藻類細胞の破壊と抽出を改善するための超音波処理

藻類、大型藻類、微細藻類には、栄養食品、食品添加物、または燃料や燃料原料として使用される多くの貴重な化合物が含まれています。藻類細胞から標的物質を放出するためには、強力で効率的な細胞破壊技術が必要です。超音波抽出器は、植物、藻類、真菌からの生理活性化合物の抽出に関しては、非常に効率的で信頼性があります。実験室、ベンチトップおよび工業規模で利用可能な、ヒールシャー超音波抽出器は、食品、医薬品およびバイオ燃料生産における細胞由来抽出物の生産で確立されています。

栄養と燃料の貴重な資源としての藻類

藻類細胞は、タンパク質、炭水化物、脂質、その他の生物活性物質、アルカンなど、生物活性でエネルギーが豊富な化合物の用途の広い供給源です。これにより、藻類は燃料だけでなく、食品や栄養化合物の供給源にもなります。
微細藻類は脂質の貴重な供給源であり、栄養やバイオ燃料(バイオディーゼルなど)の原料として使用されます。Dicrateria rotundaなどの海洋植物プランクトンDicrateriaの株は、Cから一連の飽和炭化水素(n-アルカン)を合成できるガソリン生産藻類として知られています₁₀H₂₂ Cに₃₈H₇₈は、ガソリン (C10–C15)、ディーゼル油 (C16–C20)、および燃料油 (C21–C38) に分類されます。
藻類はその栄養価が高いため、「機能性食品」や「栄養補助食品」として利用されています。藻類から抽出された重要な微量栄養素には、カロテノイドのアスタキサンチン、フコキサンチン、ゼアキサンチン、フコイダン、ラミナリ、その他のグルカンなど、栄養補助食品や薬用医薬品として使用されています。カラギーナン、アルギン酸塩、その他の親水コロイドは、食品添加物として使用されています。藻類脂質は、ビーガンオメガ3源として使用され、バイオディーゼルの生産のための燃料または原料としても使用されます。

パワー超音波による藻類細胞の破壊と抽出

超音波抽出器または単に超音波装置は、実験室の小さなサンプルから貴重な化合物を抽出するためだけでなく、大規模な商業規模での生産にも使用されます。
藻類細胞は、脂質、セルロース、タンパク質、糖タンパク質、および多糖類で構成される複雑な細胞壁マトリックスによって保護されています。ほとんどの藻類細胞壁の基部は、ゲル状のタンパク質マトリックス内のミクロ原線維ネットワークで構成されています。ただし、一部の微細藻類には、オパリンシリカ錐台または炭酸カルシウムで構成される無機硬質壁が装備されています。藻類バイオマスから生理活性物質を得るためには、効率的な細胞破壊技術が必要です。技術的な抽出要因(すなわち、抽出方法と装置)に加えて、藻類細胞の破壊と抽出の効率は、細胞壁の組成、微細藻類細胞内の目的の生体分子の位置、収穫中の微細藻類の成長段階など、さまざまな藻類依存性要因にも強く影響されます。

超音波藻類細胞の破壊と抽出はどのように機能しますか?

高強度の超音波が超音波プローブ(超音波ホーンまたはソノトロードとも呼ばれる)を介して液体またはスラリーに結合されると、音波は液体を伝わり、それによって高圧/低圧サイクルが交互に発生します。これらの高圧/低圧サイクル中に、微細な真空気泡または空洞が発生します。キャビテーション気泡は、低圧サイクル中に局所圧力が飽和蒸気圧(特定の温度での液体の引張強度によって与えられる値)を十分に下回ったときに発生します。それはいくつかのサイクルにわたって成長します。これらの真空気泡がこれ以上エネルギーを吸収できないサイズに達すると、高圧サイクル中に気泡が激しく爆発します。キャビテーション気泡の爆縮は、流体中に激しい衝撃波、乱流、マイクロジェットを生成する、激しくエネルギー密度の高いプロセスです。さらに、局所的な非常に高い圧力と非常に高い温度が発生します。これらの極端な条件は、細胞壁や膜を破壊し、効果的かつ効果的で迅速に細胞内化合物を放出することが容易です。タンパク質、多糖類、脂質、ビタミン、ミネラル、抗酸化物質などの細胞内化合物は、それにより、パワー超音波を使用して効果的に抽出できます。

