平成 25年度

博士論文

生分解性高分子の高機能および高性能化に関する研究

金沢工業大学 工学研究科

バイオ・化学専攻

谷田 育宏

目次

目次

第 1章 緒 論

1 - 1 研究 背景 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1

1 - 2 本論 文で 取 り上 げる 諸問 題 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3

1 - 3 研究 目的 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3

1 - 4 本論 文の 構 成 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5

参考 文献

第 2章 生 分 解 性 高 分 子 表 面 へ の 微 細 構 造 付 与 と 微 生 物 付 着

特 性

2 - 1 緒 言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 0

2 - 2 実 験

2 - 2 - 1 生 分 解性 試料 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 2

2 - 2 - 2 微 細 構造 を有 する 生 分解 性高 分子 基 板の 作製

2 - 2 - 2 - 1 格 子 状 溝加 工転 写 P C L シー ト · · · · · · · · · · · · · 1 2

2 - 2 - 2 - 2 微 細 メ ッシ ュ転 写 P C L シー ト · · · · · · · · · · · · · 1 3

2 - 2 - 3 使 用 菌株 およ び使 用 培地 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 9

2 - 2 - 4 微 生 物 付 着試 験

2 - 2 - 4 - 1 真 菌 の 付着 試験 方 法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 1

2 - 2 - 4 - 2 一 般 細 菌の 付着 試 験方 法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 1

2 - 2 - 5 表面 観察 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 1

2 - 2 - 6 微細 構造 シー ト 上で の麹 菌量 測 定 · · · · · · · · · · · · · · 2 1

2 - 2 - 7 表面 構造 解析

2 - 2 - 7 - 1 微 細 構 造シ ート 表 面の e d g e 間 隔の 存 在 割合

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 2

2 - 2 - 7 - 2 ア ス ペ クト 比に よ る凹 凸形 状評 価 · · · · · · · · · 2 2

2 - 3 結 果 およ び 考察

2 - 3 - 1 微 生 物の 付着 特性 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 3

2 - 3 - 2 表 面 構造 と微 生物 付 着の 関係 性 · · · · · · · · · · · · · · · · 3 1

2 - 4 結 言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 4

目次

参考 文献

第 3章 麹 菌 に よ る 生 分 解 性 高 分 子 の 衛 生 的 分 解

3 - 1 緒 言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 6

3 - 2 麹 菌 によ る P C L 基板 の分 解 試験

3 - 2 - 1 分 解 試験 方法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 6

3 - 2 - 2 表 面 観察 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 7

3 - 3 麹 菌 付着 P C L 基 板 の 抗菌 性評 価

3 - 3 - 1 培 養 液中 の抗 菌性 評 価方 法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 7

3 - 3 - 2 P C L 基 板 上で の抗 菌 性評 価方 法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 7

3 - 4 結 果 およ び 考察

3 - 4 - 1 分 解 性評 価 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 8

3 - 4 - 2 抗 菌 性評 価 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 0

3 - 5 結 言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 3

参考 文献

第 4章 水 溶 性 有 害 物 質 高 分 解 能 担 体 の 開 発

4 - 1 緒 言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 5

4 - 2 実 験 Ⅰ：微 細メ ッシ ュ P B S A シー ト での ホ ルム アル デ

ヒド およ び ギ酸 分解 性能 評 価

4 - 2 - 1 生 分 解性 高分 子試 料 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 7

4 - 2 - 2 使 用 菌株 およ び使 用 培地 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 8

4 - 2 - 3 麹 菌 によ る P B S A 分 解試 験 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 9

4 - 2 - 4 微 細 構造 を有 する P B S A シー ト へ の 麹菌 付着 試験

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 9

4 - 2 - 5 ホ ル ムア ルデ ヒド 耐 性確 認試 験 · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 1

4 - 2 - 6 ホ ル ムア ルデ ヒド 分 解試 験 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 1

4 - 2 - 7 最 少 培 地 に よ る ホ ル ム ア ル デ ヒ ド の 資 化 確 認 試 験

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 2

4 - 2 - 8 ギ 酸 分解 試験 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 3

4 - 3 実 験 Ⅱ： 麹 菌 /栄 養 源 / P B S A 複合 担体 の ホル ムア ルデ

目次

ヒド 長期 分 解機 能性 評価

4 - 3 - 1 再 利 用化 モデ ル · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 4

4 - 3 - 2 麹 菌 /栄養 源 / P C L 複 合 担体 の作 製 · · · · · · · · · · · · · · · · 5 5

4 - 3 - 3 ホ ル ムア ルデ ヒド 分 解性 能評 価試 験 · · · · · · · · · · · · 5 6

4 - 4 結 果 およ び 考察 Ⅰ：微 細 メ ッシ ュ P B S A 担 体の ホル ム

アル デヒ ド およ びギ 酸分 解 性

4 - 4 - 1 麹 菌 によ る P B S A の 分解 性 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 6

4 - 4 - 2 微 細 構造 P B S A 担体 の 麹菌 付着 性 · · · · · · · · · · · · · · · 6 1

4 - 4 - 3 麹 菌 のホ ルム アル デ ヒド 耐性 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 2

4 - 4 - 4 麹 菌 付着 P B S A 担体 に よる ホル ムア ル デヒ ド分 解

促進 性 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 4

4 - 4 - 5 麹 菌 付着 P B S A 担体 に よる ギ酸 分解 促 進性 · · · · 6 5

4 - 5 結 果 およ び 考察 Ⅱ： 麹 菌 /栄 養素 / P C L 複 合 体 によ るホ

ルム アル デ ヒド の分 解性 能 評価 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 9

4 - 6 結 言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 2

参考 文献

第 5章 植 物 構 造 を 模 倣 し た 撥 水 性 生 分 解 性 高 分 子 基 板 の 開

発

5 - 1 緒 言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 6

5 - 2 実 験

5 - 2 - 1 生 分 解性 高分 子試 料 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 8

5 - 2 - 2 植 物 ワッ クス の抽 出 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 9

5 - 2 - 3 微 細 メッ シュ P B S A シー トの 作製 · · · · · · · · · · · · · · 7 9

5 - 2 - 4 既 存 の ワ ッ ク ス 剤 を 塗 布 し た 微 細 メ ッ シ ュ 構 造

転写 P B S A シー トの 作製 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 9

5 - 2 - 5 接 触 角 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 0

5 - 2 - 6 植 物 ワッ クス の成 分 解析 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 0

5 - 2 - 7 2 次 元 フ ーリ エ変 換 によ る表 面周 波 数解 析 · · · 8 1

5 - 2 - 8 滑 落 性評 価 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 2

5 - 2 - 9 大 腸 菌付 着性 評価 試 験 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 2

目次

5 - 3 結 果 およ び 考察

5 - 3 - 1 植 物 ワッ クス の撥 水 効果 と成 分解 析 · · · · · · · · · · · 8 3

5 - 3 - 2 微 細 メ ッ シ ュ 転 写 構 造 と ワ ッ ク ス に よ る 生 分 解

性高 分子 表 面の 撥水 性評 価 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 0

5 - 3 - 3 滑 落 性能 評価 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 7

5 - 3 - 4 ワ ッ ク ス を 塗 布 し た 微 細 メ ッ シ ュ 転 写 シ ー ト の

大腸 菌付 着 性評 価 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 8

5 - 4 結 言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 9

参考 文献

第 6章 超 親 水 性 生 分 解 性 高 分 子 基 板 の 構 築

6 - 1 緒 言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 0 2

6 - 2 実 験

6 - 2 - 1 生 分 解性 高分 子試 料 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 0 3

6 - 2 - 2 ろ 紙 転写 P C L シー トの 作 製 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 0 3

6 - 2 - 3 表 面 観察 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 0 3

6 - 2 - 4 接 触 角 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 0 4

6 - 2 - 5 大 腸 菌付 着性 評価 試 験 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 0 5

6 - 3 結 果 およ び 考察

6 - 3 - 1 ろ 紙 転写 P C L シー トの 親 水性 評価 · · · · · · · · · · · · 1 0 5

6 - 3 - 2 ろ 紙 転写 P C L シー トの 大 腸菌 付着 性 評価 · · · · 1 0 7

6 - 4 結 言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 0 8

参考 文献

第 7章 天 然 色 素 で 着 色 し た 生 分 解 性 高 分 子 材 料 の 開 発

7 - 1 緒 言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 0

7 - 2 実 験 Ⅰ：天 然色 素で 着 色し た生 分解 性 高分 子の 作製 と

蛍光 機能 性 の発 現

7 - 2 - 1 天 然 色素 の抽 出 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 2

7 - 2 - 2 植 物

7 - 2 - 2 - 1 オ オ ム ギワ カバ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 3

目次

7 - 2 - 2 - 2 ウ コ ン · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 4

7 - 2 - 2 - 3 ト ウ ガ ラシ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 5

7 - 2 - 2 - 4 キ ハ ダ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 6

7 - 2 - 3 天 然 色素 抽出 液の 蛍 光 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 7

7 - 2 - 4 天 然 色素 着色 P C L シ ー ト の作 製 · · · · · · · · · · · · · · · 11 7

7 - 2 - 5 天 然 色素 着色 試料 の 蛍光 特性 · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 7

7 - 3 実 験 Ⅱ：タ マネ ギ外 皮 色素 によ る天 然 色素 着色 生分 解

性高 分子 の 退色 抑制 効果

7 - 3 - 1 試 験 試料 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 8

7 - 3 - 2 U V ラ ンプ （ 3 5 2 n m）に よる 促進 暴露 試 験 · · · · 11 8

7 - 3 - 3 室 内 環境 下で の退 色 評価 試験 · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 9

7 - 3 - 4 タ マ ネギ 外皮 色素 の 抽出 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 2 0

7 - 3 - 5 ト ウ ガラ シ /タ マ ネギ 外皮 P C L シー トの 作 製 1 2 0

7 - 3 - 6 赤 外 吸収 スペ クト ル 測定 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 2 0

7 - 3 - 7 紫 外 ・可 視吸 収ス ペ クト ル測 定 · · · · · · · · · · · · · · · 1 2 0

7 - 4 実 験 Ⅲ： 分 子軌 道法 に よる 劣化 機構 の 推定

7 - 4 - 1 試 験 試料 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 2 1

7 - 4 - 2 U V ラ ンプ によ る色 素 の劣 化 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 2 1

7 - 4 - 3 分 子 軌道 法に よる 計 算 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 2 2

7 - 4 - 4 有 機 色素 の分 子軌 道 計算 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 2 2

7 - 5 実 験 Ⅳ： ケ ルセ チン の 紫外 線吸 収性 能 評価

7 - 5 - 1 試 験 試料 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 2 3

7 - 5 - 2 紫 外 線吸 収性 能評 価 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 2 3

