藻類細胞の破壊と抽出を改善する超音波処理

藻類（大型藻類、微細藻類）には、栄養食品、食品添加物、燃料や燃料原料として利用される多くの貴重な化合物が含まれている。藻類細胞から目的物質を放出するためには、強力で効率的な細胞破砕技術が必要である。植物、藻類、菌類から生物活性化合物を抽出する場合、超音波抽出機は非常に効率的で信頼性が高い。実験室、ベンチトップ、工業用スケールで利用可能なHielscherの超音波抽出機は、食品、医薬品、バイオ燃料製造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、生物活性とエネルギーに富んだ化合物の万能な供給源である。このため、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る。
微細藻類は脂質の貴重な供給源であり、栄養源やバイオ燃料（バイオディーゼルなど）の原料として利用されている。海洋性植物プランクトンDicrateria rotundaのようなDicrateriaの株は、ガソリン産生藻類として知られており、C₁₀H₂₂ Cへ₃₈H₇₈ガソリン（C10-C15）、軽油（C16-C20）、燃料油（C21-C38）に分類される。
その栄養価の高さから、藻類は次のように利用されている。 “機能性食品” または “栄養補助食品”.藻類から抽出される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、ラミナリなどのグルカン、その他多くの生理活性物質があり、栄養補助食品や医薬品として利用されている。カラギーナン、アルギン酸、その他のハイドロコロイドは食品添加物として使用されている。藻類の脂質は、菜食主義のオメガ3源として、また燃料やバイオディーゼル製造の原料として利用されている。

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発生器は、大規模な商業規模での生産だけでなく、研究室で小さなサンプルから貴重な化合物を抽出するために使用されます。
藻類細胞は、脂質、セルロース、タンパク質、糖タンパク質、多糖類からなる複雑な細胞壁マトリックスによって保護されている。ほとんどの藻類の細胞壁の基盤は、ゲル状のタンパク質マトリックス内のミクロフィブリルネットワークで構築されているが、一部の微細藻類は、オパリンシリカフラストルまたは炭酸カルシウムからなる無機硬質壁を備えている。藻類バイオマスから生物活性化合物を得るためには、効率的な細胞破砕技術が必要である。藻類の細胞破砕と抽出の効率は、技術的な抽出要素（すなわち、抽出方法と装置）のほかに、細胞壁の組成、微細藻類細胞内の所望の生体分子の位置、収穫時の微細藻類の成長段階など、藻類に依存する様々な要素にも強く影響される。

超音波による藻類細胞の破壊と抽出はどのように機能するのか？

高強度の超音波を超音波プローブ（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すると、音波が液体中を伝わり、それによって高圧/低圧サイクルが交互に発生します。この高圧/低圧サイクルの間に、微小な真空気泡やキャビテーションが発生します。キャビテーション気泡は、低圧サイクル中に局所的な圧力が飽和蒸気圧（ある温度における液体の引張強さによって与えられる値）よりも十分に低下したときに発生する。気泡は数サイクルかけて成長する。これらの真空気泡が、それ以上のエネルギーを吸収できない大きさに達すると、高圧サイクル中に気泡が激しく内破する。キャビテーション気泡の爆縮は、激しい衝撃波、乱流、マイクロジェットを流体中に発生させる、激しくエネルギー密度の高いプロセスである。さらに、局所的な高圧と高温が発生する。これらの極端な条件は、細胞壁や細胞膜を容易に破壊し、細胞内化合物を効果的、効率的かつ迅速に放出することができる。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、パワー超音波を用いて効果的に抽出することができる。

細胞破砕と抽出のための超音波キャビテーション

強力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、真菌類、細菌などを含む）の壁や膜が破壊され、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、周囲の培養液または溶媒に移行します。
上記の超音波／音響キャビテーションのメカニズムは、藻類細胞全体または細胞内の気液胞を激しく破壊する。超音波キャビテーション、振動、乱流、マイクロストリーミングにより、細胞内部と周囲の溶媒との間の物質移動が促進され、生体分子（代謝産物など）が効率的かつ迅速に放出されます。超音波処理は純粋に機械的な処理であるため、刺激が強く、有毒で高価な化学薬品は必要ありません。
高強度、低周波の超音波は、高圧、高温、高せん断力を特徴とする極端なエネルギー密度の条件を作り出す。これらの物理的な力は、細胞内化合物を培地中に放出するために、細胞構造の破壊を促進する。そのため、低周波超音波は藻類からの生物活性物質や燃料の抽出に多く利用されている。溶媒抽出、ビーズ粉砕、高圧ホモジナイズなどの従来の抽出方法と比較すると、超音波抽出は、音波励起され破壊された細胞からほとんどの生物活性化合物（脂質、タンパク質、多糖類、微量栄養素など）を放出することで優れている。適切なプロセス条件を適用することで、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実現する。例えば、高性能超音波抽出装置は、適切な溶媒と併用することで、藻類から優れた抽出性能を示す。酸性またはアルカリ性の媒体中では、藻類の細胞壁が多孔質になり、しわが寄るため、低温（60℃以下）で短い超音波処理時間（3時間未満）で収量が増加する。温和な温度での短い抽出時間は、フコイダンの分解を防ぐので、高度に生物活性のある多糖類が得られる。
超音波処理はまた、高分子フコイダンを低分子フコイダンに変換する方法であり、低分子フコイダンはその脱分岐構造により著しく生理活性が向上します。低分子フコイダンは、その高い生理活性と生体への接近性から、医薬品やドラッグデリバリーシステムとして興味深い化合物です。

