No.２９（２０１９）

研

究

報

告

福岡県工業技術センター

福岡県工業技術センター研究報告 No.29 (2019)

目次◆◆研究報告◆◆久留米絣におけるポリエステル糸の導入と影響・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１
堂ノ脇 靖已

久保 竜二

リサイクル原料を利用した新規アスファルト道路用表層材の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・５
藤吉 国孝

熊上 章太

梶原 輝樹

下川 裕士

骨代謝細胞の新規低酸素・閉鎖系培養技術の開発（第一報）・・・・・・・・・・・・・・・・･・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・９－破骨細胞分化誘導系での解析結果－
古賀 慎太郎

石川 智之

金沢 英一

緒方 貴宏

坂井 孝則

朴 晶淑

骨代謝細胞の新規低酸素・閉鎖系培養技術の開発（第二報）・・・・・・・・・・・・・・・・･・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１３－骨芽細胞分化誘導系での解析結果－
古賀 慎太郎

石川 智之

金沢 英一

緒方 貴宏

坂井 孝則

朴 晶淑

醤油膜ろ過残液処理法の検討（第3報）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１７－醤油膜ろ過残液エタノール沈殿物からの多糖類回収－
川口 友彰

野田 義治

植木 達朗

脇山 元気

坂田

文彦

野見山 修治

醤油膜ろ過残液処理法の検討（第4報）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２１－ろ過膜孔径の違いが生揚成分の膜透過性に与える影響－
川口 友彰

野田 義治

植木 達朗

脇山 元気

坂田

文彦

野見山 修治冷凍アサリの開殻技術・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２５
川口 友彰

X線応力解析を活用した金属表面熱処理プロセスの開発支援･･････・・･･･････････････････････････････････････２９
小川 俊文

南 守

島田 雅博 小野本 達郎

ホットエンボス加工による中空マイクロニードルアレイ成形技術の開発･･･････････････････････････････････････３３
在川 功一

谷川 義博

安部 年史

オープンソースCAEによる多目的最適化システムの開発････････････････････････････････････････････････････３７
倉本 紘彰

IoT導入支援キットの開発･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････４１－WBGT測定および毒劇物管理への適用－
林

宏充

川畑

将人

奥村

克博

吉村 賢二

◆◆学協会誌掲載論文の概要◆◆
醤油膜ろ過残液中多糖類のエタノール分別沈殿と清澄醤油の回収･･････････････････････････････････････････４５
川口 友彰

野田 義治

植木 達朗

脇山 元気

野見山 修治タデスプラウト抽出物によるコラゲナーゼ阻害･･････････････････････････････････････････････････････････････４７
川口 友彰

永田 香織

研 究 報 告福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)久留米絣におけるポリエステル糸の導入と影響
堂ノ脇 靖已*1

久保 竜二*2

Textile physical behaviors by introducing polyester core yarn in Kurume-Kasuri
Kiyoshi Donowaki and Ryuji Kubo

久留米絣は綿織物であり，独特の「括り」による防染染色方法を確立している。このため，綿用染料が使えない繊維素材を導入することができなかった。そこで，本研究ではポリエステルを芯に，綿紡績糸を鞘にした複合糸を用いて久留米絣を試作し，従来の織物との繊維物性を比較した。この結果，軽さ，伸縮性，ドレープ性（滑らかさ，曲げ易さ，
せん断性），防しわ性，プリーツ性で優位性が示され，特に強度（引裂き，引張，摩耗）では2倍以上の向上が図れた。

1 はじめにの ニ ッ ト ボ ー 新 潟 (株 )製 CFY33X40/1APM/SOLO（ 以 下 ，久留米絣は重要無形文化財および伝統的工芸品でPET混 (日 )と い う 。）， PET60 %， 綿 40 %の ユ ニ チ カ ト

あ り ， 綿 100 %の 先 染 め 織 物 で あ る 。 久 留 米 絣 の 特

レ ー デ ィ ン グ (株 )製 EC40WK40/1N（ 以 下 ， PET混 (ユ )徴は染色と織で表現する「かすり」柄，および綿にと い う 。）， お よ び 比 較 品 と し て 綿 100 %の KBツ ヅ キ

1)

よる肌なじみ（風合い）の良い素材感 が挙げられ(株 )製 TS40/1（ 以 下 ， 綿 と い う 。） を 用 い た 。 40/2

る。

の 糸 は 40/1の 糸 2本 を 合 糸 し ， 18回 /イ ン チ で 撚 り ，一方，世界的に見ると繊維産業は成長産業であり，
1990年 か ら 2016年 ま で 約 2.3倍 に 生 産 量 が 増 加 し ，撚りを安定させるために熱セットしたものを使用した。

一 人 当 た り の 需 要 量 も 1.6倍 に 増 え て い る 。 原 料 種

PET混 に お け る 綿 を 確 認 す る た め に ， 綿 の み を 染

別 に 見 る と 綿 は 全 体 の 24 % 程 度 で ， ポ リ エ ス テ ル

色 し た 。 染 色 は 定 法 4 ) を 参 考 に し て ， 2 g/l 次 亜 塩（ 以 下 ， PETと い う 。） を 中 心 と し た 化 学 繊 維 が 73 %素 酸 ナ ト リ ウ ム ， 浴 比 1： 20， 常 温 で 2時 間 放 置 し て

以 上 で 年 平 均 5.8 % の 伸 び 率 で 拡 大 し て い る 2) 。 国

精 練 漂 白 し た 後 ， 5 %owf反 応 染 料 （ Cibacron Super

内 で も 繊 維 製 品 の 最 終 消 費 量 は ， 綿 が 全 体 の 27 %で ，Black G）， 60 %owf芒 硝 ， 50 %owfソ ー ダ 灰 を 用 い て

3)

化 学 繊 維 が 70 %以 上 と な っ て お り ， 今 後 も こ の 傾

浴 比 1： 20， 80℃ ， 45分 間 処 理 し て 行 っ た 。

向は拡大することが予想される。

試 作 織 物 に 使 用 し た 糸 の 構 成 を 表 1に 示 す 。 試 作

本 研 究 で は 綿 織 物 で あ る 久 留 米 絣 に PET糸 の 導 入

No.1～ 3は 経 糸 に 通 常 よ り も 細 い 60/2 綿 を 用 い ， 緯を 試 み ， 久 留 米 絣 に 及 ぼ す 影 響 を 調 べ た 。 PET糸 と

糸 に 40/1糸 を 用 い て PET混 の 影 響 を 調 査 し た 。 試 作

し て は 綿 の 素 材 感 を 残 す た め に PETが 芯 糸 で ， 綿 紡

No.4～ 6は 既 に 商 品 化 し て い る 久 留 米 絣 （ 綿 織 物 ）績 糸 が 鞘 と な る PET コ ア ヤ ー ン （ 以 下 ， PET 混 と い

で ， No.4 は 一 般 的 な 久 留 米 絣 で 経 緯 糸 と も 40/2 ，う 。） を 採 用 し た 。 試 作 は ， 糸 の 太 さ が 40番 手 単 糸

No.5， 6は 部 分 的 に 糸 の 太 さ が 変 化 す る ス ラ ブ や ネ（ 以 下 ， 40/1 と い う 。） の PET混 を 緯 糸 の み に 使 用

ッ プ の 意 匠 撚 糸 を 緯 糸 に 用 い た 。 試 作 No.7は 一 般 的

した織物，および経緯糸ともに通常久留米絣と同じな 久 留 米 絣 と 同 じ 太 さ の PET混 (ユ )を 経 緯 糸 に 用 い

く 40番 手 双 糸 （ 以 下 ， 40/2 と い う 。） を 使 用 し た 織

た 。 こ れ ら 7つ の 試 作 品 を 用 い て ， PET混 の 導 入 と 各物の二種類を製織し，各種繊維物性（嵩，強度，イ

種繊維物性への影響を調べた。

ージーケアー性，快適性，伸縮性，ドレープ性など ） を 測 定 し ， 綿 100 %や 通 常 久 留 米 絣 と 比 較 し た 。

2 研究，実験方法
試 作 に 用 い た PET混 は ， 混 用 率 が PET40 %， 綿 60 %*1 化学繊維研究所*2 (株)久保かすり織物

- 1 -

表1
No.

試作織物の糸構成
1
2
3

経
糸

60/2
綿

緯
糸

4

5

40/2
綿

40/2
綿

40/1 40/1
40/1
40/2
PET混 PET混綿綿(日 ) (ユ )

21/1
ｽﾗﾌﾞ

60/2
綿

60/2
綿

6

7
40/2
40/2
PET混
綿
(ユ )
40/2
12/1
PET混
ﾈｯﾌﾟ
(ユ )

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
表2

繊維物性評価の区分
大区分
小区分
単位
織密度
本 /100mm
軽さ
g/m 2
嵩
薄さ
mm
圧縮し易さ
gf･cm/cm 2
最大引張強さ
N
最大伸び率
%
強度
引裂き強さ
N
摩耗強さ
回
乾燥し易さ
min
イージー
防しわ性
%
ケアー性
寸法変化
%
通気し易さ
cm 3 /cm 2 ･sec
快適性
吸水し易さ
%
保温し易さ
%
伸縮性
%
滑らかさ（摩擦係数）
平滑さ
㎛
ドレープ性
曲げ易さ
gf・ cm 2 /cm
せん断し易さgf/cm･deg.

「 摩 耗 強 さ 」 は JIS L 1096 8.19.1 a) 摩 耗 強 さ
及び摩擦変色性面 法 ） に 従 っ て ， 研 磨 紙 の 種 類 Cw-C-P1200で 行 い ，
生地に孔があいたときの回数を測定した。
「 乾 燥 し 易 さ 」 は JIS L 1096 8.25 乾 燥 性 に 従 って 標 準 状 態 で 恒 量 に な る ま で の 時 間 （ min） を 測 定した。
「 防 し わ 性 」 は JIS L 1059-1 8. 繊 維 製 品 の 防 し
わ 性 試 験 方 法 -第 1部 ： 水 平 折 り 畳 み じ わ の 回 復 性 の
測 定 （ モ ン サ ン ト 法 ） B法 （ 4.9 N荷 重 法 ） に 従 って 防 し わ 率 （ %） を 求 め た 。
「 寸 法 変 化 」 は JIS L 1096 8.39 B法 （ 沸 騰 水 浸せき法）に従って，処理前と処理後の縮みから寸法
変 化 率 (%)と し て 算 出 し た 。
「 通 気 し 易 さ 」 は JIS L 1096 8.26.1 乾 燥 性 A法
（フラジュール形法）に従って試験片を通過する空各 種 繊 維 物 性 評 価 は 表 2の 区 分 の よ う に 分 け た 。
織 物 の 織 密 度 ， 嵩 （ 軽 さ ， 薄 さ ， 圧 縮 ）， 強 度（ 引 張 ， 伸 び 率 ， 引 裂 き ， 摩 耗 性 ）， イ ー ジ ー ケ ア
ー 性 （ 乾 燥 ， 防 し わ ， 寸 法 変 化 ）， 快 適 性 （ 通 気 ，
吸 水 ， 保 温 ）， 伸 縮 性 ， ド レ ー プ 性 （ 滑 ら か さ ， 平
滑 さ ， 曲 げ ， せ ん 断 ）， そ の 他 ， 代 表 的 な サ ン プ ル
を用いたプリーツ性を評価した。それぞれについて，個別の試験方法を下記する。
「 織 密 度 」 は JIS L 1096織 物 及 び 編 物 の 生 地 試 験
方法8.6.1織 物 の 密 度

A法 （ JIS 法 ） に 従 っ て 評価した。
「 軽 さ 」 は JIS L 1096 8.3.2標 準 状 態 に お け る 単
位面積当たりの質量 に従って評価した。
「薄さ」および「圧縮し易さ」はカトーテック(株 ) 製 KES-FB3 圧 縮 試 験 機 を 用 い て ， 0.5 gf/cm 2 時の 厚 み （ mm） お よ び 圧 縮 仕 事 量 （ gf・ cm/cm 2 ） を 求めた。
「 最 大 引 張 強 さ 」 は JIS L 1096 8.14.1 引 張 強 さ
及び伸び率

JIS法

A法 （ ス ト リ ッ プ 法 ） に 従 っ て行 い ， 試 験 片 の 幅 25 mm， つ か み 間 隔 100 mm， 引 張
速 度 100 mm/minで 切 断 時 の 強 さ （ N） を 測 定 し ，「 最大 伸 び 率 」 は こ の 時 の 伸 び 率 （ %） を 測 定 し た 。
「 引 裂 き 強 さ 」 は JIS L 1096 8.17.1 引 裂 強 さ
A-1法 （ シ ン グ ル タ ン グ 法 ） に 従 っ て 行 い ， 試 験 片の 幅 50 mm， 引 張 速 度 100 mm/minで 最 大 引 裂 き 強 さ（ N） を 測 定 し た 。

A法 （ ユ ニ バ ー サ ル 形 法 ） A-1（ 平気 量 （ cm 3 /cm 2 ・ s） を 測 定 し た 。
「 吸 水 し 易 さ 」 は JIS L 1907
試験方法

繊維製品の吸水性7.3表 面 吸 水 法 （ 最 大 吸 水 速 度 及 び 最 大

吸水速度時点の吸水量）を参考に，東洋紡エンジニ
ア リ ン グ ( 株 ) 製 ラ ロ ー ズ 法 吸 水 測 定 装 置 （ TL-01
型 ） を 用 い て ， 最 大 吸 水 量 を 測 定 し ， 吸 水 率 （ %）を求めた。
「 保 温 し 易 さ 」 は JIS L 1096 8.27.1 保 温 性 A法
（ 恒 温 法 ） に 従 っ て 保 温 率 （ %） を 求 め た 。
「伸縮性」と「せん断し易さ」はカトーテック(株 )製 KES-FB1-AUTO-A自 動 化 引 張 り ・ せ ん 断 試 験 機に て 50 gf/cm 2 時 の 伸 び 率 （ % ） と せ ん 断 剛 性（ gf/cm・ deg.） を 求 め た 。
「 滑 ら か さ 」 と 「 平 滑 さ 」 は 同 社 製 KES-FB4表 面
試験機を用いて，摩擦係数と表面凹凸（㎛）を測定した。
「 曲 げ 易 さ 」 は 同 社 製 KES-FB2純 曲 げ 試 験 機 に て
曲 げ 剛 性 （ gf・ cm 2 /cm） を 求 め た 。
こ の 他 ，「 プ リ ー ツ 性 」 は 試 作 No.4， 7の 2サ ン プ
ル で 行 っ た 。 プ リ ー ツ 加 工 は ア ズ ワ ン (株 )製 小 型 熱
プ レ ス 機 AH-2003を 用 い て ， 180℃ ， 1分 間 ， 1 tの 荷
重 で プ レ ス し て 行 っ た 。 評 価 方 法 は JIS L 1060
9.1.1 織 物 及 び 編 物 の プ リ ー ツ 性 試 験 方 法

A-1法（ 開 角 度 法 ） に 従 っ て プ リ ー ツ 保 持 率 （ %） を 求 め
た。

- 2 -

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研究報告 No.29 (2019)
3 結果と考察図案

3-1 PET混における綿の確認

括
り

染
色

荒
糊

40/1PET混 ( ユ ) に お け る 綿 の 位 置 を 調 べ る た め に ，
綿 の み 染 色 す る こ と に よ っ て 調 査 し た 。 図 1に 染 色

図2

巻
立
ほ
ど
き

留
合
わ
せ

糊
落
と
し

経 巻 (経 糸 )本糊製織管 巻 (緯 糸 )久留米絣工程の概略

し た 糸 の 拡 大 写 真 を 示 す 。 図 1の 黒 い 糸 が 綿 ， 白 糸が PET で あ り ， 断 面 お よ び 側 面 の 写 真 か ら 綿 が 鞘う頻度が高い。具体的には「染色（精練漂白などの（外側）部分に多く位置してことが確認でき，肌に前 処 理 ， 水 洗 な ど の 後 処 理 含 む ）」 し た 後 ，「 荒 糊 」

直接触れるのは綿であると言える。

で 糊 付 け し ，「 巻 立 て ほ ど き （ 括 り を 解 く ）」，「 留 合
わ せ （ 柄 の 保 持 ）」，「 糊 落 と し 」 し た 後 ， さ ら に 製

3-2 試作織物の状況

織時の毛羽を抑える「本糊」を行う。この後，柄合図 2 に は 久 留 米 絣 の 工 程 概 略 を 示 す 5) 。 久 留 米 絣

わせを行いながらビームに巻き取り，織機に仕掛けは他の織物と異なって「図案」に従って防染（染まる 「 経 巻 （ 経 糸 ）」， シ ャ ト ル に セ ッ ト す る 管 に 巻 くらない）する「括り」工程があり，また防染した柄「 管 巻 （ 緯 糸 ）」 の 準 備 を 行 い ， シ ャ ト ル 織 機 で 製を保持するために糊の着脱を繰り返すため，糸を扱

織 を 行 う 。 そ こ で 今 回 は こ の 工 程 通 り に PET混 も 処
理 し た 。 こ の 結 果 ， 染 色 で PETが 染 ま ら な い た め に

側面

断面

図 1の よ う に 霜 降 り 状 の 色 味 に な る が ， 全 て の 工 程で綿と変わらない取扱いができることを確認できた。

綿3-3 試作織物の物性評価
PET
図1

試 作 織 物 の 繊 維 物 性 評 価 結 果 を 表 3に 示 す 。 全 体

染 色 後 の PET コ ア ヤ ー ン 写 真（ 黒 ： 綿 ， 白 ： PET）

表3 繊維物性評価結果
大区分
小区分
織密度
嵩

強度

イージー
ケアー性

快適性
伸縮性

ドレープ性

単位

方向
たて
本 /100mm
よこ
軽さ
g/m 2
－
薄さ
mm
－
圧 縮 し 易 さ gf･cm/cm 2
－
たて
最大引張強
N
さ
よこ
たて
最大伸び率
%
よこ
たて
引裂き強さ
N
よこ
摩耗強さ
回
－
乾燥し易さ
min
－
たて
防しわ性
%
よこ
たて
寸法変化
%
よこ
通 気 し 易 さ cm 3 /cm 2 /sec －
吸水し易さ
%
－
保温し易さ
%
－
たて
%
よこ
たて
滑らかさ（摩擦係数）
よこ
たて
平滑さ
㎛
よこ
たて
2
曲げ易さ
gf・ cm /cm
よこ
たて
せん断し易
gf/cm･deg.
さよこ

的 に PET 混 を 導 入 す る こ と に よ っ て 多 く の 物 性 が 良

No.1
317.5
259.0
111.7
0.80
0.28
314
122
23.6
12.0
23.7
13.7
63.6
51.5
94.4
106.4
-8.9
-7.2
27.7
120.4
18.5
3.2
2.5
0.202
0.212
5.0
3.5
0.04840.0301
0.933
0.910

No.2
324.0
258.5
110.5
0.71
0.24
310
157
20.5
16.3
49.5
23.0
99.0
36.5
103.0
125.8
-9.8
-13.6
29.5
139.9
17.7
3.0
2.9
0.200
0.217
6.0
3.7
0.04800.0209
0.917
0.870

- 3 -

No.3
324.5
259.0
111.4
0.82
0.29
294
196
20.4
16.5
49.6
27.3
94.6
50.2
100.8
122.8
-10.4
-11.3
27.8
128.0
19.7
3.1
2.3
0.205
0.217
5.0
3.0
0.04770.0242
0.907
0.887

No.4
217.5
183.0
133.0
0.95
0.32
162
166
23.7
11.0
43.1
32.8
104.8
44.5
109.0
110.2
-1.3
-0.6
52.7
150.7
22.9
5.3
2.3
0.238
0.259
11.0
7.1
0.06330.0639
0.930
0.910

No.5
214.5
194.5
134.9
0.90
0.29
182
174
23.1
14.0
39.1
25.8
102.4
52.7
102.6
111.2
-1.5
-0.3
69.6
132.0
23.2
5.6
2.3
0.230
0.267
11.3
10.4
0.06290.0523
0.920
0.927

No.6
219.5
170.5
158.1
0.99
0.30
189
234
28.4
15.1
42.3
32.9
160.0
70.0
105.6
107.6
-1.2
-0.2
62.6
153.4
23.0
5.9
1.8
0.212
0.255
10.2
9.4
0.0726
0.0924
1.147
1.147

No.7
214.4
176.4
124.1
0.69
0.20
307
250
26.3
17.7
71.8
74.6
174.8
51.8
122.4
120.4
-2.2
-0.3
59.4
150.7
22.4
6.5
4.3
0.204
0.240
11.8
7.9
0.0556
0.05150.877
0.863

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研究報告 No.29 (2019)
好な方向にシフトしている。特に，強度区分で大きい 効 果 が 見 ら れ た 。 No.1～ 3は 緯 糸 の み に お け る PET
混の効果を検討したが，混用率による大きな影響はな く ， No.1 の 綿 と 比 べ て No.2, 3 は ， 最 大 引 張 強
さ ・ 伸 び 率 ， 摩 耗 強 さ が 約 1.5倍 向 上 し ， 引 裂 き 強
さ は よ こ 方 向 だ け で な く ， た て 方 向 も 2倍 向 上 し た 。
こ れ は 経 糸 の 60/2 綿 よ り も 緯 糸 の 40/1PET混 の 引 張
強度・伸び率が大きく，経糸の引抜き抵抗が小さくなるため，引裂き時に複数の経糸が引張（緯糸）方向と平行に並んで，同時に切断されたためであると

図3

プリーツ試験結果

考 え ら れ る 6) 。 ま た ， 通 常 の 久 留 米 絣 (No.4-6)と 同
じ 太 さ の 40/2PET混 ( ユ )で ， か つ 同 じ 織 密 度 の 試 作

は 1.5～ 2倍 以 上 の 向 上 が 見 ら れ た 。 こ の 他 ， 軽 さ ，

織 物 No.7で は ， さ ら に 良 好 な 結 果 と な り ， 最 大 引 張

薄さ，伸縮性，ドレープ性（滑らかさ，曲げ易さ，

強 さ ・ 伸 び 率 ， 摩 耗 強 さ が 最 大 1.5倍 以 上 ， 引 裂 き

せ ん 断 性 ）， 防 し わ 性 ， プ リ ー ツ 性 も 向 上 が 図 れ た 。

強 さ も 最 大 2.9倍 向 上 し た 。 こ の 他 ， No.7は 軽 さ ，

久 留 米 絣 は ， 国 内 3大 絣 産 地 （ 久 留 米 ， 備 後 ， 伊

薄さ，伸縮性，ドレープ性（滑らかさ，曲げ易さ，予）の中で，唯一，工業生産が行われている。今回

せ ん 断 性 ）， 防 し わ 性 で 優 位 と な り ， 軽 量 で サ ラ リの PET導 入 の 取 組 み は ， 今 後 ， 国 内 で 絣 産 地 と し てとした風合いにも拘わらず，強度がある織物である

生き残るために必要な取り組みであると考えられる。

と言える。

また一方で，絣の洋装化も重要な取り組みであるが，一方，寸法変化では綿に比べて変化量が大きく，

アパレル業界から求められる生地の強度向上，イー

No.2， 3で は よ こ 方 向 で 10 %以 上 も 縮 ん だ 。 こ れ は

ジーケア―性，プリーツ性をもつ久留米絣はアパレ

PETの 特 徴 の 一 つ で ， 今 回 の 試 験 条 件 は 沸 騰 水 に 30

ルへの展開が期待できる。今後は，さらに異種素材

分 曝 す た め ， ガ ラ ス 転 移 温 度 (Tg) が 69 ℃ 7) で あ ると し て 麻 （ リ ネ ン ） 100％ ， 織 り 組 織 と し て は ド ビ

PETに と っ て は 十 分 熱 収 縮 で き る 条 件 で あ っ た 。 一

ー織機による織柄の導入も行っていく予定である。

方 ， 同 じ PET混 を 使 用 し た No.7に お い て は 撚 糸 後 ，
熱セットしているため変化量は少なくなった。また，

5 参考文献No.7の 混 用 率 は PET60 %， 綿 40 % で あ り ， 同 じ 織 密1) 久 留 米 絣 協 同 組 合 ： 久 留 米 絣 の 魅 力 （ オ ン ラ イ

度であるものの綿の吸水性の高さ，綿紡績糸によるン）

ふ く ら み に よ っ て ， 従 来 の 綿 100 %の 久 留 米 絣 よ り

は /久 留 米 絣 の 魅 力 /（ 参 照 2019-5-13）も吸水性，保温性が低くなることが懸念された。し2)経 済 産 業 省 製 造 産 業 局 生 活 製 品 課 ： 繊 維 産 業 の 課

か し ， い ず れ も 綿 100 % と 同 等 で あ っ た こ と か ら
40 ％ 綿 で 機 能 維 持 で き る こ と が 示 さ れ た 。

http://kurumekasuri.jp/ 久 留 米 絣 の い ろ

題 と 経 済 産 業 省 の 取 組 ， pp. 9(2019)3)日 本 化 学 繊 維 協 会 ： 繊 維 ハ ン ド ブ ッ ク 2019， pp.

