(57)【要約】【課題】  タンパク質由来のゲル状固形物の製造方法の提供を目的とする。【解決手段】  本発明のタンパク質由来のゲル状固形物の製造方法は、タンパク質水溶液を、７０℃以上１２７℃未満、０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ未満で加圧加熱処理する工程と、処理物を冷却する工程とを含む。本発明の製造方法により得られるゲル状固形物は、例えば、タンパク質由来であるから生分解性を有するバイオマスプラスチック又はその材料として使用できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンパク質水溶液を、７０℃以上１２７℃未満、０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ未満で加圧加熱処理する工程、及び
処理物を冷却する工程を含む、前記タンパク質由来のゲル状固形物の製造方法。
【請求項２】
前記タンパク質が、水溶性タンパク質を含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記処理温度が、８０〜１００℃である請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記タンパク質水溶液の濃度が、１〜５０重量％である請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の製造方法により製造されるタンパク質由来のゲル状固形物。
【請求項６】
透明である請求項５に記載のゲル状固形物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンパク質由来のゲル状固形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界的に大量に生産・使用されている石油関連プラスチックが、大きな問題を抱えている。すなわち、石油関連プラスチックは、石油等の化石燃料を原料とするものであるため、例えば、化石燃料資源の枯渇や炭酸ガスによる温暖化という問題を引き起こすとされているからである。このため、石油関連プラスチックに替えて、植物、動物等の天然資源から製造可能な、いわゆる、「バイオプラスチック（バイオマスプラスチック）」が注目されている。
【０００３】
バイオプラスチックの中でも、生分解性を有するプラスチックと、生分解性を有さないプラスチックとがある。これらの中でも、ポリ乳酸は、バイオマスから抽出したデンプンをグルコースに変換し、さらに乳酸発酵等を行うことによって製造するものであるため注目されている（例えば、非特許文献１）。しかしながら、石油関連プラスチックに対抗するには高価であるという問題があり、低コストで製造可能な新たな生分解性プラスチックが求められている。
【０００４】
一方、本発明者は、タンパク質を亜臨界水処理して不溶化することにより生分解性プラスチックを製造することを提案している（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−２１３６４１号公報
【非特許文献１】生分解性プラスチック研究会、「生分解性プラスチックの本」、ｐ．２２−２３、日刊工業新聞社、２００４年８月３０日発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、より簡便に様々な形態の生分解性プラスチックを製造する方法が求められている。
【０００６】
そこで、本発明は、新たなタンパク質由来のゲル状固形物を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明タンパク質由来のゲル状固形物の製造方法は、タンパク質水溶液を、７０℃以上１２７℃未満、０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ未満で加圧加熱処理する工程、及び処理物を冷却する工程を含む、タンパク質由来のゲル状固形物の製造方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の製造方法によれば、新規なタンパク質由来のゲル状固形物を簡単に提供できる。また、本発明の製造方法により得られるタンパク質由来のゲル状固形物を、例えば、乾燥して加熱成形すること等により通常の溶媒を含まない生分解性プラスチック等を製造することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
［ゲル状固形物］
