著者の所属・活動拠点の国は、カザフスタン、アメリカです。

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

石油由来のプラスチックは分解されにくく、埋め立て地への蓄積やマイクロプラスチック汚染につながることが懸念されています。代わりとなる材料の一つが、豊富で安価、しかも生分解性をもつでんぷんです。ただし、でんぷんだけで作ったフィルムは水に弱く、強度や熱への耐性も不十分なため、包装材として使うには課題があると著者らは説明しています。

でんぷんフィルムを補強する材料として、セルロースや、ラポナイトと呼ばれる合成の層状粘土鉱物（ナノサイズの薄い板状粒子からなる）が研究されてきました。しかし、形や表面の性質が異なる複数のセルロースを、同じでんぷん・ラポナイト・グリセリンの配合の中で同程度の量で直接比べた研究は限られていました。そこで研究チームは、バクテリアセルロース、α-セルロース、カルボキシ化セルロースナノファイバーの3種類が、トウモロコシでんぷんとラポナイトから作るフィルムの性質にどう影響するかを比べることを目的としました。あわせて、バクテリアセルロースの量を変えたときに、強度や伸び、水による膨潤、溶剤への耐性、加熱による修復の性質がどう変わるかも調べました。

何を、どのように調べたか

3種類のセルロースは形状が大きく異なります。市販のバクテリアセルロースは、微生物が糖を発酵させて作る直径50〜100ナノメートル、長さ20マイクロメートル超の細長い繊維で、水を多く含むゲル状で供給されました。α-セルロースは粒径50〜400マイクロメートルの比較的大きな粒子、カルボキシ化セルロースナノファイバーは直径4〜10ナノメートルの極細繊維で、表面にカルボキシ基という化学的なグループをもちます。

フィルムは、トウモロコシでんぷん5グラムを水に分散させ、セルロース、柔らかさを与える可塑剤のグリセリン2.0ミリリットル、ラポナイトを加えて作りました。バクテリアセルロースはゲル中の固形分を実測し（約2.94重量％）、乾燥重量で0.25グラム、0.50グラム、1.00グラムとなる3段階の配合を用意しました。

3種類のセルロースを含むフィルムについては、赤外分光法で成分の化学構造を確認し、加熱しながら重さの減り方を測る熱重量分析で熱への強さを、波長600ナノメートルの光の透過率から厚さあたりの光の弱まり方（値が大きいほど不透明）を、引っ張り試験で強度（引張強さ）、硬さ（ヤング率）、切れるまでの伸びを調べました。バクテリアセルロースを含むフィルムについては、量を変えた引っ張り試験に加え、水中での膨潤、有機溶剤（テトラヒドロフラン、トルエン、クロロホルム）や強い酸（1モル濃度の塩酸）・強いアルカリ（1モル濃度の水酸化ナトリウム）に24時間浸す試験、加熱処理で修復したフィルムの引っ張り試験も行いました。

主な報告結果

セルロースの種類によって、フィルムの性質の傾向が異なりました。引っ張り試験では、バクテリアセルロースを含むフィルムの引張強さが4.47メガパスカルと最も高く、ヤング率も最大でした。α-セルロースのフィルムは引張強さ4.00メガパスカル、切れるまでの伸び約89.7％、カルボキシ化セルロースナノファイバーのフィルムは引張強さが3.40メガパスカルと最も低い一方、伸びは約100％と最大でした。

透明性では、カルボキシ化セルロースナノファイバーのフィルムが最も透明で、600ナノメートルでの透過率は75.5％、厚さあたりの光の弱まりを示す値は0.38（1ミリメートルあたり）でした。α-セルロースは0.74、バクテリアセルロースは0.84と、より不透明でした。熱重量分析で最も速く分解が進む温度は、α-セルロースが約315℃と最も高く、カルボキシ化セルロースナノファイバーが約305℃、バクテリアセルロースが約295℃でした。