7 - 6 実 験 Ⅴ：カ ルコ ンの ア ルキ ル化 によ る 紫外 線吸 収剤 と

して の性 能 評価

7 - 6 - 1 試 験 試料 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 2 3

7 - 6 - 2 ア ル キル 化カ ルコ ン の分 子構 造解 析 · · · · · · · · · · 1 2 4

7 - 6 - 3 ア ル キル 化カ ルコ ン の 紫 外線 吸収 性 能評 価 · · 1 2 4

7 - 7 結 果 およ び 考察 Ⅰ：天 然色 素 で着 色し た 生分 解性 高分

子の 作製 と 蛍光 機能 性の 発 現

7 - 7 - 1 抽 出 した 天然 色素 の 紫外 ・可 視光 吸 収特 性 · · 1 2 4

目次

7 - 7 - 2 天 然 色素 着色 P C L シ ー ト の着 色性 と 蛍光 特性

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 3 1

7 - 8 結 果 およ び 考察 Ⅱ：タ マネ ギ 外皮 色素 に よる 天然 色素

着色 生分 解 性高 分子 の退 色 抑制 効果

7 - 8 - 1 天 然 色素 着色 P C L シ ー ト の退 色性 評 価 · · · · · · · 1 3 6

7 - 8 - 2 抽 出 し た タ マ ネ ギ 外 皮 色 素 の 化 学 構 造 と 紫 外 線

吸収 性 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 4 2

7 - 8 - 3 タ マ ネ ギ 外 皮 色 素 の 添 加 に よ る 天 然 色 素 着 色

P C L シー トの 退 色抑 制効 果 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 4 7

7 - 9 結 果 およ び 考察 Ⅲ：分 子軌 道 法に よる 劣 化機 構の 推定

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 5 0

7 - 1 0 結 果 お よ び 考 察 Ⅳ ： ケ ル セ チ ン の 紫 外 線 吸 収 性 能 評

価 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 5 5

7 - 11 結 果 お よ び 考 察 Ⅴ ： カ ル コ ン の ア ル キ ル 化 に よ る 紫

外線 吸収 剤 とし ての 性能 評 価

7 - 11 - 1 ア ルキ ル 化カ ルコ ン の構 造解 析 · · · · · · · · · · · · · · 1 5 8

7 - 11 - 2 ア ル キ ル 化 カ ル コ ン の 紫 外 線 吸 収 剤 と し て の 特

性評 価 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 5 8

7 - 1 2 結言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 6 2

参考 文献

第 8章 結 論 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 6 5

関 連 論 文 お よ び 発 表 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 7 0

謝 辞 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 7 3

第 1章 緒論

1

第 1 章 緒論

1 - 1 研 究 背 景

生分 解 性高 分子 は現 在 まで 環境 適合 材 料と して 様々 な 研 究

報 告 がさ れ て き た 1 ） ～ 5 ）。 し か し な がら 、 そ の 多 く は分 解 促

進性 や 複合 化に よる 強 度維 持な どの 報 告 で あり 、今 後 はこ れ

らの 報 告結 果を もと に 多用 途に 利用 さ れる 技術 開発 が 必要 で

ある 。

生分 解 性高 分子 の用 途 展開 の方 法と し て高 機能 や高 性 能 化

によ る 従来 高分 子と の 差別 化が 考え ら れる 。生 分解 性 高分 子

の有 す る環 境調 和性 と いう べき 分解 性 能を 利用 しな が ら、 新

しい 機 能を 付与 する こ とに よっ て、 利 用で きる 分野 の 拡大 が

見込 める 。

生分 解 性高 分子 を取 り 扱う 上で 微生 物 の役 割は とて も 重 要

な要 素 であ る 。 生分 解 性高 分子 の多 く は土 壌中 に存 在 する 微

生物 の 産生 する 酵素 に よっ て最 終的 に は水 と二 酸化 炭 素に 分

解さ れ自 然 界に 循環 され る 6 ）。 微生 物の 働 きを 活用 する こ と

によ っ て 、 生分 解性 高 分子 の利 用範 囲 はさ らに 拡大 す る可 能

性が ある 。

微生 物 は約 3 0 億年 前 から 地球 上最 初 の生 命体 とし て 誕 生

し、 次 第に その 数を 増 やし てき たと 推 定さ れ 、 現在 で は 自 然

環境 中 に多 種多 様 に 存 在し 、各 々の 特 性を 生か し 生 息 して い

る 7 ）。 これ ら の 微生 物の 多 くは 大気 中や 水 中に 浮遊 して い る

より は 、 物 の表 面に 付着 し た状 態に ある と 言わ れて いる 8 ）。

例え ば ブル ーチ ーズ な どの 製造 工程 に 利用 され る青 か び は チ

ーズ の表 面 や内 部 に 付着 し て生 育し てい る 9 ）。 また 、 日 本 古

来よ り 醸造 工程 に利 用 され てい る 麹 菌 は蒸 米 中 で生 育 する た

めに 表面 へ 付着 す る 1 0 ）。 一方 で 真菌 症 1 1 ） など 人 体に 付着 す

るこ と によ って 害を 与 える 微生 物も 多 く存 在す る 。 こ のよ う

に、表面 へ の微 生 物 付 着は ご く一 般的 な現 象 であ ると とも に 、

第 1章 緒論

2

微生 物 の持 つ機 能を 発 揮す るた めの と ても 重要 な現 象 であ る

とい える 。

この 微 生物 付 着 性は 生 分解 性高 分子 の 土壌 中で の分 解 過 程

にも 大 きく 関与 する 。 微生 物分 解型 の 生分 解性 高分 子 であ る

ポリ （ ε‐カ プ ロ ラク トン ）（ 以 下 P C L） やポ リブ チ レン サク

シ ネ ー ト ・ ア ジ ペ ー ト （ 以 下 P B S A） を 自 然 環 境 中 で 分 解 さ

せる ため に はま ず 、試料 表 面へ の 微生 物の 付 着が 必要 であ る 。

前報 よ り、 微生 物の 付 着性 は試 料表 面 のマ イク ロス ケ ール の

構造 に強 く 依存 する こと が 明ら かに され て おり 1 2 ）、実際 に 表

面 が 平 滑 な P C L の 基 板 上 に は 真 菌 の 付 着 は す ぐ に は 認 め ら

れ な い の に 対 し 、 表 面 を マ イ ク ロ ス ケ ー ル の 多 孔 質 構 造 に形

成す る こ と によ っ て 著 し く 付 着 す る 結 果 が 得 ら れ て い る 1 3 ）。

これ ま で 、 微生 物 付 着 を促 すた めに は 化学 的処 理を 試 料 表

面 に 施 す こ と に よ っ て 微 生 物 と の 親 和 性 を 高 め る 方 法 1 4 )が

とら れ てき たが 、微 細 構造 を付 与す る だけ の簡 便な 手 法 で 微

生物 付 着を 促す こと が でき れ ば 、環 境 面に おい ては 低 負荷 で

あり 、か つ 産業 面 にお いて は 低コ スト な P C L 基 板 とし て利 用

価値 の広 が りが 期待 でき る 。

一方 、 近年 では バイ オ ミメ ティ クス と 呼ば れる 「自 然 に 学

ぶも の づく り」 に多 く の関 心が 寄せ ら れて いる 。 生 物 を模 倣

する こ とに より 工学 的 な技 術で 新機 能 を付 与し た材 料 を提 案

する こ とが でき 、す で に実 用化 され て いる 技術 も多 く 、今 後

もそ の発 展 性は 高い とい える 1 5 ）。

バイ オ ミメ ティ クス の 中で もよ く研 究 され てい るの は ハ ス

やサ ト イモ が有 する 撥 水性 表面 の効 果 であ ろう 。 ハ ス やサ ト

イモ の 表面 には サブ ミ クロ ンス ケー ル の凹 凸構 造が あ り、 こ

の表 面 に水 滴が 落下 し ても 球体 にな り 滑落 する 。バ イ オミ メ

ティ ク スで はこ の現 象 を工 学的 に作 り 出し 、防 汚性 を 高め る

など の性 能 向上 に利 用し て いる 。2 0 0 8 年の 生物 多 様性 条約 第

9 回締 約 国会 議 （ C O P 9） や 2 0 0 9 年の 国 連環 境 計画 （ U N E P）

にお い て「 生物 模倣 に よる 技術 革新 」 が紹 介さ れて お り注 目

第 1章 緒論

3

を集 めて いる 1 5 ）。自然 環 境へ の配 慮に つい て 取り 組ま れて い

る生 物 多様 性に は 、 バ イオ ミメ ティ ク ス技 術と して も 環境 調

和材 料の 生 分解 性高 分子 を 用い るこ とが 望 まし い。

また 、 今後 は 着 色に よ る製 品の 装飾 性 およ び商 品価 値 の 向

上が 今 後益 々重 要に な ると 考え られ る 。現 在、 大部 分 の生 分

解性 高 分子 の着 色に は 既存 の有 機顔 料 や無 機顔 料な ど が使 用

され てい る 1 6 )。しか しな が ら、有機 顔料 で ある 不溶 性モ ノ ア

ゾ顔 料 、ア ゾレ ーキ 顔 料 、 ジス アゾ 顔 料に は発 ガン 性 や変 異

原性 を 有す るも のや 、 無機 顔料 であ る 金属 酸化 物系 顔 料に は

有害 な 重金 属が 含ま れ てい るも のが あ り、 環境 に対 す る影 響

が懸 念さ れ てい る 1 7 )。生分 解 性 高分 子は 環 境調 和材 料と し て

使用 さ れる もの であ り 、分 解後 に有 害 な着 色剤 が土 壌 や水 中

に蓄 積 して はそ の意 味 をな さな い。 こ のこ とか ら、 生 分解 性

プラ ス チッ クに は人 や 環境 に対 して よ り安 全な 着色 が 必要 だ

と考 えら れ る。

1 - 2 本 論 文 で 取 り 上 げ る 諸 問 題

本論 文で は 、現 代 社会 で問 題 視さ れて いる 衛 生上 の課 題や 、

環境 汚 染問 題、 利用 者 への 健康 上の 問 題 に 対し て 従 来 の汎 用

性高 分 子や 薬剤 を用 い て対 応し た場 合 に、 環境 中や 人 体へ 有

害性 の ある 化合 物が 取 り込 まれ る懸 念 があ る。 上記 課 題を 解

決す る ため の材 料は 安 全な 材料 であ る こと が望 まし く 、環 境