図 3に プ リ ー ツ 性 試 験 結 果 を 示 す 。 試 作 品 No.7に50

お い て ， 洗 濯 前 の 開 角 度 は 従 来 の 久 留 米 絣 No.4よ り4)伊 藤

大きいが，洗濯後には逆に小さくなり，プリーツ保

染社

持率で優位となった。この開角度の逆転現象は綿博 ： 新 実 用 染 色 講 座 ， pp.43， 175， (株 )色5)野 口 英 樹 ： 繊 維 製 品 消 費 科 学 ， 59 巻 (6号 )， pp.

(No.4)が シ ワ に な り や す い た め で あ る と 考 察 さ れ る 。

417-422(2018)
6)社 団 法 人 日 本 繊 維 機 械 学 会 ： 繊 維 光 学 [VI]最 終 繊

4 まとめ

維 製 品 の 製 造 と 性 能 ， pp. 313-314(1981)

PET混 を 導 入 し た 久 留 米 絣 は ， 従 来 の 綿 100 %の 久
留米絣よりも多くの物性項目で優位な結果が得られ

7) 社 団 法 人 繊 維 学 会 ： 第 2 版 繊 維 便 覧 ， pp.
202(1995)

た。特に，引裂き強さ，耐摩耗性，最大引張強さで- 4 -福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)

リサイクル原料を利用した新規アスファルト道路用表層材の開発
藤吉 国孝 *1

熊上 章太 *2

梶原 輝樹 *2

下川 裕士 *2

Development of Novel Surface Layer Material for Asphalt Road Using by Recycled
Materials
Kunitaka Fujiyoshi, Shota Kumagami, Teruki Kajiwara and Hiroshi Shimokawa

都市ゴミ焼却施設から排出される溶融スラグは，角が尖ったものが多く直接手で触ると刺さる場合があり，また，数％の水分を含んでいるため，リサイクル材としての使用が難しかった。そこで，都市ゴミ焼却灰溶融スラグの磨砕乾燥条件について検討したところ，市販のミキサーを改造することで，磨砕と同時に乾燥も可能となり，角が丸く乾燥したスラグを作製することができた。更に，このスラグの粒度分布を調整しながらセメントに添加すること
で，モルタル系のアスファルト道路用表層材を開発した。従来のアスファルト道路用表層材は有機溶剤系の材料であり，下地の水系材料である路盤材が濡れたままでは施工できなかったが，下地の乾燥を待たずに施工可能な，水系の新規表層材を開発することができた。

1 はじめに年で交換する必要があると言われている。マンホール

近年の環境意識の高まりから，リサイクルの重要性の交換作業は，マンホール周囲のアスファルト部分をが増しており，従来廃棄されていた材料を原料の一部

切断・撤去し，新たに受枠を設置後，路盤材を充填し，に使用した，環境配慮型の新商品開発が盛んに行われ表層材を塗布して新しい鉄蓋を被せることで行う（図ている。このような観点から，二瀬窯業(株)では，砂1）。これらの作業は，道 路 管理者から 許可さ れた期状の高炉水砕スラグを原材料の一部に利用した，セメ

間・時間内に確実に終了することが必要とされている

ントやモルタル製品の開発に取り組んでいる。

ことから，交換のスピード化が求められている。表層

製鉄所から排出される高炉水砕スラグは角が尖った

材は，路盤材（セメントを主体としたもの）を打設後ものが多く，直接手で触ると刺さる場合があり，また，

乾燥するまで約１時間待機した後に，塗布する必要が数％の水分を含んでいる。そこで二瀬窯業(株)では，ある。これは，表層材にはアクリル樹脂を用いた有機

高炉水砕スラグを磨砕加工して角を丸くし，更に乾燥

溶剤系のものが使用されており，施工面である路盤材させる独自技術を開発した。本技術を用いて高炉水砕が濡れていると接着不良となるためである。

スラグから砂状のリサイクル材を製作し，セメントやそこで本研究では，モルタル系材料で表層材を設計

モルタル用の骨材として利用していたが，この独自のすることにした。即ち，下地である路盤材と本研究のモルタル用骨材製造技術を，高炉水砕スラグ以外の新新規表層材は共に水系材料であるため，路盤材の乾燥

たな材料に展開させることが課題であった。

を待つことなく表層材の施工が可能となる。更に，高ところで，道路に設置されたマンホールは，15～20

切断撤去

炉水砕スラグ以外のリサイクル材として，都市ゴミ焼

受枠設置

図1

路盤材充填

マンホール交換作業の概略写真*1 化学繊維研究所*2 二瀬窯業(株)

- 5 -

表層材塗布

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
却灰溶融スラグに着目した。具体的には，本研究では，

サンワサプライズ製マイクロスコープ400-CAM025を用

まず都市ゴミ焼却灰溶融スラグの組成や有害元素の有

いて粒形観察を行い，角が取れて磨砕されたかどうか

無について検討し，次に，磨砕・乾燥方法について検を確認した。

討した。更に，磨砕・乾燥させた都市ゴミ焼却灰溶融
スラグとセメント系材料との配合条件について検討し

2-4 都市ゴミ焼却灰溶融スラグの水分量の測定た。

都市ゴミ焼却灰溶融スラグを十分に加熱・乾燥させ，乾燥前重量（W 1 ）と加熱後重量（W 2 ）から，式(1)を2 研究，実験方法

用いて水分量を算出した。

2-1 都市ゴミ焼却灰溶融スラグ
本研究では，北九州市の都市ゴミ焼却施設である新水分量（重量％）＝（W 1－W2）÷W 2×100(1)

門司工場から排出された焼却灰溶融スラグ（図2）を研究に用いた。

2-5 表層材の設計
本研究における表層材には，下地となる路盤材の乾燥を待たずに施工可能な，セメントを主体とした水系の材料とすることとした。更に，骨材として磨砕・乾燥させた都市ゴミ焼却灰溶融スラグを添加した環境配慮型のモルタル系の材料とすることにした。
また，商品としては，粉体，エマルジョン，顔料の図2

都市ゴミ焼却灰溶融スラグの外観写真

3種で1セットとすることにした。粉体は骨材やセメン
ト粉等を混合したものである。エマルジョンは両親媒

2-2 都市ゴミ焼却灰溶融スラグの分析方法

性化合物と水を混合したもので，粉体と混合して練混

2-2-1 主成分測定

ぜた時に標準軟度のペーストが作製できる水分量が含

都市ゴミ焼却灰溶融スラグを粉砕し，円盤状にプレまれるように設計した。また，施工現場に合わせて任ス 成 形 し ， 蛍 光 X 線 分 析 装 置 （ XRF ： リ ガ ク 製 ZSX

意に色の調製ができるように，顔料を添付することにPrimusII）を用いて，ファンダメンタル・パラメータ

した。施工現場では，施工箇所の色調に合うように粉法による半定量分析を行うことで，主成分測定を行っ体と顔料を混合し，更にエマルジョンを投入・撹拌した。

て作製したペーストを施工箇所に塗布し，乾燥・硬化

2-2-2 微量有害物質の簡易含有量検査

させて，路面等の表面仕上げを行う。

JIS K 0058-2「スラグ類の化学物質試験方法－第2部：含有量試験方法」に基づいて測定溶液を調整し、2-6 表層材粉体の作製

共立理化 学研究 所 製簡 易水 質検査器 具 パッ クテス ト

磨砕・乾燥させた都市ゴミ焼却灰溶融スラグは，目（6価クロムの測定にはWAK-Cr6＋，ふっ素の測定には

開 き 0.85 ㎜ ， 0.15 ㎜ の 2 種 の ふ る い を 用 い て ， 大WAK-F，ほうその測定にはWAK-B）を用いて，含有量を（0.85 mm以上），中（0.15 mm以上0.85 mm未満），小評価した。具体的には，パック試験チューブ内容積の（0.15 mm未満）の3種類に分類し，大・中・小の混合

半分程度に検液を吸い込み，数回振り混ぜ，所定の反割合を変えながらセメントと混合させて粉体とした。

応時間後に試験チューブ内の液の色を標準色と見比べることで濃度を決定した。

2-7 表層材の分析・評価
本研究では顔料は添加せずに，粉体とエマルジョン

2-3 都市ゴミ焼却灰溶融スラグの磨砕を混合して練混ぜ，作製したペースト及びペーストを都市ゴミ焼却灰溶融スラグを太平洋機工製ショベル

硬化させて作製したモルタル供試体について，分析・羽根式高速混合機WB-600型に投入し，所定時間撹拌す

評価を行った。

ることで，磨砕を行った。磨砕前後のスラグについて，- 6 -具体的には，粉体とエマルジョンを混合し，練混ぜ福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
機（マルイ製モルタルミキサーMIC-362-1-01）を用いて作製したペーストについてJASS 15M-103に準拠して

表2

都市ゴミ焼却灰溶融スラグの有害物質含有量

フロー値を測定し，流動性試験を行った。また，JIS

項目

単位

含有量

R 5201に準拠し，練混ぜ終了後60秒以内にペースト容

カドミウム

mg / kg－≦150

器の中に入れて表面を平滑にし，凝結の始点及び終結

鉛

mg / kg－≦150の測定を するこ とで硬 化速 度試験を 行った 。更に ，

6価クロム

mg / kg

<0.05

≦250

JIS R 5201に準拠し，テーブルバイブレータを用いてひ素

mg / kg－≦150

ペーストを成形用型に詰め，所定時間後に脱型するこ

純水銀

mg / kg－≦15とで，モルタル供試体（硬化体）を作製した。

セレン

mg / kg

－

≦150

ふっ素

mg / kg

0≦4,000ほう素

mg / kg

5≦4,000

作製したモルタル供試体について，JIS R 5201に準拠し，前川試験機製作所製圧縮試験機アムスラー式竪

基準値型（100 kN）を用いた圧縮強さ測定及び，九州丸東製
万能材料試験機丸東式デジタル（10 kN）を用いた曲

3-2 都市ゴミ焼却灰溶融スラグの磨砕・乾燥条件の検討

げ強さ測定を行った。

都市ゴミ焼却灰溶融スラグは角が尖った粒子が多く含まれることから，施工者や製造工場従事者の健康・3 結果と考察

安全管理上，角を丸くする必要がある。そこで，磨砕

3-1 都市ゴミ焼却灰溶融スラグの成分分析

条件について検討した。また，都市ゴミ焼却灰溶融ス

本研究で使用するスラグは都市ゴミ焼却灰を原料とラグは水砕スラグであることから水分を含んでおり，していることから，組成のばらつきや有害成分が含まそのままセメントと混合するとすぐに硬化してしまう

れていないかどうかが懸念される。そこで，2018年12ため，乾燥条件についても併せて検討した。

月に排出された焼却灰溶融スラグと，2019年2月に排都市ゴミ焼却灰溶融スラグを撹拌機に投入し，一定出された焼却灰溶融スラグの2種類について，蛍光X線

時間後に抜き取って粒径観察を行った。その結果，撹分析を行った。その結果，主成分はケイ酸（SiO 2 ），拌前は角が尖った形状の粒子が多く見られた（図3左

石灰分（CaO）や酸化アルミ（Al 2O 3 ）であり，大きな図）が，撹拌に伴って次第に角が取れた粒子が増加し組成変動は見られなかった（表1）。

た。ここで，使用した装置は撹拌機であるが，撹拌機の中のショベル型の羽根が高速で回転することで，都表1

都市ゴミ焼却灰溶融スラグの主成分（重量％）

製造年月

SiO 2

CaO

Al 2O 3

その他

2018年12月

35

42

14

9

2019年2月

33

42

15

10

市ゴミ焼却灰溶融スラグの磨砕が行われたと考えられる。40分撹拌・磨砕後のマイクロスコープ像を図3右図に示すが，角が取れて丸くなった粒子が数多く見ら

ここで，溶融スラグ骨材の有害物質含有量は，JIS
A 5031「一般廃棄物，下水汚泥又はそれらの焼却灰を溶融固化したコンクリート用溶融スラグ骨材」により
表2のように規定されている。これに対し，都市ゴミ
500 µm

焼却灰溶融スラグの蛍光X線分析の結果，カドミウム，
鉛，ひ素，水銀，セレンは検出されなかった。また，

図3

蛍光X線での分析が困難である6価クロム，ふっ素，ほ像（左図：磨砕前，右図：磨砕後）

う素について，パックテストを用いて簡易的に測定しれ，安全性が確保できていると判断した。

た含有量を表2に示すが，JIS A 5031で定められた基500 µm

都市ゴミ焼却灰溶融スラグのマイクロスコープ

本研究で使用した撹拌機は，稼働させると摩擦熱や準値を大幅に下回る含有量であった。

機械熱が発生する。よって，水分を含む都市ゴミ焼却- 7 -福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
灰溶融スラグを投入して撹拌すると，磨砕と同時に乾燥も行うことができる。また，更に効率よく乾燥させるために，撹拌機に熱風発生器を接続し，約50 ℃の熱風を送り込みながら都市ゴミ焼却灰溶融スラグの磨砕を行い，所定時間後にスラグを抜き取って水分量の測定を行った。

図4

表層材試作品の塗布・仕上げ状況

図5

表層材試作品施工後の路面状況

その結果，磨砕機の稼働時間と共に水分率は低下し，40分後には水分量0 ％と十分に乾燥することが明らかとなった（表3）。

表3

磨砕機の稼働時間とスラグの水分量

稼働時間(分)

0

10

20

30

35

40

水分量(重量％)

11

3.4

1.7

0.8

0.1

0

4 まとめ

3-3 表層材の配合条件の検討
磨砕・乾燥後の都市ゴミ焼却灰溶融スラグ（分級な都市ゴミ焼却灰溶融スラグの磨砕乾燥条件についてし）を用いて作製した表層材硬化体では、圧縮強度等検討したところ，市販のミキサーを改造することで，が不十分であった。そこで，大（0.85 mm以上）、中磨砕と同時に乾燥も可能となり，角が丸い乾燥したス（0.15 ～ 0.85 mm）、小（0.15 mm以下）の3種類に分ラグを作製することができた。

級し，各種配合について検討したところ，大・中・小更に，このスラグの粒度分布を調整しながらセメンの配合割合によって，圧縮強度等の物性が異なること

トに添加することで，モルタル系のアスファルト道路が明らかとなった。

用表層材を開発した。従来のアスファルト道路用表層

そこで、最適と考えられる配合条件（大：約25 ％，

材は有機溶剤系の材料であり，下地の水系材料である

中：約 60 ％，小：約15 ％）でセメントや添加剤と路盤材が濡れたままでは施工できなかったが，下地の一緒に混合し，表層材を作製した。この表層材試作品

乾燥を待たずに施工可能な，水系材料の新規表層材をついて，フロー値測定による流動性試験，硬化速度試

開発することができた。

験及び圧縮強度試験を実施した。その結果，現在一般
謝辞

的に市販されているアクリル樹脂を用いた有機溶剤系

本研究 の一部 は， 平 成29年度補正 ものづ くり・ 商の表層材と同等以上の性能であった。

業・サービス経営力向上支援補助金にて実施した。
表4

表層材の物性値
有機溶剤型

表層材

表層材

試作品

フロー値

150±15 mm

155 mm

硬化速度10～30分

始発16分，終結18分

圧縮強さ

12.0 N / mm 2以上

35.6 N / mm 2

曲げ強さ

7.5 N / mm 2以上

7.7 N / mm 2

更に，実際にアスファルト陥没部分に路盤材を充填し，乾燥前にこの表層材を塗布したところ（図4），剥
離等は見られず良好な施工状態であった（図5）。

- 8 -福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)

骨代謝細胞の新規低酸素・閉鎖系培養技術の開発（第一報）－破骨細胞分化誘導系での解析結果－
古賀 慎太郎 *1

石川 智之 *1

金沢 英一 *1

緒方 貴宏 *2

坂井 孝則 *2

朴 晶淑 *2

Development of Hypoxic and Closed Culture System
Optimized for Bone-metabolizing Cells- Analysis of Osteoclastogenesis Shintaro Koga, Tomoyuki Ishikawa, Eiichi Kanazawa, Takahiro Ogata, Takanori Sakai and Piao Jingshu

生体内に近い環境で細胞培養や機能解析を行う技術が，骨代謝細胞の研究や骨再生医療において求められている。
しかし通常の細胞培養では，生体内に比べて高酸素，また開放系であり，骨代謝細胞が存在する骨髄環境とは大きく異なっている。そこで，骨代謝細胞をより生体内に近い環境で培養・解析を行うため，低酸素・閉鎖系培養を取り入れた骨代謝細胞の新たな培養法の確立と，当該培養法による細胞の機能解析を行った。RAW264.7細胞を用いて解析した結果，低酸素依存的な細胞増殖の低下と破骨細胞顕著な分化阻害，骨吸収抑制が認められた。抑制のメカ
ニズムについて，細胞死が亢進することや，分化に必要な転写因子の発現が低下することが明らかになった。また試作した閉鎖系培養容器で破骨細胞の分化誘導を行い，容器の課題を見出すことができた。

1 はじめにそこで，低酸素・閉鎖系培養を取り入れた骨代謝細骨は脊椎動物の骨格を形成する組織で，体の支持や胞の新たな培養法の確立と，当該培養法による細胞の血中ミネラルの恒常性，造血環境の提供など，生命維

機能解析を行った。第一報では破骨細胞分化誘導系を持に必要な多様な機能を担っている。骨組織は常に骨用いた解析結果を報告する。

吸収と骨形成（骨代謝）を繰り返しており，正常組織ではこの骨代謝がバランスよく維持されている。しか2 研究，実験方法

し骨代謝のバランスが崩れ正常な骨代謝が行われない

2-1 細胞培養

場合，骨 粗しょ う症や 関節 リウマチ をはじ めとし た

マウスマクロファージ細胞株 RAW264.7 は ATCC より

様々な疾患を引き起こすことが知られている。

購入し，EMEM (イーグル MEM 培地「ニッスイ」③，日

骨吸収を担う破骨細胞は単球・マクロファージ系の水製薬)に NEAA（非必須アミノ酸，和光純薬）と 10%細胞より分化し，酸やタンパク質分解酵素の分泌によ分の FBS（ウシ胎児血清，Corning）を添加した培地

り骨成分を分解する。対して骨形成を担う骨芽細胞はで培養を行った。大気酸素の場合は CO 2 インキュベー

間葉系の前駆細胞から分化し，コラーゲンやリン酸カター（SCA-165DRS，アステック），低酸素はマルチガ

ルシウムなどの骨基質を形成する。これら骨代謝を担スインキュベーター（APM-30D，アステック）を用い

う細胞の分化・機能メカニズムを分子レベルで明らかて培養し，酸素濃度は窒素ガスをインキュベーター内にすることが，骨代謝の理解や骨関連疾患の病態解明に導入することにより調整を行った。CO 2 濃度はいずに必要不可欠である。