本発明においてゲル状固形物とは、例えば、流動性を失った半固体状物質であって、好適には、高分子の有機物が物理的及び／又は化学的な相互作用で互いに結びつきながら三次元的な網目構造を作り、その内部に水等の溶媒を保持可能な物質であって、より好適には水等の溶媒を保持して膨潤した状態の物質のことをいう。
【００１０】
［タンパク質］
本発明においてタンパク質としては、いずれのタンパク質も使用でき、例えば、水溶性タンパク質全般やシステインを含むタンパク質等を使用できる。タンパク質が動物性タンパク質の場合、例えば、血清、牛乳そのものを使用しても良いし、それらから得られるアルブミン、β−ラクトグロブリン等を使用しても良い。タンパク質が植物性タンパク質の場合、例えば、植物由来のアルブミンを使用でき、その他に小麦、米及び大豆等の複合タンパク質を使用しても良い。アルブミンとしては、例えば、ウシ血清アルブミン、ヒト血漿アルブミン、ラクトアルブミン、乳漿（牛乳から脂肪分とカゼインとを取り除いた成分）、及びオボアルブミン等の動物由来アルブミン、小麦及びトウモロコシ等の植物由来アルブミン等が挙げられる。透明なゲル状固形物を製造する観点から、ウシ血清アルブミン、ヒト血漿アルブミン及びラクトアルブミン等が好ましい。本発明で使用するタンパク質は、単一種類であっても良いし、複数種類のタンパク質の混合物であっても良い。
【００１１】
［タンパク質水溶液］
本発明においてタンパク質水溶液とは、タンパク質を含み水を溶媒とする溶液のことをいい、水溶液中に含まれるタンパク質の少なくとも一部が溶解した状態で含まれていれば良く、全てのタンパク質が溶解した状態で含まれていても良い。
【００１２】
［本発明のタンパク質由来のゲル状固形物の製造方法］
本発明のタンパク質由来のゲル状固形物の製造方法は、タンパク質水溶液を、７０℃以上１２７℃未満、０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ未満で加圧加熱処理する工程、及び処理物を冷却する工程を含む。上記加圧加熱条件では、例えば、水の誘電率が小さくなることから、タンパク質の水溶性が阻害され、それに伴うタンパク質同士の凝集やタンパク質内の分子間・分子内相互作用によりタンパク質の高次構造の変化等により、ゲル状固形物が形成されるものと考えられる。また、タンパク質がシステインを含むタンパク質である場合、水溶性の阻害に伴う凝集に加え、例えば、システインのＳＨ基によるジスルフィド結合（Ｓ−Ｓ結合）の形成がランダムに発生し、ゲル状固形物が形成されるものと考えられる。ただし、本発明はこれらのメカニズムには限定されない。本発明の製造方法によれば、例えば、簡単、短時間でタンパク質由来のゲル状固形物を製造できる。このため、本発明の製造方法によれば、例えば、製造コストを低減できる。さらに、本発明の製造方法によれば、例えば、透明なタンパク質由来ゲル状固形物を短時間で製造できる。
【００１３】
本発明のタンパク質由来のゲル状固形物の製造方法は、例えば、以下のようにして行うことができる。なお、本発明の製造方法において、加圧加熱処理工程及び冷却工程は、バッチ式で行っても良いし、連続式で行っても良い。
【００１４】
まず、タンパク質水溶液を、７０℃以上１２７℃未満、０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ未満での加圧加熱処理を行う。
【００１５】
加圧加熱処理工程は、例えば、原料となるタンパク質水溶液を充填した密閉容器等の反応器を加熱することによって行うことができる。密閉容器を加熱することによって容器内部が加圧状態となり、好ましくはタンパク質の凝集架橋ゲル化を促進できる。加熱処理は、例えば、オイルバス、ソルトバス及びウォータバス等を用いて行うことができる。密閉容器としては、例えば、ステンレス鋼等の材質から形成された耐圧耐熱反応器を使用できる。
【００１６】
反応温度は、７０℃以上１２７℃未満であり、好ましくは８０〜１２０℃であり、透明なゲル状固形物を得る観点から、８０〜１１０℃がより好ましく、さらに好ましくは８０〜１００℃である。
【００１７】
反応圧力は、０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ未満であり、密閉容器を用いて加圧加熱処理工程を行う場合は、加温時における密閉容器又は連続装置の反応部の圧力であり、好ましくは０．１〜０．６ＭＰａ、より好ましくは０．１〜０．４ＭＰａである。バッチ式の場合、内部圧力は、飽和水蒸気圧に従うことになる。
【００１８】
