微細藻類からカロテノイドを抽出する方法?

カロテノイド(carotenoid)は、様々な植物、動物、微生物に広く見られる脂質可溶性のイソプレノイド化合物である。生体内では天然の抗酸化物質として作用し、重要な生理機能を果たす。研究によると、カロテノイドは、心血管疾患の予防、がんの治療、視力の改善、免疫機能の強化など、人間の健康を改善するだけでなく、人間の病気の予防と治療に有効であることが示されています。近年、カロテノイドは医薬品、食品、健康補助食品、化粧品、飼料産業で広く使用されている。カロテノイドの世界市場の需要は、年間2.9%の割合で成長しており、2017年までに1,000万トンに達すると予測されています[1]。しかし、市販されているほとんどのカロテノイドは化学合成に由来しており、その生物学的効果と安全性は継続的な精査の対象となっている[2- 3]。健康意識の継続的な向上に伴い、天然原料由来のカロテノイドは消費者の間でますます人気が高まっています。

近年、バイオ燃料を生産するための持続可能で再生可能な資源として、微細藻類が注目されている。しかし、微細藻類のバイオ燃料技術は未成熟であり、生産コストが高く、これまでの産業規模のブレークスルーを阻んでいる。研究者の中には、微細藻類から他の高付加価値製品の生産に焦点を移している者もいる。微細藻類は、商業的に価値のあるカロテノイドの最良の天然供給源と考えられています。微細藻類からカロテノイドを抽出することは、大きな利点があります。第二に微細藻類synthesiseにさまざまな顔料などβ-carotene、ルテイン、・アスタキサンチンこれらの色素の生物活性と抗酸化作用が確認されています;最後に、微細藻類の成長は季節の変化に影響されず、耕地や淡水資源と競合しないこと、また、いくつかの種は排水中で成長して再生することができるなどの強い適応性を持っている[4 - 5]。したがって、微細藻類からのカロテノイドの研究開発は、天然カロテノイドの供給源を拡大し、藻類種の価値を高め、大きな経済的利益をもたらすことができる。

しかし、現在のところ、微細藻類カロテノイドの商業生産の最大の制約は、高い生産コストである。微細藻類からのカロテノイドの生産には、微細藻類の栽培、収穫、抽出精製の3段階がある。その中でも、藻類採取とカロテノイド抽出は、生産コストを左右する重要な技術です。本論文では、国内外で発表された文献をもとに、藻類カロテノイドの各種抽出技術を概観し、今後の研究開発の参考とすることを目的とする。

1一般的な高収量のカロテノイド豊富な微細藻類株

カロテノイドの供給源としての微細藻類の研究は1960年代に始まった。カロテノイドを豊富に含む微細藻類は、主にクロレラ、scenedesmus、クラミドモナス、dunaliella、muriellopsis、およびhaematococcusを含むクロロシス科に属している。これらの種の中でDunaliellのsalinaとHaematococcuspluvialisに使われた可能性があり、の商業製品β-caroteneアスタキサンチン。種々のカロテノイドを生産する一般的な微細藻類を表1に示す。

2   微細藻類からのカロテノイドの抽出法

近年、微細藻類原料からカロテノイドを効果的に抽出する方法は、世界中の学者による研究と調査の重要な焦点となっている。微細藻類からカロテノイドを得るプロセスは、一般的に以下のステップを含む:藻類バイオマス収集→乾燥→細胞破壊→抽出。しかし、藻類バイオマスの収集、乾燥、細胞破壊には多大なエネルギー消費が必要であり、生産コストが高い。微細藻類の採取、細胞壁の破壊、抽出を1つの工程に統合したり、乾燥工程を省略したりすることで、従来の抽出方法を改良し、作業の簡素化、エネルギー消費の削減、生産コストの削減を実現している研究者もいる。現在、微細藻類からカロテノイドを抽出するために使用される主な方法は、有機溶媒抽出、加圧溶媒抽出、超臨界/亜臨界流体抽出、でsitu抽出、および二相抽出である。