バクテリアセルロースの量を0.25グラムから1.0グラムに増やすと、引張強さは3.17メガパスカルから7.78メガパスカルへ、ヤング率は0.260メガパスカルから0.996メガパスカルへ上がりました。一方、切れるまでの伸びは41％から16％に下がり、強さと伸びやすさの間にトレードオフが見られました。最大の引張強さ7.78メガパスカルは、比較に用いた既報のでんぷん・セルロース系フィルム（4.885〜71.32メガパスカル）の中では低い側に位置しました。

バクテリアセルロースを含むフィルムは、有機溶剤に24時間浸した後も見た目の形を保ちましたが、強い酸やアルカリでは膨潤や変形が起き、部分的に形が崩れました。加熱による修復処理では、元のフィルムの引張強さ5.18メガパスカルが修復後に2.85メガパスカルとなり、強さは約55％、ヤング率は約45％まで回復しました。切れるまでの伸びは24.0％から23.7％で、ほとんど変わりませんでした。

この報告が示すこと

研究チームは、加えるセルロースの種類とバクテリアセルロースの量によって、フィルムの熱・光・力学的な性質が変わることを示したと結論づけています。どの性質を重視するかで適したセルロースが異なりうるという比較の手がかりを示した報告といえます。加熱による修復は一定の効果がありましたが、元の強さや硬さは完全には戻りませんでした。

一方で、著者らは違いが生じる仕組みは特定できていないと強調しています。結晶性を調べるX線回折や、フィルム内部でのセルロースの散らばり方を直接見る電子顕微鏡観察を行っておらず、水素結合や繊維の絡み合いといった想定した相互作用も直接は確かめていません。溶剤への耐性は見た目による定性的な評価で、透明性も1つの波長だけの測定です。また、水蒸気や酸素の透過性は測っておらず、包装材としての適性は予備的な段階にとどまります。著者らは、包装に使えると判断する前に、遮断性、成分の移行、食品接触の安全性の試験が必要だとしています。強度が既報より低めだった点については、可塑剤のグリセリンの影響や、化学的な架橋を行わず成分同士の物理的な結びつきに頼った配合であることが一因の可能性があると述べていますが、各研究で配合や試験条件が大きく異なるため、数値の直接比較には限界があるとしています。

原著論文の著者・所属：Rysgul Tuleyeva（Department of Chemical and Biochemical Engineering, Geology and Oil-Gas Business Institute Named After K. Turyssov, Satbayev University, Almaty 050043, Kazakhstan; Department of Chemistry and Technology of Organic Substances, Natural Compounds and Polymers, Faculty of Chemistry and Chemical Technology, Al-Farabi Kazakh National University, Almaty 050040, Kazakhstan）、Nargiz Gizatullina（Department of Chemical and Biochemical Engineering, Geology and Oil-Gas Business Institute Named After K. Turyssov, Satbayev University, Almaty 050043, Kazakhstan）、Alexey Shakhvorostov（Institute of Polymer Materials and Technology, Almaty 050019, Kazakhstan）、Zhanserik Shynykul（Department of Chemical and Biochemical Engineering, Geology and Oil-Gas Business Institute Named After K. Turyssov, Satbayev University, Almaty 050043, Kazakhstan; Department of Pharmaceutical Sciences, College of Pharmacy, The University of Tennessee, Health Science Center, Memphis, TN 38103, USA）、Gaukhar Toleutay（Department of Chemical and Biochemical Engineering, Geology and Oil-Gas Business Institute Named After K. Turyssov, Satbayev University, Almaty 050043, Kazakhstan; Department of Chemistry, University of Tennessee, Knoxville, TN 37996, USA）

※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）：Rysgul Tuleyeva, Nargiz Gizatullina, Alexey Shakhvorostov, et al. Bacterial Cellulose- and Laponite-Reinforced Corn Starch Bioplastics for Sustainable Packaging. Polymers（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-09-08. DOI: 10.3390/polym18182190. 原著ライセンス：CC BY.