調和 性 に優 れた 生分 解 性高 分子 を用 い た対 策品 を提 供 する こ

とは 最適 な 方法 とい える 。

1 - 3 研 究 目 的

本研 究 では 、生 分解 性 高分 子の 用途 展 開を 目的 とし 、 従 来

第 1章 緒論

4

の農 業 分野 の他 に 食 品 衛生 関連 分野 、 環境 修復 分野 、 装飾 関

連分 野に 利 用で きる 工業 的 な技 術開 発を 行 った 。

そこ で 本研 究で は物 理 的手 法を 用い て 多孔 質構 造と 類 似 の

スケ ール を 有す る種 々の 微 細構 造を P C L 基 板 上 に構 築し 、こ

れら の 基 板 上へ の微 生 物付 着性 を調 べ るこ とに よっ て 微生 物

付着 を促 す 微細 構造 を検 討 した 。

微 細 構 造 P C L 基 板 を 自 然 環 境 中 に お い て 分 解 さ せ る た め

には 、有 害 な微 生 物が 付着 し ない 衛生 的な 分 解が 求め られ る 。

一般 的に P C L の 分解 には 、真菌 を はじ め細 菌 や放 線菌 など 多

くの 微生 物 が関 与し てい る こと が報 告さ れ てい るが 1 8 ）、そ の

中に は 有害 な微 生物 が 多く 含ま れて い る 。 この 問題 を 解決 す

る 方 法 と し て 、 安 全 性 が 認 め ら れ て い る 分 解 菌 を 優 先 的 に

P C L 表面 に 付 着 させ る手 法 が確 立さ れれ ば 、 他 の有 害な 菌 体

の付 着 を防 ぐと いう 意 味で の抗 菌効 果 を発 現さ せ 、 衛 生的 に

分解 させ る こと がで きる 可 能性 があ ると 考 えた 。

本 研 究 で は 産 業 上 最 も 安 全 か つ 有 用 な 真 菌 で あ る 麹 菌

A s p e rg i l l u s o r y z a e 1 9 )を、微 細構造 P C L 基板 上 に優 先 的に 付着

させ 生 育を 促す こと に よっ て 、 分解 性 を促 進さ せる と 共に 抗

菌性 を兼 ね 備え た衛 生的 分 解を 試み た 。

A . o r y z a e を 微 細 構造 P C L 基 板 に 付 着 させ 衛 生的 分解 を可 能

にす るこ と によ って 、 P C L 基 板 の利 用範 囲 を拡 大さ せる こ と

がで きる 。 そこ で本 研究 で は 、 A . o r y z a e を 微細 構 造に 付着 さ

せ た P C L 基 板 を A . o r y z a e 付 着 P C L 基 板 と し 、そ の基 板の 新

規利 用法 に つい て 検 討し た 。

その 利用 と して 環境 修復 分 野で は 、 A . o r y z a e 付 着生 分解 性

高分 子 基板 （複 合体 ） を水 溶性 有害 物 質の 浄化 に用 い る バ イ

オレ メ ディ エー ショ ン を試 みた 。こ れ によ り、 衛生 的 分解 効

果を 有 しな がら 有害 物 質の 分解 が可 能 にな れば 、生 分 解性 高

分子 の利 用 用途 を拡 大さ せ るこ とが でき る 。

食品 衛 生関 連分 野や 装 飾分 野で は 、 植 物の 機能 や性 能 を 利

用し た 生分 解性 高分 子 の新 規用 途展 開 を試 みた 。バ イ オミ メ

第 1章 緒論

5

ティ ク スと して 、サ ト イモ の表 面構 造 に存 在す るマ イ クロ ス

ケー ル の凹 凸構 造と サ ブミ クロ ンス ケ ール のワ ック ス から 成

る撥 水性 表 面 を P B S A 表 面 に構 築 し撥 水性 ・ 滑落 性・ 大腸 菌

の付 着 抑制 効果 を有 す る新 規基 板を 提 供す るこ とを 目 的と し

た。 ま た、 セル ロー ス の表 面の 親水 効 果を 利用 した 超 親水 性

表面 の 構築 なら びに 衛 生的 利用 効果 を 評価 した 。 植 物 は種 類

によ っ て鮮 やか な色 彩 を有 して いる 。 植物 から 生産 さ れる 色

素は 天 然の 着色 料と し て食 品添 加物 に 利用 され るな ど 安全 性

も高 い 。そこ で 天然 色素 で P C L を着 色す る こと を試 みた 。一

部の 天 然色 素が 有す る 蛍光 特性 を利 用 する こと によ っ て識 別

マー カ ーな どに 利用 で きる こと や、 光 によ る退 色が 懸 念さ れ

る天 然 色素 に対 し、 市 販の 紫外 線 付 収 剤と 類似 の構 造 を有 す

るタ マ ネギ 外皮 色素 を 添加 する こと に よっ て退 色抑 制 効果 を

得る こ とを 目的 とし た 。 さ らに 、 タ マ ネギ 外皮 色素 中 に多 く

含ま れ るケ ルセ チン の 紫外 線 付 収特 性 に着 目し 、 既 存 の紫 外

線 付 収 剤 に 対 す る ケ ル セ チン 2 0 ） の 退 色 抑 制 効 果 に お け る 有

意性 を 評価 した 。 ま た 、明 日葉 を代 表 する 多く の植 物 に誘 導

体と して 含 有し てい るカ ル コン （ 1 , 3 -ジフ ェ ニル - 2 プ ロペ ン

- 1 -オ ン） 2 1 ） を F r i e a d e l - C r a f t s 反 応を 用い て アル キル 化す る

こと によ る 紫外 線 付 収性 能 の向 上を 試み た 。

本論 文 では 安全 性が 高 く工 業的 に簡 便 な方 法で 上述 の 諸 問

題に 対 し、 生分 解性 高 分子 を効 果的 に 利用 でき るよ う 機能 性

や性 能を 高 める 研究 を行 っ たも ので ある 。

1 - 4 本 論 文 の 構 成

生分 解 性高 分子 の用 途 展開 を目 的と し 、住 環境 や自 然 環 境

にお い て貢 献で きる 高 機能 ・高 性能 の 環境 調和 材料 の 創製 を

行っ た。

1 章 は緒 言で あり 、 生分 解性 高分 子 を扱 う意 義と そ の実 用

第 1章 緒論

6

化の 際に 生 じる 問題 点、こ れま で の研 究背 景 を指 摘し た後 に、

本研 究の 目 的を 述べ た。

2 章 は本 研究 の主 軸 の一 つで ある 微 生物 の付 着性 に つい て

研究 し たも ので ある 。 特に 産業 上最 も 安全 かつ 有用 な 真菌 で

ある A . o r y z a e を マイ クロ ス ケー ルの 微細 構 造に 選択 的に 付 着

させ るこ と によ って 、 3 章 と 4 章で 述べ る 機能 性の 基板 と な

る。

3 章は 2 章 で明 らか とな った A . o r y z a e の 選 択的 付 着特 性を

衛生 的 分解 とし て利 用 する 試み を述 べ た。 衛生 的分 解 の仕 組

みと して は 、微 細 構造 を有 する P C L 表 面 に A . o r y z a e が 著し く

強固 に付 着 する こと によ って P C L 分 解 促 進性 を 有し なが ら、

その 間 は有 害な 細菌 と して 大腸 菌の 表 面へ の付 着が 抑 制さ れ

ると い う考 えで あり 、 その 高機 能性 を 実験 によ り明 ら かに し

た。

4 章 は深 刻な 環境 汚 染問 題に 対し 、 ホル ムア ルデ ヒ ドな ど

の水 溶 性有 害物 質の 浄 化用 担体 とし て 、安 全な 生分 解 性高 分

子製 担体 を 提供 する こと を 目指 して 開発 を 行っ た 。そ こ で 、2

章に て明 ら かに した A . o r y z a e の 選択 的 付 着 特性 を利 用し 、ポ

リブ チレ ン サク シネ ート・ア ジ ペー ト（ P B S A）表面 に微 細 構

造を 構築 し 、 A . o r y z a e を 予め 繁 殖 させ てお く こと によ って 、

高濃 度 のホ ルム アル デ ヒド やギ 酸の 水 溶液 中で 高い 分 解能 を

発現 さ せる こと を目 的 とし た。 また 、 長期 的に 再利 用 でき る

担体 の構 築 を目 指し 、生分 解 性 高分 子と A . o r y z a e の 生育 を促

す 栄 養 源 を 混 練 さ せ た 材 料 を 作 製 し 、 微 細 加 工 を 施 し て

A . o r y z a e の 付 着 を促 した 担 体試 料に おい て 、ホ ルム アル デ ヒ

ドの 長期 間 分解 試験 を行 い その 性能 を評 価 した 。

5 章 はバ イオ ミメ テ ィク スと して 撥 水性 を有 する サ トイ モ

の葉 の 表面 構造 を解 析 し、 人工 的な パ ター ンの 微細 メ ッシ ュ

を溶 融 転写 によ り簡 便 に加 工し 、 サ ト イモ のワ ック ス 成分 に

類似 の 既存 のワ ック ス 剤を 塗布 する 処 理を 行う こと に よっ て 、

生分 解 性高 分子 基板 上 に撥 水機 能性 の 付与 を試 みた 。 また 、

第 1章 緒論

7

水滴 の 滑落 性と 大腸 菌 に対 する 付着 抑 制効 果を 得る こ とに よ

り、 高 機能 かつ 多機 能 な生 分解 性高 分 子表 面の 創製 を 目指 し

た。

6 章 は超 親水 性表 面 を構 築す るた め に、 水の 浸透 性 の高 い

ろ 紙 の 表 面 構 造 を 溶 融 転 写 し て P C L 表 面 に 付 与 し そ の 親 水

処理 効 果を 接触 角に て 評価 した 。ま た 、大 腸菌 の付 着 抑制 効

果を 調べ る こと によ り、 衛 生的 に利 用が 可 能か 検討 した 。

7 章は 天 然色 素で 着色 し た P C L を 開 発 し た。 実験 Ⅰで は、

天然 色 素の 抽出 から 着 色、 蛍光 特性 を 調べ 、実 験Ⅱ で は天 然

色素 の 紫外 線に 対す る 著し い退 色現 象 を、 タマ ネギ 外 皮よ り

抽出 し た無 色透 明な 色 素を 添加 する こ とで 退色 抑制 さ せる 性

能 向 上 を 図 っ た 。 ま た 、 U V- B 領 域 で の 付 収 能 が 高 い カ ル コ

ンを F r i e a d e l - C r a f t s 反 応 を用 いて アル キル 化 する こと によ り

U V- A 領 域 へ ピ ー ク シ フ ト さ せ 色 素 退 色 抑 制 効 果 を 有 す る 紫

外線 付収 剤 とし ての 性能 向 上を 試み た。

第 8 章は 結 論 であ り、 生 分解 性高 分子 の 用途 展開 を目 的 と

した 高機 能 ・高 性能 化を 2 章か ら 7 章 で得 られ た結 果を 総 括

した 。 住環 境や 自然 環 境に 対し て高 機 能や 高性 能化 さ れた 生

分解 性 高分 子が 効果 的 に利 用で きる と 結論 した 。さ ら に、 そ

れを 踏 まえ た本 研究 の 発展 性、 適用 範 囲、 将来 への 展 望に つ

いて も述 べ た。

参 考 文 献

1） K a t a r z y n a L e j a， G r a z y n a L e w a n d o w i c z， P o l i s h J． o f