2.1有機溶媒抽出法

従来の有機溶媒抽出法は、微細藻類からカロテノイドを抽出するために最も一般的に使用される方法の1つです。しかし、クロレラ、scenedesmus、muriellopsisのような高収量のカロテノイドを生産する藻類は、細胞壁が非常に硬く、細胞壁の破壊が困難であり、不完全なカロテノイドの抽出になることが多い。そのため、微細藻類からカロテノイドを抽出する前に細胞壁を破壊する必要があるか、または補助的な抽出方法を使用して細胞壁を破壊と抽出を同時に行うことができます。

ceronら[15]は、scenedesmus almeriensisからルテインを抽出し、5つの異なる細胞壁破壊法(酸化アルミニウムモルタル法、ボール粉砕、酸化アルミニウムボール粉砕、超音波破壊、および超音波破壊と組み合わせた酸化アルミニウムボール粉砕)のルテイン抽出効率に対する効果を比較した。その結果、細胞破壊はルテインの抽出効率に大きく影響することが分かりました。最適な細胞破壊方法は酸化アルミニウムのボール粉砕を5分間行うことで98%の抽出率を達成しました。

deenuら[16]超音波補助90%エタノール抽出法を用いてクロレラ・vulgaris粉末からルテインを抽出するためのプロセス条件を最適化した。超音波出力35 khz、超音波強度56.58 w /cm²、抽出温度37.7°c、抽出時間5時間、固液比31 ml /gの最適条件では、ルテイン含有量は(3.16±0.03)mg/gであった。zhao xiaoyanら[17]可変周波数マイクロ波補助有機溶媒(酢酸エチル:エタノール= 1:2;)を使用して、haematococcus pluvialisからのアスタキサンチン抽出条件を最適化した。v / v)。抽出温度は200:1、抽出時間は45°c、抽出時間は20分が最適な液固形比である。アスタキサンチン抽出率は36.88%であった。本研究は、マイクロ波を用いた可変周波数混合有機溶媒抽出が、haematococcus pluvialisからのアスタキサンチン抽出速度を急速に向上させることを実証した。表2は、微細藻類細胞壁を破壊するために一般的に使用されるいくつかの方法の原理と長所/短所をまとめたものである。

微細藻類のカロテノイドは、遊離エステルと脂肪酸エステルの2つの形態で存在する[20]。しかし、有機溶媒を用いて抽出したカロテノイドには、クロロフィルや油などの不純物が含まれていることが多い。これらの物質の存在は、抽出されたカロテノイドの純度に影響を与え、その後の処理ステップに影響を与えます。カロテノイドのsaponificationは、結合したカロテノイドを放出し、遊離カロテノイドの含有量を増加させるだけでなく、クロロフィルや油などの不純物を効果的に除去し、抽出されたカロテノイドのサンプルの純度を向上させる[21]。

腐化試薬は、通常、メタノールまたはkohの水溶液として選択され、室温または適切な加熱で腐化させることができ、腐化時間を短縮するためにサンプル;saponificationの後、抽出は、ヘキサンや石油エーテルなどの低極性の有機溶剤を使用して行われます;最後に抽出物を水で洗浄してkohを除去する。しかし、腐化はカロテノイドにダメージを与え、その抽出収率を低下させる。したがって、損失を最小限に抑えるために、saponification条件を厳密に管理する必要があります。ceronら[15]は、scenedesmus almeriensis藻類からのルテインの工業規模生産に適した抽出法を提案し、抽出条件を最適化した。この方法は、主に細胞破壊、アルカリ処理、溶媒抽出の3つのステップで構成されます。その結果Optimisatiにpre-treating藻旋フライス盘の酸化アルミをボール5分、その次は治療4% w / v高ソリューション100 g / L藻バイオマス5分そして最後に抽出hexaneサンプルの同じ量、6抽出し率を10%ルテイン回復で95%である。

従来の抽出法では、微細藻類からカロテノイドを抽出する前に収穫や乾燥などの工程が必要であり、生産コストが増大する。kangら[22]は、新しい溶媒抽出法を用いて、haematococcus pluvialisから遊離アスタキサンチンを抽出した。この方法は2段階に分けられる。第一段階では、ドデカンを用いてhaematococcus pluvialis培地からアスタキサンチンおよびアスタキサンチンエステルを抽出し、細胞片を含む培地からドデカンを分離した。第二段階では、ドデカンを同量の0.02 mol/ lの直-メタノール溶液と連続的に混合し、その過程で、ドデカン相中のアスタキサンチンとそのエステルは連続的にメタノール相に移動する。アスタキサンチンエステルはメタノール段階でのsaponificationによって遊離アスタキサンチンに変換される。最後に、2つの相を分離し、ドデカン相を再利用することができます。2段階のアスタキサンチン抽出率はそれぞれ95%と85%以上であった。他の抽出法と比較して、微細藻類の採取が不要で、操作が簡単で、エネルギー消費が少なく、高い開発価値と応用価値がある。しかし、人の健康や環境に有害な有機溶剤の揮発性や毒性のため、微細藻類からカロテノイドを抽出する従来の有機溶剤に代わって、植物油などの緑色溶剤が使用されています。

