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Analysis of fluoride adsorption on rice and technology development for reduction of fluoride intake in areas with fluoride-laden groundwaters

Research Project

Project/Area Number 23K22891
Project/Area Number (Other) 22H01621 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 22060:Environmental systems for civil engineering-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

滝沢 智  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (10206914)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 橋本 崇史  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (80735712)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Keywordsフッ素摂取 / 米 / デンプン / 地下水 / 吸着
Outline of Research at the Start

地下水中のフッ素を摂取すると様々な健康影響を引き起こす。フッ素の主な摂取源として、飲料水以外に水中のフッ素を吸着する米飯があることをを2019年に報告した。本研究では、米飯等に含まれるデンプンへのフッ素の吸着機構と吸着動力学とを明らかにし、米飯等からのフッ素摂取量を推定するとともに、新たなフッ素除去技術の開発し摂取量を低減する。米飯等へのフッ素吸着機構を解明するため、NMRおよびFT-IRによる吸着機構の解析、デンプンの糊化や老化とフッ素吸着との関係性の解析、フッ素吸着に関する動力学的な解析等を行う。さらに、デンプンへのフッ素吸着特性を利用して、新しい水中のフッ素除去技術を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

(1)デンプン含有食品へのフッ素吸着機構の解明として、水素結合阻害剤を異なる条件で添加し、デンプン中のamyloseとamylopectinへのフッ素吸着に及ぼす影響を検証した。フーリエ変換赤外吸光法(FT-IT)と核磁気共鳴法(NMR: Nuclear Magnetic Resonance)を用い、デンプンの構成成分である、グルコースやデキストリン、amyloseとamylopectinとフッ素の水素結合を1H /19F NMRを用いたHSQCにより解析を行った。水素結合の分子モデル解析(PyMol)にて、フッ素イオンとデンプン分子との水素結合の有無を検証を行った。セルロースへのフッ素吸着との比較による解析・検証を行い、PyMolセルロースのフッ素吸着機構を解明した。
(2)デンプン含有食品へのフッ素吸着の動力学として、炊飯前の洗米・浸漬における含水率の変化と、フッ素の拡散および吸着の過程を解析した。COMSOL Multiphysicsの固体力学モジュールと拡散吸着モジュールを組み合わせて、米粒内のデンプンへのフッ素吸着動力学を解析し、米粒内の水分及びフッ素分布、顕微鏡染色画像などと比較しモデルを検証した。比較対象として、塩素イオンの澱粉への吸着も検証を行った。
(3)デンプンへのフッ素吸着機構を用いた水中のフッ素除去技術の開発として、デンプンへのフッ素吸着機構と動力学を解析し、デンプン粒子を水中のフッ素除去技術として用いることを検討した。
(4)デンプン含有食品からのフッ素摂取量の推定と摂取量削減法の検討として、調査対象地域における食生活を調査し、デンプンを含む主食について、調理工程におけるフッ素の吸着量を測定し、米穀等からのフッ素摂取量を推定し、飲料水からの摂取量と比較し、WHOの飲料水ガイドラインの見直しの要否について検討を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

フッ素の摂取は、ヒトの健康に影響を及ぼすことが知られており、これまでは飲料水からの摂取が主な摂取源であると考えられてきた。しかし、近年の研究によると、食品からのフッ素の摂取も無視できないことが報告されている。そこで、本研究ではフッ素を含む水中に浸漬あるいは沸騰した水中に浸漬した食品へのフッ素の吸収および吸着を実験的に確認した。実験の結果として、コメ中のフッ素含有量は、従来考えられていたフッ素含有水を吸収することによって含まれる値よりも高く、フッ素がコメに吸着されることが推定された。これについて、コメへのフッ素吸着後の水中のフッ素濃度を、吸着前のフッ素濃度と比較したところ、コメへのフッ素吸着によって、水中のフッ素濃度が低下していることが確認できた。また、コメデンプンのヨウ素ヨウ化カリウムによる染色反応に対して、
フッ素イオンが阻害することから、フッ素イオンはヨウ素とデンプンの相互作用に影響することが明らかとなった。コメを炊飯することや、野菜を調理することを想定して、50℃および100℃の水中でフッ素の吸収と吸着を調べたところ、加温することでフッ素の吸収および吸着量が大幅に増加することが示された。これらのことから、フッ素含有水を調理用水として使用すると、従来考えられていたよりも多くのフッ素を摂取することが示された。

Strategy for Future Research Activity

本年度の研究で、コメ、野菜などにフッ素が吸着することが確認できた。今後の研究では、フッ素の吸着機構について検討する。検討法としては、コメ中のデンプンへのフッ素吸着が水素結合によるものだとの仮説に基づいて、フッ素と同じくハロゲンイオンである塩素イオンの吸着についての実験を行う。異なる塩素イオンとフッ素イオン濃度の溶液からコメへの競合吸着について調べる。また、水素結合阻害剤として知られている尿素などを添加して、フッ素の吸着に及ぼす影響を評価する。また、フッ素とデンプンの水素結合を調べるため、Molecular Dynamics Modelの一つであるPyMolを用いて検討する。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (22 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 11 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Journal Article] Dynamic analysis of non-revenue water in district metered areas under varying water consumption conditions owing to COVID-192024

    • Author(s)
      Pathirane Ashan、Kazama Shinobu、Takizawa Satoshi
    • Journal Title

      Heliyon

      Volume: 10 Issue: 1 Pages: e23516-e23516

    • DOI

      10.1016/j.heliyon.2023.e23516

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      Tan Dai Yue、Hashimoto Takashi、Takizawa Satoshi
    • Journal Title

      Journal of Membrane Science

      Volume: 666 Pages: 121141-121141

    • DOI

      10.1016/j.memsci.2022.121141

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    • Author(s)
      Khanal Shekhar、Kazama Shinobu、Benyapa Sawangjang、Takizawa Satoshi
    • Journal Title

      Water

      Volume: 15 Issue: 12 Pages: 2305-2305

    • DOI

      10.3390/w15122305

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      Widianingtias Mitria、Kazama Shinobu、Benyapa Sawangjang、Takizawa Satoshi
    • Journal Title

      Water

      Volume: 15 Issue: 14 Pages: 2642-2642

    • DOI

      10.3390/w15142642

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      Journal of Hazardous Materials

      Volume: 443 Pages: 130162-130162

    • DOI

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      Water

      Volume: 14(20) Issue: 20 Pages: 3197-3197

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      10.3390/w14203197

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      Water

      Volume: 14(19) Issue: 19 Pages: 3025-3025

    • DOI

      10.3390/w14193025

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      Journal of Cleaner Production

      Volume: 367(20) Pages: 133123-133123

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      10.1016/j.jclepro.2022.133123

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      Water

      Volume: 14(15) Issue: 15 Pages: 2369-2369

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      10.3390/w14152369

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      Muzaffar Abbas, Shinobu Kazama, Satoshi Takizawa
    • Journal Title

      Water

      Volume: 14(15) Issue: 14 Pages: 2197-2197

    • DOI

      10.3390/w14142197

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      Sustainability

      Volume: 14(9) Issue: 9 Pages: 5386-5386

    • DOI

      10.3390/su14095386

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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