著者の所属・活動拠点の国は、中国です。

掲載誌：Gels

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

エアロゲルは、内部に細かな孔がつながった、軽くすき間の多い立体的な材料です。近年は、自然に分解される材料への需要から、でんぷんなどの天然多糖類で作る研究が進んでいます。一方で著者らによると、未処理のでんぷんから作ったエアロゲルは、すき間の割合（多孔度）が十分でなく、孔の構造もそろわないという課題があります。

研究チームが材料に選んだのは、南米アンデス原産で中国・雲南省などで広く栽培されているショクヨウカンナ（Canna edulis）の塊茎のでんぷんです。でんぷんを分解する酵素α-アミラーゼで適度に処理すれば、孔の構造を改善できるかを調べました。あわせて、アントシアニン（植物の色素で、環境の影響を受けて壊れやすい成分）のうち最も広く分布するシアニジン-3-グルコシド（C3G）を、このエアロゲルがどれだけ取り込めるか（吸着できるか）も評価しました。

何を、どのように調べたか

研究チームは、雲南省文山の市場で入手したショクヨウカンナの塊茎からでんぷんを取り出しました。まず、その成分や、加熱したときに水を吸って膨らむ性質を、市販の小麦でんぷん・トウモロコシでんぷんと比べました。でんぷんは、枝分かれの少ないアミロースと、枝分かれの多いアミロペクチンという2種類の分子からできており、その比率は材料の性質を左右します。

次に、α-アミラーゼで処理したでんぷんを用意しました。酵素処理をしていないエアロゲル（AG0）と、酵素処理でんぷんの配合割合を0.5%から4%まで段階的に増やしたエアロゲル（AG1〜AG4）を、凍結乾燥によって作りました。これらについて、分子が規則正しく並んだ結晶部分の割合、加熱したときの分解のしかた、押しつぶしたときの強さ、密度と多孔度を測りました。

C3Gの吸着試験では、未処理のAG0と、酵素処理が最も少ないAG1を比べました。まず濃度5〜1000mg/LのC3G溶液にエアロゲルを加えて一定時間置き、溶液に残ったC3Gの量から、エアロゲル1gあたりの吸着量（平衡吸着量）を求めました。さらに濃度300mg/Lの溶液10mLにエアロゲルの粉末50mgを入れ、25℃でかき混ぜながら、5分から1440分まで時間を追って吸着の進み方を記録しました。この経過を2種類の数理モデル（擬一次モデル・擬二次モデル）に当てはめ、どちらがよく説明するかを比べています。実験はすべて3回ずつ行われました。

主な報告結果

最も重要な結果は、C3Gの吸着量です。軽く酵素処理したAG1は、試した濃度の範囲全体で、未処理のAG0より多くのC3Gを吸着しました。濃度200mg/LではAG1が35.85mg/g、AG0が29.69mg/gでした。高濃度で吸着が頭打ちになったときの量は、AG1が43.3〜43.9mg/g、AG0が35.0〜36.0mg/gでした。時間経過では、吸着は最初の120分で急速に進み、その後はゆるやかに平衡へ近づきました。AG1は初期の立ち上がりがより急でした。数理モデルでは、両方のエアロゲルとも擬二次モデルのほうが実験データによく合いました。

酵素処理の程度は、強さに大きく影響しました。AG1の最大応力は4300〜4500kPaで、AG0よりわずかに低い程度でした。これに対し、AG2は約2500kPaとAG0のおよそ半分、AG3は約700kPa、AG4は500kPa未満まで下がりました。研究チームは、AG1の多孔度を92%と報告し、AG1が孔の発達と構造の強さのバランスに最も優れていたと評価しています。

結晶部分の割合は、未処理のカンナでんぷんで24.6%でした。エアロゲルではAG0が84.07%、AG2が最も高い92.41%で、配合を増やしたAG4では46.89%に下がりました。加熱による分解の経過はどの試料もよく似ていました。分解開始温度はAG0が303.90℃と最も高く、酵素処理でんぷんの配合が増えるにつれて294.48℃まで少しずつ低下しました。

でんぷん自体については、カンナでんぷんは小麦・トウモロコシでんぷんに比べてアミロースが少なく、アミロペクチンが多く、たんぱく質が多く、脂質が少ないことが示されました。加熱時の膨らみやすさ（膨潤力）は、65℃の約1100%から95℃の約2600%まで増え、どの温度でも比較した2種類のでんぷんを上回りました。

この報告が示すこと

著者らは、α-アミラーゼによる処理を適度にとどめると、つながった孔の網目が均一にでき、構造も保たれると結論づけています。処理が過剰になると孔の壁が薄くなり、局所的に崩れて強さが大きく失われます。研究チームは、すき間の多さと構造の安定性の両立を、多糖類エアロゲルに共通する課題と位置づけています。

著者らはまた、AG1が化学的な架橋やナノ材料の添加なしに、酵素による構造調整だけで、ほかのでんぷん系材料と比べて遜色のない吸着量を達成したと述べています。そのうえで、壊れやすい生理活性成分を食品中で運ぶ材料としての可能性を示すものとしています。吸着の仕組みについては、でんぷんとC3Gの間の水素結合などが関わる可能性に触れつつも、今回の結果からはそれが主な仕組みだとは直接示されていないとしています。

研究の限界として、著者らは、窒素ガスの吸着を利用して表面積や微細な孔の大きさの分布を数値で測る分析（BET分析）を行っていない点を挙げています。そのため、ナノレベルの孔の特徴と吸着性能との関係は、まだ定量的に結びつけられていません。

原著論文の著者・所属：Xiangjie Zhao（School of Life Science and Food Engineering, Huai’an University, Huai’an 223003, China）、Xinrui Huang（School of Life Science and Food Engineering, Huai’an University, Huai’an 223003, China）、Jin Yang（School of Life Science and Food Engineering, Huai’an University, Huai’an 223003, China）、Cancan Shao（School of Life Science and Food Engineering, Huai’an University, Huai’an 223003, China）、Yang Li（School of Life Science and Food Engineering, Huai’an University, Huai’an 223003, China）、Rongling Yang（School of Life Science and Food Engineering, Huai’an University, Huai’an 223003, China）

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Xiangjie Zhao, Xinrui Huang, Jin Yang, et al. Aerogels Prepared from Enzymatically Modified Canna edulis Starch: Structure and Cyanidin-3-glucoside Adsorption Performance. Gels（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-08-22. DOI: 10.3390/gels12090753. 原著ライセンス：CC BY.