インジゴ還元酵素によるロイコ型インジゴ生成能および染色挙動の検討
田村 貞明 *1

Study on Leuco Form Indigo Generation Ability and Dyeing Behavior
by Indigo Reductase
Sadaaki Tamura
日本の伝統的な染色法である藍染めは，蓼（タデ）科植物の葉を原料として高温・好アルカリ性菌によるスクモの発酵生産工程と，好アルカリ性菌によるスクモの発酵還元（藍建てと呼ぶ。25℃,pH10-12，約1ヶ月間）と織物の染色工程からなる特異環境微生物（酵素）を巧みに利用する重要な伝統産業である。本研究では，藍建て発酵に関与する好アルカリ性細菌の生産するインジゴ還元酵素によるロイコ型インジゴの生成能および藍染めにおける染色挙動について研究を行った。

1 はじめに2-2 ロイコ型インジゴ生成能について

天然藍染め製品は，色相だけでなく防虫効果や保温

インジゴおよびインジゴカルミン（図1）の紫外・効果にも優れ，高級織物として人気が高い。この産業

可視（UV-VIS）吸収スペクトルの変化を経時的に追跡は藍師と染色家による長年の経験と勘に基づく従来かすることによりロイコ型インジゴの生成能について検らの生物学的手法が主に用いられ，近年の分子レベル討した。インジゴおよびインジゴカルミンは溶液中ででの解析はほとんどなされていない。

微生物（インジゴ還元菌）による還元を受け，図2に

本研究では，共同研究機関である九州大学農学研究示すように構造が変換される（ロイコ型インジゴ）。

院大島研究室において天然藍染め染色液より単離されインジゴの場合，酸化型，還元型いずれも水に溶けにた好アルカリ性菌およびインジコ還元酵素を用いて，くいという性質を持つが，還元型であるロイコ型イン

簡便，多様，環境にやさしい新規な藍（インジゴ）染

ジゴの水酸基がアルカリ溶液中でナトリウム塩となり色法の実用化を図るため，微生物や酵素を利用する新イオン化することによって水溶性となり，繊維へ染着染色法（酵素建て）の開発を主な目的とし研究を行っできると考えられる。

た。
O

2 研究，実験方法
NH

2-1 装置・試薬など
吸光度は日本分光製，紫外可視分光光度計V-550，

図1

H
N

O
NaO 3S

O

N
H

H
N
SO3Na
O

インジゴ（左）およびインジゴカルミン（右）の構造式

pHはメトラートレド社DELTA320型pHメーターおよび東亜ディーケーケー社製ポータブルイオン･pH計IM-22Pを用いて測定した。試薬はインジゴ（ALDRICH）インO

ジゴカルミン（東京化成工業），水酸化カルシウム，
NH

水酸化ナトリウム，ハイドロサルファイトナトリウム（和光純薬工業，以下ハイドロと略）を用い，スクモ
は徳島県の新居製藍所製を使用した。染色布は日本工

図2

H
N

O

OH

N
H

H
N

OH

インジゴの還元（右矢印）およびロイコ型インジゴの構造式（右化合物）

業規格L0803に準拠した染色堅牢度試験用標準添付白布（綿および絹）を使用した。色の測定には日本電色

まず，インジゴの吸収スペクトルを確認したのち，化工業社製分光式色彩計SE-2000を使用した。

学的還元剤であるハイドロを用いて還元を行った。ハ
イドロによるスペクトル変化を確認した後，還元菌に*1 化学繊維研究所

よるインジゴの還元を行い，スペクトルの比較を行った。次にインジゴカルミンを用いて同様の実験を行った。
2-3 天然藍建て法による染色挙動の検討について

3-1-2 インジゴカルミンの場合
インジゴカルミンは610nmに吸収極大を示し，ハイドロの添加によって即座にその吸収が消失した（図3）。

試験管レベルでインジゴカルミンに対するインジゴ

そこでインジゴ還元菌培養液にインジゴカルミンを加還元菌のロイコ型インジゴ生成能を確認した後，スクえた場合の610nmでの吸光度の変化を120分後まで観測モを用いた天然藍建てに対するインジゴ還元菌の作用した結果，反応開始後30分後までは吸光度に変化はな

および染色挙動について検討した。実際の伝統的な藍いがその後徐々に減少し，インジゴ還元菌によってイ

染染色場では，180Lから360L（一石から二石）と容量

ンジゴカルミンが還元されていることが確認で きたの大きな甕やコンクリート製の染色槽を用いて染色が（図4）。また，吸収スペクトルは分光光度計のセル中行われており，小容量での藍建ては液面が空気に接すで実験をおこなったが，還元の様子を目視するためにる割合が大きくなることから，pHの維持など管理が難試験管での還元実験を行った。その結果，インジゴカ

しく，一定の藍建てを行うことができないと言われてルミンを添加後1日静置すると，空気に接していないいる。今回は実験室スケールで安定して藍建てが行え

溶液下部においてはインジゴカルミンが還元され溶液る最低限の容量であると考えられる15Lの容器で天然が黄色になっていることが確認できた。溶液の上部は藍建てを行い，そこにインジゴ還元菌を添加して，藍空気と接しているため還元されてもすぐに酸化されて建てに要する時間や，染色結果について検討を行った。

青色に戻っていると考えられる。さらに1日静置後，

天然藍染め実験の概要は15Lのポリプロピレン製容試験管を軽く振盪すると溶液中に空気（酸素）が入り器に，徳島産スクモ1.0kg，水酸化カルシウム30g，水

ロイコ型インジゴカルミンは酸化されて，もとのイン酸化ナトリウム15g，グルコース18g，および水7Lを加ジゴカルミンの青色に戻ることも確認できた。

え，pHが十分に下がり還元が始まると，更に水と水酸
1.4

化カルシウムを加える。実験は常時22℃に保たれた実を観察することにより確認した。

absorbance験室で行い，還元の進行具合はpHの変化，外観変化，
および簡易的にキムワイプなどの紙を染色し色の変化

λmax=610nm

1.2

染色テストは染色液の状態が一定になったところで，
綿および絹について5分浸漬5分空気酸化を繰り返し10

1
0.8
0.6
0.4

a

0.2

b

0

回まで行い，各染色後に十分水洗した。染色布は分光

400

500

600

700

800

wavelength (nm)式 色 彩 計 に て 色 の 測 定 を 行 い ， CIE （ 国 際 照 明 委 員会）Lab表色系の明度L*の値で評価した。

a; ハイドロ添加前
b; ハイドロ添加後

図3

インジゴカルミンにハイドロを加えた場合の吸光スペクトルの変化

3 結果

2.5

3-1-1 インジゴの場合ハイドロによるインジゴ還元の結果，ハイドロ添加により，690nmの吸収極大が減少することが確認できた（図は省略）。次にインジゴ還元菌の培養液にインジゴを加え吸光度の変化を追跡したが，培養液自体のabsorbance at 610nm

3-1 ロイコ型インジゴ生成能について

1
0.5
0

20

40

60

80

100

120

time (min)いため，吸光度の減少を確認することが出来なかった実験を行った。

1.50

濁度の大きいことやインジゴが水にほとんど溶解しなので水溶性の化合物であるインジゴカルミンを用いて

2

図4

インジゴ還元菌培養液にインジゴカルミンを加えた場合の吸光度の経時変化

3-2 天然藍建て法による染色挙動の検討
3-2-1 藍建てに要する時間の短縮化について

13
12.5

時のpHは約12.2であり，その後徐々に減少して14日目

12にpH=10.26となる。この時点で染色液中のインジゴは十分に還元されているが，この状態ではスクモの割合

pH

天然藍建てにおけるpHの変化を図5に示す。仕込み

菌添加
菌なし

11.5
11

法では中石，口上と呼ぶ），再びpHが減少するのを待

10 目
日
目
11
日
目
12
日
目
13
日
目

目

9日

目

8日

目

7日

目

6日

目

5日

目

4日

目

3日

2日

こでアルカリと水を更に添加し（これを伝統的藍建て

1日が多く不溶物がかなりあるために染色ができない。そ

目

10.5

図6

インジゴ還元菌添加の場合のpH変化

図7

12日目の染色液（菌添加）の様子

つ。更にpHが下がったところで，石灰をさらに加える工程（止石）を行って，pHが下がったところで染色を行うのが従来の方法である。
今回はインジゴ還元菌の添加による染色液の状態変化を見るため，中石までにかかる時間について検討を行った。仕込み後2日目および，4日目にインジゴ還元菌を各100ml加え，コントロールとして菌の培地のみ加えたものについて比較を行った。その結果をpHの変化について図6に示す。pHについては，菌添加の場合，コントロールの場合いずれもほぼ同じように減少して
おり大きな違いは見られなかった。しかしながら外観

3-2-2 染色テストについて

変化では菌添加したものは12日目に染色液を攪拌する

染色テストは中石後，pHが十分に下がり染色液の還こと に より ， 藍建て が進 ん でい る こと を 示す 泡（藍元状態が一定の状態となった33日目に綿布，35日目に華）の発生がみられた（図7）。また簡易染色テストで絹布について実験を行った。染色時の染色液のpHはイ

は，菌添加したものが，12日目で青く染められるよう

ンジゴ還元菌添加の場合がpH=10.56，菌添加なし（コになり，コントロールでは13日目となり，約1日早くントロール）がpH=10.38であった。絹の染色試験は綿藍建てが可能となった。

布の染色後，染色液を1日休ませてから行い，pHは菌12.5あった。pHは多少異なっているが，紙による簡易染色12

テストで同じように濃色に染まることを確認している。

11.5

綿布の染色結果を図8に，絹布の染色結果を図9に示す。

11

L*の値が小さいほど，濃色に染まっていることを示し

10.5ており，綿，絹いずれの場合においても，染色回数が図5

伝統的藍建てにおけるpH変化

49日目

46日目

43日目

40日目

37日目

34日目

31日目

28日目

25日目

22日目

19日目

16日目

13日目

7日目

10日目

4日目

10
1日目

ｐH

添加，菌なしの場合でそれぞれpH=10.41，pH=9.99で多いほど濃色に染色されている。また，インジゴ還元菌を添加していないコントロールに対して，インジゴ
還元菌の培養液を添加したものの方が濃色に染色できる傾向が見られる。綿布の場合，染色回数が少ないと色むらができるが，回数を重ねるごとにほぼ均一に染
色できた。

70
菌添加
菌なし

60

L*

50
40
30
20
10
0
1

2

3

4

図8

5
6
7
染色回数

8

9

10

綿の染色テスト結果

70
菌添加
菌なし

60

L*

50
40
30
20
10
0
1

2

3

図9

4

5
6
7
染色回数

8

9

10

絹の染色テスト結果

4 まとめ
天然藍染め染色液から単離・同定されたインジゴ還元菌を培養し，染色液に添加することにより，藍建てに必要な日数を一日短縮でき，染色について濃色に染色できることが明らかとなった。今後は，インジゴ還元菌を添加する方法，添加量およびタイミングをさらに検討し，最適な条件を見出す必要がある。

5 謝辞
本研究は財団法人福岡県産業・科学技術振興財団，
IST研究FS事業『「藍建て」醗酵工程の分子生物学的解
析と新規藍染色法の開発』の分担試験項目として研究を行った。

絹繊維リサイクルのための脱色技術の開発
堂ノ脇 靖已 *1

諌山 宗敏 *1

Removal of Dyestuffs from Dyed silk Fiber to Recycling Technology
Kiyoshi Donowaki and Munetoshi Isayama
博多織は絹を使った織物業であるが，織工程では多くの絹糸，織り屑などが廃出されている。本研究では絹のリサイクルを目的として染色した絹の脱色条件を検討した。博多織では酸性染料，直接染料が多く使われており，染色布をアルカリ処理することで脱色でき，100℃の0.08%水酸化ナトリウム水溶液で抽出を3回繰り返すことで80%以上の脱色率が得られた。また，リサイクル品には新たな訴求点が必要となるため悪臭物質であるアンモニア，酢酸の吸着試験も行ったので併せて報告する。

1 はじめに
近年，絹フィブロインは吸放湿性，生体適合性など
天然由来の高機能性物質として注目されており，食品，

絹フィブロインの溶液状態
OH-

NH3

COOH
H+

フィブロイン

OH-

NH3

COO
等電点

NH2

COO

H+

化粧品，樹脂コーティング剤などに添加され，幅広い分野で使われている。一方，博多織は絹織物業であり，織時に出る大量の織り屑，糸を廃棄しており，その数

染色機構
NH3

dye SO3

COOH

量は3トン/年と言われている。そこで，本研究では廃H+

dye SO3 NH3

COOH

イオン相互作用にて染着棄する絹を微粉末状の機能材料としてリサイクルすべ

染料の除去方法

く，染色した絹の脱色方法の検討を行った。また，回収した絹の用途展開を図るために，絹の機能性についdye SO3 NH3

COOH

OH-

NH2

COO

ても調査したので併せて報告する。

＋

アルカリ条件を検討
2 実験
2-1 染色した絹生地の脱色

図1

dye SO3溶液中でのフィブロイン構造と染色機構，
および染料の除去方法

博多織で用いられている染料は主に酸性染料，直接染料である。これらの染料機構は図1に示すように，

表1

酸性水溶液中で絹フィブロインがカチオン性になり，

N0.

染料種類

C.I.

アニオン性をもつ染料とイオン結合することで染着す

1

直接(含金)

Direct Blue 86

ることが知られている 1) 。従って，脱色は染色条件とは逆に，絹フィブロインをアルカリ条件にすることでアニオン性にし，絹と染料との電荷的な反発で脱色できる。
そこで，博多織業界で使われている代表的な染料12種類を選択し（表1），定法に基づいて日本規格協会の標 準 添 付 白 布 の 絹 （ 2-2 号 ） ( 日 本 工 業 規 格 JIS L
0803)生地をそれぞれの染料で染色した。作製したこ
れらの染色布を用いてアルカリ条件における脱色を検討した。脱色は浴比1：100のアルカリ水溶液中，ボイ*1 化学繊維研究所

2

本研究で用いた染料

直接

Direct Yellow 12

3

Direct Red 39

4

Acid Red 85

5

酸性

6
7

Acid Green 9
Acid Violet 49

酸性（含金）

Acid Black 60

8Acid Black 52

9Acid Blue 113

10

酸性Acid Blue 112

11

Acid Violet 48

12Acid Green 27

ル条件で3回抽出浴を替えて行った。脱色の評価は染

表2

色布，脱色布などの可視光領域における最大吸収波長①～⑥の条件における各染料の脱色率
①

②

③

④

⑤

⑥

5%NH3

10%NH3

0.04%
NaOH

0.08%
NaOH

③+
0.1%
H2O2

④+
0.1%
H2O2

pH

12.5

13.0

12.6

12.7

12.6

12.7

1

85.5

81.4

92.4

88.9

95.7

97.9

2

92.8

93.5

97.9

92.5

95.9

98.4

3

88.0

88.9

92.8

88.9

96.4

94.2

4

73.6

82.5

88.1

100

5

100

100

100

吸着剤として日本規格協会の各繊維の標準添付白布

6

77.9

83.8

82.8

92.8

100

0.2gを用いて，テドラーバック中の125ppmアンモニア，

7

78.7

86.4

95.8

および20ppm酢酸ガス0.6ℓを吸着した。評価は検知管

8

89.7

92.5

85.6

法にて残存するガスを測定することにより，吸着率と

9

76.4

80.7

84.9

して評価した。

10

100

100

100

11

70.9

75.3

82.7

12

93.5

99.8

100

の反射率から以下の式により、脱色率として算出した。
脱色率（％）＝（R② －R① ）／（R③ －R① ） x 100
R ① ：可視光領域における染色布の最大吸収波長の反射率
R② ：R① 測定吸収波長における脱色布の反射率
R ③ ：添付白布を脱色時と同条件で処理し，このサンプルを用いたR① 測定吸収波長の反射率｝

2-2 悪臭物質吸着評価

3 結果と考察

条
件

84.7

100
88.9

97.7

99.5

100

80.3

92.5

88.0

3-1 脱色実験
表2に示す①～⑥のアルカリ条件で脱色を行った。
5%アンモニア水処理

代 表 的 な 例 と し て 染 料 No.11 を 5% ア ン モ ニ ア 水 溶 液(①)で脱色した状態と反射スペクトルをそれぞれ図2，3に示す。この結果から，繊維を溶解することなく，
アンモニアのような弱アルカリ性でも白度が大きく向No.11 の染色布上した。この反射スペクトルを測定したところ可視光領域の最大吸収波長である600nm付近が著しく高くな

図2

染料No.11染色布，および脱色後の絹布っている。そこで，このスペクトル変化から，脱色率を算出したところ70%となった。この他の染料についての脱色結果を表2に示す。この結果から弱アルカリ

70

得られ，染色された絹の脱色が可能であることが示さ60れた。また堅牢度が高いと言われる含金染料（No.1，

507，8）においても同様な脱色率が得られた。さらに，過酸化水素による脱色を組み込む（表2の条件⑤，

反射率/%

条件（pH12.5～13）でも全体的に80%以上の脱色率が

20
10
0

のことからアルカリ処理だけでも絹の白度が低下する

400

ことが明らかとなった。これは絹フィブロインの酸化低下も考慮した商品展開を考える必要がある。

No.11(脱色後)30きた。また，図3のスペクトルから未処理絹とこれを反応による黄褐変現象であり、リサイクルでは白度のｱﾙｶﾘ処理絹No.1140⑥）ことにより全体的に90%以上もの脱色率を達成でアルカリ処理した絹では7%程度反射率の差があり，こ

未処理絹

図3

500

600
nm

700

800

染料No.11染色布における反射率の結果

3-2 悪臭物質吸着4 今後の展開

リサイクルした製品を拡販する際，製品の訴求点は以上の結果から，絹のリサイクルにおける脱色は少重要な要素と考えられる。そこで，機能の一つとしてなくとも80%以上の脱色率が可能であることが示され悪臭物質の吸着機能を検討した。悪臭物質としてはアた。スケールアップ実験では，水浴を6回入れ替えた

ンモニアと酢酸ガスについて実験を行い，それぞれのものの問題なく，脱色が可能であった。また，悪臭物

結果を図4，5に示す。これらの図から絹は他の繊維に質吸着では他の繊維には見られない特異性が示され，比べても優位であることが明らかとなった。アルカリ

同じ動物性蛋白質である羊毛と比べても優位であった。

成分であるアンモニアガスでは2時間後に80%以上除去

今後，回収繊維，及び脱色後の繊維，微粉化したフィが可能であり，また酸性成分である酢酸ガスを90%以

ブロインなどでも評価する予定である。

上除去することが示された。このように，アルカリ性，
酸性と全く異なる性質をもつ被吸着物質を効率的に除5 参考文献去できる材料は少なく，絹を構成する様々な官能基を

1)日本繊維工業教育研究会：色染化学2もつアミノ酸成分によって得られた結果であると考察
できる。

ナイロン

ポリエステル

ウール

シルク

綿

Ｂｌａｎｋ

100%

吸着率

80%
60%
40%
20%
0%
0

図4

50
時間／ｍｉｎ100

アンモニア(125ppm)吸着結果

100%

吸着率

80%
60%
40%
20%
0%
0

図5

50
時間／ｍｉｎ100

酢酸(20ppm)吸着結果(繊維の線種は図4と同様)

実教出版

加工,p.96,

コロイダルシリカ配列構造を有する新規な生体物質反応基板の開発
浦川 稔寛 *1

吉永 耕二 *2

Adsorption Behavior of Protein to PMMA Plate which Coated SiO2 Particles
Toshihiro Urakawa and Kouji Yoshinaga
従来に比べて機能が高く安定的に使用できるタンパク質吸着抑制剤の開発を目的として，コロイダルシリカを用いて検討を行った。コロイダルシリカを2次元界面上へ被覆した基板は，粒径を小さくすることで水に対する接触角が下がる傾向が観察され，既存吸着抑制剤のBSAと比較して親水性が高まることが分かった。この被覆界面に抗体を接触させてタンパク質の吸着性を評価したところ，粒径の小さなコロイダルシリカはBSAよりもタンパク質の吸着を強く抑制することが分かり，接触角による評価結果とよく一致した。次に，ELISAの評価系にコロイダルシ
リカの吸着抑制手法を適用し，免疫反応に関与しない抗体の吸着抑制効果を評価したところ，界面に被覆するコロ
イダルシリカを適切な密度に調製することで免疫反応を阻害することなく吸着を抑制できることが分かった。

1 はじめにを高めることでタンパク質の吸着を抑制できる事が知

近年，サブミクロンからナノメーターサイズの高分られており，多くの生体適合性材料でも界面の親水性子や無機微粒子を利用した加工技術に注目が集まってを高める事で吸着抑制が図られている 1-3) 。そこで，いる。これらの材料の多くは，基材の表面特性を改質

我々は微粒子化技術が確立しているコロイダルシリカするための加工剤として用途展開されている。また，に着目した。コロイダルシリカは粒子表面に親水性のより 付 加価 値 の高 い 使用 方 法も 検 討さ れ てお り ，医シラノール基を有しており，微粒子化による比表面積

療・バイオテクノロジー分野では，微粒子表面を用途の増大効果と相まって高い親水性付与効果が期待できに応じて機能化した材料を調製・利用することで，高る。それを界面に被覆することでタンパク質吸着制御

感度，高速診断技術へ展開されている。このように，ができると考えた。

多くの分野において微粒子を用いた技術開発が目覚し
く進展しており関心が高まっている。
微粒子を材料の機能化に利用する利点は比表面積の増大である。つまり，微粒子で界面状態を変化させ機

本稿では，粒径の異なるコロイダルシリカを用いて，これらの粒子で被覆した界面のタンパク質の吸着特性がどのように変化するか評価し，タンパク質吸着抑制効果の検証を行った。

能性を付与することは，バルク状態と比較して機能化できる面積が格段に広がることを意味し，機能の向上

2 実験方法が実現される。さらに，近年の機器分析技術の発展に

2-1 実験に使用する試薬より，微粒子の構造や粒径，表面電位等を迅速かつ正コロイダルシリカは触媒化成工業（株）製の粒径が確に把握する事が可能となり，微粒子の生成技術の進異なる5種（粒径12.5nm，33.0nm，64.5nm，102.5nm，

展とあいまって，目的に適した微粒子の評価が容易に

292.3nm）の材料を用いた。エタノール，りん酸水素

なってきている。このように，微粒子を利用した材料

二ナトリウム，りん酸二水素ナトリウム，塩化ナトリ

開発はハード・ソフト共に実用段階となっている。

ウム，ポリオキシエチレン（20）ソルビタンモノラウ

そこで，我々は微粒子を用いるタンパク質吸着抑制

レート(Tween20)，過酸化水素水，o-フェニレンジア技術に着目した。例えば，生体適合性材料は常に生体ミン（OPD），硫酸はいずれも和光純薬工業（株）製を内で使用されるため，タンパク質の吸着を少なくする用いた。ウシ血清アルブミン（BSA）はシグマアルド

機能が求められている。一般的に，材料界面の親水性リッチ製を用いた。ヤギIgG(goat IgG)，ヒト血清アル ブ ミ ン (Alb.) ， ペ ル オ キ シ ダ ー ゼ 標 識 抗 ヤ ギ IgG*1 化学繊維研究所*2 九州工業大学（HRP-Anti goat IgG），ペルオキシダーゼ標識抗ヒト
血清アルブミンIgG（HRP-Anti Alb. IgG）はコスモバ

イオ(株)製を用いた。96穴マイクロタイタープレート

製した。なお，一次抗体固相化処理をしない基板

はNunc社製イムノモジュールマキシソープを用いた。

（0ng/ml）は非特異的吸着抑制機能評価用基板として2-2 測定機器用い，以降の処理を行った。

接触角の測定は協和界面科学（株）製接触角計

ブロッキング処理： 1次抗体を固相化した基板また（CA-DT）を用いて行った。接触角評価用基板は松浪

は非特異的吸着評価用基板にコロイダルシリカのPBS

硝子工業製マイクロカバーガラス（18mm×18mm）を用

分散液を300µl/ウェルの割合で分注し，インキュベー

いた 。 粒径 測 定は シ スメ ッ クス 製 粒度 分 布測 定 装置

ター内で40℃，1時間静置し測定基板上へコロイダル（ゼータサイザーナノ Nano-ZS）を用いた。酵素免疫

シリカを被覆処理した。反応終了後，PBS-Tweenで3回測定法における吸光度測定はデイドベーリング社製プ洗浄した。また，比較として0.5%ウシ血清アルブミン

レートリーダー（BEP Ⅲ analyzer）を用いて行った。

(BSA)/PBS-Tweenを300µl/ウェルで分注し，同様の方

インキュベーターはセントラル科学社製（CB-4）を用法で被覆処理と洗浄を行った基板を調製した。

いて行った。表面状態の観察はSEM（走査型電子顕微

標識抗体処理：ペルオキシダーゼ標識抗ヤギIgGの

鏡：日本電子製 JSM-840F）を用いて行った。

PBS-Tween 溶 液 (1000,500,250,100,50,25,10,0ng/ml)

2-3 評価用基板の調製と接触角評価

を ブ ロ ッ キ ン グ 処 理 し た 基 板 の 8ウ ェ ル に そ れ ぞ れ

接触角評価と評価用基板は以下の手順で行った。ま

100µl分注し，インキュベーター内で25℃，1時間静置

ず，18mm×18mmのマイクロカバーガラス上にポリスチして標識抗体と1次抗体を反応させた後，PBS-Tweenでレンの0.5%酢酸エチル溶液を15µl塗布し，3000rpmで5回洗浄した。

15秒間 スピ ン コー ト を行 い ポリ ス チレ ン コー ト 基板

発色反応：o-フェニレンジアミン(OPD)を0.5mg/ml（コントロール）を調製した。次に10mg/mlに調製し溶解したクエン酸リン酸緩衝溶液(0.03%過酸化水素含

たコロイダルシリカのエタノール分散液をポリスチレ

有)（pH4.5）を調製し，標識抗体処理を行った各ウェ

ンコート基板上に10µl塗布し，3000rpmで15秒間スピ

ルに100µl/ウェルで分注し，抗体に標識されたペルオ

ンコートを行った。さらにコロイダルシリカの被覆操

キシダーゼとOPDを正確に30分間反応させた。次に2N

作を4回繰り返してコロイダルシリカコート基板を調

硫酸を50µl/ウェルで分注して反応を停止させ，各ウ製した。調製した各々の基板はイオン交換水を用いて

ェル内で発色した溶液の吸光度(492nm)をプレートリ

水に対する接触角を測定して基板の親水性を評価した。

ーダーで測定した。

2-4 タンパク質吸着評価方法と測定用基板の調製
抗原と抗体の特異的免疫反応を利用した測定手法の
ELISA（酵素結合免疫吸着検定法）を評価手法に応用

3 結果と考察3-1 新規タンパク質吸着抑制剤の機能評価

し，未反応抗体の測定用基板への吸着現象をOPDを用コロイダルシリカのタンパク質吸着抑制（ブロッキ

いた発色法により観察した。なお，実験は以下の手順

ング）効果を，基板の接触角から求める間接評価，おにより調製した96穴マイクロタイタープレート(基板)

よびELISA用基板上で標識抗体の非特異的吸着量を測を用いて行った。

定する直接評価によって調べた。

PBSおよびPBS-Tweenの調製：りん酸水素二ナトリウ

3-1-1 接触角によるブロッキング機能評価

ム，りん酸二水素ナトリウムを用いて調製した緩衝溶

界面に吸着するタンパク質を低減するため，一般的液（pH7.4）に塩化ナトリウムを0.9%となるよう加えにBSAなどのブロッキング剤を用いて界面の親水性をて，PBSを調製した。また，PBS溶液にTween20を0.05%

高める手法が実施されている 4,5) 。そこで粒径の異なとなるよう添加し，これをPBS-Tweenとした。

る6種のコロイダルシリカ（SI-15：12.5nm，SI-30：

1次抗体処理：抗ヤギIgG，またはヒト血清アルブミ

33.0nm，SI-60：64.5nm，SI-80：102.5nm，SI-300：

ンのPBS溶液（50, 0ng/ml）を基板の8ウェルにそれぞ

292.3nm）の親水性付与効果を接触角測定により調べ，

れ100µl分注し，40℃に調整したインキュベーター内

各々のブロッキング効果を評価した。また，比較としで1時間静置して一次抗体を基板上に固相化した。そてガラス基板（ガラス），ELISA用基板としても使用さの後，PBS-Tweenで3回洗浄して1次抗体処理基板を調れるポリスチレンをカバーガラス上に被覆した基板

（PS），およびPSに既存ブロッキング剤のBSAを被覆し実験はペルオキシダーゼ標識抗ヤギIgG，およびペた基板（BSA）ついても同様に接触角を評価した。結ルオキシダーゼ標識抗ヒト血清アルブミンIgGを用い果を図1に示す。

て評価した。評価結果を図3, 4に示す。
0.14

100

0.12

SI-60

0.1

SI-30
SI-15

Absorbance

接触角(θ)

80
60
40
20

BSA

0.08
0.06
0.04
0.02

0
PS

0

ガラス BSA SI-300 SI-120 SI-80 SI-60 SI-30 SI-15

図1

100

1000
HRP- Anti goat IgG (ng/ml)

接触角評価結果

図3

標識抗ヤギ抗体を用いた評価

評価の結果，PSおよびガラスにBSAを被覆すること
で接触角が低下（親水性が向上）することが分かり，

0.5

BSAがブロッキング剤として機能していることを確認が低下するにしたがって接触角も低下する傾向がある
事が分かった。個別ではSI-300はBSAより接触角が大きくなり親水性付与効果が低かったが，その他の粒子

BSA
Absorbance

した。一方，コロイダルシリカを被覆した基板は粒径

SI-30

0.4
0.3

SI-60
SI-15

0.2
0.1

ではBSAより接触角が低く親水性が増した。中でもSI-

0100

60，SI-30，SI-15についてはBSAと比較して約8～10倍

1000
HRP- Anti H, Albumin IgG (ng/ml)程度の親水性向上効果を発現し，高いブロッキング効図4

標識抗ヒトアルブミン抗体を用いた評価

果が期待できることが分かった。
3-1-2 非特異的吸着抑制機能評価
3-1-1の評価からコロイダルシリカには既存ブロッ標識抗体の濃度を1000ng/mlまで変化させて，各々キング剤のBSAを上まわる高い親水性付与効果があるの濃度で基板上に吸着する抗体（タンパク質）量を調ことが確認され，ブロッキング剤としての機能を有す

べたところ，コロイダルシリカを被覆した基板は評価る可能性が極めて高いことが分かった。そこで，親水に用いた抗体2種のいずれについても吸光度がほとん

性付与効果の高かったコロイダルシリカ（SI-60，SI-

ど上昇せず，非特異的吸着を抑制していることが分か

30，SI-15）を被覆したELISA基板を調製し，それにタった。一方，既存ブロッキング剤のBSAを被覆した基

ンパク質（ペルオキシダーゼ標識抗体）を吸着させ，板は抗体濃度が増えるに従って吸着量が増大し，ブロ

ペルオキシダーゼとo-フェニレンジアミンの発色反応

ッキング効果はコロイダルシリカより劣ることが分かで着色する反応溶液の吸光度測定からタンパク質の非った。この結果は，接触角による親水性付与効果の評

特異的吸着量を評価し，吸光度の増減からブロッキン

価結果とよく一致した。

グ効果を直接的に評価する実験を行った（図2）。

3-2 ELISAによるブロッキング機能評価
3-1の評価結果からコロイダルシリカは基板界面の親水性を高め，高いブロッキング効果を発現することを確かめた。そこで，コロイダルシリカがELISA用ブ

図2

非特異的吸着評価のイメージ

ロッキング剤として機能するかを確かめるために，基板上で免疫反応を行いながら，反応に関与しない未反応物の基板への吸着を抑制できるか調べた。実験は1次抗体を固相化した基板を調製し，次にコロイダルシ

4 まとめ

リカで被覆した後，1次抗体と反応しうる標識抗体をコロイダルシリカを用いるタンパク質吸着抑制剤の用いて免疫反応を行い，吸着抑制機能をBSAと比較し開発を目的として検討を行った。コロイダルシリカをた。評価結果を図5に示す。

被覆した基板は，粒径が細かくなるにしたがって水に

0.8

対する接触角が下がる傾向が観察され，基板の親水性
BSAが高まることが分かった。次にコロイダルシリカ被覆

Absorbance

0.6

界面に抗体を接触させて吸着特性を評価したところ，

SI-60
0.4

既存ブロッキング剤のBSAと比較してタンパク質の吸着を抑制することが分かり，接触角による評価結果と

0.2
0
10

100
HRP- Anti goat IgG concentration

図5

SI-30

よく一致した。次に，ELISAにおいて未反応抗体の非

SI-15

特異的吸着抑制効果を評価したところ，コロイダルシ

1000

リカを適切な被覆密度に調製することで免疫反応を阻害することなく非特異的吸着を抑制できることが分か

ELISAによる評価結果

った。
評価の結果，SI-60はBSAと比較すると吸光度が低下
しており過剰の未反応物の吸着を抑制していることが5 参考文献観察された。一方，SI-30，SI-15は吸光度の減少が著

1)M.Tanaka et al.:Biomacromolecules,Vol.3,p.36

しく，何らかの影響で免疫反応が阻害されていることが示唆された。そこで，原因を究明するため基板表面の状態を観察した（図6）。

(2002)
2)A.R.E.Holmlin et al.:Langmuir,Vol.17,p.2841(2001)
3)高分子学会編:高分子の物性(3),pp.159-183,共立出

SI-15 被覆界面

SI-30 被覆界面

SI-60 被覆界面版(1995)4)Klotz,J.L.:Methods Enzymol.,Vol.84,p.194(1982)
5)Kozber, D. and Roder, J.C.,J. Immunol.:Vol.127,p.

300 nm

図6

300 nm

300 nm

基板表面の観察結果

観察の結果，SI-60を被覆した界面には空隙がみられた。一方，SI-30，SI-15で処理した界面は高密度に被覆されていることが分かった。一次抗体のIgGは分子量が140,000～170,000あり，その大きさは数nm程度である。したがって，IgGを固相化処理した界面へ高密度にコロイダルシリカを被覆した場合，IgGが埋没してしまう事が考えられる。SI-30，SI-15を用いた評価において著しく吸光度が減少した結果は，それを裏付けているものと示唆される。以上の結果から，
ELISAにおいてコロイダルシリカを用いてブロッキン
グ処理を行う場合，適切な被覆密度に調整することで免疫反応を阻害することなく未反応物の非特異的吸着を抑制できることが分かった。

1275 (1981)

バイオマスからの水素リッチガス化触媒のベンチスケール実証試験
蓮尾 東海 *1

内山 直行 *1

梅津 太一朗 *2

花岡 寿明 *3

坂西 欣也 *3 持田 勲 *4

Demonstration Test of Catalytic Gasification in oder to Generate
Hydrogen Rich Gas from Biomass
Haruumi Hasuo, Naoyuki Uchiyama, Taichiro Umetsu, Toshiaki Hanaoka, Kinya Sakanishi and Isao Mochida
再生資源であるバイオマスからの水素製造技術の確立を目的として，特殊な形状を有する新規バイオマスガス化
反応装置の開発及びカリウム担持触媒を使用した実証試験を行った。セルロースを用いたモデルガス化実験で，600℃，[H2O]/[C]＝1，[O2]/[C]＝0の条件でガス化率75%，水素収率25%と良好な結果を示したKOH/Al2O3 触媒を新規
ガ ス 化 反 応 装 置 に 使 用 し た と こ ろ ， 700 ℃ の 触 媒 層 温 度 条 件 で も ガ ス 化 率 90% ， 水 素 収 率 13% （ 水 素 生 成 量 ：2.5Nm3/10kg-バイオマス）にとどまり，目標であった5Nm3/10kg-BMを達成出来なかった。この原因としては，触媒の円滑な流動のために導入空気（酸素）量を高め，循環ガスを使用したため，反応物，及び生成物が燃焼したためと推察される。

1 はじめにの開発が不可欠である。

近年，石油資源の枯渇に伴うエネルギー問題，及び本研究では，これまでの流動床型ガス化装置に比べ，化石燃料の使用による温暖化ガスの排出等の地球環境

固体-固体，及び固体-気体間の接触効率の向上が期待

問題の深刻化に伴い，「次世代のクリーンエネルギー」

できる新規ガス化装置（上部密閉型二重管式噴流床）として水素エネルギーが注目されている。今後の燃料を設計・作製し，触媒として高いガス化活性を有する電池の技術開発・普及により水素需要は急速に拡大し，カリウム系担持触媒を用いたガス化システムの実証試

3

2030年には約400億Nm ／年に達するという試算がなさ験を行った。また，本研究における目標を10kgのバイれている。

オマスからの水素生成量5Nm3以上に設定した。

この需要拡大に対応するためには，効率の良い水素製造方法の確立が重要となるが，環境問題を考慮する

2 実験と再生可能資源からの水素製造方法の確立が必要で有2-1 小型流動床ガス化装置を用いたモデルガス化実験

ると考えられる。バイオマス等の再生可能資源からの反応基質としてセルロース(100～200μm)を用いた

熱化学的水素製造方法としては，熱分解等ガス化－水モデルガス化反応実験は，図1に示す小型流動床ガス化

蒸気改質－水性ガスシフト反応を経た後精製分離され装置を用い，既報と同様な手法で行った 1） 。ただし，るプロセスが一般的であるが，水蒸気改質反応は通常

今回の実験ではセルロース供給時間を10分とし，生成900℃程度の高温を必要とするため，プロセス規模によ

物組成が定常となる9-10分の1分間生成ガスを採取し，ってはエネルギー効率の著しい低下が懸念される。

ガスクロマトグラフィーにより定性・定量を行った。

本研究では，バイオマス資源の収集・輸送が不要な

このとき，H2,N2,O2の分析についてはTCD-GC（ Molecular

小規模分散型水素製造システムの開発を目的として，

Sieve 13），CO,CO2,CH4 はメタンコンバート後FID-GC

エネルギー効率的に不利である高温反応を省略するこ（AC），C2以上の炭化水素はFID-GC（Unipak-S）を使とによる装置の高効率化，コンパクト化を目指す。

用し，N2 ガスを内部標準ガスとして各生成ガス生成量

目標達成のためには低温反応でも高い水素収率を達成する高活性ガス化触媒の開発と共に効率の良い装置を算出した。
ガス化率，タール収率，チャー収率は式(1)～(3)により算出した。

*1 化学繊維研究所*2 西日本環境エネルギー（株）*3 （独）産業技術総合研究所*4 九州大学

ガス化率(mol%)＝[生成ガス中炭素(mol/min)]／[導入炭素(mol/min)]×100---(1)N22次触媒(シフト反応）

セルロース

試料フィーダー

ガス化炉
本体

サイクロン
集塵器

試料ホッパ

誘引
ファン

生成ガス

熱伝対

ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞﾊﾞｯｸﾞ

ｽｸﾘｭｰﾌｨｰﾀﾞｰ
1次触媒

空
気

水供給ポンプ
ﾌﾞﾛｱｰ
循環ガス

N2/O2

図1

粒子の流れ
ガスの流れ

H2O

モデル反応用流動床ガス化実験装置

図2

の概略図

上部密閉型二重管式噴流床ガス化装置（ベンチスケール）の概略図

タール収率(mol%)＝[全導入炭素－回収ガス中の全炭出した。

素]／[全導入炭素]×100---(2)

使用した木質バイオマス（杉）は粉砕機（HORAI社製）

カ ー ボ ン 収 率 (mol%) ＝ 100 － ( ガ ス 化 率 ＋ タ ー ル 収

を用いて2mm以下に粉砕し，120℃-12hr乾燥した物を反率)---(3)

応試料として使用した。使用した木質バイオマスの元

また，今回式（4）で定義される水素収率を算出し，水素生成効率の評価を行った。

素分析結果を表1に示す。
表1 木質バイオマス(杉)の元素分析，及び工業分析

水素収率(%)＝[水素生成量（mol/min）]／[理論水素生

元素分析値（mass%-d.a.f）
H
6.4

成量(mol/min) ]×100---(4)

C
54.4

N
0.0

O
39.1

工業分析値（mass％）
水分
8.5

VM
78.5

FC
19.4

Ash
2.1

理論水素生成量とは，水蒸気ガス化反応が理想的に進行した場合に生成する水素量で，導入試料中の炭素
モル数の2倍モル量（C6H10O5 ＋7H2O→6CO2 ＋12H2 ）に相

2-3 モデルガス化反応用触媒の調製法
セルロースのモデルガス化反応に用いた触媒は，触当する。

媒 担 体 Al2O3 を K2CO3,KNO3,CH3COOK,K2SO4,KOH 水 溶 液 に

2-2 ベンチスケールガス化装置を用いたガス化実験

含浸（40℃-3hr），溶媒除去することにより所定量担

ガス化反応は受託企業である西日本環境エネルギー

持した後，120℃-12hr乾燥，600℃-3hr焼成（KOHにつ（株）により設計・作製された上部密閉型二重管式噴

いては焼成無し）することにより調製した。ここで活流床ガス化装置（最大処理量約3kg/h）を用いて行った。

性 金 属 の 担 持 量 は ， カ リ ウ ム 金 属 換 算 で 1.5 ×

3

その概略図を図2に示す。ガス化反応は触媒量7000cm ，10-3mol/g-担体となるように調製した。なお，使用しガス化炉設定温度700℃に固定し，水蒸気導入量（以下た触媒担体は粒径106-212μmに選別した物を用いた。

[H2O]/[C]），及び酸素導入量（以下[O2]/[C]）を変化

2-4 ベンチスケールガス化反応用触媒の調製法

させ反応を行った。反応条件等最適化試験における1触媒担体として粒径1～2mmの球状活性アルミナ（住条件での反応時間はバイオマス供給開始から20分間と友化学社製：KHO-12）を使用し，KOH水溶液より蒸発乾し，供給開始より約10分経過後の生成ガスを採取し（約固法により所定量担持した後，120℃-12hr乾燥するこ

30秒間），ガスクロマトグラフを用いて定性・定量をとにより調製した。ここで活性金属の担持量は，カリ行った。ここでの各収率の算出は，内部標準ガスとし

ウ ム 金 属 換 算 で 1.5×10-3mol/g-担 体 と な る よ う に 調てヘリウムを5L/minの条件で反応系内に導入すること製した。

により各生成ガスの時間あたりの生成量を算出し，ガス化率は式（1）により，水素収率は式（4）により算100
KOH/Al2O3

30

KNO3/Al2O3

CH3COOK/Al2O3

K2CO3/Al2O3

25

80
70

20

60
50

15

40

2

K2SO4/Al2O3

H Yield/%

Carbon Conversion [%]

90

10

30
20

5

10
0
0

10

20

30

40

50

60

0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Products Gas amount [mmol/g-cellulose]

CO2

C2～

CH4

CO

＜反応条件＞
反応温度：600℃，[H2O]/[C]=1，[O2]/[C]=0，
触媒充填量：5cm3，セルロース供給速度：100mg/min.
図3[O2 ]/[C]H2

カリウム金属塩種の影響

3 結果および考察
3-1 カリウム金属塩種の最適化（選定）
カリウム金属塩種による影響を調べることを目的として，各種カリウム金属塩より調製した触媒を使用し，

Gas Conversion(%)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

反応温度600℃，[H2O]/[C]＝1，[O2]/[C]=0の条件でセ[O2 ]/[C]

ルロースの水蒸気モデルガス化反応を行った（図3参照）。この中で最も良好な結果を示した触媒はKOH/Al2O3触媒で，その時の各収率はガス化率75%，カーボ
ン収率，タール収率，水素収率25%であった。しかし，
他のカリウム塩種においても，K2SO4担持触媒を除き同

H2 yield(%)

3

Tar

Gas Production Rate [m /hr・kg-BM]

Carbon

H2

CO

CH4

CO2

C2～

＜反応条件＞
ガス化炉温度：700℃，触媒充填量：7000cm3 ，バイオマス供給速度：1～1.7kg/hr，[H2O]/[C]＝1，[O2]/[C]≒0.15～0.85
図4

ガス化反応に対する[O2]/[C]の影響

程度の生成ガス組成，ガス化率，水素収率を示した。
KOH/Al2O3触媒以外はカリウム担持後に600℃で焼成を①～③の条件については主に[O2]/[C]に影響するが，行っていることより，反応中のカリウムはK2O/KOHにな

その他の付随的な効果として，触媒流動・循環，及びっていると考えられ，触媒調製の簡略化の観点からもバイオマス供給を円滑にすることが確認されている。

焼成工程を必要としないKOH/Al2O3触媒が最適である

まず，[O2]/[C]に影響を及ぼす①～③の条件についと考えられる。

て検討した。誘引ファン周波数，循環ガス流量，バイ

3-2 ベンチスケールガス化装置による運転条件の影響

オマス供給量を変数として[O2]/[C]の最適化を行った

触 媒 に モ デ ル 反 応 で 最 も 良 い 活 性 を 示 し た KOH/

ところ（図4参照），ガス化率は[O2]/[C]の上昇に伴い

Al2O3触媒を調製し，今回設計・作製した上部密閉型二ほぼ直線的に増加した。これに対し水素収率は，最適重管式流動床ガス化装置による実木材（杉）のガス化

な[O2]/[C]を有しており，高[O2]/[C]でも低[O2]/[C]反応における反応条件の影響を調べた。

でも収率は低下した。これは，高[O2]/ [C]では反応が本装置における変更可能な条件を以下に示す。

燃焼側に移行するため，低[O2]/[C]ではガス化率自体①誘引ファン周波数が低くなり水蒸気ガス化反応に関与する副生炭素が少②循環ガス流量ないためと推察される。今回検討した条件により各部③バイオマス導入量

