【研究領域課題番号】19H00908 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生分解性プラスチック / 分解開始スイッチ機能 / 生分解速度制御 / 繊維 / BOD生分解試験 / バイオマスプラスチック / フィルム / 微生物産生ポリエステル / 生分解性脂肪族ポリエステル / 酵素内包 / 自己分解 / ポリカプロラクトン / リパーゼ / 溶融混錬 / 酵素分解性 / 生分解性開始機能 / 生分解性速度制御 / 構造解析 / ポリ乳酸 / 高分子多糖類 / 生分解性制御 / 高性能部材

【研究成果の概要】

現在、非生分解プラスチックによるごみ問題が解決すべき課題として取り上げられている。生分解性プラスチックは解決策の一つとして取り上げられているが、耐熱性や強度などの物性に乏しいことから真の実用化には至っていない。また、使っているときは分解せず、使用後、環境中に流出したら分解が始まる生分解開始機能の付与や、目的の速度で分解する生分解速度制御技術の開発が望まれている。
本年度は、微生物が糖や植物油から生合成する生分解性ポリエステルの一つであるポリヒドロキシアルカノエート（PHA）を用いて、高強度・高伸縮性繊維の開発を行うとともに、その生分解性の評価を行った。さらに、生分解開始機能として、生分解性脂肪族ポリエステルであるポリブチレンサクシネート（PBS）やポリブチレンサクシネートアジペート（PBSA）にリパーゼを内包させ、その生分解性について検討を行った。
PHAを融点以下の温度で溶融紡糸を行ったのち、室温で延伸することにより高強度・伸縮性繊維の開発に成功した。播磨SPring-8の放射光を用いて、繊維の伸縮過程をリアルタイムで測定することにより、高強度と伸縮性は分子鎖がランダムコイル構造から平面ジグザグ構造に変化することにより発現することを明らかにした。さらに、東京湾の海水を用いて、これらの繊維の分解試験を行ったところ、延伸前の繊維より延伸後の繊維の方が分解が速いことがわかった。さらに、繊維表面には桿菌と球菌の両方が集積していることもわかった。
PBSやPBSAにリパーゼを内包させたフィルムを作製した。このフィルムを小さく切った後、バッファーに浸漬したところ、PBSはほとんど分解しなかったが、PBSAは24時間で十分分解することがわかった。今後は、親善環境水（河川水、池水、海水）を用いて分解が生じるかどうかを検討中である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2019-04-01 - 2024-03-31

【配分額】44,590千円 (直接経費: 34,300千円、間接経費: 10,290千円)

【研究領域課題番号】18K19104 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生体吸収性繊維 / 生分解性プラスチック / 微生物産生ポリエステル / 伸縮性繊維 / ポーラス繊維 / 大型放射光解析 / 生分解性繊維 / 高強度繊維 / 高弾性繊維 / 環境分解性 / 生体吸収性 / フィルム / 延伸 / 広角X線回折 / 小角X線散乱 / SPring-8 / 分子鎖構造 / 結晶配向 / 高ゴム弾性繊維

【研究成果の概要】

現在、再生産可能資源であるバイオマスを出発原料としたバイオマスプラスチックから生体吸収性などの優れた性能を有している材料の開発が望まれている。本研究では、糖や植物油から微生物が生合成する微生物産生ポリエステルから、生体吸収性を有し、強度と伸縮性に優れ、手術用縫合糸などにも利用可能な高性能な生体吸収性繊維の開発に成功した。従来の融点以上での溶融紡糸法ではなく、新たな溶融紡糸法を開発することにより、強度と伸縮性を兼ね備えた繊維を再現性良く作成することができた。さらに、繊維内部にポアが形成されたポーラス繊維の開発にも成功し、従来の手術用縫合糸と比べ、結紮サイズが小さくなることも明らかにした。

【研究の社会的意義】

本研究では、生分解性を有するバイオマスプラスチックである微生物産生ポリエステルから従来にない優れた性能を有する生体吸収性繊維の開発に成功した。この結果は、石油合成プラスチック以上の性能を生分解性バイオマスプラスチックからも出せることを実証したものであり、生産コスト面では劣る生分解性バイオマスプラスチックの開発研究に大きな前進をもたらすものと期待できる。また、今回開発に成功した繊維は、東京湾の海水でも完全に分解されることから、海洋マイクロプラスチック問題の解決の一助ともなりえる。本研究の成功は、医療分野においてのみならず、地球環境分野にも大きな成果であると考えられる。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2018-06-29 - 2021-03-31

