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天然色素素材の高効率抽出法の開発＜平成 30 年度助成＞

天然色素素材の高効率抽出法の開発
神田英輝（名古屋大学大学院 工学研究科物質プロセス工学専攻）

緒

言は生物への毒性は無い。超臨界 CO2 も生物に無害であるうえに、気体並みの高い拡散性と液体並みの高人体に無害な天然色素素材は食品の着色だけでない溶解度を有しており、さらに常温常圧では気体でく、口紅や化粧品や医薬品や乳幼児の玩具の着色とあるので抽出物に残留しない。つまり、全く無毒ないった用途でも有効である。しかし天然色素素材の物質だけを用いて、生体吸収性が高いカロテノイドカロテノイドは植物が合成する際には trans 体であを植物から取り出すことが本研究の目的である。

る。この trans 体カロテノイドは結晶性が高いので、各種溶媒への溶解度が低い。この低い溶解度は生体実験方法への吸収性が低い原因になるだけに留まらず、植物からの抽出、乳化、微粒子化といった工業的なハン市販のニンジン 6.0g をミキサーで粉々に粉砕してドリングが困難な原因にもなる。また、人体から検5℃で冷蔵保管した後に、有機触媒である二硫化アリ出されるカロテノイドには cis 体が多く含まれていル 5μL（2500ppm に相当）を添加した純水 2mL をることから、人体に吸収可能な cis 体カロテノイド混合した。これを円筒容器（SUS304、内容積 8.8mL）を多く取り出すことが重要である。に 充 填 し、 電 気 炉（Akico, Tokyo, Japan） で 140，

我々は過去の研究で trans 体のカロテノイドを有160，180℃に昇温して 15，30，60 分間震盪する

毒なジクロロメタンとともに加熱することで、結晶ことで、亜臨界水処理による cis 異性化を促した。

性が低い cis 体に異性化できるとともに、カロテノ比較対象として、二硫化アリルを添加しない純水でイドの有機溶媒への溶解度が劇的に向上することをも同様の亜臨界水処理を施した。亜臨界水処理後の見いだした。しかし、植物中に含まれるカロテノイ

圧力容器は直ぐに常温の水で冷却し、高温による反ドにも同様の手法を適用して抽出できるかは不明で応を停止させた。亜臨界水処理後のニンジンは高含ある。本研究では、ニンジンをミキサーで粉砕した水であるので、凍結乾燥処理によって乾燥させた。

後に cis 異性化を促進する天然有機物を触媒として乾燥したニンジンを抽出カラムに充填しニンジンに添加して、圧力容器中で高圧の亜臨界水によって含まれるカロテノイドであるβカロテンの抽出を試

140，160，180℃で加熱処理し、含まれるβカロみた。

テンの cis 異性化を試みた。さらに環境調和型のグ

図 1 に超臨界 CO2 抽出装置の構成を示す。チラー

リーン溶媒である超臨界 CO2 による抽出が可能か検で冷やした液化 CO2 を、ポンプで CO2 シリンダーか討した。

ら恒温槽内に 3mL/min で送液した。抽出カラムにここで、本研究で cis 異性化の触媒として用いる

亜臨界水処理と凍結乾燥処理を経たニンジン 0.6g

二硫化アリルはネギ科の植物に含まれる可食性の有とその上下にガラスビーズ 11g を充填して恒温槽内機物である。亜臨界水は沸点以上で高圧で液体状態

で 80 ℃ に 昇 温 し た。CO2 圧 力 は 背 圧 弁 に よ っ てを保持した活性が高い水であり、当然ながら常温で40MPa に調整した。一般的にこの温度・圧力のも8