れの条件でも 5.0%とした。

細胞・分子生物学的な研究において細胞培養は根幹

2-2 細胞増殖の評価技術であり，生体（骨髄）内に近い環境下で細胞の培

RAW264.7 細 胞 を 1 × 10 5 cells/well で 6-well

養と解析を行うことが，骨代謝メカニズムの正確な解

plate に播種し，培養を開始した。3 日後に細胞を剥明へとつながる。しかし従来の培養方法は大気酸素，が し ， 細 胞 数 を Coulter Particle Counter Z1

開放系であり，生体内の環境（低酸素，閉鎖系）とは（Beckman Coulter）により計数した。

大きく異なっている。

2-3 破骨細胞の分化誘導と評価
RAW264.7 細胞を用いた分化誘導法と酒石酸耐性酸*1 生物食品研究所*2 （株）アステック 細胞科学研究所- 9 -福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
性フォスファターゼ（TRAP）染色は既報に従い実施した 1)。また骨吸収の評価は，細胞を予めリン酸カルシ
ウムで被膜したガラス板上に播種し，破骨細胞へ分化
後に細胞を除去，被膜部の分解箇所を破骨細胞による
骨 吸 収 部 と し た 。 吸 収 部 は ImageJ ソ フ ト ウ ェ ア（NIH）により定量化を行った。
2-4 破骨細胞分化過程のモニタリング

図1

閉鎖系培養容器

細胞のモニタリングは，培養細胞観察システム（ CCM-1.4XYZ ， ア ス テ ッ ク ） に よ り 実 施 し た 。

1 容器あたり 3.3×10 5 cells の RAW264.7 細胞を播RAW264.7 細胞を分化密度で播種後，分化開始時から 4

種し，翌日に培地交換して分化誘導を開始した。以後日後まで，5 分間隔でタイムラプス撮影を行った。

の分化スケジュールは開放系培養と同様に実施した。

2-5 リアルタイム PCR による遺伝子発現解析
各細胞の分化段階における遺伝子発現をリアルタイ

3 結果と考察ム PCR に よ り 解 析 し た 。 細 胞 か ら の RNA 抽 出 は3-1 低酸素が細胞の増殖に及ぼす影響

NucleoSpin RNA Plus （ タ カ ラ バ イ オ ） を 使 用 し ，

本研究においては，RAW264. 7細胞を破骨細胞前駆PrimeScript RT reagent Kit with gDNA Eraser （ タ細胞株として用いた。図2に酸素濃度と細胞増殖とのカラバイオ）により逆転写反応を行うことで cDNA を関係について示す。

作 製 し た 。 PCR 反 応 は TB Green Premix Ex Taq II（タカラバイオ）を用いたインターカレーター法で，95℃ 5 秒→60℃ 30 秒で 40 サイクルの増幅条件により，Thermal Cycler Dice Real Time System II 装置（タカラバイオ）を用いて解析した。解析した遺伝子と使用したプライマー配列は以下の通りである。

Rank-f5’-CATCTTCGGCGTTTACTACAGG-3’

Rank-r

5’-TCCACTTAGACTACTGCAAGCA-3’

Trap-f5’-TCCTGGCTCAAAAAGCAGT-3’

Trap-r5’-ACATAGCCCACACCGTTCTC-3’

DC-STAMP-f 5’-TCCTCCATGAACAAACAGTTCCAA-3’

図2

低酸素が細胞増殖へ及ぼす影響

DC-STAMP-r 5’-AGACGTGGTTTAGGAATGCAGCTC-3’
Ctsk-f5’-CAGTAGCCACGCTTCCTATCC-3’

計数した結果，10% O2 で大気酸素と同等，あるいは

Ctsk-r5’-GAGACAGAGCAAAGCTCACCA-3’

増殖が良かったが，2% O 2 では明らかな増殖低下が認

NFATc1 -f

5’-CAAGTCTCACCACAGGGCTCACTA-3’

められた。5% O 2 でも同様に増殖が低下した（データ

NFATc1 -r

5’-GCGTGAGAGGTTCATTCTCCAAGT-3’省略）。また培養中の細胞の状態が非常に悪くなり，

βactin-f5’-TGAGAGGGAAATCGTGCGTGAC-3’

継代を繰り返すほど増殖が不安定になることが分かっ

βactin-r

5’-AAGAAGGAAGGCTGGAAAAGAG-3’

た。この結果から，RAW264.7細胞は5% O 2 以下の低酸

2-6 閉鎖系培養容器の試作と破骨細胞の分化素により細胞の増殖が低下することが分かった。
3-2 低酸素が破骨細胞分化と機能に及ぼす影響

閉鎖系培養容器は 5 cm×5 cm 角の容器で，厚さが1, 2, 4 mm の 3 種類を試作した。辺縁部はガス透過

破骨細胞分化への影響を調べるため，各酸素条件で性のシリコンゴムでシールし，2 ヵ所の細胞・培地導分化させ，分化の指標であるTRAP染色を行った。低酸

入口を持つ（図 1）。細胞の導入や液体の入れ替え・素にする時期は分化開始時からと，分化後半の3日目

除去作業は，全てシリンジを用いて慎重に実施した。

からの2条件検討した。

- 10 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)a) 大気酸素

分化開始時から10%

分化3日目から10%細胞の骨吸収活性により，培養基板上のリン酸カルシ
ウム化合物が分解され穴が生じる（図4-a)）。この穴の面積を定量化して比較した結果，大気酸素条件では4～5日目にかけて吸収面積の増大が認められるのに対し，2% O2 では顕著に抑制されていた（図4-b)）。このb) 大気酸素

分化開始時から2%

分化3日目から2%ことから，低酸素はRAW264.7細胞の破骨細胞分化だけ
でなく，骨吸収も抑制することが分かった。
3-3 細胞のモニタリングによる低酸素の影響解析
これまでの結果から，低酸素により破骨細胞の分化は抑制されることが明らかとなった。その影響につい200 μm図3

破骨細胞分化における酸素濃度の影響て詳細に解析するため，破骨細胞の分化過程における細胞の挙動をタイムラプス撮影により観察した。

0-3d Atm(p2) vs. 2%(p2)0000-0288-0576-0804

2%および10% O2 での結果を図3に示す。コントロー
分化開始時

1日後

2日後

3日後

大気酸素

ルの大気酸素条件では，TRAP陽性の多核の成熟破骨細胞が多数形成される（図3左列）。しかし低酸素ではどの酸素濃度でも，また低酸素暴露の時期に関わらず，
破骨細胞分化は阻害されることが分かった（図3）。ま2% O2

たこの現象は酸素濃度が低いほど，あるいは低酸素暴
露期間が長いほど顕著で，分化開始時から2% O 2 にし180612,13 TRAP, HAp (2％O2 from 4,5day, KP11)

た場合，多核の破骨細胞はほとんど形成されない（図100 μm3-b)）。この結果から，低酸素環境はRAW264.7の破骨

図5

破骨細胞分化過程のモニタリング

細胞分化を顕著に阻害することが分かった。
破骨細胞分化過程のモニタリング結果を図5に示す。
a)b)

大気酸素環境における破骨細胞分化は，細胞増殖や活4

骨吸収面積（相対比）

3.5

200 μm※白く抜けた箇所が
骨吸収部分

大気酸素

を形成する（図5上段）。しかし2% O2 では，分化開始1

2.5
2

日後までは大気酸素と同様の挙動であったが，それ以1.5

降は細胞死が亢進して細胞数が減少し，多核の破骨細10.5

胞はほとんど形成されなかった（図5下段：矢印は死

0

4日目

図4

発な遊走を経て細胞融合し，最終的に巨大な多核細胞

2% O2

3

細胞を示す）。また，培地中へのLDH放出を指標とした

5日目

低酸素が骨吸収活性に及ぼす影響

細胞傷害活性の測定を行った結果，2% O 2 では破骨細胞分化過程の中期において，顕著な細胞傷害が生じて次に骨吸収活性について検討を行った。特に，破骨いることが判明した（データ省略）。これらの結果を細胞分化において最も顕著な変化が見られた2% O 2 条

合わせて，低酸素環境は分化の中期段階で過剰な細胞件に着目し，実験を行った。図3の結果から，破骨細死を誘導し，破骨細胞の分化を顕著に抑制することが胞分化阻害による骨吸収低下の影響を極力排除し，成考えられる。

熟破骨細胞における骨吸収活性を見る必要があった。

3-4 低酸素培養における遺伝子変動の解析

そこで，成熟破骨細胞が形成される分化4日目までは低酸素が破骨細胞分化過程における細胞の遺伝子発大気酸素条件で分化誘導し，その後5日目まで2% O 2 条

現にどのような影響を与えているか調べるため，リア

件で培養した。

ルタイムPCRにより代表的な遺伝子群の解析を行った。

骨吸収活性の結果を図4に示す。グラフは4日目の吸

なお各時点での遺伝子発現は，リファレンス遺伝子 β

収面積を1とし，その相対比として示している。破骨-actin で補正を行い，0日目の発現を1として相対比を- 11 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)算出した。各遺伝子の概要は以下の通りである。

うな現象はT25フラスコでは見られなかった。これら

RANK ：破骨細胞分化に必須の受容体。

の結果から，試作した閉鎖系培養容器において，

NFATc1 ：破骨細胞分化に必須の転写因子。

RAW264.7の破骨細胞分化は阻害され，特に中心部ではTRAP, DC-STAMP , CTSK ：分化依存的に発現上昇する

それが顕著であることが分かった。前述した低酸素培

遺伝子で，破骨細胞分化や骨吸収に必要。

養での解析結果と試作容器中心部での破骨細胞の表現

破骨細胞分化 (RAW264.7細胞KP-9、分化3日目)

型が類似していることから，溶存酸素量の違いにより

破骨細胞分化 (RAW264.7細胞、分化4日目)

辺縁部と中心部で分化に偏りが生じた可能性が高い。

図6

t1 mm

t2 mm

t4 mm

T25

破骨細胞分化過程における遺伝子変動解析

各遺伝子の発現変動を図6に示す。解析の結果，

RANK の発現には影響がなかったが，分化初期において200 μmNFATc1 発 現 は 低 下 し て お り ， ま た 分 化 後 期 の TRAP,

図7

閉鎖系培養容器における破骨細胞分化

DC-STAMP, CTSK の発現も顕著に低下していた。これらの結果から，低酸素環境では破骨細胞分化初期のシグ

4 まとめ

ナル伝達が抑制され，必要な遺伝子群の発現が低下し本研究により，低酸素は破骨細胞の分化シグナルをたことが考えられる。

抑制し，細胞死を誘導，顕著に破骨細胞の形成と骨吸3-5 閉鎖系培養容器を用いた破骨細胞分化の解析

収機能を阻害することが分かった。また閉鎖系培養容

最後に，試作した閉鎖系培養容器で破骨細胞分化の器の開発において，今回の試作容器では低酸素が原因解析を行った。開放系培養との比較のため，同じ培養と思われる破骨細胞の分化阻害や，不均一な分化が生面積を持つT25培養フラスコを用意し，比較を行った。

じることが判明した。本成果は均質な細胞状態を維持

まず試作容器への細胞の接着性について調べた結果，する培養容器の開発に活かし，低酸素培養を組み合わ

T25フラスコと同等の接着性を示し，生着細胞の数やせた新たな培養法の確立を目指したい。

形態にも異常は認められなかった（データ省略）。
図7に3種類の試作容器（厚さ1, 2, 4 mm）とT25フ

謝辞

ラスコにおける破骨細胞分化の結果を示す。分化開始

本研究は筆頭著者を研究代表者とし，柿原科学技術

4日目にTRAP染色を行った結果，閉鎖系培養容器では研究財団 科学技術研究助成事業の支援を受け実施し破骨細胞分化が阻害されており，特に1 mmと2 mm厚でたものです。

は阻害が顕著であった。また，4 mm厚容器では分化は認められるものの，多核の破骨細胞が明らかに少なか

5 参考文献った（図7）。培養中の細胞を観察した結果，1 mmと2

1)古賀慎太郎：福岡県工業技術センター研究報告，No.

mm厚の培養容器では分化途中で多くの細胞が死んでい19，pp. 41-44 (2009)

ることが判明した（データ省略）。さらに閉鎖系培養
容器では，辺縁部と中心部で破骨細胞の分化の進行に偏りがあり，ガス交換部に近い辺縁部の方が分化していることが確認された（データ省略）。なお ，このよ- 12 -

2018福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)

骨代謝細胞の新規低酸素・閉鎖系培養技術の開発（第二報）－骨芽細胞分化誘導系での解析結果－
古賀 慎太郎 *1

石川 智之 *1

金沢 英一 *1

緒方 貴宏 *2

坂井 孝則 *2

朴 晶淑 *2

Development of Hypoxic and Closed Culture System
Optimized for Bone-metabolizing Cells- Analysis of Osteoblastogenesis Shintaro Koga, Tomoyuki Ishikawa, Eiichi Kanazawa, Takahiro Ogata, Takanori Sakai and Piao Jingshu

生体内に近い環境で細胞培養や機能解析を行う技術が，骨代謝細胞の研究や骨再生医療において求められている。
しかし通常の細胞培養では，生体内に比べて高酸素，また開放系であり，骨代謝細胞が存在する骨髄環境とは大きく異なっている。そこで，骨代謝細胞をより生体内に近い環境で培養・解析を行うため，低酸素・閉鎖系培養を取り入れた骨代謝細胞の新たな培養法の確立と，当該培養法による細胞の機能解析を行った。MC3T3-E1細胞を用いて解析した結果，低酸素環境は骨芽細胞分化を抑制する一方，継代培養時の分化能維持に良い影響を与えることが分かった。また分化過程で低酸素が細胞死を亢進することや，分化シグナルを抑制することが明らかになった。また試作した閉鎖系培養容器で骨芽細胞の分化誘導を行い，容器の課題を見出すことができた。

1 はじめにそこで，低酸素・閉鎖系培養を取り入れた骨代謝細骨は脊椎動物の骨格を形成する組織で，体の支持や胞の新たな培養法の確立と，当該培養法による細胞の血中ミネラルの恒常性，造血環境の提供など，生命維

機能解析を行った。第二報では骨芽細胞分化誘導系を持に必要な多様な機能を担っている。骨組織は常に骨用いた解析結果を報告する。

吸収と骨形成（骨代謝）を繰り返しており，正常組織ではこの骨代謝がバランスよく維持されている。しか2 研究，実験方法

し骨代謝のバランスが崩れ正常な骨代謝が行われない

2-1 細胞培養

場合，骨 粗しょ う症や 関節 リウマチ をはじ めとし た

マウス頭蓋骨由来細胞株 MC3T3-E1 は理研バイオリ

様々な疾患を引き起こすことが知られている。

ソースセンターより購入し，MEMα（アスコルビン酸

骨吸収を担う破骨細胞は単球・マクロファージ系の

不含 ，GIBCO） に Penicillin-Streptomycin （ 和光 純

細胞より分化し，酸やタンパク質分解酵素の分泌によ薬）と 10% 分の FBS（ウシ胎児血清，Corning）を添り骨成分を分解する。対して骨形成を担う骨芽細胞は加した培地で培養を行った。培養用インキュベーター，

間葉系の前駆細胞から分化し，コラーゲンやリン酸カ

各種ガス濃度の調整については，前報「骨代謝細胞のルシウムなどの骨基質を形成する。これら骨代謝を担

新規低酸素・閉鎖系培養技術の開発（第一報）」と同

う細胞の分化・機能メカニズムを分子レベルで明らか様に実施した。

にすることが，骨代謝の理解や骨関連疾患の病態解明

2-2 細胞増殖の評価
MC3T3-E1 を 5×104 cells/well で 6-well plate にに必要不可欠である。
細胞・分子生物学的な研究において細胞培養は根幹

播種し，培養を開始した。3 日後に細胞を剥がし，細技術であり，生体（骨髄）内に近い環境下で細胞の培

胞 数 を Coulter Particle Counter Z1 （ Beckman

養と解析を行うことが，骨代謝メカニズムの正確な解

Coulter）により計数した。

明へとつながる。しかし従来の培養方法は大気酸素，

2-3 骨芽細胞の分化誘導と評価

開放系であり，生体内の環境（低酸素，閉鎖系）とは

MC3T3-E1 細胞を用いた分化誘導法とアルカリフォ
スファターゼ（ALP）染色は既報に従い実施した 1) 。

大きく異なっている。

骨形成の指標であるアリザリンレッド染色（石灰化評*1 生物食品研究所*2 （株）アステック 細胞科学研究所- 13 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
価セット，PG リサーチ）は，キットのプロトコール省略）。このことから，MC3T3-E1細胞は低酸素によるに従い実施した。

増殖の低下はあるものの，RAW264.7細胞よりも安定な

2-4 骨芽細胞分化過程のモニタリング

状態で維持可能であることが分かった。

細胞のモニタリングは，培養細胞観察システム（CCM-1.4XYZ，アステック）により実施した。MC3T3E1 を分化密度で播種後，分化開始後 11 日目から 14日目まで，10 分間隔でタイムラプス撮影を行った。
2-5 リアルタイム PCR による遺伝子発現解析
リアルタイム PCR による解析は前報「骨代謝細胞の新規低酸素・閉鎖系培養技術の開発（第一報）」と同様に実施した。解析した遺伝子と使用したプライマー
配列は以下の通りである。

Runx2-f

5’-GCCCAGGCGTATTTCAGA-3’

Runx2-r5’-TGCCTGGCTCTTCTTACTGAG-3’

Osterix-f5’-CTCCTGCAGGCAGTCCTC-3’

Osterix-r

5’-GGGAAGGGTGGGTAGTCATT-3’

Alp -f5’-CGGATCCTGACCAAAAACC-3’

Alp -r

5’-TCATGATGTCCGTGGTCAAT-3’

Col1a-f5’-CCAGCCGCAAAGAGTCTACA-3’

Col1a-r5’-TTCCACGTCTCACCATTGGG-3’

図1

低酸素が細胞増殖へ及ぼす影響

3-2 低酸素が骨芽細胞分化と機能に及ぼす影響
骨芽細胞分化と機能への影響を調べるため，各酸素条件で分化させて検討した。
a)

b)
大気酸素

大気酸素

10% O22% O2βactin-r

5’-AAGAAGGAAGGCTGGAAAAGAG-3’

2-6 閉鎖系培養容器の試作と骨芽細胞の分化

ALP

5’-TGAGAGGGAAATCGTGCGTGAC-3’
Alizarin red

βactin-f

ALP

Osteocalcin -r 5’-CGCCGGAGTCTGTTCACTAC-3’

Alizarin red

Osteocalcin -f 5’-TGACCTCACAGATGCCAAGC-3’

閉鎖系培養容器は前報「骨代謝細胞の新規低酸素・

0.5cm

閉鎖系培養技術の開発（第一報）」と同じ試作容器を

図2

骨芽細胞分化過程における低酸素の影響5使用した。1 容器あたり 6.6×10 cells の MC3T3-E1

180323 OBgenesis for 7 days, KP-11細胞を播種し，翌日に培地交換して分化誘導を開始し

171124 OBgenesis for 7 days, KP-10

171128 OBgenesis
for 14 days, KP-9
180420OBgenesis for 14 days, KP-7
分化期間を通して低酸素環境（2%,10%）で培養し，た。以後の分化スケジュールは開放系培養と同様に実7日目に骨芽細胞分化の指標であるALP染色，14日目に施した。

機能の指標であるAlizarin red染色を行った（図2：
黒い部分が染色部）。コントロールの大気酸素条件と3 結果と考察

比較した結果，10% O 2 では分化・機能ともにほぼ同等

3-1 低酸素が細胞の増殖に及ぼす影響であったが（図2-a)），2% O2 では顕著に阻害が認めら本研究においては，MC3T3-E1細胞を骨芽細胞前駆細れた（図2-b)）。

胞株として用いた。図1に酸素濃度と細胞増殖との関

また，骨芽細胞分化中に24時間間隔での間欠的な低酸素暴露を行い,分化能を検討したが，10%と2% O 2 条係について示す。
その結果，10% O2 では大気酸素と同等，あるいは増件ともに分化の促進は認められず，むしろ大気酸素条

殖が良い傾向であったが，2% O 2 では前報のRAW264.7

件よりも抑制されていた（データ省略）。これらの結細胞と同様に増殖が低下した。しかし顕微鏡観察によ果からMC3T3-E1細胞の骨芽細胞分化・機能について，る細胞の状態は大気酸素とほとんど変わらず，また継特に2% O 2 では，暴露期間に関わらず阻害されること代を繰り返しても細胞の増殖は安定していた（データが分かった。

- 14 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)の破骨細胞と同様に，骨芽細胞においても低酸素によ継代培養環境

継代回数

Bgenesis for 7 days, KP-14

考える。上記モニタリング結果に加えて，2% O 2 では
骨芽細胞の分化特異的に急激な細胞傷害が生じること
がLDH放出測定により判明しており，この可能性を裏付けている（データ省略）。
10-14d Atm(p5) vs. 10%(p6) vs. 2%(p2)0000-0072-0144-0288

9回目

OBgenesis for 7 days, KP-7

る細胞増殖の停止と細胞死が分化・機能阻害の要因と

2% O2

2回目

大気酸素

撮影開始（11日目）

図3

24時間後

48時間後

大気酸素

1 cm

12時間後

骨芽細胞分化における低酸素の影響

10% O2（低酸素での継代培養の影響）続いて上記とは異なる条件での低酸素の影響を調べ
る た め ， 以 下 の 実 験 を 行 っ た 。 低 酸 素 （ 2% O 2 ） で2% O2

MC3T3-E1細胞を継代，維持培養を続け，その細胞を大気酸素条件で骨芽細胞へと分化させ，7日目にALP染色によりコントロールと比較を行った。その結果，大気200 μm

