著者の所属・活動拠点の国は、チリ、コロンビアです。

掲載誌：Polymers

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

生分解性プラスチックは、従来のプラスチックに代わる素材として期待されています。ただし、強度や耐熱性、気体などを通しにくい性質（バリア性）が比較的劣ることが、普及を妨げる要因になっています。食品包装に使う場合は、こうした基本性能に加えて、微生物の増殖を抑える抗菌性のような機能も役立つ可能性があります。

研究チームが着目したのは、成形しやすくしたでんぷん（熱可塑性でんぷん、TPS）と、植物由来のプラスチックであるポリ乳酸（PLA）を混ぜた材料です。水になじみやすいでんぷんと比較的水をはじきやすいPLAは混ざりにくく、境界での接着が弱くなりやすいという課題があります。そのため、クエン酸で両者のなじみを良くする方法がこれまでにも使われてきました。ただし、この材料自体には抗菌性がありません。

そこで研究チームは、銅で修飾したZSM-5というゼオライトを、クエン酸で相溶化したTPS/PLA材料に混ぜ込みました。ゼオライトは、微細な穴を多く持つ結晶性のアルミノケイ酸塩です。研究の目的は、このゼオライトの添加量と原料でんぷんの植物の違いが、材料の構造、熱的性質、微小な領域の力学的性質、抗菌性にどう影響するかを明らかにすることでした。この銅ゼオライトは以前の研究で特性が調べられています。その研究では、Idiomarina loihiensis、Pseudoalteromonas、Halomonas boliviensisに対して50.7〜61.0 mmの阻止帯（細菌の増殖が抑えられた範囲）を示したと報告されています。

何を、どのように調べたか

土台となる材料には、先行研究で報告された既存の配合を使いました。PLA、でんぷん、相溶化剤のクエン酸、可塑剤のグリセリンからなる配合です。でんぷんは2種類で、サツマイモでんぷん（アミロース含有率45.9%）とヤムイモ（Dioscorea rotundata）でんぷん（同25.59%）です。アミロースはでんぷんを構成する直鎖状の成分で、その割合は材料の組織や添加物との相互作用に影響しうるとされています。TPSとPLAの比率とクエン酸の量は一定に保ちました。そのうえで、でんぷんの種類と銅ゼオライトの添加量（0、1、5重量%）を変えて比べました。

銅ゼオライトは、市販のZSM-5を硝酸銅の溶液に入れて90 °Cでかき混ぜ、真空で溶媒を除いた後、100 °Cで24時間処理して作りました。銅の量は、ゼオライトの重さに対して名目上8重量%です。この配合は以前の研究で評価済みのため、今回はゼオライト単体の特性評価を繰り返していません。

作った材料について、X線回折で結晶の状態と結晶化度（材料のうち結晶になっている部分の割合）を調べました。あわせて、赤外分光で化学構造を、電子顕微鏡で表面の形態を観察しました。熱的性質は、二つの方法で評価しました。一つは、窒素中で25 °Cから600 °Cまで加熱して重さの減り方を測る熱重量分析です。もう一つは示差走査熱量測定（DSC）で、結晶化やガラス転移など、温度変化に伴う熱の出入りを測ります。さらに、ごく小さな針を押し込むナノインデンテーションで、表面の硬さ、弾性率、押し込み後に形がどれだけ戻るか（弾性回復指数）を多数の点で測り、分布図を作りました。抗菌性はディスク拡散法で調べました。材料をしみ込ませた円板を、黄色ブドウ球菌または大腸菌を塗った寒天培地に置き、周囲にできる阻止帯の大きさを測る方法です。

主な報告結果

抗菌性が確認されたのは、銅ゼオライトを5重量%加えた材料だけでした。最も大きな阻止帯を示したのは、サツマイモでんぷんを使った5重量%の材料で、黄色ブドウ球菌に対して5.3 mmでした。一方、ヤムイモでんぷんの5重量%の材料は、黄色ブドウ球菌に対して阻止帯を示しませんでした。大腸菌に対しては、どちらのでんぷんの5重量%の材料も1 mmの阻止帯を示しました。1重量%の材料では阻止帯が見られませんでした。研究チームはその理由として、放出に使える銅の量が少ないことを挙げています。理論上の銅含有量は、1重量%の材料で約0.08重量%、5重量%の材料で約0.40重量%です。1重量%では、材料から放出されて寒天へ拡散した銅の量が、検出できる阻止帯を生じるのに必要な水準に届かなかった可能性があるとしています。

