioprocess Technology 9, 2016. 396-406.
- Bimakr, Mandana, Russly Abdul Rahman, Farah Saleena Taip, Noranizan Mohd Adzahan, Md. Zaidul Islam Sarker, Ali Ganjloo (2012): Optimization of Ultrasound-Assisted Extraction of Crude Oil from Winter Melon (Benincasa hispida) Seed Using Response Surface Methodology and Evaluation of Its Antioxidant Activity, Total Phenolic Content and Fatty Acid Composition. Molecules 17, No. 10, 2012 11748-11762.
- González de Peredo; Ana V., Vázquez-Espinosa, Mercedes; Espada-Bellido, Estrella; Ferreiro-González, Marta; Amores-Arrocha, Antonio; Palma, Miguel; Barbero, Gerardo; Jiménez-Cantizano, Ana (2019): Alternative Ultrasound-Assisted Method for the Extraction of the Bioactive Compounds Present in Myrtle (Myrtus communis L.). Molecules. 2019 Mar 2;24(5):882.
- Dent, Maja; Verica, Dragović-Uzelac; Garofulić, Ivona; Bosiljkov, Tomislav; Ježek, Damir; Brncic, Mladen (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound Assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from sage (Salvia officinalis L.). Chemical and Biochemical Engineering Quarterly 29 (3), 2015.
- Dobrinčić, Ana; Maja Repajić, Ivona E. Garofulić, Lucija Tuđen, Verica Dragović-Uzelac; Branka Levaj (2020): Comparison of Different Extraction Methods for the Recovery of Olive Leaves Polyphenols. Processes 8, no. 9, 2020.
知っておきたい知識
超音波抽出の動作原理
超音波抽出は、植物原料から生理活性成分を単離・分離するために広く使用されている方法です。超音波処理はあらゆる種類の溶媒に対応するため、生理活性化合物（すなわち対象化合物）、その極性、溶解性、熱感受性、その他の要因に合わせて、超音波抽出工程を最適に設計できます。特定の化合物または複数の化合物に合わせて超音波処理工程を調整することで、極めて高品質の抽出物を得るために最も理想的な構成を選択できます。
液体またはスラリーに結合された超音波は、強い振動と音響キャビテーションを発生させます。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、局所的に発生する極めて大きな圧力差、せん断力、液体ジェットによって特徴づけられます。これらの力は細胞壁を破壊し、植物細胞を破砕し、細胞内部と溶媒との間の物質移動を促進します。これにより、生理活性成分が周囲の溶媒に効率的に放出され、そこから対象分子を容易に単離・精製できます（例えば、回転蒸発、水蒸気蒸留、HPLCによって）。
植物細胞からの超音波抽出：顕微鏡横断切片（TS）は、細胞からの超音波抽出中の作用機構を示しています（倍率2000x）。
［出典：Vilkhu et al. 2011］
Hielscher Ultrasonicsは、高性能超音波ホモジナイザーを 実験室規模 から 産業規模まで製造しています。