酸素下での継代培養は，培養期間依存的に骨芽細胞への分化能を低下させるのに対し，2% O 2 での継代培養

図4

骨芽細胞分化過程のモニタリング

はその低下を明らかに抑制することが分かった（図3）。
このことはMC3T3-E1細胞において，低酸素が骨芽細胞

3-4 低酸素培養における遺伝子変動の解析

分化能を維持する効果があることを示している。また

低酸素が骨芽細胞分化過程における細胞の遺伝子発

この結果 は前述 した分 化過 程での低 酸素の 影響（ 図

現にどのような影響を与えているか調べるため，リア2）と逆で，低酸素が細胞の未分化段階と分化・機能

ルタイムPCRにより代表的な遺伝子群の解析を行った。

段階で果たす役割が異なることが推察される。

解析した遺伝子の概要は以下の通りである。

Runx2, Osterix ：骨芽細胞分化に必須の転写因子。

3-3 細胞のモニタリングによる低酸素の影響解析

ALP, Col1a ：分化初期～中期に発現する遺伝子。

次に骨芽細胞分化過程における低酸素の影響を詳細に解析するため，培養中の細胞のモニタリングを行っ

Osteocalcin ：分化後期に発現する遺伝子。

た。骨芽細胞の分化過程は破骨細胞のようにダイナミ

各時点での遺伝子発現量はリファレンス遺伝子 β-

ックな細胞の形態変化が起きないことから，分化後期

actin で補正を行い， Osteocalcin のみ4日目，その他

過程の骨形成（リン酸カルシウム結節の形成）に着目の遺伝子は0日目（分化開始前）の発現量を1として，

し，タイムラプス撮影を行った。

その相対変化を算出した（ Osteocalcin は0日目で全くその結果を図4に示す。大気酸素環境において骨検出できなかったため）。

芽細胞は，撮影開始（11日目）から細胞の周囲に急激各遺伝子の発現変動を図5に示す。解析の結果，な骨形成（図4の黒色部）が進み，24時間後にはプラ

Runx2 の発現は大気酸素と2% O 2でほとんど変わらず，

トーに達した（図4上段）。10% O 2 でも骨形成が起きる

Osterix は逆に2% O 2の方が分化後期で発現上昇するこ

ものの，非常に緩やかで大気酸素とは明らかな差が生とが分かった（図5上段）。しかし ALP , Col1a,

じた（図4中段）。さらに2% O 2 においては，全く形成

Osteocalcin の発現は2% O2で明らかに低下しており，を確認することが できなか った（図 4下段）。また2%

特に ALP と Osteocalcin は顕著な低下が認められる（図O2 では分裂する細胞が非常に少なく，撮影後半には分5下段）。これらの結果から骨芽細胞分化過程において，裂も停止し，死細胞が急激に増える様子を観察するこ

低酸素は転写因子 Runx2, Osterix の発現を抑制せずに，とができた（データ省略）。これらの結果から，前報

ALP , Col1a, Osteocalcin の発現を低下させることが- 15 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)分かった。これらの骨芽細胞分化マーカーは Runx2 と開放系のT25フラスコでは見られなかった（図6-a)）。

Osterix によって発現が制御されることが知られてい顕微鏡で観察すると，容器の全面に細胞は接着している。低酸素誘導転写因子であるHIF-1αが他の転写因るものの，一様に骨芽細胞の分化が認められるT25フ子の機能を直接制御する報告もあり，HIF-1αを中心ラスコに対して，試作容器では中心部で顕著に骨芽細とした直接的，間接的なシグナル伝達が骨芽細胞分化

胞分化が阻害されていた（図6-b)）。逆にガス交換部

制御に関わっていると考える。

に近い辺縁部では骨芽細胞分化が進行しており，4 mm
厚の容器ではT25フラスコと同等であった（図6-b)）。
これらの結果から，試作した閉鎖系培養容器は，開放系培養と比べて全体的な骨芽細胞分化は低下，分化の偏りが見られ，特に容器中心部での分化が阻害されていることが分かった。前述の低酸素培養で得られた研究結果と，容器中心部の骨芽細胞の表現型が類似していることから，辺縁部と中心部の溶存酸素量の違い
により分化に差が生じた可能性が高い。

図5

骨芽細胞分化過程における遺伝子変動解析

4 まとめ
本研究により，低酸素がMC3T3-E1細胞の分化シグナ

3-5 閉鎖系培養容器を用いた骨芽細胞分化の解析

ルを抑制して，顕著に骨芽細胞の形成と機能を阻害す

前報の破骨細胞の解析と同様に，試作容器での骨芽ることが分かった。一方で，骨芽細胞分化能力の維持

細胞分化について調べた。まず試作容器へのMC3T3-E1には，低酸素で継代培養した方が良いという結果も得

細胞の接着性についは，T25フラスコと同等で異常はられた。この低酸素の役割の違いから，酸素濃度によ認められなかった。また分化途中の細胞についても顕り前駆細胞の増殖や分化の指向性を調整できる可能性

骨芽細胞分化 (MC3T3-E1細胞、分化7日目)
微鏡観察を行ったが，RAW264.7細胞とは異なり，明らが考えられる。
2018.3.23,
KP-11

かな細胞死は観察できなかった（データ省略）。

また閉鎖系培養容器の開発において，今回の試作容器では骨芽細胞の不均一な分化を生じることが判明しa)た。このことは，細胞の酸素消費量を賄うには今回のガス交換方法では不十分であることを示している。

左：閉鎖系培養容器
右：T25フラスコ

今後は本研究成果を間葉系幹細胞などに適用して研究することで，骨再生医療に必要とされている，良質T25

t 4 mmt 2 mmな骨芽細胞の培養が可能な細胞培養装置の技術開発に

t 1 mm活かしたいと考えている。

中心付近

b)

謝辞

辺縁部

本研究は筆頭著者を研究代表者とし，柿原科学技術
研究財団 科学技術研究助成事業の支援を受け実施したものです。
200 μm

図6

閉鎖系培養容器における骨芽細胞分化

5 参考文献1)古賀慎太郎：福岡県工業技術センター研究報告，No.

MC3T3-E1細胞を分化刺激後7日目にALP染色した結果，試作容器の辺縁部と中心部で，細胞染色像に顕著な差があることが分かった（図6-a)）。このような現象は，- 16 -

20，pp. 22-25 (2010)

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)

醤油膜ろ過残液処理法の検討（第3報）－醤油膜ろ過残液エタノール沈殿物からの多糖類回収－川口 友彰 *1

野田 義治 *2 植木 達朗 *2

脇山 元気 *2

坂田

文彦 *1

野見山

修治 *3

Study on Processing Method of the Shoyu Cross-flow Filtration Retentate- Recovery of Polysaccharides from Ethanol Precipitate of the Retentate Tomoaki Kawaguchi, Yoshiharu Noda, Tatsuro Ueki, Motoki Wakiyama, Fumihiko Sakata and Shuji Nomiyama

醤油の清澄化および無菌化のためクロスフロー膜ろ過処理が行われているが，発生する高粘性・高濁度の濃縮残液（膜ろ過残液）による歩留り低下や処理困難性が問題となっている。これまでに我々は膜ろ過残液のエタノール処理により，粘性に寄与する高分子多糖類を除去し，低粘度の清澄醤油を回収できることを明らかにした。本研究では，膜ろ過残液エタノール処理で生じる沈殿物からの多糖類回収を試みた。エタノール沈殿物を水に溶解しクロ
スフロー膜ろ過を繰り返すことにより，容易に多糖類を回収・高純度化できることがわかった。一方，エタノール
沈殿物中多糖類の膜透過性は生揚膜ろ過時より高く，繰り返しの膜ろ過は回収率を低下させることがわかった。得られた多糖類高含有液は濁りを有するが，プロテアーゼ製剤処理により濁度を低減することができた。

増粘剤 3) や乳化剤 4) ，機能性食品 5) として有効利用が期

1 はじめに近年，醤油製造においてクロスフロー方式の膜ろ過

待される醤油多糖類を多く含んでいることから回収がが普及している。クロスフロー膜ろ過処理は，醤油も望まれる。そこで本研究では，醤油膜ろ過残液の33 %ろみを圧搾して得た生揚醤油の清澄化，無菌化，火入エタノール沈殿物からの多糖類回収を試みた。

れ垽処理軽減等の利点を有する。一方，膜を通過しない多糖類や菌体を含む高粘性・高濁度の難分解性濃縮

2 研究，実験方法

残液が処理生揚醤油の5～10 %程度発生し，歩留まり

2-1 試料

低下，排水処理，廃棄コスト等が問題となっている 1) 。

醤油膜ろ過残液は福岡県醤油醸造協同組合より提供

特に，膜ろ過残液中には多量の醤油を含むため，何らされたものを使用した。エタノール沈殿物は膜ろ過残かの醤油回収方法が求められている。

液100 mLに対して50 mLのエタノール（99.5 %）を添

これまでに我々は，粘性に寄与する膜ろ過残液中多加後，遠心分離することで調製した。プロテアーゼ製

糖類の大部分がエタノール濃度33 %(v/v)で沈殿する剤はオリエンターゼOP（エイチビィアイ(株)）を用いこと，固液分離により清澄で低粘度の醤油が回収できた。

ることを報告した 2) 。膜ろ過残液にエタノール混合後，2-2 クロスフロー膜ろ過による透析ろ過

クロスフロー膜ろ過するのみで清澄醤油を回収でき，

エ タノ ール 沈殿 物全 量に 水を 加え 200 mLとした 。

膜ろ過残液が生じる事業所においては，特別な技術・

VIVAFLOW50クロスフロー式ろ過ユニット（ザルトリウ

装置を必要としない容易で実用性の高い技術である。

ス）を使用し，流速400 mL/minでろ過した。膜ろ過透回収醤油は33 %以上のエタノールを含んでいることか

過液が180 mLに達したところでろ過を停止し，さらにら，火入れ醤油のアルコール調整用に直接利用可能で180 mLの水を濃縮液に加え，ろ過を繰り返した。得らある。また，エタノールを蒸留により回収して再利用，れた濃縮液及び透過液は凍結乾燥後保存した。

醤油分は生揚として利用することが可能である。一方

2-3 酵素反応

で，高分子量成分は膜ろ過により再び濃縮され，高粘濃縮液の凍結乾燥物を2 %，オリエンターゼOPを終性・高濁度の濃縮残液として残存する。この中には，濃度0.01～0.1 %となるように水に溶解し，45 ℃で2時間反応させた。

*1 生物食品研究所*2 福岡県醤油醸造協同組合*3 福岡県商工部- 17 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
2-4 分析

組成を調べた結果を表1に示す。膜ろ過1回目と2回HPLC（Waters Alliance HPLCシステム）により分子目の透過液は，総収量の81 %を占め，灰分30 %程度で量 分 布 を 測 定 し た 。 カ ラ ム は 東 ソ ー ( 株 ) 製 TSKgel

あり，低分子の夾雑物の大部分が透過したと考えられ

guardcolumn G3000PW XL ， G6000PWXL ， G3000PWXL を 連 結た。一方，糖含有量も26～27 %程度あり，33 %エタノ

して使用した。溶離液20 mM Na-acetate（pH 5.0），

ール沈殿物中の糖類は高分子多糖類がほとんどである

流速0.6 mL/min，注入量50 μL，カラム温度25 ℃，ことから，多糖類の膜透過を示唆する結果であった。

内部ヒーター30 ℃，検出は示差屈折率で行った。水膜ろ過3回目以降の透過液および濃縮液は，糖含有量

分 含 量 は 加 熱 乾 燥 式 水 分 計 MS-70 （ ( 株 ) エ ー ・ ア ン

が55～60 %程度と高く，図1でみられた多糖類存在可ド・デイ）で測定した。タンパク質はBCA法，全糖量能性を支持するものであった。また，全糖量，タンパ

はフェノール硫酸法，灰分は直接灰化法により測定しク質および灰分について4，5回目で透過量に違いがみた。

られないことから，濃縮液中に残存する膜透過性が類似した成分（多糖類含む）が徐々に透過しているもの

3 結果と考察と推察され，多糖類回収の観点からは，繰り返しの膜

3-1 透析ろ過過程の解析

ろ過は回収率低下をまねくと考えられた。以上の結果

多糖類の回収方法として，エタノール沈殿，アルカから，膜ろ過2回目までに夾雑物質の大部分が透過し，6)リ条件下におけるカルシウム処理 ，カラムクロマト

3回目以降では多糖類が主成分として透過することがグラフィ等が考えられるが，本研究では，低コストで推察された。

簡便かつ膜ろ過残液処理を課題とする事業所が既に保有する技術・装置であるクロスフロー膜ろ過による多表1

透析ろ過（繰り返し数5回）物の組成分析結果

糖類回収を検討することとした。

収量
(g)

水分含量
(%)

全糖
(%)

タンパク質
(%)

灰分
(%)

透過液 (1回目)

6.40 (68 %)

12.4

26.0

6.7

33.4

透過液 (2回目)

1.25 (13 %)

11.4

27.6

6.0

30.6

透過液 (3回目)

0.51 (5 %)

15.0

59.8

4.7

15.6

これまでに我々は，生揚膜ろ過の際，精密ろ過膜が醤油多糖類を含む高分子量成分の大部分を阻止することを明らかにしており 2) ，精密ろ過膜を用いた透析ろ過による多糖類回収・高純度化が可能と考えた。そこ

透過液 (4回目)

0.34 (4 %)

13.3

57.6

2.2

9.3

で，醤油膜ろ過残液の33 %エタノール処理で得た沈殿

透過液 (5回目)

0.25 (3 %)

13.4

55.5

1.9

8.8

を水に溶解後クロスフロー膜ろ過（精密ろ過膜）に供

濃縮液

0.71 (8 %)

12.9

54.6

8.5

8.1

括弧内は全収量に対する割合した。10倍濃縮後，透過分と同量の水を加え，さらに膜ろ過し，この操作を5回繰り返し，脱塩及び多糖類濃縮を試みた（透析ろ過法）。得られた透過液および透過物と濃縮物の分子量分布を調べた結果を図2に濃縮液の外観を図1に示す。膜ろ過1回目の透過液（図示す。膜ろ過2回目（図2A）までは，溶出時間32分以1上段）で見られた醤油の色は，膜ろ過を重ねるごと降の低分子成分（6.2 kDa以下）が主に透過するととに無色に近づき，膜ろ過4，5回目では淡く黄色がかる

もに，溶出時間22分～30分の高分子量成分（21.7 kDa

程度となった。膜ろ過3回目以降の透過液および濃縮以上）も透過した。膜ろ過3回目（図2B，実線）では液の凍結乾燥物（図1下段）については，類似の外観

主な透過成分が高分子量成分となり，4，5回目の透過を有しており，多糖類の存在を示唆するものであった。

液（図2B，破線，点線）においては低分子成分の透過はほとんどみられず高分子量成分が透過した。濃縮物

透過液

1回目

2回目

3回目

4回目

5回目

濃縮液

は低分子成分が除去され高純度化していることがわかった（図2C）。また，濃縮物と4，5回目の透過液（図乾燥前

2B，破線，点線）のクロマトグラムは類似しており，濃縮物中の多糖類が徐々に透過（損失）している状態

乾燥後であると考えられた。これらは表1の結果と一致する
図1

透析ろ過（繰り返し数5回）物の外観ものであった。以上の結果より，膜ろ過残液のエタノ- 18 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
ール沈殿物を水に溶解し膜ろ過することにより，低分

濃縮液

子共雑物を除去し多糖類高含有液を回収できること，

透過液（1回目）
透過液（2回目）

33 %エタノール沈殿物中多糖類は精密ろ過膜透過性を有することがわかった。
生揚膜ろ過と比べ，33 %エタノール沈殿物膜ろ過で多糖類の膜透過性が高まった原因としては，詳細な検討が必要であるが，エタノール沈殿により生揚膜ろ過時の膜ファウリングが解消された可能性が考えられる。
すなわち，生揚膜ろ過時には低分子成分と高分子量成

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

溶出時間（分）分の相互作用で形成されていたファウラントが，エタ
ノール沈殿による生揚中の低分子成分除去によって解

図3

透析ろ過物（繰り返し数2回）の分子量分布

消され，ろ過膜孔径に対し本来透過すべき分子量を有表2に組成を分析した結果を示す。表1と同様，総収量する成分が透過したものと推察できる。

の83 ％がろ過膜を透過し除去されたことがわかった。

(A)

透過液（1回目）
透過液（2回目）

回収した濃縮液中には，糖類が57.3 %（乾燥重量換算69 %）存在することがわかった。以上の結果より，膜標準物質の分子量 (kDa)
736 366

113

48.8

21.7

6.2

ろ過残液のエタノール沈殿物に水を加え，膜ろ過を2回繰り返すのみで，多糖類高含有液を回収できること

20

22

24

26

28

30
32
溶出時間（分）

(B)

20

34

36

38

40

含有物は1.64 gであった。
透過液（3回目）
透過液（4回目）
透過液（5回目）

22

24

26

28

30

32

がわかった。膜ろ過残液100 mLから得られる多糖類高

34

36

表2

38

40

溶出時間（分）(C)

透析ろ過物（繰り返し数2回）の組成分析結果
収量
(g)

水分含量
(%)

全糖
(%)

タンパク質
(%)

灰分
(%)

透過液 (1回目)

6.65 (71 %)

7.7

23.4

5.8

34.3

透過液 (2回目)

1.13 (12 %)

9.1

47.6

4.8

20.2

濃縮液

1.64 (17 %)

16.5

57.3

4.2

8.7

括弧内は全収量に対する割合

濃縮液

今回検討した精密ろ過膜では，膜ろ過2回で多糖類の透過（損失）も生じたが，膜を限外ろ過膜へ変更す
20

図2

22

24

26

28

30
32
溶出時間（分）

34

36

38

40

ればより高収率を得ることが期待できる。
3-3 酵素剤処理による濁度低減

透析ろ過物（繰り返し数5回）の分子量分布

生揚の膜ろ過は清澄化を目的としており，膜ろ過残液には混濁成分が濃縮されている。そのエタノール沈

3-2 透析ろ過による多糖類高含有液の回収

殿物や，エタノール沈殿物から回収した多糖類高含有

多糖類高含有化のため，膜ろ過を2回繰り返し，透物についても混濁成分は濃縮されたまま存在し続けて過液・濃縮液を得た。これらを凍結乾燥後，分子量分いる。そ のため 多糖類 高含 有物は濁 りを有 してお り

布を分析した結果を図3に示す。低分子量の夾雑物が（図1上段），用途によっては濁度低減が望まれる。濁透過し，高分子量の多糖類の高純度化をしめすもので，りの原因成分としては垽タンパク質 7) が考えられたた

表1，図2の結果と一致した。

め，プロテアーゼ製剤処理による濁度低減を試みた。
その結果，図4に示すように，オリエンターゼOP処理により，濁度が低下することがわかった。

- 19 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)4) 松 田 康 ： 日 本 醸造 協 会 誌 ， 91巻(3号), pp. 167171(1996)

(A)

0.2

5) 古林万木夫, 松下裕昭, 真岸範浩:日本醸造協会誌，104巻(9号), pp. 647-651(2009)

0.18

6) 川口友彰，植木達朗，野田義治：福岡県工業技術

未添加
0.16

センター研究報告，28号，pp. 24-26（2018）

OD660 nm0.01 % ｵﾘｴﾝﾀｰｾﾞOP
0.02 % ｵﾘｴﾝﾀｰｾﾞOP7) 足鹿利幸，若山守：醤油の研究と技術，39巻(1号)，

0.05 % ｵﾘｴﾝﾀｰｾﾞOP

0.14

pp. 37-41(2013)

0.1 % ｵﾘｴﾝﾀｰｾﾞOP
0.12

0.1
0

20

40

60

80

100

120

時間 (min)

(B)

処理前

処理後

2 % 多糖類高含有液
0.1 % オリエンターゼOP
45 ℃, 1 H

図4

多糖類高含有物の酵素処理による濁度変化(A)経時変化，（B）処理前後の外観

4 まとめ
膜ろ過残液エタノール処理で生じる沈殿物からの多糖類回収を試みた。その結果，エタノール沈殿物を水に溶解しクロスフロー膜ろ過を2回繰り返すことにより，容易に多糖類高含有物を得られること，また、多糖類高含有物中の濁りをプロテアーゼ製剤により低減できることがわかった。本技術により，醤油膜ろ過残液のエタノール処理物から多糖類の回収が可能となり、エタノール処理による清澄醤油回収 2) とあわせ，膜ろ過残液の有効な処理方法であると思われる。

5 参考文献1) 野田義治，植木達朗，大場和徳，脇山元気：醤油の研究と技術，37巻(6号)，pp. 365-369(2011)2) 川口友彰，野田義治，植木達朗，脇山元気，野見山 修 治 ： 醤 油 の 研 究 と 技 術 ， 45 巻 (2 号 ) ， pp.
103-109(2019)3) 富士甚醤油株式会社：特許第4087529号(2008)- 20 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)

醤油膜ろ過残液処理法の検討（第4報）－ろ過膜孔径の違いが生揚成分の膜透過性に与える影響－
川口 友彰 *1

野田 義治 *2 植木 達朗 *2

脇山 元気 *2

坂田

文彦 *1

野見山

修治 *3

Study on Processing Method of the Shoyu Cross-flow Filtration Retentate- Effect of Pore Size on Permeability in the Cross-flow Filtration Tomoaki Kawaguchi, Yoshiharu Noda, Tatsuro Ueki, Motoki Wakiyama, Fumihiko Sakata and Shuji Nomiyama

醤油のクロスフロー膜ろ過処理は混濁成分および菌体を除去する一方，多糖類を含む高分子量成分の膜透過をも阻止し，醤油成分ロスと残液処理困難性につながっている。そこで本研究では，膜孔径を従来使用されている 0.1
μmから0.45 μmとし，生揚成分の膜透過性の変化を調べた。その結果，膜孔径0.45 μmでは113 kDa以下の高分子
量成分の膜透過性が高まること，火入れ垽（おり）タンパクは膜に保持され，火入れ後も垽が発生しないことを明らかにした。膜ろ過残液の高分子量成分は33 %エタノールで沈殿する分子量と一致し，エタノール処理でほとんど残存することなく除去することができた。生揚の膜ろ過において，膜孔径0.45 μmの膜適用は，醤油成分保持および副産物（膜ろ過残液）処理において有効であることが判明した。