反応時間は、ゲル状固形物が合成可能な時間であれば特に制限されず、例えば、反応温度等によって適宜決定できる。反応時間の下限は、例えば、０秒を超え、好ましくは１０秒以上である。反応時間の上限は、例えば、６０分以下であり、好ましくは３０分以下である。反応温度が７０℃以上９０℃未満、好適には８０℃の場合、反応時間は５分以上であることが好ましく、より好ましくは５〜３０分、さらに好ましくは５〜２０分であり、特に好ましくは５〜１０分である。反応温度が９０℃以上１２７℃未満である場合、反応時間は、１分以上であることが好ましく、より好ましくは１〜３０分、さらに好ましくは１〜２０分である。
【００１９】
タンパク質水溶液のタンパク質濃度は、例えば、処理温度や目的とする固形物等によって適宜決定でき、例えば、１〜５０重量％であり、好ましくは１〜２０重量％である。ゲル状固形物の製造効率の観点からは、１０〜２０重量％が好ましい。粒子状固形物を形成する観点からは、１〜５重量％が好ましい。なお、本発明において粒子状固形物とは、例えば、乾燥状態での粒径が５０〜３００ｎｍのゲル状固形物のことをいう。タンパク質水溶液には、例えば、酸、アルカリ及びアルコール等を含んでも良い。
【００２０】
反応器の容積に対するタンパク質水溶液の充填量（充填量／容積）は、バッチ式で行う場合、例えば、１／４〜３／４であり、好ましくは１／３〜２／３、より好ましくは４／９〜６／９である。連続式の場合は、反応器内は全てタンパク質水溶液となる。
【００２１】
つぎに、処理物を冷却する工程を行う。冷却工程は、バッチ式の場合、例えば、反応器を冷水等に投入して急冷することにより行うことができ、連続式の場合、例えば、処理物を冷たい熱交換器を通過させることにより行うことができる。
【００２２】
［本発明のタンパク質由来のゲル状固形物］
本発明のタンパク質由来のゲル状固形物は、本発明の製造方法により得られるゲル状固形物である。本発明のタンパク質由来のゲル状固形物は、例えば、透明であっても良い。本発明において透明とは、例えば、可視光を透過させる性質を有していることをいい、無色透明のみならず、有色透明も含む。本発明のタンパク質由来のゲル状固形物は、可視光（例えば５５０ｎｍ）における透過率が、例えば、５０％以上であり、好ましくは７０％以上である。
【００２３】
本発明のゲル状固形物は、例えば、膨潤率が９を超えることが好ましく、より好ましくは１０〜４０、さらに好ましくは１０〜３０、特に好ましくは１５〜３０である。ゲル状固形物が透明である場合、膨潤率は、例えば、１０以上であり、一般的には１０〜３０である。膨潤率は、後述する実施例のようにして求めることができる。
【００２４】
本発明のゲル状固形物において炭素原子に対する水素原子、窒素原子及び硫黄原子のそれぞれの比率は、例えば、原料であるタンパク質、すなわち、加圧加熱処理及び冷却処理前のタンパク質における比率と略同程度である。
【００２５】
本発明のゲル状固形物は、例えば、再生治療における皮膚や器官を培養するための足場材、制癌剤等の薬剤を徐放する基材、添付剤、人工関節の軟骨部、人工血管等の生体材料、化粧品、食品等の原材料、通常の石油を原料として作られるプラスチックや合成繊維などの代替品としての生分解性プラスチックに利用できる。
【００２６】
本発明のゲル状固形物は、例えば、バイオマスプラスチックとしても利用できる。このため、本発明は、その他の態様として本発明のゲル状固形物を加工してバイオマスプラスチックを製造する方法及びそれにより得られるバイオマスプラスチックを含む。本発明のゲル状固形物は、タンパク質由来であるから生分解性である。このため、本発明のバイオマスプラスチックの製造方法により得られるバイオマスプラスチックは、生分解性を有するバイオマスプラスチックである。本発明によれば、例えば、簡単・低コストでバイオマスプラスチック、好ましくは生分解性を有するバイオマスプラスチックを製造できる。
【００２７】
本発明のゲル状固形物は、例えば、所望の鋳型を用いて本発明の製造方法を行うことにより鋳型成形しても良い。本発明のゲル状固形物は、他の樹脂の改質剤として使用しても良い。本発明のゲル状固形物は本来生分解性であるから、例えば、他の生分解性プラスチックへ改質剤として使用することができる。
【００２８】
本発明のゲル状固形物を用いたバイオマスプラスチックの製造は、例えば、以下の方法で行うことができる。まず、本発明のゲル状固形物を乾燥させたのち、グラインドしてパウダー状とする。つぎに、このパウダーを、例えば、水と混合した混合物を金型に埋め込んだり、塗布したりした後、金型に合わせてプレスして成形を行っても良いし、水を混ぜずに加熱プレスしても良い。混合物における本発明のゲル状固形物のパウダーと水との割合は、例えば、前記混合物の粘度等に応じて適宜調節できる。また、プレスは、加熱プレスであっても良く、常温のプレスであっても良い。混合物の塗膜の厚みは、例えば、１〜４ｍｍである。プレスの圧力は、加工後に必要な厚みに応じて調節でき、例えば、０を超え４０ＭＰａ以下であり、好ましくは１５〜３０ＭＰａ、より好ましくは２０〜２５ＭＰａである。プレスの時間としては、例えば、１５〜６０分であり、好ましくは３０〜５０分、より好ましくは３０〜４０分である。また、加熱する場合、その温度は、例えば、８０〜１５０℃であり、好ましくは８０〜１３０℃、より好ましくは１００〜１２０℃である。