温度は変化し，また流動循環状態に影響が有ると考え④水蒸気導入量られるが，各収率はほぼ[O2]/[C]で決定される事が明⑤初期設定温度

らかとなった。水素収率の観点から見ると[O2]/[C]を最適値である0.2～0.4程度に設定することが望ましい

空気の供給がストップしたことによるチャー生成増加
10030の影響，もしくは水蒸気導入やガス生成によるガス流

25

80
70

20

60
50

15

40
10

30
20

速・流通状態の瞬間的な変化による受け皿部への触媒
H2 Yield [%]Carbon Conversion [%]

90

4 まとめ

5

今回，再生可能資源である木質系バイオマスからの0

水素製造を目的として，新規のガス化装置（上部密閉

10
0
0

1

2

3

4

二重管式噴流床ガス化装置）の開発，及びカリウム担[H2 O]/[C]

持触媒を使用した実証試験，条件最適化，及び問題点

H2 yield(%)の抽出等の検討を行った。

0.7

その結果は以下の通りである。

0.6①水素生成量は最大で 2.5Nm3/10kg-BM（ 水素収率：14%）

0.5

3

Gas Production rate[m /hr・kg-BM]

Gas Conversion(%)の移行・堆積・閉塞が考えられる。

と目標値には達成しなかった。

0.4
0.3

②予想した正常な触媒の循環・流動が行われていない。

0.2

また，反応条件によっては運転（触媒循環）が停止

0.1

する。

0
0

1

2

3

4

[H2 O]/[C]
H2

CO

CH4

CO2

③装置の定常運転における問題点が抽出できた。装置
定常運転に影響を与える要因として，ガス流量・密C2～＜反応条件＞
ガス化炉温度：700℃，触媒充填量：7000cm3 ，バイオマス供給速度：1.5kg/hr，[H2O]/[C]＝1～3，[O2]/[C]≒0.58

度，装置内圧力，及びその変化，チャー生成量とその挙動，バイオマス導入箇所等が挙げられる。
しかし，本実証試験で設計・製造したガス化装置は，従来の流動床型バイオマスガス化装置では困難であった触媒とチャーの比重差の大きな粒子の撹拌（触媒－

図5

水蒸気導入量による各収率，および各生成ガス量の影響

バイオマス），生成ガス中タール濃度の低減が可能であるため，ガス化率（水素収率）の向上，後段におけと考えられるが，その条件でのガス化率は60%と低いたるタールトラブルの解消が期待できる。

め，蓄積される未然炭素（チャー）による流動不良のこれらの長所を引き出すためにも，今後コールドモ

発生が懸念される。定常運転の観点から言うと，少なデルによる流量，圧力の変化における流動状態等の詳

くともガス化率が80%（可能であれば90%）以上となる

細な把握，チャーの反応性の詳細な検討，可視化可能

様な運転条件の設定が必要であると考えられる。

なホットモデルによる詳細な検討を行い，装置形状の次に，[O2]/[C]を0.58付近にそろえた時の水蒸気導詳細な再設計が必要であると考えられる。

入量の影響を調べた(図5参照)。水蒸気導入量の増加により，ガス化率は同程度であるが，水素収率は僅かに

本研究は福岡県水素エネルギー戦略会議研究開発支向上する傾向が確認された。しかし，その効果はあま援事業

り大きくないことより，水蒸気導入量は1～2に設定す術の開発」の一環として行われたものである。

事業化研究枠「バイオマスからの水素製造技

ることが望ましいと考えられる。また，本実験において，水蒸気量導入量の増加に伴い触媒の流動状態が不5 参考文献安定になる傾向が見られ，[H2O]/[C]＝3に設定した時

1) 蓮尾東海，他 4 名：福岡県工業技術センター研究報には触媒流動が停止した。また，[H2O]/[C]＝2においても，流動停止までには至らなかったが，反応終了時には非常に不安定な状態であった。この原因としては，

告，No.15，pp.31-34 (2005)

製鋼用フォーミング抑制剤の開発
藤吉 国孝 *1

親川 夢子 *1

大塚 佳代子 *2

岸本 信秋 *2

志賀 正敬 *2

山口 嘉裕 *3

光長 浩 *4

Development of the Reagent which Reduce the Generation of Slag Forming in Steelmaking Process
Kunitaka Fujiyoshi, Yumeko Oyakawa, Kayoko Otsuka, Nobuaki Kishimoto, Masahiro Shiga,
Yoshihiro Yamaguchi and Hiroshi Mitsunaga
製鉄において，銑鉄予備処理の際にスラグが発泡膨張しあふれることから，フォーミング抑制剤が投入されている。このフォーミング抑制剤の材料としては，製紙工場から排出される製紙スラッジを主体としたものが用いられているが，粘土系の添加剤が加えられるものもある。一方，衛生陶器工場では粘土系の排水汚泥が発生することから，本研究では，この粘土系排水汚泥と製紙スラッジを用いて，製鉄製鋼用フォーミング抑制剤の開発を検討した。
その結果，現行品と同等またはそれ以上の物性を示すフォーミング抑制剤が作製可能な条件を見出した。なお，このフォーミング抑制剤自体にも有害重金属類は含有しておらず，かつ産業廃棄物をフォーミング抑制剤として再生することで，環境負担の発生を抑制することができる。

あらかじめ水分量を調整しておいた製紙スラッジ

1 はじめに製鉄において，銑鉄を高炉から転炉へ移す際に，予（写真1左）と粘土系排水汚泥（写真1右）を所定割合

備処理剤（酸素ガスや酸化カルシウム等）を吹き込ん

で混合・混練し，九州製紙（株）が所有するフォーミ

で溶銑中に微量含まれる不純物（ケイ素，リン，硫黄，

ング抑制剤製造装置を用いて，長さ約60mm，重量約

アルミニウム）を除去する。この際に発生する一酸化200gの圧縮成型体を作製し，フォーミング抑制剤とし炭素などにより，スラグが発泡膨張しあふれることかた（図2）。この際，粘土系排水汚泥は微細かつ滑りがら，スラグの表面張力を低下させ激しい泡立ちを防ぐ

良好であることから，混練・成形工程が良好となるこためにフォーミング抑制剤が投入されている。このフとが判明した。なお，粘土系排水汚泥の水分調整はォーミング抑制剤の材料としては，環境負担に配慮しTOTO（株）と九州製紙（株）が担当し，製紙スラッジ

た産業廃棄物活用の観点から，製紙工場から排出されの水分調整，原料の混練ならびにフォーミング抑制剤

る製紙スラッジを主成分としたものが用いられているの作製は九州製紙（株）が担当した。

1)2)が，比重調整や成形性向上の目的で鉱滓 や粘土類

3)等が添加されているものもある。なお，製紙スラッジとは，古紙再生紙を作製する際に，再生紙にすることが困難なロス分であり，繊維が短い残渣等を示す。
一方，衛生陶器工場では，粘土系の廃水汚泥が発生することから，本研究では，この粘土系排水汚泥と製紙スラッジを用いて，製鋼用フォーミング抑制剤を開図1

発することを目的とした。

外観写真

製紙スラッジ（左）と粘土系排水汚泥（右）の2 研究，実験方法
2-1 フォーミング抑制剤の作製*1 化学繊維研究所*2 ＴＯＴＯ（株）*3 九州製紙（株）*4 ＨＯＫＯ（株）

図2

フォーミング抑制剤の外観写真

2-2 蛍光X線分析
製紙スラッジ（九州製紙（株）提供），粘土系排水(1－c)21
c2=+
φ ｎA－ 1 ｎB－ 1(4)

汚 泥 （ TOTO（ 株 ） 提 供 ） お よ び フ ォ ー ミ ン グ 抑 制 剤（九州製紙（株）提供）について，110℃で乾燥後，3 結果と考察リガク電機工業（株）製蛍光X線分析装置3270を用い

3-1 原材料の化学分析て ， 印 加 電 圧 50kV， 印 加 電 流 50mAで フ ァ ン ダ メ ン タ

製紙スラッジおよび粘土系排水汚泥の蛍光X線分析

ル・パラメータ法による半定量分析を行った。

を行った。製紙スラッジの有機物以外の主な成分はCa，

2-3 X線回折測定

Si，Alであった。粘土系排水汚泥の主成分はSi，Alで製紙スラッジ（九州製紙（株）提供），粘土系排水あり，数%程度のKやCaが検出された。共に，有害重金

汚泥（TOTO（株）提供）について，110℃で乾燥後，属類は含有しておらず，また大幅な組成変動は認めら

パナリティカル（株）製X線回折装置X’Pert PROを用れなかった。

いて，印加電圧45kV，印加電流40mAでX線回折パター

X線回折測定による結晶相同定の結果，製紙スラッンを測定し，結晶相の同定を行った。

ジにはCaCO3 ，カオリン，タルク(3MgO･4SiO2(OH)2)な2-4 比重測定

どが含まれていた。また，粘土系排水汚泥の主成分は作製したフォーミング抑制剤についてアルキメデス

石 英 (SiO2) で あ り ， そ れ 以 外 に は カ オ リ ン (Al2O3 ･法による比重測定を行った。110℃で恒量になるまで

SiO2(OH)4)等の鉱物が含まれていることがわかった。

乾燥させた重量(m1)，水中重量(m2)，水温を測定し，粘土系排水汚泥の構成成分は衛生陶器の原料成分で式(1)から比重を算出した（dt ：測定時の水の比重）。

あり，衛生陶器の原料として使用している粘土は，そなお，任意抽出した5検体について測定を行い，平均の安定生産のために粒度や組成が厳密に管理されてい値を求めた。

る。よって，鉄の生産工程に悪影響を与えたり環境問

比重＝m1／(m1－m2)×ｄ ｔ(1)

題を発生させる恐れのある有害重金属が供給されるお2-5 圧縮強度測定

それが無い。更に粒子が微細であることから，目的と作製したフォーミング抑制剤を110℃で乾燥させたするスラグの激しい泡立ち（フォーミング現象）の鎮

試料 に つい て ，オ リ エン テ ック （ 株） 製 テン シ ロン

静効果が向上することが期待される。

RTC-1350A，50kNロードセルを用い，クロスヘッド速

3-2 フォーミング抑制剤の化学分析

度1mm/minで圧縮強度測定を行った。なお，任意抽出

フォーミング抑制剤現行品（粘土系排水汚泥を添加した5検体について測定を行い，平均値を求めた。

していないもの）について，蛍光X線分析を行ったと

2-6 有意差検定 4)

ころ，製紙スラッジの組成を反映し，Ca，Si，Alが主測定した比重および圧縮強度値について，分散の差成分として検出された。作製時期の異なる数種類につの有無に関係なく使える Welch の検定式（式(2)）をいて測定したが，大幅な組成変動は認められなかった。

用 い ， 有 意 水 準 5% で 有 意 差 検 定 を 行 っ た 。 な

廃棄物は組成が不安定であることが多く，再利用を妨

お，xA：A の平均値，xB：B の平均値，VA ：A の分散，げる原因にもなっているが，製紙スラッジの組成は変VB：B の分散，nA：A の測定回数，nB：B の測定回数と動が少ないことから，フォーミング抑制剤にも大幅なし，t 分布の自由度φは式(3)と式(4)から求めた。

組成変動は見られなかった。

t =xA － xB(VA / nA) + (VB / nB)

粘土系排水汚泥を添加した試作品についても，同様(2)に蛍光X線分析を行った。その結果，粘土系排水汚泥の添加率増大に伴い，Si含有量が増加し，Caは減少する傾向が認められ，原料成分を反映した結果が得られ

VA
c ＝ｎ
A

VA
VB
+
ｎA ｎB

(3)

た。なお，水銀，鉛，カドミウム等の有害重金属類は検出されなかった。
3-3 フォーミング抑制剤の物性評価
一般に転炉内において，フォーミング抑制剤は，比重が小さすぎるとスラグと溶融銑鉄の界面に沈降せず，添加率が15％で最大であった。

また，比重が大きすぎると沈んでしまって，目的とす

有意差検定の結果，15％までは粘土系排水汚泥の添るフォーミング現象の防止ができないとされている。

加率増加に伴いフォーミング抑制剤の圧縮強度も増大

よって，フォーミング抑制剤の比重は，フォーミング

し参照試料と同等かそれ以上の値であった。一方，添現象の鎮静化効果にとって非常に重要な物性値である。

加率が20％以上になると圧縮強度は減少し，参照試料

また，フォーミング抑制剤の強度が小さい場合，運搬よりも小さな値となった。これは，おそらく原料の混時や投入時に砕けて，粉塵となってロスが生じたり，練状態の変化に起因しており，即ち，粘土系排水汚泥

作業環境の悪化を招くため，圧縮強度も重要な物性値の添加により，製紙スラッジの繊維分の繋がりや絡みである。そこで本研究では，粘土系排水汚泥と製紙スが低下し脆くなったためと推察される。

ラッジを混合してフォーミング抑制剤を試作し，比重と圧縮強度を測定した。なお，それぞれの試作に対応

表2

した参照試料（製紙スラッジのみで作製したフォーミ

実験

粘土系排水

試作品圧縮

参照試料圧縮ング抑制剤）についても同様の評価を行って，有意差

No.

汚泥添加率

強度(MPa)強度(MPa)

検定を行い比較検討した。

1

7～8重量%

5.3

5.7

表1に，粘土系排水汚泥と製紙スラッジから作製し

2

10重量%

5.8

5.6

た試作品と，製紙スラッジから作製した参照試料の比

3

15重量%

6.0

6.0

重測定結果を示す。

4

20重量%

4.3

4.5

有意差検定の結果，粘土系排水汚泥の添加率増加に

5

25重量%

3.9

4.5

伴い比重は増大する傾向にあり，試作品の比重は参照

6

30重量%

3.9

4.5

フォーミング抑制剤の圧縮強度試料と同等かそれ以上の値であった。この結果は，一
般的に，製紙スラッジよりも粘土の方が比重が大きい

4 まとめことからも支持される。製紙スラッジのみから作製し製紙スラッジと粘土系排水汚泥の混合比を変えて作た参照試料の比重は約1.65であり，転炉中の溶鉄の比製したフォーミング抑制剤について，蛍光X線分析を

重は約4であることから考えると，今回作製した試作用いた組成分析（半定量分析），比重測定や圧縮強度品の比重1.57～1.81の範囲内においては，比重が増加の測定を行い，フォーミング抑制剤としての有効性をした方がフォーミング現象の鎮静化効果がより発揮で検討したところ，以下の知見が得られた。

きると推察される。よって，比重の観点からは，粘土(1)水銀，鉛，カドミウム等の有害物は検出されず，系排水汚泥の添加率は多い方が良いと考えられる。

製鉄の際に有害物を排出することが無いことが確認できた。

表1 フォーミング抑制剤の比重(2)製紙スラッジから成るフォーミング抑制剤に粘土

実験

粘土系排水

試作品

参照試料

系排水汚泥を添加可能であり，添加率が15％まで

No.

汚泥添加率

比重

比重

であれば，現行品と同等またはそれ以上の物性を

1

7～8重量%

1.57

1.63

示した。

2

10重量%

1.73

1.65

(3)比重の大きな粘土系排水汚泥と製紙スラッジの混

3

15重量%

1.69

1.69

練比率を変更し，フォーミング抑制剤の比重を調

4

20重量%

1.73

1.67

整することで，スラグと溶融銑鉄の界面近傍にフ

5

25重量%

1.76

1.67

ォーミング抑制剤を沈降させることができ，結果，

6

30重量%

1.81

1.67

激しい泡立ちを効果的に抑制できると期待される。
(4)産業廃棄物である製紙スラッジと粘土系排水汚泥

表2に，粘土系排水汚泥と製紙スラッジから作製した試作品と，製紙スラッジから作製した参照試料の圧縮強度測定結果を示す。圧縮強度は，粘土系排水汚泥から作製するため，環境負担の発生が抑制できる。

5 参考文献
1)特開平8-269521
2)特開2001-32007
3)特開2003-155513
4)鐵健司：品質管理のための統計的方法入門，pp.9092，日科技連出版（1977）

6 謝辞
本研究は，（財）福岡県環境保全公社リサイクル総合研究センター平成19年度研究会事業である「製鋼用フォーミング抑制剤研究会」において行われたものであり，（財）福岡県環境保全公社リサイクル総合研究センター黒川陽一様・服部和孝様・鳥羽峰樹様・渡辺
誠様，TOTO（株）笠原慎吾様・山崎洋式様・内田富次郎様・内田照雄様・鎌田敏男様・牛嶋隆様のご助言・ご支援に感謝致します。

博多人形の原材料の調査研究－粘土材料に関する調査－
有村 雅司

*1

田中 裕之

*1

藤吉 国孝 *1

牧野 晃久 *1

柴田 鬪夫 *2

後藤 達朗 *2

Research on Raw Materials of the Hakata Doll
- Investigation on the Clay Materials Masashi Arimura, Hiroyuki Tanaka, Kunitaka Fujiyoshi, Teruhisa Makino, Tokio Shibata and Tatsuro Goto
博多人形の販路拡大の為に，従来，小型で室内装飾用であった博多人形を，ホテルのロビーなどの広い空間に対応した大型の装飾品とすることが検討されている。本研究では，博多人形の大型化の為に必要な粘土材料の種類および焼成条件を明らかとするために，各種粘土材料の分析および焼成時の挙動について検討を行った。その結果，
古くから博多人形に利用されている油山近辺を原産とする粘土材料は，粘土鉱物の一種であるカオリン鉱物の含有量が多いため成形性は良好であるが焼成時の収縮が著しく，単体では大型人形の作製に不向きであることが予想された。また、これらの粘土材料をカオリン鉱物量が少ない他の産地の粘土材料と混合することで，焼成時の収縮を抑制することが可能となり，大型の博多人形の作製に適した粘土材料となることがわかった。

1 はじめにる。

博多人形は1600年（慶長4年）に誕生して以来， 伝

そこで，本研究では，博多人形の作製に用いられて統的な技術・技法を活かしながら，常に時代を取り入いる粘土材料の組成分析に加えて，焼成による生地のれた作品作り等，暮らしの変化に対応して質の高い人

収縮および強度の変化，そして博多人形の彩色と重要形づくりが行われている。博多人形は，日本国内のみな関係がある吸水率について評価を行い，大型化の為ならず国際的にも高い評価を得ており，日本を代表すに必要な粘土材料の種類および焼成条件を明らかとす

る人形として海外へも輸出されている。博多人形の特ることを目的とした。

徴は，800～900℃の比較的低温で焼成した素焼きの人
形に彩色を施した落ち着いた感覚であり，釉薬により2 実験着色し1000℃以上の高温で焼成を行う磁器人形では得2-1 試験粘土材料の種類

ることができない独特の風合いがある。

博多人形商工業協同組合から提供された表1記載の5

従来，博多人形は室内用の小型装飾品として重宝さ種類の粘土材料について分析および焼成実験を行った。

れていたが，現代人の居住環境や生活様式の欧米化に

大原原型土および大原赤は，福岡市の油山近辺で採伴い需要が減少している。博多人形商工業協同組合を取され，古くから博多人形の作製に利用されてきた粘中心とした博多人形の業界では，販路拡大のため，ホ

土材料である。島根は島根県産，信楽は滋賀県産の粘テルのロビーなどの広い空間に対応できる大型の人形

土材料であり，比較の為に試験に供した。大原島根信の作製に取り組んでいる。

楽はこれらを混合した粘土材料である。

作品の大型化に伴い，従来の小型の作品では問題とならなかった，焼成時の生地の収縮および強度不足に

表1よる作品破損の問題が表面化することが予想され，こ

No.

粘土材料種

れらを防止する方法を検討しなければならない。その

１

大原原型土

２

大原赤

３

島根

４

信楽

５

大原島根信楽ためには，現在博多人形の作製に用いられている粘土
材料の特徴および特性を把握しておくことが重要であ*1 化学繊維研究所*2 博多人形商工業協同組合

試験粘土材料の種類

2-2 粘土材料の分析●: カオリン鉱物，

表1記載の各種粘土材料の含有鉱物種の同定をX線回▼: 石英，

◇: 長石
▼

大原原型土

折装置(パナリティカル製，X’Pert Pro MPD)によっ

●

●

◇

て行った。

▼
●

◇◇

●

◇

大原赤

2-3 粘土の焼成
回折強度(任意単位)

焼成サンプルは，サンプルの形状を同形とするために幅約20mm，長さ約100mm，深さ約10mmの石膏型を用いて作製した。成形したサンプルの焼成は，伊勢久製
電気炉KDF-8RFを用いて，図1に示す焼成プロファイルに よ り 行 っ た 。 最 終 の 焼 成 は ， 950, 1050 お よ び

島根信楽

1150℃の3種類の温度で行い，この焼成温度に合わせ大原島根信楽て，250℃～焼成温度までの加熱時間を調整した。

5

焼成温度
950, 1050, 1150℃

10

図2

15
20
回折角(°)(Cukα)

2530

各種粘土材料のXRDパターン

炉冷

100℃
0.5h 2h

200℃/時間
2h

図1

2h

3h

粘土の焼成プロファイル

2-4 焼成品の評価

X線回折強度(任意単位)

250℃

カオリン鉱物(12°)
石英
(26°)
長石
(28°)

焼成による各種粘土材料の収縮率は，成形直後のサンプルの長手方向の長さ(100mm)を初期値として，その変化量から算出した。焼成品の吸水率は，焼成品を

大原原型土

大原赤

島根

信楽

大原島根信楽図3 各粘土材料のカオリン鉱物，石英および長石のX線回折強度の比較

完全に乾燥させた重量（乾燥重量）と焼成品へ完全に水を浸透させた重量（飽水重量）から吸水量を求め，べた。図3にその結果を示す。福岡県産の大原原型土

吸水量と乾燥重量の比から求めた。焼成品の強度の評と大原赤は，他県産粘土材料の島根および信楽と比較

価は，3点曲 げ試験(オリ エンテッ ク製 ，テンシ ロン

してカオリン鉱物の強度が大きく，その含有量が多い

RTC-1350A)により行った。3点曲げ試験の支点間距離と考えられる。一般的に粘土鉱物は，粘土材料に可塑は60mmとし，試験速度は0.5mm/minとした。

性を付与し成形性を向上させるが，結晶中に多くの水分を含むために焼成時の収縮が大きくなる 1,2)。

3 結果と考察3-1 各種粘土材料の含有鉱物表1記載の各種粘土材料のXRDパターンを図2に示す。

3-2 焼成品の収縮率および吸水率
各種粘土材料の焼成による収縮率の変化を図4に示す。いずれの粘土材料も焼成温度の増加と共に収縮率

いずれの粘土材料も石英，長石およびカオリン鉱物でが大きくなる傾向があった。特にカオリン鉱物を多く構成されていた。しかし，各鉱物種からのX線回折強含む大原原型土と大原赤は，他と比較して収縮率が大度は，粘土材料の種類により異なっていた。そこで，きくなっている。これらカオリン鉱物の含有量が多い

粘土材料中のカオリン鉱物，石英および長石の含有割

粘土材料で大型の博多人形の作製を行った場合，収縮合の大小を検討するために，各鉱物のピーク強度の比による作品の破損あるいは作品イメージの変化が問題較を行った。カオリン鉱物は12度付近，石英は26度付となる可能性がある。

近，そして長石は28度付近のピークについて強度を調

20

大原原型土
大原赤
島根
信楽
大原島根信楽

18
16

40
35
曲げ強度(MPa)

収縮率(%)

14

大原原型土
大原赤
島根
信楽
大原島根信楽

45

12
10
8
6

30
25
20
15

4
2
900

950

1000

1050

1100

1150

10

1200

0

焼成温度(℃)

焼成温度による収縮率の変化

25

吸水率(%)

図7

大原原型土
大原赤
島根
信楽
大原島根信楽

20

10

15

20

収縮率(%)

15

10

焼成後の収縮率と曲げ強度の関係

45

大原原型土
大原赤
島根
信楽
大原島根信楽4035
曲げ強度(MPa)

図4

5

30
25
20

5
15

0

10

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

0

5

焼成温度(℃)

図5

10

15

20

25

吸水率(%)

図8

焼成温度による吸水率の変化

焼成後の吸水率と曲げ強度の関係

土や大原赤等のカオリン鉱物を多量に含む粘土材料の
45

大原原型土
大原赤
島根
信楽
大原島根信楽40

曲げ強度(MPa)3530

低温焼結性を活かし，800～900℃の比較的低温での焼結が行われていると考えられる。
3-3 焼成品の強度25

各種粘土材料の焼成による曲げ強度の変化を図6に20示す。いずれの粘土材料も焼成温度の増加と共に強度15が増加する傾向があった。低温焼結性が高い大原原型

10

土と大原赤は，他の材料より高い強度が得られている。

5

しかし，図7に示す収縮率と曲げ強度の関係から，

0
900

950

1000

1050

1100

1150

1200

焼成温度(℃)

図6

焼成温度による曲げ強度の変化

大原原型土および大原赤は，ある一定の強度を得るために必要な収縮率が島根や信楽と比較して大きく，低収縮で高い強度を得ることが難しいと考えられる。

図5に各種粘土材料の焼成温度による吸水率の変化

また，図7から分かるように，収縮率と曲げ強度のを示す。いずれの粘土材料も焼成温度が高くなるにつ

関係は粘土材料の種類によりバラツキがある。このこれて焼結が進行し吸水率が減少する傾向があった。収とから粘土材料の組成および焼成条件を調整すること

縮率と同様に，カオリン鉱物の含有量が多い大原原型

で，低収縮で高強度の博多人形の作製が可能であると土と大原赤は，他と比較して吸水率の減少割合が大き考えられる。一方，図8に示す吸水率と曲げ強度の関

く，低温焼結性が高いと考えられる。現在，一般的な係は，粘土材料の種類に依存せず概ね同一の直線関係

博多人形の作製に用いられている手法では，大原原型となり，吸水率により一義的に焼成品の強度が決定することが判明した。
吸水率と彩色作業性との関係について，本研究では詳細な検討を行っていないが，博多人形作家の経験から，大原原型土や大原赤は1000℃を超える焼成温度では生地の吸水性が低下し彩色が困難になるとされている。
よって，図5から，彩色の為には10%以上の吸水率が必要であることが予想され，図8から得られる最大の曲げ強度は30MPa程度であるといえる。30MPaを得るために必要な収縮率は，図7から大原原型土と大原赤が煙草の空箱
高さ：約 9cm

約13%であるのに対して，島根，信楽および大原島根
信楽は約8%である。
以上の結果から，低収縮で比較的高い強度が得られる粘土材料として，大原島根信楽が適していることが図9作製した大型博多人形の外観写真

判明した。
6 謝辞
4 まとめ
古くから博多人形の原材料として用いられてきた福岡市の油山近辺で採取される大原原型土や大原赤等の粘土材料は，粘土鉱物を多量に含むために易焼結性であることに加えて成形性が高く，高度な細工が必要な博多人形に相応しい材料であると考えられる。その反面，焼成による収縮が大きく，大型の作品を作製するには問題がある。
本研究で比較の為に検討した他県産の粘土材料である島根や信楽は，粘土鉱物量が比較的少ないために成形性が劣ることが予想されるが，焼成による収縮が小さい。これら粘土材料を混合した大原島根信楽は，焼成による収縮および吸水率の変化は島根や信楽と同等であり，また，粘土鉱物量が比較的多いために成形性も良好であると考えられる。
本研究結果をもとに，博多人形商工業協同組合は，
大原島根信楽の混合粘土材料を用いて，図9に示す1mクラスの博多人形の作製を行った。

5 文献
1)窯業協会編：セラミックの化学,pp.256-257 (1974)
2)日本粘土学会編：粘土ハンドブック第二版,pp.844847，技法堂出版 (1987)

本研究の一部は，経済産業省平成19年度伝統的工芸品産業支援補助金事業の助成を受け実施しました。

微生物由来の細胞傷害性タンパク質パラスポリン4の作用機構解明－大腸菌組み換え体からのパラスポリン4の精製方法－
奥村 史朗 *1

齋藤 浩之 *1

片山 秀樹 *1

日下 芳友 *1

井上 國世 *2

水城 英一 *1

Study on the Mode of Action of the Parasporin-4, a Cancer Cell-killing Protein
Produced by Bacillus thuringiensis- A Novel Method of Purification of Parasporin-4 from Inclusion Bodies by the Recombinant
Escherichia coli Shiro Okumura, Hiroyuki Saitoh, Hideki Katayama, Yoshitomo Kusaka, Kuniyo Inouye and Eiichi Mizuki
Bacillus thuringiensis A1470株が産生するパラスポリン4(PS4) はCACO-2，Sawano，MOLT-4などのヒト培養ガン細胞に対して細胞破壊活性を示すが，ヒトT細胞などの正常細胞には作用を示さず，溶血活性も示さない 1） ことから，ガン細胞特異的なトキシンとしてその応用が期待されている。PS4遺伝子を大腸菌に導入して培養すると，
PS4組み換え体を封入体として得ることが出来る 2）。この封入体を可溶化・活性化後に陽イオン交換クロマトグラ
フィとゲル濾過クロマトグラフィにより精製を行い，活性化直後のサンプルに対して比活性21倍の精製物を得ることができた。

g/mL程度の低濃度溶液しか得られない 2）。そこで，著

1 はじめにBacillus thuringiensis （BT）は，胞子形成時に者らは封入体を10mM塩酸で可溶化し，ペプシンで活性

パラスポーラルインクルージョン（PI）と呼ばれる封化することで，より高濃度の溶液が得られる調製方法

入体のタンパク質を産生し，このPIが特定の昆虫に対および精製方法を開発した 5 ）。こうして得られたPS4

して殺虫活性を示すことでよく知られている。BTはホ

精製物はSDS PAGEによる分析において単一なバンドを乳類，鳥類，爬虫類などには病原性を示さず，このた示したが，立体構造解明のために結晶化を試みたとこ

めPIから得られた殺虫活性を持つタンパク質はしばしろアモルファスな凝集体を形成し，結晶体を得ること

ば遺伝子組み換え作物に応用されている。近年殺虫活ができなかった。そこでより高精製なPS4を得るため性を持たないPIからガン細胞特異的に細胞傷害活性をに精製方法の改善を試みた。

示すタンパク質が発見されパラスポリンと命名されている 3）。PS4は4番目に発見されたパラスポリンである

2 研究，実験方法

4）

2-1 組み換え体大腸菌の培養と封入体の精製。
PS4はBTのA1470株が産生するPIに含まれており，プPS4遺伝子を導入した組み換え体大腸菌をカナマイ

ロテアーゼ処理により活性化するとヒト白血病細胞由シン20μg/mLを含むLB培地200mLで120rpmで振とうし来であるMOLT-4細胞に対して細胞障害活性を示す
溶血活性は示さない

1）

1）

が，

ながら37℃で一晩培養した。次に培養液を8,000×g,

ことから，ガン細胞特異的なト

15minで遠心して集菌し，菌体を－20℃で2時間以上凍キ シ ン と し て 期 待 さ れ て い る 。 PS4 遺 伝 子 を pET-

結してお いた 。これを 解凍 し，10mLの溶解液（50mM

30a(+)に連結し大腸菌BL21(DE3)株に導入して培養しTris-HCl(pH8), 25% Sucrose, 1mM EDTA）を加えて分たところ，PS4組み換え体を封入体として得ることが散 さ せ ， 10mg/mLリ ゾ チ ー ム を 0.5mL入 れ て ， 室 温 で出来る 2）。この封入体をBT由来タンパク質を調製する

30min イ ン キ ュ ベ ー ト し た 。 そ の 後 ， 超 音 波 破 砕 機

際の定法に従い，炭酸ナトリウム緩衝液（pH10.5）で（Branson model 450D）を用いて強度3，50% dutyで可溶化後，proteinase K処理により活性化すると20μ

3min超音波処 理を行っ た。 次に10mLの界面活性剤 液（ 0.2M NaCl, 1% デ オ キ シ コ ー ル 酸 ナ ト リ ウ ム , 1%

*1 生物食品研究所*2 京都大学大学院農学研究科

Nonidet P-40）を加えて，室温で30minインキュベー
トし，30,000×g, 30minで遠心して封入体を回収した。

これを洗浄液（1% TritonX-100, 1mM EDTA）で洗浄し，

生 存 率 を 市 販 の MTT 試 薬 （ CellTiter96 AQueous One

続いて蒸留水で洗浄した。洗浄は各2回行った。

Solution Reagent [プロメガ製]）を用いてMTT法によ2-2 封入体からのPS4の可溶化・活性化・精製

り測定し，「タンパク質濃度－細胞生存率曲線」から

2-2-1 封入体の可溶化とPS4の活性化

プロビット法により算出した。

湿重量にして40mgの組み換え体の大腸菌によるPS42-2-2 その他の測定

封入体に10mLの10mM塩酸を加え，よく撹拌して37℃でタンパク質濃度はウシ血清アルブミンを標準として60minインキュベートして可溶化し，4,500×gで15min

BCA法 6） でおこなった。SDS-PAGEはLaemmliの方法 7） に遠心して上清を回収し，これを可溶化液とした。10mL

より10-20%のグラジエントゲルを用いて行い，銀染色の 可 溶 化 液 に 10mg/mL ペ プ シ ン を 200 μ L 加 え 37 ℃ で法により染色を行った。

90minインキュベートして活性化し，1mg/mLペプスタ
チン を200μL加え て 氷冷 し 反応 を 停止 し た。 そ の後
4,500×gで15min遠心して上清を回収し，これを活性3 結果と考察
図1にSuperdexG-75カラムによるゲル濾過クロマト化液とした。

グラフィの結果を示した。このゲル濾過クロマトグラ

2-2-2 陽イオン交換クロマトグラフィによる精製

フィにおいては主に3つのピークが得られた。それぞ

活性化液を20mM Glycine, pH3.0で平衡化した1mLのれのピークについてCACO-2細胞に対する細胞傷害活性Resouse Sカラム（GEヘルスケア）に通し，活性化しを検討したところ，2番目のピークは強い細胞傷害活

たPS4をカラムに結合した後，20mM Glycine, pH3.0,性を示したが，1番目と3番目のピークについては活性

3M NaClで数回洗浄し，不要なタンパク質をカラムかが全く認められなかった。2番目のピークは，通常こら取り除いた。次にrunning bufferを20mM Glycine,のカラムにおいて約30kDaのタンパク質が溶出する位

pH10.0に変更し，溶出してくるPS4を回収した。一連置であり，活性化PS4の分子量が約27kDaであることかの操作は流速0.5μL/min, 4℃で行った。

ら，これが精製PS4であると考えられた。1番目のピー

2-2-3 ゲル濾過クロマトグラフィによる精製

クは溶出位置から分子量は80kDa以上と推定され，まSuperdexG-75担体（GEヘルスケア）を0.1M炭酸ナト

た，260nmと280nmの吸光度比がタンパク質と異なって

リウム, pH10.0, 150mM NaClで平衡化し，XK16/70カ

いることから，培養によって生じたなんらかの有機物

ラム（GEヘルスケア）に充填し，Resouse Sカラムにと推定された。3番目のピークは溶出位置から分子量

よ る 精 製 に よ り 回 収 し た サ ン プ ル 1mLを 投 入 し て ，

3kDa以下と推定され，ペプシン処理によって生じたペ1mL/minで平衡化に用いたものと同じ緩衝液を流してプチド断片の可能性が高いと考えられた。

サンプルを分子量により分画した。280nmの吸光度により溶出してくるタンパク質濃度をモニターし，溶出画分を回収してCACO-2細胞による細胞傷害活性を測定した。
2-3 タンパク質の分析方法
2-3-1 CACO-2細胞に対する傷害活性の測定
CACO-2細胞をMEM培地に20%FBSを加えた培地を用いて37℃で5%二酸化炭素存在下で培養し，2.2×105 細胞/mLの濃度で96ウェルマルチウェルプレートに90μLず

図1

ゲル濾過クロマトグラフィによるPS4の精製つ分注した。この96ウェルマルチウェルプレート中で細胞をさらに24時間培養し，試験に用いた。細胞傷害

図2に各精製過程におけるサンプルのSDS PAGEによ

活性については各ウェル中のCACO-2細胞に，サンプル

る分析結果を示した。可溶化液で見られる約30kDaの10μLを加え20時間後に細胞を顕微鏡により観察してバンドはPS4の前駆体で，そのほかのサンプルで見ら調べた。半数影響濃度（EC50 ）は各ウエル中に2倍ずれる約27kDaのバンドは活性化PS4である。各レーンにつ段階希釈でサンプル10μLを投入し20時間後の細胞は総量として300ngのタンパク質を流した。精製過程

が進むにつれて活性化PS4のバンドが太くなっており，

4 まとめ

サンプル中に含まれる活性化PS4の割合が増加していPS4の遺伝子を導入した組み換え体大腸菌からPS4をることがわかる。活性化PS4のバンド以外に目立った

可溶化，活性化，精製する新規な方法を示した。本精バンドが存在しないという点では活性化液の精製度が製方法により，従来法に比較して5.3倍比活性の高い

高いように見えるが，これはペプシン処理により生じ

PS4を得ることができるようになった。今後この高精た低分子のペプチド断片が多く含まれ，これらのペプ

製PS4を用いて，PS4の立体構造の解明や培養ガン細胞

チドが銀染色で染色されないためと考えられた。

における受容体の解明などを試みていき，PS4のガン診断・治療への応用につなげていきたい。

5 参考文献1)S.Okumura,H.Saitoh,T.Ishikawa,E.Mizuki,K.
Inouye:Biotechnol.Annu.Rev.,Vol.14,pp.225-252(2008)
2)S.Okumura,H.Saitoh,T.Ishikawa,N.Wasano,S.
Yamashita,K.Kusumoto,T.Akao,E.Mizuki,M.Ohba,
K.Inouye:J.Agric.Food Chem.,Vol.53,pp.63136318 (2005)3)E.Mizuki,Y.S.Park,H.Saitoh,S.Yamashita,T.Akao,
K.Higuchi,M.Ohba:Clin.Diagn.Lab.Immunol.,Vol.
7,pp.625-634 (2000)
図2

SDS PAGEによるPS4精製過程の分析

std:分子量マーカー，1:可溶化液，2:活性化液，3:陽4)K.I noye ,S .Okum ura, E. Mizuk i:Fo od Sci . Bio technol.,Vol.17,pp.219-227 (2008)

イオン交換クロマトグラフィによる精製物，4:ゲル濾

5)S.Okumura,H.Saitoh,N.Wasano,H.Katayama, K.