E n v i ro n． S t u d．， 1 9 ( 2 )， 2 5 5 - 2 6 6 ( 2 0 1 0 )

2） M u s t a f a J． M o t i w a l l a， P r i y a n k a P． P u n y a r t h i， M a n s i

K． M e h t a， J a c i n t a S． D ’S o u z a a n d Va r s h a K e l k a r - M a n e，

J o u r n a l o f E n v i ro n． B i o l．， 3 4， 4 3 - 4 9 ( 2 0 1 3 )

3） Wa t a r u M I Z U N O， Yo s h i k o M A E D A， K a n a k o K O Z I M A，

第 1章 緒論

8

To m o m i TA K A M I C H I ， K a n j i M I YA B E a n d S i g e y a

TA K E G U C H I， K o b u n s h i R o n b u n s h u， 5 8（ 2），5 9 - 6 5（ 2 0 0 1）

4） To s h i o O G AWA， M a k o t o A D A C H I， Ta k a y u k i T S U K E G I，

S a t o s h i O S AWA ， a n d K e n K A N Z A K I ， K o b u n s h i

R o n b u n s h u， 6 0 ( 11 )， 6 5 2 - 6 5 8 ( 2 0 0 3 )

5） M a s a o K A M I K U R A， S h o u j i I M A M U R A， A k i o T O Y O D A，

Ta k a s h i M I H A R A， D I C Te c h n i c a l R e v i e w， 1 0， 1 - 9

( 2 0 0 4 )

6） 辻 秀人 ，生分 解 性高 分子 材 料の 科学 ，コロ ナ 社 ，東京 ，

p p． 3 - 5（ 2 0 0 2）

7） 森崎 久 雄ら ，防 菌防 ばい ，Vo l．2 9，N o．6，p p．3 8 9 - 3 9 5

（ 2 0 0 1）

8） 森崎 久 雄 ，服 部 黎 子，界 面と 微 生物 ，学会 出版 セン タ

ー， 東京 ， p 4（ 1 9 8 6）

9） 東 和男 ，発 酵 と 醸造 Ⅲ ， 光 琳 ， 東京 ， p 1 6 6（ 2 0 0 4）

1 0） 北 本 勝 ひ こ ， 発 酵 ・ 醸 造 食 品 の 最 新 技 術 と 機 能 性 ， シ

ーエ ムシ ー ，東 京， p 6（ 2 0 0 6）

1 1） Te t s u y a E g a m i， M i w a N o g u c h i， S e i i c h i U e d a， J p n． J．

M e d． M y c o l．， Vo l． 4 4， N o． 4（ 2 0 0 3）

1 2） 成 田 武 文 ， 工 学 設 計 Ⅲ プ ロ ジ ェ ク ト レ ポ ー ト ， 金 沢 工

業大 学 ， ｐ 2，（ 2 0 0 3）

1 3） I， Ta n i d a．， T， N a r i t a．， H， K a t o．， S， O s a w a．，

P o l y m e r p re p r i n t s ， J a p a n ， Vo l ． 5 4 ， N o ． 1 ，

D i s k 1 p 2 P F 1 3 0 ( 2 0 0 5 )

1 4） 大澤 敏 ，横山 高大 ，花田 宗 玄 ，小川 俊 夫 ，高 分子 論

文集 ， Vo l． 5 8， N o． 11， p p． 5 8 1 - 5 8 7 ( 2 0 0 1）

1 5） 下村 政嗣 ， 科学 技術 動向 ． 5， 9 - 2 8（ 2 0 1 0）

1 6） 日 本 バ イ オ プ ラ ス チ ッ ク 協 会 ， グ リ ー ン プ ラ P L， Ve r．

2 0 0 9． 5（ O c t．） :分類 番号 B - 9（ 色材 ）（ 2 0 0 9）

1 7） 岡田 和男 ， ポリ 衛協 会報 ， N o． 2 4， 2 - 1 6（ 2 0 0 5）

1 8） Y， To k i w a ， J o u r n a l o f E n v i ro n m e n t a l B i o t e c h n o l o g y ，

第 1章 緒論

9

Vo l． 4， N o． 1， p 7 ( 2 0 0 4 )

1 9） 高 島 浩 介 ， か び 検 査 マ ニ ュ ア ル カ ラ ー 図 譜 ， 東 京 テ ク

ノシ ステ ム ， p 3 0 4 ( 2 0 0 2 )

2 0） 有機 合成 化 学協 会編 ，「 有機 化 合 物辞 典 , p p . 3 0 5 - 3 0 6 , 講

談社 （ 1 9 8 5）

2 1） K . B a b a , M . Ta n i g u t i , K . N a k a t a , F F I J . , 1 7 8 , 5 2 ( 1 9 9 8 )

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

10

第 2 章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生

物付着特性

2 - 1 緒 言

前 報 1 )よ り生 分解 性高 分 子へ の微 生物 付 着 性 は試 料表 面 の

マ イ ク ロ ス ケ ー ル の 構 造 に 強 く 依 存 し て い る こ と が 明 ら か に

さ れ て い る 。 実 際 に 表 面 が 多 孔 質 構 造 （ F i g . 2 . 1） の 生 分 解 性

高分 子基 板 上で の微 生物 付 着は F i g . 2 . 2 に 示す よう に、非常 に

著し いこ と が報 告さ れて い る 2 )。し かし な がら 、 多 孔質 構 造

の 作 製 に は 有 機 溶 媒 を 使 用 す る キ ャ ス ト 法 や 凍 結 乾 燥 法 に よ

り作 製す る 方法 3 ) 4 )が 一 般的 であ る 。し かし 、工 業 的生 産を 目

的 と す る 場 合 、 非 常 に 効 率 が 悪 く 環 境 面 に お い て も リ ス ク が

高い 。

F i g . 2 . 1 S E M p h o t o g r a p h o f p o r o u s P C L s h e e t

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

11

F i g . 2 . 2 S E M p h o t o g r a p h s o f o r i g i n a l ( t o p ) a n d p o r o u s ( b o t t o m )

P C L s h e e t s o a k e d i n A . o r y z a e b r o t h

そ こ で 我 々 は 溶 剤 に よ る キ ャ ス ト 法 や 凍 結 乾 燥 法 等 を 使 用

せ ず に 、 多 孔 質 構 造 に 類 似 し た 微 細 構 造 を 生 分 解 性 高 分 子 表

面 に 付 与 し 、 多 孔 質 構 造 と 同 程 度 の 微 生 物 付 着 性 を 有 す る 生

分 解 性 高 分 子 基 板 の 構 築 を 行 な っ た 。 本 章 で は 格 子 状 の 溝 加

工 を 転 写 し た 生 分 解 性 高 分 子 基 板 や 微 細 な メ ッ シ ュ 構 造 を 転

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

12

写 し た 生 分 解 性 高 分 子 基 板 上 で の 微 生 物 付 着 性 を 表 面 観 察 に

より 調べ 、 また 表面 に付 着 する 菌体 量の 測 定、 微細 構造 P C L

シ ー ト の 表 面 構 造 解 析 よ り 微 生 物 付 着 特 性 の 知 見 を 得 る こ と

を目 的と し た。

2 - 2 実 験

2 - 2 - 1 生 分 解 性 試 料

本研 究で 使 用す る生 分解 性 高分 子と して は、ポリ (ε ‐カ プ

ロラ クト ン )（ P C L：ダ イ セル 化学 工業 株式 会 社製 C E L G R E E N

P H 7） を 選 定 し 研 究 を 行 な っ た 。 P C L は 土 壌 微 生 物 に よ る 顕

著 な 分 解 が 認 め ら れ て い る こ と か ら 高 分 解 性 を 有 す る 高 分 子

であ る 5 )。ま た 、融点 が 8 0℃と 低 く、 F i g . 2 . 3 に 示 すよ うに 長

い メ チ レ ン 鎖 を 有 し て い る こ と か ら 柔 軟 性 に 富 み 、 非 常 に 溶

融 成 形 加 工 が し や す い 高 分 子 で あ る 。 実 際 に こ れ ら の 利 点 を

応 用 し 、 サ ブ ミ ク ロ ン の 微 細 構 造 を 付 与 し た 基 板 が 報 告 さ れ

てい る 6 )。 以上 の利 点を 考 慮し 微細 構造 の 成形 に適 し て い る

と考 え選 定 した 。

F i g . 2 . 3 C h e m i c a l s t r u c t u r e o f p o l y ( - c a p r o l a c t o n e )

