プラスチックの大規模代替に期待！ニンジンが「変身」し、バナナの賞味期限が7日間延長

中国は中国の食生活の影響を受け、常に世界最大の果物と野菜の生産と消費を誇る国であり、果物と野菜の一人当たりの消費量は世界一です。例えば、2001年には中国人の1日当たりの果物と野菜の平均消費量は1,027グラムに達し、1日の総食料消費量の55%を占めていました。

近年、我が国の全体的な食生活の構造はあまり変わっておらず、果物と野菜は依然として毎日の食品消費量の中で最も多くを占めています。しかし、近年の社会経済の発展と生活水準の向上に伴い、果物の鮮度に対する人々の要求はますます高まっています。特にオンラインショッピングやテイクアウトサービスの普及により、多くの果物や野菜は新鮮さを保つために何層にも重ねたフィルムで包まれたり、プラスチックの箱に詰められたりするようになりました。

(出典: Pixabay)

これらの対策により、果物や野菜の鮮度は確保されますが、大量のプラスチック廃棄物やマイクロプラスチックも発生し、環境を汚染するだけでなく、私たちの健康にも有害です。

最近、プラスチック汚染を減らすために、スイス連邦材料科学技術研究所のグスタフ・ニストロム教授とタニャ・ツィンメルマン教授が協力して研究チームを率い、ニンジンや野菜の残渣を使って経済的な繊維状セルロースナノファイバーを製造し、それを特殊なスプレーにすることに成功しました。研究者らは実験で、このスプレーが果物や野菜の表面に保護繊維コーティングを形成し、バナナの保存期間を7日間延長できることを確認した。

グスタフ・ニストロム教授は、「この生物学的保護コーティングは、天然の果物や野菜の残留物に含まれるセルロースから変換されます。人体にはまったく無害で、洗浄も非常に簡単です。そのため、果物や野菜の保存期間を延ばし、食品廃棄物を削減するのに役立ちます。しかし、私たちの最大の目標は、これがプラスチック包装に取って代わり、環境汚染を削減できることを期待することです。」と述べました。

「食品包装用途のスプレー可能なコーティング剤としてのニンジン搾りかすからの持続可能なセルロースナノファイバーフィルム」と題されたこの研究は、ACS Sustainable Chemistry & Engineeringの最新号に掲載されました。

地球上で最も豊富なバイオポリマーであるセルロース

100 年以上前、「プラスチックの父」として知られるレオ・ベークランドがプラスチックを発明しました。かつて20世紀最大の発明と呼ばれたこの素材は、人類に大きな利便性をもたらしました。

しかし、100年後、人々は突然、この強くて耐久性のある素材が分解するのに何百年もかかり、地球環境を深刻に汚染していることに気付きました。しかし、人類はもはやこの素材なしでは生きていけません。

2010年には、世界では毎年2億7000万トンのプラスチックが生産されていました。 2019年までに、世界のプラスチックの年間生産量は4億トンに達した。 2030年までに世界のプラスチック生産量は7億トンに達すると推定されています。同時に、現在の世界のプラスチックリサイクル率は10％未満であり、90％以上のプラスチックが廃棄されることを意味します。

(出典: Pixabay)

近年、環境意識の向上に伴い、持続可能な未来に向けて、プラスチックに代わる高性能な再生可能素材を見つけることに人々が取り組んでいます。地球上で最も豊富な再生可能なバイオポリマーとして、セルロースは有望な候補です。

セルロースは、おそらく地球上で最も豊富なバイオポリマーであり、樹木、作物、その他のバイオマスに含まれています。再生可能な素材である繊維は、広く流通し、持続可能であるだけでなく、その独特の多次元構造と多様な機能は、人間の生産ニーズに非常に適合しています。

特に、セルロースを分解した後に生成されるフィブリル化セルロースは、サイズが可変かつ制御可能であり、特にナノスケールまで拡張した後は、機械的、光学的、熱的、流体力学的に優れた機能特性を備えています。例えば、機械的特性に関して言えば、セルロースの理論的な弾性率は約 100～200 GPa、引張強度は約 4.9～7.5 GPa であり、ほとんどの金属、合金、ポリマー、セラミックよりも高くなっています。