細胞破壊および抽出のための超音波キャビテーション

強烈な超音波エネルギーにさらされると、あらゆる種類の細胞(植物、哺乳類、藻類、真菌、細菌などを含む)の壁または膜が破壊され、エネルギー密度の高い超音波キャビテーションの機械的な力によって細胞が小さな断片に引き裂かれます。細胞壁が破壊されると、タンパク質、脂質、核酸、クロロフィルなどの細胞代謝産物が細胞壁マトリックスおよび細胞内部から放出され、周囲の培地または溶媒に移されます。
上述の超音波/音響キャビテーションのメカニズムは、全藻類細胞または細胞内の気体および液体の液胞を著しく破壊する。超音波キャビテーション、振動、乱流およびマイクロストリーミングは、生体分子(すなわち代謝産物)が効率的かつ迅速に放出されるように、細胞内部と周囲の溶媒との間の物質移動を促進する。超音波処理は純粋に機械的な治療であるため、過酷で有毒なおよび/または高価な化学物質を必要としません。
高強度、低周波超音波は、高圧、高温、高せん断力を特徴とする非常にエネルギー密度の高い条件を作り出します。これらの物理的な力は、細胞内化合物を培地に放出するために、細胞構造の破壊を促進します。したがって、低周波超音波は、藻類からの生理活性物質および燃料の抽出に主に使用されています。溶媒抽出、ビーズミリングまたは高圧均質化などの従来の抽出方法と比較すると、超音波抽出は、ソノポレーションおよび破壊された細胞からほとんどの生理活性化合物(脂質、タンパク質、多糖類および微量栄養素など)を放出することによって優れている。適切なプロセス条件を適用すると、超音波抽出は非常に短いプロセス時間で優れた抽出収率を提供します。例えば、高性能超音波抽出器は、適切な溶媒と共に使用すると、藻類からの優れた抽出性能を示す。酸性またはアルカリ性の培地では、藻類の細胞壁が多孔質になり、しわが寄って、短い超音波処理時間(3時間未満)で低温(60°C未満)での収量が増加します。温和な温度での短い抽出時間により、フコイダンの分解を防ぎ、生理活性の高い多糖類が得られます。
超音波処理は、高分子量フコイダンを低分子量フコイダンに変換する方法でもあります。その高い生理活性とバイオアクセシビリティにより、低分子量フコイダンは医薬品やドラッグデリバリーシステムにとって興味深い化合物です。

ケーススタディ:藻類化合物の超音波抽出

超音波抽出効率および超音波抽出パラメータの最適化は広く研究されてきた。以下に、さまざまな藻類種からの超音波処理による抽出結果の例示的な結果を見つけることができます。

Mano-Thermo-Sonicationを使用したスピルリナからのタンパク質抽出

Chemat教授(アヴィニョン大学)の研究グループは、乾燥したArthrospira platensisシアノバクテリア(スピルリナとしても知られる)からのタンパク質(フィコシアニンなど)の抽出に対するマザーモソニケーション(MTS)の影響を調査しました。マノサーモソニケーション(MTS)は、超音波抽出プロセスを強化するために、高圧および高温と組み合わせた超音波の適用です。
「実験結果によると、MTS は物質移動 (高い有効拡散率、De) を促進し、超音波を使用しない従来のプロセス (8.63 ±± 1.15 g/100 g DW) よりも 229% 多くのタンパク質 (28.42 1.15 g/100 g DW) を得ることができました。抽出物中の乾燥スピルリナバイオマス 100 g あたり 28.42 g のタンパク質が含まれているため、連続 MTS プロセスにより、6 有効分で 50% のタンパク質回収率が達成されました。顕微鏡観察により、音響キャビテーションは、断片化、ソノポレーション、テクスチャ除去などのさまざまなメカニズムによってスピルリナフィラメントに影響を与えることが示されました。これらのさまざまな現象により、スピルリナの生理活性化合物の抽出、放出、可溶化が容易になります。」[Vernès et al., 2019]

MTS処理を経時的に受けたスピウルリナフィラメント全体の光学顕微鏡画像。スケールバー(写真A)= 50μm(すべての写真)。
写真と研究:©Vernès et al. 2019

超音波フコイダンとグルカン抽出 ラミナリアディジタタ

ティワリ博士のTEAGASC研究グループは、大型藻類Laminaria digitataからの多糖類、すなわちフコイダン、ラミナリン、総グルカンの抽出について、 超音波装置 UIP500hdT.研究された超音波支援抽出(UAE)パラメータは、フコース、FRAPおよびDPPHのレベルに有意な影響を示した。0.1 M HClを溶媒として使用して、温度(76°C)、時間(10分)、超音波振幅(100%)の最適化された条件で、フコース、総グルカン、FRAPおよびDPPHについて、それぞれ1060.75 mg/100 g ds、968.57 mg/100 g ds、8.70 μM trolox/mg fde、および11.02%のレベルが得られました。次に、記載されているUAE条件を他の経済的に重要な褐色藻類(L.hyperboreaおよびA.nodosum)にうまく適用して、多糖類に富む抽出物を得ました。この研究は、さまざまな大型藻類種からの生理活性多糖類の抽出を強化するためのUAEの適用性を示しています。