2 - 2 - 2 微 細 構 造 を 有 す る 生 分 解 性 高 分 子 基 板 の 作 製

2 - 2 - 2 - 1 格 子 状 溝 加 工 転 写 P C L シ ー ト

P C L の 多 孔質 構造 に微 生 物の 著し い付 着 が認 めら れた こ と

か ら 、 本 研 究 で は 多 孔 質 構 造 を 幾 何 学 的 に 模 倣 し た 微 細 構 造

C

=

O

O nC

=

O

O n

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

13

を有 する P C L 基 板 を 作製 し、微 生物 付 着 試 験を 行な った 。そ

こで まず 初 めに 微細 構造 P C L 基 板 と して 、格 子 状溝 加工 転 写

シー トを 作 製し た。転写 する た めの 鋳型 と して 、 F i g . 2 . 4 に 示

す よ う に 予 め 格 子 状 の 溝 加 工 が 施 さ れ た ア ル ミ ニ ウ ム プ レ ー

トを 鋳型 と した 。鋳型 表面 の 溝加 工は 各 p i t c h が 1 0 0m、5 0m、

3 0m、2m の格 子状 溝構 造 を超 高精 度に 加 工す るこ とが で き

るエ ンド ミ ル加 工 7 )によ り 施さ れて おり 、 その 各格 子状 溝 構

造を オリ ジ ナル P C L シ ート に 1 0 0℃ 、 0 . 6 M P a、 2 0 m i n の 条件

で 溶 融 加 圧 転 写 し た （ F i g . 2 . 5）。 F i g . 2 . 6 に 格 子 状 溝 加 工 転 写

P C L シー トを 示 す。

2 - 2 - 2 - 2 微 細 メ ッ シ ュ 転 写 P C L シ ー ト

多孔 質構 造 は凍 結乾 燥法 に よる 成形 のた め、非常 に微 細で 入

り 組 ん だ 構 造 を 有 し て い る 。 こ の 複 雑 な 微 細 構 造 が 微 生 物 付

着 に 必 要 な 要 素 で あ る と 考 え ら れ る 。 そ こ で 我 々 は 格 子 状 の

単純 な凹 凸 構造 より も複 雑 な構 造 を P C L シ ー ト 上に 付与 し 多

孔 質 構 造 に 類 似 し た 基 板 の 構 築 を 試 み た 。 そ こ で L i n e p i t c h

が 2 0m と 1 0 6m の微 細な ス テ ンレ ス製 メ ッシ ュ（ F i g . 2 . 7、

F i g . 2 . 8） を用 い て F i g . 2 . 9 に示 す 方法 でオ リ ジナ ル P C L シー

トに 溶融 転 写（ 8 5℃ 、 1 m i n）を行 なっ た 。な お 、 1 0 6m メ ッ

シ ュ は 平 織 り 、 2 0m メ ッ シ ュ は 綾 織 り で 織 ら れ て い る 。

F i g . 2 . 1 0 よ り 1 0 6m 微 細メ ッシ ュ 転 写 P C L シ ー ト と 2 0m 微

細メ ッシ ュ 転 写 P C L シ ート に は格 子状 溝加 工 転 写 P C L シ ート

に 比 べ 複 雑 な 凹 凸 構 造 が 付 与 さ れ て い る こ と が 分 か っ た 。 ま

た織 り方 の 違い によ って 、1 0 6m メッ シュ 転写 P C L シー ト と

2 0m メ ッシ ュ転 写シ ート に 形状 の違 いが 認 めら れた 。

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

14

F i g . 2 . 4 3 D i m a g e s o f 1 0 0m x 1 0 0m ( t o p ) , 5 0m x 5 0m

( m i d d l e ) a n d 3 0 m x 3 0m ( b o t t o m ) m e s h s t r u c t u r e s

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

15

F i g . 2 . 5 M o l d i n g p r o c e s s o f t r a n s c r i b e d P C L s h e e t

Molding temperature : 100℃

Melting time : 1 min ( 0 Pa )

Compression time : 20 min ( 0.6 MPa )

Transcribed PCL sheet

Various microscopic patterns scribed on aluminum plate

Original PCL sheet

Various microscopic patterns scribed on aluminum plate

Original PCL sheet

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

16

F i g . 2 . 6 S E M p h o t o g r a p h s o f c r o s s d i t c h e d P C L s h e e t s

2μ m pitch

100μ m pitch

100μ m pitch

30μ m pitch

50μ m pitch

2μ m pitch

50μ m pitch

30μ m pitch

(a) (b) (c) (d)

(e) (f) (g)

(h) (i)

(j)

2μ m pitch

100μ m pitch

100μ m pitch

30μ m pitch

50μ m pitch

2μ m pitch

50μ m pitch

30μ m pitch

(a) (b) (c) (d)

(e) (f) (g)

(h) (i)

(j)

100μ m pitch

100μ m pitch

30μ m pitch

50μ m pitch

2μ m pitch

50μ m pitch

30μ m pitch

(a)(a) (b)(b) (c)(c) (d)(d)

(e)(e) (f)(f) (g)(g)

(h)(h) (i)(i)

(j)(j)

PitchPitch

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

17

F i g . 2 . 7 O p t i c a l p h o t o g r a p h ( l e f t ) a n d 3 D i m a g e ( r i g h t ) o f 1 0 6 m

m i c r o s c o p i c m e s h w i r e

F i g . 2 . 8 O p t i c a l p h o t o g r a p h ( l e f t ) a n d 3 D i m a g e ( r i g h t ) o f 2 0 m

m i c r o s c o p i c m e s h w i r e

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

18

F i g . 2 . 9 M o l d i n g p r o c e s s o f m e s h s h a p e d P C L s h e e t

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

19

F i g . 2 . 1 0 S E M p h o t o g r a p h s o f 1 0 6m m e s h s h a p e d P C L s h e e t

( t o p ) a n d 2 0m m e s h s h a p e d P C L s h e e t ( b o t t o m )

2 - 2 - 3 使 用 菌 株 及 び 使 用 培 地

付 着 試 験 に 使 用 す る 微 生 物 と し て 、 真 菌 で は A s p e rg i l l u s

o r y z a e R I B 4 0 ( F i g . 2 . 11 )、 A s p e rg i l l u s n i g e r v e r n i g e r を用 い、

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

20

一般 細菌 では E s c h e r i c h i a c o l i J M 1 0 9 を用 いた 。 A . o r y z a e は

清 酒 、 味 噌 な ど の 醸 造 工 程 に 利 用 さ れ て い る 真 菌 で あ り 、 A .

n i g e r は クエ ン酸 の製 造工 程 に利 用さ れる 真 菌で あり 、共 に 産

業上 極め て 有用 な菌 株で ある 8 )。な お 、 A . o r y z a e R I B 4 0 株 は

2 0 0 5 年に ゲノ ム 解析 が完 了 し 、その 特性 を 今後 は遺 伝子 的 に

解明 する こ とが 可能 な菌 株 であ る 9 ) 1 0 )。 本 研究 では 以後 も 構

造 認 識 能 を 解 明 す る た め に は 遺 伝 子 解 析 が 必 要 で あ る と 考 え 、

本研 究に 使 用し た。培養 す るた め の培 地と して Y P D 液体 培 地

（ Ta b l e 2 . 1）を 使 用し た 。真 菌 に はこ の Y P D 液体 培地 を滅 菌

蒸留 水で 5％ の濃 度に 希釈 した 5％ Y P D 液 体培 地 を 使用 した 。

F i g . 2 . 11 S E M p h o t o g r a p h o f A s p e rg i l l u s o r y z a e R I B 4 0

Ta b l e 2 . 1 C o n t e n t s o f Y P D m e d i u m

C o m p o n e n t s C o m p o s i t i o n

Y e a s t e x t r a c t

P o l y p e p t o n e

D e x t r o s e

S t e r i l e w a t e r

1 . 0 g

2 . 0 g

2 . 0 g

q . s t o 1 . 0 L

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

21

2 - 2 - 4 微 生 物 付 着 試 験

2 - 2 - 4 - 1 真 菌 の 付 着 試 験 方 法

真菌 の付 着 試験 方法 は 5％ Y P D 液体 培地 5 m l 中 に A . o r y z a e

と A . n i g e r の胞 子を それ ぞ れ約 2× 1 0 6 個懸 濁し 、2 c m× 2 c m に

裁断 した 各種 P C L シ ー ト を浸 漬さ せ、3 0℃ の条 件 下で 5 日 間

の振 盪培 養 を行 な っ た。

2 - 2 - 4 - 2 一 般 細 菌 の 付 着 試 験 方 法

一般 細菌 の 付 着試 験方 法は Y P D 液体 培地 5 m l 中 に約 1×1 0 5

個 の E . c o l i を 懸 濁 し 2 c m× 2 c m に 裁断 した 各 種 P C L シ ー ト を

浸漬 させ 、 3 6℃ の条 件下 で 2 4 時 間の 振盪 培 養を 行な った 。

2 - 2 - 5 表 面 観 察

5 日 間 の 培 養 後 、 各 試 料 を 取 り 出 し 乾 燥 さ せ 、 走 査 型 電 子

顕微 鏡（ S E M： 株式 会社 日 立 製 作所 製 S E M E D X Ty p e N 形）

によ る表 面 観察 を行 ない 、 微生 物付 着性 を 調べ た。

2 - 2 - 6 微 細 構 造 シ ー ト 上 で の 麹 菌 量 測 定

微細 メッ シ ュ 構造 シー ト 上で の A . o r y z a e 付 着 量を 、醸 造 産

業 の 管 理 工 程 に お い て 幅 広 く 用 い ら れ て い る キ ッ コ ー マ ン 株

式 会 社 製 の 麹 菌 量 測 定 キ ッ ト を 用 い て 定 量 し た 。 定 量 の 方 法

とし て、 培 養後 の 各 P C L シ ー ト 上に 付 着 し た A . o r y z a e を 滅

菌 蒸 留 水 に 浸 漬 さ せ ボ ル テ ッ ク ス シ ェ ー カ ー に よ り 全 て ふ る

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

22

い 落 と し た も の を 麹 菌 懸 濁 液 と し 、 そ の 懸 濁 液 を 凍 結 乾 燥 法

に よ り 完 全 に 乾 燥 さ せ 、 菌 体 だ け を 収 集 し た 。 収 集 し た 麹 菌

の 細 胞 壁 内 に 存 在 す る N -ア セ チ ル D -グ ル コ サ ミ ン を 細 胞 壁

溶解 酵素 に より 溶出 させ た のち 、発色 試薬 を 用い て発 色さ せ、

分光 光度 計 によ る 5 1 5 n m 波長 に おけ る吸 光 度か ら N -ア セチ ル

D -グ ル コ サ ミ ン 量 を 菌 体 量 に 換 算 し て 求 め た 。 測 定 条 件 と し

ては 1 日 目 から 5 日目 まで の 付 着 量の 経時 変 化を 調べ た。

2 - 2 - 7 表 面 構 造 解 析

2 - 2 - 7 - 1 微 細 構 造 シ ー ト 表 面 の e d g e 間 隔 の 存 在 割 合

微 細メ ッ シュ 転写 P C L シ ー ト が 、真 菌 の著 し い付 着が 認 め

られ た多 孔 質 P C L シ ー ト の 表 面構 造に 近似 し てい るか を調 べ

る た め に 表 面 構 造 解 析 を 行 な っ た 。 解 析 方 法 は 、 走 査 型 電 子

顕 微 鏡 で 撮 影 し た 試 料 表 面 の 画 像 を 、 画 像 編 集 ソ フ ト を 用 い

て 輝 度 の 変 化 に つ い て の パ ワ ー ス ペ ク ト ル を 算 出 し 、 こ れ を

輝度 の波 形 グラ フと する 方法 1 1 )を用 いた 。こ の 場合 、波形 グ

ラ フ の 各 ピ ー ク が 画 像 中 の 最 も 白 色 を 示 す 部 位 で あ り 、 試 料

表面の e d g e 部 分 がこ れに あ たる 。 この e d g e 間 の 距離 を各 試

料に つき 3 0 0 箇 所測 定し 、試料 表 面の e d g e 間 隔の 存在 割合 を

調べ た。 な お、 画像 編集 ソ フト には I m a g e N o s を用 いた 。

2 - 2 - 7 - 2 ア ス ペ ク ト 比 に よ る 凹 凸 形 状 評 価

各 P C L シ ー ト 表面 の凹 凸 形状 を評 価す る ため（ 2 . 1）式を 用

い て e d g e 間 隔 に 対 す る 深 さ の 比 を 求 め る ア ス ペ ク ト 比 を 算

出し た 1 2 )。求め 方と して 電 子顕 微鏡 によ る 試料 の断 面観 察 を

行い 、 溝 の 幅（ e d g e 間隔 ）と 深 さ を計 測し た 。

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

23

( 2 . 1 )

