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2014 年度 実績報告書

不凍タンパク質とイオンの協同効果による氷スラリー流中の氷粒子成長の高度制御

研究課題

研究課題/領域番号 24360081
研究機関京都工芸繊維大学

研究代表者

萩原 良道  京都工芸繊維大学, 工芸科学研究科, 教授 (50144332)

研究分担者 稲田 孝明  独立行政法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (60356491)
角田 直人  首都大学東京, 理工学研究科, 准教授 (70345437)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2015-03-31
キーワード熱工学 / 結晶成長 / 氷スラリー流 / 協同効果 / マイクロスケール伝熱
研究実績の概要

小型分散高効率熱交換システムの開発や食品材料などの保存法開発に極めて有効である、微細な氷粒子を多数含む水(氷スラリー)の流れにおける氷粒子の長期間安定化を最終目標とし、氷スラリー流に添加したイオンと不凍タンパク質の影響を解明することを目的とする。最終年度である平成26年度は、以下の結果を得た。
1.顕微鏡のステージ上の微細流路に冬ガレイ由来不凍タンパク質を含む氷スラリーを導入し、氷粒子の形状変化と速度の計測を行った。その結果、氷スラリー流に冬ガレイ由来不凍タンパク質を添加しない場合と比較して、氷粒子の一時的な移動速度上昇と氷の融解の大幅な遅れが得られた。これらは、氷スラリー流の安定化に大いに寄与する。
2.微細流路内の氷スラリーに関して、蛍光分子であるイソチオシアン酸フルオレセインを標識した不凍タンパク質の濃度場計測を行った。その結果,氷粒子成長時のみならず、氷粒子融解時にも不凍タンパク質が氷界面に吸着している可能性を明らかにした。このことは、熱的準平衡状態にある氷への不凍タンパク質の長期間吸着と同様の現象が熱的に非平衡である氷スラリー流においても生じることを示唆している。
3.不凍タンパク質の一部であるポリペプチドを用いた一方向凝固実験を行ったところ、濃度をあげることにより、不凍タンパク質と同様の効果があることを明らかにした。さらに、ポリペプチド水溶液を短時間加熱することにより、氷成長抑制効果が増すことを明らかにした。このポリペプチドは不凍タンパク質の安価な代替物質として有望である。
4.分子動力学シミュレーションを行い、氷水界面近傍のイオンの拡散係数が、界面から離れたイオンのそれに比較して低いことを明らかにした。そのことを踏まえて、界面に吸着した不凍タンパク質とイオンの近傍の水分子を調べたところ、両方の水和殻に含まれる水分子の運動が停滞することを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

26年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

26年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (11件) 図書 (2件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Supercooling enhancement by adding antifreeze protein and ions to water in a narrow space2015

    • 著者名/発表者名
      Yoshimichi Hagiwara and Hiroki Aomatsu
    • 雑誌名

      Int. J. Heat Mass Transfer

      巻: 86 ページ: 55-64

    • DOI

      10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.02.058

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Diffusion of cations in salt solutions between ice walls2015

    • 著者名/発表者名
      Yuta Nohara and Yoshimichi Hagiwara
    • 雑誌名

      Molecular Simulation

      巻: 41 ページ: 未確定

    • DOI

      10.1080/08927022.2014.931580

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 不凍タンパク質会合体と塩化ナトリウムによる氷粒子凝集抑制2014

    • 著者名/発表者名
      平 和也
    • 学会等名
      第3回生物の優れた機能から着想を得た新しいものづくりシンポジウム
    • 発表場所
      京都市
    • 年月日
      2014-12-19
  • [学会発表] 氷結晶面に吸着した冬ガレイ由来不凍タンパク質と氷水界面近傍のイオンによる氷成長抑制効果の解析2014

    • 著者名/発表者名
      安井 達也
    • 学会等名
      第3回生物の優れた機能から着想を得た新しいものづくりシンポジウム
    • 発表場所
      京都市
    • 年月日
      2014-12-19
  • [学会発表] 不凍タンパク質からヒントを得たポリペプチドと塩の混合水溶液における界面温度低下2014

    • 著者名/発表者名
      貝島 正
    • 学会等名
      第3回生物の優れた機能から着想を得た新しいものづくりシンポジウム
    • 発表場所
      京都市
    • 年月日
      2014-12-19
  • [学会発表] 不凍タンパク質とイオンの添加による界面温度低下2014

    • 著者名/発表者名
      萩原 良道
    • 学会等名
      「氷の準液体相と不凍現象」ワークショップ
    • 発表場所
      寝屋川市
    • 年月日
      2014-11-15
  • [学会発表] 加熱したポリペプチド水溶液による氷界面温度低下の促進2014

    • 著者名/発表者名
      西 真人
    • 学会等名
      「氷の準液体相と不凍現象」ワークショップ
    • 発表場所
      寝屋川市
    • 年月日
      2014-11-14
  • [学会発表] 陽イオンと氷のピラミッド面に吸着した不凍タンパク質の水和殻内の水分子の挙動2014

    • 著者名/発表者名
      寺井 航
    • 学会等名
      「氷の準液体相と不凍現象」ワークショップ
    • 発表場所
      寝屋川市
    • 年月日
      2014-11-14
  • [学会発表] On the depression of ice/water interface temperature by adding antifreeze protein and ions to water in a narrow space2014

    • 著者名/発表者名
      Yoshimichi Hagiwara
    • 学会等名
      2nd Ice-binding Protein Confere
    • 発表場所
      札幌市
    • 年月日
      2014-08-05
  • [学会発表] Trapping of water molecules by cations and sites of winter flounder antifreeze protein adsorbed on an ice pyramidal facet2014

    • 著者名/発表者名
      Koh Terai
    • 学会等名
      2nd Ice-binding Protein Confere
    • 発表場所
      札幌市
    • 年月日
      2014-08-04
  • [学会発表] Enhancement of the depression of ice/water interface temperature by heating polypeptide solutions2014

    • 著者名/発表者名
      Naoto Nishi
    • 学会等名
      2nd Ice-binding Protein Confere
    • 発表場所
      札幌市
    • 年月日
      2014-08-04
  • [学会発表] 生物の優れた機能から着想を得た新しいものづくり2014

    • 著者名/発表者名
      萩原 良道
    • 学会等名
      特定非営利活動法人CAE懇話会 第39回関西CAE懇話会
    • 発表場所
      京都市
    • 年月日
      2014-06-20
  • [学会発表] 不凍タンパク質の一部を基にしたポリペプチドの氷成長抑制2014

    • 著者名/発表者名
      西 真人
    • 学会等名
      第51回日本伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      浜松市
    • 年月日
      2014-05-23
  • [図書] Multiphase Flow Handbook 2nd ed.2015

    • 著者名/発表者名
      Yoshimichi Hagiwara et al.
    • 総ページ数
      未確定
    • 出版者
      CRC Press
  • [図書] 生体模倣技術と新材料・新製品開発への応用2014

    • 著者名/発表者名
      萩原 良道 ほか
    • 総ページ数
      702
    • 出版者
      技術情報協会
  • [備考] 生物の優れた機能から着想を得た新しいものづくり研究会

    • URL

      http://www.bioinspiredm.org/

  • [備考] 輸送現象制御学研究室

    • URL

      http://www.cis.kit.ac.jp/~kitagawa/

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公開日: 2016-06-01  

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