からの超音波植物化学抽出 F.ベシキュロス そして P.canaliculataの

García-Vaqueroの研究チームは、高性能超音波抽出、超音波マイクロ波抽出、マイクロ波抽出、水熱支援抽出、高圧支援抽出などのさまざまな新しい抽出技術を比較し、褐色微細藻類種Fucus vesiculosusおよびPelvetia canaliculataからの抽出効率を評価しました。超音波処理のために、彼らは使用しました ヒールシャーUIP500hdT超音波抽出器.抽出収率のアニルシスは、超音波抽出が両方のF.vesiculosusからほとんどの植物化学物質の最高収率を達成したことを明らかにした。これは、F. vesiculosusから抽出された化合物の最高収率が、 超音波抽出器 UIP500hdT 総フェノール含有量(445.0 ± 4.6 mg没食子酸換算/g)、総フロロタンニン含有量(362.9 ± 3.7 mgフロログルシノール換算/g)、総フラボノイド含有量(286.3 ± 7.8 mgケルセチン換算/g)、および総タンニン含有量(189.1 ± 4.4 mgカテキン換算/g)。
彼らの調査研究では、チームは、抽出溶媒として50%エタノール溶液と組み合わせた超音波支援抽出の使用は、TPC、TPhC、TFCおよびTTCの抽出を標的とする有望な戦略であり得ると結論付けました。一方、F. vesiculosusおよびP. canaliculataの両方からの望ましくない炭水化物の共抽出を減らし、これらの化合物を医薬品として使用する際の有望な用途で、 栄養補助食品と薬用化粧品」[García-Vaquero et al., 2021]

ヒールシャー超音波装置を使用したアヴィニョン大学でのマノサーモソニケーションのスケールアップ:実験装置から UIP1000hdTの (A)パイロットスケールの装備品へ UIP4000hdTの (B、C & D.写真では、Dは超音波フローセルの横方向セクションを図式化しています FC100Kの.
写真と研究:©Vernès et al. 2019

藻類破壊のための高性能超音波抽出器

ヒールシャーの最先端の超音波装置は、振幅、温度、圧力、エネルギー入力などのプロセスパラメータを完全に制御することができます。
超音波抽出では、原料の粒子サイズ、溶媒の種類、固体と溶媒の比率、抽出時間などのパラメータを変化させ、最良の結果を得るために最適化することができます。
超音波抽出は非熱抽出法であるため、藻類などの原料中に存在する生理活性成分の熱分解が回避されます。
全体として、高収率、短い抽出時間、低い抽出温度、少量の溶媒などの利点により、超音波処理は優れた抽出方法になります。

超音波抽出:ラボと業界で確立

超音波抽出は、植物、藻類、細菌および哺乳動物細胞からのあらゆる種類の生理活性化合物の抽出に広く適用されています。超音波抽出は、より高い抽出収率とより短い処理時間によって他の伝統的な抽出技術を凌駕する、シンプルで費用対効果が高く、非常に効率的であるとして確立されています。
ラボ、ベンチトップ、および完全産業用の超音波システムがすぐに利用できるため、超音波抽出は今日では確立され、信頼できる技術です。ヒールシャー超音波抽出器は、食品および医薬品グレードの生物活性化合物を生産する工業加工施設に世界中で設置されています。

ヒールシャー超音波によるプロセス標準化

食品、医薬品、化粧品に使用される藻類由来の抽出物は、GMP(Good Manufacturing Practices)に準拠し、標準化された処理仕様に基づいて製造する必要があります。ヒールシャー超音波のデジタル抽出システムには、超音波処理プロセスを正確に設定および制御することが容易になるインテリジェントなソフトウェアが付属しています。自動データ記録は、超音波エネルギー(総エネルギーと正味エネルギー)、振幅、温度、圧力(温度センサーと圧力センサーが取り付けられている場合)などのすべての超音波プロセスパラメータを、内蔵SDカードに日付と時刻のスタンプで書き込みます。これにより、超音波処理された各ロットを修正することができます。同時に、再現性と継続的な高い製品品質が保証されます。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。