1 はじめにmとし，生揚成分の透過性および膜ろ過残液の処理性

近年，醤油製造においてクロスフロー方式の膜ろ過を調べた。

が普及している。クロスフロー膜ろ過処理は，醤油もろみを圧搾して得た生揚の清澄化，無菌化，火入れ垽

2 研究，実験方法

処理軽減等の利点を有する。一方，膜を通過しない多2-1 試料

糖類や菌体を含む高粘性・高濁度の難分解性濃縮残液

醤油膜ろ過透過液・残液および醤油垽は福岡県醤油が処理生揚の5～10 %程度発生し，歩留まり低下，排醸造協同組合より提供されたものを使用した。膜ろ過

水処理，廃棄コスト等が問題となっている 1) 。特に，は，原料生揚を85 ℃で加熱後，膜孔径0.1 μmあるい

膜ろ過残液中には多量の醤油を含むため，何らかの醤は0.45 μmの精密ろ過膜で行った。

油回収方法が求められている。

2-2 火入れこれまでに我々は，生揚と膜ろ過残液の分子量分布

膜ろ過透過液の火入れは，瓶に入れて60 ℃で2時間の比較から，膜ろ過（膜孔径0.1 μm）により6.2 kDa

加熱後，85 ℃で1時間加熱することにより行った。メ

以上の高分子量成分が膜に保持されることを明らかにスシリンダーに移し，5日静置後の垽容量を測定した。

した 2) 。膜ろ過残液中に存在するこれらの高分子量成

2-3 SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動（SDS-PAGE）

3)

分は，アルカリ条件下でのカルシウム処理 やエタノ

醤油垽1 mLを水と混合し遠心分離し，得られた沈殿

2)

ール処理 により沈殿・除去でき，膜ろ過残液からのを水に懸濁した。遠心上清が透明となるまで繰り返し，

低粘度清澄醤油の回収が可能であったことから，膜ろ沈殿をサンプルバッファーで溶解した。100 ℃で5分

過残液の主な粘性成分であることを確認している。し加熱した後電気泳動に供した。

たがって，これら高分子量成分を回収（膜透過）する

膜ろ過残液1 mLに0.2 mLの100 %(w/v)トリクロロ酢

ことで，生揚成分のロス削減と，粘性成分減少による酸（TCA）を加え15,000×gで5分遠心分離を行った。

膜ろ過残液の処理性向上が期待できる。そこで本研究得られた沈殿を20 % TCA 1 mLで懸濁した。上記TCA処

では，生揚のクロスフロー膜ろ過において，精密ろ過理を計3回行った後，沈殿に2 mLのエタノールを加え，膜の膜孔径を従来使用されている0.1 μmから0.45 μ

TCA処理と同様の操作で2回洗浄を行った。沈殿をサン
プルバッファーに溶解し，100 ℃で5分加熱した後電気泳動に供した。

*1 生物食品研究所*2 福岡県醤油醸造協同組合*3 福岡県商工部- 21 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
電気泳動はLaemmliの方法で行い，分離ゲルは10 %6.2 kDaより低分子の領域（溶出時間33分以降）にポリアクリルアミドゲルを用いた。

おいては，透過液（破線），残液（実線）の分布は膜

2-4 膜ろ過残液のエタノール処理

孔径が異なってもよく一致しており，検討した膜孔径

膜孔 径0.45 μmで膜 ろ 過し て生 じ た膜 ろ 過 残液 20において低分子成分の透過性に顕著な差はないことがmLにエタノール10 mLを加え，2,330×gで15分間遠心わかった（図1A）。一方，溶出時間33分より前の高分

分離し上清を回収した。

子量側では膜孔径の差による分子量分布の違いが認め

2-5 分析

られた(図1B)。生揚にはもともと高分子量成分が存在

HPLC（Waters Alliance HPLCシステム）により分子しているが，いずれの膜孔径による膜ろ過においても，

量 分 布 を 測 定 し た 。 カ ラ ム は 東 ソ ー ( 株 ) 製 TSKgel

透過液は高分子量成分が除かれ，残液はその高分子量

guardcolumn G3000PW XL ， G6000PWXL ， G3000PWXL を 連 結

成分が蓄積することがみてとれる。膜孔径によりそのして使用した。溶離液20 mM Na-acetate（pH 5.0），

程度 が異 なっ て お り， 膜孔 径0.1 μmでは およ そ113

流速0.6 mL/min，注入量50 μL，カラム温度25 ℃，

kDa以上（溶出時間26.6分以前）の高分子量成分の膜

内部ヒーター30 ℃，検出は示差屈折率で行った。ア

透過を阻止し，およそ113 kDaより小さな成分（溶出ミノ 酸は 全自 動ア ミノ 酸分 析機 （日 本電 子 (株)JLC-

時間26.6～29分）についても半分以上膜透過を阻止し

500/V2）により，粘度はTVB10形粘度計（東機産業）ていることがわかった。一方，膜孔径0.45 μmでは，を用いて25 ℃で測定した。

0.1 μmと比較し生揚成分の透過性が高く，およそ113
kDa以下の成分の半分以上が透過した。その結果とし3 結果と考察て，膜孔径0.45 μmの残液にはおよそ113 kDa以下の

3-1 膜孔径による透過成分および保持成分の変化

成分が，膜孔径0.1 μmの残液よりも少なかった。

膜孔径の違いが生揚成分の膜透過性にどのように影

図2に，アミノ酸分析結果をしめす。膜ろ過透過液

響するかを分子量分布の変化により調べた（図1）。

（図2A），残液（図2B）ともに，生揚（斜線棒）と比較し，膜孔径による大きな差は見られなかった（膜孔(A)

径0.1 μmの残液においてわずかに減少がみられた）。
生揚

この結果は，前述の低分子量成分のクロマトグラムに

透過液 (0.1 µm)

みられた結果を支持するものであった。

透過液 (0.45 µm)
残液 (0.1 µm)
残液 (0.45 µm)(A)
標準物質の分子量 (kDa)
366
736

48.8
113

16

6.2

14

21.7

生揚
透過液 (0.1 µm)
透過液 (0.45 µm)

20

22

24

26

28

30

32 34 36 38
溶出時間 (min)

40

42

44

46

濃度 (mg/mL)

12

48

10
8
6
4

(B)

2

残液 (0.1 µm)

0

(B)
14

残液 (0.45 µm)

12

生揚
残液 (0.1 µm)
残液 (0.45 µm)

濃度 (mg/mL)

10

生揚

8
6
4

20

22

24

26
28
溶出時間 (min)

30

32

34
2
0

図1

膜ろ過透過液・残液の分子量分布(A)クロマトグラム全体，(B)高分子領域拡大

図2- 22 -

膜ろ過透過液（A）・残液（B）のアミノ酸含量

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研究報告 No.29 (2019)
また，膜ろ過前後の粘度に膜孔径による違いは認め3-2 膜ろ過残液のエタノール処理性られなかった（表1）。

膜孔径0.45 μmによる膜ろ過では，図1にしめすよ
うに溶出時間26分付近をピークとする成分が蓄積した。

表1

膜ろ過透過・残液の粘度

生揚

粘度 (mPa・s)3.8

この分子量分布のパターンは33 %エタノール存在下で膜ろ過透過液0.1 µm 0.45 µm

膜ろ過残液
0.1 µm 0.45 µm

沈殿する膜ろ過残液（膜孔径0.1 μm）成分の分布パ

2.72

28.5

より，蓄積成分の残存が少ない低粘度・清澄醤油を回

3.16

ターン 2) とよく一致しており，33 %エタノール処理に29.7収できることが考えられた。そこで，膜ろ過残液（膜
孔径0.45 μm）を33 %エタノール処理後，回収した清以上の結果より，膜孔径0.45 μmでの膜ろ過は0.1

澄醤油の分子量分布を調べた。

μmに比べ，高分子量成分の透過性が高まること（醤その結 果，図 4Aのように ，回収醤 油の分 子量分 布

油成分ロスを削減できること）がわかった。

（破線）は，膜ろ過残液（実線）から高分子量成分が一方で，透過する高分子量成分中に垽の原因となる除去され，生揚（点線）のパターンに近づくことがわ

タンパクも存在する可能性が考えられたため，火入れ

かった。回収醤油の粘度も同様に，生揚と同等の値を試験およびSDS-PAGEによるタンパク分析を行った。火しめした（図4B）。

入れ試験の結果，いずれの膜孔径の膜ろ過透過液においても垽は生じなかった（データ未掲載）。図3にSDS-(A)PAGEの結果をしめす。醤油垽にみられる45.1, 32.2,
残液 (0.45 µm)

30 kDa付近の濃い複数のバンド等のバンドパターンを，

回収醤油

いずれの膜孔径の膜ろ過残液も有しており，垽の原因

生揚となるタンパクが膜で阻止されていると考えられる結果であった。火入れ試験の結果とあわせ，膜孔径0.45μmの膜ろ過においても，火入れ垽が生じる程の垽タ
ンパクの透過は無いと考えられた。

(kDa)
229.3
136.4

20

94.6

22

24

26

28

30

32

溶出時間 (min)

71.3

(B)
30

粘度 (mPa・s)

45.1

32.2

25

20
15
10

5

26.8

0
M

0.1 µm

膜ろ過残液0.45 µm 醤油垽

残液

図3

図4

膜ろ過残液と醤油垽の電気泳動結果

回収醤油

生揚

膜ろ過残液エタノール処理によって得られた回収醤油の分子量分布（A）および粘度（B）

M：分子量マーカー- 23 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
4 まとめ
生揚のクロスフロー膜ろ過処理において残液に蓄積する高分子量成分は，醤油成分ロス・膜ろ過残液処理
困難性につながる。そこで本研究では，膜孔径変更によるこれらの問題改善を目的とし，生揚成分の膜透過性を調べた。その結果，膜孔径を0.1 μmから0.45 μmにすることで高分子量成分の膜透過性が高まり，成分ロスを削減できることがわかった。また，膜ろ過で生じた残液は，蓄積成分をほとんど残存することなく
33 %エタノール処理で除去でき，清澄醤油回収可能であることがわかった。生揚の膜ろ過において，膜孔径0.45 μmの膜適用は，醤油成分保持および副産物（膜ろ過残液）処理において有効であると思われた。

5 参考文献1) 野田義治，植木達朗，大場和徳，脇山元気：醤油の研究と技術，37巻(6号)，pp. 365-369(2011)2) 川口友彰，野田義治，植木達朗，脇山元気，野見山 修 治 ： 醤 油 の 研 究 と 技 術 ， 45 巻 (2 号 ) ， pp.
103-109(2019)3) 川口友彰，植木達朗，野田義治：福岡県工業技術センター研究報告，28号，pp. 24-26（2018）- 24 -

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研究報告 No.29 (2019)

冷凍アサリの開殻技術
川口 友彰 *1

Shell-opening Technique for Frozen Short-neck ClamTomoaki Kawaguchi

アサリは冷凍すると開殻し難くなることが知られている。そのためアサリ加工品製造では，原料には生鮮貝を用い，製造時期は漁期に限られるという課題がある。そこで本研究では，冷凍アサリを開殻できる条件について検討した。その結果，冷凍アサリは沸騰水・水蒸気・マイクロ波で直接加熱すれば開殻することがわかった。また，沸騰水・水蒸気により短時間加熱することで，調理後開殻可能な状態に解凍できることがわかった。この結果に基づき，水蒸気による急速解凍後，レトルト処理することでレトルト殻付アサリの製造が可能であ ることを明らかとした。本開殻技術により，冷凍殻付アサリをアサリ加工品製造原料として使用することができるようになり，年間を通した製造が展開可能である。

1 はじめに技術を開発することとした。

殻付アサリの加工は生鮮貝を原料とするため，加工品製造期間がアサリの旬の時季に限られている。その2 研究，実験方法

ため，長期間保存可能な冷凍殻付アサリを利用した加2-1 試料工品製造技術が求められている。

アサリは2018年5月に熊本県産の生鮮貝を購入した。

しかし，冷凍アサリは加熱調理しても殻が開かなくアサリの重量は3.8 gであった。砂抜き後，生鮮貝はなることが多いことが知られており 1) ，開殻しない貝そのまま使用し，冷凍貝は冷凍庫（－30 ℃）で凍結は消費者に死貝と判断されるため商品価値が著しく低した。各試験条件で10～30個のアサリを使用した。

下する。冷凍アサリが加熱調理で開殻しなくなる原因

2-2 冷凍アサリの直接加熱による開殻試験はこれまでに明らかにされていないが，滝口 2) は，凍冷凍アサリを3分間沸騰水 2) または蒸し器に直接投結・解凍に伴う細胞破壊によって貝肉から溶出した結入し加熱した。また，冷凍アサリをマイクロ波（600

着性タンパク質が，貝肉と殻の結着を強めることによW）で1分または過熱水蒸気（180 ℃）で7分の加熱を，るという仮説を提案している。この仮説に基づき，沸ウォーターオーブンヘルシオ（SHARP(株)，AXCA400）騰水中で20秒以上加熱（結着性タンパク質の熱変性処により行った。レトルト処理は，冷凍アサリをレトル理）して凍結すれば，凍結・解凍条件に関わらず加熱

トパウチに入れシールした後，小型レトルト高圧蒸気

調理で開殻することを報告している 2) 。しかし，この滅菌器（アルプ(株)，RK-3030）で種々の温度・圧力

凍結前加熱技術による“九州産”冷凍殻付アサリは見で20分加熱した。対照として，生鮮アサリおよび室温

当たらず，近年求められる“産地による差別化”に対

解凍アサリを沸騰水に入れ3分加熱した。

応することができていない。また，アサリ加工業者が2-3 冷凍アサリ急速解凍試験

自社で凍 結前加 熱処理 によ り，原料 冷凍ア サリを 製

冷凍アサリを沸騰水・蒸し器に直接投入し，所定時造・保管することも考えられるが，アサリ加工品製造

間加熱した後，室温まで冷却した。冷凍アサリをレトと同時期（どちらも生鮮貝が調達できる時季に限られ

ルトパウチに入れ，真空包装機（ホシザキ電機(株)，るため）に行うことは困難であると思われる。

HPS-300A）にて真空度99 %で包装した後，沸騰水に投そこで本研究では，所望の産地を選択でき，アサリ

入して加熱後，流水で室温まで冷却した。冷却したア加工業者で冷凍保存・用時開殻処理が可能となるよう，

サリは，沸騰水に入れ，3分間加熱した（真空包装し一般的な冷凍庫で緩慢凍結したアサリを利用した開殻

たアサリは，包装から取り出して沸騰水に入れた）。

*1 生物食品研究所- 25 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
2-4 急速解凍アサリを用いたレトルトアサリ製造った。レトルト処理では，いずれの処理温度において2-3と同様に調製した沸騰水または水蒸気解凍アサ

も状態Aの貝が70 %程度であった。一般的な処理温度

リをレトルトパウチに入れ，シール後，121 ℃でレトである121 ℃では，閉じた貝（状態E）及び状態B・D

ルト処理した。貝肉に刺した温度センサーによりF値がみられた。温度が高くなると状態Eはみられず状態Bを自動計測し，F値=5で加熱終了とした。

が30 %程度であった。また，生鮮貝では全てが状態A，

真空包装でのレトルト処理は以下により行った。冷冷凍アサリ緩慢解凍後では全てが状態Eとなった。

凍アサリを直接水蒸気で解凍した後，真空度70 %で真あるいは70 %）した冷凍アサリを沸騰水で解凍処理後，

生鮮貝

0%

空包装し，レトルト処理した。真空包装（真空度99 %

25%

50%

75%

100%

沸騰水

A
B

沸騰水

そのまま レトル ト処理 に供 した。真 空包装 （真空 度

C
D

水蒸気

E

99 %）した冷凍アサリを沸騰水で解凍した後，開封し，マイクロ波（600W）

冷凍貝

真空度70 %で再封後レトルト処理した。
2-5 開殻状態

過熱水蒸気（180℃）

レトルト（121℃，0.15 MPa，20分）

加熱処理後に観察された図1に示す状態により開殻レトルト（125℃，0.16 MPa，20分）

状態を評価した。なお，開殻率は総数に対するA状態
レトルト（130℃，0.22 MPa，20分）の割合とした。
冷凍貝
室温
解凍

レトルト（135℃，0.26 MPa，20分）

沸騰水

図2

直接加熱によるアサリの開殻状態
開殻状態A～Eの説明は図1に記載

図1

冷凍アサリ加熱処理後の開殻状態(A)完全に開き軟体部分が片側の殻に付着，(B)完全に

過熱水蒸気処理において開殻率が100 %にならなか

開き軟体部分が両側の殻に付着，(C)45度未満の開きった理由としては，冷凍アサリ投入の際の庫内温度低で軟体部分が片側の殻に付着，(D)45度未満の開きで下や加熱ムラ等が考えられるが不明である。レトルト

軟体部分が両側の殻に付着，(E)閉じたまま処理では冷凍アサリ投入後，庫内温度が所定温度に達するまでに時間を要すること・レトルトパウチにより3 結果と考察

熱伝導が低下することから，結着成分の溶出と貝肉と3-1 冷凍アサリの直接加熱による開殻

殻との結 着を抑 制でき なか った可能 性が考 えられ る

冷凍アサリは緩慢解凍後沸騰水に浸漬するとほとん（詳細については今後検討が必要である）。以上の結ど開殻しないが，凍結状態で直接沸騰水に浸漬すれば果は，前述の仮定を支持するものであり，冷凍アサリ

2)開殻することが知られている 。緩慢凍結過程におけは急速加 熱によ り開殻 する ことがわ かった 。直接 煮る大きな氷結晶生成による細胞破壊，解凍時の結着性

熟・蒸煮・電子レンジで調理する加工食品には，冷凍成分溶出が，貝肉と殻の結合を強める（開殻しない）

アサリを利用可能と考えらえる。

2)

要因として提案 されている。この仮説が正しいとす

3-2 冷凍アサリの急速解凍

れば，冷凍アサリに，結着成分が熱変性（溶出前後い

現在レトルト殻付アサリが市場に流通しており，長ずれでも可）あるいは流出するような処理をすること

期常温保存可能かつ加熱済み・即使用可能であるため

で，冷凍アサリの開殻は可能と考えられる。そこで，利便性が高い上，開封後開殻するため生鮮貝を調理し冷凍アサリに種々の加熱処理を行い，開殻するかを調たかのように食すことができ需要がある。このようなべた（図2）。その結果，冷凍アサリは沸騰水，水蒸気，

商品では，見た目や破損防止のためレトルトパウチ内

マイクロ波により，全ての貝が開殻（状態A）するこ

では殻が閉じ，開封時に開殻する状態にする必要があとがわかった。過熱水蒸気では，状態Aがほとんどでる。しかしながら，図2のように冷凍アサリの直接レ

一部，貝肉が両側の殻に付着する状態（状態B）とな

トルト処理では全ての貝を開殻することができなかっ- 26 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
たため，レトルト処理単独での対応は難しいと思われ

囲が広く実用性が高いものと考えられる。そこで，実た。そこで，前述の仮定に基づき，解凍アサリが開殻際のレトルト殻付アサリ製造に適応可能かを，呈味成しない程度の加熱且つ結着性成分が熱変性もしくは流

分ロスが少ない，レトルトパウチ（真空包装）封入冷

出するような処理により一旦解凍すれば，その後のレ

凍アサリの煮沸加熱あるいは冷凍アサリ水蒸気加熱に

トルト処理（その他の加熱調理含む）で開殻するのでより解凍したアサリを用いて検討した。

はないかと考えた。このことを確認するために，まず3-3 急速解凍アサリを用いたレトルト殻付アサリ製造

は種々解凍処理を行い，解凍後のアサリの開殻性を沸

急速解凍アサリを用いてレトルト殻付アサリを製造

騰水3分加熱により調べた（図3）。

沸騰水
（直接）

0%

25%

50%

75%

する際，同一レトルトパウチ内で急速解凍およびレト100%

ルト処理を完結できることがエキス損失や工程上望ま5秒Aしい。そこで，図3の結果に基づき，冷凍アサリを真

10秒

B

空包装（真空度99 %）状態で沸騰水に60秒浸漬した後，C

続けてレトルト処理を行った（表1）。その結果，7割

20秒

水蒸気
（直接）

40秒

沸騰水
（真空包装: 99 %）急速解凍条件D

図3のアサリが開殻せず，残りが半開き状態と，明らかにE

真空包装が開殻を妨げることがわかった。そこで，真

30秒

空度99 %で真空包装した冷凍アサリを同一条件で解凍60秒

し，種々真空度の真空包装でレトルト処理したところ，

30秒

真空度70 %で全て開殻することがわかった（70 %のみ

60秒

データ掲載）。この結果に基づき，アサリの開殻を妨げない真空包装条件（真空度70 %）で沸騰水による急90秒

速解凍処理（180秒）とレトルト処理を行ったところ，

急速解凍アサリの沸騰水による開殻性

開殻率は10 %であった。これは，レトルトパウチ内に開殻状態A～Eの説明は図1に記載

残存する空気により貝への伝熱が妨げられたことによると考えられる。このように，高真空度の真空包装で

冷凍アサリを沸騰水に5～40秒浸漬後に冷却し再びの急速解凍から，低真空度の包装でのレトルト処理に

沸騰水に3分浸漬した（40秒より長時間の沸騰水浸漬すればレトルト殻付アサリの製造は可能であるが，作ではアサリの開殻がみられた）。その結果，10秒以下

業が煩雑であり実用性は低い。そこで，比較的解凍時の沸騰水浸漬では開殻しないアサリがみられたが，20のドリップが少なく真空包装不要の水蒸気解凍アサリ

秒以上浸漬したアサリの開殻率は100 %であった。しにより，レトルト殻付アサリの製造を検討した。そのかし，緩慢冷凍アサリを沸騰水に直接浸漬した結果，結果，図3の結果と同様に30秒の水蒸気加熱による解成分流出による呈味性の著しい低下をまねいたことか