浦上財団研究報告書

図1Vol.28（2021）

超臨界 CO2 抽出装置の構成とで CO2 は超臨界状態になる。この超臨界 CO2 によ

結果と考察

り抽出器からβカロテンを 2 時間かけて抽出した。
抽出物は超臨界 CO2 に溶解した状態で背圧弁で減圧

まず、160℃における 15，30，60 分間の亜臨界され、その際に CO2 は気体となるので抽出物は固体処理後を比較すると、二硫化アリル添加時には時間や液体として回収器に得られる。得られた抽出物にが経つほど cis βカロテン量が増大することが明らか

含まれるβカロテンを全量回収するために、カロテになった。無添加の場合は、添加した場合よりも明ノイドの溶解度が高いジクロロメタン 5mL に溶解

らかに cis βカロテン量が少なく、また cis βカロテした。

ン量が最大となるのは 30 分処理の場合であった。

βカロテンの含有量を逆相 HPLC によって測定した。カラムは C30 carotenoid column（250 × 4.6 mm

このため、以後は全て 60 分間の亜臨界水処理の結果を示す。

i.d., 5mm, YMC, Kyoto, Japan）、 移 動 相 は MTBE/

図 2 に 60 分間の亜臨界処理後のニンジンの外観

methanol（11:89, v/v）、 移 動 相 の 流 量 と 温 度 はの変化を示す。図 2 の上側は二硫化アリルを添加し1mL/min と 40℃とそれぞれ設定した。βカロテンない亜臨界水処理、下側は二硫化アリルを添加したの cis 異性体を trans 体から分離し、UV–vis detector

亜臨界水処理の後のサンプルの状態である。図の左（UV-2075 Plus, Jasco Co., Tokyo, Japan）で 453nmに比較対象として元のニンジンを示した。亜臨界水の検出波長でのピークエリアを元に定量した。βカ処理の温度が高いほど、ニンジンの色が黒へと近くロテンの cis 異性体のピークは過去の HPLC リテンなり、特に二硫化アリルを添加しない場合 180℃でションタイムとスペクトルデータをもとに把握しの亜臨界水処理の後は濃い焦茶色になった。

た。HPLC 分析の前にサンプルはアセトンに溶解さ

図 2 のサンプルを凍結乾燥した後に、超臨界 CO2

せ孔径 0.2-μm PTFE フィルターに通し、アセトンで抽出された抽出物の HPLC による UV-Vis 検出結に不溶な成分を除去した。

果の一例を図 3 に示す。図 3 上は二硫化アリルを添加して 160℃で亜臨界水処理したニンジン、図 3 中は二硫化アリルを添加せずに 160℃で亜臨界水処理

天然色素素材の高効率抽出法の開発

図29

亜臨界水処理によるニンジンの変化したニンジン、図 3 下は元のニンジンから、それぞれ超臨界 CO2 で抽出されたβカロテンの検出結果である。まず元のニンジンでは trans 体と 13-cis 体のβカロテンが検出された。これに対して、二硫化アリルを添加して亜臨界水処理した場合には、9-cis 体、15-cis 体も検出され、さらに全てのβカロテンの検出ピーク強度が増大した。これは抽出物に含まれるβカロテンの濃度が増加したことを意味する。二硫化アリルを添加しなかった場合でも、添加した場合ほどではないが元のニンジンより全てのβカロテンの検出ピーク強度が増大し、抽出物に含まれるβカロテンの濃度が増加したことが裏付けられた。
続いて亜臨界水処理の後に超臨界 CO2 で抽出されたβカロテンの総量を図 4 に示す。図 4 の総βカロテン量は、HPLC 分析で検出された trans 体と cis 体の全てのβカロテンの量を、原料であるニンジンの重量基準に換算したものである。図より亜臨界水処
理によってβカロテンの分解が進み、得られる総βカロテン量が元のニンジンよりも減少したことが解る。特に二硫化アリルを添加した場合には、減少幅がより大きかった。また温度依存性は 140 ～ 180℃の範囲内では有意にみられなかった。

