7Biorefinery of Schisandra chinensis Vine Waste: An Integrated Green Process Coupling Deep Eutectic Solvent Extraction with Electrodialysis for Lignan Recovery

植物ベースの医学や栄養学の世界において、共通の課題は、過酷な化学物質を使用したりエネルギーを浪費したりすることなく、いかにして頑丈な植物材料から価値のある化合物を取り出すかという点です。植物は、有用な成分をしっかりと保持するために、まるで金庫がその中身を保持しているかのように、強固な繊維で構成されています。それらの成分を取り出すために、科学者たちはしばしば溶媒、つまり特定の物質を溶かすように設計された液体に頼ります。伝統的な手法は水やアルコールに依存することが多いですが、これらは特定の油性の植物化合物に対して非効率であったり、食品や医薬品として不安全な残留物を残したりすることがあります。近年、より環境に優しい代替案として、深共晶溶媒（deep eutectic solvents）と呼ばれる新しいクラスの液体が登場しました。これらは、一般的な安全な物質を混合して、困難な材料を溶かすことができる液体を形成させるものであり、毒性のある廃棄物を避けながら貴重な資源を抽出する方法を提供します。

中国の佳木斯大学の研究チームは、この概念を特定の農業問題、すなわち五味子（Schisandra chinensis）の果実を収穫した後に残る廃棄物に適用しました。この植物は、健康食品や伝統医学に使用されるベリー類で知られていますが、通常は捨てられてしまう茎や蔓（つる）を生成します。これらの廃棄される蔓には、神経系を落ち着かせ、肝臓を保護し、酸化ストレスと戦う能力があることで知られるリグナンの一群が豊富に含まれています。研究の目的は、これらの価値あるリグナンを廃棄された蔓から取り出すクリーンで効率的なプロセスを構築し、抽出液を再利用のために回収し、最終製品が高価値な用途に適するほど純粋であることを保証することでした。

チームはまず、タンパク質に含まれるアミノ酸であるグリシンと、一般的な食品保存料である乳酸からなる特定のタイプのグリーン溶媒を用いてテストを開始しました。彼らはこれら2つの食品グレードの成分を特定の比率で混合し、頑丈な蔓の茎の中に閉じ込められた油性のリグナンを効果的に溶かすことができる液体を作成しました。このプロセスをさらに効果的にするために、彼らは2段階の戦略を導入しました。まず、乾燥させて粉砕した蔓の茎を、ただの水で処理しました。この最初の水による浸漬は、穏やかな膨潤剤として機能し、植物の細胞壁を柔らかくし、次のステップを妨げる可能性のある糖やタンパク質のような水溶性の「ゴミ」を洗い流しました。材料が前処理され乾燥した後、彼らは超音波を用いて、液体が植物の繊維の奥深くまで浸透するのを助けながら、グリシンと乳酸の混合物を適用しました。

結果として、この組み合わせたアプローチは標準的な手法よりもはるかに優れていることが示されました。研究者が、この水と溶媒を用いた2段階の手法を、標準的なアルコール抽出や水のみの抽出と比較したところ、その差は歴然でした。新しい手法は、標準的なアルコール抽出よりもターゲットとなる化合物を2.5倍多く、溶媒のみを使用した場合よりも1.6倍多く得られました。水による前処理が鍵であり、最初に植物の構造を緩めることで、特化した溶媒がリグナンにより容易に到達できるようになりました。さまざまな変数を注意深くテストすることで、チームは最適な条件が、植物材料を40度の温度で40分間浸漬し、植物粉末と液体の特定の比率を用いることであることを突き止めました。これらの条件下で、彼らはシサンドロールAやシサンドリンBを含む5種類の異なるリグナンのかなりの量を抽出することに成功しました。

しかし、化合物を抽出することは戦いの半分に過ぎません。もし最終製品に溶媒が含まれていれば、それは食品や医薬品として使用できません。研究者たちは、貴重なリグナンを失ったり新たな廃棄物を生み出したりすることなく、グリシンと乳酸を取り除く方法を必要としていました。彼らは、電気を用いて電荷を持つ粒子を特殊な膜を通して移動させる電気透析と呼ばれる技術に目を向けました。このセットアップでは、抽出されたリグナンと溶媒を含む液体が中央のチャンバーに置かれました。電流が流されると、溶媒の電荷を持つ成分であるグリシンと乳酸が、中央から離れ、別々のサイドチャンバーへと移動し、中立の分子であるリグナンを中央に残しました。このプロセスにより、グリシンの92％以上と乳酸のほぼ87％を回収することに成功しました。決定的なことに、リグナンは中央のチャンバーに留まったため、クリーンな抽出物が得られました。

研究は、回収された溶媒を再び混ぜ合わせることで、新しいバッチとほぼ同じ有効性で再利用できることを確認し、このプロセスが絶え間ない廃棄物を生むことなく、クローズドループで稼働できることを証明しました。溶媒から解放され、リグナンが豊富な最終抽出物は、有害なフリーラジカルを中和する能力についてテストされました。その抽出物は強い活性を示し、この穏やかでグリーンなプロセスが化合物の生物学的価値を維持していることを裏付けました。農業廃棄物を高価値な天然製品の源へと変えることで、この統合的な手法はバイオマス処理の未来に向けた持続可能なモデルを提示しており、かつては「ゴミ」と見なされていたものが、スマートでクリーンな化学を通じて「資源」へと変貌を遂げられることを示しています。