kangら[23]は、いくつかの一般的な植物油(大豆油、コーン油、グレープシードオイル、およびオリーブオイル)を用いて、haematococcus pluvialisからアスタキサンチンを抽出した。室温で、同量の植物油とhaematococcus pluvialis培地を混合し、激しく撹拌して藻類細胞を破壊し、沈殿させて2つの相を分離させた。植物油は藻類細胞からアスタキサンチンを抽出し、藻類細胞は下位相に残り、油相は88%以上の回収率を達成した。この方法は環境にやさしく、石油の安定性と自然特性を効果的に保存します。抽出後、吸着法を用いて植物油から微細藻類カロテノイドを分離することができる。baharin[24]は、パーム油からカロテノイドを吸着するために、2種類のマクロ多孔質吸着樹脂を用いています。吸着後、パーム油から吸着剤を分離し、ソックスレット抽出法を用いて吸着剤上のカロテノイドを脱着させた。

2.2加圧された溶媒抽出法

加圧された液体抽出(ple)は、加速溶媒抽出(ase)としても知られており、農業、食品、環境、医療で広く適用されている新しいサンプル前処理技術です[25]。この原理は、高温(50 ~ 200°c)、高圧(500 ~ 3000 psi)の条件下で、物質の溶解度と溶質の拡散効率を高め、抽出効率を向上させるものである[26]。他の抽出法と比較して、抽出時間が短い、溶剤消費量が少ない、抽出効率が高い、自動化が進んでいるなどの利点があります。

castro-puyanaら[27]は、pleを用いて、石油に富む緑藻ネオクロリスオレオアブンダ類からカロテノイドを抽出し、同時にpleの抽出効率を従来の有機溶媒法と比較した。その結果、エタノール100%を100°c、20分間抽出した場合のカロテノイド抽出率は32.6%で、0.1% (w/v)のブチルヒドロキシトルエンを含むアセトンを用いた場合の28.3%よりも有意に高かった。

ple法は高いカロテノイド抽出速度を達成することができるが、grimaら[14]は、この方法には高い抽出温度が必要であり、微細藻類試料中のクロロフィルが有害なマグネシウム枯渇クロロフィルに変化し、抽出されたカロテノイドの活性に影響を与える可能性があると指摘している。そのため、ple法では微細藻類からカロテノイドを抽出するには限界がある。jaimeら[28]は、ple法を用いてhaematococcus pluvialisからカロテノイドを抽出し、異なる温度(50、100、150、200°c)で抽出されたカロテノイドの抗酸化活性を比較した。その結果、エタノール100%を20分間抽出した場合、高温になるとカロテノイド抽出速度が上昇し、抽出物の抗酸化活性は低下した。

しかしながら、chaらは、chlorellのvulgarisにおけるカロテノイド、クロロフィルa、クロロフィルb、マグネシウムを枯渇させたクロロフィルaおよびマグネシウムを枯渇させたクロロフィル酸aの含有量について、ple法を従来の溶媒抽出、ソクシュレット抽出、および超音波補助抽出と比較した[29]。その結果、ple法は他の抽出法と比較して、カロテノイドやクロロフィルの抽出効率が高いことがわかりました。また、観測温度がC 160°抽出时、葉緑素magnesium-depleted aエキスの内容で最も少なかった(0.01±0.00)mg / gで伝统的な溶剤抽出方式、Soxhlet抽出方法、ultrasonic-assisted抽出法magnesium-depleted屈しクロロフィル0.09 0.85±の内容も5.15±0.59%、(215、±0.71)mg / g、。彼らはこれが高温によるものだと推測した(>また、他の抽出方法では、20 ~ 80°cの温度でクロロフィルを活性化させたまま抽出を行い、マグネシウム欠乏クロロフィルへの変換を促進した。そのため、ple法は微細藻類からの色素抽出技術として期待されている。

