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、高電圧をかけて溶液を細い糸状に引き伸ばし、ナノメートルからマイクロメートルの太さの繊維を作る方法です。できた繊維の膜は表面積が大きく、すき間が多いため、さまざまな成分を中に保持させやすい特徴があります。そのため、食品包装などに使う機能性材料の土台として研究されています。

トウモロコシの主要なたんぱく質であるゼインは、膜を作りやすく、有効成分の運び手として使われてきました。ただし、たんぱく質だけでは分子どうしの絡み合いが少ないため、繊維になりにくく、強度や水中での安定性にも課題があります。研究チームは、これを補う相手として、加工しやすく水をはじき、熱や薬品に強いフッ素樹脂のポリフッ化ビニリデン（PVDF）に注目しました。

両者を組み合わせた繊維は以前にも作られていました。しかし、混ぜる割合が溶液の性質、繊維のでき方、膜の構造、包装に関わる性能にどう影響するかは、体系的には調べられていませんでした。研究チームは、配合からできあがった膜の性能までのつながりを明らかにし、性能のバランスがよい土台膜を見つけることを目指しました。さらに、その膜で食品の鮮度を見張れるかどうかも確かめました。

何を、どのように調べたか

研究チームは、ゼインとPVDFの質量比を10:0、7:3、5:5、3:7、0:10の5通りにして溶液を作りました。ポリマーの合計濃度はどれも15%（w/v）に揃え、ジメチルホルムアミドとアセトンの混合溶媒に溶かしました。紡糸は、流量、電圧、ノズルから集める場所までの距離、温度、湿度をすべて同じ条件にして行いました。

溶液については、電気の通しやすさ（電気伝導度）、表面張力、粘り気（粘度）を測りました。膜については、電子顕微鏡で繊維の形と太さを観察しました。あわせて、赤外分光とX線回折で化学的な構成と結晶の状態を、加熱したときの重さの減り方で熱への強さを調べました。水との関係では、水滴が膜の表面となす角度（接触角。大きいほど水をはじく）、水蒸気の通しやすさ（透湿性）、24時間水に浸したときに溶け出す割合（水溶性）を測りました。さらに、引っ張り試験で強度と、切れるまでの伸びを調べました。

次に、性能のバランスがよいとした5:5の配合に、酸性かアルカリ性かで色が変わる色素ブロモチモールブルー（BTB）を加えて指示膜を作りました。この膜をpH5から12の緩衝液に15分浸し、色の変化と光の吸収を記録しました。また、約10gのエビを入れた容器を3つずつ用意し、エビに触れないように指示膜をふたの内側に取り付けました。これを25℃で保存し、0時間から48時間まで、エビのpHと膜の色の変化を測りました。色の変化は、保存開始時からの色差（ΔE）という数値で表しました。

主な報告結果

PVDFの割合を増やすと、溶液の電気伝導度は大きく下がりました。ゼインだけの溶液では430μS/cmでしたが、PVDFだけでは8.95μS/cmでした。一方、粘度はPVDFが多いほど高くなりました。表面張力は37.59〜39.58mN/mの狭い範囲に収まり、配合による有意な差はありませんでした。著者らは、繊維のでき方には表面張力より伝導度と粘度の変化が大きく影響したと解釈しています。

ゼインだけの溶液からは連続した繊維ができず、粒や塊状の構造になりました。PVDFを加えると、つながった繊維の網目ができ、玉状の欠陥も減りました。繊維ができた試料では、PVDFの割合が増えるにつれ、平均の直径が約113nmから約531nmへと太くなりました。赤外分光では新しい吸収帯は現れませんでした。このことから、両者は新たな化学結合を作らず、物理的に混ざり合っていると考えられました。

水との関係では、PVDFが多いほど水をはじく性質が強まりました。接触角はゼインだけの膜の約63.5°から、PVDFだけの膜の約130°まで大きくなりました。反対に、透湿性と水溶性はゼインが多いほど高くなりました。熱への強さは、PVDFの割合が増えるほど中温から高温の域で向上しました。

引っ張り試験では、強さと伸びが一方を取ると他方が下がる関係にありました。引っ張り強さは、7:3の膜の約13MPaからPVDFだけの膜の約5MPaへと下がりました。一方、切れるまでの伸びは約42%から約100%に増えました。5:5の膜は約12MPa、伸び約43%でした。研究チームは、繊維のでき方、形、強さ、水に関わる性質を総合して、5:5を比較的バランスのとれた配合として選びました。

BTBを加えた指示膜は、pHが酸性からアルカリ性へ上がるにつれて、黄色から緑、青緑、青へと色を変えました。同時に、約618nmの光の吸収も強まりました。エビの保存試験では、エビのpHが約6.4から8.0へ上がりました。膜は淡い黄色や黄緑から青緑になり、48時間後にははっきりした青になりました。色差ΔEとエビのpHの間には強い直線関係があり、決定係数（R²）は0.997でした。

この報告が示すこと

研究チームは、ゼインとPVDFの混合比を変えることで、溶液の性質から繊維の形、膜の水への強さや機械的性質までを一続きに調整できると結論づけています。ゼイン単独では難しかった繊維化が、PVDFを組み合わせることで可能になりました。そのうえで、用途に応じて性能の釣り合いを選べる土台膜になることを示した、という位置づけです。

BTBを加えた膜については、色素の色の変わる性質が繊維の中でも保たれ、その色の変化がエビの傷みの進み具合とよく対応しました。著者らはこれを、鮮度に反応する食品包装の担い手として、この膜が使える可能性を示すものとしています。ただし、膜の色が変わる仕組みについては、傷んだエビから出る揮発性の塩基性物質が関わっている可能性が述べられているだけで、直接は確かめられていません。また、保存試験は25℃でエビを48時間保存した条件に限られています。強度の数値は膜の厚さや試験条件に左右されるため、ほかの材料の報告値と直接比べる際は注意が必要だと、著者らは述べています。

原著論文の著者・所属：Fei Yao（College of Food Science and Technology, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, Henan, China; School of Food and Biological Engineering, Engineering Research Center of Bio-Process, Hefei University of Technology, Hefei 230601, Anhui, China）、Yishuang Dong（College of Food Science and Technology, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, Henan, China）、Chan Jin（College of Food Science and Technology, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, Henan, China）、Zihao Li（College of Food Science and Technology, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, Henan, China）、Changhong Liu（School of Food and Biological Engineering, Engineering Research Center of Bio-Process, Hefei University of Technology, Hefei 230601, Anhui, China）、Fusheng Chen（College of Food Science and Technology, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, Henan, 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）：Fei Yao, Yishuang Dong, Chan Jin, et al. Construction and Performance Evaluation of Zein/PVDF Electrospun Nanofiber Membranes as Functional Carriers for Food Packaging. Foods（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-08-20. DOI: 10.3390/foods15162909. 原著ライセンス：CC BY.