【配分額】6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)

【研究分野】グリーン・環境化学

【研究領域課題番号】26248044 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオマスプラスチック / グルカル酸 / フェルラ酸 / 微生物産生ポリエステル / 物性 / 繊維 / 構造解析 / バイオベースプラスチック / 高分子多糖類 / フィルム / 生分解性プラスチック / 高分子材料 / 高分子構造 / 成型加工 / 酵素分解性 / 材料物性 / グリーンケミストリー / バイオベースポリマー / プルラン / キチン / キトサン / アルギン酸 / セルロース / エステル誘導体 / グルカル酸アセテート / ポリエステル / ポリアミド / バイオリファイナリー

【研究成果の概要】

本研究では、非可食系バイオマスから新規で高性能なバイオマスプラスチックの合成と基礎物性評価を目的とした。木材抽出成分のキシランからポリ乳酸ステレオコンプレックス用の結晶核剤の開発に成功した。バイオマスベース基幹物質の一つであるグルカル酸を出発原料として、結晶性を有するグルカル酸エステルとグルカル酸アミドの合成に成功した。さらに、米ぬかから抽出されるフェルラ酸から2種類の共重合体の合成にも成功した。一方、微生物により生合成された超高分子量バイオポリエステルを、低分子量バイオポリエステルに少量混ぜることで、高強度繊維が作製できることを見出すとともに、その構造を大型放射光のＸ線回折により解明した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】42,120千円 (直接経費: 32,400千円、間接経費: 9,720千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】25620168 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオベースプラスチック / 生分解性プラスチック / 微生物産生ポリエステル / フィルム / 繊維 / 酵素分解 / 超高分子量ポリエステル / 生合成 / バイオポリエステル / 生分解性ポリエステル / 高強度繊維 / 超高分子量化 / 手術用縫合糸 / 薬剤徐放 / 冷延伸 / Ｘ線トモグラフィー / バイオマス / 超高分子量 / 溶融紡糸 / 強度 / 延伸 / 熱的性質 / 機械的性質

【研究成果の概要】

本研究では、超高分子量バイオポリエステルを生合成するとともに、新たに開発した冷延伸・二段階延伸法、微結晶核延伸法、冷延伸・中間熱処理法などの延伸法を用いて、破壊強度1GPa以上の生分解性を有するバイオベースプラスチック繊維の開発に成功した。また、通常分子量のバイオポリエステルに超高分子量バイオポリエステルを少量添加することでにより、超高分子量からのみで作製した繊維以上の破壊強度を有する高強度繊維の作製に成功した。さらに、一部の繊維にはミクロンサイズの空孔が存在することがわかり、空孔に薬剤を埋入することにより長期に薬剤をゆっくりと徐放できる高機能性繊維の開発に成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】環境関連化学

【研究領域課題番号】22245026 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオベースプラスチック / 生分解性プラスチック / フィルム / 繊維 / 酵素分解性 / キシラン / ポリ乳酸 / 微生物産生ポリエステル / バイオマス / ヘミセルロース / 天然多糖類 / プラスチック / 機械的物性 / 生分解性 / バイオマスプラスチック / 多糖類 / エステル誘導体 / キシラン誘導体 / 結晶核剤 / 大型放射光 / バイオベース高分子 / 生分解性高分子 / ナノファイバー / 化学修飾 / 球晶観察

【研究成果の概要】

本研究では、非可食系バイオマスから新規なバイオベースプラスチックの合成と環境中で分解する生分解性プラスチックの高性能化を目的とした。木材から抽出されるヘミセルロースの一つであるキシランをエステル化することによりプラスチック材料化に成功した。さらに、キシランエステルが生分解性ポリエステルであるポリ乳酸に対し、非常に優れた結晶核剤効果を示すことを見出した。一方、生合成した超高分子量バイオポリエステルを用いて、高強度フィルムや繊維の作製に成功すると共に、分子鎖構造と結晶構造を大型放射光のＸ線回折により解析を行った。さらに、酵素分解性速度が結晶化度や分子鎖構造により制御できることを見出した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010-04-01 - 2015-03-31

【配分額】47,840千円 (直接経費: 36,800千円、間接経費: 11,040千円)