2.3超臨界/亜臨界流体抽出法

超臨界流体抽出(sfe: supercritical fluid extraction)は、超臨界流体を溶媒として使用し、目的の材料から可溶性成分を分離する環境に優しいグリーン抽出技術です。超臨界流体は粘度が低く、拡散率が優れているため、抽出効率が速く効果的です。超臨界流体の密度を調整することで、微細藻類中の活性成分を選択的に抽出することができる。抽出後、温度を上げるか圧力を下げることによって超臨界流体は一般的なガスに変換されて放出され、抽出されたカロテノイドに溶媒残基は残らない。抽出された藻類粉末もさらに利用することができます。超臨界流体には、不燃性、毒性、化学的安定性などの利点があり、製品の安全性が向上します。

北田らは[30]、超臨界coを用いてクロレラvulgarisからカロテノイドとクロロフィルを抽出し、抽出圧力、温度、共溶剤(エタノールとアセトン)が抽出液中の色素含有量に与える影響を調べ、従来のsoxhlet抽出法と比較した。

その結果、最適な抽出圧力と温度は50 mpa、80°cであった。超臨界co抽出法はルテインを選択的に抽出することができるが、抽出速度は低い。混合溶媒として7.5%エタノールを添加すると、抽出物中のルテイン含有量が効果的に増加するが、クロロフィル含有量も増加し、抽出されたルテインの純度が低下する。soxhlet法はsfe法と比較して色素抽出率が最も高かった。これに対して、一部の学者はより効果的な解決策を提案した。bingら[31]は、微細藻類nannochloropsis oculataのsoxhlet抽出法で得られた粗抽出物から、超臨界流体抽出法(sfe法)を用いてゼキサンチンを精製した。その結果、ゼアキサンチンの純度は93.8%に達しました。本手法は、従来の有機溶媒抽出法とsfe法の利点を組み合わせつつ、有機溶媒の欠点である毒性や抽出物の純度の低さを効果的に回避するものです。したがって、微小藻類カロテノイドの分野での開発のための大きな可能性を秘めています。

亜臨界流体抽出(subcritical fluid extraction, sfe)は、亜臨界流体を抽出剤として使用する新しい抽出技術である。分子拡散により抽出物質から液体抽出物質に親油性成分を移動させ、真空蒸着プロセスにより抽出物質とターゲット生成物を分離します。亜臨界流体とは、超臨界状態の端にある液体で、圧力が臨界点圧力を超え、温度が臨界値以下の状態で、高圧の液体を形成する。亜臨界流体は、超臨界流体に比べて低温であり、常温に近いため加熱設備が不要であり、設備投資やエネルギー消費の面で経済性が高い。さらに、同じ圧力では、亜臨界coは超臨界coよりも密度が高く、溶解度も高い。現在、亜臨界流体抽出法を用いて微細藻類からカロテノイドを抽出する研究は少ない。関連する研究を行ったのはhuang xingxinら[32]だけである。専門に秀でたultrasound-enhanced subcriticalルテインφCO₂技術を抽出クロレラ最適なプロセス条件を調べたのか、条件最終決定以下の通り。抽出温度25°C抽出圧力11 MPa流体が流量30 kg / hキャリア(無水エタノール)捜査官の用量150 mL / g、この抽出3時間音波750 Wの力。はい。この条件で抽出されたルテイン含有量はクロレラ粉末68.85 mg/100 gであった。

2.4 でsitu抽出法

でsitu抽出とは、微細藻類細胞がカロテノイドを合成し続けている間に、生体適合性有機溶媒と藻類液を連続的に混合し、有機溶媒相中にカロテノイドを抽出することで、微細藻類の培養とカロテノイド抽出を同時に行うことをいう。これにより、微細藻類の収穫が不要になり、カロテノイド収量が増加し、生産コストが削減されます。

ヘジャジはほか[33]適用位置抽出方法βのお土产から-carotene Dunaliellasalina。正常培養後、図1に示すようにバイオリアクターに移しました。光照射するよう誘導し生産に大量のβ-carotene、dodecaneは絶えず藻奈美ャ潟e[ションの底に注入?。抽出されたDodecaneβ-carotene確信を介して藻細胞から段階最後にの動作ポンプ下で、Dodecaneリサイクルされ上から位相サイクルの底に戻って、引き続きだ実験実証されたことは強い光照射の地下、dodecane臨席の天覧Dunaliella salina存続できまだだろう(> 47日)、細胞増殖鈍化傾向を示したものの、βの抽出率-caroteneが55%を超えkleinegrisらは[34]、塩藻に適用されるでsitu抽出のメカニズムを調査した。その結果、塩藻細胞と水有機相の界面が接触すると細胞死が起こり、その後の細胞破壊によってカロテノイドが放出され、効率的に抽出ができることが明らかになった。

