藻類の細胞破砕と抽出を改善する超音波処理

大型藻類や微細藻類などの藻類には、栄養食品、食品添加物、燃料または燃料原料として使用される多くの有用な化合物が含まれています。藻類の細胞から目的物質を放出させるには、強力で効率的な細胞破砕技術が必要です。超音波抽出装置は、植物、藻類、菌類からの生理活性化合物の抽出において、非常に高い効率と信頼性を備えています。実験室規模、卓上規模、産業規模に対応するHielscherの超音波抽出装置は、食品、医薬品、バイオ燃料の製造における細胞由来抽出物の生産で確立された装置です。

栄養と燃料の有用な資源としての藻類

藻類の細胞は、タンパク質、炭水化物、脂質、その他の生理活性物質、さらにアルカンなど、生理活性を持ち、エネルギーに富む化合物の多用途な供給源です。このため、藻類は食品や栄養成分だけでなく、燃料の供給源にもなります。
微細藻類は、栄養用途やバイオ燃料（例えばバイオディーゼル）の原料に使用される脂質の有用な供給源です。Dicrateria rotundaなど、海洋性植物プランクトンDicrateriaの株は、ガソリンを生成する藻類として知られ、C₁₀H₂₂ からC₃₈H₇₈までの一連の飽和炭化水素（n‐アルカン）を合成できます。これらはガソリン（C10–C15）、ディーゼル油（C16–C20）、燃料油（C21–C38）に分類されます。
藻類は、その栄養価から「機能性食品」や「ニュートラシューティカル」として使用されています。藻類から抽出される重要な微量栄養素には、カロテノイドであるアスタキサンチン、フコキサンチン、ゼアキサンチン、フコイダン、laminari、その他のグルカンが含まれ、これらは多くの他の生理活性物質とともに栄養補助食品や医薬品に使用されます。カラギーナン、アルギン酸塩、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ます。藻類の脂質は、ヴィーガン向けのオメガ3供給源として、また燃料やバイオディーゼル製造の原料としても使用されます。

高出力超音波による藻類の細胞破砕と抽出

超音波抽出装置、または単に超音波処理装置と呼ばれる装置は、実験室での少量サンプルからの有用な化合物の抽出にも、大規模な商業生産にも使用されます。
藻類の細胞は、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。ほとんどの藻類の細胞壁の基盤は、ゲル状のタンパク質マトリックス内にある微小繊維のネットワークで構成されています。ただし、一部の微細藻類は、オパール質シリカの被殻または炭酸カルシウムから構成される無機質の硬い細胞壁を備えています。藻類バイオマスから生理活性化合物を得るには、効率的な細胞破砕技術が必要です。藻類の細胞破砕と抽出の効率は、抽出技術に関する要因（抽出方法や装置）に加え、細胞壁の組成、微細藻類の細胞内における目的の生体分子の位置、収穫時の微細藻類の生育段階など、藻類に依存するさまざまな要因からも強く影響を受けます。

超音波による藻類の細胞破砕と抽出はどのように機能するのでしょうか？

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ます）を介して液体やスラリーに結合させると、音波が液体中を伝わり、高圧と低圧が交互に生じるサイクルを作り出します。この高圧／低圧サイクル中に、微小な真空気泡や空洞が発生します。キャビテーション気泡は、低圧サイクル中に局所的な圧力が、特定の温度における液体の引張強度によって定まる値である飽和蒸気圧を十分に下回ると発生します。これらの気泡は、数回のサイクルにわたって成長します。真空気泡がそれ以上エネルギーを吸収できない大きさに達すると、高圧サイクル中に激しく崩壊します。キャビテーション気泡の崩壊は、激しくエネルギー密度の高い過程であり、液体中に強い衝撃波、乱流、マイクロジェットを発生させます。さらに、局所的に非常に高い圧力と非常に高い温度が生じます。これらの極限条件は、細胞壁や細胞膜を容易に破砕し、細胞内化合物を効果的かつ効率的に、迅速に放出させることができます。これにより、高出力超音波を使用して、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を効果的に抽出できます。

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、菌類、細菌などを含む）の細胞壁や細胞膜が破砕され、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、細胞はより小さな断片へと引き裂かれます。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と細胞内部の両方から放出され、周囲の培地や溶媒へと移行します。
上記の超音波／音響キャビテーションの機構は、藻類の細胞全体や細胞内の気体および液体を含む液胞を激しく破砕します。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は、細胞内部と周囲の溶媒との間の物質移動を促進し、生体分子（すなわち代謝物）を効率的かつ迅速に放出させます。これは、超音波処理が、作用の強い化学薬品、有毒な化学薬品、高価な化学薬品のいずれも必要としない、純粋に機械的な処理であるためです。
高強度・低周波の超音波は、高い圧力、温度、せん断力を特徴とする、極めて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、細胞内化合物を媒体中に放出させるために細胞構造の破砕を促進します。そのため、低周波超音波は、藻類からの生理活性物質や燃料の抽出に広く使用されています。溶媒抽出、ビーズミル処理、高圧ホモジナイゼーションなどの従来の抽出方法と比較して、超音波抽出は、超音波によって孔が形成され破砕された細胞から、生理活性化合物（脂質、タンパク質、多糖類、微量栄養素など）の大部分を放出させる点で優れています。適切な処理条件を適用すると、超音波抽出は非常に短い処理時間で優れた抽出収率をもたらします。例えば、高性能超音波抽出装置を適切な溶媒とともに使用すると、藻類からの抽出で優れた性能を発揮します。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、しわが生じるため、低温（60°C未満）かつ短い超音波処理時間（3時間未満）で収率が向上します。穏やかな温度で抽出時間を短くすることでフコイダンの分解が防止され、高い生理活性を持つ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。低分子量フコイダンは、分岐が除去された構造により、生理活性が大幅に高くなります。高い生理活性と生体アクセス性を持つ低分子量フコイダンは、医薬品や薬物送達システムにとって興味深い化合物です。