【研究分野】高分子構造物性(含繊維)

【研究領域課題番号】13750826 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生分解性プラスチック / 微生物産生ポリエステル / PHA分解酵素 / ATR / IR / プラスチック酵素分解メカニズム / ポリヒドロキシアルカン酸分解酵素 / 生分解性ポリマー / ATR-FTIR / 表面解析 / 表面結晶化度

【研究成果の概要】

本研究ではポリヒドロキシアルカン酸(PHA)分解酵素による分解でPHA表面に引き起こされる構造変化を減衰全反射(ATR)モードの赤外(IR)分光法により分析した。ATR/IRスペクトルのC=0伸縮振動バンドの解析により、酵素分解によりPHAの表面結晶化度は低下することが明らかとなった。PHA分解酵素によるPHA分解の速度は、結晶部分より非晶部分で大きいため分解により表面結晶化度は上昇すると予想されていたが、これとは逆の結果が得られたことになる。IR分光法の特性上、分子コンホメーションの僅かな違いもIRバンド上では結晶と非晶の違いとして現れる可能性がある。つまり、バンド変化から求められる結晶化度変化は、必ずしも結晶構造の完全な消失を表すとは限らない。例えば、結晶表面付近のやや運動性に富む鎖は非晶部や中間相を同位置にバンドを持つ可能性がある。そこで、バンド変化から明らかとなった結晶化度の減少は、酵素分解によりラメラが分割され結晶表面積が相対的に増加したこと、あるいは、酵素の作用により結晶表面の分子鎖の運動性が増加し構造的に乱れた状態になったことを表すものであると考えられる。後者の仮説が正しいなら、これまでPHA分解酵素に依るPHA分解は酵素のPHA試料表面への吸着と表面分子の分解の2段階反応と考えられてきたが、この間に表面付近の結晶構造を乱雑化という段階が存在することを示唆し、大変興味深い。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)

【研究分野】高分子合成

【研究領域課題番号】63850183 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

微生物ポリエステル / 共重合ポリエステル / バイオプラスチック / 生分解性ポリマ- / 発酵生産プロセス / 機能材科 / 微生物合成 / 水素細菌 / 機能材料 / 石油資化菌 / 生分解性プラスチック / 発酵生産プタセス / 生物分解性ポリエステル

【研究成果の概要】

多くの微生物は、プラスチックの一種のポリエステルを生合成し,それをエネルギ-貯蔵物質として体内に蓄えている。微生物のつくるポリエステルは,大地や海洋にすむ微生物によって分解されるために,地球の環境と生命を守るバイオプラスチックとして注目されている。筆者らは微生物のAlcaligenes eutrophusに与えるエサの炭素源を工夫することによって,すぐれた物理的性質をもつ2種の共重合ポリエステルが効率よく発酵生産することに成功した。A.eutrophusに酪酸と吉草酸を与えることによって,3ーヒドロキシブチレ-ト(3HB)と3ーヒドロキシバリレ-ト(3HV)とのランダム共重合体が発酵生産でき,炭素源組成を変えることによって共重合ポリエステルの組成を制御できることを見いだした。また,A.eutrophusに炭素源として4ーヒドロキシ酪酸,σーブチロラクトン,1,4ーブタンジオ-ル,1,6ーヘキサンジオ-ルなどを与えることによって,3HBと4ーヒドロキシブチレ-ト(4HB)とのユニットからなる新しいタイプの共重合ポリエステルが発酵生産できることを見いだした。これらの共重合ポリエステルは,フィ-ルドバッチ培養器を用いて,炭素源と窒素源との供給比率を調節してA.eutrophusを生産させると,一般培養法によって極めて高い生産効率で合成できることを明らかにした。新しいタイプの共重合ポリエステルは,共重合組成を変えることによって,結晶性の硬いプラスチックから弾性に富むゴムまで多様な物性を示す素材になるこの素材は,成形性にも優れており,ナイロンに匹敵する強い糸や,透明でしなやかなフィルムにも加工できることを示した。バイオポリエステルは,土,汚泥,海水にすむ自然界の微生物によって,モノマ-単位まで分解され,最終的には微生物によって資化されて生体物質や炭酸ガスに転換される生分解性プラスチックであることを実証した。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1988 - 1990

【配分額】8,300千円 (直接経費: 8,300千円)