熱的性質では、分解が始まる温度の上昇が最も大きかったのは、サツマイモでんぷんに銅ゼオライトを1重量%加えた材料でした。ヤムイモでんぷんの材料では安定化の度合いがより穏やかで、5重量%では加熱後に残る量が多くなりました。DSCの結果から、銅ゼオライトはガラス転移温度よりも、主に結晶化の挙動に影響したと報告されています。結晶化温度は、どちらのでんぷんでも添加量とともに低下しました。一方、結晶化に伴う熱量が最大になった添加量は、サツマイモでんぷんでは5重量%、ヤムイモでんぷんでは1重量%で、でんぷんの種類によって異なりました。

X線回折では、すべての配合でPLAの結晶構造が保たれていました。推定された結晶化度は、サツマイモでんぷんの材料で、添加なし12.09%、1重量%で13.70%、5重量%で13.07%でした。ヤムイモでんぷんの材料では、それぞれ10.73%、9.94%、12.75%でした。ただし、これらは1回ずつの測定値で、配合間の差も小さいため、研究チームは統計的に有意な変化ではなく傾向として扱っています。

ナノインデンテーションでは、銅ゼオライトを加えても、材料が一様に硬くなるわけではありませんでした。サツマイモでんぷんの材料の硬さは、添加なしで約0.183〜0.275 GPaでした。1重量%では約0.078〜0.248 GPa、5重量%では約0.011〜0.237 GPaと、添加量が増えるほど場所による差が広がりました。弾性率も、添加量が増えるにつれて一貫して高くなるわけではありませんでした。

この報告が示すこと

研究チームは、銅ゼオライトの効果は添加量と原料でんぷんの種類の両方に左右されると結論づけています。構造、熱安定性、局所的な力学的性質、抗菌性の間にはトレードオフがあり、熱安定性に有利な添加量と、抗菌性を得るのに必要な添加量は一致しませんでした。また研究チームは、局所的な力学的性質は硬い無機物が入ったことだけでは決まらず、材料と添加物の相互作用や微細な組織の不均一さが合わさって生じるという見方を示しています。

研究チームは限界も挙げています。今回の弾性率は針を押し込んで測った局所的な値であり、材料全体を引っ張って測る弾性率として解釈することはできません。引張強さ、破断までの伸び、衝撃強さも評価していません。そのため、特定の包装や製造の用途に使えることを確かめるには、材料全体としての力学的性質、バリア性、加工性について、総合的な評価がまだ必要だとしています。

原著論文の著者・所属：Karla Garrido-Miranda（Scientific and Technological Bioresource Nucleus, BIOREN, Universidad de La Frontera, Temuco 4811230, Chile）、Elizabeth Moreno-Bohorquez（Chemical Engineering Program, Faculty of Engineering, Universidad Tecnológica de Bolívar, Parque Industrial and Tecnológico Carlos Vélez Pombo km 1 Vía Turbaco, Cartagena de Indias 130001, Colombia）、Mary Judith Arias-Tapia（Chemical Engineering Program, Faculty of Engineering, Universidad Tecnológica de Bolívar, Parque Industrial and Tecnológico Carlos Vélez Pombo km 1 Vía Turbaco, Cartagena de Indias 130001, Colombia）、Cristian Miranda（Unidad de Desarrollo Tecnológico, 2634 Av. Cordillera, Concepción 4191996, Chile）、Ángelo Oñate（Department of Materials Engineering (DIMAT), Faculty of Engineering, Universidad de Concepción, 315 Edmundo Larenas, Concepción 4070415, Chile）、Carlos Lanziotti（Department of Mechanical Engineering (DIM), Faculty of Engineering, University of Concepción, Edmundo Larenas 219, Concepción 4070409, Chile）、Ángel Contreras（Departamento de Ciencias Biológicas y Químicas, Universidad Católica de Temuco, Temuco 4813302, Chile）、Jesús D. Rhenals-Julio（Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Córdoba, Cr 6 #76-103, Montería 230002, Colombia）、Andrés F. Jaramillo（Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Córdoba, Cr 6 #76-103, Montería 230002, Colombia; Department of Mechanical Engineering, Universidad de La Frontera, Temuco 4780000, Chile）、Manuel F. Melendrez（Facultad de Ingeniería, Universidad San Sebastián, Campus Las Tres Pascualas, Lientur 1457, Concepción 4060000, Chile）

※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）：Karla Garrido-Miranda, Elizabeth Moreno-Bohorquez, Mary Judith Arias-Tapia, et al. Effect of Copper-Modified ZSM-5 Zeolite Concentration on the Thermomechanical and Antimicrobial Properties of Compatibilized Native Starch/Polylactic Acid Blends. Polymers（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-08-22. DOI: 10.3390/polym18172036. 原著ライセンス：CC BY.