凍ではレトルト処理で20 %が開殻せず，60秒以上の水ら，実用性の低い方法と判断した（データ未掲載）。

蒸気解凍処理で，100 %開殻することがわかった。

水蒸気で30～60秒加熱したアサリは，60秒加熱したものの開殻率が100 %であった（60秒より長時間の水蒸

表1

気加熱はアサリの開殻発生）。レトルトパウチに 真空

急速解凍アサリを用いたレトルトアサリ加工

度99 %で真空包装封入した冷凍アサリは，60秒以上の沸騰水浸漬により，開殻率が100 %となった（90秒より長時間の加熱は開殻発生）。以上の結果より，予想通り，冷凍アサリを短時間沸騰水・水蒸気で加熱・解凍することにより，解凍時点では開殻することなく，その後の調理で開殻可能な状態とすることができた。
この冷凍アサリ急速解凍は，凍結前加熱冷凍アサリ 2)と同様に，解凍後の調理で開殻することから，利用範

総数

開殻率
(%)

0 3 0 7100

5

10 0 0 0 0

10

100

真空 121℃
（70%)

5

1

0 0 2 710

10

レトルト処理条件

開殻状態

方式

時間

包装

温度

F値

A B C D E

真空 沸騰水（99%)

60秒

真空 121℃
（99%)

5

0

真空 沸騰水（99%)

60秒

真空 121℃（70%)

真空 沸騰水 180秒
（70%)

解凍処理条件
包装

無

水蒸気

30秒

真空 121℃（70%)

5

16 0 0 4 0

20

80

無

水蒸気

60秒

真空 121℃（70%)

5

20 0 0 0 0

20

100

開殻状態A～Eの説明は図1に記載- 27 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)

以上の結果より，緩慢冷凍アサリを水蒸気で急速解凍し，低真空度の真空包装でレトルト処理することにより，レトルト殻付アサリを製造できることがわかっ
た。

4 まとめ
長期間保存可能な冷凍殻付アサリを用いたアサリ加
工品製造の基礎的技術として，冷凍アサリ開殻技術の開発を試みた。その結果，沸騰水や水蒸気により，直接冷凍アサリを加熱すれば開殻すること，短時間加熱すれば調理後開殻可能な状態に解凍できることを明らかにした。これらをもとに，レトルト殻付アサリの製造が可能であることを明らかにした。本技術により，冷凍殻付アサリをアサリ加工品製造の原料として使用することができるようになり，年間を通した製造に有用であると思われる。

5 参考文献1) 米田千恵：日本家政学会誌，62巻(6号)，pp. 361368(2011)2) 滝口明秀：千葉県水産研究センター研究報告，1号，pp. 85-88(2002)- 28 -

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研究報告 No.29 (2019)

X線応力解析を活用した金属表面熱処理プロセスの開発支援
小川 俊文 *1

南 守 *1

島田 雅博 *1

小野本 達郎 *2Development Support for Metal Surface Heat Treatment Process Using X-Ray Stress
AnalysisToshifumi Ogawa, Mamoru Minami, Masahiro Shimada and Tatsurou Onomoto

金属材料・製品の品質・機能に影響を及ぼす残留応力の管理や把握，制御が一層重要となってきている。 調査の結果，金属熱処理業界においては，プロセス改善のための残留応力解析に関するニーズが高い。そこで本研究では，
X線応力解析の活用による金属表面熱処理プロセスの改善や高機能製品の創出を目標に取り組んだ。その結果，前工程にSR処理を導入することで，焼入れ後の歪量を低減することができ，加工プロセス改善に繋がることが明らかになった。また，浸炭処理の最適化条件を見出すのに，残留応力測定は有効であり，部材を高度化出来ることがわかった。更に，同一鋼材でも全硬化層深さが異なるとSR処理による残留応力変化が違うため，省エネを図るためには製品毎に適した条件でSR処理を実施することが必須であることが明らかになった。

折環データを用いて2D法 1)で行った。

1 はじめに近年，自動車等輸送用機器分野を始め金属材料が使

2-2 測定に用いた試験片と熱処理用されるあらゆる分野では，グローバル競争の激化か

本研究では，金属熱処理分野のニーズに基づき3つ

ら，コスト競争力に加え，厳しい品質管理や製品の高の課題に取り組んだ。①矯正加工プロセスの最適化，機能化の要求が高まっている。そのため，金属材料・②熱処理による残留応力制御，③応力除去焼なまし処

製品の品質・機能に影響を及ぼす残留応力の管理や把理(SR処理)条件の最適化である。

握，制御が一層重要となってきている。特に金属熱処

課題①の試験片は，機械構造用合金鋼SCM440を用い理業界からは，プロセス改善のための残留応力解析にた。引抜き材から切出し・旋盤加工により，長さ300関するニーズが極めて高い。そこで本研究では，平成mm，直径8, 10, 12, 14 mmの丸棒を作製した。この丸

27～28年度で構築した最新X線応力解析技術の活用に棒に対して高周波焼入れと焼戻しを行った。

よる金属表面熱処理プロセスの改善や高機能製品の創課題②の試験片は，機械構造用合金鋼SCM415を用い出を目的とした。

た。形状は，長さ30 mm×直径30 mmの円柱とした。この円柱について真空浸炭と焼戻しを行った。

2 研究・実験方法

課題③の試験片は，機械構造用炭素鋼S45Cと機械構

2-1 残留応力の測定方法

造用合金鋼SCM440を用いた。形状は，長さ150 mm×直残留応力の測定は，二次元検出器を搭載したX線回径30 mmの円柱棒とした。この円柱棒について高周波折装置（D8-DISCOVER，ブルカーAXS(株)製）で行った。

焼入れと焼戻しを行った。

X線発生源は，Co管球を使用した。管電圧35 kV, 管電
流40 mAとした。X線の照射は，直径1 mmとした。測定3 結果と考察

条件は，Fe(211)の回折ピークについて，Phi角方向73-1 矯正加工プロセスの最適化について

ポジション(0, 30, 60, 90, 120, 150, 180°)，Psi

本課題の目的は，寸法精度向上（生産性向上）であ

角方向2ポジション(15, 45°)の合計14個の回折環デる。精密工作機器の位置決め部品等に使用される軸もータを取り込んだ。残留応力の算出は，この14個の回のワークの熱処理プロセスは，高周波焼入れ→焼き戻
し→歪矯正となっている。現在 1 品毎に変形量測定，*1 機械電子研究所*2 福岡県商工部

歪矯正を 行って おり ， 多大 な時間と 労力を 要する た- 29 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
め，少し でも歪 矯正プ ロセ スを削減 させ る 必要が あ以上の結果より，高周波焼入れの前段階に SR 処理

る。また，高周波焼入れ中，軸ものワークに反りが発を導入することで，歪矯正後の圧縮残留応力は従来と生し回転軸から芯がずれると高周波加熱コイルの位置同程度を保持したまま，高周波焼入れ後の歪量を従来をその都度微調整する必要があるため，高周波焼入れの半分程に削減させることが可能であることを明らか中のワークの反りは発生しない方が望ましい。

にした。このことは，歪矯正プロセスの時短化と作業

そこ で， 高周 波焼 入れ 前に 応力 除去 焼き 鈍し 処理

者の負担軽減につながると考えられる。また，高周波（SR 処理）を取り入れることで，歪矯正プロセスを

焼入れ後の歪量が小さくなるということは，高周波焼削減させることが可能であるかを検討した。長さ 300

入れ中におけるワークの軸ずれが小さくなると推測さmm×直径 14 mm の丸棒について，3 種類（SR 処理無れ，作業者の負担軽減に繋がると考えられる。これら

し，100 ℃×3 h の SR 処理有り，150 ℃×3 h の SRの事が最終的には製品の仕上がり寸法精度の向上と生処理有り）の試験片を準備し，各プロセスにおける残産性向上に繋がると推測される。

留応力の測定結果を図 1 に示す。3 種類の試験片の残3-2 熱処理による残留応力制御について

留応力の挙動は同じで，高周波焼入れ前は，引張の残本課題の目的は，製品の機能・機械的特性の向上で留応力， 高周波 焼入れ 後は ，圧縮の 残留応 力であ っある。熱処理分野における浸炭処理は，製品の機能・た。SR 処理が有る無しに関わらず，歪矯正後の圧縮

機械的特性を向上させる有効な手段である。通常，浸残留応力に著しい差は見られなかった。

炭処理製品の品質管理は，硬さ測定，金属組織観察で行われている。そのため，硬さ測定が厳禁な単品物や硬さ測定が困難な形状製品に浸炭処理を行う場合，非破壊で浸炭処理製品の品質管理が可能な方法を必要とされている。そこで今回，浸炭処理と残留応力との相関について検討を行った。浸炭処理温度900 ℃で，処理時間を1, 2, 4時間の3条件の試験片を作製した。図3に，浸炭処理時間と試験片表面残留応力の相関を示す。処理時間の増加に伴い圧縮残留応力が増加してい図1

各プロセスでの残留応力た。処理時間が長くなると，浸炭層が厚くなることが分かっていることから，浸炭層の厚みは，残留応力測図 2 に各プロセスにおける歪量を測定した結果を示定で把握することが可能である。

す。SR 処理無しの歪量は，焼入れ前 0.06 → 焼入れ
後 0.57 に対し，100 ℃×3 h の SR 処理有りの歪量
は，焼入れ前 0.05 → 焼入れ後 0.29，150 ℃×3 h の
SR 処理有りの歪量は，焼入れ前 0.04 → 焼入れ後0.25 であった。SR 処理の導入により歪量が，約半分になっていた。

図3

浸炭処理時間と試験片表面残留応力の相関

浸炭層の性状は、被浸炭品の浸炭処理前の状態の影響を受ける。ほとんどの被浸炭品は，機械加工を受けていることから，その表面には機械加工由来の残留応
図2

各プロセスでの歪量力が存在している。そこで，機械加工由来の残留応力- 30 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)を除去するために，応力除去焼き鈍し処理（SR処理）

3-3 応力除去焼なまし処理（SR処理)条件の最適化につを行った後に浸炭処理を行って，浸炭層の性状に及ぼいてすSR処理の影響について検討を行った。SR処理は，2

本課題の目的は，経験則の数値化（生産性の向上）

通りの温度（600 ℃，670 ℃）で実施した。SR処理温である。熱処理業界では，明確な数値的根拠が無くて度と被浸炭品表面の残留応力との相関を図4に示す．

も経験則に基づいて熱処理が実施されている場合があ

SR処理を行うと被浸炭品表面の圧縮残留応力が，減少る。その様な経験則に基づく処理条件を数値化するこすることが明らかになった。また，SR処理温度が高いとで，プロセスを改善出来る可能性がある。そこで今

程，被浸炭品表面の圧縮残留応力が，減少した。この

回 ， 機 械 構 造 用 炭 素 鋼 S45C と 機 械 構 造 用 合 金 鋼

結果から，被浸炭品に要求される機能・機械的特性をSCM440 の試験片を用いて，高周波焼入れ後の SR 処理

満足させるために，SR処理条件の選定には注意する必条件と残留応力の相関について検討を行った。2 種類

要があることが分かった。

の鋼種に対し，全硬化層深さ 3 種類（2, 4, 6 mm）の試験片を作製した。図 6 に，全硬化層深さと試験片表面の残留応力との相関を示す。S45C は，全硬化層深さの増加に伴い圧縮残留応力は約 160 MPa ずつ単調に減少した。一方，SCM440 は，全硬化層深さが 2 mm→4
mm に変化すると圧縮残留応力は，25 MPa 増加し，全硬化層深さが 4 mm→6 mm に変化すると圧縮残留応力
は，85 MPa 減少した。この結果から，鋼種が違うと全硬化層深さの違いにより SR 処理条件を変える必要があるということがわかった。

図4

SR処理温度と被浸炭品表面残留応力の相関

浸炭層の性状に及ぼすSR処理温度の影響について硬さ変化で評価可能であるかどうか検討を行った。硬さ
測定は，ロックウェル硬さ試験機（Cスケール）で行った。SR処理温度と被浸炭品表面の硬さとの相関を図5に示す。SR処理の無し有りやSR処理温度の違いに関わらず，被浸炭品表面の硬さは，いずれも58 HRCであった。この結果から，浸炭層の性状の変化は，被浸炭
図6

品表面のロックウェル硬さ変化での評価が難しいこと

全硬化層深さと試験片表面残留応力との相関が明らかになった。
次に，S45C と SCM440 に対し，全硬化層深さが全硬化層深さ 3 種類（2, 4, 6 mm）の試験片を複数本作製
し，500 ℃迄の任意の温度で焼戻しを行った。焼戻しは，任意の温度で１時間保持後室温まで空冷した。焼戻しを行った試験片の中心位置において試験片表面の残留応力を測定した。図 7 に S45C における焼戻し温度と残留応力の相関を示す。焼戻し温度の増加に伴い試験片表面の圧縮残留応力は，短調に減少した。焼入れままの 状態に おいて ，試 験片表面 の圧縮 残留応 力
図5は，全硬化層深さの増加に伴い小さくなっていたが，焼戻し温度と試験片表面硬さの相関

その傾向は，焼戻し温度が増加しても同じであった。

- 31 -

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研究報告 No.29 (2019)
図 8 に SCM440 における焼戻し温度と残留応力の相

残留応力測定・解析が，矯正加工プロセスの改善に繋関を示す。焼き戻し温度が 300 ℃未満の範囲では，がり，最終的には製品の仕上がり寸法精度の向上と生全硬化層深さが 4 mm → 2 mm → 6 mm の順に圧縮残産性の向上に繋がることが分かった。また，浸炭焼入留応力が大きいが，焼き戻し温度が 300 ℃以上の範れによる被浸炭品の浸炭層の厚みと浸炭処理前のSR処

囲では，全硬化層深さが 6 mm → 4mm → 2 mm の順に

理温度の影響について残留応力で把握することが出来，

圧縮残留応力が大きかった。この様に S45C と異なる製品の高機能化に残留応力測定は有効であることがわ

傾向が見られる理由として，SCM440 は合金元素の影かった。更に，残留応力変化を把握することで，鋼種

響で S45C よりも試験片内部深くまで焼きが入るために応じた，製品の表面状態に応じたSR処理条件を見出

焼戻しによる組織変化が複雑になることが関係していすことが出来，省エネに繋がることが明らかになった。

ると考えられる。

以上の様に，金属表面熱処理プロセスの改善や高機能製品の創出を行う上で，残留応力測定・解析技術が有効であることを明らかにした。

謝辞
本課題を実施するにあたり，九州高周波熱錬(株)，(株)石井熱錬，第一高周波工業(株)のご協力を頂きました。誠にありがとうございました。

5 参考文献図7

S45C における焼戻し温度と残留応力の相関

1)鈴木賢治ら：2次元検出器によるX線応力測定，pp.
41-56，養賢堂(2015)

図8

SCM440 における焼戻し温度と残留応力の相関

以上の結果より，形状が同じであっても鋼種が異なれば高周波焼入れと焼戻しにより生じる圧縮残留応力は異なること，また同一鋼材でも全硬化層深さが異なれば圧縮残留応力が異なることから，省エネを図るた
めには，製品毎に適した条件で SR 処理を実施することが重要であることが確認できた。

4 まとめ
残留応力測定・解析技術を用いて金属熱処理業界のニーズに基づき3つの課題に取り組んだ。その結果，- 32 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)

ホットエンボス加工による中空マイクロニードルアレイ成形技術の開発
在川 功一 *1

谷川 義博 *2

安部 年史 *1

Development of hollow microneedle array molding technology by hot embossing
Kouichi Zaikawa, Yoshihiro Tanigawa and Toshifumi Abe

近年の薬剤学・材料工学・加工工学のさらなる進歩に伴い，新たな薬剤投与技術や治療・診断技術が開発され，臨床の場で使用されつつある。「マイクロニードルアレイ」はそれら多くの新しい技術の1つであり，「痛み」や手技の煩雑性などの課題を解決しうる方法として注目されている。マイクロニードルアレイに関しては ，国内外において研究開発が進んでいるものの，製造コストや成形精度について課題が残っており，安価で高精度な製造技術が必要とされている。そこで，本研究では，ホットエンボス加工によって製作された樹脂鋳型とマスター型を使用して中空のマイクロニードルアレイを低コストかつ高精度に成形可能な技術を開発する。

1 研究の目的と背景

ストで製造することは困難である。

近年の薬剤学・材料工学・加工技術のさらなる進歩

また，中実ニードルでは針表面に塗布またはコーテにともない，新たな投与技術や治療・診断技術が開発ィングされた薬剤のみが供給されるため，薬剤の供給され臨床の場で使用されつつある。「マイクロニード

量不足が課題となっている。

ル技術」はそれら多くの新しい技術の1つであり，従そこで本研究ではホットエンボス技術に着目した。

来注射針を使用する治療や診断の際の「痛み」や「手ホットエンボスとは樹脂を軟化点温度以上に加熱し，技の煩雑性」などの課題を解決しうる方法として注目

形状部を押し付けることによって，それを樹脂へと転されている。マイクロニードルの形状は先端直径が1写する技術であり，所望のMNAと同形状のマスター型～25 μm，底面直径と高さのアスペクト比が1以上のを放電加工にて製作し，樹脂鋳型(PEEK等)にその形状円錐形状であり，薬剤供給効率の関係から単独での使を熱転写することによって，MNAを成形する。さらに用が想定されることは少なく，その集合体である「マニードル成形後に再度ホットエンボスすることによっイクロニードルアレイ（以下，MNAという。）」としてて中空ニードルの成形を実施し，高精度かつ低コスト，

1)の使用が想定されている 。

そして薬剤の供給量も向上可能な中空タイプのMNAの従来のMNAの製造方法としては，主に次の3つが挙げ

量産化技術を開発することを目的とした。

られる。
①フォトリソグラフィ法 2) （金属製中実ニードル）

2 実験方法②引き上げ・引き下げ法 3) （樹脂製中実ニードル）

図 1 は本研究で開発する中空 MNA 成形工程を示した③射出成形法（樹脂製中実ニードル）

ものである。このように①マスター型の製作，②樹脂

金属製中実ニードルを製造する①はエッチングによ

鋳型の成形，③中空 MNA の成形という 3 工程を経て成る形状精度の低下やクリーンルーム等の設備コスト増形した。

大など，製造コストの高騰が課題となっているほか，

2-1 放電加工によるニードルマスター型製作折損による体内残存のリスクも挙げられる。一方，樹本研究では，放電加工でニードルのマスター型を製

脂製中実ニードルを製造する②では形状精度のバラツ作するが，電極材としてグラファイトに銅を含浸させ

キ，③では針先端を鋭利に成形することが困難な問題

た材料（以下，銅グラファイトという。）を使用する。

などが挙げられ，従来技術ではMNAを高精度・低コ

銅グラファイトはグラファイトの快削性に加え，銅特有の高い電気伝導率を有する新しい放電加工用電極材*1 機械電子研究所*2 公益財団法人 飯塚研究開発機構

である。ニードルマスター型は円錐形状の集合体であ- 33 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)①マスター型の製作②樹脂鋳型の成形③中空マイクロニードルアレイの成形
2 回目

1 回目

図1

本研究で開発した中空マイクロニードルアレイ製造工程の概要

るため，電極形状はその対称である微細な円錐穴を加3-1 放電加工によるニードルマスター型製作

工しなければならない。銅をはじめとする金属電極で

表1は本研究で実施した放電加工の条件である 。15×は，バリが原因となるマスター形状の精度低下が懸念

15 mmの面積に対し，1 mmピッチ，X,Y方向に10針ずつされるため，この銅グラファイト電極を用いることと計100針のニードルアレイを加工するため，同寸法でした。円錐穴の加工にはテーパエンドミルを使用し，円錐穴を加工した電極を作製して加工に用いた。ピー

その他の条件として，加工油には放電加工専用油“メク電流，パルス幅等の電気条件に関しては，繰り返し

タルワーク EDF-K2”（JXTG エネルギー社製）を，被削加工実験にて得られた最適条件としている。円錐穴を材には金型材として用いられる“ELMAX”（ボーラー・

加工した電極からニードル形状を加工するためには，

ウッデホルム社；SUS440C 系）を用いて実験を行った。

円揺動しながら下降する「らせん揺動」の動作が必要

2-2 ホットエンボス加工による樹脂鋳型の成形である。そのため，揺動半径によってニードルの形状

図 2 に本研究で製作したホットエンボス装置の外観が変化す ること が考え られ る 。その ため揺 動半径 をを示す。押込み量や荷重の制御を容易にするため，ス

0.05 mmから0.20 mmまで段階的に変化させて，形状のテッピングモータとエアシリンダを組み合わせて製作比較を行った。図3はそれぞれの揺動半径で加工したした。また，マスター型と樹脂鋳型は独立して温度制際の形状の一部を抜き出して測定したものである。測御が可能な仕様とするため，温度コントローラとヒー

定には非接触3次元測定器であるNH-3SP（三鷹光器社

タを 2 セット用意し，真空中で成形可能な装置とした。

製）を用いた。結果を比較すると，揺動半径0.05 mm

樹脂鋳型の材料としては，耐熱性，耐薬品性に優れる

および0.10 mmの条件においては，先端に平坦部が残PEEK および離型性の検証と比較を行う目的で滑り性存する結果となり，先端に鋭利な形状が必要なMNAのに優れるフッ素樹脂(PFA)を使用して成形を行った。

マスター型としては，不十分な結果となった 。0.125

2-3 中空 MNA の成形mm，0.15 mmでは先端が鋭利な形状となり，根元直径作製した樹脂鋳型に対し，ペレット状の生分解性樹がそ れ ぞれ232 μm，204 μm，高 さ が651 μm，535

脂であるポリ乳酸(PLA)を供給し，真空中または大気μmのニードルが確認された。0.20 mmではニードル部

中で溶融させることによって，中実の MNA を成形した。

の高さが247 μmとなっており，高さが不足する結果

さらに成形後，マスター型を使用して再度ホットエンとなった。

ボス加工を行うことによって，中空部を成形し，樹脂

図4は横軸に揺動半径，縦軸にニードル根元直径お鋳型から離型させることにより，中空 MNA を得た。

よび高さを示したグラフである。揺動半径の増加につれ，直径は減少する傾向にあることが確認でき，高さ3 実験結果は0.125 mmまでは減少量は小さいものの，それを超えると減少量が大きくなることを確認した。これらの結表1