過クロマトグラフィによる精製物。stdを除いて各レ

Higuchi,E.Mizuki,K.Inouye:Protein Expr. Purif.,ーンに300ngのタンパク質を投入した。

Vol.47,pp.144-51 (2006)6)P.K.Smith,R.I.Krohn,G.T.Hermanson,A.K.Mallia,

表1

PS4の精製過程

F.H.Gartner,M.D.Provenzano,E.K.Fujimoto, N.M.
Goeke,B.J.Olson,D.C.Klenk:Anal.Biochem.,Vol.
150,pp.76-85 (1985)
7)U.K.Laemmli:Nature,227,pp.680-685 (1970)

表1に精製過程におけるタンパク濃度，CACO-2細胞に対する細胞傷害活性のEC50 ，細胞傷害活性の比活性を示した。最終的にはゲル濾過クロマトグラフィにより活性化液より21倍高い比活性を得ることができた。
これは以前の方法による3.9倍 5） と比較して5.3倍高い値であり，この新規精製方法によりPS4の精製度を大きくあげることができたことを示している。

久留米地域で収穫されるヤーコンを原料にした地域特産品の開発
石川 智之 *1

百武 稔郎 *1

楠本 賢一 *1

Development of Specialty Products Using Yacon Harvested in Kurume Area
Tomoyuki Ishikawa, Toshio Hyakutake and Ken-ichi Kusumoto
久留米市は全国でも有数の農業産出額を誇る自治体の一つである。しかしながら，様々な農産物を生産している
一方で，特筆する農業特産物がないとういことも事実である。また，久留米市には H20 年に「道の駅」が新設されることになっており，久留米市としても地域の農作物を用いた地域特産品を道の駅で販売したいというニーズがある。そこで，健康野菜と言われているヤーコンに着目し，久留米市と連携して，地場企業と共同で，久留米産ヤーコンを用いて地域特産品の開発を行い，新設される「道の駅くるめ」にて販売を行う。

1 はじめに日本の食市場は，25年の間に31.5兆円から80.3兆円と約2.5倍に拡大しているにもかかわらず，日本の農を抑制する成分が含まれているといわれている。塊根は生で食べることもでき，ほんのり甘く，シャキッとした食感が特徴である。

業総生産額は約5兆円で，1.15倍にしか増加しておらず，足踏みの状態が続いている。この原因の一つとし2 研究，実験方法て，国際化による流通が発達し，生産者と消費者との2-1 ヤーコン茶の試作方法

距離が解離してしまったことが考えられている。その福岡県農業総合試験場八女分場及びお茶生産農家のため，農業活力の低下，特に日本の食糧自給率は39%

協力により，緑茶に準じた製造方法により，ヤーコンと低 下 の一 途 をた ど って お り， 福 岡県 に いた っ てはの茎葉からヤーコン茶の試作を行った。ヤーコン茶の22%で全国37位と深刻な社会問題となりつつある。そ

製造工程については図1に示す。

のような中，全国でも有数の農業産出額を誇る自治体

2-2の一つである久留米市も同様の問題を抱えている。久

2-2-1 ヤーコン塊根のペースト化の条件検討方法

ヤーコン塊根のペースト化の検討方法

留米市は，福岡県で第1位，全国でも第15位の農業産

ヤーコン塊根をオートクレーブを用いて121℃にて出額を誇る自治体であり 1) ，様々な農作物を生産して加圧・加熱処理を行った。処理時間は0分（未処理），いるものの，特筆する農業特産物を持っていない。ま1,10,20,40,60分である。それぞれの時間，加熱・加た，H20年には久留米市に道の駅が新設されることに圧処理を行ったヤーコン塊根は，皮を取り除き，小さなっており，地域農業の活性化のために，地域特産のく切断してから，ブレンダーを用いて，20,000rpmで3農作物を用いた地域特産品を新設される道の駅で販売

分間，粉砕した。

したいというニーズがある。そこで，健康野菜として

2-2-2 ヤーコン塊根のペーストの残渣評価方法

注目されているヤーコンに着目し，久留米で栽培されそれぞれの加圧・加熱処理を行い，作製したヤーコ

たヤーコンを用いた地域特産品を開発し，新設される

ン塊根のペーストを5g量り取り，蒸留水で100mlに希道の駅にて販売することを目標として，本研究を開始

釈してから32メッシュの（一辺が0.5mmの正方形の隙した。

間が空いた）金網に通して，通過できなかった残渣のヤーコンはアンデス原産のキク科の植物であり，茎葉や塊根には，整腸作用を示すフラクトオリゴ糖や抗湿重量を測定した。
2-2-3 ペースト及び残渣の顕微鏡観察方法

酸化作用を示すポリフェノール類が豊富に含まれてお作製したヤーコン塊根のペースト及び金網を通過でり，世界三大健康野菜の一つとして知られている。茎きなかった残渣については，顕微鏡による観察を行っ

葉はヤーコン茶として飲用されており，血糖値の上昇

た。

*1 生物食品研究所

葉の刈取り葉・茎を小さく裁断

揉捻機

中揉機

芯水を揉み出して水分を均一にする（４０分）

蒸機

粗揉機

葉を蒸気で蒸し室温まで冷やす（蒸し時間３０秒）

攪拌し熱風を当て、水分を減らす（４５分）

乾燥機

熱風で揉みながら水分を適度に除く（３０分）

揉み上げた葉をさらに乾燥させる（１２０度で４５分）

葉と茎を選別する

図1

ヤーコン茶の製造工程3 結果と考察3-1 ヤーコン茶の試作
ヤーコン茎葉137kgからヤーコン茶35kgを試作した。
ヤーコン茶は1パック当たり3g×10個入りで，838パッ
ク試作した。試作したヤーコン茶のパックを図2に示す。

図3

ヤーコン塊根から作製したペースト（加圧・加熱時間：左から0分（未処理），1,10,20,40,60分）

加圧・加熱処理を行ったペーストでは，ポリフェノー
ルオキシダーゼの大部分が失活し，白色ないしは淡緑色を呈した。加圧・加熱処理時間が長くなるにつれて，ポリフェノールオキシダーゼの活性が低下し，ペース
図2

試作したヤーコン茶

トの色はヤーコン塊根本来の淡黄色になった。
3-2-2 ヤーコン塊根のペーストの残渣測定

3-2 ヤーコン塊根のペースト化の条件検討
3-1-1 ヤーコン塊根のペースト作製
それぞれの時間，オートクレーブ処理を行い，ブレそれぞれの加圧・加熱時間により作製したペーストについて，32メッシュの金網を通過できなかった残渣の湿重量の測定結果を表1に示す。

ンダーにより粉砕して作製したペーストを図3に示す。

加圧・加熱処理の時間を長くするほど，32メッシュの加圧・加熱処理を行っていない0分では，ブレンダー

金網を通過できない残渣は減少し，20分以降ではほとにより粉砕すると，ポリフェノールオキシダーゼによんど変化しなかった。20分以降の残渣量は，加圧・加りポリフェノールが酸化されてすぐに褐変を起こした。

熱処理をしていない0分と比較して，1/60以下になる

表1

各ヤーコン塊根のペーストの残渣測定結果

圧・加熱処理が40分以上の残渣の顕微鏡観察による結残渣量果は，60分の顕微鏡写真で示している結果と同様に，(g)

柔らかい組織塊はなく，堅い大きな繊維状のものが観0（未処理）

0.669

察された。また，加圧・加熱処理が20分の残渣では，

1

0.235

柔らかい組織塊と堅い大きな繊維状のものの両方が観

10

0.014

察された。

20

0.009

ペースト及び残渣の顕微鏡観察の結果から，加圧・

40

0.010

加熱処理が40分以上であれば，ペーストは小さな細胞

60

0.011

塊になり，残渣についても柔らかい組織塊はなくなる

加熱・加圧時間（分）ため，ヤーコン塊根は細かなペーストになっていることが示唆された。

ことがわかった。
3-2-3

ペースト及び残渣の顕微鏡観察

それぞれの加圧・加熱時間により作製したペースト

4 まとめ

及び32メッシュの金網を通過できなかった残渣につい本研究テーマは，久留米市（農政部・商工労働部）て顕微鏡観察を行った。そのうち，加圧・加熱時間がを中心に農工連携を目的として活動を行っている地域

0分（未処理）及び60分の顕微鏡写真について図4に示農業資源活用産学連携研究会と連携しながら，ヤーコ

す。

ン生産農家，クロボー製菓（株），（株）藤井養蜂場，（株）久留米リサーチ・パークと共同で，久留米市に新設される「道の駅」での地域特産品の販売を目指し

ペーストて研究を行った。
福岡県農業総合試験場八女分場及びお茶生産農家の協力によりヤーコン茶の試作及び製造を行った。また，
中村学園大学栄養科学部の原教授及び福岡県農業総合試験場の馬場チーム長の協力によりヤーコン塊根から残渣

ペースト化の検討を行った。40分以上の加圧・加熱処

0分
図4

60分

ペースト及び残渣の顕微鏡写真

理を行って作製した細かなヤーコン塊根のペーストについては，クロボー製菓（株）と共同でヤーコンを用いた黒棒の試作を行っている。さらに，（株）藤井養ペーストの顕微鏡写真について，加圧・加熱処理が未蜂場と共同でヤーコン塊根の蜂蜜漬けの試作を行って処理の0分では大きな細胞塊が多く見られた。加圧・いる。これらの製品について，新設される「道の駅」

加熱処理が1分のペーストについても，顕微鏡によるにて販売を行う予定にしている。

観察の結果は未処理の0分と同様であった。一方で加ヤーコン茎葉及び塊根の機能性評価についても，in

圧・加熱処理が10分以上のペーストの顕微鏡観察によvitro及び細胞を用いた評価を行っている。機能性評

る結果は，60分の顕微鏡写真で示している結果と同様

価により得られた結果については，今後，地域特産品に，大きな細胞塊はなく，いくつかの細胞がくっついの販売促進へとつながる広報材料として報告していき

た小さな細胞塊またはバラバラになった一つの細胞がたいと考えている。

観察された。しかしながら，完全に単細胞化することはできなかった。

5 参考文献残渣の顕微鏡写真について，加圧・加熱処理が0分

1)久留米市食料・農業・農村白書（平成18年度）～久の未処理では柔らかい組織塊が多く見られた。加圧・留米市食料・農業・農村基本計画の推進状況につい加熱処理が10分以下の残渣についても，顕微鏡によるて～,p.63

観察の結果は未処理の0分と同様であった。一方で加温泉環境からの新規 Bacillus thuringiensisの分離と性状解明
百武 稔郎 *1

水城 英一 *1

樋口 和彦 *1

齋藤 浩之 *1

Isolation and Characterization of Bacillus thuringiensis from Hot Spring Environments
Toshio Hyakutake, Eiichi Mizuki, Kazuhiko Higuchi and Hiroyuki Saitoh
Bacillus thuringiensisの探索源として，これまで分離報告例のない酸性環境からの B. thuringiensisの分離を
試 み る た め ， 別 府 温 泉 か ら 採 取 し た 酸 性 の 7 サ ン プ ル か ら ， 酸 性 肉 エ キ ス ブ イ ヨ ン 寒 天 培 地 を 用 い て B.

thuringiensis を分離した。その結果，1つのサンプルから，酸性培地を用いて B. thuringiensis9株を分離することができた。さらに，酸性環境での増殖特性を調べた結果，分離株のうち3菌株は酸性培地でも非常に良く増殖した が ， 対 照 と し て 用 い た B. thuringiensis 基 準 菌 株 は 全 く 増 殖 す る こ と が で き な か っ た 。 ま た ， 分 離 し た B.

thuringiensis菌株は球状の結晶性タンパク質を産生するものが多く，2株がチカイエカに強い殺虫活性を示した。

1 はじめになされてきたものの，本菌の分離において培地等の培

Bacillus thuringiensis （BT)はグラム陽性で好気養条件に関する検討はほとんどなされてこなかった。

性の芽胞形成桿菌である。BTは，カイコの病原細菌と特に，分離用の培地にはpHを中性付近（pH7.0～7.6）

して分離され，芽胞形成時に産生される結晶性タンパに調整した中性肉エキスブイヨン培地等が用いられる

ク質（parasporal inclusion：PI）が殺虫活性の本体ことが多かった。本研究では，BTの探索・分離においであることが明らかにされて以来，人体や環境に安全てこれまで報告のない，酸性肉エキスブイヨン培地をな微生物殺虫剤（生物農薬）として40年以上にわたっ

用い，温泉環境から採取した酸性サンプルからBTの分て，世界各国で使用されてきた 1) 。地球温暖化による離を行った。

感染症媒介昆虫の北上が懸念される現在，BTは特に都市部における大規模な媒介昆虫の防除に極めて有効な

2 研究，実験方法

手段となると期待されている 2) 。BTは当初は，養蚕農

2-1 BTの探索・分離

3)

家の塵埃 や，昆虫の生育環境から分離されることが2-1-1 培地

多かったが，様々な自然環境で生育しており，しかもBTの分離には，肉エキスブイヨン培地（1% ポリペ

菌株ごとに多様な活性を有するPIを産生することから，

プトン，1% 肉エキス，0.2% NaCl，2% 寒天）を硫酸

多様な自然環境の分離源から新規の菌株の探索分離がでpH5.5に調整した酸性寒天培地を用いた。

続けられてきた

4,5)。その結果，カに非常に強力な殺虫 活 性 を 示 す israelensis 株 6) や ， コ ガ ネ ム シ に 強 い
7)

2-1-2 分離源
強酸性環境からBTの分離を行うため，大分県別府市

殺虫活性を示すbuibui株 の発見が相次いだ。一方，の温泉水と土壌を採取した。分離サンプルは源泉の他，

殺虫活性を持たないBTが産生するPIにヒトがん細胞に

源泉付近の土壌と温水，一般に温泉浴に供する温水，

対して強い傷害活性を有する新規タンパク質群が存在

入浴施設からの排水等が含まれていた。採取したサン

8)

することが明らかにされ ，parasporinと命名された

プルは分離操作を行うまでの間，-20℃で保存した。

9)2-1-3 分離方法。
以上のように，これまで，多様な活性を有する新規
10)

温泉水および土壌サンプルは，滅菌水で10倍に希釈を含む地球上のあらしたのち，芽胞形成細菌を選抜する目的で，パスチャ

ゆる地域から分離用のサンプルが集められ，微生物生

ライズ処理（65℃で30分間）を行った。パスチャライ

態学的な観点からも本菌の分離に関する研究が行われズ処理後，階段希釈して中性培地と酸性培地それぞれてきた。しかしながら，多様な分離源を用いた研究は塗布し，28℃で3日間培養した。生育したコロニーののBTを獲得するため，南極大陸

うち，セレウス属の特徴（白色，無光沢）を示すコロ*1 生物食品研究所

ニー数を計測後，位相差顕微鏡を用いて観察を行った。

表1
細胞内に芽胞と共に結晶性タンパク質（PI）を産生したコロニーを B．thuringiensisと同定し分離を行った。
2-2 分離した菌株の増殖試験

酸性試料からの B. thuringiensisの分離結果

サンプル
番号

採取場所

サンプル種類

サンプルｐH

BT/ml or BC/ml or BT/(BT+BC)
g
g
%

①

海地獄池

温泉

4.2

0

20

0

②

白池

温泉

3.9

0

0

0

③

鍋山の湯

土

2.7

0

0

0

④

鍋山の泥湯１

温泉

3.7

0

0

0

培地（1% ポリペプトン，1% 肉エキス，0.2% NaCl，⑤

鍋山の泥湯２

温泉

3.0

0

0

0

2% 寒天）をｐH7.6に調整した中性寒天培地，又は硫

⑥

鬼山排水路

温泉

6.6

0

15

0

酸でpH5.5に調整した酸性寒天培地を40ml入れて寒天⑦

鶴の湯 排水路

土

3.9

340

620

54.8

角形シャーレ（10cm×14cm）に，肉エキスブイヨン

菌株番号HS9953-HS9961※BT：Bacillus thuringiensis ，BC：Bacillus cereus

平板を作成した。この寒天平板にBT分離株及び基準菌と同様に球形のPIを産生する菌株（HS9954，HS9957，

株を接種し，28℃で培養してコロニーの直径を測定し

HS9958）でも，カにほとんど殺虫活性を示さないものた。28℃，10日後のコロニーの直径が0.5～1.0mmを±，も有り，今後，PIの構成タンパク質の違いを調査する

1.0～10mmを＋，10～20mmを＋＋，20mm以上を＋＋＋，必要がある。

全く生育しなかったものを－と評価した。
2-3 分離した菌株の殺虫活性試験
チカイエカに対するバイオアッセイは，3mlの蒸留
水を分注した12穴マルチウエルの各ウエルに，実験室

表2 分離された菌株のPI形状と殺虫活性菌 株 N o.

結晶 性タンパ ク質（ P I)の 形 状

チカイエカに対する殺虫活性（７ ２ 時 間 生 存 率 ：％ ）HS9953楕 円 、球60

内で飼育した4日齢の幼虫をそれぞれ5頭ずつ投入し，

HS9954

球

80

BT菌体懸濁液（250mg/ml）を5µlずつ投与した。25℃

HS9955

球 、不 定 形

40

HS9956

球

0HS9957

球80

HS9958

球80

HS9959球40

HS9960

球

60

HS9961球

20で2日間飼育し，24，48，72時間後に観察し，生死を判定した 11)。

3 結果と考察
温泉環境から収集した7試料のpHは強酸性（2.7）～
弱酸性（6.6）までと幅広かった。酸性寒天培地によHS9956

芽胞HS9961芽胞る Bacillus cereus群細菌の分離結果を表1に示す。 B.

cereus 群の細菌は，①海地獄池(温泉水，pH4.2)，⑥
鬼山排水路（温泉水，pH6.6），⑦鶴の湯排水路（土壌，pH3.9）の3サンプルから分離された。pH3.7以下の強PIPI

酸性サンプルからは， B. cereus 群の細菌は全く分離されなかった。一方，鶴の湯排水路（土壌，pH3.9）

HS9958HS9954
芽胞からは，他のサンプルに比べ非常に多くの B. cereus

PI

群 細 菌 が 分 離 さ れ ， そ の 50% 以 上 が BT で あ っ た 。 B.

cereus群細菌中に占めるBTの割合（BT index）は，一

PI

芽胞

3μm

般の土壌では1～3%12) ，植物葉面で1～6%4) ，淡水で約4%5) ，海底堆積物で約2%13) である。今回のように，BTindexが50%を超える例は，希に活性汚泥で認められているだけである。
鶴の湯排水路（土壌）からBTを9株分離し，性状を

図1

主な分離菌株の形状

温泉環境から分離されたBT9菌株について，酸性寒天培地(pH5.5)，中性寒天培地（pH7.6）での生育特性を調べた（表3）。

調査した。9株はいずれも楕円形～球形のPIを産生しその結果，分離された9菌株はほとんどが酸性寒天（表2，図1），典型的なBTの菱形（bipyramidal)のPI培地で生育し，特にHS9956，HS9957，HS9961株は酸性ではなかった。さらに，チカイエカに対する殺虫活性寒天培地でも，極めて良好な生育を示した。一方，BTを調べたところ，HS9956株及びHS9961株（表2，図1）

基準菌株4株は酸性寒天培地では全く増殖することはに強い殺虫活性が認められた。しかし，これらの菌株できなかった。また，今回，分離された9菌株は，全て中性寒天培地でも良好な生育を示したことから，対6 参考文献照として用いたBT基準菌株等と異なり，酸性環境でも

1)T.R.Glare,M.O'Callaghan:B.thuringiensis:Biol-

増殖 で きる “ 耐酸 性 ”BTで はな い かと 考 えら れ た。

ogy,Ecology and Safety. John Wiley & Sons,

HS9956株，及びHS9961株は酸性環境で非常に良く生育

Chichester. p.350(2000)

表3 分離菌株の異なるpH条件下での生育特性

2)文部科学省科学技術振興調整費重要課題解決型研寒天培地のｐH

究：「新興・再興感染症制圧のための共同戦略」中

菌株No.
HS9953
HS9954
HS9955HS9956HS9957HS9958HS9959HS9960HS9961
血清型 sotto
血清型 kenyae
血清型 aizawai
血清型 morrisoni

基
準
菌
株

ｐH5.5
＋
±
＋
＋＋＋
＋＋＋
＋＋
±
＋
＋＋＋
-

ｐH7.6
＋＋＋
＋＋＋
＋＋＋
＋＋＋
＋＋＋
＋＋＋
＋＋＋
＋＋＋
＋＋＋
＋＋＋
＋＋＋
＋＋＋
＋＋＋

間報告書 p.29 (2007)3)M.Ohba,K.Aizawa,T.Furusawa:Appl.Ent.Zool.,Vol.
14, pp.340-345 (1979)4)E.Mizuki,T.Ichimatsu,S.-H.Hwang,Y.S.Park,H.
Saitoh,K.Higuchi,M.Ohba:J.Appl.Microbiol.,Vol.
86,pp.979-984 (1999)
5)T.Ichimatsu,E.Mizuki,K.Nishimura,T.Akao, H.
Saitoh,K.Higuchi,M.Ohba:Curr.Microbiol.,Vol.
40,pp.217-220 (2000)
6)L.J.Goldberg,J.Margalit:Mosq.News,Vol.37, pp.
355-358 (1977)

し，しかもチカイエカに対して強い殺虫活性を示した

7)M.Ohba,H.Iwahana,S.Asano,N.Suzuki,R.Sato,

ことから，これまで知られていないユニークな菌株でH.Hori:Lett.Appl.Microbiol.,Vol.14,pp.54-57

ある可能性が高い。今後，これらの菌株の細菌学的特(1992)性，殺虫活性，PIの構成タンパク質等を詳細に解析していく予定である。

8)E.Mizuki,M.Ohba,T.Akao,S.Yamashita,H.Saitoh,
Y.S.Park:J.Appl.Microbiol.,Vol.86,pp.477-486(1999)

4 まとめ
酸性環境からBTの分離を行うため，大分県別府市の温泉水と土壌を採取し，酸性寒天培地を用いてBTの探索・分離を行った。その結果，強酸性の土壌1サンプ
ルから，BTが高頻度で分離された。分離したBT9株のほとんどが酸性環境で生育し，そのうち3株は極めて良好な生育を示した。一方，対照として用いたBT基準
菌株は酸性環境では全く増殖できなかった。酸性環境で非常に良好な増殖を示したBT分離株のうち2株は，チカイエカに対して強い殺虫活性を示した。今後，これらの菌株の細菌学的特性を詳細に解析していく必要
がある。

5 謝辞
本研究は，文部科学省科学技術総合研究委託事業『重要課題解決型研究等の推進』「新興・再興感染症
制圧のための共同戦略－媒介昆虫の低環境負荷防除法の開発－」の一環として行われた。深く感謝致します。

9)E.Mizuki,Y.S.Park,H.Saitoh,S.Yamashita,T.Akao,
K.Higuchi,M.Ohba:Clin.Diagn.Lab.Immunol.,Vol.
7,pp.625-634 (2000)
10)N.Wasano,S.Imura,M.Ohba:Lett.Appl.Microbiol.,
28,pp.49-51 (1999)
11)H.Saitoh,K.Higuchi,E.Mizuki,M.Ohba:Microbiol.
Res.,Vol.151,pp.263-271 (1996)12)M.Ohba,N.Wasano,E.Mizuki:Microbiol.Res.,Vol.
155,pp.17-22 (2000)
13)M.Maeda,E.Mizuki,Y.Nakamura,T.Hatano,M.Ohba:
Curr.Microbiol.,Vol.40,pp.418-422 (2000)

八重山諸島土壌からの新規Bacillus thuringiensisの分離
百武 稔郎 *1

水城 英一 *1

Occurrence of Bacillus thuringiensis in Soils of Yaeyama Subtropic Islands
Toshio Hyakutake and Eiichi Mizuki
八重山諸島の石垣島，西表島，竹富島から36の土壌サンプルを収集し， Bacillus thuringiensisの探索を行った。
すべてのサンプルから Bacillus cereus群のコロニーが検出され，8サンプルから B. thuringiensisが分離された。
検鏡した894個の B. cereus 群コロニーの3.4%にあたる30株が B. thuringiensis であった。石垣島から最も多くの菌 株 が 分 離 さ れ ， 採 取 し た 17サ ン プ ル 中 5サ ン プ ル か ら 17株 の B. thuringiensis が 分 離 さ れ た 。 分 離 さ れ た B.

thuringiensis は不定形の結晶性タンパク質を産生するものが多く（80.0%），典型的な菱形（Bipyramidal）の結
晶性タンパク質を産生する菌株は全く分離できなかった。

1 はじめに離された島嶼であり，しかも我が国本土から南方に遠Bacillus thuringiensis （BT)は芽胞形成時に巨大な結晶性タンパク質（parasporal inclusion：PI）をく離れた亜熱帯の八重山諸島の土壌からBTの分離を行った。

産生するグラム陽性の中温細菌である。PIは鱗翅目，双翅目，鞘翅目等の昆虫に選択的な殺虫活性を持つタ

2 研究，実験方法

ンパク質を含んでいるため，これまで，人体や環境に2-1 BTの探索・分離

安全な微生物殺虫剤（生物農薬）として，世界各国で

2-1-1 培地利用されてきた 1) 。BTは当初は，養蚕農家の塵埃 2) や，BTの分離には肉エキスブイヨン培地（1% ポリペプ

昆虫 の 生育 環 境か ら 分離 さ れる こ とが 多 かっ た が，トン，1% 肉エキス，0.2% NaCl，2% 寒天， pH7.6）

様々な自然環境で生育しており，しかも菌株ごとに多を用いた。

様な活性を有するPIを産生することから，多様な自然環境の分離源から新規の菌株の探索分離が続けられて
3,4)

2-1-2 分離源

。また，これらのBTに関する微生物生態学的八重山諸島の石垣島，西表島，竹富島から36の土壌な研究の結果，自然界に存在するBTの多くは殺虫活性サンプルを収集した（図1）。採取したサンプルは分離きた

5)を持たないことも明らかにされてきた 。1999年，殺操作を行うまでの間，-20℃で保存した。

虫活性を持たないBTが産生するPIにヒトがん細胞に対して強い傷害活性を有する新規タンパク質群が存在す
6)

7)ることが明らかにされ ，prasporinと命名された 。
一方，地球の温暖化等の地球規模の気候変動の結果，

2-1-3 分離方法
土壌サンプルは，滅菌水で10倍に希釈したのち，芽胞形成細菌を選抜する目的で，パスチャライズ処理

熱帯や亜熱帯地方で流行していたマラリア，デング熱（65℃で30分間）を行った。パスチャライズ処理後，等の感染症が，媒介昆虫の北上とともに，我が国に侵階段希釈して中性培地と酸性培地それぞれ塗布し，入してくるのではないかと恐れられている。BTにはこ

28℃で3日間培養した。生育したコロニーのうち，セれまで，40年以上に渡り世界各国で人体や環境に安全

レウス属の特徴（白色，無光沢）を示すコロニー数をな微生物殺虫剤として利用されてきた実績があるため，

計測後，位相差顕微鏡を用いて観察を行った。細胞内

特に，都市部での大規模な媒介昆虫の防除に有効な手に芽胞と共に結晶性タンパク質（PI）を産生したコロ段となると期待されている 8)。

ニーをBTと同定し分離を行った。

本研究では，新規のBTの探索を目的に，地理的に隔*1 生物食品研究所

大庭らも八重山諸島を含む琉球諸島の土壌からBTの探索を行っているが 9) ，そのBT indexは1.1%と今回の結果よりかなり低い値であった。今回，採取した36サ
ンプル中8サンプル(22.2%)からBTが分離された。この値は大庭らが琉球諸島全体で得た結果(13.2%)9) より高かった。最も多くBTが分離されたのは石垣島であり，採取した17サンプル中5サンプル(29.4%)から，17株のBTが 分 離 さ れ た 。 西 表 島 は 14サ ン プ ル 中 1サ ン プ ル(7.1%)からBT1株が分離された。竹富島は，5サンプル
中，2サンプル(40.0%)から2株のBTが分離された。
分離されたBTのPI形状の解析結果を表2に示した。
図1

サンプル採集地域
表 2 八重山諸島土壌から分離された B. thuringiensisの結晶タンパク質の形状

3 結果と考察
八重山諸島から採取した36種の土壌サンプルからBT

P araspra l in c lu sionm orph ology

N u m be r of
iso la te s

Ish iakiJim aIrio m o te
J im aT ake tom i
Jim aを分離した。結果を表1に示す。 B. cereus群の細菌は，

Sph e rical/ ov oid

5

2

1

2

36サンプル全てから分離され(894コロニー），その内，Irre gu larly- sh ape d

24

24

0

0

7サンプルからBTが分離された(30株)。今回の実験でIrre gu larly- poin te d

1

1

0

0

Bipyram idal/ c u bo idal

0

0

0

0

9)

は， B. cereus 群に占めるBTの分離頻度 (BT index )は3.4%であった。
表１

分 離 さ れ た BT30 株 の 多 く (24 株 ) は 不 定 形

八重山諸島土壌からの B.thuringiensis の分離(Irregularly-shaped) の PI を 産 生 す る も の で あ っ た(80.0%) 。 球 形 ／ 卵 形

出現コロニー数

サンプル
の種類

希釈率

BT

BC群

1 石垣島、川平公園

砂

1,000

0

27

0.0%

0

45,0002 石垣島、ヤエヤマヤシ林

土壌10,000

0

6

0.0%

0

100,000

3 石垣島、大浦橋

土壌

1,000

0

25

0.0%

0

41,6674 石垣島、西野橋

土壌

1,000

14

53

26.4%

23,3335 石垣島、にしはま橋

土壌

1,000

0

47

0.0%

0

6 石垣島、吹通橋

砂

1,000

0

5

0.0%

0

8,333

7 西表島、野崎橋

土壌

1,000

0

24

0.0%

0

40,0008 西表島、クーラ橋

土壌

1,000

0

7

0.0%

0

11,6679 西表島、ゲーダ橋

土壌

10,000

0

4

0.0%

0

66,667

10 西表島、ゆちん橋

土壌

1,000

0

20

0.0%

0

33,333

11 西表島、平川橋

土壌

1,000

0

50

0.0%

0

83,333

12 西表島、船着き場

土壌

1,000

0

1

0.0%

0

1,667

13 西表島、すおらの木

土壌

1,000

0

37

0.0%

0

61,667

14 西表島、南風見田の浜

砂

1,000

0

1

0.0%

0

1,667

15 西表島、大原橋

土壌

1,000

0

6

0.0%

0

10,00016 西表島、赤井田橋

土壌

1,000

0

31

0.0%

0

51,667№

採取場所

BT／BC群 BT/g

BC/g

備 考

88,333 B2133-2146

土壌

100

0

11

0.0%

0

1,833

18 西表島、与那良橋

土壌

100

0

39

0.0%

0

6,500

19 西表島、美田良橋

土壌

10

0

4

0.0%

0

67

20 西表島、星砂海岸

砂

10

1

11

9.1%

17

183

21 石垣島、眞喜良橋

土壌

1,000

10

84

11.9%

16,66722 石垣島、名蔵大橋

土壌

1,000

0

73

0.0%

0

121,667

23 石垣島、小谷橋

土壌

1,000

0

26

0.0%

0

43,33324 石垣島、崎枝橋

土壌

10

0

19

0.0%

0

317

る菌株は全く分離できなかった。
大庭ら 9) が，琉球諸島の土壌を用いて得た結果では，分離したBTの11.9％にあたる分離株が菱形(Bipyramidal)のPIを産生しており，また，53.2%の菌
株が球形／卵形 (Spherical/ovoid)のPIを産生し，今回の結果と大きく異なっていた。
図2に八重山諸島から分離されたBTの菌体の形状を示した。B2139株は石垣島から分離された株で，今回，分離された多くの菌株と同様に，芽胞に付着した不定

B2154

140,000 B2155-2164

25 石垣島、下田原橋

土壌

100

1

37

2.7%

167

6,167 B2165

26 石垣島、荒川橋

土壌

100

0

13

0.0%

0

2,167

27 石垣島、山門橋

土壌

100

0

54

0.0%

0

9,000

28 石垣島、底原ダム

土壌

100

0

14

0.0%

0

2,333

29 石垣島、底原ダム堰

土壌

1,000

1

31

3.2%

1,667

30 石垣島、大福竹下

土壌

1,000

0

13

0.0%

0

21,66731 石垣島、スターフルーツ下

土壌

100

1

21

4.8%

167

3,500 B2169

32 竹富島

土壌

1,000

1

16

6.3%

1,667

33 竹富島

土壌

1,000

0

55

0.0%

0

34 竹富島

土壌

1,000

0

5

0.0%

0

35 竹富島

土壌

1,000

1

15

6.7%

1,667

36 竹富島

土壌

1,000

0

9

0.0%

0

15,000

30

894

3.4%

1,260

36,122※BT：Bacillus thuringiensis， BC:Bacillus cereus(16.7%)，角張った不定形 (Irregularly-pointed)は1
株(3.3%)，典型的な菱形 (Bipyramidal)のPIを産生す

78,33317 西表島、後良橋(Spherical/ovoid) は 5 株

51,667 B2167

26,667 B2170
91,6678,333

形 (Irregularly-shaped)の結晶性タンパク質を産生した。
B2154株は西表島から分離された菌株であり，球形のPIを産生した。この菌株は芽胞の形状が通常のBTより丸みを帯びており，パラスポリン－１産生株に類似した形態を示した 7,10) 。B2155株は石垣島から分離され，不定形（Irregularly-shaped）で大きなPIを形成し た 。 B2167 株 は 石 垣 島 か ら 分 離 さ れ ， 不 定 形

25,000 B2172（Irregularly-shaped）で板状の特徴的形状のPIを産
生した。

5 謝辞

B2167

B2139

本研究は，文部科学省科学技術総合研究委託事業『重要課題解決型研究等の推進』「新興・再興感染症
制圧のための共同戦略－媒介昆虫の低環境負荷防除法の開発－」の一環として行われた。深く感謝致します。

6 参考文献
B2154

B2169

1)T.R.Glare,M.O'Callaghan:B.thuringiensis:Biology,Ecology and Safety. John Wiley & Sons,
Chichester. p.350 (2000)
2)M.Ohba,K.Aizawa,T.Furusawa:Appl.Ent.Zool.,Vol.
14,pp.340-345 (1979)3)E.Mizuki,T.Ichimatsu,S.-H.Hwang,Y.S.Park,H.
Saitoh,K.Higuchi,M.Ohba:J.Appl.Microbiol.,Vol.

B2172

B2155

86,pp.979-984 (1999)
4)T.Ichimatsu,E.Mizuki,K.Nishimura,T.Akao,H.
Saitoh,K.Higuchi,M.Ohba:Curr.Microbiol.,Vol.40,
pp.217-220 (2000)
5)M.Ohba,K.Aizawa:J.Invertebr.Pathol.,Vol.47, pp.
5μm12-20 (1986)
図2 八重山諸島から分離された B. thuringiensisの形状

6)E.Mizuki,M.Ohba,T.Akao,S.Yamashita,H.Saitoh,
Y.S.Park:J.Appl.Microbiol.,Vol.86,pp.477-486

B2169 株 は 石 垣 島 か ら 分 離 さ れ 角 張 っ た 不 定 形(1999)(Irregularly-pointed)のPIを産生した。B2172株は竹7)E.Mizuki,Y.S.Park,H.Saitoh,S.Yamashita,T.Akao,

富 島 か ら 分 離 さ れ ， 特 徴 的 な 球 形 ／ 卵 形

K.Higuchi,M.Ohba:Clin.Diagn.Lab.Immunol.,Vol.7,(Spherical/ovoid)のPIを産生した。

pp.625-634 (2000)

9)

大庭ら の結果では，分離した菌株のうち，小型の

8)文部科学省科学技術振興調整費重要課題解決型研

球形／卵形 (Spherical/ovoid)のPIを産生した菌株で，究：「新興・再興感染症制圧のための共同戦略」中カに対する殺虫活性が検出されている。今後，今回分間報告書, p29 (2007)

離された菌株について，チカイエカ，ハマダラカ，ネッタイシマカ等に対する殺虫活性を調査する予定である。

9)M.Ohba,N.Wasano,E.Mizuki:Microbiol.Res.,Vol.
155, pp.17-22 (2000)
10)M.Ichikawa,A.Uemori,A.Ohgushi,K.Yasutake,K.
Kagoshima,E.Mizuki,N.D.Binh,M.Ohba:J.Fac.Agr.,

4 まとめ
新規BTの探索・分離を行うため，八重山諸島から土壌を採取してBTの分離を行った。その結果，土壌36サ
ンプルすべてから B. cereus群の細菌が検出され，8サンプルから，合計30株のBTが分離された。 B. cereus
群のコロニーに占めるBTの割合は3.4%であった。分離
したBTの多く(80.0%)は不定形のPIを産生し，BTの典型的な菱形のPIを産生する菌株は全く分離できなかった。

Kyushu Univ.,Vol.52,pp.307-313 (2007)清酒関連分析・評価技術に関する研究－吟醸酒の成分について－
一松 時生 *1

末永 光 *1

大場 孝宏 *1

Analysis and evaluation technology of the sake
- Component analysis of Japanease sake Tokio Ichimatsu, Hikaru Suenaga and Takahiro Ohba
吟醸酒の各種成分と酒質の相関を検討することを目的とし，当研究所で開催される春と秋の吟醸酒・純米酒研究会の出品酒（各社最低1品）の成分分析を行っている。今回，平成19年3月29日と9月27日に開催された吟醸酒研究会の成分分析を行った。その結果，吟醸酒（新酒）では，香気成分のカプロン酸エチルが多いほど成績が良い傾向，
酢酸イソアミルが少ないほど成績が振るわない傾向を認めた。また高級アルコールであるイソアミルアルコールについては負の相関を認めた。

1 はじめにれぞれの位で同じ酒造場の品は1品のみとした）とな

吟醸酒・純米研究会（福岡県杜氏組合久留米支部主催）と連携して研究会の成績と成分分析の相関についるように選んだ。
2-3 成分分析
香 気 成 分 1) は ， ガ ス ク ロ マ ト グ ラ フ （ Hewlettて検討している。
H18酒造年度の吟醸酒・純米酒について，平成19年3

Packard 5890 Series Ⅱ ， 使 用 カ ラ ム ： TC-WAX,GL

月29日及び平成19年9月27日に行われた上記研究会のSciences）にて，ヘッドスペース法・内部標準法にて出品酒の成分分析を行った。

分析した。有機酸は，高速液体クロマトグラフ（島津有 機 酸 分 析 シ ス テ ム ， 使 用 カ ラ ム ： Shim-pack SCR-

そのデータと官能検査の結果について報告する。

102H），糖は，高速液体クロマトグラフ(Tosoh 8010,
使用カラム：Aminex HPX-87H Ion Exclusion Column,

2 方法
吟醸酒の成分分析は，国税庁所定分析法で行った。
平成19年3月29日の研究会の出品状況は，場数40

Bio-rad)にて分析した。

場，

点数157点であった。平成19年9月27日の研究会の出品3 結果と考察

状況は，場数43場，点数187点（吟醸酒124点，純米酒

3-1 吟醸酒（H19.3.29）新酒の成分分析結果63点）であった。
2-1 官能評価

有機酸は，リン酸，クエン酸，ピルビン酸，リンゴ
酸，コハク酸，乳酸，酢酸，ピログルタミン酸の8成

酒造メーカー含め，計10名のパネラーで審査を行っ分を定量し，総酸も算出した。香気成分は，酢酸エチ

た。審査は，吟醸酒は，アンバーグラスを，純米酒はル，酢酸イソアミル，カプロン酸エチル，n-プロパノ

きき猪口を用い，１審で約半数に絞り込み，次に決審

ール，イソブチルアルコール，イソアミルアルコールを行った。審査は3点法で行い，1点：優，2点：良，3の6成分を定量し，E/A比（酢酸イソアミル/イソアミ

点：可とし，パネラー10名の合計点数で評価した。

ルアルコール×100）を算出した。糖は，グルコース

2-2 サンプリングとグリセリンの2成分を定量した。

分析サンプルは，官能評価の点数に基づき，3区分

上位，中位，下位の3区分それぞれでヒストグラム（上位･中位・下位）に分けて行った。上位は，決審（度数分布）を作成した（図1，2）。縦軸に頻度（該の点数の少ないもの，中位は決審の点数の多いもの，

当したサンプル数），横軸に，各種成分濃度（ppm）で下位は一審の点数の多いものをそれぞれ10品以上（そ示している。これらのグラフにより，上位，中位，下位それぞれの分布の傾向が観察できる。図1のリン酸*1 生物食品研究所のグラフでは，上位・中位が，300ppm以下に分布し，

下位

250

300 350 400濃度（ｐｐｍ）

6

4
0

450

280

360 440 520
濃度（ｐｐｍ）

8

クエン酸

2

600

10

頻度

頻度

4
2

0
65

70
75
80
濃度（ｐｐｍ）

8

0

85

6

ピルビン酸
頻度

4

2

2
0

40

140 220 300 380 460
濃度（ｐｐｍ）

図1

60
70
80
濃度（ｐｐｍ）

90
総酸

6
4
2
0

260 310 360 410 460 510
濃度（ｐｐｍ）

H19.3.29研究会

50

8

0
60

ピログルタミン酸

2

乳酸

4

30

0

240 280 320 360 400 440濃度（ｐｐｍ）

6

18
22
26
濃度（ｐｐｍ）

4

頻度

60

14

6

コハク酸

6

2

酢酸

4

0
200

4

頻度

6

リンゴ酸

6
2

200

頻度

8

リン酸

頻度

中位

頻度

頻度

上位
10
8
6
4
2
0

吟醸酒

1300 1400 1500 1600 1700 1800
濃度（ｐｐｍ）

有機酸濃度の上位・中位・下位の度数分布

下位は，すべての濃度に広く分布していた。ピルビン

結果を図3，4に示す。

酸では，上位のサンプル濃度は少ない傾向にあった。

リン酸・ピルビン酸・酢酸（図3）において，上位

香気成分（図2）では，上位のサンプルは，酢酸エのサンプルの濃度は低い傾向であった。香気成分（図チル・イソアミルアルコールが少ない傾向にあり，カ4）では，上位のサンプルのカプロン酸エチル濃度がプロン酸エチルが多い傾向であった。

高い傾向であった。糖では，グルコースが2ppm前後，糖（図2）については，グルコース・グリセリンとグリセリンが0.3ppm前後が上位・中位・下位を問わず，も，特に傾向はみられなかった。

多い傾向であった。

3-2 吟醸酒（H19.9.27）の成分分析結果

3-3 純米酒（H19.9.27）の成分分析結果

有機酸，香気成分，糖は上記(3-1)成分を定量した。

下位

頻度

頻度

4
2
0
20

32

8

2
0
50

65

8

80
95 110濃度（ｐｐｍ）

頻度

頻度

4
2
34

6

Ｅ／Ａ比

38
42
46
濃度（ｐｐｍ）

2

0

0
0.8 1.2 1.6
2
2.4 2.8
酢酸ｲｿｱﾐﾙ／ｲｿｱﾐﾙｱﾙｺｰﾙ×100

吟醸酒

1.7

2
2.3 2.6濃度（ｐｐｍ）

2.9

カプロン酸エチル

2.56

3.5 4.5 5.5濃度（ ｐｐｍ）

6.5

イソアミルアルコール

4
2
0
100

115

130 145 160
濃度（ｐｐｍ）

6

グルコース

1.4

10
8
6
4
2
0
1.5

50

4

2

H19.3.29研究会

3.5

イソブチルアルコール

30

6

図2

2
2.5
3
濃度（ｐｐｍ）

0

125

4

1.5

6

頻度

4

酢酸イソアミル1

80

ｎ-プロパノール

6

頻度

44
56
68
濃度（ｐｐｍ）

10
8
6
4
2
0

頻度

酢酸エチル

6

頻度

中位

頻度

上位
8

有機酸，香気成分，糖は上記(3-1)成分を定量した。

175

グリセリン

4
2
0
0.22 0.26

0.3 0.34 0.38 0.42濃度（ｐｐｍ）

香気成分と糖濃度の上位・中位・下位の度数分布

図5，6に結果を示す。

中位・下位に分類し，それらの結果を度数分布（ヒス上位のサンプルは，リン酸濃度は，350ppm以下であトグラム）で示した。その結果，吟醸酒においては，った。また，リンゴ酸の濃度は，300ppm前後であった。

香気成分では，上位は，酢酸エチル・イソアミルアル

香気成分では，上位サンプルは，カプロン酸エチル濃コールが少ない傾向にあり，カプロン酸エチルが多い

度が低い傾向であった。他の成分では，特に傾向が見傾向であった。有機酸では，上位は，リン酸・ピルビ

られなかった。

ン酸が少ない傾向にあった。純米酒においては，明ら
かな傾向は見られなかった。

4 まとめ
有機酸，香気成分，糖成分濃度と官能評価との間に見られる傾向を検討した。官能評価の成績で，上位・
中位

下位

8

6

リン酸

4
2

8

クエン酸

2

4
2

70
75
80
濃度（ｐｐｍ）

6

6

頻度

2
0
140

上位

220 300 380
濃度（ｐｐｍ）

4
2

H19.9.27研究会

中位

下位

吟醸酒

4

1

2

8

ｎ-プロパノール

634濃度（ｐｐｍ）

5

3

0

0
50

65

8

80
95 110濃度（ｐｐｍ）

30

34

8

38
42
46
濃度（ｐｐｍ）

頻度

4
2

4
0

1.5
2
2.5
3
3.5
4
酢酸ｲｿｱﾐﾙ／ｲｿｱﾐﾙｱﾙｺｰﾙ×100

図4

H19.9.27研究会

4

100

1.4

吟醸酒

1.7

2
2.3
2.6
濃度（ｐｐｍ）

2.9

110

120 130 140濃度（ｐｐｍ）

6

グルコース

2

0

イソアミルアルコール

0

50

6

6

13

2

125

Ｅ／Ａ比

7
9
11
濃度（ｐｐｍ）

6
頻度

頻度

2

5

8

イソブチルアルコール

4

2

4

0

6

6

4

カプロン酸エチル

2

0

120

1500
1700
濃度（ｐｐｍ）

6
頻度

頻度

8

60
80 100濃度（ｐｐｍ）

2

8

酢酸イソアミル

2
40

総酸

4

1300

6

20

80 100 120 140濃度（ｐｐｍ）

有機酸濃度の上位・中位・下位の度数分布

8

酢酸エチル

60

0

260 310 360 410 460 510
濃度（ｐｐｍ）

460

図3

10
8
6
4
2
0

2

6

乳酸

0
60

ピログルタミン酸

40

頻度

頻度

4

60

4

240 280 320 360 400 440濃度（ｐｐｍ）

ピルビン酸

30 40 50濃度（ｐｐｍ）

0

0

85

頻度

65

20

6

頻度

4

60

頻度

10

コハク酸

6

0

頻度

0
240 280 320 360 400 440濃度（ｐｐｍ）

頻度

頻度

6

4
2

0

200 250 300 350 400 450
濃度（ｐｐｍ）

酢酸

6

2

0

8

リンゴ酸

4

頻度

頻度

6

頻度

1)酒類総合研究所報告，178号, pp.1-12 (2006)

頻度

上位

5 参考文献

150

グリセリン

4
2
0
0.22 0.26

0.3 0.34 0.38 0.42濃度（ｐｐｍ）

香気成分と糖濃度の上位・中位・下位の度数分布

中位

下位

2
450 550 650
濃度（ｐｐｍ）

8

6

クエン酸 純米
頻度

4
2

10

600

60

80 100 120濃度（ｐｐｍ）

4
2

6

240

140

頻度

4
2
0
140

220 300 380
濃度（ｐｐｍ）

図5

上位

中位

純米酒

500

4

6

60
80 100濃度（ｐｐｍ）

4

2

1

120

2

6
頻度

ｎ-プロパノール 純米

234
濃度（ｐｐｍ）

5

65

80
95 110濃度（ｐｐｍ）

4

2

8

0
0.5

1

1.5

2

2.5

3

H19.9.27研究会

3

イソアミルアルコール 純米

4
0

40

50
60
70
濃度（ｐｐｍ）

100

80

4
2

120

140 160 180濃度（ｐｐｍ）

6

グルコース 純米

200

グリセリン 純米

4
2
0

0
1.4

酢酸イソアミル／イソアミルアルコー×100

図6

2
2.5
1.5
濃度（ｐｐｍ）

2

6
頻度

2

1

6

30

Ｅ／Ａ比 純米

20.5

イソブチルアルコール 純米

4125

カプロン酸エチル 純米

0

6

0

0
50

2

4

酢酸イソアミル 純米

頻度

40

総酸 純米

1800 2000 2200 2400 2600 2800
濃度（ｐｐｍ）

頻度

頻度

20

350

4

700 900 1100 1300
濃度（ｐｐｍ）

0

0

200 250 300
濃度（ｐｐｍ）

有機酸濃度の上位・中位・下位の度数分布

酢酸エチル 純米

2

150

0
300

H19.9.27研究会

ピログルタミン酸 純米

100

乳酸 純米

2

160

0

640

4

70 100 130濃度（ｐｐｍ）

2

0

460

下位

4

400 480 560
濃度（ｐｐｍ）

6

ピルビン酸 純米

60

320

40

4

コハク酸 純米

頻度

40

頻度

300 400 500
濃度（ｐｐｍ）

0

0

頻度

200

頻度

頻度

6

頻度

0
100

750

頻度

350

4
2

0
250

酢酸 純米

6

2

0

頻度

8

リンゴ酸 純米

4

頻度

4

頻度

6

リン酸 純米

頻度

上位
6

純米酒

1.7

2
2.3 2.6濃度（ｐｐｍ）

2.9

0.3

0.34 0.38 0.42 0.46濃度（ｐｐｍ）

香気成分濃度の上位・中位・下位の度数分布

0.5福岡吟醸酵母の開発
大場 孝宏 *1

末永 光 *1

一松 時生 *1

Breeding of Fukuoka-ginjyo sake yeast
Takahiro Oba, Hikaru Suenaga and Tokio Ichimasu「福岡の酒」の復権を目指し，華やかな香りであるカプロン酸エチルと爽やかな酸味を示すリンゴ酸の両方を多く生産する福岡県オリジナルの吟醸酒用酵母「福岡吟醸酵母」の開発に取り組んだ。福岡県内酒造メーカーの清酒
もろみから分離した183株の中から発酵試験及び清酒の小仕込試験により，カプロン酸エチル及びリンゴ酸を高生産する株，15BY16-9株を取得した。県内の酒造メーカーに協力をいただき，実規模での純米吟醸酒醸造試験（総米1t，精米歩合50%，山田錦）を行い，実用性を証明した。できた製成酒は香りが高く酸味に特徴がある酒質となった。

1 はじめに後，遠心分離した上清を有機酸分析に供した。リンゴ

福岡県はかつて灘，伏見に次ぐ三大酒どころといわ酸の生産性の高い有望株について,30mlの麹エキス培れてきたが，現在は全国第17位にまで地位を下げてい地（ボーメ7）に一白金耳接種し，30℃，3日間静置培る。平成18年度の福岡県の清酒生産量は前年比88.7%

養後，遠心分離を行い，上清中の有機酸濃度を測定し,であり，全国平均(104.0%)を大きく下回る。さらに，

対照酵母よりリンゴ酸の生産量の多い株を選抜した。

5年前の生産量との比が33.0%であり，危機的状況にあ

2-3 清酒の小仕込試験る（全国平均は75.8%)。現在の「福岡の酒」の知名度

清酒の小仕込試験の仕込配合は総米300g，麹歩合

は全国的に低く，福岡県は「焼酎県」と思われている。

20%，汲水歩合140%で行った（表1）。麹米には乾燥麹

このような現状を踏まえ，我々は特徴のある福岡県独（徳島金長（株）製TG-50）を使用し，掛米にはα化

自の清酒用酵母を開発し他県産清酒との差別化を図り

米（徳島金長（株）製AA-50）を用いた。供試酵母はシェアの回復につなげることで，「福岡の酒」の復権

麹エキス（ボーメ7）10mlに酵母を植菌し，30℃，2日を目標にしてきた。今回，華やかな香りであるカプロ間培養後，酒母として使用した。添仕込，踊の温度はン酸エチルと爽やかな酸味を示すリンゴ酸の両方を多12℃，仲及び留仕込はそれぞれ9℃及び7℃で行い，1く生産する福岡県オリジナルの吟醸酒用酵母「福岡吟日あたり1℃温度を上昇させて最高温度を13℃とし，醸酵母」の取得に取り組んだ。

