著者の所属・活動拠点の国は、中国です。

掲載誌：Foods

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

電界紡糸（エレクトロスピニング）は、高い電圧をかけた溶液を細い流れ（ジェット）として引き伸ばし、ナノメートルからマイクロメートルの太さの繊維をつくる技術です。できた繊維の膜は表面積が大きく、すき間がつながった構造を持つため、食品包装や有効成分の運搬・放出などへの利用が検討されています。用途を広げるには、繊維の太さや形を細かく制御する必要があります。

論文によると、これまでの報告では直径200ナノメートル未満の繊維を得るのは難しいとされてきました。溶液を薄めすぎると噴出が不安定になり、ビーズ状の欠陥を持つ繊維や粒子になってしまうためです。界面活性剤を加えると噴出が安定し、細く均一な繊維ができることが知られていますが、天然高分子の繊維で太さを体系的に調整した研究や、界面活性剤の種類による違いとその仕組みについては、はっきりした結論が出ていませんでした。

そこで研究チームは、トウモロコシのたんぱく質であるゼインを材料に、食品にも使える溶媒とされる氷酢酸（水をほとんど含まない酢酸）を用いて、紡糸条件の調整と界面活性剤の添加によって繊維の太さを制御し、太さや添加剤の違いが繊維の性質にどう影響するかを調べました。

何を、どのように調べたか

まず、氷酢酸に溶かすゼインの濃度（30％、35％、40％）と、溶液を送り出す速さ（毎時0.5〜3ミリリットル）を変えて4種類の繊維をつくりました。電子顕微鏡で1試料あたり200本の繊維を測った平均直径は、約208、391、602、1002ナノメートルでした。研究チームはこれらを約200、400、600、1000ナノメートルの繊維として比較しています。

次に、30％のゼイン溶液に、性質の異なる3種類の界面活性剤をそれぞれゼインの重さに対して2％加えました。陰イオン性（マイナスの電荷を持つ）のドデシル硫酸ナトリウム（SDS）、非イオン性（電荷を持たない）のスパン80、陽イオン性（プラスの電荷を持つ）の塩化トリエチルベンジルアンモニウム（TEBAC）です。溶液の性質については、添加量を最大20％まで増やした場合も調べました。

測定したのは、紡糸前の溶液の粘り気（粘度）、電気の通しやすさ（導電率）、表面張力と、できた繊維の形や太さ、引っ張ったときの強さや伸び、水のはじきやすさ（水接触角）、水中での安定性、熱に対する挙動、たんぱく質の立体構造です。水接触角は、表面に置いた水滴が表面となす角度で、角度が大きいほど水をはじきやすいことを示します。

主な報告結果

研究チームの結論によれば、紡糸条件の調整でも繊維はある程度細くなりましたが、界面活性剤を加えるとはるかに大きく細くなり、直径100ナノメートル近い極細の繊維ができました。界面活性剤なしの場合、繊維の太さは主にゼイン濃度で決まり、濃度が高いほど太くなりました。30％溶液の粘度は0.32パスカル秒でしたが、40％では1.06パスカル秒に上がりました。

界面活性剤を2％加えると、3種類とも溶液の表面張力が下がり、導電率が上がりました。導電率は添加なしの毎センチメートル103.73マイクロジーメンスに対し、TEBACで225.67、SDSで154.37、スパン80で120.23でした。表面張力が最も低かったのもTEBACで、1メートルあたり36.72ミリニュートン（添加なしは46.10）でした。研究チームは、表面張力の低下と導電率の上昇が重なることで、紡糸中にゼインの分子鎖がより強く引き伸ばされ、細い繊維になると説明しています。

強度は界面活性剤の種類で大きく分かれました。TEBACを加えた繊維は引っ張り強さが63.26メガパスカル、破断までの伸びが6.50％となり、添加なしの繊維より強く、よく伸びるようになりました。一方、SDSとスパン80は伸びをそれぞれ11.86％、9.10％に高めましたが、引っ張り強さは1.78メガパスカル、1.55メガパスカルに下がり、硬さも低下しました。界面活性剤なしの繊維では、太くなるほど硬くなり、伸びは小さくなりました。引っ張り強さは約600ナノメートルの繊維で最大の35.55メガパスカルでした。

水のはじきやすさも変わりました。界面活性剤なしの繊維では、直径が200ナノメートルから1000ナノメートルに太くなると、水接触角が120.88度から80.65度に下がり、水になじみやすくなりました。研究チームは、繊維が太くなると繊維間のすき間が広がり、水が入り込みやすくなるためと考えています。界面活性剤を加えた繊維でも水接触角ははっきり下がり、スパン80で88.73度、SDSで90.88度、TEBACで95.43度でした。一方、3種類とも熱に対する安定性は下がったと報告されています。

たんぱく質の立体構造では、繊維が太くなるほどαヘリックスとβシートという規則的な構造が増え、βターンという折り返し構造が減りました。界面活性剤を加えた場合もβターンが減ってαヘリックスが増え、変化はSDSで最も大きく、TEBACで最も小さいものでした。

この報告が示すこと

研究チームは、紡糸条件、溶液の性質、ゼインと界面活性剤の相互作用を組み合わせて調整することで、たんぱく質の繊維の形成を細かく制御できることを示したとしています。界面活性剤ごとに効果が違うのは、氷酢酸中でプラスに帯電したゼインと、電荷の異なる界面活性剤との相互作用の違いによると説明されています。また、加工条件、分子構造の変化、繊維の太さ、材料の性能の関係を整理したことが、用途に合わせたたんぱく質ナノファイバー材料をつくるための理解と方法の土台になると位置づけています。

限界もあります。繊維の膜の厚さや密度は個別に測っておらず、試料間の比較は原料溶液の量をそろえることで行っています。さらに著者らは、この方法を大規模化できるか、再現性があるか、食品包装や有効成分の運搬といった実際の用途で性能を発揮するかは、今後確かめる必要があるとしています。

原著論文の著者・所属：Shumin Wang（College of Food and Bio-Engineering, Beijing Vocational College of Agriculture, Beijing 104224, China）、Xiaolin Liang（Department of Nutrition and Health, China Agricultural University, Beijing 100193, China）、Hanyu Chai（Department of Nutrition and Health, China Agricultural University, Beijing 100193, China）、Shaohua Lin（College of Food and Bio-Engineering, Beijing Vocational College of Agriculture, Beijing 104224, China）、Yankun Fu（Department of Nutrition and Health, China Agricultural University, Beijing 100193, China）、Xiaofei Liu（College of Food and Bio-Engineering, Beijing Vocational College of Agriculture, Beijing 104224, China）、Hongyu Li（Liaocheng Academy of Agricultural Sciences, Liaocheng 252000, China）、Pengjie Wang（Department of Nutrition and Health, China Agricultural University, Beijing 100193, 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）：Shumin Wang, Xiaolin Liang, Hanyu Chai, et al. Formation and Properties of Electrospun Zein Nanofibers from Glacial Acetic Acid Solutions: Effects of Process Variables and Surfactants. Foods（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-09-05. DOI: 10.3390/foods15173156. 原著ライセンス：CC BY.