【００２９】
本発明のゲル状固形物を加工する際に、例えば、改質剤等を使用しても良い。改質剤は、例えば、加工後のバイオマスプラスチックの硬度、耐久性、柔軟性等の特性を調整するために使用される。改質剤は、例えば、パウダーと水との混合物を調製する際に添加できる。改質剤としては、例えば、グリセリン、スターチ、コラーゲン、ケナフ、ポリ乳酸等が挙げられる。改質剤の添加量は、例えば、混合物における水以外の重量に対して、０を超え７０重量％以下であり、好ましくは０を超え５０重量％以下、より好ましくは０を越え３０重量％以下である。本発明のゲル状固形物を生分解性を有するバイオマスプラスチックとして使用する場合、改質剤も生分解性であることが好ましく、また、その強度を高めるため、例えば、竹繊維等を混ぜても良い。
【００３０】
本発明のバイオマスプラスチックは、本発明のゲル状固形物のみからなるバイオマスプラスチックであっても良く、本発明のゲル状固形物をバイオマスプラスチック材料の一つとして含むバイオマスプラスチックであっても良い。本発明のバイオマスプラスチックは、例えば、農業用マルチ、外科用インプラント、産業包装、ラップ、乳製品の包装（ｓａｃｈｅｔ）、フードサービス、日常生活介護、製薬、医療機器、自動車のダッシュボード等の内装材等の分野に適用できる。
【００３１】
本発明のバイオマスプラスチック製品は、本発明のバイオマスプラスチックを利用した製品であり、例えば、本発明のバイオマスプラスチックを成形したり、積層したりして得られる製品である。本発明のバイオマスプラスチック製品も、上述の様々な分野に適用できる。
【実施例１】
【００３２】
１．反応器
ステンレス鋼（材質：ＳＵＳ３０４製）のパイプ（長さ：１６５ｍｍ、直径：２７ｍｍ）の両端にキャップ（ＳＷＡＧＥＬＯＫ社製）を取り付けた反応器を作製した（内容積：９ｃｍ3）。
【００３３】
２．タンパク質水溶液
市販の精製ＢＳＡ粉末（和光純薬工業株式会社製）を、純水に溶解してＢＳＡ水溶液（１ｗ／ｖ％及び１０ｗ／ｖ％）を調製した。純水は、Ｍｉｌｌｉ-Ｑ（ミリポア社製）で処理した水を使用した。
【００３４】
２．ゲル状固形物の合成
反応器にＢＳＡ水溶液５ｍＬを充填し、気相をＡｒガスで置換して密閉した。所定の温度（８０，９０，１００，１２０℃）に安定させたオイルバス（Ｔｈｏｍａｓ Ｋａｇａｋｕ Ｃｏ.Ｌｔｄ.製）に、反応器を立てた状態で投入した。所定の時間（１、２，５，１０，２０，３０分）反応させた後、オイルバスからすみやかに反応器を取り出し、大量の冷却水中に投入して急冷した。なお、以下の実施例では、オイルバスの温度を反応温度とし、反応器をオイルバス内に投入した時間を反応時間とした。また、反応器内の圧力は、水の飽和蒸気圧と等しいものと考える。
【００３５】
図１Ａ〜Ｅに、得られたゲル状固形物の一例を示す。図１Ａ〜Ｅの反応条件は下記表１のとおりである。図１Ａ〜Ｅに示すように、いずれの条件でも透明なゲル状固形物が製造できた。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
（比較例１）
比較例１として、温度条件を１４０℃又は２００℃とした以外は実施例１と同様にしてＢＳＡ溶液を処理した。
【００３８】
３．物性分析
実施例１により得られたゲル状固形物及び比較例１により得られた固形物について、電子顕微鏡観察、膨潤率測定及び元素成分分析を行った。
【００３９】
［電子顕微鏡観察］
実施例１で得られたゲル状固形物及び比較例１で得られた固形物を乾燥させ、得られた乾燥試料をＪＥＯＬ６７００電界放出ＳＥＭ（ＪＥＯＬ Ｉｎｃ.製）を使用し、製造業者の取扱説明書に従い電子顕微鏡観察（１０，０００倍及び２５，０００倍）を行った。その結果を図２Ｆ〜Ｋに示す。なお、図２Ｆ〜Ｋの試料の反応条件は下記表２のとおりである。実施例１で得られたゲル状固形物（図２Ｆ及びＧ）は、非常に細かい空隙が多数見られ、比較例１で得られた固形物（図２Ｈ〜Ｋ）とは一見して区別できた。また、２００℃で処理して得られた固形物（図Ｊ及びＫ）は、細かい紐からなる多孔性の相互接続ネットワークを形成するように、繊維状を形成する部分と大きな空隙部分とが観察された。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