その後13℃一定で発酵させ，留添後，21日目に上槽した。上槽は5,000gで15分間遠心分離により行った。

2 実験材料及び方法
2-1 供試菌株

表1

仕込配合

添

仲

留

合計

福 岡 県 内 酒 造 メ ー カ ー の 清 酒 も ろ み か ら 分 離 した
183株を用いた。また，協会9号酵母(K-9)を対照とし

総米(g)

65

75

160

300

て用いた。

掛米(g)

30

65

145

240

2-2 発酵試験によるリンゴ酸高生産株の選抜

麹米(g)

35

10

15

60

汲水(ml)

80

100

240

420

YMプレート（0.3%酵母エキス，0.3%麦芽エキス，0.5%

酒母(ml)

10

ペプトン，1%グルコース，2%寒天）に塗布し，30℃，

乳酸(ml)

0.3

採取した清酒もろみを滅菌水により適宜希釈した後，3日間培養を行った。生育してきた株をそれぞれ30mlのYM-10培地に一白金耳接種し，20℃で3日間静置培養

2-4 製成酒の一般成分分析
製成酒の一般成分分析は，国税庁所定分析法（第四*1 生物食品研究所

回改正） 1)に従った。

2-5 培養上清及び製成酒の成分分析

3-1で選抜した株について，表1に示す仕込配合で清培養上清及び製成酒の有機酸分析は，高速液体クロ

酒の小仕込試験を行った。K-9を対照として用いた。

マトグラフィー（島津有機酸分析システム，使用カラ

発酵温度は13℃であった。留添後，21日目に上槽した。

ム：Shim-pack SCR-102H）で行った。また，香気成分

選抜した9株の小仕込試験における炭酸ガス減量の経の分析は，ガスクロマトグラフィー（アジレント社製，過は，K-9と比較して差がほとんど認められなかった。

使用カラム：DB-WAX）で行った。

製成酒の主な成分は表3に示すとおりである。この結果から，リンゴ酸及びカプロン酸エチルを多量に生産3 結果と考察する自然突然変異した株，15BY16-9株を新規な吟醸酒

3-1 発酵試験によるリンゴ酸高生産株の選抜製造用菌株として選択した。

福岡県内酒蔵の清酒もろみから取得した183株をそれぞれ30mlのYM-10培地に一白金耳接種し，20℃で3日

表3製成酒の主な成分

間静置培養後，遠心分離した上清を有機酸分析に供した。対照のK-9のリンゴ酸生産量より高いリンゴ酸生

エタノ

リンゴ

コハク

ｶﾌﾟﾛﾝ酸

酢酸

ール

酸

酸

ｴﾁﾙ

ｲｿｱﾐﾙ

(%)

(ppm）

(ppm）

(ppm)

(ppm)

菌株名

産性を示した菌株として，14株が得られた（データは示していない）。取得した14株を麹エキス培地（ボー

K-9

18.6

363

676

1.3

5.2

メ7）30mlに一白金耳接種し，20℃で3日間培養後，遠15BY9-2

18.4

530

608

1.6

5.9

心分離した上清を有機酸分析に供した。結果を表2に15BY9-3

18.2

639

460

2.0

6.0

示す。

15BY14-3

18.4

740

623

1.5

5.0

15BY14-5

18.6

701

591

1.8

5.2

麹エキス培養上清中のリンゴ酸

15BY14-6

18.5

1074

646

1.3

4.1

菌株名

リンゴ酸(ppm)

15BY14-7

18.5

759

615

1.9

4.9

K-9

152

15BY14-9

18.9

977

693

0.9

4.3

15BY7-7160

15BY16-9

18.1

538

607

3.4

5.4

15BY8-2

177

15BY27-10

18.2

393

582

2.0

4.8

15BY8-5

145

15BY8-8

149

15BY8-9138

県内の酒造メーカーに協力をいただき，実規模での15BY9-2

196

純 米 吟 醸 酒 醸 造 試 験 （ 総 米 1t， 精 米 歩 合 50%， 山 田

15BY9-3282錦）を行い，実用性を評価した。K-9を使用した同一

15BY14-3349

条件の仕込で製造した純米吟醸酒を対照とした。でき15BY14-5266

た純米吟醸酒の成分分析結果を表4に示す。

15BY14-6349

15BY14-7

227

15BY14-9344

15BY16-9235

エタノール（％）

15BY27-10257

表2

3-3 実規模醸造試験

表4

製成酒の成分分析結果
K-9

15BY16-9

17.3

17.0

日本酒度

+4

±0

酸度

1.6

2.0

アミノ酸度

1.1

1.5

15BY9-3, 15BY14-3, 15BY14-5, 15BY14-6, 15BY14-7,

ｲｿｱﾐﾙｱﾙｺｰﾙ(ppm)

148

151

15BY14-9, 15BY16-9, 15BY27-10の９株を選抜した。

酢酸ｲｿｱﾐﾙ(ppm)

2.2

2.4

3-2 清酒の小仕込試験によるカプロン酸エチル及びリン

ｶﾌﾟﾛﾝ酸ｴﾁﾙ(ppm)

1.5

3.1

K-9に比べ，リンゴ酸を多く生産していた15BY9-2,

ゴ酸高生産株の選抜

コハク酸(ppm)

404

814

リンゴ酸(ppm)

393

1312

乳酸(ppm)285386

ピルビン酸(ppm)

164

29

酢酸(ppm)2340

クエン酸(ppm)

63

133

15BY16-9を用いた製成酒は，K-9を用いたものより
よりカプロン酸エチルを2倍，リンゴ酸を3.3倍多く生産していた。15BY16-9はもろみの後半少しきれが鈍っ
たが，実用化の上では，それほど問題にならない程度であった。実規模での製造試験でできた吟醸酒について官能評価を行ったが，K-9で製造した吟醸酒より香りが高く酸味に特徴があり評価が高く，「福岡吟醸酵母」としての実用化が可能となった。

4 まとめ
福 岡 県 内 酒 造 メー カ ー の 清 酒 も ろ み か ら 分 離した
183株の中から発酵試験及び清酒の小仕込試験により，カプロン酸エチル及びリンゴ酸を高生産する株，
15BY16-9株を取得した。県内の酒造メーカーに協力をいただき，実規模での純米吟醸酒醸造試験（総米1t，精米歩合50%，山田錦）を行い，実用性を証明した。
できた製成酒は香りが高く酸味に特徴がある酒質となった。

5 参考文献1)注解編集委員会編: 第四回改正国税庁所定分析法注
解，日本醸造協会(1993)福岡県大島産アカモクにおける粘性多糖類含有量の季節変動（第２報）
上田 京子 *1

黒田 理恵子 *1

木村 太郎 *1

赤尾 哲之 *1

篠原 直哉 *2

後川 龍男 *2

深川 敦平 *2

秋本 恒基 *2

A Quantitative Analysis of Polysaccharides of Brown Algae Akamoku Collected off theOshima Island (Fukuoka Prefecture) (second report)
Kyoko Ueda, Rieko Kuroda, Taro Kimura, Tetsuyuki Akao,
Naoya Shinohara, Tatsuo Ushirokawa, Atsutoshi Fukagawa and Tsuneki Akimoto
福岡県の沿岸に多く自生している褐藻アカモクは，食用として利用され始めており，近年販売実績を伸ばしている。今回，安定的にフコイダンを含む加工品を生産するために，アルギン酸，フコイダン含有量を漁場中の定点で雌雄別で評価した。結果として，アルギン酸含有量は雌雄の差，季節変化に関わらず，3.1～4.2g（湿藻体100g当たり）含まれていることが分かった。一方，フコイダンは成熟期以降に含まれ，雄株は1.0～1.7g（湿藻体100g当たり），雌株は0.4～0.9g（湿藻体100g当たり）含み，雄株の方が多い傾向にあった。雌雄株をバランス良く収穫することで，安定した原料を得ることが出来ると分かった。アカモク加工品にはフコイダンが500～700mg程度含有し，フコイダンを豊富に含むことが明らかとなった。

1 はじめにアカモクはヒバマタ目ホンダワラ科に属する褐藻のイダンは抗血液凝固作用 1) ，コレステロール低下 2) ，抗腫瘍効果 3) ，アルギン酸は血圧低下作用，整腸作用

一種であり，日本沿岸一帯の広い地域に生息している

4,5)

海藻である。冬の間に成長し，成長すると約10mにまている。我々は前報において，アカモクの生殖器床ので達する。東北地域では「ぎばさ」と呼ばれ，伝統的出現に伴い，フコイダン含有量が急増することと，アに良く食べられている海藻である。福岡県の沿岸におルギン酸は成長のステージに関わりなく，ほぼ一定にいても多く自生しているが，福岡県では食用で利用す含まれていること 6,7) ，また，生殖器床について詳細

ることは一般的に行われていなかった。しかし，近年，に調べた結果，生殖器床にほとんどのフコイダンが含

福岡県水産海洋技術センターにおいてアカモクの収穫，まれていることについて報告を行った 8) 。アカモクは加工，保存方法についての研究を行い，地元漁業者へ

雌雄により生殖器床の形態が大きく異なることから，の普及を行っている。現在では県内の各漁協，支所にフコイダンの含有量が雌雄株で異なる可能性がある。

広がりをみせるとともに，順調に販売実績を伸ばしてそこで，本報では，安定的にフコイダンを含むアカモいる。アカモク加工品の特徴としては強い粘りがあり，

ク加工品を生産するために，漁場中でのアカモクの雌

ポン 酢 や醤 油 など を かけ ， かき 混 ぜて 食 べる 「 もず雄に着目し，フコイダン，アルギン酸含有量を雄株，く」や「メカブ」と同様な市場の商品形態で道の駅等

雌株に分けて，定点における季節変動を調べた。また，において販売されている。アカモクのねばりの成分と加工におけるフコイダン含有量の変化を調べるため，して考えられる物質として，フコイダンやアルギン酸

アカモク加工品に含まれるフコイダン含有量を測定しがある。フコイダンはフコースを主な構成糖とした硫た。次に，アカモクの特徴を知るために，フコイダン

酸化多糖の1つであり，その水溶液は高い粘性を示すを多く含むとされるモズク類の海藻と，フコイダン含ことが知られている。また，アルギン酸は海藻の構成有量を比較した。

など，様々な機能を有する可能性が多く報告され糖として知られており，増粘多糖としてアイスクリームなどの加工食品に多く用いられている。また，フコ

2 試料および実験方法
2-1 試料*1 生物食品研究所*2 福岡県水産海洋技術センター

アカモクは福岡県宗像市大島松ヶ下沖水深3mの定点で2005年2月14日から2005年5月11日の間に採取したものを用いた。雌雄の判別は，生殖器床と呼ばれる配偶2-3 加工品試料作製方法

子を放出する器官で決定される。生殖器床が長くて細実際の加工現場では，採取してきたアカモクの異物

いものが雄株，短くて太いものが雌株である（図1）。

を水洗いによって，除去した後，薄めた海水（海水：

試料として雌雄が判定できない時期には20個体，生殖

水=2:1）で軽く茹で，水で冷却し，ざるに上げる。水器床を有する雌雄の区別が判定出来る時期には雌雄そ気を切ったアカモクは，ミートチョッパーでミンチ状

れぞれ10個体を採取した。

に裁断した後，パック詰めにする（図2）。今回，これまた，比較としたモズクは福岡県志摩町産フトモズに準じた方法で，採取したサンプルを加工し，分析をク （ Tinocladia crassa ）， 福 岡 県 糸 島 町 産 モ ズ ク

行った。

（ Nemacystus decipiens ），沖縄県久米島産オキナワ

2-4 フコイダン及びアルギン酸の抽出方法

モズク(Cladosiphon okamuranus)の3種類をそれぞれ1
個体ずつ調べた。

前報 6,7)と同様に抽出を行った。
2-5 フコイダンの糖組成分析
精製したフコイダン1mgを蒸留水（100μl）に溶解（A）し，トリフルオロ酢酸(200μl)を加え，100℃で3時間（B）

加水分解を行った。サンプルを減圧乾燥し，70%アセ
トニトリルに再溶解したものを測定試料とした。高速液体クロマトグラフにて分析を行い，フコース，グル
生殖器床

生殖器床

コース，キシロースの構成糖比を調べた。
2-6

図1

アカモクの生殖器床：アカモク雄株(A)，アカ

ウロン酸，硫酸基の定量

ウロン酸はカルバゾール硫酸改変法によって定量した 9) 。標品はガラクツロン酸を用いた。また，硫酸基

モク雌株(B)

はDodgson Price法により定量した 10)。

(A)

(B)

3 結果と考察
3-1 アカモクのフコイダン含有量
アカモクの雌雄株についてフコイダン含有量の季節変化を図3に示す。但し，2月14日採取サンプルは生殖器床を有していない株と有していても雌雄の区別が判

(C)

(D)

定できない株であったため，雌雄の区別を行わず，未分化とした。2月28日以降は雌雄の判別が可能となり，雄株，雌株を分けて分析を行った。未分化の段階においては，フコイダンがほとんど含まれていなかったが，2月28日以降は多く含まれており, 雌雄株ともに変動が見られた。また，4月21日採取サンプルを除き，雄

図2

アカモク加工工程：収穫されたアカモク(A)，茹工程(B)，ミンチ工程(C)及びアカモク加工品(D)株のフコイダン含有量が多い傾向にあること，雄株のフコイダン含有量が最大になる時期（3月28日）と雌株のフコイダン量が最大になる時期（4月21日）は約1

2-2 試料の前処理ヶ月ずれる傾向にあることも明らかとなった。以上の採取したアカモクの上部2/3を切り取り，凍結乾燥結果により，原藻の雌雄株の違い，季節によるフコイを行い，粉砕器で粉末化した。モズク類は凍結乾燥し，ダン量の変動が大きいことが分かった。そこで，雌雄粉砕した。

株を平均的に収穫することにより，期間を通じて，フコイダン量のばらつきを少なくすることが可能になると考えられる。

3-2 アカモクのアルギン酸含有量

フコイダン量は500mg～700mg程度であり，原藻と比較

アカモクの各採取日におけるアルギン酸含有量の変して，加工品は7～5割のフコイダンを保持しているこ

化を図4に示す。アルギン酸は，未分化，雄株，雌株，とが明らかとなった。さらに加工条件を検討すること

季節に問わず，3.1～4.2g（湿藻体100g当たり）であ

により，フコイダンをより多く保持したアカモク加工

り，ほぼ同様の含有量であった。アルギン酸を常に一品を生産することが可能になるかもしれない。

0 .6
0 .4
0 .2
0
5 .1 1

フコイダン量（g/湿藻体100g）

1
0 .8

4 .2 1

5 .1 1

4 .2 1

3 .2 82 .2 82 .1 4

採取日

原藻
加工品

1 .2

3 .2 8

未分化
雄株
雌株

1 .4

2 .2 8

1 .8
1 .6
1 .4
1 .2
1
0 .8
0 .6
0 .4
0 .2
0

2 .1 4

フコイダン量（ｇ/湿藻体100g）

定量含む原藻が収穫できることが分かった。

採取日

図6 加工品中のフコイダン量

図3 フコイダン含有量の季節変化

アルギン酸量（g/湿藻体100g）

3-4 アカモクとモズク類とのフコイダン含有量の比較
モズク類原藻とアカモクの原藻についてフコイダン

4 .5
4含有量を比較した。その結果を図7に示す。アカモク

3 .5

については，商品として用いる2/28以降の平均を記載3した。今回のデータでは，アカモクは他のモズク類よ

2 .5

未分化
雄株
雌株

2
1 .5
1

りもフコイダンを多く含むことが示された。モズク類
については1試料のみの分析であるため，さらなる解析が必要ではあるものの，アカモクにも同様にフコイ

0 .5

ダンが含まれていることが明らかとなった。

0
5 .1 1

4 .2 1

3 .2 82 .2 82 .1 4採取日

図4

アルギン酸含有量の季節変化

3-5 アカモク，モズク類の精製フコイダンの化学組成
海藻種・季節によって含まれるフコイダンの組成が異なることが知られている。そこで，モズク類，及びアカモクのフコイダンについて化学組成の検討を行った結果を表1，表2に示す。ここではデータを示していないが，アカモクについては季節を通じて，また雌雄間での化学組成に変動はあまり見られなかった。モズ
クについては，品種間の差があることが明らかとなり，
特にオキナワモズクは，ウロン酸が，多く含まれてい

図5

加工時に出る粘性の高い液体

ることが分かった。硫酸基については，アカモク，オ
キナワモズクと比較して，フトモズク，モズクの方が3-3 アカモク加工品中に含まれるフコイダン含有量高いことが分かった。フコイダンの機能性については，

アカモクの加工現場において，湯通し工程中に粘性

その化学組成により異なるとの報告 11)があり，アカモの高い液体が副産物として出来る（図5）。この液体にクのフコイダンについても他の海藻と異なる機能を有

フコイダンが流出している可能性があるため，アカモする可能性がある。フコイダンの組成と機能性につい

ク加工品中に含まれるフコイダン量を測定した。結果ては，さらなる研究が待たれる。

を図6に示す。今回の結果より，加工品中に含まれる

精製フコイダンの糖組成

フコース : キシロース:
グルコース
オキナワモズク
アカモク（2005年平均）

モズク（福岡産）

フトモズク（福岡産）

海藻種

フトモズク
（福岡産）
モズク
（福岡産）
アカモク

図7 フコイダン含有量の比較
表1

糖組成

サンプル

オキナワモズク

フコイダン量g（湿藻体100g）

表2
1 .2
1
0 .8
0 .6
0 .4
0 .2
0

（2005年平均）

1.00 : 0.06 : 0.30

1.00 : 0.03 : 0.11

1.00 : 0.08 : 0.00

1.00 : 0.02 : 0.01

精製フコイダン中のウロン酸，硫酸基含有量

サンプル

フコイダン中の含量
ウロン酸/%

硫酸基/%

15.9

26.9

4.3

32.9

2.4

36.4

2.9

28.6

5 参考文献1) 酒 井 武 ， 加 藤 郁 之 進 ： 化 学 と 工 業 ， Vol.58,
pp.580-582(2005)

オキナワモズク
フトモズク
（福岡産）
モズク
（福岡産）
アカモク
（2005年平均）

2)上原めぐみ，田幸正邦，川島由次，福永隆生，尚弘子，知念功，本郷富士弥：応用糖質化学，
Vol.43,pp.149-153(1996)3)松田太一，佐々木甚一，栗原秀幸，波田野六男，
高 橋 是 太 郎 ： 北 大 水 産 彙 報 ， Vol.56,pp.7586(2005)
4) 山 田 信 夫 ： 海 藻 利 用 の 化 学 ,pp.90-104, 成 山 堂(2001)

4 まとめ
安定的にフコイダンを含むアカモク加工品を生産す

5)浅 岡 力 ： New Food Industry,Vol.43,pp. 131 9(2001)

るために，雄株，雌株に分けて，定点におけるアルギ

6)上田京子，木村太郎，黒田理恵子，赤尾哲之，篠ン酸，フコイダン含有量の季節変動を調べた。アルギ

原直哉，後川龍男，深川敦平，秋本恒基：福岡県

ン酸は，雌雄，季節ともに含有量の差は見られなかっ

工 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 ， No.17, pp.31-

た。一方，フコイダン含有量は，雄株が雌株よりも多34(2007)

い傾向があった。以上の結果から，雌雄株をバランス

7)木村太郎，上田京子，黒田理恵子，赤尾哲之，篠良く収穫することで安定した原料が得られることが分

原直哉，後川龍男，深川敦平，秋本恒基：日水

かった。また，アカモク加工品にはフコイダンが500

誌，Vol.73, pp.739-744(2007)～700mg程度含まれていることを明らかにした。アカ8)黒田理恵子，上田京子，木村太郎，赤尾哲之，篠モクはフコイダンを多く含む食材の１つとして，普及

原直哉，後川龍男，深川敦平，秋本恒基：日水することが期待される。また，原藻と比較して，加工誌，Vol.74, pp.166-170(2008)

によって3～5割フコイダンが減少することが明らかと

9)福井作蔵：生物化学実験法Ⅰなった。この結果より，加工方法を検討することにより，フコイダンをより多く含む加工品を生産できることが分かった。また，フコイダンを含む加工副産物についても再利用の検討が必要である。

還元糖の定量法，pp.62-64，学会出版センター(1990)
10)Dodgson K.S.,Price R.G.:Biochem.J.,Vol.84,pp.
106-110(1962)11)Schaeffer DJ,Krylov VS.:Ecotoxicol.Environ.
Saf.,Vol.45,pp.208-227(2000)

ナノ繊維を用いた細胞の組織化に関する検討
山口 哲 *1

境 慎司 *2

渡邉 理恵 *3

多羅尾 隆 *3

川上 幸衛 *2

Development of Electro-spun nanofiber for cell culture engineering
Tetsu Yamaguchi, Shinji Sakai, Rie WATANABE, Takashi TARAO, and Koei Kawakami
近年,多くの分野においてエレクトロスピニングナノファイバー不織布の応用可能性に関する研究が行われている。本研究では,3次元的に細胞を培養可能な担体の開発を目的とし,各素材からなるエレクトロスピニングナノフ
ァイバー不織布を作製,その上でヒト株化肝細胞HepG2を培養し,細胞増殖能や細胞機能を評価した。その結果,セルロースアセテート,ポリアクリロニトリル,シリカのそれぞれ異なる成分からなるエレクトロスピニングナノファイ
バー不織布上で旺盛な細胞増殖能が見られ,一部素材では不織布全体を細胞が覆うなど特異的な現象が見られたことから,エレクトロスピニング法を用いて作製されたナノファイバー不織布は,細胞培養担体として有用可能性が示された。

1 はじめにナノファイバー不織布を作製し,その不織布上でヒト

近年,ナノオーダーレベルの繊維を作製可能なエレ

株化肝細胞HepG2を培養した。さらに,細胞と不織布とクトロスピニング法が注目されている 1) 。エレクトロの接着性,細胞増殖性および細胞機能の推移を評価す

スピニング法とは,原料となる溶液をシリンジから射ることで,本不織布の細胞培養担体開発への応用可能出させ,同時に高電圧を印加し,溶媒を蒸発させること性を検討することを目的とした。

で繊維を作製するという原理である。本方法は,従来法と比較すると簡便かつ常温・常圧で紡糸が可能なこ

2 研究・実験方法と,溶媒を用いて可溶な素材であれば繊維化できるこ

2-1 ナノファイバー不織布の作製となどの特徴から,その応用可能性について多くの研本検討では,ポリウレタン(PU),ポリビニルアルコー究が行われている 2-5) 。エレクトロスピニング法を用ル(PVA),シリカ(Si),セルロースアセテート(CA),ポリ

いて作製される不織布の特徴を以下に示す。 ①直径

アクリロニトリル(PAN)の5種類の素材からなるエレク

50nm～1μmのナノファイバーからなる繊維集合体であ

トロスピニングナノファイバー不織布を試作した。

る ②繊維が細いため表面積の増大が期待される ③不2-1-1 PU 不織布の作製

織布の単位体積当たりに繊維が占める割合(空隙率)が90%以上である

PU不織布の作製は,PU粉末をN,N-ジメチルフォルム等の特徴を有している。

ア ミ ド (DMF) に 18wt% 加 熱 溶 解 さ せ た 。 そ の一方で,生体由来の一部の動物細胞は,従来の2次元

後,0.2ml/minで溶液を射出しながら18kVの電圧を印加的な培養ではなく,3次元的に培養すると,細胞の増殖

して不織布を作製した。

性・機能性が向上するという特徴がある。この特徴を

2-1-2 PVA 不織布の作製

応用し,再生医療用や有用タンパク質生産および各種

PVA不織布は,蒸留水に6～14wt%となるようにPVA粉分析ツールの開発などの研究が数多く行われている。

末を溶解し,24kVの電圧を印加してナノファイバー不この細胞を3次元的に培養するためには,細胞の支持体

織布を作製した。その後,細胞培養用として150℃30分となる「細胞培養担体(スカッフォルド)」と呼ばれるの加熱処理を施し水不溶性を付加させた。

生体材料が必要不可欠であり,機能性を有した細胞培

2-1-3 Si 不織布の作製

養担体の開発が切望されている。
本研究では,各素材からなるエレクトロスピニング

Si不織布は,テトラエトキシシラン（TEOS）,エタノール,精製水,塩化水素をそれぞれ1:2:2:0.01のモル比にて混合後,80℃30分加熱して加水分解を促進させた*1 生物食品研究所

6)*2 九州大学大学院工学研究院化学工学部門*3 日本バイリーン㈱ 研究所

行いながら10kVの電圧を印加させることで不織布を作。得られたゾルを-4℃で冷却後,0.2ml/minの射出を

製,常温乾燥を行った。

いると考えられる。そこで,パラメータ毎に条件を設

2-1-4 CA 不織布の作製

定し,最適なエレクトロスピニング条件を検討した。

CA不織布は,CA粉末をアセトンに6～12wt%になるよ
う溶解させ,8kVの電圧を印加して不織布を作製した。
2-1-5 PAN 不織布の作製
PAN不織布はDMFに10.5wt%となるようホモPAN粉末を溶解し,8kVの電圧を印加して不織布を作製した。

3μm

2-2 細胞培養

６ｗｔ％

3μm

１０ｗｔ％

2-2-1 各不織布の細胞前処理
各素材で作製した不織布は,1cm2 四方,厚み400μmに細切し,蒸留水にて洗浄した。SiおよびCAはオートク
3μm

レーブ処理を施し,PU,PAN,PVA不織布は70%アルコール滅菌を施した。各不織布片を24wellプレートに移し,

１４ｗｔ％

培養操作を行った。
2-2-2 細胞培養条件

写真1

PVAナノファイバー不織布のSEM(溶媒：H2O)

24well プ レ ー ト に ヒ ト 株 化 肝 細 胞 HepG2 を ,5 ×
105cells/mlの濃度で各ウェルに播種した。培養培地にはWilliams’s MediumEに10%FBSおよび75μg/mlペニ
シリン,50μg/mlストレプトマイシン,1mM NH4Clを添加した培地を用い,37℃5%CO2 雰囲気下で1日おきに培

60μm

60μm

養培地交換を行い,2週間の培養を行った。

８ｗｔ％

６ｗｔ％

2-2-3 細胞数・細胞機能評価
培養期間における細胞数は,クエン酸-クリスタルバ
イオレット溶液を用いて測定した。また,肝特異機能の指標である培地中のアンモニア濃度およびアルブミ
ン 濃 度 を ,そ れ ぞ れ ア ン モ ニ ア テ ス ト ワ コ ー お よ び

60μm

１２ｗｔ％

ALBWELLⅡを用いて分析した。
2-2-4 各不織布上の細胞形態
細胞培養前および後の各不織布は,光学顕微鏡およ

写真2

CAナノファイバー不織布のSEM(溶媒：アセトン)

び走査型電子顕微鏡を用いて観察した。走査型電子顕一例としてPVAおよびCAのエレクトロスピニングナ

微鏡観察では,2.5%グルタルアルデヒド溶液固定後,洗ノファイバー不織布のSEM写真を写真1及び2に示す。

浄し,上昇系エタノールを用いて脱水,低温真空乾燥を

PVAは溶媒としてH2Oを用いることが可能な素材である。

行った。乾燥したサンプルはイオンスパッタ装置を用

写真１に示すとおり,PVA粉末の分子量にも依存するが,いてPt-Pd蒸着を行った。

分子量・印加電圧・射出速度を一定にして溶液濃度に各条件を設定して紡糸した場合,溶液濃度は10wt%前後

3 結果と考察で均一なナノファイバーの作製が可能となった。低濃

3-1 各素材ナノファイバー不織布の作製

度の場合は液滴が部分的に発生しており,他研究者の3-1-1 エレクトロスピニング

報告では,紡糸条件次第でエレクトロスピニング法かエレクトロスピニング法は,前述のとおり原材料をらナノ粒子の作製が可能である。対照的に高濃度の溶解させ,電圧を印加させる手法である。そのため,素PVA溶液を用いた場合,作製されたファイバーは,径が1材の分子量,溶媒,溶液濃度,印加電圧,射出速度の各パμm以上であり,また,単一な繊維の集合体ではなく,枝ラメータが繊維径および目付等に大きな影響を与えて分れしているファイバーが観察された。

エレクトロスピニングは,射出された溶液に電子が蓄積され,ある一定量になると表面張力により蒸発・分散される。この瞬間にナノレベルの繊維集合体が作製可能となると言われている 1) 。そのため,PVAの場合,
5μm

6μm

a) PU-ナノファイバーb) PVA-ナノファイバー

6μm

60μm

c) Si-ナノファイバーd) CA-ナノファイバー

一定電圧印加条件の下で溶液濃度を低くすると,溶媒の蒸発が不十分となるため,液滴の発生率が向上する。
また,濃度を増加させると溶媒の蒸発が瞬時に起こり,
ナノファイバー化するまでには至らない傾向が見られた。
一方で,CAの場合も同様の傾向が見られた。溶媒はアセトンを用い,PVA時と同様の条件に設定して紡糸した。濃度を上昇させると共に単一ファイバーになりに
くく,ファイバー化可能な溶液濃度は6wt%以下の濃度であった。PVAの10wt%と比較してCAの6wt%以下で紡糸可能であるという知見は,PVAとCAの分子量および溶媒の融点が異なることが影響を及ぼしていると考えられ

6μm

る。

e) PAN-ナノファイバー

3-1-2 各素材ナノファイバー紡糸結果

写真3

各素材ナノファイバー不織布のSEM

写真3に各素材からなるエレクトロスピニングナノ
ファイバー不織布のSEM写真を示す。前項に示す通り,
100

エレクトロスピニング法にて紡糸する際の各条件を最90適化することにより,繊維径が50nm～500nmのナノファ

養による評価を行った。
3-2 各素材ナノファイバー不織布の細胞接着能
本研究では,HepG2細胞を播種した1日後に,ナノファ
イバー不織布上の細胞数を計測することで細胞接着能の評価を行った。

80

細胞接着率 [％]

イバー不織布を作製した。本不織布を用いて,細胞培

70
60
50
40
30
20
10
0

細胞接着能評価では,Siナノファイバー不織布が最高値を示し,PVAナノファイバー不織布では細胞接着が全く見られなかった(図1)。各素材の官能基を見ると,特図1

細胞接着能の比較(シンボルは,左からCA,PU,PVA,Si,PAN)にPVAおよびSiナノファイバー不織布との比較で著しい差が見られており,水酸基を表面に有するナノファ
イバー不織布ほど細胞接着率が低下する傾向が見られす。細胞増殖能および細胞機能の比較ともにSiナノフ

るのではないかと予測される。細胞外マトリクスなど

ァイバー不織布が他の素材と比較すると最高値を示しのタンパク質は,疎水面に吸着しやすいと言われていた結果が得られた。また,CA不織布に関してもSi不織るため,水酸基の有無によるファイバー表面の親疎水

布には及ばないものの,PUやその他素材の不織布より性が,細胞とファイバーとの接着率に影響を与えていも優位に高い値を示していた。

ることが示唆された。

3-4 細胞形態

3-3 細胞増殖能および細胞機能の比較

写 真 4 に 14 日 培 養 後 の 各 素 材 ナ ノ フ ァ イ バ ー 上 の各素材からなるナノファイバー不織布上でのHepG2

HepG2細胞SEM形態写真を示す。PU,Si,CA各不織布上で細胞増殖能および細胞機能の比較を図2,3および4に示

HepG2細胞は繊維上で増殖し,不織布全体を覆っていた。

350
PU

細胞数 [×104cells/specimen]

300

PVA
Si

250

CA
200

PAN

150

60μm

60μm

100

a) PU-HepG2b) PVA-HepG2

50
0
0

2

4

6

8

10

12

14

培養日数 [day]図2

細胞増殖能の比較
60μm

60μm

0.5
PU

アンモニア濃度 [mM/day]c) Si-HepG2

PVA

0.4

d) CA-HepG2

Si
CA

0.3

PAN

0.2
0.1

60μm

0.0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14e) PAN-HepG2(0.1)
培養日数 [day]

図3

写真4

細胞機能の比較(アンモニア除去能)

そこで,今後ファイバー表面特性の解析および成長7

因子・細胞分化因子等を導入した機能性ナノファイバ

PU

アルブミン分泌能 [μg/day]

6PVAー細胞培養担体に関する検討を行う予定である。

Si

5

培養後の各ファイバー不織布のSEM

CA
PAN

4

5 参考文献31)Formahals,A.：US Patent,1975504, (1934)22)Schnell,E. et.al. :Biomaterials,Vol.28,p.3012

1(2007)

0
0

2

4

6

8

10

12

14

培養日数 [day]図4

細胞機能の比較(アルブミン分泌能)3)Li,W.-J. et al. :J.Biomed.Mater Res.,Vol.67A,p.
1105 (2003)
4)Chew,S.Y. et.al. :Biomaterials,Vol.29,p.653(2007)

ナノファイバー不織布は,空隙率が90％以上である。

5)Bin,D.,et.al.:Eur.Poly.J.,Vol.42,p.2013(2006)

そのため,細胞への物質透過性が向上し,更に細胞増殖

6)Choi,S.S.et al.:J.Mater.Sci.Lett.,Vol.22,p.

可能空間が極めて大きい不織布上で細胞が増殖したた891 (2003)

め,このような現象が見られたものと考えられる。

4 まとめ
本検討により,エレクトロスピニング法を用いたナノファイバー不織布上でも,素材の検討によりHepG2細胞の増殖性および細胞機能の向上が見られた。これらの結果から,本不織布は3次元培養用細胞培養担体開発に有用である可能性が高いと判断された。

人間工学に配慮した自動車用シート素材の開発(1)－シート着座時の圧力分布特性について－
石川 弘之 *1

本 明子 *1

西村 博之 *1

The Development of the Seat Material for the Car in Considerationof the Ergonomic Technique- The Characteristics of the Pressure Distribution while Sitting Hiroyuki Ishikawa, Akiko Moto and Hiroyuki Nishimura
本研究は,シート着座時の圧力分布の特性を検証し,優れた座り心地を有するパッドの設計条件を抽出することを目的とした。座り心地の人間工学的手法の確立を目的とし,3種類のシートを用いた安静状態でのシートの座り心地評価実験を行った。主観評価項目の因子分析の結果，大腿部や臀部のフィット感やサポート性,軟らかさといった項目が,シートを評価する上での評価項目として有効であることが分かり,それを裏付ける体圧データを確認した。
また，ドライビングシミュレータで実験を行い運転操作時のシートの体圧分布を測定した結果，大腿部接触部位における荷重の左右差と,坐骨結節部における荷重の集中が認められた。

1 はじめに各自動車メーカーから多種多様な車が開発される中，コストが高くなるため高価格帯の車種のシートにのみ用いられている。より幅広い車種のシートの座り心地

車内の快適性はどの車においても普遍的に求められるを向上させるためには,極力シンプルな構造でそれを基本的性能であり，シートに関しては長時間のドライ実現するのが望ましい。また，シートは座と背の両サ

ブでも疲れの少ないシートの開発が要求されている。

イドの部位が走行時の揺れや振動に対して身体をサポ上篠 1) は，シートの断面構造が，3つの層（上層:表皮ートする役割を持ち,座と背が接触する面積が最も大布層，中間層:パッド層，下層:フレーム層）から構成

きい中央部位が身体の荷重の集中を防ぐ役割を担ってされることに着目し，パッド層の性能は体圧分布試験いる。しかし,両サイドの部位と中央部位は各々の部を用いて評価されると報告している。八田ら 2) は，シ位において,ウレタンフォームは全面が均一な圧縮特ートの性能を決める最重要要因はクッション性能であ性であるのが一般的である。そこで本研究では，シーるとして，パッド層とフレーム層の組み合わせによっトを構成するパッド（座面）に着目し，運転操作時にて生じるクッション性能の嗜好調査を行った。これら

おける身体の動きを検証することで,パッド内の身体のクッション性能やサポート性能は，いずれもシートが接触する部位毎に最適な圧縮特性を見出し, 優れたの良し悪しを決定する性能であるとともに座り心地に

座り心地を有するパッドの設計条件を抽出することを関わる重要な要因である。一方，シートの開発現場に目的とした。ここでは,安静状態でのシートの座り心

おいては従来，シートの評価は座り心地の評価に長け

地評価実験（実験Ⅰ）と,簡易的なドライビングシミ

た熟練パネルの官能評価によって行われていたため，

ュレータ（以下シミュレータ）を用いた座り心地評価

客観的な評価指標や設計指針が整備されていないのが実験（実験Ⅱ）の結果を報告する。

現状であり 3) ，これはシートを構成するウレタンフォ
ームのメーカーにおいても同様であると考えられる。

2 研究，実験方法

よって,ウレタンフォームの物理的特性と座り心地と2-1 方法（実験Ⅰ）の関連を人間工学的手法を用いて検証する。
現在，座り心地を向上させる手法として,圧縮特性の異なる素材を積層する方法が一般的であるが,製造被験者はシートに30分間安静状態で着座した。測定
項目は,主観評価と体圧分布とした。体圧分布測定は30分間の着座中に連続して30秒毎に行い,測定箇所は背の接触するバックレスト部とパッド部とした。主観

*1 インテリア研究所

評価は, シートの座り心地に関する23項目について着座終了後に評価した。実験に用いたシートは,市販さハンドル（ロジテック製GT3用）

れている自動車の前席シート3種類とした(図1)。被験者は主観評価の測定は男性9名,女性1名の計10名とし,体圧分布の測定は男性4名,女性1名の計5名とした。こアクセル・ブレーキペダル（ロジテック製GT3用）

れらの測定項目をもとに,シートの座り心地への寄与の大きい評価項目と,客観的な裏づけとなる体圧デー
タとの関連を検証した。

シートの垂直方向、水平方向位置
背もたれ角度は、被験者の好みの位置に設定

図3

自動車運転シミュレータ概要

3 結果と考察
3-1 座り心地を評価する主観項目について(実験Ⅰ)
座り心地を評価する項目について,因子分析による
項目間の関連を検証した。その結果, 大腿部や臀部の
シートG

シートL

図1

シートR

フィット感やサポート性,軟らかさといった項目が,シ

実験に用いたシートートを評価する上での評価項目として有効であること
2-2 方法（実験Ⅱ）が判明した(表1)。解析結果の詳細は,別報「人間工学

被験者はシートに30分間着座した状態で,シミュレ
ータでの運転操作をおこなった(図2)。シミュレータに配慮した自動車用シート素材の開発-自動車シートのイメージ評価-」にて報告する。

は, SONY製PlayStation2を用いて,ゲームソフトウェ
アのGranTurismo3をロジテック製ハンドル及びアクセ

表1

ルペダル，ブレーキペダル（以下ペダル）で,被験者因子分析結果(因子1)

臀部のフィット感
臀部のサポート性大腿部のサポート性
ホールド感
フィット感
スポーティー感
軟らかさ
固有値
寄与率 (%)
累積寄与率 (%)

前方に位置するスクリーンに投影される走行路を模擬的に運転するものである。ハンドルとペダルの位置は
固 定 し ,バ ッ ク レ ス ト 角 度 ,シ ー ト 高 さ 及 び ,ハ ン ド
ル・ペダルとの前後方向の位置は被験者の好みの位置に設定した(図3)。実験に用いたシートは,実験Ⅰと同

因子1
0.869
0.810
0.807
0.776
0.774
0.732
-0.582
7.336
32.0
32.0

じ3種類とした。測定項目は体圧分布とし,測定方法は
実験Ⅰと同様とした。被験者は男性4名,女性8名の計

3-2 主観項目と体圧分布の関連について(実験Ⅰ)12名とした。体圧分布の測定データをもとに,ハンド因子分析の結果を裏付ける客観的なデータを抽出す

ルとペダルの操作に伴う身体の動きの,体圧分布デーるべく,大腿部外側が接触するパッドのサイド部の体タへの影響を検証した。

圧分布を解析した。その結果,大腿部のサポート性がスクリーン

高く,フィット感があると評価されたシートRの荷重値
が他の2種と比して大きい傾向がみられた(図4)。大腿部外側がパッドのサイド部に接触することで,その存ハンドル在を認識することは,シートのサポート性とフィット感への評価に関与すると考えられる。また,着座直後

シート
アクセル・
ブレーキペダルと着座30分後の臀部が接触する部位の体圧分布の荷重値の差を算出した結果，軟らかいと評価されたシート
Lが，他の2種と比して差が大きい傾向がみられた(図図2

自動車運転シミュレータ実験の様子

5)。

た(図6)。また，一般的に身体の動きが少ない着座時
パッドのサイド部

被験者A シートL

において荷重が集中する坐骨結節部において,荷重の集中が認められた(図7)。

被験者A シートR

左大腿部接触部位
荷重変化小

5000
4500

被験者C 7分00秒時

被験者C 7分30秒時

4000

右大腿部接触部位
荷重変化大

荷重値(g)

3500
3000
2500
2000
1500

被験者C 7分40秒時

1000

シートL
ラグナ

図4

シートG
ゴルフ

シートR
レカロ

図6

被験者C 8分10秒時

被験者CのシートG着座時の体圧分布の特徴

パッドのサイド部の荷重値の比較

実験Ⅰの荷重集中箇所

被験者A シートG着座時
被験者B シートL着座直後

被験者B シートL着座30分後

荷重値(g/cm2)

10

実験Ⅱの荷重集中箇所

8

被験者D シートG着座時

図7

6

4
ラグナ
シートL

図5

ゴルフ
シートG

レカロ
シートR

着座直後と着座30分後の荷重値の差の比較

被験者A，DのシートG着座時の体圧分布の特徴

被験者には，実験中左足は動かさず，右足のみでペダル操作するよう指示していた。これにより，左右大腿部接触部位での差がみられたと考えられる。また，反発性の低いウレタンフォームは,ゆっくりと時間

坐骨結節部においては，運転操作に伴う身体の動きのをかけて沈み込む特性を持つ。よって,体圧分布の荷荷重変化への影響が少ないと思われる。このことより，

重値の差の結果は,反発性の低いシート素材の物理的パッドにおいて坐骨結節部と左大腿部が接触する部位

特性を裏付けるものであると考えられる。これらより,

は荷重の集中を低減させる機能を持たせることが，座主観評価項目の有効性を裏付けることができたと考えり心地の向上へ寄与する設計条件の一つとなると考え

られる。

られる。

3-3 身体の動きと体圧分布の関連について(実験Ⅱ)
シミュレータでのハンドルやペダル操作に伴う身体4 まとめの動きが体圧分布の荷重値にどのように影響するかを

本年度の研究では，運転操作に伴う身体の動きの体検証した。その結果，左大腿部が接触する部位の荷重

圧分布への影響の検証を行い，人間工学的に座り心地

値は変動が小さく，右大腿部のそれは変動が大きかっに優れたパッドの設計条件を抽出することを目的とした。実施した実験により得られた知見は以下の通りである。
1)臀部や大腿部のフィット感，ホールド感，シートの軟らかさといった主観評価項目が，シートの特性を評価する上で寄与が大きい項目であることが分かった。また，これらの主観評価項目に関連性が高いと思われる体圧分布のデータを確認することができ，
評価項目の客観的な裏づけを確認することができた。
2)右足でのペダル操作に伴う右大腿部接触箇所と,左大腿部接触箇所の荷重値の経時変化において,両者の差を確認した。
3)運転操作による身体の動きがある場合においても，坐骨結節部の荷重値は安静状態と同様に，荷重が臀部の他の部位よりも高く荷重が集中する特徴を持つことを確認した。
4)パッドにおいて坐骨結節部と左大腿部が接触する部
位には荷重の集中を低減させる機能を持たせることが，座り心地の向上へ寄与する設計条件の一つとなると考えられる。
今後は，様々な圧縮特性を持つパッド着座時の体圧等の計測を実施し，データを蓄積していく予定である。

5 参考文献1) 上 篠 健 ： 自 動 車 技 術 36 巻 (12 号 ) ， pp.13051310(1982)
2)八田一利,上野由雪,長島淑行：人間工学23巻(3号 ) ，
pp.173-180(1987)
3)金 井 博 幸 ら ： 自動 車 技 術 会 学 術 講 演 会 前 刷 集2003
83巻(3号)，pp.11-14(2003)

人間工学に配慮した自動車用シート素材の開発（2）－自動車シートのイメージ評価－
本 明子 *1

石川 弘之 *1

西村 博之 *1

The Development of the Seat Material for the Car
in Consideration of the Ergonomics Technique- Sensory Evaluation of the Automotive Seat Akiko Moto, Hiroyuki Ishikawa and Hiroyuki Nishimura
ユーザーの要求を満たす快適な自動車シートの開発にあたり，様々なユーザーのシートに対する価値観に対応した評価が必要となる。本研究は，自動車シートの評価に相応しい項目を抽出するとともに，着座時にユーザーがどのようなイメージでシートを捉えるかを把握するために，SD法(Semantic Differential method)による自動車シートの主観評価を行ったものである。その結果，「ホールド感」，「沈み込み感（大腿・背）」，「ボリューム感」，「座り心地」，「フィット感」，「前後の滑りやすさ」に関する6因子が抽出され，本実験におけるユーザーの自動車シート
に対するイメージ構造が把握できたとともに，これらが自動車シートの評価の一連のキーワードの一つとなることが示唆された。