図 3 HPLC によるβカロテンの検出結果（上：二硫化アリルを添加した亜臨界水処理、中：二硫化アリルの添加なし、下：元のニンジン）

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図4

浦上財団研究報告書

亜臨界水処理と超臨界 CO2 抽出により得られた総カロテン量

最後に、図 5 に抽出されたβカロテンのうち cis体だけの量を示す。図より、亜臨界水処理により cisVol.28（2021）

図5結

亜臨界水処理と超臨界 CO2 抽出により得られた cis βカロテン量言

βカロテンの量は元のニンジンよりも増大し、160℃亜臨界水処理するとニンジン中の trans βカロテで cis βカロテン量が最大になることが明らかになっンが熱分解するものの、その一部は人体に吸収可能た。亜臨界水処理温度が 180℃になると cis βカロな cis 体へと異性化され、超臨界 CO2 によって得らテンの分解速度も進むことから、cis βカロテン量がれる cis βカロテン量は増加した。特に 160℃で有さほど増加しないことも明らかになった。また、当機触媒とともに亜臨界水処理した場合に cis βカロテ初の予測の通りに、二硫化アリルを添加した場合にン量が最大となった。この結果、二硫化アリルを有は、cis βカロテン量が増大することも明らかになっ機触媒に用いた亜臨界水処理と超臨界 CO2 抽出は、た。つまり、亜臨界水処理によってβカロテンの大有毒な物質を一切使うことなく、人体に吸収可能な部分を占める trans 体が分解して減少するものの、cis βカロテンをニンジンから取り出す手法として有一部は人体に吸収される cis 体へと異性化され、cis効であることが明らかになった。

体に限れば元のニンジンよりも増大すること、さらに二硫化アリルを添加することによって cis 体への異性化が促進され、超臨界 CO2 に溶解して抽出されることが明らかになった。

謝

辞
本研究は、公益財団法人 浦上食品・食文化振興財団の研究助成により実施しました。ここに財団の皆さまと選考委員の先生方に謝意を表します。

Development of an efficient extraction method for natural pigments

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Development of an efficient extraction methodfor natural pigments
Hideki KANDA
Department of Materials Process Engineering, Nagoya University
Natural pigment materials that are harmless to the human body arec o nve n i e n t n o t o n l y f o r c o l o r i n g f o o d s , b u t a l s o f o r c o l o r i n g l i p s t i c k s ,cosmetics, pharmaceuticals, and baby toys. However, carotenoids, which arenatural pigment materials, are in the trans form when synthesized by plants.
Since trans -carotenoids have a high crystallinity, their solubility in various
solvents is very low. This low solubility not only results in low absorbability inthe living body, but also causes difficulties for industrial handling, such as
extraction from plants, emulsification, and micronization. In contrast,carotenoids detected in the human body contain many cis -forms. In otherwords, the amount of cis -carotenoids, rather than the usual trans -carotenoids,
is important for human body absorption.
W i t h t h i s i n m i n d , w e c o n s i d e r e d t h e f a c t t h a t p r e v i o u s s t u d i e s h a ve
demonstrated that by heating trans -carotenoids with organic catalysts, it ispossible to make cis isomers with low crystallinity, and thus improve thesolubility of carotenoids in organic solvents. However, it is unclear whether thesame technique can be applied to the carotenoids contained in plants. In thisstudy, diallyl disulfide, which is capable of promoting isomerization, was added
after carrots were ground with a mixer, and heat treatment was performed at
140, 160, and 180°
C w ith subcrit ical water in a pressure vessel for cis
isomerization. Afterwards, β-carotene was extracted using supercritical carbon
dioxide at 40 MPa and 80°
C. The extracted β-carotene was then quantified via
H P LC . S u b c r i t i c a l w a t e r t r e a t m e n t i n c r e a s e d t h e β- c a r o t e n e e x t r a c t a n dincreased the proportion of cis isomers. As a result, it became clear that
subcritical water treatment at 160°
C with an organic catalyst was effective inincreasing the amount of cis -β-carotene extracted.