［膨潤率］
実施例１で得られたゲル状固形物及び比較例１で得られた固形物を純水１５ｍＬに投入し、２４時間おきに純水を取り替え、３日間膨潤処理を行った。３日間膨潤処理を行った後その重量（膨潤重量）を測定した。ついで、膨潤処理した試料を凍結乾燥して乾燥後の重量（乾燥重量）を測定した。得られた膨潤重量及び乾燥重量を用いて、下記式から膨潤率を算出した。
膨潤率＝［｛（膨潤重量）−（乾燥重量）｝／（乾燥重量）］
その結果の一例を下記表３、図３Ａ及びＢに示す。図３Ａは、膨潤率と反応温度（８０〜２００℃、反応時間：５分）との関係の一例を示すグラフであり、図３Ｂは、膨潤率と反応時間との関係の一例を示すグラフである。図３Ａ及びＢのグラフにおける破線は加熱処理前のＢＳＡ水溶液の見かけ膨潤率（９）を示す。図３Ａに示すように、実施例１（８０〜１２０℃）で得られたゲル状固形物の膨潤率は、いずれも比較例１で得られた固形物の膨潤率よりも高い膨潤率であった。また、図３Ｂに示すように、反応温度が８０℃の場合は、長時間処理を行った場合であっても高い膨潤率（例えば、１９以上）を維持していた。なお、ＢＳＡ水溶液（１０ｗ／ｖ％）の見かけの膨潤率は、上記式において膨潤重量を１００ｇ、乾燥重量１０ｇとして算出した。
【００４２】
【表３】
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【００４３】
［元素成分分析］
実施例１で得られたゲル状固形物及び比較例１で得られた固形物を凍結乾燥し、その炭素、水素、窒素、硫黄の各元素成分の割合をＣＨＮＳコーダ（ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒＪａｐａｎ製、商品名：ＰＥ２４００ＳｅｒｉｅｓＩＩ）を用いて測定した。また、加熱処理前のＢＳＡ水溶液についても同様の測定を行ったところ、Ｈ／Ｃ＝１．８２、Ｎ／Ｃ＝０．９５、Ｓ／Ｃ＝０．２７であった。これらの結果の一例を図４Ａ及びＢに示す。図４Ａは、各元素成分の割合と反応温度（８０〜２００℃、反応時間：５分）との関係の一例を示すグラフであり、図４Ｂは、各元素の成分の割合と反応時間との関係の一例を示すグラフである。図４Ａ及びＢに示すように、実施例１（８０〜１２０℃）で得られたゲル状固形物では、いずれの元素成分についてもその割合に大きな変化は見られなかった。
【実施例２】
【００４４】
タンパク質水溶液として、実施例１で調製したＢＳＡ水溶液（１０ｗ／ｖ％）及び卵白アルブミン水溶液（１０ｗ／ｖ％）の２種類を使用し、処理条件を８０℃、０．１ＭＰａ、５分とし、オイルバスに替えてウォータバスを使用した以外は、実施例１と同様にしてゲル状固形物を製造した。なお、卵白アルブミンは、市販のものを使用した。
【００４５】
図５Ａ及びＢに得られたゲル状固形物の一例を示す。図５ＡがＢＳＡ水溶液から製造したゲル状固形物であり、図５Ｂが卵白アルブミン水溶液から製造したゲル状固形物である。いずれにおいてもゲル状固形物が製造できた。また、ＢＳＡ水溶液から製造したゲル状固形物は透明であり、一方、卵白アルブミン水溶液から製造したゲル状固形物は白色であった。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、例えば、バイオマスプラスチック、外科用インプラント、生体吸収性物質等の医薬・医療分野、コンポスト化、資源リサイクル等の資源保護、環境保全等の様々な分野有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１Ａ〜Ｅは、実施例１により得られたゲル状固形物の一例を示す図面である。
【図２】図２Ｆ及びＧは、実施例１により得られたゲル状固形物のＳＥＭ観察写真の一例であり、図２Ｈ〜Ｋは、比較例１により得られた固形物のＳＥＭ観察写真の一例である。
【図３】図３Ａは、反応温度と膨潤率との関係の一例を示すグラフであり、図３Ｂは、反応時間と膨潤率との関係の一例を示すグラフである。
【図４】図４Ａは、反応温度と炭素、水素、窒素、硫黄の含有量との関係の一例を示すグラフであり、図４Ｂは、反応時間と炭素、水素、窒素、硫黄の含有量との関係の一例を示すグラフである。
【図５】図５Ａ及びＢは、実施例２により得られたゲル状固形物の一例を示す図面である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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