ここ で、 a はア ス ペク ト比 、 h は溝 の深 さ（ m）、 x は e d g e 間

隔（ m）で ある 。ま た（ 2 . 1）式 より 算出 し た値 の平 均値 を 本

試験 のア ス ペク ト比 とし た 。

2 - 3 結 果 お よ び 考 察

2 - 3 - 1 微 生 物 の 付 着 特 性

格 子 状 溝 加 工 転 写 P C L シ ー ト の 真 菌 付 着 試 験 結 果 を

F i g . 2 . 1 2，F i g . 2 . 1 3 に示 す。これ よ り、A . o r y z a e お よび A . n i g e r

共に 3 0m× 3 0m の格 子 状溝 構 造に 最も 付 着が 認め られ た 。

この こと か ら 、A . o r y z a e お よび A . n i g e r は特 定の マ イク ロス

ケ ー ル の 凹 凸 構 造 を 認 識 し 付 着 し て い る と 思 わ れ る 。 し か し

なが ら細 菌 吸着 試験 にお い ては F i g . 2 . 1 4 より 、す べて の格 子

状溝 構造 に E . c o l i の吸 着が 認め ら れた 。

微 細メ ッ シュ 転 写 P C L シ ー ト への 微生 物 付 着 試験 結果 と し

て ， F i g . 2 . 1 5、 F i g . 2 . 1 6 よ り 、 A . o r y z a e およ び A . n i g e r 共 に

2 0m の微 細メ ッ シュ 転 写 P C L シ ート に著 し い吸 着が 認め ら

れた 。こ の こと から 、 2 0m メ ッ シュ 転写 構 造を P C L シ ート

上 に 付 与 す る こ と に よ っ て 真 菌 が 特 異 的 に 付 着 す る 微 生 物 認

識能 を発 現 した 。ま た E . c o l i に おい ては 、 F i g . 2 . 1 7 に 示す よ

うに 1 0 6m の メ ッシ ュ転 写 構造 にも 付 着 し てお り、凹 凸 への

選択 的な 認 識能 は認 めら れ なか った 。以 上の 結 果よ り、 3 0m

の格 子状 溝 加工 転写 構造 や 2 0m の微 細 メッ シ ュ転 写構 造 へ

の凹 凸認 識 能を 真菌 であ る A . o r y z a e お よ び A . n i g e r が 有し て

い る こ と が 示 唆 さ れ た 。 す な わ ち 、 こ の よ う な 微 細 構 造 体 は

微生 物認 識 能を 有し てい る とも いえ る。

a =hx

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

24

F i g . 2 . 1 2 S E M p h o t o g r a p h s o f c r o s s d i t c h e d P C L s h e e t s s o a k e d

i n A . o r y z a e m e d i u m . 1 0 0m x 1 0 0m ( a ) , 1 0 0m x 5 0m ( b ) ,

5 0m x5 0m ( c ) , 5 0m x3 0m ( d ) , 3 0m x 3 0m ( e ) , 2m x 2m ( f )

（ b ）

（ c ） （ d ）

（ e ） （ f ）

（ a ）

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

25

F i g . 2 . 1 3 S E M p h o t o g r a p h s o f c r o s s d i t c h e d P C L s h e e t s s o a k e d

i n A . n i g e r m e d i u m . 1 0 0m x 1 0 0m ( a ) , 1 0 0m x 5 0m ( b ) ,

5 0m x5 0m ( c ) , 5 0m x3 0m ( d ) , 3 0m x 3 0m ( e ) , 2m x 2m ( f )

（ a ） （ b ）

（ c ） （ d ）

（ e ） （ f ）

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

26

F i g . 2 . 1 4 S E M p h o t o g r a p h s o f c r o s s d i t c h e d P C L s h e e t s s o a k e d

i n E . c o l i m e d i u m . 1 0 0m x 1 0 0m ( a ) , 1 0 0m x 5 0m ( b ) ,

5 0m x5 0m ( c ) , 5 0m x3 0m ( d ) , 3 0m x 3 0m ( e ) , 2m x 2m ( f )

（ a ） （ b ）

（ c ） （ d ）

（ e ） （ f ）

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

27

F i g . 2 . 1 5 S E M p h o t o g r a p h s o f o r i g i n a l ( t o p ) , 1 0 6 m m e s h s h a p e d

( m i d d l e ) a n d 2 0 m m e s h s h a p e d ( b o t t o m ) P C L s h e e t s s o a k e d i n A .

o r y z a e m e d i u m

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

28

F i g . 2 . 1 6 S E M p h o t o g r a p h s o f o r i g i n a l ( t o p ) , 1 0 6 m m e s h s h a p e d

( m i d d l e ) a n d 2 0 m m e s h s h a p e d ( b o t t o m ) P C L s h e e t s s o a k e d i n A .

n i g e r m e d i u m

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

29

F i g . 2 . 1 7 S E M p h o t o g r a p h s o f o r i g i n a l ( t o p ) , 1 0 6 m m e s h s h a p e d

( m i d d l e ) a n d 2 0 m m e s h s h a p e d ( b o t t o m ) P C L s h e e t s s o a k e d i n E .

c o l i m e d i u m

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

30

F i g . 2 . 1 8 に 、 経 過 日 数 ご と の 各 種 P C L シ ー ト 上 で の A .

o r y z a e 付着 測 定 した 結果 を 示す 。5 日 目 の結 果 に おい て 2 0m

のメ ッシ ュ 転 写 P C L シ ート が 約 0 . 9 m g / c m 2 の 付着 量 であり、

オリ ジナ ル P C L シー トと 比 べ約 3 倍の 付 着量 で ある こと が

分か った 。 また 、 オ リジ ナ ル P C L シ ー ト に 0 . 3 m g / c m 2 の付着

が認 めら れ たの は、 試料 の E d g e 部位 に A . o r y z a e が付 着し て

いた ため で ある と考 えら れ る 。よ って 、2 0m の 微 細メ ッシ ュ

転写 構造 に A . o r y z a e が 特異 的 に 付 着 する こ とが 認め られ た。

ま た 、 4 日 目 の 結 果 か ら 麹 菌 の 付 着 量 に お い て も 平 滑 な 表 面

と 2 0m の メッ シュ 転写 構 造で は、 僅か な がら 付着 量の 差 異

が 認 め ら れ た 。 近 年 、 麹 菌 が よ り 好 適 な 環 境 に 向 け て 基 質 表

面 に 菌 糸 を 伸 長 さ せ る セ ン サ リ ン グ を 行 な う た め に 、 ハ イ ド

ロ フ ォ ビ ン 等 の 多 く の シ グ ナ ル タ ン パ ク 質 と 呼 ば れ る 糖 タ ン

パク 質を 分 泌す るこ とが 明 らか にな って いる 1 3 ) 1 4 )。こ の こと

から 、 A . o r y z a e は試 験開 始 後約 4 日目 から 2 0m メッ シュ 転

写 P C L シー ト の 凹凸 を認 識 した と考 えら れ る。

F i g . 2 . 1 8 A m o u n t o f A . o r y z a e o n o r i g i n a l P C L s h e e t (● ) , 1 0 6m

m e s h P C L s h e e t (▲ ) a n d 2 0m m e s h P C L s h e e t (■ )

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5

Ti m e / d a y

A. o

ryza

eon

PC

L s

hee

ts /

mg

/cm

2

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

31

2 - 3 - 2 表 面 構 造 と 微 生 物 付 着 の 関 係 性

F i g . 2 . 1 9 は 多孔 質構 造に お ける 表面 の e d g e 間 隔 の存 在割 合

を 分 布 図 と し て 示 し た も の で あ る 。 こ の 結 果 よ り 多 孔 質 表 面

の凹 凸は 約 5m ~ 1 0m の 範囲 に e d g e 間隔 が集 中 し てい るこ と

が明 らか と なっ た 。そこ で、微 細メ ッシ ュ 転写 P C L シー ト 表

面の e d g e 間 隔の 比較 を行 な った 。F i g . 2 . 2 0 は 1 0 6m メッ シュ

転 写 シ ー ト の e d g e 間 隔 の 存 在 割 合 分 布 を グ ラ フ に 示 し た も

ので ある が 、グラ フよ り約 1 2 0m，7 0m 付 近の 2 箇 所に e d g e

間 隔 が 分 布 し て い る こ と が 分 か り 、 多 孔 質 構 造 と は 異 な っ た

表 面 構 造 で あ る こ と が 認 め ら れ た 。 一 方 で 、 真 菌 の 著 し い 付

着が 認め ら れた 2 0m メ ッシ ュ転 写 P C L シ ー ト の 表面 の e d g e

間隔 を求 め た結 果、 F i g . 2 . 2 1 よ り約 1 0m ~ 3 0m 付近 に e d g e

間隔 が集 中 して いる こと が 認め られ た。

ア ス ペ ク ト 比 を 求 め た 結 果 、 多 孔 質 シ ー ト の ア ス ペ ク ト 比

が約 1 . 3 で あり 溝の 幅よ り も深 さが 大き い こと が分 かっ た 。

しか し 、1 0 6m メ ッシ ュ転 写 シー トと 2 0m メッ シ ュ転 写 P C L

シー トの ア スペ クト 比の 差 異は 約 0 . 1 程 度 であ るこ とか ら 、

真 菌 の 付 着 に ま ず 初 め に 影 響 す る 要 因 と し て は 溝 の 深 さ よ り

も表 面に 存 在す る約 1 0m の微 細構 造が 大 きく 影響 して い る

と 考 え ら れ る 。 し か し な が ら 、 多 孔 質 構 造 の よ う に 深 さ を 有

す る 試 料 は 表 面 積 が 大 き い こ と か ら 、 真 菌 の 生 育 環 境 が 広 く

な る た め 、 繁 殖 を さ ら に 促 す 効 果 （ マ イ ク ロ ハ ビ タ ッ ト ） が

あ る と 考 え ら れ る 。 そ の た め 今 後 は よ り ア ス ペ ク ト 比 の 高 い

微細 構造 の 構築 が求 めら れ る。

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

32

F i g . 2 . 1 9 F r e q u e n c y v s . c y c l e l e n g t h o f p o r o u s P C L s h e e t