ケーススタディ藻類成分の超音波抽出

超音波抽出の効率と超音波抽出パラメーターの最適化は広く研究されている。以下に、様々な藻類種からの超音波抽出結果の例を示す。

マノ・サーモ・ソニケーションを用い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藍藻（スピルリナとしても知られる）からタンパク質（フィコシアニンなど）を抽出する際のマノーサーモソニケーション（MTS）の効果を調査した。マノーサーモソニケーション(MTS)とは、超音波抽出プロセスを強化するために、圧力と温度を上昇させながら超音波を加えることである。
“実験結果によると、MTSは物質移動を促進し（高い有効拡散率、De）、超音波を使用しない従来のプロセス（8.63±1.15g/100g DW）よりも229％多くのタンパク質（28.42±1.15g/100g DW）を得ることを可能にした。抽出物中の乾燥スピルリナバイオマス100gあたり28.42 gのタンパク質では、連続MTSプロセスと6有効分で50％のタンパク質回収率が達成された。顕微鏡観察では、音響キャビテーションは、フラグメンテーション、ソノポレーション、剥離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たことが示された。これらの様々な現象は、スピルリナ生理活性化合物の抽出、放出および可溶化が容易になります。” [ヴェルネスら、2019年］。

経時的にMTS処理したスピルリナフィラメント全体の光学顕微鏡像。すべての写真のスケールバー（写真A）＝50μm。
写真と研究：©Vernès et al.

フコイダンとグルカンの超音波抽出 フトモモ

Tiwari博士のTEAGASC研究グループは、フコイダン、ラミナリン、総グルカンなどの多糖類を大藻Laminaria digitataから抽出する方法を研究した。 超音波発生装置 UIP500hdT.超音波アシスト抽出（UAE）パラメータは、フコース、FRAP、DPPHのレベルに有意な影響を与えた。溶媒として0.1M塩酸を用い、温度（76◦C）、時間（10分）、超音波振幅（100%）を最適化した条件下で、フコース、総グルカン、FRAP、DPPHについて、それぞれ1060.75mg/100g ds、968.57mg/100g ds、8.70μM trolox/mg fde、11.02%のレベルが得られた。次に、経済的に重要な他の褐藻類（L. hyperboreaとA. nodosum）にもUAE条件を適用し、多糖類を豊富に含む抽出物を得ることに成功した。この研究は、様々な大藻類から生物活性のある多糖類の抽出を強化するために、UAEが適用可能であることを示している。

超音波による植物化学物質の抽出 ベシキュロス そして カナリキュラータ

García-Vaqueroの研究チームは、褐藻類のFucus vesiculosusとPelvetia canaliculataからの抽出効率を評価するために、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、水熱アシスト抽出、高圧アシスト抽出など、様々な新しい抽出技術を比較した。超音波処理には 超音波抽出機 UIP500hdT.抽出物の収率から、超音波抽出がF. vesiculosusとF. vesiculosusの両方から、ほとんどの植物化学物質の収率が最も高いことが明らかになった。このことは、超音波抽出法を用いてF. vesiculosusから抽出された化合物の収率が最も高かったことを意味する。 超音波抽出機 UIP500hdT 総フェノール含量（445.0±4.6mg没食子酸当量/g）、総フロロタンニン含量（362.9±3.7mgフロログルシノール当量/g）、総フラボノイド含量（286.3±7.8mgケルセチン当量/g）、総タンニン含量（189.1±4.4mgカテキン当量/g）。
研究チームの結論は、超音波補助抽出の使用である。 “抽出溶媒として50％エタノール溶液を併用することで、F. vesiculosusとP. canaliculataの両方からTPC、TPhC、TFC、TTCを抽出し、望ましくない炭水化物の共抽出を抑えることができる。” [García-Vaqueroら、2021］。

アヴィニョン大学におけるHielscher社製超音波装置を使用した人工熱超音波処理のスケールアップ：実験室設備から UIP1000hdT (A) パイロット・スケールの装置に UIP4000hdT (B、C & D).写真Dは超音波フローセルの横断面図である。 FC100K.
写真と研究：©Vernès et al.

藻類破壊用高性能超音波抽出機

Hielscher社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ーを完全に制御することができます。
超音波抽出では、原料の粒子径、溶媒の種類、固形分と溶媒の比率、抽出時間などのパラメーターを変化させ、最良の結果が得られるように最適化することができる。
超音波抽出は非加熱抽出法であるため、藻類などの原料に含まれる生理活性成分の熱劣化が避けられる。
全体として、高い収率、短い抽出時間、低い抽出温度、少量の溶媒といった利点が、超音波処理を優れた抽出方法にしている。

超音波抽出：ラボと産業界で確立

超音波抽出は、植物、藻類、バクテリア、哺乳類細胞からのあらゆる種類の生物活性化合物の抽出に広く応用されている。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、非常に効率的な方法として確立されています。
ラボ用、卓上用、工業用の超音波システムが容易に利用できるようになった現在、超音波抽出は確立された信頼性の高い技術となっています。Hielscher社の超音波抽出装置は、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処理施設に世界中で設置されています。

ヒルシャー超音波によるプロセスの標準化

食品、医薬品、化粧品に使用される藻類由来の抽出物は、適正製造基準（GMP）に従い、標準化された処理仕様の下で製造されなければならない。ヒールシャー超音波’ デジタル抽出システムにはインテリジェントなソフトウェアが付属しており、超音波処理プロセスの正確な設定と制御が簡単に行えます。自動データ記録機能により、超音波エネルギー（全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装着されている場合）などのすべての超音波プロセスパラメーターが、日付とタイムスタンプとともに内蔵SDカードに書き込まれます。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、再現性と継続的に高い製品品質が保証されます。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：