1.座り心地

2.フィット感

快適な自動車シートの開発にあたり，ユーザーが求

3.軟らかさ4.弾力感

めるシートのコンセプトを組み立て，そのシートがユ5.ホールド感

6.ボリューム感ーザーの要求に叶っているものかを評価する必要があ

7.高級感

8.スポーティ感る。そのためには，評価に相応しいキーワードを抽出

9.前後の滑りやすさ

10.左右の滑りやすさ

することが重要となる。そして，その評価項目となる

11.臀部のフィット感

12.臀部の沈み込み

キーワードを決めるために，ユーザーが自動車シート

13.臀部の圧迫感

14.臀部のサポート性に座った際に，シートをどのようなイメージで受けと15.大腿部のフィット感

16.大腿部の沈み込みめ，どのような評価をしているのかを把握する必要が17.大腿部の圧迫感

18.大腿部のサポート性ある。

19.背部のフィット感

20.背部の沈み込み

21.背部の圧迫感

22.背部のサポート性

1 はじめに

本研究では，ユーザーの価値観に相応しい自動車シートの主観評価を行う項目の検討とともに，ユーザー

23.腰椎部のサポート性が自動車シートに座った際の印象を把握する目的で，自動車シート着座時の評価について，SD法による解析を試みた。

評価尺度は「どちらでもない」を評価の中心とし，「とても悪い（全くない）」から「とても良い（とてもある）」までの7段階とした。

2 研究，実験方法

評価に用いたシートは，
1）柔らかめの自動車シート（シートＬ），

一般に自動車シートを評価する際に，それがどのように表現されているのかを把握するために，先行のシ

2）硬めの自動車シート（シートＧ），

ート研究 1-6) から主観評価に使用されている言語を抽

3）スポーツタイプのシート（シートＲ）

出した。その中で汎用的に使われているものから本実の特性の異なる3種のシートを使用した。シートの座験での評価項目を決定した。使用した評価項目は以下面の高 さは 実 際に自 動車 に 装備さ れて い る高さ としの23項目で表記の順で評価した。

た。
被験 者は20歳代〜40歳 代 の計10名で あ った。 シー*1 インテリア研究所

トの評 価の 順 序はラ ンダ ム とした 。評 価 に先立 ち、

直感的に感じ たままを記入 するように指 示を与えた。

因子は「大腿 部および背部 の沈み込み」，第3因子はまた， 評価 に あたっ ては 自 由に座 り， 座 り心地 を確「 ボ リ ュ ー ム 感 」 と 「 各 部 の 圧 迫 感 」， 第 4 因 子 はかめるためにシートの角度の調整などを許可した。

「 座 り 心 地 」， 第 5 因 子 は 「 背 部 の フ ィ ッ ト 感 」 や「腰椎部や背 部のサポート 性」，第6因子は「前後の3 結果と考察

滑りや すさ 」 に関す る因 子 で構成 され た 。各因 子の3-1 因子分析

構成内容から，第1因子は「ホールド感」，第2因子は

データは，「とても悪い （全くない）」から「とて「沈み込み感（大腿・背）」，第3因子は「ボリュームも良い（とてもある）」の7段階評価を1〜7点で点数感」，第4因子は「座り心地」，第5因子は「フィット化し， すべ て のデー タを 対 象とし 因子 分 析（主 因子感」，第6因子は「前後の滑 りやすさ」に 関する因子法・バ リマ ッ クス回 転） を 実施し ，因 子 負荷量 を算として意味づけられた。

出した 。因 子 数の決 定に つ いては ，こ の 解析の 目的

更に，6因子を構成している項目をそれぞれみると，の一つ が， 自 動車シ ート を 評価す る項 目 を抽出 する

臀部のフィット感や臀部および大腿部のサポート性がことであることを念頭に行い，固有値が1を超える因あると感じるものほど，ホールド感やフィット感があ子を取 り上 げ ，すべ ての ば らつき に対 し 各因子 がどると感じる傾向にあった。また，臀部や背部および大のくら いの 割 合で説 明で き るのか を示 す 因子寄 与率

腿部に圧迫感があると感じるとボリューム感は少ないの合計 を考 慮 した。 その 結 果，各 々の 因 子の固 有値と感じる傾向にあった。臀部の沈み込みは少ない方がの大きさが1を超えたもの が6因子で，その寄与率の座り心地は良いと評価された。

合 計 が 80.2% で あ り ， 高 い 水 準 で 説 明 可 能 で あ っ た（表1）。

この傾向を考慮してそれぞれの項目の相関関係を検討すると，「座り心地」と「高級感」，「フィット感」

この因子分析の結果、第1因子は「ホールド感」やと「ホールド感」に高い正の相関関係が認められ，「フィット感 」，「スポーテ ィ感」ととも に「臀部の「スポーティ感」と「軟らかさ」に高い負の相関関係

フィット感」，「臀部及び大腿部のサポート性」，第2が認められた。
また，身体各部のサポート性についての項目では，

表1

因子分析結果因子1

因子2

シート座面にあたる臀部と大腿部のサポート性とシートの背面にあたる腰椎部と背部のサポート性に関して，

評価項目

因子3

因子4

因子5

因子6

臀部のフィット感

0.869

0.191

-0.002-0.035

0.013

0.102

臀部のサポート性

0.810-0.138-0.211-0.2180.293-0.051

大腿部のサポート性

0.807

0.044

-0.038-0.102

0.26

-0.12

ホールド感

0.776

-0.225

0.235

0.06

-0.129

0.048

フィット感

0.774

0.042

0.096

0.364

-0.3570.169

スポーティ感0.732-0.141

0.11

0.268

0.03

-0.02

軟らかさ

-0.582

0.491

-0.13

0.073

0.003

0.078

大腿部の沈み込み

0.092

0.882

-0.25

-0.122

0.181

0.001

背部の沈み込み-0.215

0.828

0.282

0.135

-0.1830.113

臀部の圧迫感-0.152-0.172

0.856

0.222

-0.001

0.053

ボリューム感0.298-0.072-0.7520.252-0.5370.122

背部の圧迫感

0.172

0.069

0.726

-0.09

-0.0480.015

大腿部の圧迫感

0.083

0.133

0.691

0.114

-0.1

-0.529弾力感-0.3690.157-0.607

0.154

0.301

-0.366

座り心地

0.053

0.152

-0.067

0.919

0.07

-0.087

高級感

0.42-0.174

-0.18

0.658

0.002

-0.061

臀部の沈み込み

0.411

0.371

-0.343-0.648-0.163-0.31

背部のフィット感-0.118

0.111

0.003

0.307

0.915

0.118

腰椎部のサポート性

0.021-0.3170.015-0.005

0.763

0.043

背部のサポート性

0.408

0.118

0.003

0.012

0.658

-0.007

左右の滑りやすさ

0.073

0.078

0.51

-0.154

0.600

0.527

大腿部のフィット感

0.395

0.304

0.76

0.389

0.423

-0.128前後の滑りやすさ-0.0060.095-0.001

0.05

0.116

0.930

固有値

7.336

3.459

2.470

2.060

1.957

1.250

寄与率（％）

32.0

15.0

10.7

9.0

8.5

5.4

累積寄与率（％）

32.0

47.0

57.7

66.7

75.2

80.2

それぞれ異なる因子として抽出されたことから，シートの座面部と背面部とでは異なる特徴をもつものが必要とされると考えられる。
また，今回の評価では，「大腿部のフィット感」に関する評価は，当因子分析には，ほとんど影響を与えていない因子となっている。これは，運転をせずに脚部を自由に動かすことができた本実験では評価が難しかった可能性が高いと考えられる。
3-2 各シートの特性
次に，それぞれのシートの特性を把握するために，
イメージプロフィールを作成するとともに（図1），各
シートおよび評価項目別に平均を求め，さらに同一因
子とみなされた各因子を構成する評価項目の平均値を求め，因子得点の平均値として検討を行った（図2）。
図1より，シートＧとシートＬは同様な評価結果を示す傾向がある項目が多く，シートＲは他の2つとは異なる評価結果を示す傾向にあった。シートＲは他と

7
6
5
4
3
2

臀
部
臀 の
大 部の フ ィ腿 サ ット
部 ポ 感
の ー
サ ト
ポ 性
ホ ート
ー 性
ル
フ ド感
ス ィッ
ポ ト
ー 感
大
テ
ィ
腿
部 軟 感
ら
の
か
背 沈
部 み さ
の 込
臀 沈み み
部 込
の み
ボ 圧
リ 迫
背 ュー 感大 部の ム感
腿 圧
部 迫
の 感
圧
迫
弾 感
力
座 感
り
心
臀
部 高 地
の 級
背 沈
腰 部 み 感
椎 の 込
部 フ み
ィ
背 のサ ット部 ポ 感の左 サ ート右 ポ 性
大 の滑 ート腿
部 り 性
前 の やす後 フの ィッ さ
滑 ト
り 感
や
す
さ

1

評価項目

図1

シートＬ
シートＧ
シートＲ

各シートのイメージプロフィール

比較するとスポーツ志向が強いものであり，形状も左

らかさについても分散分析の結果，シート3種による

右の張り出しがあるなど異なるものであったためと考非常に有意な主効果が認められた（p<0.01%）。また，えられる。この違いはスポーティ感に対する評価にもシート間で比較した結果，シートＬとシートＧ，シー

現れ，分散分析の結果，スポーティ感に関してシート

トＬとシートＲには非常に有意な差（p<0.01%）が，3種による非常に有意な主効果が認められ（p<0.01%），

シートＲとシートＧにも有意差（p<1%）が認められた。

シート間で比較してもシートＲの評価がシートＬおよ同様に臀部や大腿部および背部の沈み込みもシートＬ

びＧに比べ有意に高かった（p<0.01%）。また，スポー

はシートＧやＲに比べ大きく感じる結果となった

ティ感と同一因子と考えられる（表1），フィット感や（p<1%）。

ホールド感，臀部のサポート性，大腿部のサポート性についても同様な傾向がみられた。

しかしながら，「軟らかさ」に関する項目は，この項目だけでみると特徴が明白であったにも関わらず，

シートＬとシートＧの形状は似てはいるが，シート全体の因子分析の結果をみると，第1因子および第2因Ｌについては軟らかさに対する評価が高く，これに関子に多少の影響を与えているものの全体に与えた影響

連する項目については特徴的な結果となった。この軟は少なかった。これは，シートが軟らかいから座り心地がよいと感じる被験者と座り心地が悪いと感じる被験者がいるなど，被験者の捉え方が異なり他の評価項

ホールド感
7

目と関連がとれなかったためである。シートの軟らか

6

さはシートを評価する上で重要な項目の一つだと考え

5前後の滑りやすさ

4

沈み込み感（大腿・背）

られ，評価方法を検討する必要がある。
図2より，それぞれのシートの特徴を捉えることが32できる。シートＬは沈み込み感が強く座り心地が良い

1と感じるシート，シートＧは沈み込みが少なく，ボリューム感やホールド感も少ないシート，シートＲはホ
フィット感

ボリューム感

座り心地

シートＬ
シートＧ
シートＲ

ールド感・フィット感が高く座り心地が良いと感じる
シートであったことがわかる。前後の滑りやすさに関しては，3種のシートの違いが生じなかった。これも本実験では，シートに着座し運転動作を行っていない

図2

各シートの因子得点

ために違いが現れなかった可能性が考えられる。

4 まとめ
本実験の結果，自動車シートに着座時の評価として「ホールド感」，「沈み込み感（大腿・背）」，「ボリューム感」，「座り心地」，「フィット感」，「前後の滑りやすさ」に関する6因子が抽出された。これらの6つの因子により，今回評価した3つのシートのイメージは説明できる。また，今後，様々な特性をもつシートの評
価にあたり，これらの因子をキーワードとし，評価項目を検討できる可能性を見いだした。さらに，それぞれの項目に対する評価を分析することにより，自動車
シートの形状とシートの軟らかさにより評価が影響される可能性があることも示唆された。またシートの身
体各部へ与える特性として，臀部や大腿部を支える座面と，背部と脊柱部を支える背面とでは評価の傾向が異なることより，座面と背部では異なる特性を持つことが必要であることが考えられた。
今後は，評価対象を増やしデータを充実させるとともに，主観評価の結果と着座時のユーザーの生理特性およびシート自体の軟らかさなどの物理特性との相関関係を検討することで，ユーザーの価値観を反映した評価手法を検討し，ユーザーにとって快適な自動車シートの開発を進める予定である。

5 参考文献1) 赤 津 洋 介 ： 自 動 車 技 術 ， Vol.52,No.3, pp.4752(1998)
2)松井達彦他：(社)自動車技術会

学術講演会前刷集，No.20-99，pp.9-12 (1999)
3)稲垣大他：(社)自動車技術会

学術講演会前刷集，No.91-99，pp.21-24 (1999)
4)樋口和他：(社)自動車技術会

学術講演会前刷集，No.95-01，pp.5-8 (2001)
5)金井博幸他：(社)自動車技術会

学術講演会前刷集，No.83-03，pp.11-14 (2003)
6)西松豊典他：(社)自動車技術会
No.83-03，pp.15-18 (2003)

学術講演会前刷集，

樹脂含浸による広葉樹材の寸法安定化技術の開発
竹内 和敏 *1

Development of Dimensional Stabilization Method by Resin Impregnation for Hardwood
Kazutoshi Takeuchi
木材は周囲の温度・湿度変化によって水分子を吸脱着し，それに伴い寸法変化を生じる。この寸法変化は木材の使用時に反りや割れ等の問題となるため，精度を要求される木製部材では，寸法安定性に優れた木材が求められる。
従来，広葉樹材は意匠性が求められる部材に用いられることが多く，寸法安定化処理に関する知見は少ない。そこで本研究では，フェノール樹脂含浸処理およびPEG処理により広葉樹材の寸法安定化処理を行い，それぞれの処理が寸法安定性に及ぼす影響および処理による色差の変化について検討した。その結果，樹種による違いはあるが，寸法安定性に関してはPEG処理の効果が高く，色差についてはフェノール樹脂含浸処理では⊿b*が増加しPEG処理では⊿L*が減少する等の広葉樹材への寸法安定化処理に関する基礎的な知見を得た。

1 はじめに2-2 寸法安定化処理方法

近年，広葉樹材はその優れた意匠性を活かし，工業

本研究では寸法安定化処理として，フェノール樹脂

部材としての利用が拡がっている。木材を工業部材と含浸処理およびPEG処理について検討を行った。フェして利用する場合，高い寸法精度が要求される。一般

ノール樹脂含浸処理ではメチロール化フェノール樹脂に木材は周囲の環境の湿度や温度変化によって水分子を用いた。注入缶中で試験片をフェノール樹脂溶液にを吸脱着し，それに伴い寸法変化を生じる。この寸法

浸漬し，減圧ののち加圧を行い試験片中にフェノール

変化は木材の加工時や使用時に反りや割れ等の問題を樹脂を含浸した。フェノール樹脂を含浸した試験片を引き起こすため，これまでにも木材の寸法安定性の向7日間風乾した後，硬化処理として120℃の水蒸気処理上に関する様々な研究が行われてきた。しかしながらを6時間および130℃の熱処理を6時間の2条件で処理を広葉樹材は従来，造作部材として多く用いられてきた行った。PEG処理 1) では分子量1000のPEGの30%水溶液

ため，寸法安定化処理に関する知見は少ない。そこでを用いた。試験片は気乾状態，飽水状態，全乾状態の本研究では，10種の広葉樹材を用いてフェノール樹脂

3条件とし，気乾状態，飽水状態の試験片はそのまま

含浸処理およびポリエチレングリコール（PEG）処理

水溶液に浸漬し，全乾状態の試験片は水溶液を減圧注による寸法安定化処理を行い，その寸法安定性につい入した。これらの試験片を水溶液に浸漬した状態でて検討を行った。また，寸法安定化処理による材色の80℃まで昇温させ，80℃で180分間処理した後，24時

変化についても検討を行った。

間静置してPEG処理を行った。
2-3 各処理による寸法安定性の評価

2 研究，実験方法
2-1 供試樹木

樹脂含浸した試験片は105℃の乾燥器で恒量になるまで乾燥し，寸法および重量を測定した。このときの供試樹木として気乾状態のウォルナット，カリン，

寸法および重量を膨潤率および含水率算出の基準としメープル，アッシュ，ホワイトオーク，マホガニー，た。その 後， 吸湿-乾燥処 理を3回繰返 し，最後 に吸チーク，チェリー，ケヤキ，ビーチの10種の広葉樹材

水-乾燥処理を行った。吸湿処理は温度20℃，相対湿を 用 い た 。 そ れ ぞ れ の 供 試 樹 木 か ら 半 径 方 向 （ R方

度97%に調整したデシケータ中で試験片を7日間静置し向 ） 20mm， 接 線 方 向 （T方 向 ） 20mm， 繊 維 方 向（L方て1回行い，温度50℃，相対湿度95%の恒温恒湿器で試向）4mmの試験片をL方向に連続して採取した。なお試

験片を3日間静置して2回行った。吸水処理は蒸留水を

験片は一試験条件につき3個とした。

減圧吸水し試験片を24時間静置して行った。いずれの処理においても乾燥は105℃の乾燥器で恒量になるま*1 インテリア研究所で行った。吸湿，吸水，乾燥のそれぞれの状態で寸法ウォルナット

5

および重量を測定し，基準の寸法および重量から膨潤4率および含水率を算出した。

3

寸法安定化処理による材色の変化について検討する
ため，色彩色差計（MINOLTA製CR-100）を用いて反射色の測定を行った。測定の光源はD65を用い，スポッ

膨潤率 （％）

2-4 寸法安定化処理による色差の変化

ト径は8mmとした。寸法安定化処理を行った試験片について無処理の木材の測定値を基準として色差を算出
した。

1
0
-1

D0

W

D1

W2

D2

W3

-2

無処理

気乾

-3

飽水

減圧注入

D3

W4

D4

-4

3 結果と考察メープル

53-1 各処理による寸法安定性

4

ウォルナット，メープルにおけるフェノール樹脂含3

び吸水-乾燥繰返しによる膨潤率の変化について図1に示す。どちらの樹種においても熱処理により硬化を行
ウォルナット

5
無処理

水蒸気処理

膨潤率 （％）

浸処理を行った試験片のR方向における吸湿-乾燥およ

2
1
0
-1
-2

熱処理

4

膨潤率 （％）

2

-3

D0

W1

D1

W2

D2

W3

無処理

気乾

飽水

減圧注入

D3

W4

D4

-4

3
2
1

図2 PEG処理材の吸湿-乾燥，吸水-乾燥繰返しによる膨潤率の変化（記号は図1を参照）

0

った試験片のほうが水蒸気処理により硬化を行った試

-1

D0

W1

D1

W2 D2

W3 D3

W4

D4

験片よりも膨潤率が小さくなった。この傾向はR方向，
T方向ともにすべての樹種について認められた。なお

メープル

5
無処理

った試験片で無処理の試験片よりも膨潤率が大きくな

水蒸気処理

熱処理

4

樹種によってはウォルナットのように水蒸気処理を行る傾向を示すものもあった。ウォルナット，メープル
におけるPEG処理を行った試験片のR方向における吸膨潤率 （％）

3

湿-乾燥および吸水-乾燥繰返しによる膨潤率の変化について図2に示す。メープルではすべての条件でPEGを2含浸させた試験片はほぼ同程度の膨潤率を示し，ウォ1

ルナットでは気乾状態でPEGを含浸させた試験片で他の条件よりも大きな膨潤率を示し，これらの挙動はT

0
D0

W1

D1

W2

D2

W3 D3

W4

D4

-1

図1 フェノール樹脂含浸材の吸湿-乾燥，吸水-乾燥繰
返しによる膨潤率の変化（D0-D4:105℃で乾燥,W1:20℃,97％RHで7日間調湿,W2W3:50℃,95％RHで3日間調湿,W4:減圧吸水24時間静置）

方向でも同様であった。他の樹種におけるR方向の膨
潤はアッシュ，ホワイトオーク，チェリー，ビーチがメープルと同様の挙動を示し，カリン，マホガニー，
チーク，ケヤキではウォルナットと同様の挙動を示した。T方向の膨潤はアッシュ，ホワイトオーク，チーク，チェリー，ケヤキ，ビーチがメープルと同様の挙表1 寸法安定化処理材のASE
R方向のASE（％）
ウォルナット
カリン
メープル
アッシュ
W.オーク
マホガニー
チーク
チェリー
ケヤキ
ビーチ

1
-22.2
-34.2
20.3
16.7
12.9
-17.6
-18.5
-31.4
-25.7
3.0

2
39.9
33.4
48.0
49.7
34.2
50.5
28.3
41.3
27.8
55.0

3
23.7
13.8
66.5
55.5
24.1
28.2
0.5
68.0
34.4
86.2

T方向のASE（％）
4
66.3
39.1
73.0
60.3
27.1
75.6
30.1
58.1
49.4
86.6

5
68.6
42.6
75.6
66.3
30.6
76.5
12.2
63.3
53.0
87.0

1
13.2
-7.6
34.8
28.0
22.5
11.6
12.0
-1.2
22.3
30.5

2
42.1
25.3
48.5
45.1
39.3
47.6
32.7
35.9
38.4
48.1

3
12.8
7.0
47.1
35.1
16.7
-9.8
0.6
38.9
25.9
68.9

4
52.9
21.6
53.2
47.3
11.3
15.5
9.0
32.5
33.3
71.0

5
52.8
28.1
57.1
43.9
12.6
26.5
5.7
25.9
33.9
70.5

1:フェノール樹脂含浸処理（水蒸気硬化），2:フェノー ル樹脂含浸処理（熱硬化），
3:PEG処理（気乾浸漬），4:PEG処理（飽水浸漬），5:PEG処理（減圧注入）

R方向

動を示し，カリン，マホガニーではウォルナットと同100様の挙動を示した。また，PEG処理材では吸水の後の80

乾燥によってPEGの溶脱による収縮が認められた。

50 ℃，相対湿度95%で3日間調湿後の抗膨潤能（ASE）
について表1に示す。フェノール樹脂含浸処理では熱60
ASE （％）

各 処 理 に お け る 寸 法 安 定 性 を 評 価 す る た め ，温度，温度

フェ ノール（ウォ ルナット）

40

PEG（ウォ ルナット）
フェ ノール（メープ ル）

20

処理の方が水蒸気処理よりもASEは優れていた。水蒸0

気処理ではASEがマイナスになるなど無処理材よりも-20

ASEが劣る樹種もあった。PEG処理では概ね減圧注入し-40

PEG（メープ ル）

0

10

20

30

50

40

重量増加 （％）

た条件が最もASEが高く，気乾状態で含浸した条件が最もASEが低い傾向にあった。また，樹種ごとにみるとビーチのように高い処理効果が認められる樹種があ

T方向

60

る一方で，チークのように低い処理効果しか認められ50ない樹種もあるなど，樹種によって処理の効果は大き理のフェノール樹脂含浸処理ではR方向よりもT方向の
ASEが高く，熱処理のフェノール樹脂含浸処理ではR方40
ASE （％）

く異なった。R方向とT方向のASEを比べると水蒸気処

フェ ノール（ウォ ルナット）

30

PEG（ウォ ルナット）
フェ ノール（メープ ル）

20

PEG（メープ ル）

向とT方向のASEは概ね同等であった。またPEG処理で
10

はT方向よりもR方向のASEが高い傾向にあった。この

0

ようにASEには異方性があり，処理方法や処理条件に0

よって異なることが分かった。
図3にウォルナットとメープル の寸法安定化処理に

図3

10

20
30
重量増加 （％）

4050

寸法安定化処理による重量増加とASEの関係

よ る重量増加とASEの関係について示す。この図からフェノール樹脂含浸処理，PEG処理ともに重量増加がなるためであると考えられ，広葉樹材への寸法安定化

大きいほどASEが高くなることが分かる。また，R方向

処理では，それぞれの樹種に対して処理に関する知見のPEG処理で重量増加21.8%のウォルナットが23.7%のの蓄積が必要である。

ASEを 示 し た の に 対 し ， 重 量 増 加 22.4%の メ ー プ ルが今回検討したフェノー ル樹脂含浸処理とPEG処理で66.5%のASEを示すように，同程度の重量増加であっては 多くの樹種でPEG処理の方が高いASEを示した。処理も，樹種によりASEの値は大きく異なることが分かる。

工程もPEG処理の方がフェノール樹脂含浸処理よりもこれは樹種によって密度，組織構成，抽出成分等が異簡易であり，溶脱が問題とならない場面ではPEG処理

表2 寸法安定化処理による色差の変化

ウォルナット

カリン

メープル

アッシュ

W・オーク

マホガニー

チーク

チェリー

ケヤキ

ビーチ

1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5

⊿L*
-2.8
-6.4
-6.8
-12.0
-13.2
-3.8
-1.7
-0.1
-2.0
-0.6
-7.1
-8.0
-5.8
-8.1
-9.9
-5.0
-5.2
-8.8
-9.9
-9.4
-2.7
-1.5
-2.6
-4.1
-3.7
-3.2
-5.8
-11.3
-14.2
-15.5
1.2
-0.5
-3.1
-4.3
-5.6
-7.9
-5.1
-10.6
-8.6
-8.1
-0.2
-1.8
-4.2
-4.9
-5.7
-4.8
-6.9
-17.1
-19.2
-19.0

⊿a*
4.1
0.8
2.4
1.2
1.5
-0.6
-0.1
-1.5
-1.2
-0.2
7.4
5.5
0.7
1.1
1.3
3.3
2.7
-0.2
-0.9
0.1
2.1
1.4
-1.5
-1.6
-1.3
5.0
3.0
0.9
0.8
1.6
3.0
1.0
0.4
0.0
0.3
2.8
0.5
-0.4
-2.1
-2.3
2.9
1.3
-1.6
-1.6
-1.0
4.7
2.3
1.8
1.7
2.2

⊿b* ⊿E*ab
11.4
12.4
4.1
7.7
4.2
8.3
2.0
12.2
1.5
13.4
-3.6
5.3
0.5
1.7
1.3
2.0
1.1
2.6
2.3
2.4
17.1
19.9
11.6
15.1
2.6
6.3
2.6
8.6
2.3
10.2
9.3
11.1
7.1
9.2
-0.6
8.9
-2.5
10.3
-0.8
9.4
5.4
6.4
4.2
4.6
-0.6
3.0
-1.0
4.5
-0.7
4.0
11.4
12.9
5.1
8.3
0.5
11.3
-1.3
14.3
-1.7
15.7
5.4
6.3
3.9
4.1
2.0
3.7
1.2
4.5
0.1
5.6
7.5
11.3
4.4
6.8
-0.2
10.6
-1.2
8.9
-1.6
8.6
6.4
7.0
2.4
3.3
-1.9
4.9
-2.8
5.9
-2.7
6.4
14.6
16.0
7.1
10.2
2.1
17.4
0.8
19.3
1.3
19.2
1-5:表1を参照

a*，⊿b*が増加し，⊿a*よりも⊿b*の変化が大きかった。⊿a*の増加は赤み，⊿b*の増加は黄みが増すことを示すため，フェノール樹脂含浸処理により多くの樹種で材色は黄変するといえる。PEG処理ではウォルナ
ット，メープル，チーク，ビーチで⊿a*,⊿b*が共に増加，アッシュ，ホワイトオーク，チェリー，ケヤキ
で⊿a*,⊿b*が共に減少，カリンでは⊿a*は減少，⊿
b*は増加，マホガニーでは⊿a*は増加，⊿b*は減少する傾向を示し，一定の傾向は認められなかった。ただし，変化の絶対値はフェノール樹脂含浸処理と比較して小さく，PEG処理では色みの変化は少ないといえる。
色差⊿E*abはカリンのように変化の小さいものから，
ビーチのように変化の大きいものまで樹種によって寸法安定化処理による材色の変化は大きく異なった。
以上のことからフェノール樹脂含浸処理およびPE G
処 理による色差の変化は樹種により大きく異なるものの，フェノール樹脂含浸処理では材色の黄みが増し，PEG処理では材色が暗色化する傾向にあるといえる。
これらの色差の変化は意匠性に大きな影響をおよぼすため，意匠性が求められる部材に寸法安定化処理を施す場合，寸法安定性と同時にこれらの色差の変化を考慮して処理を行うことが必要である。

4 まとめ
10種の広 葉樹材を用いてフェノール樹脂含浸処理およびPEG処理による寸法安定化処理を行い，その寸法
安定性および色差の変化について検討した結果，以下の知見を得た。フェノール樹脂含浸処理とPEG処理では多くの樹種でPEG処理の方が高いASEを示し，溶脱が問題とならない場面ではPEG処理による寸法安定化の方がフェノール樹脂含浸処理よりも有利であった。また，寸法安定化処理による色差の変化は，フェノール

による寸法安定化の方がフェノール樹脂含浸処理より樹脂含浸処理では⊿b*の増加すなわち処理材の黄変，も有利であると考えられる。

PEG処理では⊿L*の減少すなわち処理材の暗色化が顕3-2 各寸法安定化処理による色差の変化著であった。

無処理材を基準とした各処理における色 差の変化を
表 2に示す。フェノール樹脂含浸処理，PEG処理ともに

5 参考文献ほぼすべての樹種で⊿L*は減少，すなわち暗色化する

1)日本木材学 会：木材化学実験書 Ⅱ.化学編,pp.294-

傾向が認められた。カリン，メープルを除く多くの樹種でフェノール樹脂含浸処理よりもPEG処理の方が⊿L*の値が小さく，暗色化の程度が大きいことが認められた。フェノール樹脂含浸処理ではカリンを除いて⊿

295，中外産業調査会(1985)

マグネシウム合金への表面処理技術の開発
南 守 *1

土山 明美 *1

古賀 義人 *1

古賀 弘毅 *1

中野 賢三 *1

猪口 真規 *1

Development of Surface Treatment for Magnesium Alloy
Mamoru Minami, Akemi Tsuchiyama, Yoshito Koga, Hiroki Koga, Kenzo Nakano and Shinki Inokuchi
マグネシウム合金は，その化学的性質等から鉄鋼材料と比較して使用できる表面処理技術が限定されている。自動車を始めとする輸送機器関連分野への適用拡大を実現するには，従来以上の耐食性，耐摩耗性，意匠性を付与す
る表面処理技術の開発が必須となっている。本研究では，マグネシウム合金を輸送機器関連分野に対して適材適所に利用できるように，AZ91D鋳造用マグネシウム合金板材を用いて化成処理，めっき前処理，めっき及び溶射について検討した。その結果，各種表面処理技術の特徴，皮膜形成のメカニズム，問題点等に関して有意義な技術的知見が得られた。

1 はじめにの研究を同時に進めている。想定しているマグネシウ

マグネシウムは実用金属の中で最も軽量であり，さム合金表面処理体系の概略を図1に示す。試験片には，らにその合金は，比強度が高く，鋳造性，寸法安定性，最も汎用的に使用されているAZ91D鋳造用マグネシウ

振動吸収性，電磁波シールド性，リサイクル性に優れ

ム合金材を用いた。試料表面及び断面の観察には走査た特性を有している 1,2) 。そのため各種産業において，型電子顕微鏡（SEM）（（株）エリオニクス製ERA8800）

マグネシウム合金の適用が拡大しており，特に自動車を用いた。表面から深さ方向の組成分析は，グロー放を始めとする輸送機器関連分野では，省エネルギーに

電発光分光分析装置（（株）堀場製作所製JY5000RF）

寄与する軽量化材料として大きな期待が寄せられていを用いることにより評価した。耐食性は，JIS Z 2371

3)る 。しかしながら，マグネシウム合金は実用金属中に準拠した塩水噴霧試験（スガ試験機（株）製

最も卑な電位を示し，化学的に活性で他の金属材料よCASSER-ISO-3）により評価した。

りも耐食性が劣るという欠点を有している 1) 。そのた

上述の各種表面処理技術を検討した結果，技術の特め，マグネシウム合金を実用部材として用いる場合は，徴，皮膜形成のメカニズム，問題点等に関しての知見

何らかの表面処理を施し耐食性を向上させる必要があが得られたので報告する。

る 4)。
ノートPCや携帯電話で使用しているマグネシウム合金製筐体の表面処理は，化成処理後，塗装が行われて

化成処理

めっき

溶射

低コスト、意匠、
簡易防食

高耐食、耐摩耗、
電気伝導、熱伝導、意匠

高耐食、耐摩耗、厚膜

いる。このように，マグネシウム合金への化成処理技
術はすでに実用化されているが，九州域内では未だ根付いておらず，技術導入が課題となっている。一方，

化成処理
（新規法）

めっき前処理（新規法）

輸送機器関連分野でマグネシウム合金を適用する場合，
塗装

適用部位によっては安全性や信頼性を確保するため，
マグネシウム合金表面は，従来技術で作製される皮膜

溶射＋封孔処理（新提案）

無電解Niめっき
（新提案）

電気めっき
製
製

品
品

が有する耐食性，耐摩耗性を超える性能が求められる。
このような背景を踏まえ，著者らはマグネシウム合

図1

マグネシウム合金への表面処理技術体系

金を適材適所に利用できるように，表面処理の基本技術である化成処理と，高耐食性，耐摩耗性に優れる皮膜作製を可能にするめっき前処理，めっき，溶射技術

2 研究方法
輸送機器関連分野へのマグネシウム合金の適用拡大を図るには，要求される性能を満足する表面が付与で*1 機械電子研究所

きる表面処理技術の確立が重要である。著者らは，マ

図2

図3

化成処理膜の組成分析

化成処理膜の塩水噴霧試験結果（試験時間：24時間）

グネシウム合金への表面処理技術を図1に示すようにを行った。

体系付け，化成処理，めっき前処理，めっき及び溶射

新規な3価クロム系化成処理法は，処理液の基本組技術に関する研究を同時に進めている。化成処理技術

成を3価クロム，アンモニウムイオン，リン酸とし，は，新規な3価クロム系化成処理技術に関する研究をpHコントロールにより反応速度を制御しつつ，マグネ行った。めっき前処理は，異種金属接触腐食を生じにシウム合金上へ安定皮膜を形成する方法である。本技

くい亜鉛下地膜を形成するための新規処理技術に関す術により得られた皮膜の元素分析結果を図2に示す。

る研究を行った。無電解めっき技術は，ニッケルめっマグネシウム合金上へ厚みのある化成皮膜が生成してき用市販浴の問題点及び実用化の可能性に関する研究

おり，皮膜構成成分は，クロム，リン，窒素，酸素，を行った。溶射技術は，溶射膜と封孔剤の組み合わせ

水素などが検出された。これを24時間の塩水噴霧試験の違いによる問題点及び実用化の可能性に関する研究に供した結果を図3に示す。点錆の発生は皆無であり，を行った。各技術に関する研究結果及び得られた知見

優れた耐食性を示していることが分かる。今後，化成を以下に述べる。

液の安定化や塗装密着性等を評価し，化成処理剤としての製品化に結びつけていく予定である。

3 結果と考察3-1 化成処理

3-2 めっき前処理
マグネシウムは活性な金属であるため，電気めっき

化成処理は，金属材料と化成処理剤との間の化学反浴中でマグネシウム自身が腐食するとともに，めっき応により，金属材料表面に化学的に安定な皮膜を形成

処理中に発生する水素を吸蔵するためフクレやハガレする手法である。この皮膜を形成することにより，金等が生じ，水溶液系での直接電気めっき処理はほぼ不属材料と塗料の化学反応を抑制し，良好な密着性を得可能である。このため，電気めっき前に亜鉛置換を行ることができると考えられる。近年施行されている欧

うめっき前処理方法が開発されているが，実際には十州指令（RoHS指令など）により6価クロムの使用が制分な亜鉛膜を形成することは容易ではない。そのよう限されていることから，クロムそのものを嫌う傾向になことから，マグネシウム合金上への安定した高耐食あり，ノンクロム系化成処理液も開発されている。こ金属被覆技術は開発されておらず，需要開拓のネックのように，化成処理技術はすでに実用化されているたとなっている。

め，本研究では技術の優位性を確保できる技術移転が本研究では，溶液を用いない拡散浸透を用いためっ行えるように，従来よりも高耐食性化成皮膜の開発をき前処理法で亜鉛膜を作製する技術の開発を行ってい目的とした新規3価クロム系化成処理法に関する検討る。開発する技術は，亜鉛粉末を主体とした浸透剤を

るつぼ
浸透材

Zn膜
拡散層
Mg合金

Ｍｇ合金

図4

拡散浸透によるめっき前処理概略図

Zn 系皮膜図6

拡散浸透によるめっき前処理で作製した亜鉛膜の組成分析

基材のピンホール欠陥に起因するマグネシウム素地の腐食（AZ91D）

といった問題から，マグネシウム合金上へのめっきは

20µm
図5

実用化が遅れているのが現状である。
本研究では，めっき処理の問題点および実用化の可能性について調査するため，市販されているマグネシ

試料断面SEM像

ウム合金用無電解ニッケルめっき処理液，電気ニッケ
調整した後，マグネシウム合金を浸透剤中に埋没させ，

ルめっき処理液，クロムめっき処理液によりめっき皮

熱処理により亜鉛が拡散浸透することでマグネシウム膜の作製を試み，皮膜特性等の技術データの蓄積を行合金上に亜鉛膜を作製するものである。拡散浸透法にった。なお，試験片は，エメリー研磨紙にて600番まよる亜鉛膜作製概略図を図4に示す。

で研磨後，アセトン中で超音波洗浄したのち表面処理

図5に処理後の断面，図6に得られた皮膜の元素分析に供した。

結果を示す。膜厚は，数ミクロン程度であった。基板

未処理材および表面処理材の試料表面外観を図7にに達するクラックが観察されたので，今後は作製条件示す。一連のめっき処理により金属光沢を呈する皮膜の最適化や膜形成のメカニズムを検討する予定である。

が形成できることが分かる。しかしながら，めっき処

3-3 めっき

理後の試料表面SEM観察からは，図8に示したようなフ表面処理の中でも，金属光沢を有する外観や耐摩耗

クレ，素地の腐食といった欠陥が多数観察される。一

性付与といった理由から，マグネシウム合金表面への般的に，鋳造材にはひけ巣やピンホール等の鋳造欠陥

めっき処理に対する要求は極めて高い。しかし，めっが多数存在しており，マグネシウム合金は特に鋳造欠き膜とマグネシウム基材との密着性が低いことや皮膜陥が発生しやすく，これらの欠陥はめっき皮膜のピン

20µm

未処理材
図7

100µm

表面処理材

未処理材及びめっき処理後の試料表面外観

図8

めっき処理後の試料表面SEM像

ホールの原因になると言われている 5）。よって，試料

異種金属接触による腐食の促進効果により耐食性はむ

表面にみられる欠陥は，鋳造欠陥に起因した皮膜欠陥

しろ低下し，皮膜の剥離が生じている。その一方で，を通して基材が容易にめっき液により腐食し形成され適正な封孔処理を実施した試験片では，白色の腐食生たものと推測される。

成物の発生等はあるものの，1000時間経過後も皮膜の以上の結果から，市販されている処理液を用いるこ

剥離等は生じておらず，溶射皮膜がマグネシウム合金とでマグネシウム合金上へのめっき処理は可能だが，への表面処理技術として可能性があることが示唆され基材の欠陥を低減させる，あるいは無電解めっき皮膜た。今後，皮膜が異種金属と接触した場合等についてのピンホールを封止する等の対策を講じない限り，そも検討を行なう予定である。

の後の電気めっきによる意匠性の高い皮膜を形成させることは難しいことが改めて確認できた。今後は，処4 まとめ

理コストをかけずにピンホールを封止し耐食性を確保

軽量構造部材として非常に期待の大きいマグネシウするマグネシウム合金上へのめっき技術に関して検討

ム合金に各種条件にて表面処理を行い，技術データベを行う予定である。

ースの構築および新規処理法の開発を行った。今後は，

3-5 溶射実用化に向けて表面処理条件の最適化を図っていく予溶射技術は，材料表面に比較的安価に厚膜を形成で定である。

きる表面技術であり，主として鉄鋼表面への耐食性・耐摩耗性の付与に利用されている。マグネシウム合金

5 参考文献では，化成処理後塗装することが一般的な表面処理方

1)マグネシウム加工技術，pp.12-33，コロナ社(2004)

法となっているが，高い耐摩耗性を要求される分野に

2) マ グ ネ シ ウ ム 技 術 便 覧 ， pp.55-65 ， カ ロ ス 出 版

おいてはより高い耐摩耗性を有する皮膜の形成が求め(2007)

られていくものと考えられる。このため，マグネシウ

3)板倉浩二：金属，75巻(12号)，pp.36-43(2005)

ム合金との腐食電位が比較的小さくなりやすい亜鉛系4)髙 谷 松 文 ： 材 料 と 環 境 ， 48巻 (8号 )， pp.476-483

合金を用いて溶射皮膜を形成し，その耐食性の評価を実施した。この結果を図9に示す。今回用いた溶射皮
膜は ， 表面 か ら基 材 への 貫 通気 孔 が存 在 する こ とか

(1999)
5)マ グ ネ シ ウ ム 技 術 便 覧 ， pp.201-210， カ ロ ス 出 版(2007)

ら，封孔を実施しない溶射皮膜においては，基材との図9

塩水噴霧試験結果

オーステナイト系ステンレス鋼ワイヤにおける固相窒素吸収処理および伸線加工の検討
小野本 達郎 *1

土山 聡宏 *2

高木 節雄 *2

荒木 信仁 *3

山口 淳二 *3

Investigation of Solid Solution Nitriding and Cold-drawing
in Austenitic Stainless Steel Wire
Tatsuro Onomoto, Toshihiro Tsuchiyama, Setsuo Takaki, Nobuhito Araki and Junji Tamaguchi
市販のオーステナイト(γ)系ステンレス鋼であるSUS304およびSUS316ワイヤに固相窒素吸収処理を施した結果，各鋼種とも延性をあまり損なうことなく強度特性が大幅に改善された。また，窒素吸収処理したワイヤは，伸線加工により顕著な加工硬化を示し，非磁性であるにも拘わらず加工誘起マルテンサイト(α’)で強化された従来のSUS304に匹敵する強度特性が得られることが判明した。

1 はじめに

2 実験方法SUS304お よ び SUS316に 代 表 さ れ る オ ー ス テ ナ イ ト

供試材は表1に示す市販の線径φ0.5mm-SUS304およ(以下，γ)系ステンレス鋼ワイヤは，加工性や耐食性

びSUS316ワイヤを使用した。これらのワイヤに対してに優れており、構造用材料としてだけでなく，生活用

1473K-0.1MPaの窒素ガス雰囲気炉にて0.3～3.6ksの窒品から医療用材料まで幅広い分野で使用されている。

素吸収処理を施した後，炉内の水冷帯で窒素ガス急冷

一般にワイヤは伸線加工により製造され，その強化機した。一方，Fickの第二法則を用いて理論的に見積も構は転位強化による加工硬化であり，延性の著しい低られる窒素の濃度分布 4） を図1に示す。なお、1473K-

下，場合によ っては加工誘 起マルテンサ イト(α’)の0.1MPaの窒素雰囲気におけるSUS304の平衡窒素濃度が生成による磁性の発現や耐食性の低下などが問題とな

0.5mass%4） であることから，これを界面平衡濃度としることがある。一方，固相窒素吸収法とは，ステンレ

た。本理論計算から窒素が平衡状態に達するまでは，ス鋼を高温の窒素ガス雰囲気に保持することで，材料

傾斜 的 に窒 素 濃度 が 変化 し た状 態 であ る と考 え られ

表面から窒素原子を吸収させて高濃度の窒素鋼を得るる。そこで，実際に得られた窒素吸収ワイヤについて手法であり，比較的安価に，かつ極めて高濃度の窒素

電 子 プ ロ ー ブ ・ マ イ ク ロ ア ナ ラ イ ザ ー ／ EPMAを含有するステンレス鋼を製造することができる特徴（ Electron Probe(X-ray) Micro Analyzer:日 本 電 子がある。γ鋼における固溶窒素は，延性をあまり低下（株）JXA-8200）を用いて窒素吸収挙動(窒素濃度プさせることなく強度を向上させ，さらに強力なγ安定

ロファイル)を定量的に確認した。また、機械的性質

1）

化作用により孔食を抑制するなどの効果がある 。この変 化 につ い ては 引 張試 験 より 調 査し た 。次 い で，のような固溶窒素による効果と伸線加工を組み合わせ

3.6ks-窒素吸収ワイヤについてダイヤモンド穴ダイス

れば，従来の伸線加工ワイヤと比べて優れた強度特性を用いて伸線加工を施し，伸線加工率と機械的性質のや耐食性が期待される

2,3)

。

関係を調査した。さらに，強伸線加工を施したワイヤ

本研究は，固相窒素吸収＋伸線加工プロセスによるについてX線回折により相の同定を行った。比較材と高窒素鋼ワイヤの製造に必要な基礎知見を得ることをして，1373K-0.6ksで真空焼鈍したワイヤ（以下，未目的とし，SUS304およびSUS316ワイヤにおける窒素吸吸収ワイヤ）を準備し，同様の調査を実施した。

収挙動ならびに伸線加工率と機械的性質の関係について調査した。

表1

供試材の化学組成(mass%)

Cr

Ni

S

Fe

Si

Mo

C

*1 機械電子研究所

SUS304 18.06 8.46 1.27 0.39-

0.07 0.031 0.031

bal.