F i g . 2 . 2 0 F r e q u e n c y v s . c y c l e l e n g t h o f 1 0 6 m m e s h s h a p e d P C L

s h e e t

0

5

10

15

20

25

30

0 30 60 90 120 150

Cycle length/μm

Fre

qu

ency

/%

0

5

10

15

20

25

30

0 30 60 90 120 150

Cycle length/μm

Fre

qu

ency

/%

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

33

F i g . 2 . 2 1 F r e q u e n c y v s . c y c l e l e n g t h o f 2 0 m m e s h s h a p e d P C L

s h e e t

F i g . 2 . 2 2 A s p e c t r a t i o o f P C L s h e e t s . p o r o u s s h e e t（ a） , 1 0 6m

m e s h s h a p e d s h e e t（ b） , 2 0m m e s h s h a p e d s h e e t（ c）

0

5

10

15

20

25

30

0 30 60 90 120 150

Cycle length/μm

Fre

qu

ency

/%

0

0.5

1

1.5

2

2.5

a b c

Asp

ect

rati

o

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

34

2 - 4 結 言

微細 構造 を 有 す る P C L 基 板 に おい て真 菌 は 構 造認 識能 を 発

現し た。

また 、 A . o r y z a e は 培養 後約 4 日 目か ら約 1 0m 程 度の 微細

な凹 凸を 認 識し 付着 する こ とが 明ら かと な った 。

以 上の こ とか ら表 面 に 1 0m 周期 の微 細 構造 を構 築す る こ

とに よっ て 真菌 の高 い 付 着 性を 有す る P C L 基 板 を構 築す る こ

とが 可能 で ある と考 えら れ る 。

参 考 文 献

1） 成 田 武 文 ， 工 学 設 計 Ⅲ プ ロ ジ ェ ク ト レ ポ ー ト ， 金 沢 工

業大 学， ｐ 2，（ 2 0 0 3）

2） I , Ta n i d a . , T, N a r i t a . , H , K a t o . , S , O s a w a . , P o l y m e r

p re p r i n t s , J a p a n , Vo l . 5 4， N o . 1 , D i s k 1 p 2 P F 1 3 0 ( 2 0 0 5 )

3） K , Ta n a k a .， P o l y m e r p re p r i n t s , J a p a n， Vo l . 5 4， N o . 1，

p p . 6 1 - 6 3（ 2 0 0 5）

4） 岡 高 茂 ， 再 生 医 工 学 ― 基 盤 技 術 の 確 立 と 臨 床 応 用 を め

ざし て， 化 学同 人， 京都 ， p 4 6（ 2 0 0 1）

5） Y, To k i w a , J o u r n a l o f E n v i ro n m e n t a l B i o t e c h n o l o g y , Vo l . 4 ,

N o . 1 , p 7 ( 2 0 0 4 )

6） S , O s a w a . , M , Ya b e . , M , M i y a m u r a . , K , M i z u n o . , P o l y m e r ,

Vo l . 4 7 , N o . 11 , p p . 3 7 11 - 3 7 1 4 ( 2 0 0 6 )

7） 戸井 田 直仁 ら ， 計測 自動 制 御学 会東 北支 部 第 2 2 5 回 研

究集 会資 料 ， p p . 1 - 4（ 2 0 0 5）

8） 高 島 浩 介 ， か び 検 査 マ ニ ュ ア ル カ ラ ー 図 譜 ， 東 京 テ ク

ノシ ステ ム ， p p . 6 6 - 6 7 ( 2 0 0 2 )

9） M a c h i d a， M . e t a l . : N a t u r e , 4 3 8 , p p . 11 5 7 - 11 6 1（ 2 0 0 5）

第 2章 生分解性高分子表面への微細構造付与と微生物付着特性

35

1 0） 町田 雅 之，麹 菌 のゲ ノム 解 析，蛋 白質 核 酸 酵素 ，Vo l . 5 1，

N o . 5， p 4 5 2（ 2 0 0 6）

1 1） 武 者 利 光 ， ゆ ら ぎ の 世 界 ， 講 談 社 ， 東 京 ， p p . 1 2 9 - 1 3 4

（ 1 9 8 0）

1 2） 小林 四 郎 ，高 分 子材 料化 学 ，朝倉 書店 ，東京 ，p 7 8（ 1 9 9 4）

1 3） S . O h t a k i , e t a l . : A P P L I E D A N D E N V I R O M E N TA L

M I C R O B I O L O G Y , Vo l . 7 2 , N o . 4 , p p . 2 4 0 7 - 2 4 1 3（ 2 0 0 6）

1 4） 泰 洋二 ，麹 菌 ゲ ノム シン ポ ジウ ム 要旨 集，糸 状 菌遺 伝

子研 究会 ， p 2 9 ( 2 0 0 6 )

第 3章 微細構造に付着した麹菌による衛生的分解

36

第 3 章 麹菌による生分解性高分子の衛生的分解

3 - 1 緒 言

生分 解性 高 分子 であ る P C L は 以 前か ら A s p e rg i l l u s n i g e r 由

来の 酵素（ リパ ーゼ ）によ る分 解 1 )や 、 A . o r y z a e の 近縁 種で

ある A . f u m i g a t u s によ る土 壌 中で の分 解 2 )が報 告 され てい る。

しか し 、 A . f u m i g a t u s は 有害 性 が 高く 3 ） 分 解促 進 など への 利

用に は適 さ ない 。

そこ で、 安 全性 が高 い A . o r y z a e によ っ て P C L を 分解 させ

るこ と がで きれ ば安 全 に自 然環 境中 で 利用 する こと が でき る

と考 え られ る。 一方 で 、土 壌中 には 真 菌の 他に 細菌 も 多く 繁

殖し て おり 、 中 でも 大 腸菌 のよ うに 病 原菌 とし て知 ら れて い

る菌 種も 多 く存 在す る 4 )。 実 際 に、 生分 解 性高 分子 を土 壌 中

で分 解さ せ た場 合 、生 分 解性 高 分 子の 低分 子 化に 伴い 試料 1 g

あた り 約 1 0 5～ 1 0 9 個の大 腸菌 が 試 料表 面に 大 量に 繁殖 しこ の

状態 が約 1 ヶ月 間続 く こ と が報 告さ れて いる 5 )。こ のよ う な

有害 な細 菌 の増 殖を 抑制 し 、か つ 安全 な A . o r y z a e で分 解さ せ

るこ と は生 分解 性高 分 子の 衛生 的利 用 とし て有 効で あ ると 考

えら れ る 。 そこ で本 章 では 産業 上最 も 安全 かつ 有用 な 真菌 で

ある A . o r y z a e 6 )の付 着を 促 す微 細 メ ッシ ュ 転写 構造 を用 い て 、

P C L シ ート 上 へ の A . o r y z a e の 優先 的 付 着 によ る分 解の 促 進

と、 同 時に 抗菌 性を 発 現さ せる とい う 衛生 的分 解 の 研 究結 果

につ いて 報 告す る 。

3 - 2 麹 菌 に よ る P C L 基 板 の 分 解 試 験

3 - 2 - 1 分 解 試 験 方 法

試験 方法 は 、 5％ Y P D 液体 培 地 中に A . o r y z a e の 胞子 を約 2

×1 0 6 個懸 濁さ せ 、 オ リジ ナ ル P C L シ ー ト 、 1 0 6m メッシュ

第 3章 微細構造に付着した麹菌による衛生的分解

37

転写 P C L シ ー ト 、 2 0m メッ シュ 転写 P C L シ ー ト をそ れぞ れ

浸漬 させ 3 0 日 間 の長 期振 盪 培養 を行 なっ た 。分 解 性は 乾燥 重

量を 測定 し （ 3 . 1）式 から 求 めた 7 )。

( 3 . 1 )