そのため、製品包装、繊維、再生可能消費財の分野でバイオプラスチックや持続可能な素材を試し始める企業が増えています。従来のプラスチックとは異なり、繊維状セルロースから作られたバイオプラスチックは、土壌中の細菌や真菌によって容易に分解されます。優れた機械的強度、高い耐熱性、耐化学腐食性も、従来のプラスチックに代わる可能性を秘めていることを示しています。

しかし、フィブリル化セルロースは機能性が高く、生分解性にも優れているものの、生産コストが高く、環境に優しくない可能性があります。このため、近年では生分解性素材を求める声は高まっているものの、実際の応用は未だ限られているのが現状です。

より手頃なオプション

現在、世界有数のフィブリル化セルロースナノファイバー生産者は、木材が広く入手可能であり、品質管理が比較的容易であることから、一般的に木材パルプを原料として使用しています。

しかし、グスタフ・ニストロム教授の意見では、木材パルプからフィブリル化セルロースナノファイバーを製造するのは賢明ではない。まず、木材は人間の生活に広く使用されており、繰り返し加工することは環境に優しくありません。第二に、木材は高価で費用がかかります。最後に、木材にはリグニン含有量が多く、木材繊維がしっかりと結合しているため、分離と抽出が困難です。

そのため、グスタフ・ニストロム教授は長年にわたり、フィブリル化セルロースナノファイバーの製造のための新しい原材料を見つけようと努めてきました。農産物や食品廃棄物中のセルロースの結合密度は非常に低く、リグニン含有量も非常に低いため、フィブリル化セルロースナノファイバーの製造コストも低く、非常に有望な原料となっています。

その中でも、にんじんは手軽で入手しやすい食材です。統計によると、2019年には世界中で合計4,500万トンのニンジンが生産され、そのほとんどはジュースに使用され、ジュースに残ったニンジン残渣には80％のセルロースが含まれていました。

（出典：ACS Sustainable Chemistry & Engineering）

これまでの予備研究では、ニンジンの残渣を使用してフィブリル化セルロースナノファイバーを製造することが可能であることが示されています。一方、ニンジン残渣由来のフィブリル化セルロースナノファイバーと木材由来のフィブリル化セルロースナノファイバーの間には品質の違いはありません。さらに重要なのは、ニンジン搾りかすを使用してフィブリル化セルロースナノファイバーを調製するために必要なエネルギーは、木材を使用する場合よりもはるかに低いことです。

しかし、にんじんの果肉は保存中に劣化しやすいため、原料の品質管理が困難です。この目的のために、グスタフ・ニストロム教授は、新鮮なニンジン搾りかすと3週間保存したニンジン搾りかすからフィブリル化セルロースナノファイバーを分離し、食品の包装と保存のための懸濁液を調製しました。

結果は、ニンジン残渣を使用してフィブリル化セルロースナノファイバーを調製した場合、ニンジン残渣が新鮮であるかどうかは、フィブリル化セルロースナノファイバーの性能に影響を与えないことを示しました。具体的には、研究者らは、これら 2 つの原料から調製されたフィブリル化セルロースナノファイバー懸濁液は保存性に優れており、バナナの保存期間を 7 日間延長できることを発見しました。

図 |バナナの保存期間の比較（出典：スイス連邦材料科学技術研究所）

さらに、グスタフ・ニストロム教授は、ニンジン搾りかすを使ってフィブリル化セルロースナノファイバーを調製する際に、漂白前処理を使用することで、ニンジン搾りかすに含まれるリグニンやその他の残留物を効果的に除去でき、フィブリル化セルロースナノファイバーの品質に影響を与えることなく、繊維化に必要なエネルギーを大幅に削減できることも発見しました。

グスタフ・ニストロム教授が開発したフィブリル化セルロースナノファイバー技術は現在、小売大手のリドル・スイス社および別の果物・野菜サプライヤーと共同でテストされ、改良されていると報じられている。新しいフィブリル化セルロースナノファイバーの鮮度保持コーティング。

参考文献:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.1c06345

https://phys.org/news/2022-01-ecological-coating-bananas.html

執筆者: 朱恒恒

編集者：王 哈哈

レイアウト: 李雪偉

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