*2 九州大学

SUS316 19.22 12.58 1.82 0.39 2.26 0.05 0.004 0.019

bal.

*3 安田工業（株）八幡工場

Mn

P

0.6
0.6ks
0.4
0.3ks
0.2
0
-0.25
(center)

0ks

N 2gas:1473K-0.1MPa0(surface)
Distance form the center (mm)0.25
(center)

50

0.8
TS
0.6

40

EL
30

0.4

20
0.2%PS

0.2
0N2gas:1473K-0.1MPa

10Open ： SUS304
Solid ： SUS316

0
0

0.6

1.2

1.8

2.4

3.0

3.6

Absorption time (ks)
図3

図1 SUS304ワイヤに形成される窒素濃度プロファイル

3 結果および考察

60

1.0

Total elongation (%)

Normalized nitrogen concentration

1.5ks
0.8

0.2% proof stress, Tensile strength (GPa)1.0

窒素吸収時間に伴う機械的性質の変化

図4は3.6ks-窒素吸収ワイヤにおける伸線加工に伴う

図2はEPMAによるSUS304ワイヤ横断面の窒素分析結0.2%耐力と伸びの変化を示す。窒素吸収の有無に拘わ果を示す。処理時間の経過に伴いワイヤ表面より中心

らず伸線加工率の増加に伴い，SUS304およびSUS316ワ

部に向かって傾斜的に窒素吸収されている様子が観察

イヤ共に0.2%耐力は増加し伸びは減少した。特に，窒される。なお，図中にはワイヤ半径方向の線分析結果

素吸収したSUS316ワイヤは，未吸収ワイヤと比べて高も併記しており、窒素濃度プロファイルは，前掲図1

いレベルで強度が推移しており，伸線加工による高強で示した計算結果と良く対応している。このことは，度化に効果的である。一方、SUS304ワイヤについては

高窒素鋼ワイヤの製造条件の策定にあたり，理論計算

窒素吸収の有無に拘わらず，高歪み域における両者のは極めて有効なツールであることを実証するものであ

0.2%耐力は同程度に収束する傾向がみられた。

る。図3はSUS304およびSUS316ワイヤにおける処理時

機械的性質はほぼ一定となった。この現象は，窒素吸収によりワイヤ中の平均窒素濃度が徐々に増加することに伴い機械的性質が変化し，最終的に平衡濃度で飽和したことを意味している。なお，窒素の固溶強化で(a)SUS304
50

2.0
0.2%PS

1.6

40
30

1.2
Solution-nitrided
Vacuum-annealed

0.8
0.4

EL

0.2%耐力と引張強度は最大で200MPa程度上昇した。

1.8ks(b)SUS316
50

2.0
0.2%PS

1.6

30

1.2
Solution-nitrided
Vacuum-annealed

0.8
0.4
0

図2

SUS304ワイヤにおける窒素吸収挙動

40

EL
0

20
40
60
80
Reduction of area by cold-drawing(%)
図4

伸線加工に伴う機械的性質の変化

20
10
100

0

Total elongation (%)

0.6ks

0.2% proof stress (GPa)

0.3ks

10
0
60

0
2.4
0ks

20

Total elongation (%)

上昇する一方で伸びは低下し，約1.8ks以上になると0.2% proof stress (GPa)に処理時間の経過に伴って， 0.2%耐力と引張強度は

60

2.4

間に伴う機械的性質の変化を示す。いずれのワイヤ共図5は断面減少率Δ77%の伸線加工を施したSUS304ワイが，4年前より高窒素ステンレス鋼の商用製造を目的

ヤ横断面のX線回折結果である。未吸収ワイヤは強ひに，高品位でかつ低コスト化を実現できる連続線材熱ずみ加工により，加工誘起マルテンサイト(α’)単相組処理装置の開発に取り組んでいる。幸いなことに開発

織に相変態しているのに対して，窒素吸収ワイヤはオ

技術は，（財）りそな中小企業振興財団・日 刊 工 業

ーステナイト(γ)が安定に保たれている。すなわち耐新 聞 社 が 主 催 す る 第20回「中小企業優秀新技術・

食性に優れ非磁性であるにも拘わらず，加工誘起マル

新製品賞」において，「優良賞」ならびに「産学官連

テンサイト(α’)で強化されたSUS304に匹敵する強度特携特別賞」を受賞し，研究者として非常に大きな励み性が得られることが判明した。

となった。現在は，ユーザー企業と連携して本格的な事業化に向けた研究開発を推進しているところである。

(a)

bcc

Intensity (arb.unit)

6 参考文献1)T.Nakanishi, T.Tsuchiyama, H.Mitsuyasu, Y.Iwamoto,
S.Takaki: Materiais Science and Engineering A,(b)460-461, pp.186-194 (2007)

fcc

2)T.Onomoto, T.Fukumaru, T.Tsuchiyama, S.Takaki,
N.Araki and J.Tamaguchi: CAMP-ISIJ, Vol.19,
p.516 (2006)

40

60
80
100
Diffraction Angle (2θ), CoKa120

図5 SUS304伸線加工後(Δ77%)のX線回折パターン(a)未吸収ワイヤ，(b)窒素吸収ワイヤ

3)小野本達郎, 福丸大志郎, 土山聡宏, 高木節雄, 荒木信仁, 山口淳二: 第 63 回日本熱処理技術協会講
演大会講演概要集, pp.29-30 (2006)4)T.Tsuchiyama, T.Fukumaru, M.Egashira, and S.Takaki:
ISIJ international, Vol.44, No.6, pp.1121-1123 (2004)

4 まとめ
固相窒素吸収における処理時間を変化させて，

7 謝辞

SUS304およびSUS316ワイヤにおける窒素吸収挙動なら

本研究の一部は，平成H16年度中小企業産学官連携

びに機械的性質の変化，次いで窒素吸収ワイヤの伸線開発事業((財)北九州産業学術推進機構) ，平成17年

加工率と機械的性質の関係について調査し，以下の知度産業技術研究助成(NEDO)ならびに平成18年度地域新見を得た。

生コンソーシアム研究開発事業(経済産業省)のご支援(1)1473K-0.1MPa(N2) の 窒 素 吸 収 処 理 に よ り ， SUS304

により実施したものであり，ここに謝意を表します。

およびSUS316ワイヤ共に窒素の固溶強化で0.2%耐力

なお、本研究のSUS304ワイヤ横断面の窒素分析は、と引張強度は最大で200MPa程度上昇した。また，処理時間1.8ksで窒素濃度は飽和状態に達し，機械的性質はほぼ一定となった。
(2)窒素吸収処理後に伸線加工すれば，SUS316では窒素の固溶強化と加工硬化の増大させる作用により，高強度化に有効であった。一方，SUS304では，非磁性であるにも拘わらず，加工誘起マルテンサイト(α’)で強化されたSUS304に匹敵する強度特性が得られた。

5 現在と今後
本報は実験室レベルでの研究成果のみの記述である（財）JKA補助物品のEPMAを用いて実施しました。

瓦製造技術を応用した筑後川流域潟の活用（第１報）－潟の基本特性－阪本 尚孝 *1

親川 夢子 *2

Application of Liman of the Chikugo River Basin using Roof Tile Production Technology- Part 1: Fundamental Characteristics of Liman Naotaka Sakamoto and Yumeko Oyakawa
干満の差が大きい筑後川沿岸には多量の潟が堆積している。この潟は河川の保全の観点から課題となっているが有効な対応策は講じられていない。一方，筑後川流域に位置する城島町には古くより沿岸部の粘土を利用した瓦産業があり，土と炎の技術を用いた新製品を模索し続けている。そこで，本研究では潟を対象とし，窯業原料としての可能性について検討を行った。その結果，瓦等のような高度な寸法精度を必要とする製品以外であれば，多孔質で滑らかな表面をもつ製品が設計できる可能性を明らかにした。

1 はじめに筑後川沿岸域の環境改善を目指した「潟」利用方法に

筑後川は熊本県に源流をもち，大分県，福岡県を通2ついて検討した。

って有明海に流れる延長143km，流域面積2860km の一

城島瓦は，江戸時代に丹波の国から伝わり，筑後の級河川である。この下流域に位置する福岡県筑後エリ

粘土と水運を利用して発展した日本の代表的な瓦であアでは，日本最大といわれる有明海の干満差に由来しる。とりわけ，歴史ある職人技で生み出されるいぶして水面高さが著しく変化するため，治水の上での課題

銀の逸品は，10年経って真価がわかるといわれる程のが大きいものの，この特徴により広大で肥沃な筑後平

耐寒性，耐久性に優れており，質実剛健な品質として野が形成され豊かな穀倉地帯が広がっている。ただし，全国に名を馳せてきた。また，城島瓦の代名詞のよう沿岸部には大量の「潟」が堆積する傾向があり，近年に知られる鬼面瓦は，芸術的な細工が施されており，

では護岸整備の課題ともなっている。「潟」とは，遠福岡県指定特産工芸品のひとつでもある。しかしなが浅の岸で潮が満ちると隠れ，引くと現れる干潟部，あら，城島瓦は，日本有数の瓦産地であるにも係わらず，

るいはその土のことを指す。一般には佐賀県鹿島市で全国的な認知度が低いことや一般のライフスタイルの開催される有明海「ガタリンピック」のように海岸干変化に対応しきれていない等の理由から，近年は慢性潟が知られているが，同様な泥土が筑後川下流域にも的な売上げの低迷が続いているのが現状である。

多く存在しているのである（写真1）。本研究では，負そこで本研究では，この現状の改善を目指し，瓦産の堆積物となっている「潟」を有用な資源として捉え，業が有する「土と炎の技術」を活用することで，筑後筑後地域にある城島瓦製造技術を応用することにより，川流域の「潟」を窯業原料とする可能性について検討を行った。
潟粘土に関する調査は，これまで地質学の見地からは行われているものの，工業原料として取り扱うための検討はほとんどなされていない。そこで本年度（初年度）はまず成分やミクロ構造を調べるとともに，成形試験体による物性評価を行った。

2 実験方法写真1*1 機械電子研究所*2 化学繊維研究所

筑後川流域の潟

2-1 検体採取および分析
本研究では，久留米市城島町沿岸 3 箇所（①桟橋付
近（最も水面に近い部位），②桟橋付近。水面から 5m

内陸，③六五郎橋桁の下）の潟を採取し，検体とした。

特 殊な陰イオンが大量に検出されていないことから，採取作業は城島瓦協同組合（以下，瓦組合と記す）の

潟はケイ酸を主成分とする酸化物系であり，いずれの支援を得て，干潮時に約 500kg ずつ採取し，蛍光Ｘ線

場所で採取した検体も大きな組成的差異がないことが分析による化学組成，Ｘ線回折による結晶相分析，電明らかとなった。また，この組成は一般の瓦製造用粘子顕微鏡によるミクロ構造観察，レーザー回折式粒度

土と大差はなく，成分的には窯業原料として使用でき分布計による粒度測定，TG/DTA による熱分析を行っる可能性が伺えた。なお，この組成分析結果は蛍光Ｘた。

線分析結果を単成分酸化物として表したものであるた
め，それぞれの元素がどのような形態で含有されているかを判断することはできない。そのため，Ｘ線回折測定を行い，図1の結果を得た。ここでも３種の検体はほぼ同様の分析結果であったため，②のプロファイルを代表として示した。これより，潟がSiO2 とAnor-

写真2

潟採取の様子SiO2Anothite

2-2 成 形試験および成形体評価
採取した潟を成形し，成形体 の物性評価を行った。
採 取直後の潟は水分を多量に含んでいるため，瓦組合
にて乾燥具合を観察し，成形工程に供することが可能と判断した後，小型真空押出機（（株）石川時鐵工所

図1

潟②のXRDプロファイル

製YO-5）を用いて成形した。口金サイズは直径24mmとし，円柱棒状に押し出したものを約100mm程度に切断

thite系化合物（(Ca,Na)(Al,Si)4O8 など）を主成分として試料とした。これを110℃で乾燥後，所定の温度しており，いわゆるkaoliniteやsericiteといった粘条件で焼成し，物性試験に供した。物性試験として，

土鉱物は多く含まれていないことがわかる。一般に粘収縮率測定，吸水率測定（JIS R1250に準拠），保水率

土鉱物は層状構造をとるため平板状の粒子となりやす

測定（JIPEA保水性舗装用コンクリートブロックの品

く，マクロには可塑性を呈するのに有効な成分である。

質規格に準拠）を行った。

換言すれば，潟中にこのような平板状の粒子が少ない
ことは，成形性に課題があるものと推察される。
写真3に潟の電子顕微鏡写真を示した。また，参 照

3 結果と考察のために瓦製造用粘土についても合わせ示している。

3-1 潟
表1に 採取した潟の化学組成を示した。これより，

A
表1

B

潟の化学組成 (wt%)

写真3

ミクロ組織（A:潟②，B:瓦用粘土）

こ れより，Ｘ線回折結果から推定した通り，瓦用粘土に比べて潟のなかに大きな板状粒子はほとんど認められず，数μmサイズの粒子が凝集している様子が確認できた。また，いずれの潟においても粒子形状に大差はなかった。以上の結果から，潟を生地として材料設計を行う場合，粘土鉱物を利用したイオン交換機能等あるため，その粒子は粘土鉱物的ではなく，比較的単を期待することは難しいと判断される。むしろ，比較

純な形状で粒度もピークがひとつしかない単純な分布

的粒径が揃った粒子であるため，μmサイズの多孔性となっていること，細粒の間隙に水分が十分保たれて等を活用することが重要と推察された。このことを確おり有機分と合わせ燃焼減量が大きいこと等の特徴を認するため粒度分布を測定した。その結果を図2に示明らかにした。

す。このように潟は約10 μmにのみピークをもつきわ

3-2 成形体本研究では 潟 のみを使い， 成形体を調製 すること

5

Different (%)と した。まず，瓦組合にて押出可能と見なされる程度
4まで乾燥させたが，真空押出機で土練作業をした結果，

3

多くの水分が残留しており，著しく弱い可塑性しか得られなかった。そこで，瓦組合で再度検討し，やや水2分不足と判断される程度まで乾燥させた。この場合，
1

表面部のみの極度な乾燥を避けるため定期的な 返し

0
0.01

0.1

1

10

100

1000

4

10

μｍ

図2

（攪拌）を行っている。その乾燥潟を押出して成形体を得た。しかし、なおこの成形体の含水率は瓦製造条

潟②の粒度分布件（約20%）に比べ約35%と多く，乾燥が大きな課題でめて単純な粒度分布となっている。このことは，天然あると判断された。

物である潟が筑後川上流の土砂を長時間磨砕しながらこの成形体を110℃で 乾燥させ，2℃/minで所定温度下流に運んで堆積した粒子であるため，比較的整った

ま で加熱・焼成し，2時間保持後炉冷を行った。この状態になっていることを示唆している。

ときの収縮率を図4に示した。これより，乾燥のみで

図3に潟②および瓦用粘土の熱分析結果を示した。

15

0

10

-2

5

も収縮率が10%程度と比較的大きいことがわかる。ま

-4

0

-6

-5
-8

-10

-10

-15

-12

-20
-25

0

200

-14
400
600 800 1000 1200
Temperature (C)

図3

潟②の熱分解温 度の上昇とともに600℃付近まで単調に減量する様

図4

潟の焼成による収縮子から，乾燥および燃焼などによる重量減が著しく大た，焼成温度の上昇とともに収縮率も増加する傾向にきいことがわかる。また，350℃～400℃にかけて大きあり，1200℃では28%という著しく大きい値となってな発熱が認められ，含有する有機物の燃焼が起こっている。一般的窯業製品の焼成収縮率が約10数%である

いるものと考えられる。このように，潟には水分や有ことからもかなり大きな値であるが，1200℃は粘土系

機分が多く含まれており，成形性や焼成特性に大きな窯業製品を製造する場合には相当な高温での焼成とい影響を及ぼすものと推察された。

える。なお，収縮率は潟②が最も大きい結果となって以上のように，本研究で取り扱う 潟について分析をいるが，サンプル種による極端な差異は認められない行 った結果，採取場所による差異はほとんどなく，比ものと判断した。また，焼成による収縮率の増加は，

較的どの場所の潟も同様に利用できる可能性があるこ

低温域よりも高温域の方が著しい。これは一般的なセと，潟が上流の岩石などが磨砕されて堆積したものでラミックス焼成体と同じ傾向であり，高温域では焼結

現象によって粒子同士の結合が急激に進行するものと上，1000℃でも0.3g/cm3 以上の保水量を有しており，推察される。

保水性舗装用コンクリートブロック規定が0.15g/cm3

図5に吸水率の変化を示した。このように，焼成温度 が800℃以上になると急激に吸水率が低下すること以上であることを考慮してもきわめて高い保水性の焼成体であることがわかった。
以上のように，潟を原土とし て調製した成形体につい て物性評価を行った結果，多孔性を特徴とする製品
設計を行なえる可能性があるが，少なくとも1000℃以下の温度で焼成する必要があることを明らかにした。
3-3 試作潟はきわ めて単純な粒度分布をしていることから，
乾燥時に粒子の高い充填性が期待できるとして，型押し 成 形 体 を 試 作 し た 。 型 は 直 径 150mm 程 度 の 家 紋 型（瓦組合提供）を用いた。潟は真空押出機で土練し，

図5

潟焼成体の吸水率

余分な気泡や水分を除去したものを用い，手押しで型から，800℃以上の温度では焼結現象が著しく進行す

取り後，乾燥，焼成（薫蒸）を行った。写真4に試作ることがわかる。また，800℃以下での焼成体は仮焼品の一例を示す。多少従来の瓦用粘土に比べ収縮率は程度の焼結体であるが40%もの吸水率を示しており，一般的な焼成体の吸水率（最大15%程度）に比べ大きな値である。瓦焼成温度域である1000℃での焼成においても20%程度の吸水率を維持していることから，多孔性の大きな構造体を形成できる可能性が示唆される。
なお，1200℃で焼成した場合，吸水率はほとんど0%であった。このことは1200℃で焼成した場合，潟のもつ多孔性がほとんど失われることを意味している。

写真4

保水性は多孔質部材にとって重要な特性のひとつ で潟による型押し試作品

あ る。特に屋外で使用される窯業建材に関してはヒー

大きいものの，大きな変形などはなく，良好な形状でトアイランド対策の一環としても期待されており，近調製できている。また，通常品は成形後に表面仕上げ

年多方面からの要求が高まっている物性といえる。そとして簡単な磨き作業を行なうが，この試作品につい

こで潟で調製した成形体の保水量を評価し，図6の結てはその必要がない程滑らかな外観を得ることができ果を得た。これより，保水性は，吸水率（図5）と同た。これは潟粒子の充填性が高いことに拠るものと推様，800℃以上の焼成で急激に低下する傾向があるこ察され，多孔性と同様、潟を原土として用いる際の利3とが確認できる。ただし，800℃焼成時で0.45g/cm 以

点になると期待される。

4 まとめ
筑後川沿 岸に堆積している潟を窯業原料として検討した。その結果，潟のミクロ構造に由来して可塑性や収縮性に課題があるものの，優れた多孔質と充填性を特徴とする製品設計に利用できる可能性を示すことができた。
なお，現 在，城島瓦協同組合の協力を得て，可塑性の改善と乾燥の制御について引き続き検討中である。
図6

潟焼成体の保水性

射出成形金型内の樹脂挙動追跡技術の開発
池田 健一 *1

野中 智博 *1

谷川 義博 *1

安部 年史 *1

Development of the Resin Behavior Chase Technology in the Injection Molding Die
Kenichi Ikeda, Tomohiro Nonaka, Yoshihiro Tanigawa and Toshifumi Abe
樹脂流動解析の検証を行うには，温度の把握は非常に重要である。これまで，様々な温度測定の研究が行われているが，単純形状金型を対象としている。そこで，本研究では，実製品のような曲面形状金型内の樹脂の温度を測定できる技術を開発した。また，その技術を用いて，樹脂流動解析の検証を行った。

1 はじめに

2 実験方法射 出 成 形 と は ，「 プ ラ ス チ ッ ク （ 樹 脂 ） を 溶 か し

2-1 温度測定方法て・流して・形にする」成形法であり，金型内におい金型壁面の近 傍では，樹脂 はすぐに冷却 されるたて樹脂は液相から固相へと急激に相変化する。これが，め，低い温度でしか測定されないという報告 6) がある。

ヒケ・反りおよびフローマークなどの成形不良現象のそこで，本研究では，図1のように金型開閉方向に沿発生と密接に関わっている。このため，樹脂温度を正って測定した製品厚さの中央部にシース熱電対（接地確に把握することは，成形プロセスの高精度化に繋が型，直径：0.5mm）の先端を配置した。この熱電対のる。そこで，樹脂流動解析を用いて樹脂温度などを計

時定数（出力立ち上がりから，63.2%応答に要する時算し，設計の段階で問題点を明確化する方法が普及し間）は約50ms（20℃→90℃水中で測定）であり，他のつつある。また，試作回数削減・工程削減およびハイ

報告 6,7)と比較して，素早い応答速度を得られた。

サイクル化による経済性向上にも，樹脂流動解析は有金型の温度測定技術が確立していないため，樹脂流動解析が実際の現象と一致しているかどうか検証できないのが現状である。

キャビティ壁面

金型開閉方向

効な手段であると考えられている。しかし，曲面形状

製品厚さ

樹脂
コア壁面

金型内の樹脂温度は，これまで，素線熱電対法 1,2) ，
3)

シース熱電対(φ0.5mm)

4)

赤外線放射温度計測法 ，超音波温度計測法 および

図1

樹脂温度測定原理

5)

蛍光法 などにより測定されてきた。しかし，これらの方法では，流動樹脂内部までの温度を正確に測定す

図2は，熱電対の取り付け方法を示している。熱電ることは困難であった。このような現状から，集積熱対は，3分割されたコアの間に挟んで固定されている。

6)

電対による方法 や樹脂表面の温度変化から演算する
7)

方法 が開発されている。また，これら以外に，金型

このとき，熱電対の突出し量は，製品形状の厚さの中心になるように設定した。

の温度を測定して樹脂流動解析の検証を行った報告 8)も存在する。しかし，実製品のような曲面形状金型内の流動樹脂の内部温度を測定するという報告は存在しない。
そこで，本研究では，曲面形状金型内の樹脂温度を測定できる技術の開発を行った。また，その技術を用20mm

いて樹脂流動解析の検証を行った。
図2*1 機械電子研究所

熱電対の取り付け説明図

2-2 実験および樹脂流動解析条件
実験に用いた樹脂はポリカーボネートであり，実験
条件は表1に示す通りである。また，測定点は5ヶ所であり，図3に示す通りに配置した。なお，比較のため，市販の日本キスラー(株)製の圧力・温度センサー（型番：6189A，先端径：2.5mm）も取り付けた。
樹 脂 流動 解 析に使 用し た 樹脂 流 動解 析 ソフ トは，Moldflow Plastic Adviser 8.1 (MPA8.1)で あ る 。 解析結果の一例を図4に示す。解析条件は，表1に示す通りである。ただし，樹脂流動解析の精度を上げるために，通常の使用法では行わないが，次の2つのことを行った。
①外気温度（15℃）を再現するために，金型の外周部に15℃の冷却水を流す。
②MPA8.1に収録されているデータベースは，実験に利用した樹脂（Novarex）の物性値データが少なかったため，他のポリカーボネート(Panlite LS-1250，
帝人)のデータで補足した。

表1

実験および樹脂流動解析条件
測定実験

樹脂流動解析
同左

ﾎﾟﾘｶｰﾎﾞﾈｰﾄ

樹脂（不足するデータは，Novarex：三菱

Panlite LS-1250 で補足）

樹脂温度

270℃

同左

金型温度

17℃

同左

外気温度

15℃

25℃（変更不可）

冷却水

なし

図4

樹脂流動解析結果の一例（充填時間の結果：射出開始から 0.3790s,0.4289s,
0.4688sの充填状態）

15℃ （ 外 気 温 度 の 再 現 のため，金型の外周部に）3 結果と考察3-1 実験結果
樹脂温度測定結果を図5に示す。フローフロント

測定点4

測定点5

（樹脂流動の先端）温度は270℃程度であるが，測定された温度は最高で180℃程度であった。この原因は，充填時間が短いために，最初に熱電対に到達した樹脂

射出位置が固化し，付着したためであると考えられる。この現象を軽減するために，充填終端に樹脂溜りを設け，充填時間を長くする方法 6) も存在する。しかし，金型が
10mm
測定点1
測定点2

測定点3

実製品から解離した形状になるため，本研究ではその方法を行わなかった。それでも，キスラー製センサー
よりも温度の変化量が大きく，より詳細な樹脂流動解

キスラー製センサー

図3

測定点の配置図（コア側から製品を見た図）

析の検証が可能になった。

3-3 冷却時間の検証

150
温度(℃)

冷却時間について，実験と樹脂流動解析の比較を行

測定点3
測定点1
測定点5
測定点4
測定点2

100

った。その結果を図7および表2に示す。このときの樹脂流動解析の条件は，「突出可能温度」の設定を変化させて，「突出可能温度到達時間」を求めた。
充填初期は，急激な過渡現象のため正確な温度が測

ｷｽﾗｰ製

50

定できずに，測定と樹脂流動解析が一致していない。
しかし，5秒経過すると，測定点3の差は30.5℃と大き

0

0

5
時間(s)
図5

いが，5点の差の平均は12.8℃であり，概ね一致して10いることが確認できた。また，10秒経過すると，測定

樹脂温度測定結果

点3の差が8.8℃と大きいが，5点の平均は3.2℃であり，（測定点1の立ち上がりを0秒とする）

非常に良く一致している。このことは，温度全般をほぼ正確に予測できており，温度差による変形や成形サ

3-2 充填時間の検証

イクルタイム等も正確に予測できているということを充填時間について，実験と樹脂流動解析の比較を行示唆している。

った。このときの樹脂流動解析の条件は，測定点1と5の時間差が実験と一致するように充填時間を設定した。

4 まとめ

その条件で，他の3点がどの程度一致しているかを検

曲面形状金型内の樹脂温度を測定できる技術の開発証した。その結果を図6に示す。

を行った。そして，その技術を用いて樹脂流動解析の

樹脂流動解析の方が，やや大きい値を示しており，検証を行い，樹脂流動解析ソフト（MPA8.1）に関して，最大で測定点2が0.006s（12%）大きい値を示している。

次のような結論を得た。

有効数字が小数点以下第2位までであるため，非常に(1)充填時間は，最大0.006s(12%)の差があるが，有良く一致しているといえる。このことは，樹脂が金型

効数字が小数点以下第2位までであるため，非常内に充填される順番を正確に予測できているというこに良く一致している。

とであり，ウェルドラインや繊維配向も正確に予測で(2)温度について，5秒経過時点で，平均で12.8℃，きるということを示唆している。

測定点4

0.080s

最大で30.5℃の差があった。また，10秒経過時

測定点5

測定点4

測定点5

0.150ss0.150
0.150s

0.080s0.150s0.150s

温度( ℃)

150
100
50
0
-0.1

0

0.1
0.2
時間 (s)

0.3

0.4

0s
0s

0.045s0.155s0s
0s

0.051s0.161s

測定点1

測定点2

測定点3

測定点1

測定点2

測定点3

図6

温度測定結果(左)と樹脂流動解析(右)の充填時間の比較

温度（℃）

測定点2

100
50
0

0

10
20
時間(s) 測定点3

0

10

20
測定点4

0

10

20
測定点5

0

10

0

10

20

0

10

20

150

温度（℃）

測定点1

全測定点

150

100
50
0

20

時
図7

表2

温度測定結果(破線)と「突出可能温度到達時間」を利用した冷却曲線(実線)の比較

温度測定結果と「突出可能温度到達時間」を利

5秒後

4)西脇信彦，堀三計，堤正臣：精密工学会誌，52(3),pp.507-513 (1986)

用した冷却曲線の比較(5秒後，10秒後)

5)K.B.Migler and A.J.Bur：Polym.Eng.Sci., 38(1),

10秒後

測定値

計算値

測定値

計算値

測定点1

30.3

39.5

22.5

26.1

測定点2

45.5

55.1

31.6

30.3

測定点3

88.1

118.6

48.9

57.7

測定点4

56.3

65.4

35.4

32.9

測定点5

53.1

58.6

30.2

30.2

（単位：℃）

点で，平均で3.2℃，最大で8.8℃の差であり，概ね一致している。

5 参考文献1)黒崎晏夫, 佐藤勲, 石井浩一郎：日本機械学会論文集(C編)，56-522C，pp.504-511（1990）
2)P.Thienel and G.Menges：Polym.Eng.Sci., 18(4),pp.314-320 (1978)
3)佐藤勲，斉藤卓志：成形加工，11(11)，pp.874-882（1999）

間 （s）

pp.213-221 (1998)
6) 村 田 泰 彦 ， 横 井 秀 俊 ， 阿 部 聡 : 型 技 術 17(12),pp.24-29 (2002)
7) 高 木 靖 彦 ， 高 橋 潔 : 型 技 術 17(12), pp.30-34(2002)
8)大井秀 人， 坂場克哉 ，須 賀康雄: 型技 術 17(13),pp.16-17 (2002)

深穴形状精度測定システムの開発－装置の試作および評価実験－
村上 洋

*1

徳満 幸夫 *2

有田 護 *2

甲木 昭雄 *3

鬼鞍 宏猷 *3

佐島 隆生 *3

Development of a Deep-Hole Measuring System- Evaluation of a Fabricated Apparatus and Evaluative Experiments Hiroshi Murakami, Yukio Tokumitsu, Mamoru Arita, Akio Katsuki, Hiromichi Onikura and Takao Sajima
本研究では深穴加工機主軸にオートコリメーション方式の測定ユニットを取り付けることで，生産現場で内径30～600mm，穴深さ数mの深穴の形状精度を数µm以下の分解能で簡便にオンマシン測定できる測定器の開発を目的としている。本報では，測定装置を試作し，各構成要素の性能評価を目的とした基礎実験の結果について報告する。

1 はじめに2 測定原理穴深さ l と穴径 d との比が特に大きい深穴加工は切2-1 測定ユニット

削加工の中でも難しい加工である。穴評価に関しても

図1に測定原理を，図2に測定ユニット外観を示す。

加工と同様に，評価対象となる穴が深くなるほど測定

測定ユニットには，各種光学系が内蔵されており，オ

精度は低下する。一般に穴の真円度，円筒度，真直度

ートコリメーション方式によりスタイラス変位の検出などは真円度測定器や三次元測定器で測定される。しを行っている。測定スタイラスには穴壁測定用ミラー

かし，船舶エンジンのシリンダライナなどの比較的大(ミラーM)が，回転軸上に回転角度検出用ミラー(ミラ

きな径で穴深さが数m程度の深穴になると上記測定器ーR)が設置されている。レーザ光を偏光ビームスプリ

では対応できない。これらの深穴の測定では真円度のッタ (PBS)に入射し，PBSを透過するレーザ光および測定にはシリンダゲージ，真直度の測定にはオートコ

PBSにより反 射されるレ ー ザ光の2方向 に分離する 。

リメータなどで個別に測定しているのが現状である。

分離されたレーザ光は1/4波長板を通りミラーMおよび

この方法では点測定となり，測定点が多くなると作業

ミラーRで反射され，再度1/4波長板を通りPBSに入射時間が増大し，また，穴が深くなると測定器の設置がする。ミラーMで反射されたレーザ光はPBSにより反射困難になるといった問題が発生する。これまで，超音

され，ミラーRで反射されたレーザ光はPBSを透過し，波探傷器を用いた研究が行われているが，加工穴外部

測定ユニット前方(+ X 方向)に照射される。

からの測定であり測定の際に基準面を作る必要がある
1)。他にも歪みゲージを用いたカンチレバー式変位測2)

測定ユニットスポット-R主軸

3)定法を用いた研究 ，レーザ干渉を用いた研究 が報

ミラー-R

レーザ
レンズ
PF

受光用光学系

CCD
DR
DM

レンズ

告されているが，前者は原理上測定誤差が大きくなっており，後者では測定対象面は鏡面で行われており，

θR

PBS
1/4λ
θM

スポット-M

ｆ

ミラー-M
スタイラス

粗い面で測定精度を維持するのは難しい。

CCD上レーザスポット像

本研究では深穴加工機主軸にオートコリメーション方式の測定ユニットを取り付けることで，生産現場で簡便にオ

図1

測定原理

ンマシン測定できる測定器の開発を目的としている。本報では，測定装置を試作し，各構成要素の性能評価を目的とした基礎実験の結果について報告する。

*1 機械電子研究所*2 九州電子技研（株）*3 九州大学

2-2 受光用光学系
図2 測定ユニット

図3

受光用光学系

2-2 受光用光学系
受 光 用 光 学 系 は ， レ ン ズ (平 凸 単 レ ン ズ ， f = 100

Measuring headmm)，CCDで構成されており，測定ユニットから照射さ

Optical system for light reception

れるレーザ光を受光する。図3に外観を示す。ミラーM，

Spot-M

ミラーRで反射されたレーザのCCD像をそれぞれスポッdト-M，スポット-Rとする。スポット-M,Rの受光量は2枚の1/4波長板を調整することにより，約6:4としていΔe = Δh － Δp

Piezoelectric stage

図4からスポット-M，スポット-Rとし，ラベリングされた

Personal computer

分解能評価用基礎実験装置

0.4
0.3

座標( x , y )を求める。受光用光学系は，測定ユニッ0.2

Deviation Δe μm

領域にて重心計算することによりスポット-M,RのCCD

イラスが穴内壁を走査した際に，穴内壁の変化により

ΔsΔh( max 255)の領域をラベリングし，輝度値の大きい方

ト-M,Rが変位する。これにより，測定ユニットのスタ

Spot-MCCD

Δp

る 。 CCD レ ー ザ ス ポ ッ ト 像 の 画 素 濃 度 値 60 以 上トから照射されるレーザ軸が傾くと，CCD上のスポッLens

d = 1 00mm

0.1
0
- 0.1
- 0.2
- 0.3
- 0.4

変位 d が生じるとミラーMに傾きが生じ，CCD上のスポ

0

0.05

0. 1

0 .15

0.2

ット-Mが変位するために，穴壁の変位 d を求めること

Displacement of piezoel ectric stage Δp mmができる。同様に，ミラーRを少し傾けた状態で設置

図50.4

変位するために，回転角度を求めることができる。レ

0.3

ンズの焦点距 離を f ，レンズ の焦点上に結 像した点と焦点との距離を, D M , D R とする。この時ミラーMの傾き角を θ M ,ミラーRの傾き角を θ R とすると，以下の関係が成り立つ。

D M = 2 fθ M ,

D R = 2 fθ R

Deviation Δe μm

しておくことにより，主軸が回転するとスポット-Rが測定結果（d=100mm）
d = 6 00mm

0.2
0.1
0
- 0.1
- 0.2
- 0.3

(1)

- 0.4
0

0.05

0 .1

0.15

0.2

Displacement of pi ezoele ctric stage Δ p mm

3 基礎実験

図6

測定結果（d=800mm）

3-1 測定分解能評価
測定ユニットの測定分解能を評価するために，スタイラス先端部に1µmピッチで変位を与えた際の測定誤

Δe (= Δh − Δp) を示す。測定誤差は，測定範囲0.25mmにおいて，最大で約 ± 0.22µmであった。

差について検討する。図4に測定分解能評価用基礎実

次に，測定ユニットと受光用光学系の距離 d を

験装置を示す。スタイラス先端部に精密 xy ステージ

800mm離した状態で同様の実験を行った。図6に測定結(P625.2CL, PI Co., Ltd.)に取り付けたジグをあてて，果を示す。測定誤差は測定範囲0.25mmにおいて，最大Y 軸方向に変位を与えた。ステージには静電容量式ので ± 0.26µmであり，測定ユニットと受光用光学系の距変位計が内蔵されており，分解能は1.4nmである。測離 d が100mmよりも誤差が増加してはいるが目標精度定装置によるスタイラス先端部変位測定値とステージの許容範囲内であり，測定ユニットと受光用光学系の変位量を比較し，その差 Δe (= Δh − Δp) を測定誤差と定距離変動の影響は少なく，深穴の測定が可能であるこ義する。測定ユニットと受光用光学系の距離 d はとが確認できた。

100mmである。

3-2 主軸回転角度検出精度の評価

図5に測定結果を示す。横軸はステージ変位量，縦図4の基礎実験装置を用いて主軸回転角度検出精度の評

軸は測定ユニットによるスタイラス変位量測定値とス価を行った。測定ユニットをベアリングホルダに固定さテージ内蔵の静電容量式変位計による測定値との差れた主軸に設置する。主軸はカップリングを介してサー

ト-Rの点列に対して，最小二乗法により円を当てはめ円の中心座標とスポット-Rの相対座標から角度を算出した。
図7に測定結果を示す。横軸はサーボモータの回転角度，

Mea sured an gle
Δθ degree

ボモータに連結されている。主軸の回転角度は，スポッ

縦軸は本装置の主軸回転角度測定値とサーボモータの回

0 .02
0 .01
0
-0 .01-0 .02090

180
Rotatio n an gle θ

転角度との差 Δθ (= θ r − θ ) を示す。測定範囲360°において，測定誤差は最大で約 ± 0.01°であり，実用的に使用

270
degree

図7 主軸回転角度測定結果

可能な誤差であった。
NC lathe4 深穴の測定実験
測定ユニットの測定精度や再現性などの性能評価を行う

Workpiece (Master ring gage)
Optical system for light reception

Servo motor

ため，市販の測定器を用いてリングゲージおよび加工した Personal computer
深穴の真円度，円筒度および真直度の比較測定を行った。

Main spindle

Measuring unit

4-1 リングゲージの測定
リングゲージの真円度を評価することを目的とし，NC旋

図8 深穴の測定実験概略図

盤（MAZAK, INTEGREX 200-Ⅲ）を用いて測定実験を行った。

0

図8に実験装置の概略図を示す。測定ユニットをベアリン

0

0.9µｍ

0.5µｍ

グホルダに固定された主軸に設置する。主軸はカップリ
ングを介してサーボモータに連結されている。リングゲ

90

270

270

90

ージはNC旋盤主軸に固定されている。測定に使用するリングゲージの穴の直径は110mmであり，寸法許容差は±1.5µm（測定温度：20℃，検査方法：JIS B 7420限界プレーンゲージ）である。
4-1-1 真円度の測定

1div = 0.2µｍ
h = 15mｍ
180180(a) 測定ユニット(b) 真円度測定器

図9 真円度測定結果（リングゲージ）

リングゲージを用いる今回の測定では，主軸の回転精

0度も測定精度に大きく影響してくるため，回転精度のよい旋盤主軸を回転させ，穴内面一周にわたって測定し，形状を比較した。サンプリング周波数8Hz，主軸回転数

90

270

-1

1min でデータを取得した。カットオフフィルタは使用し1div = 0.2µｍ
h = 15mｍていない。測定後に穴の形状および真円度について，真円度測定器（TALYLOND252, Rank Taylor Hobson）と比較180した。図9(a)に穴深さ15mmでの本装置を用いた測定結果

図10 測定の再現性（リングゲージ）

を，図9(b)に真円度測定器を用いた測定結果を示す。本装置での真円度は0.9µmであり，真円度測定器での真円度加工した深穴の真円度，真直度および円筒度を評価する

測定結果は0.5µmである。

ことを目的とし，4-1 項と同様の装置を使用して測定実験

4-1-2 測定の再現性を行った。図 11 に測定に用いたテストピース(CC30)を示

図10はシステムの繰り返し精度を評価するために穴深す。穴の直径は 110mm，穴深さは 200mmである。また，穴さ15mmでマスタリングゲージの真円度を10回測定したデ深さ 60mmから 140mmの+X方向における加工後の肉厚はータを重ね合わせて表示したものである。これらの結果

0.8mmと薄くなっている。

から，真円度の繰り返し誤差を算出すると最大で約±4-2-1 真円度の測定

0.1µmとなる。また，真円度は平均値で0.8µmである。
4-2 加工穴の測定

図12(a) に穴深さ10mm での本装置の測定結果を，図12(b)に真円度測定器での測定結果を示す。本装置での真円度は5.8µmであり，真円度測定器での真円度測定結果は6.8µmである。図12(c)に穴深さ100mmでの本装置の測定結果を，図12(d)に真円度測定器での測定結果を示す。本装y

置での真円度は30.6µmであり，真円度測定器での真円度

x測定結果は31.2µmである。全く同一箇所の測定ではないため，詳細な比較はできないが，本装置と真円度測定器

図11 テストピース（CC30）による測定結果は形状，値ともによく対応している。

0

04-2-2 真直度の測定

5.8µｍ

6.8µｍ

真直度の測定では，サーボモータの主軸を停止した状
態で穴の深さ方向に送り速度100mm/min，サンプリング周

270

90

270

90

波数25.6Hzで直線状に走査する。テストピース（CC30）
1div = 10µｍ
h = 10mｍのX軸，Y軸それぞれの+方向，-方向の4箇所を測定する。
X軸方向において，+方向と-方向の測定結果を平均したものを，X方向中心の穴の曲がりと定義する。Y軸方向も同

180

180

(a) 測定ユニット(b) 真円度測定器

00様である。カットオフフィルタは使用していない。測定31.2µｍ30.6µｍ

後に真円度測定器（TALYLOND252, Rank Taylor Hobson）と比較する。図13(a)に測定ユニットで測定した穴の曲が

270

90

270

90

りを，図13(b)に真円度測定器で測定した穴の曲がりを示す。X方向における穴の曲がりは，測定ユニットの場合で1div = 10µｍ
h = 100mｍ

22.6µm，真円度測定器で22.2µmである。
4-2-3

円筒度の測定180180(c) 測定ユニット(d) 真円度測定器

図14(a)に測定ユニットを用いて深さ10mm毎に真円度を図12 真円度測定結果（CC30）測定した結果および穴形状の3次元表示を示す。図14(b)80を算出すると，測定ユニットが33.6µm，真円度測定器は32.8µmとなる。

Hole devia tion X μ mに真円度測定器の結果を示す。これらの結果から円筒度

5 まとめ

-X

60
40

X(average)

20
0
-20 0
-40

22.6µｍ
40

80

-X

60
40
20
0
-20 0

X(average)
40

Hole Depth mm

図13 真直度測定結果（CC30）
0
55
55
55
55
55

置性能評価のため，各構成要素について評価実験を行い，

10mm
20mm
30mm
40mm
50mm

55
55
55

270

60mm

90

70mm
80mm
90mm
100mm

6 参考文献

110mm

33.6µｍ

120mm
130mm m1801)H.O.Stürenburg:Industrie Anzeiger,Vol.104,pp.