原地裁の抽出方法を解消できる煩雑は伝統的な抽出法運営のステップKleinegrisら[35]の巻収益率がβから抽出された-carotene Dunaliella salina水原(抽出方法は低く、83mg / L・dであり、伝统的な抽出屈し食べ方13.5 mg / L・d。この他、2相溶剤のemulsificationと中の酸素を积み重ね、バイオリアクターの増殖が抑えDunaliella salina、強い光露光深くなるもののβ-caroteneグラデーションを引き起こさない。これらの欠点は、in situ抽出法のさらなる開発の妨げとなっている。

2.5水二相抽出(atpe)

水性二相抽出(atpe)は1960年代に始まり、有望な固液分離技術である。一般的な水有機抽出原理と同様に、2つの相間で異なる分布挙動に基づいて成分を分離します。atpeシステムは、生物活性物質の抽出と分離に幅広い応用の可能性を秘めています。

現在、atpeを用いたカロテノイドの抽出を調査した研究はほとんどない。cisneros et al.[36]だけが、ペグリン酸水溶液二相系におけるルテインの分布挙動を研究するためにポストハーベクトクロレラプロトテコイドを用いて、関連する研究を行った。まず、藻類の水分量30%のエタノールを用いて、藻類スラリーからルテインを抽出した後、ph 7.0で22.9% (w/w) peg 8000と10.3% (w/w)リン酸から構成される二相システムで粗抽出物を抽出した。その結果、カロテノイドの大部分は上相に、藻類細胞断片は下相に分布し、カロテノイド収率は81.0%±2.8%であった。本手法は、微細藻類からのカロテノイド抽出法の研究開発に、より広い視野を与えるものである。

3   展望

微細藻類にはカロテノイドが豊富に含まれており、含有量が多く、種類も多様で、栽培サイクルが短い、栽培条件がコントロールしやすい、連続生産が可能などの利点があり、カロテノイドの優れた供給源となっている。しかし、微細藻類からのカロテノイドの調製は高コストなプロセスであり、微細藻類カロテノイド製品の研究開発には大きな制約がある。現在、微細藻類からのカロテノイドの抽出には、主に有機溶媒と組み合わせた機械的細胞破壊が用いられている。この方法は、操作が簡単で、工業生産のために容易に拡張できますが、多大なエネルギー消費と有機溶媒を必要とします。近年、超音波抽出法、マイクロ波抽出法、前述の加速溶媒抽出法などの新しい抽出技術の開発により、カロチノイド抽出速度を効果的に向上させ、抽出時間を短縮し、溶媒消費量を程度の差まで削減することが可能になった。しかし、これらの方法では有機溶剤を使用する必要があり、環境に優しいとは言えません。

これに対して、超臨界/亜臨界流体抽出は「グリーン化学」の原則に沿っており、安全性の高いカロテノイド製品を製造します。しかし、この方法は装置要件が高く、溶媒ベースの方法に比べてカロテノイド抽出速度が低い。いずれも藻類バイオマスを収穫する必要があり、必然的に生産コストが上昇する。一方、in situ抽出では、収穫工程を効率的に省くことができ、微細藻類の培養とカロテノイドの抽出を同時に行うことができるため、エネルギー消費量を削減し、生産コストを削減することができます。しかし、この方法はまだ開発段階であり、抽出率が低いなどの課題があります。以上のように、微細藻類からカロテノイドを抽出する方法は、これまで多くの研究が行われてきたが、ある程度の進歩を遂げたものの、高い抽出効率、汎用性、迅速性、環境性、低コストを同時に有する方法は存在しない。

したがって、カロテノイドの生産量を増加させ、生産コストを削減するために、今後の微細藻類カロテノイドの開発は、次の分野に焦点を当てる必要があります。第二に、適切な抽出方法を採用し、抽出手順を簡素化し、抽出プロセスを最適化し、既存の方法を継続的に改善しながら生産コストを削減する。微細藻類カロテノイドを工業規模で生産するための新技術の研究開発;第三に、現代の遺伝子工学技術を利用して微細藻類株を改良し、微細藻類カロテノイド生産の工業化を加速する。新しい微細藻類株の継続的な開発と抽出プロセスの継続的な改善により、微細藻類カロテノイドの大規模な商業生産は遠くない。

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