図2

ホットエンボス装置- 34 -

放電条件

Workpiece

ELMAX(SUS440C;15×15×45 mm)

Electrode

CuGr(TTK8C)

IP[A]1.0,1.5,2.0,2.5,8.0,11.0

On Time[μs]2.0,8.8,22.4

Off Time[μs]8.0,24.0,30.4

Condenser[pF]

0,1000,4300,9000,19000,52000

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)

a)

b)

c)

100μm

図3

100μm

100μm

揺動半径別のマスター型のニードル形状 a)0.05 mm, b)0.125 mm, c)0.20 mm

果から，揺動半径の条件は0.125 mmとし，この条件にて得られた形状(図5)をマスター型として使用した。
3-2 ホットエンボス加工による樹脂鋳型の成形
表2は樹脂鋳型成形時のホットエンボスの条件である。エンボス時の温度条件はPEEKおよびPFAの荷重た
わみ温度およびガラス転移点温度を考慮して，それらを約50 ℃上回る温度から段階的に定めた。離型時の温度に関しては，その温度を下回る温度で段階的に設

図4

揺動半径と直径，高さの関係定した。エンボス荷重はシリンダ空圧0.6 MPa=483 N
で 一 定 と し た 。 PEEK の 場 合 は 250 ℃ ， PFA の 場 合 は
230 ℃以上でマスター形状と近似した形状が得られた
が，これらの温度よりも低い温度では転写深さが小さくなる結果となった。
これらの結果より，マスター形状に最も近い結果が得られたPEEK；270 ℃，PFA；250 ℃を最良の樹脂鋳型成形条件とし，それぞれの鋳型を用いた中空MNA成
形実験を実施した。
3-3 中空MNAの成形表2にPLA(Nature3D社製)を用い てMNAを成形し た 際の条件を示す。なお，PLAはペレット状のものであり，成形の前処理として80 ℃にて2時間以上乾燥させて使用した。溶融温度は200 ℃とし，離型温度を変化させ

図5

マイクロニードルマスター型

表2

樹脂鋳型ホットエンボス条件
Plastic

PEEK,PFA

size[mm]

φ30×5

m.p.[℃]

340

ることにより，ニードル形状を比較・評価した。成形

Tg[℃]

180

方法は図6に示すように(a)ペレットを溶融し，(b)そMolding

PEEKの 状 態 で PLAを 治 具 ( 平 板 ア タ ッ チ メ ン ト ) で 押 込 み

Temperature[℃]
Release230,250,270
140

70 ℃まで 冷却 ・押 込み 開 放， (c)治具を 取り 外し ，

Temperature[℃]

180 ℃まで加熱後再度マスター型にてホットエンボス

m.p.[℃]

310

加工，という流れである。これらのプロセスを経て，

Tg[℃]

150

中空MNAの成形を試みた。

PFA

まずは，中空部を成形する前に中実のMNAを成形す

Molding
temperature[℃]
Releaseることによって離型温度の最適化を図った。図7はPFA

temperature[℃]

210,230,250140の樹脂鋳型において，離型温度を変化させて樹脂鋳型

Embossed load[N]483

からMNAを離型した際の顕微鏡写真である。PEEK樹脂(Cylinder air pressure[MPa])(0.6)

Z-axis feed amount[mm]1.5- 35 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
鋳型においても同様の実験を実施したが，離型性が悪くいずれの条件においても成形不良となった。したが

表3

MNA 成形条件って，以降の実験はPFAの樹脂鋳型を用いて実施した。
PLAの軟化点温度は70～80 ℃であるが，その近傍の条件で離型したものは良好な離型性を示した。一方，
90 ℃以上の条件で離型したものに関しては，鋳型側Mold Material

PEEK,PFA

Molding Resin

PLA(Nature 3D)

Molding Temperature[℃]200

Release temperature[℃]

70,80,90,100にPLAが残存，もしくは針先端が引っ張られるような

Embossed load[N]402

形となるなど，成形不良が発生する結果となった。

(Cylinder air pressure[MPa])(0.5)

Relief amount[mm]0.3,0.4,0.5

この 結果 を踏 まえ ，中 空部 分の 成形 を実 施し た 。
180 ℃まで加熱し，再度マスター型をホットエンボス
することによって中空部分を成形した。図8は中空部を成形する際に離型温度を変化させ，形状を比較した

(a)

(b)

(c)

顕微鏡写 真を示 す 。中 実ニ ードルの 離型時 と同様 ，70 ℃ならびに80 ℃においては良好な形状であるが，90 ℃以上ではマスターに付着して樹脂が連れ上がり，中空部が成形されないという現象が確認された。
次に，中空部の体積を最大限に確保するため，鋳型

図6

中空 MNA の成形工程の成形時のZ深さから上方に“逃げ量”を設定し，中空成形時のホットエンボス深さを0.1 mm毎にずらしながら実験 を行っ たとこ ろ ， 図9のよう に，逃 げ量0.5mmにおいて，良好なニードルが成形可能なことを確認した。
(a)70 ℃(b)90 ℃
図 7 離型温度別の中実 MNA

4 まとめ①円錐穴を有する電極を用いて“らせん揺動”を行いながら放電加工を行うことにより，円錐形状であるマ
イクロニードルマスターを加工する技術を開発した。
②PEEK，PFAを用いてマスター型をホットエンボス加工することにより，マイクロニードル成形用の樹脂鋳型を得た。

(a)70 ℃(b)90 ℃
図 8 離型温度別の中空部形状比較③PEEK樹脂鋳型を用いたMNAの成形では離型性が悪く成形不可能であったが，PFA樹脂鋳型を用いたMNAの成形では，中空部を有する成形を確認した。

5 参考文献1)情報機構：マイクロニードル技術動向および応用展
開 (2011)2)S.Henry, D.McAllister, et. al.:J.Pharm. Sci.
,87, pp.922-925(1998)
3)高間 信行，羅 凱峰，丸岡 豊，金 範埈：2018 年
度精密工学会春季大会，pp.519-520(2018)4) 小 粥

教 幸 ： Fragrance journal 43(1), pp.49-

55( 2015)
図9- 36 -

中空 MNA 形状

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研究報告 No.29 (2019)

オープンソースCAEによる多目的最適化システムの開発
倉本 紘彰 *1

Development of Multi-Objective Optimization System by Open Source CAE
Hiroaki Kuramoto

製品の構造設計は，形状や材料の制約を受けながら，コストと性能が要件を満たすように設計パラメータを決定することが求められる。本研究では，トレードオフ関係にある質量と剛性を目的関数として，設計変数の最適化を図る，オープンソースCAEをベースとした多目的最適化システムを開発した。本システムの有効性を検証するため，
テストケースとして棚受け用ブラケットの寸法最適化を実行した。その結果，質量と剛性を同時に改善できるパレート解集合が得られ，ブラケットの質量を変えずに剛性を改善できる設計が導出可能であることを確認した。

1 はじめに適化の普及を目指し，質量と剛性を同時に改善できる

工業製品に対する軽量化は常に求められている一方

オープンソース CAE による多目的最適化システムを開で，構造部品の軽量化は剛性や減衰性能の低下を招く

発し，有効性の評価を行った。

ため，事前の慎重な検討が必要である。このような互いにトレードオフ関係にある 2 つ以上の目的を，設計

2 研究，実験方法上の制約条件を満たしながら同時に改善させる手段と2-1 多目的最適化システム

して，多目的最適化が有効である。多目的最適化では今回開発した多目的最適化システムの概要を図1に，トレードオフ関係を表すパレート解の集合が得られ，ソフトの構成を表1に示す。最適化エンジンとして複数の設計パラメータをどのような値で組み合わせれ

openMDAOを用いた。openMDAOはNASAのGlenn Research

ば，目的を満たす解が得られるかが分かる。

Centerで開発されている，Pythonで記述されたオープ

多目的最適化では遺伝的アルゴリズムによる進化計

ンソースの最適化プラットフォームである 1) 。計算の算 を 行 う た め ， 有 限 要 素 法 (FEM ： Finite Element

流れとしては，openMDAOで決定したパラメータセット

Method）による構造解析を用いた場合，10 4 オーダのを3DCADソフトであるFreeCAD 2)に出力し，3Dモデルの膨大な計算量が必要となり，時間やコストの面で課題変更を行う。その後，プリポストと構造解析ソルバーがある。そこで，設計変数空間をパラメトリックにサが一体となったSalome-Meca 3) にモデルを引き継ぎ，

ンプリングした数十から数百程度の FEM 解析結果をも

静解析を行う。静解析の結果はCSVで出力され，質量とに，応答曲面法により近似モデルを作成し，最適化と剛性が計算される。この計算結果をopenMDAOに返し，計算を行うことで計算コストを抑える手法が一般的に近似モデルの作成と最適化計算を行っていく。これら用いられる。応答曲面法には多項式近似モデル，RBF
モデル，Kriging モデルなどがあるが，これらを用いて得られる解は推定値になるため，最終的に FEM 解析
結果との比較検証が必要となる。
現在，多目的最適化を設計現場で活用するためには，
専用ソフトを自作する場合を除き，高価な商用ソフトを導入するか，サポートの無いオープンソースのソフトを組み合わせて用いるしかなく，県内中小企業での活用は進んでいない。
以上を踏まえ，本研究では，設計現場での多目的最

図1 多目的最適化システム*1 機械電子研究所- 37 -

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研究報告 No.29 (2019)
表1 計算用PCとソフト構成
計算用PC

OS

Ubuntu 18.04LTS

最適化

openMDAO 1.7.4

3DCAD

FreeCAD 0.17

FEM

Salome-Meca 2017

ソフト

今 回 ， サ ン プ リ ン グ 数 は 100 と し ， 近 似 モ デ ル はKrigingモデルを用いた。

の環境をLinux上に構築し，手順は全てPythonスクリ
プトで自動化させている。
2-2 ブラケット形状の定義
今回，テストケースとして一般的な棚受け用ブラケ
ット(図2)について，壁に固定された状態で，棚受け
図2 ブラケットの設計変数定義

部分に分布荷重を受ける場合を考える。壁に固定される部分と分布荷重を受ける部分は寸法固定とし，方杖表2 設計変数の定義範囲 (mm)部分の寸法5個(A, B, C, D, E)を設計変数，質量と剛

設計変数

オリジナル

定義範囲

A

23

[20, 40]

質量は3Dモデルの体積から比重を掛けて求めること

B

30[10, 50]ができる。剛性については応力での評価は特異点の影C

208[120, 220]

響を受けるため，節点ごとに荷重の大きさと変位量のD

10[10, 50]積を求め，その総和で表される平均コンプライアンス

E

3[2, 4]

性を目的関数とした。設計変数のオリジナル値と定義
範囲を表2に示す。

を用いている。平均コンプライアンスが小さいほど，剛性が高いことを表している。以上を定式化すると，Minimize

𝑓1 (𝐴, 𝐵, 𝐶, 𝐷, 𝐸) = 𝑀

Minimize

𝑓2 (𝐴, 𝐵, 𝐶, 𝐷, 𝐸) = ∑𝑢𝑖 ・ 𝑞𝑖 = 𝜃

3 結果と考察
3-1 オリジナル構造の解析
オリジナル構造のFEM解析を行い，質量と平均コン

Subject to 𝜎𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝜎𝑎

プライアンスを求めた結果を表3に示す。この値を比と表すことができる。ここで，𝑀 は質量(kg)，𝑢𝑖 ，較対象の基準として，後ほど求めるパレート解集合の𝑞𝑖 は𝑖番目の節点のy軸方向変位量(mm)と節点荷重(N)，中から最適解を選択する。

𝜃は平均コンプライアンス(J)， 𝜎𝑚𝑎𝑥 ，𝜎𝑎 は最大応力(MPa)，降伏応力（MPa）である。

表3 質量と平均コンプライアンス

2-3 最適化手順
以下の手順に従って最適化計算を行う。
Step 1.

𝜃

0.442 J

3-2 多目的最適化結果

設計変数空間上で最適ラテン超方格法に基3-2-1 FEM解析結果

づいたサンプリングを行い，設計変数を決100回のFEM解析から，質量と平均コンプライアンス

定する。
Step 3.

サンプリング点ごとにFEM解析を行う。

Step 4.

質量と平均コンプライアンスの結果からその結果をプロットしたものを図3に示す。図より，質量は0.1 kgから0.184 kgの範囲に，平均コンプライア
ンスは0.181 Jから1.784 Jの範囲に解が分布して存在

れぞれ近似モデルを作る。
Step 5.

0.135 kg

オリジナル構造のFEM解析を行い，質量と平均コンプライアンスの目標値を決定する。

Step 2.

𝑀することが分かった。また，図に示した矢印はグラフ近似モデルからNSGA-Ⅱ 4) によってパレート

左下方向に近づくほど，より軽く，より高剛性の理想解集合を求め，解を選択する。

的な形状であることを表しており，オリジナル構造よ- 38 -

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研究報告 No.29 (2019)
りも性能が改善された設計案の導出が可能であること

3-3 性能比較が読み取れる。

選択した最適解の質量と平均コンプライアンス，お3-2-2 パレート解集合

よびそのときの設計変数を表4に示す。表3に示したオ

次に，Krigingモデルから求めたパレート解集合をリジナル構造と比較すると，平均コンプライアンスが図4に示す。NSGA-Ⅱで用いたパラメータは，初期個体

0.442 Jから0.197 Jに改善されていることが分かる。

数を100，世代交代数を150とした。図より，パレート

この目的関数は推定値のため，表の設計変数を用いて解集合は質量が0.116 kgから0.152 kg，平均コンプラ

改めてFEM解析を行い，誤差を比較した結果を表5に示

イアンスが0.156 Jから0.273 Jの範囲に存在しているす。表より，最適解においては質量，平均コンプライ

ことが分かった。パレート解集合はオリジナル構造のアンスともに実用上十分な精度で推定できていること

質量を包含した範囲で存在しているため，今回検証用が分かった。

として，図中に破線の矢印で示したように，オリジナ

今回対象としていないパレート解についても，

ル構造と質量が同程度で，より高剛性な解を最適解とKrigingモデルによる推定値とFEM解析結果を比較した

して選択した。

結果を図5，図6に示す。プロットが図中の直線上にあれば推定値と解析結果が一致していることを表しており，図より設計範囲全体で良く一致していることが分かった。一方で表5に示したように，質量に比べて平均コンプライアンスの誤差の方が大きいことから，変位量から計算される平均コンプライアンスは幾何学的非線形性に強く影響を受けていると考えられる。したがって，少ないサンプリング数では近似精度悪化の原因となるため，設計する製品ごとに，適切な近似モデ
ル，およびサンプリング数を確認しながら最適化をすることが必要になる。
図7にオリジナル構造と最適構造のy軸方向変位量のFEM解析結果を示す。最適構造ではオリジナル構造と比べて最大変位が3.35 mmから1.56 mmに小さくなり，剛性が改善できていることが確認できた。

図3 FEM解析結果（N=100）
表4 選択した最適解の目的関数と設計変数
目的関数

設計変数

𝑀

0.135 g𝜃

0.197 JA

22.2 mmB

10.0 mm

C

175.2 mmD

10.0 mmE

3.2 mm表5 推定値とFEM結果の比較

図4 パレート解集合- 39 -

推定値

FEM結果

誤差

𝑀

0.135 kg

0.134 kg

0.04 %

𝜃

0.197 J

0.195 J

1.33 %

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研究報告 No.29 (2019)
4 まとめ
本研究では，オープンソースCAEをベースにした多目的最適化システムを開発し，その有効性を検証した。
近似モデル化手法と組み合わせることで，設計範囲全域において，少ない計算量かつ実用上十分な精度で最適化が可能であることを確認できた。

5 参考文献1)openMDAO: http://openmdao.org/(2019年4月)
2)FreeCAD: https://www.freecadweb.org/?lang=ja(2019年4月)
3)Salome-Meca: https://code図5 質量の推定値とFEM結果の比較

aster.org/spip.php?article303(2019年4月)4)K. Deb： Multi-Objective Optimization Using

Evolutionary Algorithms , Wiley(2002)

図6 平均コンプライアンスの推定値とFEM結果の比較

図7 オリジナル構造と最適構造のy軸方向変位量比較- 40 -

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研究報告 No.29 (2019)

IoT導入支援キットの開発－WBGT測定及び毒劇物管理への適用－
林

宏充 *1

川畑

将人 *1

奥村

克博 *1

賢二 *1

吉村

Development of IoT Starter Kit for Supporting Installation- Application of WBGT Measurement and Poisonous/Deleterious Substances Management Hiromitsu Hayashi, Masato Kawabata, Katsuhiro Okumura and Kenji Yoshimura

製造業の生産性向上のためにはIoTやAIの活用促進が急務であるが，技術・ノウハウの不足や費用対効果が不明などの理由により，中小企業の生産現場におけるIoT導入は進んでいない。本研究では，県内中小企業が「気軽にIoTをはじめる」ことができるように，様々なセンサによって生産現場の状況を遠隔監視することができる「IoT導入支援キット」の開発を行った。IoT導入支援キットを活用して「WBGT（暑さ指数）測定システム」及び「毒劇物管理システム」を構築し，実証試験を実施した結果，本キットが生産現場に応じたシステムの構築及び効果の検証に有効であることを確認することができた。

1 はじめに

2 IoT導入支援キット

国内製造業の労働生産性は，OECD加盟の主要31ヶ国

県内の中小企業が「気軽にIoTをはじめる」ための中15位（2016年）となっており，2000年以降年々低下

支援ツールとして「IoT導入支援キット」を開発して1）している 。九州地域は全国と比べて生産性が低く，おり，本体（Raspberry Pi 3 Model B+）と各種センIoTやAIを活用した生産性向上への取り組みが急務でサで構成される。現在対応可能なセンサ機能及び通信あるが，中小企業の生産現場におけるIoT導入は進ん

機能を表1に，温度測定用（熱電対）の外観を図1に示でいない。

す。各種センサデータは本体に逐次保存され，無線ま

その理由として，技術・ノウハウを持った人材の不たは有線通信により，PCやタブレットなどを用いて遠足，活用イメージが不明，費用対効果が不明，などが隔で監視，制御することが可能である。

挙げられている。つまり，中小企業のIoT導入促進のためには，中小企業自らが「容易」に「現場に設置」

表1

対応可能なセンサ機能・通信機能

して「効果を検証」できる必要がある。

(a)

センサ機能

本研究グループでは，県内中小企業が「気軽にIoT

センサ

仕をはじめる」ことができるように，センサの設置から

温度（熱電対）-15～200 ℃

データの遠隔取得，データの簡易分析までをハンズオ

温度（放射温度計）～1000 ℃

ンで支援する仕組みづくりに取り組んでいる。その一

温湿度20～60 ℃，20～95 %環として，企業ニーズの高い様々なセンサを備え，セ振動（加速度）～400 Hz（～2 G）

ンサデータを無線（または有線）で伝送し，生産現場

画像（カメラ）

動画・静止画の状況を遠隔監視することができる「IoT導入支援キ

QRコード（カメラ）～10 kbyte

ット」を開発しており，県内企業などの協力のもと現PLC出力RS485，RS232C

場での実証試験を進めている。

(b)

本報告では，IoT導入支援キットを活用して「WBGT通（暑さ指数）測定システム」及び「毒劇物管理システ
ム」を構築し，実証試験を実施したので，その内容について報告する。

*1 機械電子研究所- 41 -

様

通信機能

信

仕

様

IEEE802.11b/g/n/ac

無線（2.4 GHz帯/5 GHz帯）

TWE-Lite

無線（2.4 GHz帯）

IEEE802.3i/u/ab

有線（最大300 Mbps）

RS485

有線

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
式(4)によるWBGTを表3に示す。表2とほぼ同様の傾温度センサ

タブレット表示向となり，太枠で囲んだ部分が表2と異なっているが，いずれも±0.5 ℃程度の誤差であり，実用上十分な精

Raspberry Pi

度といえる。

表2

図1

40
39
38
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21

IoT導入支援キット（温度測定用）

3 WBGT（暑さ指数）測定システム
3-1 WBGTと労務環境管理
WBGT（暑さ指数）は，熱中症予防のために提唱された指標で，単位は℃で示されるが，その値は気温とは異なる。人体と外気の熱収支に着目しており，人体の熱収支に与える影響の大きい「気温」「湿度」「日射・

20
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16

WBGTと気温，湿度との関係
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17

相 対 湿 度 (％)
50 55 60 65 70
35 35 36 37 38
34 35 35 36 37
33 34 35 35 36
32 33 34 35 35
31 32 33 34 34
30 31 32 33 33
29 30 31 32 33
28 29 30 31 32
28 28 29 30 31
27 27 28 29 30
26 27 27 28 29
25 26 26 27 28
24 25 25 26 27
23 24 25 25 26
22 23 24 24 25
22 22 23 23 24
21 21 22 22 23
20 20 21 22 22
19 19 20 21 21
18 19 19 20 20

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95 100
43 44
42 43
41 42
40 41
39 39
38 38
37 37
35 36
34 35
33 34
32 33
31 32
30 31
29 30
28 29
27 28
26 27
25 26
24 25
23 24

輻射」から算出できる 2）。
WBGTは夏季の労務環境の改善に有効であり，様々な生産現場で採用されているが，作業エリア毎に設置し
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21

たWBGT計を決められた時間に目視で確認・記録しているケースが多く，リアルタイムでの労務環境管理が課題となっている。
3-2 WBGT測定システムの構築
リア ルタ イム での 労務 環境 管理 を実 現す るた め ，
IoT導入支援キットを活用してWBGT測定システムを構築した。本システムはキット本体，温湿度センサ(SHT15:SENSIRION)，及び，遠隔監視用のPCで構成さ

表3

WBGTと気温，湿度との関係（計算値）

20
29
28
28
27
26
25
24
24
23
22
21
21
20
19
18
18
17
16
15
15

30
31
30
29
28
28
27
26
25
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24
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21
21
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17
17
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25
24
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21
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18
18
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16
15