(a) 測定ユニット

96-97 (1982)

0
10 mm
20 mm

2)T.Ohba,H.Inoue:Proceedings of the Meeting on

30 mm
40 mm

Engineering and Technology in Basic Research,

50 mm

270

90

60 mm
70 mm
80 mm

Vol.1,pp.13-16 (1999)

90 mm
10 0mm3)M.Ueki,A.Ooiwa:Bull.Japan Soc.of Prec.Engg.,
Vol.21,pp.38-42 (1987)

32.8µｍ120+X(b) 真円度測定器(a) Hole
測定ユニットDepth mm

メーション方式の測定装置を試作した。さらに，測定装

80

-40
-60
-80

+X

本研究では，深穴の精度を評価する目的でオートコリ装置の有用性を確認した。

120

-60
-80

Hole de viation X μm

80

11 0mm
12 0mm180(b) 真円度測定器

図14 円筒度測定結果（CC30）

Ｖ溝加工光ファイバプローブを用いた微小深穴内径測定器の開発－光学的解析－村上 洋*1

甲木 昭雄 *2

鬼鞍 宏猷 *2

佐島 隆生 *2

Development of a Micro Hole Measuring System Using an Optical Fiber Probe- Optical Analysis Hiroshi Murakami, Akio Katsuki, Hiromichi Onikura and Takao Sajima
微細金型や超精密機器，光通信機器などの微細加工技術の進歩に伴い，微細穴などの細かい幾何形状を測定する
重要性は増加している。そこで，微細径の光ファイバプローブを用いることにより，低測定力で高精度な測定シス
テムの開発を目的とする。本報では，幾何光線追跡シミュレーションを用いた光学系設計パラメータの最適化について報告する。

IFY1＝ I FY2

1 はじめに
近年の加工技術の進歩に伴い，微細形状を測定する

DFY

重要性は増加している。特に，燃料噴射ノズルや化繊Y

Fiber probe
X

比形状の測定技術が各機器の高機能化のために要望さ

DFX

D

器，医療機器などの微小径深穴や深溝の高アスペクト
DFPX

IFX2
L0

L1

れており，これまでに各種方法が提案されている。本

DFPY
IFPY

研究では，微小径で高アスペクト比のプローブが容易に得られる光ファイバを用いた測定原理を提案する。
本報では，幾何光線追跡シミュレーションを用いた光IFX1＝ノズルなど各種ノズル穴，フェルールなどの光通信機(a) 初期状態
I FY1 > I FY2

学系設計パラメータの最適化について検討した。

2 測定原理I FX1＝

図1に，光ファイバプローブの概略図を示す。図2に

I FX2

図1の xy 平面の断面図を示し，光ファイバプローブのM oving direction

測定原理を示す。小径の光ファイバに接触子が固定さ
I FPY

光ファイバプローブ
FY2(b) 変位 X

FX1
FX2

FY1

I FY1＝ I FY2

M oving dir ection
I FX1

FPY

>

FPX

I FX2

図1

I FPY

光ファイバプローブ概略図(c) 変位 Y*1 機械電子研究所*2 九州大学

図2

測定原理

れたものをプローブ用ファイバ(Fiber probe)として

表1

シミュレーション条件用いる。また，プローブ用ファイバ上方には，プロー
ブ用ファイバに向かってレーザ光を照射する光ファイ

投光用ファイバ

シングルモードファイバ(FPX,FPY)

コア径 (DFPX=DFPY=4µm)

バ(FPX,FPY)が設置されている。プローブ用ファイバ

屈折率: 1.463, NA: 0.12を透過した光は，プローブ用ファイバを間にして反対

受光用ファイバ

マルチモードファイバ

側 に 設 置 さ れ た 2本 2組 の 光 フ ァ イ バ (FX1,FX2および(FX1,FX2,FY1,FY2)

コア径 (DFX=DFY=105µm)

FY1,FY2)で受光する。ここで，プローブ用ファイバは屈折率: 1.457, NA: 0.22
レーザ光源

波長: 633nm

ロッドレンズとして利用することで，プローブ用ファD

10, 30µm

イバの変位を拡大している。投光用の光ファイバ

L0

5µm

L1

100, 1100, 2100µm

変位 X-2.0～2.0µm(FPX,FPY)には，半導体レーザが接続されており，受光用の光ファイバ (FX1,FX2,FY1,FY2)には，レーザ光の検出素子としてフォトダイオードが接続されてい順次光学系内を光線追跡し，受光用ファイバ端面でのる。ここで，各フォトダイオードで検出する光強度値

結合効率解析を行い，各フォトダイオードで検出するを入射光に対する相対強度で定義し，それぞれ

光強度値を算出する。今回のシミュレーションにおいIFX1,IFX2,IFY1,IFY2(%)とする。

て，投光用のシングルモードファイバの基本モードは

接 触 子 が 測 定 対 象 面 に 接 触 し て い な い 状 態 で は，

IFX1,IFX2 および IFY1,IFY2 は同一強度に保たれているが，ガウス分布に近似している。今回のシミュレーション
条件を表1に示す。

接触子が測定対象面に接触し，プローブ用ファイバが変位すると IFX1,IFX2 および IFY1,IFY2 の光強度に差が生じ，

4 解析結果接触方向を検出できる。例えば，初期状態では， IFX1

幾何光線追跡シミュレーションの解析結果を，図3＝ IFX2 および IFY1 ＝ IFY2 であるが，図2(b)に示すように X～5に示す。ここでは，例として，プローブ用ファイ

方向にプローブ用ファイバが変位すると， IFX1 ＝ IFX2 お

バをX方向に±2µm変位させた際の解析結果を示す。

よび IFY1 ＞ IFY2 となる。測定対象物をピエゾステージを

図3に直径10µmのプローブ用ファイバを使用しプロ

用いて移動させ，プローブで穴内壁を順次走査し，接ーブ用ファイバと受光用ファイバとの距離 L1 を100,触検知した座標を記録することにより，穴精度を測定

1100, 2100µmに変化させた場合の IX の変化を示す。

する。ここで， IFX1 および IFX2 を用いた X 方向変位の出IX の変化はほとんどなく， X 方向に対する感度は低い。

力 IX ， IFY1 および IFY2 を用 いた Y 方 向変 位の 出力 IY を式

図4に同条件における IY の変化を示す。 L1=1100µmの(1)，(2)で定義する。

場合に最大となり， X 方向変位±0.4µmの範囲では線形

I X = I FX 1 − I FX 2 (%)(1)

で変位プローブとして利用可能であり， IY の変化割合

I Y = I FY 1 − I FY 2 (%)(2)

は，0.0782(%/nm)となる。なお，図には示してないが，プローブ用ファイバの直径が30µmであれば， IY の変化

3 光学的解析
上記原理で，光ファイバプローブ変位の検出を行う

割 合 は L1=2100µmの 場 合 に 最 大 と な り ， X 方 向 変 位 ±0.4µmの範囲で0.19(%/nm)となる。

場合，投光用ファイバ端面とプローブ用ファイバとのまた，直径10µmのプローブ用ファイバを使用し，プ

距離 L0，プローブ用ファイバと受光用ファイバとの距

ロ ー ブ 用 フ ァ イ バ と 受 光 用 フ ァ イ バ と の 距 離 L1 が離 L1 ，プローブ用ファイバ径 D ，受光用ファイバ径 DFX,

1100µm で ， プ ロ ー ブ 用 フ ァ イ バ が ベ ク ト ル

DFY などにより，プローブ感度が変化する。そこで，(X,Y)=(1,2)の方向に変位する場合の Ix , IY の変化の幾何光線追跡シミュレーションを用いた光学系設計パ

様子を図5に示す。例えば， I Ｘ の変化割合は X 方向変

ラメータの最適化について検討した。Box-Muller法 1)

位0～0.4µmの範囲で-0.1518(%/nm)であり， IY の変化

によりガウス分布の乱数を生成し，この分布に基づく割合は X 方向変位0～0.4µmの範囲で0.0782(%/nm)であ

光線を，投光用ファイバから射出する。その後，る。これらの値から接触方向を算出すると，+X方向からの角度は62.743°となる。理論値からは約0.7°の50

誤差であり，今後これら2軸変位検出の相関を明らか

4030にする必要がある。このように， Ix および IY の変化割20合の比から接触方向の検出が可能である。

IX %

10

-2

5 プローブの試作

0
-1.5

-1

-0.5

-10 0

0.5

1

1.5

2

-20

L1=100µm
L1=1100µm-40
L1=2100µm-50
Displacement of the fiber probe X μm

今回試作した光ファイバプローブの軸径は30µm，先-30

端球は約50µmである。先端球はファイバ軸先端をアーク放電で溶融させることで作成した。今後は，標準微粒子を接着したプローブを製作し，比較検討していく

Ix のシミュレーション結果

図3

予定である。
50
40

6 まとめ

30
20

テムを提案し，幾何光線追跡シミュレーションにより，各光学系設計パラメータの設計を行った。また，シミュIY %光ファイバプローブを用いた微小径穴形状の測定シス

10
0
-2

-1.5

-1

-0.5

-10 0

0.5

1

1.5

2

-20

L1=100µm
L1=1100µm-40
L1=2100µm-50
Displacement of the fiber probe X μm

レーションによりプローブ用ファイバ変位の検出が可能-30であることを示した。

7 謝辞

IYのシミュレーション結果

図4

本研究は，科研費若手研究(B)を受けて行ったことを記50

し，謝意を表す。

IX

40

Iy

30

8 文献

Cambridge University Press, p.216 (1988)

IX, IY %1)William H. Press. et al: Numerical Recipes in C,

20

-2

10
0
-1.5

-1

-0.5

-10 0

0.5

1

1.5

-20
-30
-40
-50

Displacement of the fiber probe X μm
図5Ix, IYのシミュレーション結果（移動方向ベクトル=(1,2)）

図6

光ファイバプローブ

2自然冷媒製氷機に関する研究開発
吉村 賢二 *1

秋山 知昭 *2

小山 繁 *3

Research and Development of Ice Making Machine using Natural Refrigerant
Kenji Yoshimura, Tomoaki Akiyama and shigeru Koyama
2005年2月京都議定書の発効により，日本の温室効果ガス6%削減（1990年度比）への対応が緊急の課題となっている。冷凍空調機器で使用されるフロンR22等はオゾン層保護の目的から全廃が決定し，R134a等代替冷媒への切替が進んでいるが，これら代替冷媒も地球温暖化の観点から規制対象となっている。本研究では，フロン系冷媒を使用しない，自然冷媒（アンモニア）を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルに適した製氷・脱氷技術を開発し，その技術を基に自然冷媒製氷機の開発を行った。その結果，製氷効率が高く，環境規制に対応する自然冷媒製氷機を実用化した。

1 はじめにいう問題がある。

2005年2月京都議定書の発効により，日本の温室効

また，一般的な産業用製氷機においては，冷媒流路

果ガス6%削減（1990年度比）への対応が緊急の課題とに高温高圧の冷媒ガスを流すこと（ホットガス脱氷方なっている。冷凍空調機器で多く使用されてきたフロ式）により，製氷板表面の氷を融解させて脱氷を行っン系冷媒（CFC12，HCFC22等）はオゾン層保護の目的ている。しかし，ホットガス脱氷方式は，エネルギーから全廃が決定し，フロン系代替冷媒（HFC134a等）

ロスが大きい，イニシャルコストが大きい，脱氷時間への切替が進んでいるが，代替冷媒も地球温暖化抑制が長い等の問題があり，さらに，アンモニア冷媒でホの観点から規制対象（5%削減義務，1995年度比）とな

ットガス脱氷方式を使用すると，脱氷時（電磁弁切替っている。以上の背景より，近年冷凍空調業界では脱時）の圧力変動による，圧縮機故障および冷凍機軸封フロン化を進めており，自然冷媒を使用した機器の開部からの冷媒漏れが発生し易いという問題がある。

発が盛んに行われている。しかし，産業用製氷機の分

よって，本研究では，アンモニア冷媒を使用する蒸野は開発が遅れており，ノンフロンで環境規制に対応

気圧縮式冷凍サイクルにおいて，圧縮機吐出温度を低する自然冷媒アンモニアを使用した産業用製氷機の開下させて圧力変動を小さくすることにより製氷および発が必要とされている。アンモニアは，オゾン層破壊

脱氷効率を向上させ，製氷機の故障を抑えるための製係数が0，地球温暖化係数が0，価格が安い，熱伝達率

氷・脱氷技術を開発し，本技術を用いた自然冷媒（アが高い等の利点がある一方，毒性がある，銅および銅ンモニア）製氷機の開発を行った。

合金に腐食性が高い等の欠点がある 1)。
これまで，アンモニアは冷媒として使用されてきた実績があるが，冷媒液強制循環（液ポンプ）方式や満2 研究，実験方法
図1に開発したアンモニアを用いた製氷・脱氷技術

液式が主流であり，この方式は装置が大型でメンテナの概略を示す。本技術は以下の内容で構成される。

ンス作業が必要で，また，冷媒充填量が多く，漏洩事①圧縮機出口の冷媒配管に熱交換器および水タンクを故が発生した場合に周囲に多大な影響を与える可能性

設け，製氷運転時はアンモニア高温高圧ガスで水タがあった 1) 。そこで，冷媒充填量が少ない蒸気圧縮式

ンク内の水を加熱するとともにアンモニアガスの凝冷凍サイクルでアンモニアを使用する技術が開発され縮の一部を行い，脱氷運転時は製氷時に加熱した温ているが，アンモニアの圧縮機吐出温度が130～150℃

水を製氷部へ流して脱氷を行う。

と高く，冷凍機油の劣化による製氷板伝熱性能低下と②アンモニアの凝縮の一部を水タンクで行うことにより，凝縮器を縮小化でき，また，ホットガス脱氷方*1 機械電子研究所

式より電磁弁の数を削減できるため，イニシャルコ*2 アイスマン(株)*3 九州大学

ストが低減。

③アンモニアの凝縮を水タンクで行うことにより，約および熱交換器を，図5に製造した氷を示す。

20～30℃の低温でアンモニアを凝縮できるため，圧また，本試作機は，製氷板上部にロードセルを設置

縮機吐出温度・圧力および凝縮温度が低下し，製氷

して製氷量を測定した。冷媒流量計で冷媒の質量流量

効率が向上。一般的に夏季の気温上昇に従って冷媒を測定した。T型シース熱電対で各部の冷媒および水

凝縮温度が40℃以上に上昇して冷凍サイクル成績係

温度を測定した。ひずみゲージ式圧力計で各部の冷媒数が低下するが，水タンク方式では脱氷時に温水が圧力を測定した。消費電力計で冷凍機消費電力を測定冷却されるため，年間を通して約20～30℃の低温でした。

冷媒の凝縮が可能。例えば，蒸発温度-15℃，圧縮性能実験では，開発した本製氷・脱氷技術の効果を機出口過熱度5℃，凝縮器出口過冷度5℃とすると，確認するために，開発技術を用いた製氷運転（水タン理論冷凍サイクル成績係数は，開発技術で4.24（凝クを使用して，圧縮機出口高温高圧アンモニアガスの縮温度35℃），従来技術で3.78（凝縮温度40℃）で，一部を水タンクで凝縮して製氷する）と従来の製氷運ランニングコストは12%低減可能。

転（圧縮機出口高温高圧アンモニアガスの凝縮を全て④圧縮機吐出温度・圧力および凝縮温度が低下するこ凝縮器で行う）の比較を行った。また，約2ヶ月間のとにより，冷凍機油の劣化が抑えられメンテナンス

連続運転を行い，安定して製氷・脱氷ができることを頻度が減少可能。

確認する。

⑤圧縮機吐出温度・圧力および凝縮温度が低下および圧力変動の減少により，圧縮機故障と冷凍機軸封部からの冷媒漏れを防ぐことが可能。

図2に本製氷・脱氷技術を使用して試作した自然冷媒（アンモニア）製氷機の外観を示す。製氷板の大きさは縦0.55m×横1.5mであり，5枚の製氷板を有する。
製氷板材料はアルミニウムを使用する。冷媒配管は，ステンレス（冷媒分配器）および鋼管（その他配管）を使用する。製氷機内のアンモニア充填量は約15kgである。図3に製氷板および製氷状況を，図4に水タンク

熱交換器

高温高圧ガス

図2

アンモニア製氷機の外観

図3

製氷板および製氷状況

圧縮機

製氷板
(蒸発器)
水タンク

凝縮器

温水の流れ
（脱氷時）

氷
脱氷

冷媒の流れ
（製氷時）

膨張弁
図1

アンモニアを用いた製氷・脱氷技術

3 結果と考察
本製氷・脱氷技術の効果を確認するために，開発技術を用いた製氷運転（水タンクを使用して，圧縮機出口高温高圧アンモニアガスの一部を水タンクで凝縮して製氷する）と従来の製氷運転（圧縮機出口高温高圧
アンモニアガスの凝縮を全て凝縮器で行う）のそれぞ
れの製氷運転状況をp-h線図で表した結果を図6に示す。
通常の製氷運転（破線）の方が，若干凝縮温度・圧力が高く，その分冷凍効果が減少し，圧縮機仕事が増加している。冷凍サイクル成績係数COPは，開発技術が4.42，従来技術が4.33であった。本実験は外気温20℃
で実験を行ったが，夏季の気温が上昇した環境では，
図4

水タンクおよび熱交換器

従来技術では冷媒の凝縮温度・圧力が上昇するため、開発技術の効果がより大きく現れると考えられる。また，温水による脱氷のために脱氷時間が約30秒となり，従来のホットガス脱氷方式（脱氷時間約3分）に比較
して脱氷時間が大幅に短くなった。
さらに，約2カ月間の連続運転を行い，冷媒温度・圧力，水温度，冷媒流量，製氷量，冷凍機消費電力量を測定した結果，安定して製氷・脱氷ができることを確認でき，実用化できることを確認した。

4 まとめ
・自然冷媒（アンモニア）を使用した製氷・脱氷技術を開発し，本技術の効果を確認した。
図5

製造した氷

・本技術を用いた自然冷媒（アンモニア）製氷機の試作機を製作し，長期間の連続運転を行った結果，実p-h 線図R 717 ( NH３ )

[C

70℃

3.0

70℃

60℃

2.5

60℃

50℃

.006

50℃

同
V=0.0

8

V=0.1

0

V=0.1

5

40℃

40℃

ピ

5.6

1.5

30℃
20℃

20℃

6.2

V=0.4

6.4

V=0.6

6.6

10℃

V=0.8

0.5

-10℃

0.25
-20℃

6.8

V=1.0

0.2

-20℃

0 .15
7.0

V=1.5

-30℃

V=2
7.2

0.1
0 .09
0 .08
0.07

-30℃

V=3

-40℃

7.4

-40℃

0.06

V=4
7.6

0 .05
-50℃

0.04

-50℃

V=6

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

比エンタルピー

1100

1200

ｋJ/kg

比エンタルピー[kJ/kg]

図6

製氷運転状況

1300

1400

1600

1800

180℃

160℃

140℃

80℃

1700

120℃

0℃

1500

100℃

-60℃

100

60℃

-60℃

0

40℃

0 .025

20℃

0 .03
-20℃

圧力

0℃

-10℃

-40℃

MP a

0℃

0.4
0.3

5 参考文献1)五島正雄：アンモニア冷凍技術，p.36，日本冷凍空

6

V=0.3

10℃

0.6

圧力[MPa]

す

V=0.2
5.8

30℃

1.0
0.9
0.8
0.7

0.02
-100

用化できることを確認した。

グ

5.4

2.0

V =0

5.0

4.0

5.2

(JSRAE)

1900

2000

調学会(2002)

球状セラミックス微粒子合成のための還元性燃焼ガス生成技術の開発
周善寺 清隆 *1

Reduced Flame Assisted by Arc Plasma for Spherical Ceramic Powder Synthesis
Kiyotaka Shuzenji
非酸化物フィラーの合成に好適な還元性燃焼ガスを発生させることを目的として，プロパン／酸素混合気について化学平衡解析，化学反応解析を行った。プロパン／酸素は当量比φ=3.3，温度1200[K]以上の条件において，CO，H2 を主とする還元性火炎を生じる。また，着火後のH2Oの分解反応は緩慢であるため，還元度の高い燃焼ガスを得るためには反応促進，熱供給が必要である。

1 はじめに半導体素子の多機能高密度化に伴い，封止材料の放2 研究方法
燃料をプロパン（C3H8），酸化剤を酸素（O2）として，熱特性の改善が求められている。封止材料の大部分はCEA （ Chemical Equilibrium with Applications） コ ー ド 2) をシリカフィラーで構成されているが，シリカの熱伝導用いて化学平衡解析を行った。また，化学反応解析に率は低いためフィラーの材質を変更することが検討さは，CHEMKINライブラリ 3) のSENKINコードを使用し，れている。窒化アルミニウムはシリカと比較して100

反応モデルには以下に示す53個の化学種，325個の素倍以上の熱伝導率特性を有するため有力な代替候補で反応が考慮されたGRI-Mech3.0 4) を用 いた 。反応 解析

あるが，フィラーに要求される高い球形度，粒子径，は均一混合気，断熱，大気圧定圧条件のもとで行った。

粒径分布を満足する窒化アルミニウム粉体の工業製造
プロセスは未確立である。このような中で高尾氏らに3 結果と考察

より高温の還元性燃焼ガス雰囲気中でアルミ粉体から3-1 化学平衡解析

窒化アルミニウム粉体を直接反応合成する製造プロセ

プロパン／酸素の当量比に対する温度とガス組成をスが開発された 1) 。しかし，還元性火炎の温度，ガス調べるために化学平衡解析を行った。図1に当量比に組成，安定性が十分ではないため窒化アルミニウムの対する平衡温度とガス組成を示した。図より当量比φ収率は低く，還元性燃焼ガス生成技術の確立が急務と=1すなわち量論比において，組成はH2O，CO，CO2 ，H2なっている。

になっており火炎温度は3090[K]である。当量比が大炭化水素燃料と酸素を反応させて還元性燃焼ガスをきい，つまり酸素希薄の条件においては，COおよびH2発生させる場合，原料ガスは燃料過多かつ酸素希薄ののモル割合が大きくなり，火炎温度は低くなる。当量

組成となるため，その燃焼温度は低く多量の煤の発生

比φ=3.3において，プロパン／酸素火炎は主にCOとH2を伴い，還元性燃焼ガスを安定に発生させることは困のみを生じ，火炎温度は1360[K]程度となることがわ難である。そこで本研究では非酸化物フィラーを合成かる。当量比φ=3.3における化学反応式は式(1)のよするために必要な還元性燃焼ガス生成技術を開発するうである。

ために，反応促進効果を有するアーク放電を燃料／酸

2[C3H8] + 3[O2] Ù 6[CO] + 8[H2](1)

素混合気に印加する新規な燃焼方法を用いることで，また，φ>3.3では，酸素が欠乏している条件であるた

煤の発生が少なく一酸化炭素，水素で主に構成されるめ，C(gr)の生成が生じる。

還元度の高い燃焼ガスの生成を試みる。本年度は，窒

図1の平衡解析より得られたφ=3.3の条件において，化アルミニウム合成に好適な還元性燃焼ガスの組成と温度をパラメータとして平衡組成を求めた結果を図2

温度について，化学平衡解析，化学反応解析により検に示す。図より，1200[K]以上では，COとH2 のモル割討した。

合は一定となっており，1200[K]以下ではCO2 ，H2O，C(gr)が生成し，還元度が急激に低下することを示し*1 機械電子研究所ている。したがってCOとH2 の還元性火炎を形成するた

*CO2

*H2

3500

1.0

H2O

C(gr)

T, K

3200

0.9

0.8

2900

0.8

2900

0.7

2600

0.7

2600

0.6

2300

0.6

2300

0.5

2000

0.5

2000

0.4

1700

0.4

1700

0.3

1400

0.3

1400

0.2

1100

0.2

1100

0.1

800

0.1

800

0.0

500

0.0

0

1

2

3

4

5

*CO
H2O

0

500

*CO2
C(gr)

1000

Equivalence ratio

図1

図3

0.8

2500

500
3000

アーク放電の投入における温度と組成
C3H8

1.0E+00
*CO2

H2

3500

*H2

0.7
H2O

2000

3200

Input power, W

プロパン／酸素火炎の温度と組成
*CO

1500

3500

*H2
T, K

Temperature, K

Mole fraction

*CO

0.9

Temperature, K

Mole fraction

1.0

O2

C(gr)

CO

1.0E-01

3000

0.4
0.3

1.0E-03

C2H2
CH4

2000

CH4
H2O

Temp.

1.0E-04

1.0E-05
CH3
H2

0.0
600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

プロパン／酸素火炎の温度に対する組成

CH3

C2H2
CO2

1000

C2H4

CO
1.0E-06500
1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02

Temperature, K

図2

1500

CO2

CH2O

0.2
0.1

2500

C2H4

Temperature, K

H2O

1.0E-02

0.5

Mole fraction

Mole fraction

0.6

Time, sec

図4

プロパン／酸素の反応過程（φ=3.3）

めには，当量比φ=3.3，かつ火炎温度が1200[K]以上

この反応は温度が高ければ早く進むため，アーク放電

が必要条件であることがわかった。本研究ではフィラによる熱供給，反応促進が重要であることを示唆してー製造において反応場の温度を制御し，かつ反応促進いる。

効果を期待してアーク放電をプロパン／酸素混合気に印加する新規な燃焼方法を適用する，そこで，アーク4 まとめ放電の投入電力に対するプロパン／酸素火炎の温度と非酸化物フィラーの合成に好適な還元性燃焼ガスを組成を調べた。解析結果の一例として図3にプロパン，発生させることを目的として，化学平衡解析，化学反

酸素の流量がそれぞれ6，9[NL/min]における温度と組応解析を行った。プロパン／酸素は当量比φ=3.3，温成を示す。投入電力1000[W]（150[kJ/mol]）において度1200[K]以上の条件において，COおよびH2 を主とす

火炎温度は2250[K]になる。投入電力に対してCOとH2

る還元性火炎を生じる。また，反応解析より着火後ののモル割合はほぼ一定であるが，火炎温度が高くなる

H2Oの分解反応は緩慢であるため，アーク放電によると熱解離が生じ，COとH2のモル割合は低下する。

反応促進，熱供給は有効である。

3-2 化学反応解析
当量比φ=3.3におけるプロパン／酸素の反応過程を調べるために反応解析を行った。図4に初期温度
1000[K]における温度と各化学種のモル割合の時間変

5 参考文献1)Y.Takao:J.Am.Ceram.Soc.,Vol.88,No.2,pp.450–452(2005).

化を示す。図より，C3H8/O2混合気は反応開始約0.1[s]2)S.Gordon:NASA RP-1311 (1994).

後に急激な温度上昇を伴い着火し，CO，H2 を生成して

3)A.E.Lutz:SAND87-8248 (1987).

いる。着火後にC2H2 とH2Oの反応によりCOとH2 が生成す

4)G.P.Smith:GRI-Mech 3.0 (1999)

る過程があり，この反応の速度は非常に遅く，H2Oのモル割合は1[s]後においても1[%]程度存在している。

圧力制御式減圧液体濃縮技術の開発
林 伊久 *1

平野 吉男 *2

Development of Enriched Technology under Reduced Pressure
Condition by Pressure Control
Tadahisa Hayashi and Yoshio Hirano
本研究では，圧力制御式減圧液体濃縮法を用いることにより酸化や焦げ付きによる品質低下を生じることなく，様々な液体の特性にあった最適濃縮法の開発を目的として省エネルギーで短時間かつ高品質な濃縮技術を具現化することを目標とした。本稿では，圧力制御による供給熱量および蒸発面積に対する濃縮特性について調べると共に短時間で濃縮できる濃縮技術の確立を行ったので報告する。

1 はじめに収容器と真空ポンプによって構成されている。減圧容器は，本濃縮法 1) は，高品質を維持して短時間での濃縮を

径300mm，高さ350mmの円筒形である。減圧容器内部は可能にした。本濃縮法では，飽和蒸気圧力と飽和蒸気150mm×150mm×高さ250mmの濃縮容器を設置している。濃温度の相関関係に注目して常に飽和蒸発温度が液体温

縮容器内部には電気ヒーターを設置している。熱供給は電度に対して約1～5℃高く維持しながら約1500Pa間で減気ヒーターにより行い，出力を0～100Vの間で調整する。

圧することで沸騰させることなく約10℃で品質を維持

減圧容器内の圧力は，0.8kPa～101kPaの間で調整すること

しながら連続濃縮できる。圧力制御は圧力変動吸収容が出来る。圧力の測定は，ピラニ式真空計で行った。また器を設けて減圧容器との圧力差を利用して減圧容器で圧力変動吸収容器は，径140mm，高さ250mmの円筒形であり発生した圧力変動を瞬時に吸収することを実現した。

約2Lの容量を有する。圧力変動吸収容器内の圧力は，デジ

また，減圧容器内に濃縮容器を配置して濃縮容器に注タル式圧力計で測定を行った。液体等の温度は，濃縮容器

入した液体表面に窒素ガスを流し旋回させることによの中部と底部の2箇所にK型熱電対を設置して行った。窒素り液体表面で湿度差が生じて蒸発が促進される。

の導入は，減圧容器上部側面に直径5mmの配管により流量

本研究では，大量濃縮においても圧力変動吸収容器

計で調整した窒素を減圧容器内のコーヒー表面に旋回させによる高精度圧力制御と濃縮容器の構造による湿度制

るように流 入 させる。窒 素 の供給元は ， 窒素ボンベ

御によって液体濃縮を減圧状態で沸騰させることなく(15MPa)を用いた。

高品質を維持したまま短時間で濃縮できる新しい濃縮技術を確立することを目的とした。具体的には，圧力に対する濃縮特性とヒーター出力と蒸発面積との相関を調べると共に最適圧力の下でのヒーター出力と蒸発面積に対する濃縮特性についても調べた。さらにこの結果を基に高品質を維持したまま短時間で濃縮できる
最適条件について検討を行った。最後に味と香りについては，濃縮実験で得られた濃縮コーヒーの成分分析を行って評価を行った。

2 研究，実験方法

図1 実験装置

2-1 実験装置
実験装置は，図1に示したように減圧容器，圧力変動吸2-2 実験方法
濃縮特性実験では，蒸発面に対する濃縮特性，供給熱量*1 機械電子研究所*2 生物食品研究所

および蒸発面に対する濃縮特性について調べた。実験対象

の液体はコーヒーを用いた。蒸発面に対する濃縮特性では，コーヒー温度が初期温度約8℃から約15℃に上昇して圧力1500Pa，ヒーター出力90Wで行った。コーヒーは，初いる。コーヒー質量は，初期質量500gから約385gに減

期温度約8℃および初期質量500gに調整した。蒸発面積は少している。蒸発面積0.03m2(φ190mm)では，コーヒ

0.015m2，0.03m2と0.04m2とした。濃縮実験では，蒸発面積

ー温度が初期温度約8℃から約13℃に上昇している。

に対するコーヒー温度と質量の過渡変化を調べた。供給熱

コーヒー質量は，初期質量500gから約370gに減少して量と蒸発面積に対する濃縮特性では，圧力1500Paで行った。

いる。蒸発面積0.04m2(φ220mm)では，コーヒー温度

供給熱量と蒸発面積は，0.015m2と50W，0.03m2と65Wおよびが初期温度約8℃から約11℃に上昇している。コーヒ

2

0.04m と90Wに調整した。濃縮実験では，供給熱量と蒸発ー質量は，初期質量500gから約330gに減少している。

面積に対するコーヒー温度と質量の過渡変化を調べた。

コーヒーの蒸発はすべてコーヒー表面で生じるため

本研究ではコーヒー抽出直後の原液と初期温度55℃から

蒸発面積の増加と共に蒸発量が増加する。これにより濃縮試験を行った濃縮コーヒーについて成分分析を行い味ヒーターで供給した熱量のほとんどが蒸発潜熱に使わと香りについて比較による評価を行った。味については，れるためにコーヒー温度の上昇の幅が小さい。しかし有機酸物であるキナ酸，リン酸，リンゴ酸，コハク酸，酢

供給熱量に対して蒸発面が小さく蒸発量が少ない場合

酸とピログルタミン酸を分析し，アルカロイド及びフェノ

は，供給熱量の一部が液体の顕熱に使用されコーヒー

ール性化合物としてトリゴネリン，カフェイン，クロロゲ

温度が飽和蒸発温度近くまで上昇する。図3は熱量にン酸とカフェー酸を分析した。有機酸物の分析条件は高速

対する蒸発速度である。図3からも供給熱量90Wに対し液体クロマトグラフィー SHIMADZU LC-10Aを用いてカラて蒸発面が0.015m2 では，蒸発量が約2.0g/minとなり，

ム：Shim-Pack SCR-102H 300×8mml.D.（島津製作所），500

流速：0.8ml/min，移動相：5mM P-トルエンスルホン酸，

0.015m

温度45℃且つ分析時間40minとした。検出は，ポストカ

450

ラム緩衝化法（緩衝液：5mM P-トルエンスルホン酸及び

2

0.015m

400

0.03m

2

0.04m

2

20
15
10
5

250×4.6mm.（YMC CO.

300

Ltd.），流速：1ml/min，移動相：アセトニトリル／
0.1%トリフルオロ酢酸（TFA）系で0:100～30:70のグラ
ジェント条件、分析温度は室温且つ分析時間60minとし

30
25

2

350

液体クロマトグラフィー Waters600Eを用いてカラム：
J’sphere ODS-H80S-4um,80Å

0.04m

35

o

アルカロイド及びフェノール性化合物の分析条件は高速

2

温度

質量(g)

0.8ml/min；Polarity：＋；response：slow）で行った。

0.03m

2

0

10

20

30

40

50

0
60

時間(h)
図2 蒸発面積に対するコーヒーの温度と質量の過渡変化た。検出は，UV265nmの吸収スペクトルから確認して行5った。香りについてはガスクロマトグラフィー質量分析計

0.25mm×60m），ヘッドスペース温度80℃，トランスファーライン温度200℃，カラム温度150℃，イオン化温度
200℃の条件でコーヒーに含まれる揮発性成分の確認を行った。

蒸発速度(g/min)（アジレント・テクノロジー（株）6890，5973）によるGC
ヘッドスペース法を用いてカラム：DB-WAX （J&W ：φ

4
3
2
1

実験値(蒸発面積 0.07m 2)
平均濃度速度に対する蒸発潜熱量

3 結果と考察3-1 蒸発面積に対する濃縮特性

0

0

20

40

60

80 100 120 140 160

熱量(W)

図2は，蒸発面積に対するコーヒー質量と温度の過渡変化を示している。蒸発面積0.015m2(φ130mm)では，温度( C)

100 μ M EDTA 含 有 、 20mM Bis-Tris 溶 液 ； 流 速 ：

40

質量

図3

熱量と蒸発速度ヒーター出力90Wがすべて蒸発潜熱に変換した場合の発面積が必要である。

蒸発量2.8g/minに比べて10%程度低い。これは蒸発面

3-2 供給熱量および蒸発面積に対する濃縮特性が最適な蒸発面積より小さいため蒸発量も低下してい

図5は，コーヒー温度を10℃に安定させて濃縮できる。蒸発面の低下は，コーヒー温度を約15℃まで上昇

るヒーター出力と蒸発面積の組み合わせによるコーヒ

させている。これはヒーターによる供給熱量がすべて

ー質量とコーヒー温度の過渡変化である。ヒーター出

蒸発潜熱に使われずに供給熱量の一部がコーヒーの潜力50Wおよび蒸発面積約0.015m2 の条件での濃縮時間は熱に使われてコーヒー温度を上昇させていると考えら

約5時間であった。コーヒー温度は，約8℃であった。

れ る 。 ま た ， 蒸 発 面 積 が 0.04m で は ， 蒸 発 量 がヒーター出力60Wおよび蒸発面積約0.03m2 の条件での2.6g/minでありコーヒー温度は約11℃で安定している。

濃縮時間は約4.5時間であった。コーヒー温度は約9℃

これは蒸発面積0.04m2 が最適蒸発量2.8g/minと比べてであった。また，ヒーター出力90Wおよび蒸発面積約0.2g/min程度低いため，コーヒー温度が設定温度10℃

0.04m2 の条件では約3.5時間であった。コーヒー温度

より約1℃高い。このことからヒーター出力90Wのほとは，約10.5℃であった。コーヒー温度を10℃以下に保んどが蒸発潜熱に使用されていると考えられる。図4

ちながら濃縮時間を短縮するためにはヒーター出力を

は蒸発面積に対する蒸発速度とコーヒー温度の関係を大きくすると共に蒸発面積を拡大する必要がある。図示している。したがって蒸発量2.8g/minかつコーヒー6は，図5の実験結果を基にヒーターによる供給熱量と温度10℃以下を実現するためには，0.042m2 以上の蒸蒸発面積との相関関係を示している。図6から濃縮時間を短くするためにはヒーター出力を上昇させ供給熱

3

30

2.5

25

実験データは少ないが，濃縮処理工程での増量による

2

20

ヒーター出力の増大に対してこの結果を基に蒸発面積

1.5

15

1

10

量に対して線形的に蒸発面積は直線的に拡大を行う。

温度( C)を求めることが可能になった。
図7は蒸発面積に対する濃縮特性の結果を得て蒸発o

蒸発速度(g/min)

2

蒸発速度

0.5
0

0.01

コーヒー質量および温度の過渡変化を示している。図

5

温度

0

面積を0.076m2 まで拡大させて濃縮実験を行った際の7からヒーター90Wに対する最適蒸発面積0.042m2 に対

0.02

0.03

0.04

2

0
0.05

して0.076m2に拡大することによりコーヒー温度を約

蒸発面積(m )
図49℃まで低下させて維持しながら濃縮時間を2.4時間まで短縮することができた。濃縮速度の大幅に向上した

蒸発面積に対する蒸発速度と温度結果と考えられる。したがって設計では，ヒーター出

600

60

0.05

2

400

0.04m -90w

50

20.03m -65w
2

40

温度
2

0.015m -50w

300

30

2

0.03m -65wo2

0.04m -90w

200

20

100

10

0

0

1

2

3

4

5

0

時間(h)
図5

ヒーター出力と蒸発面積に対するコー
ヒー質量と温度の過渡変化

0.04
20.015m -50w

蒸発面積(m )500

温度( C)

質量(g)

質量

0.03
0.02
0.01
0
40

50

60

70

80

供給熱量(W)
図6

供給熱量と蒸発面積

90

100

600

60

成分分析の結果である。図9から濃縮コーヒーと原液

50

コーヒーとの成分の変化はほとんどない。5-メチル・

質量

500

0.076m2
0.04m2温度
20.076m

300

30

2

0.04m

200

20

100

10

に関する香り成分である。したがって本濃縮コーヒーには香ばしさが残っていると考えられる。図9の成分

o

質量(g)

2-フランアルデヒドと2-フランメタノールは香ばしさ

40

温度( C)

400

は濃縮工程の後半まで残っている成分であり，濃縮前
半で揮発してしまう香り成分も多い。実際に濃縮コー

0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

とんど検出できなかった。これが本濃縮コーヒーの香

0
3.5

3

ヒーの成分分析では分析時間0～10分までの成分がほりが原液コーヒーよりも薄い原因だと考えられる。官時間(h)能試験の結果でも20名から香りが薄いとの回答を得た。
図7

蒸発面の拡大に対するコーヒー質量と温度の過渡変化

したがって香りの維持には，さらなる濃縮時間の短縮が必要である。

力に対する最適な蒸発面積を確保すると共に可能な限面積比

3-3 味と香りの評価について

濃縮コーヒー1

れば，濃縮時間とコーヒー温度を設計時よりも速くまた低くする事が出来る。

原液コーヒー

1.2

り蒸発面積を広く取る必要があり蒸発面積を広く取れ

0.8
0.6
0.4

図8は，味に関する成分分析の結果である。図8から0.2

有機酸物で濃縮コーヒーのリン酸が原液コーヒーに比

0

ピラ
リ

べて約5倍高くなっている。また，フェノール性化合物では濃縮コーヒーのカフェー酸が原液コーヒーに比
図9

べて約1/2低い。その他の成分は濃縮コーヒーと原液

ジン

5 -メ

チル

2 -フ
ラン
メタ
・2ノー
フラ
ル
ンア
ルデ
ヒド

香りに関する成分の分析結果

コーヒーと比べてほぼ等しいことを確認した。濃縮前
後の味は，すべての成分で変化がないのが理想である。

4 まとめ

しかし味は多くの成分の複合作用によって創造される(1) 蒸発面 積を拡大すれば蒸発速度が速くなると共にため，数種類の成分が変化していても影響は小さい。

液体温度が低下することを確認した。濃縮実験で20名に対する官能試験においても15名から味の変化は

は，蒸発面積が2倍になれば蒸発速度が約1.25倍

ほとんどないとの回答を得た。図9は，香りに関する

速くなり液体温度が約2℃低下した。
(2) 蒸発面積に対する供給熱量，蒸発速度と 液体温度との相関を見いだした。この結果を用いて大型化

1.6

含量mL/mgの設計を行えることを確認した。

原液コー ヒー
濃縮コー ヒー

1.4
1.2(3) 本研究で濃縮したコーヒーの成分が 味と香りとも
濃縮前のコーヒーの成分とほぼ等しいことを確認

1

した。

0.8
0.6
0.4

5 参考文献0.2

1)林伊久：福 岡県工業技術センター研究報告，No17，

0
カ
ン酸

ン

ゲ

ェ酸
フ

ロ

イ
ェ
フ

味に関する成分の分析結果

ロ
ク

カ

ン
リ
酸
ミン
タ

ル
グ

酸

ネ
ゴ

ロ

ク

酸
ゴ

酸

トリ

ピ

酢

ン

酸
ン

ハ
コ

リ

酸

エ
ク

ン
リ

酸
ナ
キ

図8

pp.91-94(2007)

製造現場向き生産管理支援システムの開発と特徴
増野 貢 *1

Development and Characteristic of Production Support System for Manufacturing Field
Mitsuki Mashino

多種多様で生産形態の異なる製造現場において次々変化する物流処理は，汎用ソフトでは対応しにくく特注向きという分野である。この場合，「データベース(DB)+プログラム開発言語」は定番であるが，柔軟で自在な処理，論理的な設計･開発になじみやすいとの考えから，データベース構築も含めてプログラム主体で生産管理支援システ
ムを開発した。ここでは，開発事例の特徴である物流データに関連する各DBに即座にアクセスする工夫例およびユーザインタフェースも考慮した応用例を紹介する。

1 はじめにインターフェースを自作する際，有用と考えられる。

中堅･中小企業は，事務業務だけでなく製造現場も含めた生産管理システムへの関心は高い。汎用的な生2 生産情報の流れ

産管理システムパッケージあるいは特定業種向きのパ

受注から完了に至る生産情報の流れを図 1 に示す。

ッケージに自社の運用方法を迎合させる導入法は，初受注後，工場で生産される仕掛品は，顧客 DB，製品

期投資は少ないが，自社仕様にカスタマイズする場合

DB，受注 DB，一時的に取掛 DB など経由しており，今には相応の時間と予算も必要である。自社の生産形態の生産状況が仕掛 DB に保存される。

にマッチしたシステム開発を指向する場合は，ニーズ
まとめや IT 化への手順など特に重要である。一方，システム開発メーカが新たに特定現場の物流処理などに取り組む際，蓄積したノウハウだけでなく基本からのシステム構築も必要になる。
今回は，すでに報告した鋳物製造現場の生産管理シ
ステム 1,2) をベースにして，一般的な生産管理の観点から基本設計と特徴などについて報告する。まずソフト開発の定番は，「データベース(DB)+プログラム開発

図1

受注から完了までの生産情報の流れ

3)言語」 であるが，製造現場で次々変化する仕掛品な
どの物流処理の観点からは，現在主流のリレーショナ

生産工場内では，仕掛品はいくつかの工程を経て仕ル DB は必須ではない。そこで，柔軟で自在な処理，上工程に至る。図2に示す生産状況画面の大まかな利

論理的で整合性ある設計になじみやすいとの考えから，用手順は以下である。まず，特定する仕掛品は製造工データベース構築も含めてプログラム主体で生産管理

程と製造ラインを指定して，材質や顧客などで検索す

支援システムを開発した。この事例の特徴として，流る。ついで，特定品に対して，実績日と数，担当者，

動的な仕掛品に関連する各 DB 内のレコード番号を仕遅れや不良原因など入力して，チェックを付けたもの

掛品コードに追加することによって，各 DB に即座にを次工程に送る。

アクセスして所望のデータを得る工夫例を紹介し，その応用例も示す。これらは，比較的シンプルなシステ
ム構成では事足りるが，マルチユーザに対する DB 専用ソフト開発の補足として，微妙な DB 周辺やユーザ*1 機械電子研究所

群がある。

図4
図2

顧客別に分けた製品データベース

例：生産工場における仕掛品の生産状況
b)仕掛コードにレコード特定情報の追加

3 開発システムの特徴
データベース構築および全体･細部に渡ってプログ仕掛品に関連する各DBからデータ取得や各DBへの読み･書きを速やかに行うため，仕掛コードには顧客DB，

ラム開発する。基本設計は以下である。

製品DB，受注DBおよび仕掛DBの各レコード特定情報

3-1 データベースのアクセス高速化（製品DB名含）を追加した（図5参照）。対象とする仕製造工程において，仕掛品に関する各データベースの系列と親子関係を図3に示す。顧客DBをルートに製掛コードのレコード特定情報を分析するによって，所望のデータベースに即座にアクセスできる。

品DB，受注DB，仕掛DBに至る各ノードは親1子nのツリー構造である。このような事例は特殊ではない。

図3

仕掛品に関する各データベースの系列と関連問題は，上記のような親子関係にあるデータベース

図5

レコード特定情報をもつ仕掛コード

迅速に目的の各DBにアクセスすることは，CPUやハ群を，速やかに同時アクセスすることである。ここでードディスクへの負荷減少の点でも，有益である。

は，プログラム開発言語 Visual Basic に付属する基3-2 進捗状況に関する機能と関連する処理

本的なデータベースソフトを用いる。その DB ファイ

生産状況画面では，次工程への移動だけでなく，工ル編成は DB 保存先の任意のレコード位置に直接読み･

程戻しやデータ修正，在庫計算なども行う。厄介なの書きするランダムアクセスファイルである。この編成

は分割出荷であり，この場合は，図3で示すような親1法を利用した工夫は以下である。

子nのツリー構造が崩れるので工夫が必要である。

a)製品データベースを顧客別に整理

なお，工程表タブでは各工程で必要な工程表を表示

特定の製品を追加･修正･検索など行う際には，一覧する。原因･担当者タブでは各工程での不良原因や担表示された顧客群から特定の顧客を選んだ後，表示さ当者など登録･削除を行う。これは，シーケンシャル