事例研究：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、広く研究されています。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を示します。

加圧加熱超音波処理による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、乾燥したシアノバクテリアArthrospira platensis（スピルリナとも呼ばれます）からのタンパク質（フィコシアニンなど）の抽出に対する加圧加熱超音波処理（MTS）の効果を調べました。加圧加熱超音波処理（MTS）は、超音波抽出プロセスを強化するために、圧力と温度を高めた条件と超音波を組み合わせて適用する方法です。
「実験結果によると、MTSは物質移動（高い有効拡散係数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%多いタンパク質（28.42 ± 1.15 g/100 g DW）を得ることができました。抽出物中には乾燥スピルリナバイオマス100 g当たり28.42 gのタンパク質が含まれ、連続MTSプロセスにより、実効処理時間6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が、断片化、超音波による孔形成、組織構造の崩壊など、さまざまな機構を通じてスピルリナの糸状体に作用した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処理を受けたスピルリナの糸状体全体を経時的に示した光学顕微鏡画像。すべての画像のスケールバー（画像A）= 50 μm。
画像および研究：©Vernès et al. 2019

超音波によるフコイダンとグルカンの抽出の対象： Laminaria digitata

Tiwari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、総グルカンの抽出を、 超音波処理装置UIP500hdTを使用して調べました。研究対象となった超音波支援抽出（UAE）のパラメーターは、フコース、FRAP、DPPHの値に有意な影響を示しました。溶媒に0.1 M HClを使用し、温度（76◦C）、時間（10 min）、超音波振幅（100%）を最適化した条件で、フコース、総グルカン、FRAP、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、11.02%の値が得られました。その後、上記のUAE条件は、経済的に重要な他の大型褐藻（L. hyperboreaおよびA. nodosum）にも適用され、多糖類に富む抽出物を得ることに成功しました。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促進するためにUAEを適用できることを示しています。

超音波による植物化学成分の抽出の対象： F. vesiculosus および P. canaliculata

García-Vaqueroの研究チームは、微細褐藻種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、熱水支援抽出、高圧支援抽出など、さまざまな新しい抽出技術を比較しました。超音波処理には、 Hielscher UIP500hdT超音波抽出装置を使用しました。抽出収率の分析により、超音波抽出は両方のF. vesiculosusからの大部分の植物化学成分について最高の収率を達成したことが明らかになりました。すなわち、 超音波抽出装置UIP500hdT を使用してF. vesiculosusから抽出された化合物の最高収率は、総フェノール含量（445.0 ± 4.6 mg没食子酸当量/g）、総フロロタンニン含量（362.9 ± 3.7 mgフロログルシノール当量/g）、総フラボノイド含量（286.3 ± 7.8 mgケルセチン当量/g）、総タンニン含量（189.1 ± 4.4 mgカテキン当量/g）でした。
研究チームは、超音波支援抽出の使用について、「抽出溶媒として50%エタノール溶液と組み合わせることで、F. vesiculosusとP. canaliculataの両方からの望ましくない炭水化物の同時抽出を減らしながら、TPC、TPhC、TFC、TTCの抽出を目指す有望な戦略となる可能性があり、これらの化合物を医薬品、ニュートラシューティカル、コスメシューティカルとして使用する際に有望な応用が見込まれる」と結論付けました。 [García-Vaquero et al., 2021]

アヴィニョン大学におけるHielscherの超音波処理装置を使用した加圧加熱超音波処理のスケールアップ：実験室用装置 UIP1000hdT （A）からパイロット規模装置 UIP4000hdT （B、C、D）へ。画像Dは、次の超音波フローセルの横断面の模式図です： FC100K.
画像および研究：©Vernès et al. 2019

藻類の破砕のための高性能超音波抽出装置

Hielscherの最先端の超音波装置では、振幅、温度、圧力、投入エネルギーなどの処理パラメーターを完全に制御できます。
超音波抽出では、原料の粒子径、溶媒の種類、固体と溶媒の比率、抽出時間などのパラメーターを変更し、最良の結果が得られるように最適化できます。
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分解を回避できます。
総合的に、高収率、短い抽出時間、低い抽出温度、少量の溶媒といった利点により、超音波処理は他より優れた抽出方法となります。

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、藻類、細菌、哺乳類の細胞から、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、より高い抽出収率とより短い処理時間により、他の従来の抽出技術を上回る、簡便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。
実験室用、卓上型、本格的な産業用の超音波システムを容易に利用できる現在、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生産する世界各地の産業処理施設に設置されています。

Hielscher Ultrasonicsによる処理の標準化

食品、医薬品、化粧品に使用される藻類由来の抽出物は、適正製造規範（GMP）に従い、標準化された処理仕様の下で製造する必要があります。Hielscher Ultrasonicsの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搭載されており、超音波処理を簡単に精密設定・制御できます。自動データ記録機能は、超音波エネルギー（総エネルギーおよび正味エネルギー）、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、すべての超音波処理パラメーターを日時情報とともに内蔵SDカードに記録します。これにより、超音波処理を行った各ロットを確認できます。同時に、再現性と継続的に高い製品品質が保証されます。

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の目安を示しています。