35
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29
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26
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24
24
23
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20
20
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17
16

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29
29
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25
24
24
23
22
21
20
19
19
18
17

45
34
33
32
31
30
29
29
28
27
26
25
24
23
23
22
21
20
19
18
17

相 対 湿 度 (％)
50 55 60 65 70
35 35 36 37 38
34 35 35 36 37
33 34 35 35 36
32 33 34 34 35
31 32 33 34 34
30 31 32 33 33
29 30 31 32 33
28 29 30 31 32
28 28 29 30 31
27 27 28 29 30
26 27 27 28 29
25 26 26 27 28
24 25 25 26 27
23 24 25 25 26
22 23 24 24 25
21 22 23 23 24
21 21 22 22 23
20 20 21 22 22
19 19 20 21 21
18 19 19 20 20

75
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
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29
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27
26
25
24
23
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37
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21

85
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37
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35
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28
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26
25
24
23
22

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42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23

95 100
43 44
42 43
41 42
40 41
39 39
38 38
37 37
36 36
34 35
33 34
32 33
31 32
30 31
29 30
28 29
27 28
26 27
25 26
24 25
23 24

れる。
3-3 実証試験

屋内での使用を想定し，気温と湿度から算出可能な

機械電子研究所の実験棟内に温湿度センサを設置し，表2を基にWBGT計算式を導出する 3）。表2を離散データ
として，湿度H(%RH)におけるWBGT(℃)と気温T(℃)の

WBGT測定システムの実証試験を実施した。センサ設置

関係を最小二乗法で直線近似すると，次式となる。

状況を図2に，気温，湿度，WBGTの遠隔監視画面を図3

WBGT= fa(H)×T+fb(H)に示す。各データの画面表示を毎分更新して，同時に(1)

ただし，fa(H)は傾き，fb(H)は切片の値である。湿度

測定データファイルへ追記・保存するようにしており，H(%RH)における傾きfa(H)と切片fb(H)の関係について

リアルタイムでWBGTを遠隔監視できることを確認した。

最小二乗法で直線近似すると，次式となる。

本システムにより，夏季の労務環境の改善や管理業務の効率化が期待できる。

fa(H)=a1×H+b1(2)

fb(H)=a2×H+b2(3)

気温 ， 湿度 ，WBGTの長 期測 定デ ー タ（ 測 定 期間 ：ただし， a1，a2は傾き，b1，b2は切片の値である。

R1.5.22～6.18）を図4に示す。日々の温度サイクル，

式(1)に式(2)，式(3)と値を代入すると次式となる。

湿度サイクルや天気に連動した変動を確認することができる。年間を通して監視，分析することによって，WBGT=(a1×H+b1)×T+a2×H+b2=(0.0037×H+0.6835)×T+0.0353×H-1.984

空調設備の配置や稼働計画の最適化，光熱費の予測な(4)

ど様々な応用展開が考えられる。

- 42 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
4 毒劇物管理システム
温湿度センサー4-1 毒劇物管理
毒劇物の管理については「毒物及び劇物取締法」によって取締りが行われているが，毒物犯罪の増加に伴

設置場所

Raspberry Pi

い，毒劇物の具体的な管理方法の指針が管理マニュア
ルとして厚生省から示され,「鍵付きの薬品庫」「在庫管理」「複数人で管理」「重量・容量の管理」「管理簿の作成」などが求められている 4) 。毒劇物を頻繁に使用する現場では，特に「在庫管理」「重量・容量管理」「管理簿作成」が大きな負担となっている。

図2

WBGT測定システム設置状況

4-2 毒劇物管理システムの構築
IoT導入支援キットを活用して毒劇物管理システムを構築した。システムの外観を図5に示す。本システ
ムはキット本体，カメラ(CameraV2:element14)，電子
秤(EW-1500i:A&D)，ブザー(UDB-05LFPN:DB Products)，
モニタ，及び，遠隔監視用のPCで構成される。「使用者」「管理者」「毒劇物」のQRコードをカメラで読み込
み，電子秤で重量計測することにより，毒劇物の「受払簿（在庫管理）」「使用簿（重量・容量管理）」「管理簿」を自動作成することができる。操作フローを図6

図3

遠隔監視画面に示す。毒劇物管理簿作成フローを黒い矢印，受払簿作成フローを白い矢印で示している。
毒劇物管理簿作成の操作手順は以下の通りである。
① カメラで使用者のQRコードを読み込む。
② カメラで毒劇物のQRコードを読み込む。
③ 電子秤で毒劇物の重量を計測する。
④ カメラで確認者／管理者のQRコードを読み込む。

(a) 気温

これらの操作によって，「いつ」「だれが」「なにを」「使用量」「許可の有無」などの情報がデータベース（MySQL）に保存される。これらの情報は管理者が遠隔で取得することが可能であり，CSV形式やEXCEL形式
で出力することができる。

(b) 湿度(c) WBGT
図4

長期測定データ（測定期間：R1.5.22～6.18）

図5- 43 -

毒劇物管理システム

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)

図6

毒劇物管理システム操作フロー

受払簿作成の操作手順は以下の通りである。

6 参考文献① カメラで購入者／払出者のQRコードを読み込む。

1)日本生産性本部：労働生産性の国際比較 (2018)② カメラで毒劇物のQRコードを読み込む。

https://www.jpc-net.jp/intl_comparison/③ カメラで管理者のQRコードを読み込む。

intl_comparison_2018_press.pdf

これらの操作によって，毒劇物の増減をデータベース

2）環境省：熱中症予防情報サイト (2019)に記録する。毒劇物管理簿と同様に管理者が遠隔で取http://www.wbgt.env.go.jp/wbgt.php

得することが可能であり，CSV形式やEXCEL形式で出力

3）日本生気象学会：日常生活における熱中症予防指することができる。

針 Ver.3 確定版 (2013)

4-3 実証試験

http://seikishou.jp/pdf/news/shishin.pdf4）厚生省：毒劇物盗難等防止マニュアル (2005)

毒劇物の使用者，管理者などによる実証試験を実施
し ，「 受 払 簿 （ 在 庫 管 理 ）」「 使 用 簿 （ 重 量 ・ 容 量 管

http://www.nihs.go.jp/mhlw/chemical/doku/manu/理）」「管理簿」が適切かつ自動で作成されることを確

manu.pdf

認した。本システムにより，毒劇物管理業務の効率化
やヒューマンエラーの防止が期待できる。

5 まとめ
県内中小企業が「気軽にIoTをはじめる」ことができるための支援ツールとして「IoT導入支援キット」
を開発し，「WBGT測定システム」及び「毒劇物管理システム」の構築，実証試験を実施した。その結果，本キットが生産現場に応じたシステムの構築及び効果の検証に有効であることを確認した。
今後はこれらのシステムを企業の生産現場に適用して「効果の検証」ができるようにハンズオン支援し，県内中小企業のIoT導入を促進する。

- 44 -

学協会誌
掲載論文の概要

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)

醤油膜ろ過残液中多糖類のエタノール分別沈殿と清澄醤油の回収
川口 友彰 *1

野田 義治 *2 植木 達朗 *2

脇山 元気 *2

野見山

修治 *3

Ethanol fractional precipitation of polysaccharides from shoyu cross-flow filtration
retentate
Tomoaki Kawaguchi, Yoshiharu Noda, Tatsuro Ueki, Motoki Wakiyama and Shuji Nomiyama

醤油製成において清澄化及び無菌化の目的で，生揚のクロスフロー膜ろ過処理が行われている。得られる醤油の品質と，ろ過工程自動化等の利点がある一方で，発生する高粘性・高濁度の濃縮残液（膜ろ過残液）による歩留り
低下や膜ろ過残液の処理困難性が問題となっている。本研究では，膜ろ過残液エタノール処理の有効性を調べるた
め，エタノール沈殿物と回収醤油の解析を分別沈殿法により行った。その結果，膜ろ過残液中多糖類の大部分は
33 %エタノール存在下で凝析沈殿することがわかった。固液分離により回収した醤油分は清澄で低粘度であった。
エタノール処理においては温度・溶液条件制御不要で，エタノール添加後に直接膜ろ過可能であった。本技術は，追加の設備も要しないことから実用性が高く，醤油回収技術として簡便で有効な方法 であることが示唆された。

1 はじめに2 研究，実験方法

生揚のクロスフロー膜ろ過処理は，醤油を清澄で無2-1 試料菌かつその後の火入れオリ発生を低減とする一方で，生揚を60 ℃で1時間加熱後に冷却し，有機膜ろ過装

高粘性・高濁度の濃縮残液（膜ろ過残液）が原料生揚

置によってろ過して得た残液（膜ろ過残液）及び透過の5～10 %発生する。その大部分が醤油であることか

液（膜ろ過透過液）を使用した。

ら歩留り低下につながり，何らかの方法で醤油分を回

2-2 エタノール沈殿と清澄醤油の回収

収・利用する方法が求められている。

醤油膜ろ過残液150 mLを激しく攪拌しながらエタノ

一般に膜ろ過残液中の酸性多糖類のような高分子電ール（99.5 %）を少量ずつ加え，室温で3時間放置後

解質は，塩存在下でアルコール等の貧溶媒を加えるこの沈殿形成を目視で調べた。エタノールは，終濃度でとにより凝析沈殿し，アルコール濃度依存的に沈殿物

20，23，29，33，37，41，44，47，50，75 % (v/v)と質の重合度は低下することが知られている。このことなるように加えた。沈殿が生じた条件では，デカンテから，低濃度アルコール処理を用いれば，膜ろ過残液ーションにより固液分離し，上清回収量を調べた。減からの高分子多糖類の分別除去と，低粘度で清澄な醤

圧蒸留によりエタノールを除去した回収上清を分析試

油の回収が期待できる。

料とした。

これまでに，膜ろ過残液に対し種々のエタノール濃2-3 エタノール分別沈殿

度で混合・固液分離を行い，清澄な醤油を回収できる

膜ろ過残液10 mLに対して，終濃度33 %になるようことが報告されており，エタノール処理の有効性を示に5 mLのエタノールを添加し均一に攪拌後，遠心分離唆している。しかしながら，エタノール処理により得を行った。得られた沈殿は，同濃度のエタノールで洗られる清澄醤油及び沈殿物の物性・成分（特に高分子

浄後，遠心分離により回収し，減圧乾固させてエタノ多糖類）やそれらのエタノール処理濃度による変化はール濃度0～33 %沈殿画分とした。洗液と上清は混合評価されておらず，エタノール処理の有効性を明らかし，さらにエタノールを37 %となるように加え，以後にするにはさらなる検討が必要である。

前記操作を繰り返し，33～37 %沈殿画分を得た。同様

そこで本研究では，膜ろ過残液に対するエタノールに，37～41，41～44，44～47，47～50，50～75 %沈殿処理の有効性を調べるため，高分子多糖類等の分離挙画分を調製した。

動及び回収醤油の性質を指標に高分子多糖類除去条件

2-4 分析

を検討した。
*1 生物食品研究所*2 福岡県醤油醸造協同組合*3 福岡県商工部

HPLC（Waters Alliance HPLCシステム）により分子- 45 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
量 分 布 を 測 定 し た 。 カ ラ ム は 東 ソ ー ( 株 ) 製 TSKgel

3-2 エタノール分別沈殿による沈殿成分の解析

guardcolumn G3000PW XL ， G6000PW XL ， G3000PWXL を 連 結膜ろ過残液中の成分が各エタノール濃度条件下でどして使用し，検出は示差屈折率で行った。タンパク質のように沈殿するのかをエタノール分別沈殿法によりはBCA法，全糖量はフェノール硫酸法により測定した。

調べた（表2）。0～33 %エタノール沈殿画分の収量は全沈殿の53 %を占め，沈殿画分中の主な高分子成分は

3 結果と考察

多糖類であることがわかった。

3-1 膜ろ過残液のエタノール処理による沈殿形成と回収
醤油の性質

表2

膜ろ過残液中の高分子量成分が沈殿を形成するエタ

エタノール沈殿画分の分析結果
組成*

収量 (g)

ノール濃度を調べた（表1）。その結果，終濃度33 %以
上のエタノールで沈殿形成することがわかった。醤油
分回収率は沈殿が不十分な33%条件において低下する
ものの，80 %前後であった。濁度，粘度いずれもエタ
ノール濃度依存的な低減がみられた。醤油分のpHはエ糖 (%)

タンパク (%)

水 (%)

食塩相当量 (%)

Fr. 0-33% ppt

0.569 (53%)

43.6

5.5

8.4

24.9

Fr. 33-37% ppt

0.092 (8%)

52.6

4.6

N.E.

N.E.

Fr. 37-41% ppt

0.023 (2%)

47.4

5.4

N.E.

N.E.

Fr. 41-44% ppt

0.039 (4%)

43.3

3.4

N.E.

N.E.

Fr. 44-47% ppt

0.015 (1%)

35.2

9.9

N.E.

N.E.

Fr. 47-50% ppt

0.035 (3%)

46.7

5.6

N.E.

N.E.

Fr. 50-75% ppt

0.310 (29%)

28.3

16.5

N.E.

N.E.

*膜ろ過残液処理量： 10 ml，括弧内は全沈殿量に対する割合

タノール処理前後で変化はほとんどみられず，ナトリ
ウム濃度はエタノール処理濃度依存的にわずかに低下することがわかった。また，官能評価の結果は，いず

各画分の分子量分布を調べた結果，濃度依存的に沈殿れの処理条件においても膜ろ過残液の特徴を保持し，する成分の分子量が低分子にシフトすること，高分子良好であった。

多糖類の大部分がエタノール濃度33 %で沈殿することがわかった。

表1

エタノール処理前後の性質及び回収率
回収上清

膜ろ過残液 膜ろ過透過液
(未処理)
(未処理)

3-3 エタノール沈殿に影響する因子

33（エタノール処理濃度（%））
37
41
44
47

50

回収率 (%)

-

-

65

75

79

81

81

82

OD660 nm

0.23

0.135

0.121

0.101

0.097

0.082

0.073

0.065

粘度 (mPa・s)

60.2

2.9

6.9

6.1

3.9

3.9

3.4

2.6

pH

4.6

4.7

4.7

4.7

4.6

4.7

4.6

4.5

Na (g/l)

70.4

69.0

65.2

60.2

60.9

60.8

60.5

59.7

膜ろ過残液のエタノール沈殿と清澄醤油回収に影響を及ぼす可能性のある因子として温度，時間，固液分
離方法，pHについて検討を行った。その結果，凝析への温度・時間による影響は見られなかった。pHは膜ろ過残液のpH付近（4.0～5.0）で影響は見られなかった。

分子量分布変化を調べた結果，高分子量成分はエタ

固液分離方法は，デカンテーション（24時間静置, 回

ノール濃度依存的に除去されることがわかった（図1）。

収率73 %），膜ろ過（回収率72 %）で同等の回収率が
得られた。

膜ろ過残液

4 まとめ
醤油のクロスフロー膜ろ過残液の処理方法として，
エタノール沈殿の有効性を調べた。分別沈殿法により，

33%

エタノール終濃度33 % (v/v)で高分子多糖類の大部分37%が沈殿し，低粘度で清澄な醤油を回収できることがわ

41%
44%
47%
50% EtOH処理上清
20

22

24

26

28

30

32

かった。

5 掲載文献34

溶出時間 (min)

図11) 醤 油 の 研 究 と 技 術 , Vol. 45, No. 2, pp. 103109 (2019)

回収醤油高分子量成分の分子量分布- 46 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)

タデスプラウト抽出物によるコラゲナーゼ阻害
川口 友彰 *1

香織 *2

永田

Collagenase inhibition by water-pepper (Polygonum hydropiper L.) sprout extract
Tomoaki Kawaguchi and Kaori Nagata

コラーゲンは皮膚のハリや弾性に重要な役割を有しており，コラーゲンの減少や変性がシワの形成に寄与していると考えられている。コラーゲンの減少にはコラゲナーゼが関与していることから，コラゲナーゼ活性阻害剤が皮膚の弾性維持やシワ形成抑制に有用であると考えられる。そこで本研究では ，抗シワ食品素材の開発を目的とし，
タデスプラウトのコラゲナーゼ阻害活性評価及び活性成分同定を行った。タデスプラウトメタノール抽出物のコラ
ゲナーゼ阻害活性を調べたところ，濃度依存的阻害が認められた。阻害活性を指標にコラゲナーゼ阻害成分を単離し，quercetin-3-O -galactoside（ヒペロシド）と同定した。Lineweaver-Burkプロットにより，ヒペロシドのコラ
ゲナーゼ阻害様式は不競合阻害であることがわかった。

1 はじめにた。水-ブタノール分配，HP-20カラムクロマトグラフ

コラーゲンは細胞外マトリクスの主要成分の一つでィ（溶出 ：水， 25 %メ タノ ール，50 %メタ ノール ，あり，皮膚のハリや弾性形成に貢献している。コラゲ

75 %メタノール，メタノール），高速液体クロマトグ

ナーゼはコラーゲンを分解するマトリクスメタロプロ

ラフィにより分画した。

テアーゼであり，生体内のコラーゲンターンオーバー

2-2 コラゲナーゼ阻害活性評価に重要な役割を果たしている。一方で，炎症や紫外線

種々濃度の試料存在下で，10 µg/mL コラゲナーゼ

照射された皮膚において観察される過剰なコラゲナーと0.4 mM Pz-ペプチドを37 ℃30分反応させた（溶液ゼが，シワの形成に関与することが示唆されている。

条件：0.1 M Tris-HCl, 20 mM CaCl 2, pH 7.1）。クエ

そのため，シワ形成抑制剤として，コラゲナーゼ阻害

ン酸で反応停止後，酢酸エチルで反応産物を抽出し，作用を有する食品の開発が行われている。

320 nmの吸収を測定した。対照には，試料溶液の代わ

タデスプラウトは，刺身のツマとして利用され，福りに試料溶媒を用い，また，それぞれのブランクとし

岡県朝倉市で全国の4分の3が生産されている。タデスて，酵素溶液の代わりに緩衝液を加えて同様の操作をプラウトは，抗酸化活性，チロシナーゼ阻害活性等の行った。これらの吸光度からコラゲナーゼ活性阻害率

機能性を有し，ポリゴジアール等の機能性成分を含むを算出した。

ことが報告されている。一方，これまでにタデスプラ

2-3 分析

ウトのコラゲナーゼ阻害活性に関する検討はなされて

活 性 成 分 の 吸 収 ・ マ ス ス ペ ク ト ル は Agilent 1200

いない。そこで本研究では，タデスプラウトのコラゲ

series HPLCのフォトダイオードアレー検出器及び質ナーゼ阻害活性評価及びコラゲナーゼ阻害成分の同定

量分析計（イオン化：ESI）により測定した。カラムを試みた。

は Agilent Poroschell 120 EC-C18 column (4.6 mm
× 50 mm, 2.7 µm)を用いた。溶離液は(A)0.1 %ギ酸，

2 研究，実験方法(B)アセトニトリルを用い，5 %Bを10分維持したのち，2-1 試料

5～45 %Bのグラジエント溶出を60分で行った。流速はタデスプラウトは(株)エヌ・エル・エーがJA筑前あ

0.5 mL/minとした。

さくらより入手し，乾燥粉末とした。乾燥粉末30 gに300 mLのメタノールを加え，室温で1時間攪拌抽出し

3 結果と考察3-1 タデスプラウトのコラゲナーゼ阻害活性と活性成分の*1 生物食品研究所*2 （株）エヌ・エル・エー

分画- 47 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)
タデスプラウトメタノール抽出物のコラゲナーゼ阻

Burkプロットにより調べたところ，不競合阻害である

害活性を評価したところ，濃度依存的な阻害を示した

ことがわかった。

（IC 50 ＝156.7 µg/mL）。コラゲナーゼ阻害成分の単離同定のため，水-ブタノール分配及びHP-20カラムクロ
マトグラフィで分画した。その結果，ブタノール可溶
性画分のHP-20カラム50 %メタノール溶出画分に活性（IC 50 ＝23.5 µg/mL）が認められた。この画分をさらにHPLCにより分画し，得られた各画分のコラゲナーゼ阻害活性を評価した結果を図1に示す。画分8（保持時間28～32分），画分8中のピーク2に活性が認められたことから，ピーク2の成分がタデスプラウトメタノー
ル抽出物中の活性成分であることがわかった。

図2

単離成分 と標準試薬 の LC-DAD-MSクロマト

グラム及び吸収・マススペクトルa：単離成分，b：ヒペロシド

4 まとめ
タデスプラウトのコラゲナーゼ阻害活性評価を行い，コラゲナーゼ阻害活性を有すること，その活性成分はヒペロシドであることを明らかとした。この結果，タ
デスプラウトがコラゲナーゼ阻害作用を有する抗シワ
食品素材として有望であることがわかった。

5 掲載文献1) Journal of Herbmed Pharmacology, Vol. 8, No.
図12, pp. 114-119 (2019)

コラゲナーゼ阻害活性のHPLCプロファイリング
a：各画分のコラゲナーゼ阻害活性評価結果，
b：分取時のクロマトグラム

3-2 コラゲナーゼ阻害活性成分の同定
活性が認められたピーク2を単離し，保持時間・吸収・マススペクトルから成分同定を試みた。その結果，得られた活性成分の各特性（図2a）はケルセチン配糖体であることをしめし，標準試薬との比較（図2b）では，quercetin-3- O-galactoside（ ヒペロ シド） と 一致した。さらに同一性をコラゲナーゼ阻害活性により評価した とこ ろ ，単 離成分 （IC 50 ＝1.9 µg/mL）と ヒ
ペロシド （IC50 ＝ 1.7 µg/mL）で同等 であ ること がわかった。以上の結果から，タデスプラウトメタノール
抽出物のコラゲナーゼ阻害成分はヒペロシドであることがわかった。ヒペロシドの阻害様式をLineweaver-- 48 -

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福岡県工業技術センター研究報告No.29 （2019）
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