ここ で W は 単 位 表面 積当 た りの 分解 度、 W 0 は 分 解試 験前 の

試料 重量 、W a は 分解 試験 後 の試 料重 量、S 0 は 分 解試 験前 の 試

料表 面積 で ある 。

3 - 2 - 2 表 面 観 察

分 解 試験 後の 試料 の 表面 状態 を調 べ るた めに 走査 型 電子 顕

微鏡 によ る 表面 観察 を行 な った 。

3 - 3 麹 菌 付 着 P C L 基 板 の 抗 菌 性 評 価

3 - 3 - 1 培 養 液 中 の 抗 菌 性 評 価 方 法

予 め 4 日間 の A . o r y z a e 付 着試 験を 行な っ た平 滑 P C L シ ー

ト、 1 0 6m メ ッ シュ 転 写 P C L シ ート 、 2 0m メ ッ シュ 転写 シ

ート を Y P D 液体 培地 5 m l 中に 浸 漬さ せ 、標 準 条件 とし て約 1

×1 0 5 個の E . c o l i を懸 濁し 、3 6℃ の 条件 下で 2 4 時 間 の振 盪培

養を 行な っ た。 各試 料の 培 養液 を採 取し 、 T h o m a 氏血 球 計算

盤を 用い て E . c o l i の生 菌数 を計 測 した 。

3 - 3 - 2 P C L 基 板 上 で の 抗 菌 性 評 価 方 法

まず c o n t r o l と して E . c o l i のみ の各種 P C L シ ー ト上 での 吸

着数 を求 め た。試験 方法 と して 、Y P D 液体 培地 5 m l 中に 標準

W =W0－ Wa

S0

W =W0－ Wa

S0

第 3章 微細構造に付着した麹菌による衛生的分解

38

条件 とし て 約 1× 1 0 5 個の 菌 体を 懸 濁し 各 種 P C L シ ート を浸 漬

させ 、3 6℃の 条件 下で 2 4 時間 の 振 盪培 養を 行 なっ た後 、試 料

表面 を滅 菌 水 1 m l で洗 い出 し 、 平 板塗 抹培 養 法 8 )によ るコ ロ

ニー 計測 から E . c o l i の P C L シ ー ト上 での 吸 着数 を求 めた 。

次 に、 予 め P C L シ ー ト の A . o r y z a e 吸着 試験 を 4 日 間行 な

った 後 、上 記 と 同様 に滅 菌 蒸留 水 1 m l で 洗い 出 し 、平 板塗 抹

培養 法に よ るコ ロニ ー計 測 か ら E . c o l i の P C L シ ート 上で の

吸着 数を 求 めた 。 3 . 3 . 1 での c o n t r o l との 吸着 数 の 差か ら抗 菌

性を 評価 し た。

3 - 4 結 果 お よ び 考 察

3 - 4 - 1 分 解 性 評 価

A . o r y z a e に よ る P C L 分解 試 験 結果 を F i g . 3 . 1 に 示し た。 グ

ラフ は 経過 日数 ごと の 分解 度を 示し て いる が、 これ よ りオ リ

ジナ ル P C L シ ー トに 比べ て 微細 構造 を付 与 した P C L シー ト

は 顕 著 な 分 解 促 進 が 認 め ら れ た 。 4 0 日 目 の 分 解 度 は 1 0 6m

メッ シュ 転 写 P C L シ ー ト が 約 2 m g / c m 2 で あり 、 オ リジ ナル

P C L シー トに 比 べて 約 4 倍 の分 解促 進が 認 めら れた。 微 細構

造を 付与 す るこ とに よ り P C L シ ート 上へ の A . o r y z a e の付 着

が促 され 、 分解 が促 進さ れ たと 考え られ る 。

電 子 顕 微 鏡 に よ る 表 面 観 察 の 結 果 か ら 全 て の P C L シ ー ト

にお いて 約 1 0m 程度 の凹 凸 が 形成 され て いる こと が分 か っ

た。 こ れよ り、 凹凸 を 付与 する こと に より 分解 性を 促 進さ せ

るこ とが で きた 。

F i g . 3 . 2 に 示す よ うに オリ ジ ナル P C L シー ト の表 面に は球

晶が 観察 さ れた 。真菌 由来 の 酵 素で ある l i p a s e A に よる P C L

分解 試験 に おい ても 同様 の 球晶 が観 察さ れ てい る 9 )こ とか ら 、

本試 験 での 分解 は麹 菌 由来 の酵 素に よ る 分 解で ある と 示唆 さ

れた 。 また 塊状 分解 機 構で 加水 分解 が 進行 する 場合 、 球晶 構

第 3章 微細構造に付着した麹菌による衛生的分解

39

造が 出 現す る以 前に 材 料自 体が 崩壊 す るた め、 明確 な 球晶 が

観察 され な い 1 0 )こと から 、 A . o r y z a e に よる P C L の分 解機 構

は表 面分 解 であ ると 考え ら れる 。実 際に 、 l i p a s e A によ る 分

解 試 験 に お い て P C L の 分 子 量 の 低 下 が 認 め ら れ な い こ と か

ら、表面 分 解機 構で ある こ とが 報告 され て いる 1 1 )。以 上 のこ

とか ら、A . o r y z a e によ る P C L の 分 解は 表面 分 解機 構で ある こ

とが 示唆 さ れた 。

F i g . 3 . 1 D e g r a d a t i o n r a t e o f P C L s h e e t s . O r i g i n a l s h e e t（ ● ） ,

1 0 6μm m e s h s h a p e d s h e e t（▲ ） , 2 0 μm m e s h s h a p e d s h e e t（ ■）

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Deg

rad

atio

n r

ate

/ m

g /

cm

2

Ti m e / d a y

第 3章 微細構造に付着した麹菌による衛生的分解

40

F i g . 3 . 2 S E M p h o t o g r a p h o f o r i g i n a l P C L s h e e t s o a k e d i n A .

o r y z a e m e d i u m f o r 3 0 d a y s

Ta b l e 3 . 1 S u r f a c e a r e a o f P C L s h e e t s

P C L s h e e t S u p e r f i c i a l a r e a / t i m e s

S m o o t h s h e e t 1 . 0 0

1 0 6m m e s h s h a p e d s h e e t 1 . 2 3

2 0m m e s h s h a p e d s h e e t 1 . 7 4

3 . 4 . 2 抗 菌 性 評 価

F i g . 3 . 3 は培 養 液 中で の E . c o l i に 対す る抗 菌 試験 結果 を示

した もの で ある が、こ の結 果か ら 基板 を浸 漬 させ ない c o n t r o l

第 3章 微細構造に付着した麹菌による衛生的分解

41

が 1 0 8 個 の E . c o l i の繁 殖が 認め ら れ 、そ の他 の 全 ての 培養 液

に E . c o l i の 繁殖 が認 めら れ た 。本 試験 条件 で は抗 菌性 は認 め

られ なか っ た。

F i g . 3 . 3 N u m b e r o f E . c o l i i n Y P D m e d i u m w i t h P C L s h e e t s

c o v e r e d b y A . o r y z a e . C o n t r o l（ a） , O r i g i n a l P C L s h e e t c o v e r e d

b y A . o r y z a e（ b） , 1 0 6m m e s h s h a p e d P C L s h e e t c o v e r e d b y A .

o r y z a e（ c） , 2 0m m e s h s h a p e d P C L s h e e t c o v e r e d b y A . o r y z a e

（ d）

F i g . 3 . 4 に各 種 P C L シ ー ト 上に おけ る E . c o l i の 付 着 数を 測

定し た結 果 を示 す。 図中 よ り、 c o n t r o l は E . c o l i のみ の培 養

によ る P C L シ ー ト表 面へ の E . c o l i の 付着 数 であ るが 、 こ れ

より 2 0m メ ッ シュ 転写 構 造に 約 5× 1 0 7 c f u / c m 2 と最 も多 く

E . c o l i が付 着 す る結 果と な った。各種 P C L シ ー ト の表 面積 を

調べ た結 果 、Ta b l e 3 . 1 に示 すよ う に、2 0m メ ッ シ ュ転 写 P C L

シー トは 平 滑な P C L シー トに 比 べ て表 面積 が 1 . 7 倍 大き いこ

5

6

7

8

9

10

Nu

mber

of

E.c

oli

in Y

PD

med

ium

/ l

og (

N)

/ m

l

a b c d

第 3章 微細構造に付着した麹菌による衛生的分解

42

とが 分か っ た。こ の表 面積 の 差か らも 2 0m メッ シ ュ転 写 P C L

シー ト は大 腸菌 が繁 殖 しや すい 表面 で ある とい える 。 この こ

とか ら 微細 構造 を付 与 する こと は自 然 環境 中で 使用 す る場 合

に不 衛生 で ある とい える 。

F i g . 3 . 4 A n t i b a c t e r i a l a c t i v i t y o f E . c o l i f o r P C L s h e e t s c o v e r e d

b y A . o r y z a e ( w h i t e b a r ) a n d c o n t r o l ( b l a c k b a r ) . O r i g i n a l P C L

s h e e t（ a） , 1 0 6m m e s h s h a p e d P C L s h e e t（ b） , 2 0m m e s h

s h a p e d P C L s h e e t（ c）

一方 、 F i g . 3 . 4 に 示し たよ う に予 め A . o r y z a e を 付 着さ せた

P C L シー トへ の E . c o l i 付 着数 は 、 2 0m メッ シュ 転写 構造 に

おい て E . c o l i 約 3× 1 0 5 c f u / c m 2 であ り 、 c o n t r o l に比 べ て顕

著な 付 着 抑 制効 果が 認め ら れた 。一方 で、A . o r y z a e の付 着 が

認め られ な かっ た平 滑な シ ート では E . c o l i の 付着 数の 変 化

は少 なく 、 E . c o l i の付 着抑 制効 果 は認 めら れ なか った 。こ の

こと から 、A . o r y z a e が 付 着す るこ とが でき る 基板 を構 築す る

5

6

7

8

a b c

Nu

mber

of

E.c

oli

on s

hee

ts /

lo

g c

fu/

cm

2・

day

第 3章 微細構造に付着した麹菌による衛生的分解

43

こと が抗 菌 性を 発現 する た めに 必要 であ る と示 唆さ れた 。

抗菌 性の 発 現は 、麹菌 が生 産 する 抗菌 物質 1 2 )によ る影 響や

有機 酸 1 3 )に よる P C L シ ート 表面 の p H の 変化 が E . c o l i の 繁

殖の 抑制 1 4 )に影 響し たこ と など が考 えら れ る。

以 上 の こ と か ら 、 A . o r y z a e を 優 先 的 に 微 細 メ ッ シ ュ 転 写

P C L シー ト上 へ 付 着 させ る こと によ って 、自 然 環境 中に お い

て衛 生的 分 解が 可能 であ る とい える 。

3 - 5 結 言

微 細構 造 を構 築す るこ と によ って A . o r y z a e の 付着 を促 し 、

P C L 分解 を促 進 させ る効 果 があ る。 ま た 優先 的 に微 細構 造 に

付着 させ る こと によ って E . c o l i に対 する 抗 菌性 を発 現し た 。

以上 のこ と から 、微細 構造 を 付与 し A . o r y z a e を 優 先的 に付 着

させ た P C L 基 板 は衛 生的 分 解が 可能 であ る と示 唆さ れた 。

参 考 文 献

1） 水野 克 美 ，平 成 1 5 年 度 材 料 設計 工学 専攻 修 士 学 位論

文， 金沢 工 業大 学， p 3 6（ 2 0 0 4）

2） 北村 直 也 ，平 成 1 6 年 度 材 料 設計 工学 専攻 修 士 学 位論

文， 金沢 工 業大 学， p p . 3 0 - 3 1（ 2 0 0 5）

3） 高 島 浩 介 ， か び 検 査 マ ニ ュ ア ル カ ラ ー 図 譜 ， 東 京 テ ク

ノシ ステ ム ， p 2 9 8 ( 2 0 0 2 )

4） 杉山 芳 宏 ，美 作 大学・美作 大 学短 期大 学部 紀 要 ，Vo l . 4 9，

p p . 2 7 - 2 9（ 2 0 0 4）

5） 大澤 敏 ，附 木 貴 行，小川 俊 夫，高 分子 論文 集 ，Vo l . 5 8，

N o . 11， p p . 5 7 3 - 5 8 0 ( 2 0 0 1）

6） 高 島 浩 介 ， か び 検 査 マ ニ ュ ア ル カ ラ ー 図 譜 ， 東 京 テ ク

第 3章 微細構造に付着した麹菌による衛生的分解

44

ノシ ステ ム ， p 3 0 4 ( 2 0 0 2 )

7） 辻 秀人 ，生分 解 性高 分子 材 料の 科学 ，コロ ナ 社 ，東京 ，

p p . 9 1 - 9 2（ 2 0 0 2）

8） M i c h a e l T. M a d i g a n . , J o h n M . M a r t i n k o . , J a c k P a r k e r. ,

B r o c k 微生 物 学 ，オ ーム 社 ，東 京， p p 1 4 4 - 1 4 5 ( 2 0 0 3 )

9） 水野 克 美 ，平 成 1 5 年 度 材 料 設計 工学 専攻 修 士 学 位論

文， 金沢 工 業大 学， p 3 4（ 2 0 0 4）

1 0） 辻 秀人 ，生分 解 性高 分子 材 料の 科学 ，コロ ナ 社 ，東京 ，

p p . 1 3 2 - 1 3 5（ 2 0 0 2）

1 1） 木戸 宏 昭 ，平 成 1 7 年 度 材 料 設計 工学 専攻 修 士 学 位論

文， 金沢 工 業大 学， p 1 4

1 2） 穂坂 賢 ら，醗酵 工学，Vo l . 6 5，N o . 3，p p . 1 9 1 - 1 9 7（ 1 9 8 7）

1 3） 岡 村 澄 夫 ら ， 秋 田 高 専 研 究 紀 要 ， Vo l . 3 9， p p . 11 5 - 11 8

（ 2 0 0 3）

1 4） 清水 潮 ，食 品微 生物 Ⅰ― �