| Project/Area Number |
22K12451
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 64030:Environmental materials and recycle technology-related
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| Research Institution | Okayama University of Science |
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Principal Investigator |
山田 真路 岡山理科大学, 理学部, 教授 (80443901)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | プロタミン / 抗菌性素材 / バイオプラスチック / 生分解性素材 / 環境材料 |
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| Outline of Research at the Start |
プロタミンは核タンパク質の一種でありアミノ酸組成としてアルギンが2/3以上存在する強塩基性である。そのため、食品保存剤として使われるほど抗菌性を有している。その上、プロタミンは産業廃棄物として処分されている魚類の白子から容易に得ることができるため、サスティナブルな資源である。そこで、本研究課題ではプロタミンを用いた抗菌性バイオプラスチックの創製を提案する。プラスチックの創製にあたり、プロタミンは低分子量で特定の立体構造を有しない水溶性タンパク質であるため、不溶化が必須である。そのため、分子架橋を用いた不溶化を行う。更に、得られたプラスチックに対して構造、熱物性、抗菌性、生分解性評価を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロプラスチックはそれ自身またはマイクロプラスチックに吸着した有害物質が生物濃縮されることで人体に影響を与えることが懸念されている。そのため、マイクロプラスチックに関する対策が全世界で行われている。マイクロプラスチックの発生原因は様々あるが、その1つが石油由来のプラスチックが自然界で分解されないことである。この問題を解決する方策の一つにサスティナブルな原料を用いた生分解性プラスチックの創製がある。現在までに、植物由来かつ生分解性を有する素材としてポリ乳酸がある。しかしながら、ポリ乳酸は植物からデンプンを得て、そのデンプンを発酵させて乳酸とし、その乳酸を重合することで得られる素材であるため、多くのエネルギーを消費する。そこで、本研究課題では魚類の白子、特にサケの白子に含まれる核タンパクの一種・プロタミンに注目した。プロタミンはアミノ酸の2/3以上がアルギニンという特殊なアミノ酸組成を有しており、強塩基性タンパク質の一種である。一方、現在までに塩基性を示す素材は高い抗菌性を示すことが知られており、プロタミンも食品保存料としての使用が認められている。そのため、プロタミンからなるバイオプラスチックは抗菌性を有していると考えられる。
本研究課題の2年目は主に2つの事を行った。①初年度はペレット化したプロタミンをホルムアルデヒド溶液に浸漬後、加熱することでプロタミンプラスチックを作製した。そこで、初年度に作製したプロタミンプラスチックをプロナーゼ（タンパク質分解酵素）溶液に浸漬し、生分解評価を行った。②初年度に行ったホルムアルデヒドを用いて架橋させる手法は、作製に比較的時間が掛かる。そこで、アニオン性界面活性剤との複合化を試みた。具体的には、アニオン性界面活性剤とプロタミンを複合化し、その構造と物性評価を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
①初年度に作製した、ホルムアルデヒド架橋型のプロタミンプラスチックの生分解性はプラスチックをプロナーゼ溶液に浸漬し、その質量を測定することで評価した。その結果、浸漬時間と共に生分解が進行することが示唆され、6日間で約30％であった。そこで、酵素濃度を上げて測定を試みたが、大きな違いは見られなかった。そのため生分解後のプロタミンプラスチックの目視による評価を行った。その結果、酵素溶液に浸漬したプラスチックが黄色に着色しており、プラスチック表面に酵素が吸着することが示唆された。
②プロタミンプラスチックはプロタミン硫酸塩とドデシル硫酸ナトリウム（SDS）溶液を混合し、得られた沈殿をペレット化することで得た。プロタミンのアルギニンとSDSのモル比を1:0.1～1:10で作製したがIRで評価したところ、全てのモル比で得られた物質は同じであり、プロタミンのアルギニンとSDSが1:1で相互作用していることが示唆された。そこで、全てのプロタミンプラスチックをプロタミンのアルギニンとSDSのモル比を1:1で混合することで作製した。
プロタミンプラスチックの構造をIRスペクトルから解析したところ、複合化することで硫酸塩によるシグナルが消失した。更に、SDSのS=Oに由来するシグナルが、低波数側にシフトすることが示された。以上のことから、プロタミン硫酸塩の硫酸塩部分とSDSが置き換わり、プロタミンプラスチックを形成していることが示唆された。
得られたプロタミンプラスチックの熱安定性と力学的強度を評価した。プラスチックの熱安定性は複合化することでプロタミン由来の120℃付近の吸熱ピーク、SDS由来の170℃付近の吸熱ピークが消失することが示された。これらの事から、複合化することで熱安定性が増加することが示唆された。一方、プラスチックの曲げ強度は約1 MPaであり非常に強度の低い素材であった。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は抗菌評価を除き、ほぼ進行することが出来た。2024年度は①プロタミンプラスチックの新規な製方法の検討と同時に、②プロタミンとSDSから得られるプロタミンプラスチックの生分解性評価を行いたい。更に③得られたバイオプラスチックの抗菌性評価を行いたい。最終年度に向けて①～③の実験を遂行することで、研究成果をまとめていきたいと考えている。
①に関しては、現在まで室温でプレスすることでプロタミンプラスチックの作製を行っていたが、2023年度にホットプレス機を購入したため、ペレット化と架橋反応を同時に行うことが可能である。今までの手法ではホルムアルデヒド溶液に浸漬することでペレットの膨潤が起こり、分子間の距離が広がることで十分な架橋が進行しないことが懸念されていた。しかし、ホットプレス機を用いることで更に効率よく反応を進行させることが出来るため、従来のプロタミンプラスチックとは異なる新しい物性を示す素材を作製することができると考えられる。更に新規なプロタミンプラスチックの作製方法としては、脱塩したプロタミンを用い溶液中で架橋させる手法を用いたいと考えている。架橋剤としては今までの実験で最も良い結果が得られているホルムアルデヒドを想定している。
②に関しては2023年度に行った生分解性評価と同様にプロナーゼ（タンパク質分解酵素）溶液にプロタミンプラスチックを浸漬し、その質量変化から評価したい。ただし、2023年度の結果から推測できるように、プロタミンは酵素を吸着させる性質があるようで、生分解性を示すものの高い値は得られないことが予想される。その場合は、酵素濃度を上げて実験を行いたいと考えている。
③に関しては大腸菌を用いたハローテストを行うことで、抗菌性評価を行いたいと考えている。今後、評価機関との打ち合わせを予定している。
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