れた製品DB一覧から選択する。この場合，雑多な顧客ファイルで作った小さなDBで事足りる。

が混在した製品DBは避け，顧客別に製品DBに分別する製造ライン･工程における仕掛品は生産進捗一覧画

ことによって，アクセスの高速化を図った（図4参照）。

面で状況を見渡せる。履歴画面では特定品について受製品DB名を顧客コードにしたので顧客の数だけ製品DB

注，顧客･製品なども含めて詳細に見ることができる。

仕上げの済んだ仕掛品については，請求書，月報な

4 おわりにどの後処理がある。身近な汎用ソフトExcelを用いて受注から出荷･後処理にいたる一連の生産管理支援

請求書を作成するため，出荷･後処理画面の中で必要システムにおいて，主に製造現場で次々変化する生産

なデータテーブルをExcelシートに渡す。月報は品質

情報処理について，生産工場における仕掛品の生産状管理などで活用できる。

況を例に基本設計と特徴を述べた。

3-3 ユーザインターフェース
ユーザインターフェースについての工夫例をいくつか紹介する。

新分野にアプローチするソフト開発メーカにとって，基本からシステム構築する場面に遭遇したとき，報告した基本設計など参考になれば幸いである。

ｲ)統一的な操作手順
マウス操作は左上から右下が基本である。また，製造

5 参考文献工程，ライン，材質などの検索条件下でリスト表示さ

1)増野貢他：福岡県工業技術センター研究報告 No.16，

れた仕掛品に対して，絞り検索やチェックしたものが次工程移動など処理対象である。
ﾛ）タブ切り替えによる画面ベージめくり
生産状況だけでなく，原因･担当者や工程表などは関連するタブをクリックすればよい。
ﾊ)50音「あ～わ」から始まる顧客メニュー
キータッチが苦手な担当者でも容易に顧客選択できる。
3-4 考察以上，生産状況画面の特徴や機能，その周辺について述べたが，データベースのアクセス高速化やユーザ
インタフェースなどの特徴は他の画面でも同様である。
結局，顧客，製品DB，受注処理，進捗別検索，取掛計画などの画面とLAN経由でのデータ共有化，データのバックアップを含めたものが製造現場向き生産管理シ
ステムである。現場の各担当者と管理者双方の立場からの見える化を考慮した。
本報告は，データベースのレコード番号を直接操作する基本的な方法で，各DBへ同時にアクセスする工夫例を紹介したものである。企業内で閉じたシステム構
成ではこれで事足りる場合もある。しかしながら，マルチユーザに対する保守･セキュリティ機能を十分満
足 す る に は ， ミ ド ル ウ ェ ア な ど を 介 す る DBMS(Data
Base Management System)が 適 切 で あ る 3) 。 こ の よ う
な大きなシステム開発の補足として，かゆいとところに手の届くDB周辺やユーザインターフェースなど自作する際，本報告の工夫や応用例が役立てば幸いである。
最も時間を費やすのは，生産現場のノウハウなど隠れたナレッジを抽出して仕様まとめすることである。
生産現場とのすり合わせが重要である。なお，生産管理システム導入を検討する中小企業にとって，
文献 1,2)が参考になれば喜ばしい。

pp.111-113(2006)
2)増野貢他：福岡県工業技術センター研究報告 No.17，
pp.124-127(2007)
3)小泉修：図解でわかるデータベースのすべて，日本
実業出版社(2007)

アルデヒドとトリプトファン残基の選択的反応を利用するタンパク質の着色
浦川 稔寛 *1

堂ノ脇 靖已 *1

吉永 耕二 *2

Coloration of Protein Based on the Selective Reaction of Tryptophan Residues andAldehydes
Toshihiro Urakawa, Kiyoshi Donowaki and Kouji Yoshinaga
タンパク質に含まれるトリプトファン残基とアルデヒドの選択的発色反応によるタンパク質の着色現象について調べた。トリプトファン残基を有するリゾチームは，アルデヒドとの発色反応によって発色団基を形成し，色素を用いることなく着色することが分かった。その色彩はアルデヒドの構造により変化した。次に，カルボニックアン
ヒドラーゼ，パパイン，ラクトフェリン，チトクロムC，及びズブチリシンAを用いて着色評価を行ったところ，リゾチームと同様に着色することが分かった。着色強度はタンパク質中のトリプトファン含有率に対してほぼ比例的に増加した。

1 はじめにとを確認した。調査した各タンパク質の可視光域極大

アミノ酸のトリプトファンは反応性が高く，アルデ

吸収波長(λmax)，及びリゾチームの着色に対する各ヒド化合物と酸を用いた化学的処理により呈色反応をタンパク質の着色強度を表1に示す。ここで，着色強起こすことが知られている。一方，トリプトファンは度は極大吸収波長における着色リゾチームと各着色タ

タンパク質の構成成分にもなっているため同様に着色

ンパク質の吸光度比によって定義される。

できるものと考えられる。そこで，タンパク質に外部

表1タンパク質の着色性評価

から色素を付着させて着色する従来法とは異なり，タンパク質中のトリプトファン残基にアルデヒドを作用させて着色する新規なタンパク質着色法の開発を目的として，種々のタンパク質にアルデヒドを作用させた時のタンパク質の着色性について調べた。

2 実験方法
リゾチーム，カルボニックアンヒドラーゼ，パパイ
ン，ラクトフェリン，チトクロムC，及びズブチリシ
ンAを用いて着色評価を行った。着色物は4-(ジメチル測定の結果，発色強度は各タンパク質中のトリプトアミノ)ベンズアルデヒドを作用させて調製した。評

ファン含有率にほぼ比例して増加することが分かった。

価は各着色物をイオン交換水に溶解し，紫外可視分光

したがって，この呈色反応はトリプトファン残基を有光度計を用いて可視光域（450nm～800nm）の極大吸収するタンパク質に対してアルデヒドが作用しているこ波長および吸光度を計測して行った。

とが分かり，染料を必要としない新たなタンパク質着
色方法として利用できることが分かった。また，本呈3 結果と考察
各タンパク質にアルデヒドを作用させると，無色の色反応を応用し，トリプトファン残基の有無や含有量の分析手段に利用できることを明らかとした。

溶液が次第に呈色した。呈色した反応溶液の可視吸収スペクトルを測定したところ，可視光域に新たな吸収4 掲載論文

帯が現れ，タンパク質内で発色反応が進行しているこ

分析化学, Vol.56, No.7, pp.567-572（2007）*1 化学繊維研究所*2 九 州工業大学

ゾルゲル法により合成したチタン酸バリウムナノ粒子の結晶性牧野 晃久 *1

有村 雅司 *1

藤吉 国孝 *1

山下 洋子 *1

桑原 誠 *2

Crystallinity of Barium Titanate Nanoparticles Synthesized by Sol-gel Method
Teruhisa Makino, Masashi Arimura, Kunitaka Fujiyoshi, Yoko Yamashita and Makoto Kuwabara
情報通信機器の小型化，高機能化に伴い，電子デバイスの小型化，高性能化が求められている。そして，電子デバイスに誘電体層として用いられるチタン酸バリウムには，100nm以下の粒径かつ欠陥の少ない粒子が要求される。
本研究では，ゾルゲル法により合成したチタン酸バリウムナノ粒子の結晶化挙動をDSC及びXRDにより調査し，ナノ粒子の合成条件と得られるナノ粒子の結晶性について考察した。ナノ粒子内部にある水酸基由来の欠陥はDSCにおける発熱ピーク温度以下でエージングすることにより大幅に低減できた。また，発熱ピーク温度以下のエージング
によって結晶化させるためには，前駆体中のアルコキシドの高濃度化が必要不可欠である。

1 はじめに吸発熱量を示差走査熱量計（DSC, Seiko Instruments

薄膜コンデンサの高容量化を図るためには，薄膜をinc., EXSTAR6220）を用いて測定した。ナノ粒子の結構成する材料自身の高誘電率化と薄膜の薄層化が重要

晶子径はX線回折（XRD, BRUKER AXS, MXP18）を用いになる。本研究では厚み1µm以下の誘電体薄膜を連続て測定した(110)面の回折ピークの半価幅からシェラ的に形成する手法について検討している。かかる厚み

ーの式により算出した。また，合成したBaTiO3 ナノ粒の誘電体薄膜を実現する上で，原料の微粒化，誘電体

子は透過電子顕微鏡（TEM, JEOL, JEM-3200EX）を用

組成の均一化が重要となり，100nm以下の粒径及び組

い，加速電圧300kVで形態観察した。

成が均一な粒子が要求される。液相を利用するチタン
酸バリウム（BaTiO3 ）の合成方法は固相反応を利用し3 結果と考察た方法に比べて均一微細な粒子を合成できるが，液相

3-1 BaTiO3ナノ粒子の結晶化挙動に含まれる水酸基に由来する欠陥が最終製品の電気特図1は加水分解終了後の前駆体溶液の昇温に伴うDSC性に影響を及ぼすことが問題となっている。本研究でプロファイルである。加水分解後の前駆体溶液は，は，高濃度前駆体を用いたゾルゲル法により合成した

0℃付近で重縮合反応に伴う発熱ピークを示した後，

BaTiO3 ナノ粒子の結晶化挙動をDSC及びXRDにより調査

シネレシスにより吸熱側に推移し，30℃以上で吸熱ピし，ナノ粒子の合成条件と得られるナノ粒子の結晶性ークを示した。その後，55℃前後で発熱ピークを示しについて考察し，結晶性の向上について検討した。

た後，アルコールの気化に伴う吸熱反応を示した。
図2は各エージング温度における結晶子径の経時変

2 実験方法化である。エージング温度を発熱ピーク温度以下であ前駆体溶液はジエトキシバリウムを乾燥窒素雰囲気

る20℃及び30℃としたサンプルはすぐに結晶化せず誘中にてメタノールとエチレングリコールモノメチルエ

導期間を経てから結晶化した。その後，結晶成長し，ーテルの混合溶媒に溶解した後，テトライソプロポキ

最終的に20℃では20nm，30℃では17nmの粒子が得られシチタンを加えて攪拌し，所定の濃度となるように調た。これに対し，エージング温度を発熱ピーク温度以

製した。次いで，水とアルコールの混合溶液を滴下し上である50℃，90℃としたサンプルは保持直後から結て前駆体溶液の加水分解を行った。得られたゲルは所晶化したが，結晶成長はせず，それぞれ最終的にそれ定の温度で所定時間エージング処理を施し，BaTiO3 ナ

ぞれ13nm，11nmのナノ粒子が得られた。エージング温ノ粒子を得た。加水分解後の前駆体溶液の昇温に伴う度が低くなるほど粒子径が大きくなる傾向を示した。

*1 化学繊維研究所*2 九州大学

Exo.

体濃度を0.5mol/Lとした場合では，20℃，30℃では結晶化せず，0.3mol/Lとした場合には90℃で保持しても結晶化しなかった。このように欠陥を含まずに高結晶

Endo.

性のナノ粒子を合成するためには低温での結晶化が必要不可欠であり，低温での結晶化は前駆体濃度を高めることにより可能になる。

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90oTemperature ( C)20

Contents（wt%）
Amounts (wt%)

20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0

-OH
TG-loss
C(EGMME)

15
10
5
0
0

20℃
30℃
50℃
90℃

0

図2

前駆体溶液のDSC曲線

10

20

30
40
Time (hour)

50

図3

20

40
60
80
o
Aging temperature ( C)100

水酸基量のエージング温度依存性

60

結晶子径エージング温度依存性

3-2 BaTiO3ナノ粒子の結晶性25
Crystallite size (nm) a

Crystallite size (nm)

図1

1.0M
0.3M

15
10
5

このときのエージング温度と得られた粒子内に存在0する水酸基量の関係を図3に示す。30℃以下でエージ

0

ングしたサンプルは水酸基量が2%以下であるのに対し，50℃以上でエージングしたサンプルは6%以上と，約3

0.5M

20

図4

20

40
60
o
Temperature ( C)

80

100

結晶子径のエージング温度依存性倍になっていた。図1，図2の結果と併せて考えると，30℃以下でエージングを施した場合には，シネレシス

4 まとめが十分に進行した後結晶化したために，水及びアルコ

ゾルゲル法により合成したBaTiO3 ナノ粒子の結晶化ールをゲル骨格外に排出でき，水酸基量を低減できた。

挙動をDSC及びXRDにより調査し，ナノ粒子の合成条件

一方，発熱ピーク温度以上でエージングを施した場合と得られるナノ粒子の結晶性について考察した。ナノには，シネレシスが進行する前に結晶化したために水粒子内部にある水酸基由来の欠陥はDSCにおける発熱

酸基由来の欠陥が粒子内に多く残ったと推測される。

ピーク温度以下でエージングすることにより大幅に低2%以下の水酸基量は水熱合成法により合成したナノ粒減できた。また，発熱ピーク温度以下のエージングに子を700～800℃で熱処理した後の粒子内の水酸基量によって結晶化させるためには，前駆体中のアルコキシ

相当し，熱処理せずに低欠陥の粒子が得られることがドの高濃度化が必要不可欠である。

判明した。
図4は前駆体濃度を変化させたときのエージング温度と結晶子径の関係をまとめたものである。前駆体濃度を1.0mol/Lとした場合，20℃で結晶化し，温度上昇とともに結晶子径は小さくなった。これに対し，前駆5 掲載論文Key Eng. Mater., Vol.350, pp. 31-34 (2007)

チタン酸バリウムナノ粒子分散液への電界印加によるナノ粒子の沈降現象
有村 雅司 *1

牧野 晃久 *1

藤吉 国孝 *1

山下 洋子 *1

桑原 誠 *2

Sedimentation of Barium Titanate Nanoparticles in a Suspension under Application ofElectric Field
Masashi Arimura, Teruhisa Makino, Kunitaka Fujiyoshi , Yoko Yamashita and Makoto Kuwabara
ゾルゲル法によって調製したチタン酸バリウムナノ粒子(BT-NP)をエチレングリコールモノメチルエーテル中に分散させたBT-NPサスペンションを調製し，外部電界を印加した。電界を印加することで一部のBT-NPは電気泳動堆
積（EPD）により負極上に堆積し，その他のBT-NPは，沈降して容器下部で高濃度の分散液を形成した。更なる電界印加によって，容器下部のBT-NP濃度は電界除去後も高濃度状態が維持される限界濃度に到達し，その後，容器の底にBT-NPの堆積物が現れた。EPDによる電極上へのBT-NPの堆積も，電極近傍において粒子濃度が限界濃度以上に上昇していると考えられ，限界濃度が高いナノ粒子分散液は，堆積前に電極近傍で粒子濃度が高濃度となり，比重差によってナノ粒子の沈降が起こると考えられる。

1 はじめに電気泳動堆積（EPD）法は，溶液中に分散した帯電平均粒径は，A液：14nm，B液：24nm，C液：70nmであった。

粒子を外部電場によって泳動し電極上に堆積する方法

BT-NP分散液への電界印加は，図1に示す装置で行っである。近年，EPD法によって，ナノオーダーの粒子

た。沈降容器内壁に沿って螺旋状に配置した正極と容によるサブミクロン以下の薄膜の作製が検討されてい器中央に配置した直線状の負極間に，20Vの直流電圧る。その一方で，ナノ粒子はEPDによって安定な堆積を3～40時間印加した。所定時間電圧を印加した後，物が得られにくいとされている。著者らはこれまで，

沈降容器から負極を抜き取り，分散液を液面から順に

高濃度の前駆体溶液を出発原料とする高濃度ゾルゲル

所定量ずつサンプリングした。分散液中のBT-NPの濃法によって，チタン酸バリウムナノ粒子（BT-NP）お度は，サンプリングした液の一部を真空乾燥し，乾燥

よびBT-NP分散液を調製し， EPD法によるBT-NP薄膜の前後の重量変化から求めた。

作製を検討してきている。この検討の中で，EPD中に電極近傍で下降流が発生し，分散液の濃度不均一化の発生，それに付随して膜厚の不均一化が起こることを観察している。本研究では，EPD中に起こるBT-NPの沈降現象を調べ，電極近傍で起こる下降流の発生原因およびEPDの堆積メカニズムについて考察した。

正極（対向電極）
堆積物

負極（堆積電極）
分散液

2 実験

Ldepo

乾燥窒素雰囲気下で調製した1.0mol/lのBaTiO3 前駆Hsed

体溶液を-50℃において撹拌しながら加水分解を行い，その後80℃でエージング処理を行いBT-NPを調製した。

懸濁層

離液を除去後，エチレングリコールモノメチルエーテ
ル を 加 え て 超 音 波 に よ る BT-NP の 分 散 を 行 い ， 約
4.8wt%のBT-NP分散液を調製した。調製した分散液の*1 化学繊維研究所*2 九州大学

図1

分散液への電界印加装置概略図
Ldepo: 負極上への堆積物の長さ
Hsed : 懸濁層液面高さ

3 結果と考察
電圧を印加することで一部のBT-NPはEPDにより負極上に堆積し，堆積に関与できなかったBT-NPは，沈降

6 謝辞
本研究の一部は，NEDO技術開発機構平成19年度産業技術研究助成事業の助成を受け実施しております。

して容器下部で高濃度化した。8時間以上の電界印加によって，透明層と懸濁層の明瞭な層境界が現れた。

70

図2に懸濁液面高さ（Hsed ）および容器底部のBT-NP濃間の増加とともにHsedは減少し，BT-NPの沈降が進行していた。Cbottom は16時間以上で飽和し，同時に容器底部に堆積物が現れた。分散の限界濃度を超えて濃縮し懸濁液面高さHsed (mm)度(Cbottom)の電圧印加時間依存性を示す。電圧印加時

50
40
30
20
10

ね一定になったと考えられる。この限界濃度は分散液

050積状態と相関があった。図3に示す負極上への堆積物の長さと限界濃度の関係から分かるように，堆積長さ(Ldepo)は限界濃度の増加とともに減少する傾向があった。この関係は，容器底における堆積と同様に，電極上への堆積も，電極近傍において粒子濃度が限界濃度

容器底部の粒子濃度
Cbottom (wt%)

たBT-NPが堆積したと推測され，Cbottom は限界濃度で概の種類によって異なり，また，負極上へのBT-NPの堆

40
30
20
10
0

以上となることで起こると仮定すると，次の様に説明

0

できる。限界濃度が高いナノ粒子分散液は，堆積前に電極近傍で粒子濃度が高濃度となり，比重差によってナノ粒子の沈降が起こる。その結果，限界濃度が高い

C
B
A

60

10
20
30
40
電圧印加時間 (h)50

図2 電圧印加時間による懸濁液面高さ及び容器下部における粒子濃度の変化

分散液は，電極上部にはナノ粒子の堆積が起こらず負たと推測される。

140

負極上への堆積物の長さ
Ldepo(mm)

極の下部のみへの堆積となり，堆積物の長さが減少し

120
100

4 まとめ
EPDによって粒子が電極上に堆積する為には，電極近傍において粒子濃度を限界濃度まで濃縮する必要があると考えられる。限界濃度が高い分散液の場合，電極上に堆積が起こる前に，電極近傍の分散液の比重が増加して，粒子の沈降が発生する。その為，限界濃度が高いナノ粒子は，電極上に堆積しにくいと考えられる。限界濃度は，分散液の特性によって制御可能であると考えられる。よって，EPDによってナノ粒子薄膜を得るためには，分散液の限界濃度を低くする工夫が必要であると思われる。

5 掲載論文Key Engineering Materials,Vol.350,pp.11-14(2007)

図3

80
60
40
20
0
10 15 20 25 30 35 40 45
限界濃度(wt%)

限界濃度と負極上への堆積物の長さの関係

アスコルビン酸リン酸エステルを用いたテトラゾリウム塩還元法によるホスファターゼ活性測定
塚谷 忠之 *1

井手 誠二 *1

小野 昌志 *1

松本 清 *2

New Tetrazolium Method for Phosphatase Assay Using Ascorbic Acid 2-Phosphate
as a Substrate
Tadayuki Tsukatani, Seiji Ide, Masashi Ono and Kiyoshi Matsumoto
アスコルビン酸リン酸(AsA-P)を利用したアルカリホスファターゼ(ALP)及び酸性ホスファターゼ(ACP)の活性染色法を開発した。テトラゾリウム塩としてNBTを用い，AsA-P/NBT系においてALP活性を，また，フェナジンメトサ
ルフェート(PMS)を共存させたAsA-P/PMS/NBT系でACP活性を選択的かつ定量的に検出することが可能になった。
ALP活性染色法は牛乳中のアレルゲンであるβ-ラクトグロブリンのドットブロット分析へ応用され，従来法である
BCIP/NBT法に比べて感度及び安定性の面で優れていることがわかった。

1 はじめに骨芽細胞のマーカー酵素であるアルカリホスファタ

3 結果及び考察
3-1

ALP活性

ーゼ(ALP)と破骨細胞のマーカー酵素である酸性ホス

ALP活性測定におけるAsA-Pの有効性を検討するため、ファターゼ(ACP)の活性は，骨代謝のバランスを把握

AsA-Pと既存の基質であるBCIPの比較を行った（図1）。

する上で重要な指標である。また，ALPは酵素免疫法

ALP存在下で基質濃度0.04～7.0mMの濃度範囲でNBTのに利用される最も一般的な酵素であり，タンパク質や還元速度の比較を行ったところ，AsA-Pにおいては濃DNAを検出する各種ブロッティング法の検出酵素とし度の増加にしたがって還元応速度も増加した。しかし，ても広く用いられている。そこで，安定型ビタミンＣ

0.04mMでは反応はほとんど進まなかった。一方，BCIPとして知られているアスコルビン酸リン酸(AsA-P)をはAsA-Pに比べて，低濃度0.04mMから高い還元速度が基質として利用したALP及びACP活性染色法を開発した。

見られたが，0.7mM以上では逆に低下傾向が見られた。
Km値は，AsA-P=0.23mM，BCIP=0.02mMであり，BCIPの2 研究，実験方法

ほうが基質親和性に優れていた。しかし，特に0.7mM

2-1 ALP活性測定

以 上 で は ， AsA-P で 最 終 的 に 得 ら れ る 吸 光 度 （ 発 色

ALP活性はテトラゾリウム塩としてニトロブルーテ度）はBCIPの約2倍であった。この結果から， AsA-P

ト ラ ゾ リ ウ ム 塩 (NBT) を 用 い ， 0.45mMNBT 及 び

はBCIPより酵素反応が遅いが，生成した加水分解物

0.7mMAsA-Pを含む0.1MCAPSO緩衝液(pH10.0)で測定を（アスコルビン酸）とNBTの反応効率がBCIPより高い行った。

ものと考えられる。

2-2 ACP 活性測定
ACP活性は0.45mMNBT，7.0mMAsA-P及び0.18mMPMSを以上の結果から，AsA-P はALPによる加水分解速度
ではBCIP に劣るが， NBTの還元反応を含むトータル

含む0.1M酒石酸緩衝液(pH4.5)で測定を行った。

の反応ではBCIPより有利であると考えられる。

2-3 β-ラクトグロブリンのドットブロット分析

3-2

ACP活性

β-ラクトグロブリン用ウエスタンブロットキット

酸 性 条 件 下 に お い て ， ALP 活 性 測 定 で 用 い た AsA-

（森永生科学研究所）及びVECTASTAIN ® ABC systemの

P/NBT系を適用したが，NBTの還元がほとんどみられな

手順に従って測定を行った。

かった。そこで，AsA-P/NBT系に対して電子アクセプ
ター（電子供与体）として働くPMSの適用を試みた。
その結果，PMS濃度の増加と共にNBT還元速度は急激に*1 化学繊維研究所*2 九州大学増加した（図2）。ACP活性測定ではAsA-P/PMS/NBT系が効果的に働くことが明らかとなった。

3-3

ドットブロット分析
0.7

着させ，上述の測定系において検出を行ったところ，
ALP量あるいはACP量と染色度（発色度）の間に直線関係が認められ，ALP活性及びACP活性を選択的に検出することが可能になった。
さらに，ALP活性染色法はβ-ラクトグロブリンのドットブロット分析へ応用され，従来法のBCIP/NBT系にAbsorbance change (530 nm

ニトロセルロース膜へ種々の濃度のALP及びACPを吸

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0

比べて感度の面で優れていることがわかった（図3）。

0

5

10

15

20

Time (min)4 まとめ
本法は，既存の基質であるBCIP法と比較して感度の

図2

ACP活性測定におけるPMS濃度の検討

みならず安全性や経済性にも優れた手法であり，様々

PMS concentration (μM): 0, ; 9,なバイオアッセイに適用可能であると考えられる。

{; 90, S; 180, U.

Absorbance change (530 nm

(A)

0.4

; 27, z; 45,(A) BCIP/NB

0.3

0.2

0.5

1.0

2.5

5.0

10.0

25.0

ng

1.0

2.5

5.0

10.0

25.0

ng

(B) AsA-P/NBT

0.1

0
0

1

2

3

4

5

Time (min)0.5

Absorbance change (530 nm(B) 0.4

図3

0.3

5 掲載論文1)Talanta,Vol.73,pp.471-475 (2007).

0.2

0.1

0
0

1

2

3

4

5

Time (min)図1β-ラクトグロブリンのドットブロット分析

ALP活性測定における基質濃度の検討

AsA-P(A) and BCIP(B) concentration (mM): 0.04,
×; 0.07, ∗; 0.18,; 0.35, ; 0.53, {; 0.70,

z; 1.75, U; 3.50, S; 5.25, ; 7.00, ¡.

福岡県筑前海産褐藻アカモク Sargassum horneri の成熟と粘質多糖量の変化
黒田 理恵子 *1

上田 京子 *1

木村 太郎 *1

赤尾 哲之 *1

深川 敦平 *2

秋本 恒基 *2

篠原 直哉 *2

後川 龍男 *2

The Relationship between the Mucilage Polysaccharides Content and the Sexual
Maturation of Marine Brown Alga Akamoku Sargassum horneri Collected in the
Chikuzen Sea (Fukuoka Prefecture)
Rieko Kuroda, Kyoko Ueda, Taro Kimura, Tetsuyuki Akao, Naoya Shinohara, Tatsuo Ushirokawa,Atsutoshi Fukagawa and Tsuneki Akimoto
これまで我々は，福岡県産のアカモク Sargassum horneri についてフコイダン含量の季節変動を検討し，フコイダン含量の変化と生殖器床の出現に密接な関係があることを示唆した。今回，フコイダン含量と成熟の関係について，さらに詳細な検討を行った結果、アカモクのフコイダンは，1)大部分が生殖器床に含まれること，2)生殖器床の生長時期に増加し，配偶子の放出時期以降は減少していくことが明らかとなった。また、アカモクのフコイダン
について糖組成及び硫酸基の量を解析した結果，雌雄間で顕著な差はないことが確認された。

はDodgson Price法により定量した。

1 はじめに褐藻アカモクは雌雄異株の大型海藻で，北海道東部
を除く日本列島の広い範囲で生育している。しかし，3 結果と考察

生息地の広さに反して伝統的な食品資源としての利用

3-1 フコイダン含量の部位特異性は秋田県，新潟県など一部の地域のみであった。近年，生殖器床とその他の部位（枝葉部）に含まれるフコ褐藻に含まれるフコイダンの様々な機能性が期待されイダン量を比較し，存在量の部位特異性について検討

るにつれ，粘性物質を豊富に持つアカモクも注目され，した。同時に，海藻に含まれる主要な多糖の一つとし食用としての利用が進められている。福岡県においてて良く知られているアルギン酸の量も確認した。解析

も食品資源としての利用に向け，生態に関する調査やは配偶子放出開始直前から直後の株について行い，生藻体の特徴について解析が行われてきた。その中で，殖器床または枝葉部の単位乾燥重量（100g）当たりの福岡県産アカモクにはフコイダンが豊富に含まれるこ含量を測定した（図1）。その結果，フコイダンは大部とが確認され，多糖量の季節変動の解析から，フコイ分が生殖器床に存在し，枝葉部には微量しか含まれな

ダン含量は藻体の成長ではなく成熟と相関が強いこと

いことがわかった。一方、アルギン酸は両部位に含まが示唆された。そこで今回、アカモク成熟の指標となれ，枝葉部の方が生殖器床より2倍程度多かった。

る生殖器床に注目してフコイダン含量の変動を検討した。

試料として，福岡県筑前海の定点で2006年2月から5月の間に採取したアカモクを用いた。フコイダン及び
1)

アルギン酸の抽出と定量は前報 の方法に従った。ウ
ロン酸はカルバゾール硫酸法の改良法によって定量し，ガラクツロン酸相当量として算出した。また，硫酸基含量（g/100g 乾燥サンプル）

2 研究、実験方法*1 生物食品研究所*2 水産海洋技術センター

アルギン酸

フコイダン

30

10

20

5

10

0

0

枝葉

生殖器床
部位

図1

枝葉

生殖器床
部位

多糖含量の部位特異性

3-2 生殖器床の成熟とフコイダン含量の変動

フコース，キシロース，グルコースについて確認した

アカモクのフコイダンは，季節変動の解析より生殖ところ，キシロース，グルコースはほとんど検出され器床の出現・伸長に相関して増加する傾向があることず，雌雄間で違いは確認できなかった。また，ウロンが示され 1) ，部位特異性の確認によって大部分が生殖酸や硫酸基の含量にも顕著な差は見られなかった。

器床に含まれることが明らかとなった。そこで，生殖器床に着目して，アカモクの成熟過程によるフコイダ

4 まとめ

ン量の変動を解析した（図2）。アカモクの成熟過程はアカモクに含まれるフコイダンは大部分が生殖器床藻体および生殖器床の形態に基づき，I：未成熟期に存在することが明らかになった。さらに，その含量（生殖器床出現前），II：成熟途上期（未成熟だが雌は生殖器床の出現時に増加し，配偶子放出によって減雄の区別が可能な生殖器床が存在），III：成熟・配偶少することがわかり，フコイダンはアカモクの生殖と子放出期（成熟の最盛期

生殖器床が充分伸長し、雌強い関係があることが示唆された。雌雄生殖器床に含株から卵の放出が確認される），IV：衰退期（配偶子まれるフコイダンの主な糖組成や硫酸基の含有率は雌の放出が進み，枯死・流出直前）の4つのステージに雄間で差が見られないため，アカモクの食品素材とし分けた。アカモクに含まれるフコイダン量は生殖器床ての機能性にも大きな差は無いと予測できる。

の成熟に伴って最大となり，配偶子の放出に伴って減また，以上の結果を踏まえて，アカモクを食品とし少していくこと，また，全てのステージにおいて大部て利用するにあたり，採取時の簡易的な指標として生分が生殖器床に存在することから，フコイダンは配偶殖器床を確認することで，フコイダンを多く含む素材

子と共に存在し，配偶子の放出や保護などに関与してを効率よく提供することが可能となると考えられる。

いる可能性がある。
5 掲載論文含量（g/100g 乾燥重量）

日本水産学会誌，Vol.74，pp.166-170 (2008)
生殖器床
枝葉

10
5
0
I

II

III

IV

I

♂

II

III

IV

♀
成熟ステージ

図2

生殖器床の成熟とフコイダン含量の変動

3-3 フコイダンの糖組成解析
アカモクフコイダンの組成には雌雄間で特徴的な差が存在するかを確認するために，糖組成の分析を行った（表1）。

表1

フコイダンの構成成分
フコイダン中の含有量（％）
硫酸基
ウロン酸
±SD
±SD

構成糖比
フコース：キシロース：
グルコース

♂

29.5±3.3

3.3±0.5

1.00：<0.01：<0.01♀

30.8±1.0

3.5±0.2

1.00：<0.01：<0.01大川の家具本

明子 *1

OKAWA-Furniture
Akiko Moto
本稿は，デザイン学会誌の特集号「木のものたち」に掲載された論文の概要である。当特集号は，「木」をキーワードに様々な立場から，人間の文化的・生理的要素，加工技術，素材特性，製品開発などのテーマを集めたものである。本論文では，大川の家具産業の過去と現状を歴史背景や統計資料を基に論じた。

1 はじめに

3 家具づくりの変遷

全国有数の家具産地である大川は，福岡県南部の筑大川独特の機能を持った衣装箪笥が生まれたのは明後地方に位置する。山林はないが，当時物流の要であ

治10年頃といわれる。それらは，大型で，杉・桐・欅

った川が流れ，その上流の豊かな森林資源がこの地にを使い，素木・透漆・黒塗等で仕上げられていた。金産業をもたらした。当地に資源がない故に，時代によ

具には鉄・銅・真鍮等を使い，薄いタガネによる細かり手に入る材料に影響を受けながら，家具や製材の技な透彫りを施す手法も使われた。製材，金具製造，木術が発達し，作られる製品も形を変えてきた。大川の工，塗装の4つの異なる高度な技術の粋を集め「榎津家具の変化を時代とともに追っていく。

箪笥」が作り上げられた。家具が庶民のものとなったのは，明治末期以後である。庶民の財産であった着物

2 大川家具の発展を入れる「箱」であり，火災等の非常時に持ち出しや大川家具の発展の歴史は，この地が筑後川の物流のすいように丈夫で軽く，担ぐために棒を通す金具が取拠点であったことに始まる。豊富な資源に恵まれた筑り付けられ，桐や杉の長持が好まれた。大正期になり，後川流域は多くの人々が住み，上下流の交流が盛んで火災に対する整備が整い，家具は座敷を飾る装飾品とあった。筑後川の下流に位置する大川は，上流域の山しての価値が付加され始めた。

林で伐採された木材が日田で筏に組まれて下ってくる

大川の木工業は，増大する家具の需要に応え，鋸，

木材の集積地であり，更にその材木を筏に積んで有明

鉋，角のみ等の木工機械の導入が進み，徐々に成長を海に送り出すため木材の集散地であった。

遂げた。組合は，各地の博覧会や品評会等に「大川指大川家具の開祖・榎津久米之介は，当時の船大工の物の真価を周知させ，販路を拡張する」目的で，家具技術を生かし指物を作らせた（1536年）。榎津指物のの出品を積極的に進め販路を広げた。昭和初期の世界流れを汲み，幕末頃には，大工80名，船大工100名ほ

大恐慌の打撃を受けたが，昭和10年頃には国鉄佐賀線

どが住み，足踏水車・木造船・戸障子・戸棚や箱・桶の開通により，販路は九州一円へと拡大した。

などを製作した。その後，榎津生れの大工・田ノ上嘉戦争により家具生産は一時中断されたが，戦後再開

作は，長崎で箱物の技術を習得，榎津箪笥を改良した。

した後は，急速に発展した。戦火を受けなかった生産

それに続き，田ノ上一門の職人達は，唐木細工やオラ加工施設で，家庭用家具や，駐留軍・公共施設関連のンダ家具等から多くの技術を学び大川家具の礎を築い

調度品の受注を受け，復興生産が順調に進んだ。しかた。この榎津指物には，釘を使わず木に穴や切り込み

し，主材料である板材不足により粗悪な材が使用され，を入れ，差し合わせて組み合わせた箪笥，箱物，机等

加工や仕上がりが未熟な製品があったため，この時期があった。その後も，大川の地で家具は産業として発の製品は「安物」「粗悪品」の評価をされた。

展し続け，戦後は全国の家具生産の約1割を製造する産地に成長を遂げた。

国の「重要木工集団」の指定（昭和24年）を受けた
頃には，突き板工場ができ，木材乾燥機が導入されるなど機械化が進んだ。翌年には，木材加工協同組合が*1 インテリア研究所

設立，木材乾燥機を導入，人工乾燥技術が取り入れられた。また，木工機械が輸入され始め，家具の量産がの出荷額は，昭和55年1119億5800万円，平成2年1914始まった。東南アジア等から大径木の広葉樹が輸入さ

億1400万円である。昭和47年の大川市の 家具出荷額

れ，接着剤の開発や合板製造技術が発達したことで，が約272億円で，10数年で産地は急成長した。しかし，家具作りは手工業品から工業製品へと転換した。製材

バブル後の出荷額は減少，平成16年では約650億円と業は，国内資源の不足もあり外材の製材へと移行し，バブル期の1/3にまで減少した。出荷額の低迷を続け

昭和25年に設立された大川木材事業協同組合は，原木

た約10年，様々なプロジェクトによる再生を試みてきの買い付けや外材の陸揚げ等の体制を整えた。

た。各プロジェクトは，それなりの成果を上げてきた

品質やデザインの向上にも目を向けられるようになり，昭和30年には，大川家具を象徴した河内諒氏デザものの，将来へ繋がるような契機となるものには恵まれなかった。

インによる「引き手なしたんす」が家具展や物産展でこの状況の中，現在，産地では平成16年より，「大高い評価を得た。これを機とした東京への市場拡大に

川リバイバルプラン」に取り組んでいる。これは人材

より，家具生産者による取引関係者のグループ化が進育成，新ブランド開発，販路開拓の3つの事業で構成

み，各集散地単位に，契約・出荷・決済を行う組織がされる。バブル崩壊以降，生活様式の多様化や輸入家できた。輸送手段が，鉄道からトラックへと転換した具の急増による長期にわたる売上高の低迷を打破する

後もグループ単位の出荷システムは残り，運送会社がために，大川インテリア産業の再生に向けた産学官連

家具倉庫を持っている。

携の取り組みである。

高度経済成長の波と使用木材の変化とともに，生産

平成16年，中小企業庁の「JAPANブランド育成支援

技術の近代化，量産体制が確立した。表面材は突き板事業」の採択を機に，大川商工会議所，(財)大川総合や合板へ転換し，デザインや色彩も多様になった。組

インテリア産業振興センターおよび地域企業を核とし，合組織や研究組織が，地区や業種ごとに多く発足した九州大学やデザイナーが協力体制を築き，新ブランド

が，更に強い生産体制が要求され，昭和29年に大川家開発と市場開拓に取り組んでいる。ブランド確立に向具工業協同組合連合会が設立され産地全体を取りまと

け，各者の意識の統一に時間がかかった反面，これまめ牽引した。後に協同組合大川家具工業会が発足し，でコラボレートしたことがないデザイナーとの仕事を連合会の業務を引き継ぎ，経営・販売促進・技術等，通して，新しいディテールや素材へ挑戦する機会を得

多面的に大川家具業界を統括・牽引している。業界のられ，それらをクリアしていくことでモチベーショ

近代化へ向け，行政では，金具や二次加工等の関連工ン・技術力の向上につながっている。

業の誘致や家具・建具工場の集団化の推進による生産性の向上へ取り組んだ。昭和40年代には，生産拡大に

5 おわりにより工場規模の拡大と郊外への移転が進んだ。更に，

おそらく，どこの家具産地でも同様であろうが，家高速道路へ続く幹線道路沿いに家具工場や配送センタ

具産地の現況は楽観できるものではない。しかし，木ー等が進出し，近隣の町村へと産地が拡大した。

材を加工し，形づくってきた産業は，長い歴史を持ち，とはいえ，昭和40年代当時も，従業員数が10人未満

その土地に関連する産業ももたらしてきた。厳しい状の事務所が85%を占め，転業廃業が後を立たない状況

況下で，様々な挑戦を続ける中で，新しい技術が生まもあった。また，石油ショックによる主材料のベニヤ

れ，それを補う道具や機械も生まれてきた。この地にの急騰，原木，接着剤・塗料等の資材不足など深刻な根付いている「木へのこだわり」は簡単に他の産業へ事態に陥った。この頃から産地では，「限られた資材転換が図れるものではなく，この地では，今後も長くで付加価値の高い家具」，「景気の動向に左右されない木材と向かい合うことになるであろう。

家具」を開発することに目が向けられてきた。
6 掲載論文4 近年の取り組み
その後，家具の生産高は増加しバブル期にはピークを迎える。統計資料によると，大川地区の家具装備品

日本デザイン学会誌
2号

pp.44-47 (2007)

デザイン学研究特集号第52巻

メカニカルアロイング処理粉末から製造した
超微細粒フェライト系ステンレス鋼極細ワイヤの機械的性質
小野本 達郎 *1

土山 聡宏 *2

高木 節雄 *2

Mechanical Properties of Ultrafine Grained Ferritic Stainless SteelThin Wire Fabricated by Mechanically Alloyed Powder
Tatsuro Onomoto, Toshihiro Tsuchiyama and Setsuo Takaki
Fe-25mass%Cr組成のメカニカルアロイング(以下，MA)処理粉末から作製した固化成形材に高温スエージング加工
ならびに伸線加工を施して，超微細粒組織を有するフェライト系ステンレス鋼極細ワイヤを製造した。本ワイヤは，
サブミクロンサイズの結晶粒径の効果により，溶製材から製造される一般的なフェライト(以下，α)系ステンレス
鋼ワイヤよりも優れた強度-延性バランスを有する。また，通常粒径を有する金属材料では避けられない材料サイ
ズ微小化に伴う材質劣化も生じないことが判明した。

1 はじめに

2 実験方法近年，医療器具や精密機械部品の分野では製品の小還元Fe粉(粒度-100mesh，純度99.4mass%)と粉砕Cr

型化のニーズが高まっており，使用される金属材料に粉(粒度-200mesh，純度99.0%)をFe-25%Cr組成に配合も極薄・極細化が要求されている。しかしながら，金した混合粉末についてMA処理(20G-720ks)した。MA粉

属材料をマイクロオーダーにまで微小化すると，材料

末 は 放 電 プ ラ ズ マ 焼 結 機 を 用 い て 固 化 成 形 (1173K-

特性が著しく劣化して十分な機能を発揮できない。強70MPa-0.18k)することでφ8×70mmの棒材とした。棒度特性を維持したまま材料の微小化を図るには，金属材 に 高 温 ス エ ー ジ ン グ 加 工 (1173K) を 施 し て 線 径 φ

組織サイズを材料サイズよりも十分小さくすることが1.9mmとした後，伸線加工と焼鈍処理を繰り返して線

不可欠である。一方、超微細な結晶粒組織を有する金

径φ0.2mmまでの細線化を試みた。

属材料を得る手法として，MA法やメカニカルミリング(MM)法などの強歪み加工法が知られており，得られた3 結果および考察

ナノ結晶MA粉末を適切な温度域で固化成形すれば，サ

図1は固化成型材(a)と高温スエージング加工材(b)ブミクロンレベルの結晶粒径を有する超微細粒バルクのTEM組織を示す。両組織とも等軸状の超微細粒α組材を創製することが可能である。さらに，超微細組織織を呈している。平均結晶粒径はそれぞれ0.33μmとを維持したまま微小材料へと加工できれば，材料サイ

0.39μm程度であり，1173Kでの加工後も微細な加工前

ズの微小化に伴う特性劣化の生じない強度-延性バラ

組織を維持している。また，α組織中に数十nmの微細ンスに優れた材料が得られると期待される。本研究で粒子が均一に分散している様子も観察される。この微は，超微細粒組織を有するα系ステンレス鋼の極細ワ

細酸化物粒子の粒界ピン止め効果により，高温加工時

イヤの創製を目的とし，Fe-25mass%(以下,%)Cr混合粉においてα粒の再結晶や粒成長が抑制されたものと考末についてMA処理、固化成形，高温スエージング加工，えられる。

および伸線加工を試みた。MA処理-固化成形プロセス

(a)

(b)

は、既に著者らの過去の研究において明らかにしているので、本報では高温スエージング加工以後の各段階

eoxidにおいて形成される組織や機械的性質について報告す
e
oxid

る。
0.5μm
*1 機械電子研究所*2 九州大学

0.5μm

図1 固化成型材(a)と高温ｽｴｰｼﾞﾝｸﾞ加工材(b)のTEM組織

次に高温スエージング加工材について，伸線加工といる。D/d値がそれ以下になると，試料表面に接する

焼鈍処理を繰り返して極細ワイヤを作製した。図2は結晶粒の変形が，ワイヤ全体のマクロ降伏や結晶粒単作製したφ0.2mm-MA極細ワイヤの公称応力-公称ひず

位での顕著なひずみ集中を引き起こすなどして引張特み曲線を示す。なお、本ワイヤの結晶粒径はサブミク性を著しく劣化させる。結晶粒を超微細化することは，

ロンオーダーであることを確認している。また、比較

それ自体が材料の強化に寄与するだけでなく，以上ののために平均結晶粒径50μmのSUS430ワイヤに強伸線ような材料の微小化に伴う材質劣化抑制の観点からも加工を施して得た極細ワイヤとこれを1123Kで焼鈍処極めて有効である。将来的な材料の極薄・極細化のニ理を施して得た極細ワイヤ(平均結晶粒径50μm)の公ーズに対して，結晶粒微細化は重要な位置づけを占め

称応力-公称ひずみ曲線も併示している。

る技術になると予想される。

(b) As-cold-drawn(ΔA=99%)Nominal stress

(b)

(a)

1.0GPa200MPa(a) MA thin wire (φ0.2)

5%1mm

SUS430 thin wire
(φ0.2)(c) Annealing
at 1123K

Nominal strain

図2

各種極細ワイヤの公称応力-公称ひずみ曲線

図3

1mm

MA極細ワイヤの塑性加工例(線径φ0.2mm)

4 謝辞
還元Fe粉(KIP)をご提供頂いた川崎製鉄（株）（現：
JFEスチール（株）、伸線加工にご協力頂いた安田工業

MA極細ワイヤは1.2GPaの引張強さを有しているうえに（株）八幡工場に深く感謝いたします。

5%程度の十分な延性も兼ね備えている。この特性は極細化前のスエージング加工材の引張特性とほぼ同等で

5 掲載論文あった。すなわち，極細線化による特性の低下は非常

日本熱処理技術協会誌「熱処理」: Vol.47, pp.378-384に小さい。また，伸線加工パス間に焼鈍を施したにも(2007) *平成19年度「論文賞」受賞

関わらず高い強度特性が維持されている点も本材料の大きな特徴であり，十分な曲げ加工性(図3)も有している。それに対して，強伸線加工を施した得たSUS430
極細ワイヤは、加工硬化により1GPaレベルまで高強度化されるものの延性は完全に消失している。延性改善のために焼鈍処理を施すと顕著な強度低下を生じて伸線加工による加工硬化の影響は消失し，十分な特性が得られない。ただし，バルク材の場合と大きく異なる
点は，焼鈍により極細ワイヤの延性はあまり回復して
お ら ず 、 本 来 の SUS430の 引 張 特 性 に 対 し て ， その 強度-延性バランスは極めて劣った値となっていることである。線径φ0.2mmの極細ワイヤ(c)では，結晶粒径が50μmまで粗大化しており，線径方向にはわずか約4個の結晶粒しか存在しないことになる。著者らの過去の検討結果によると，ワイヤ材がバルク材と同等の性能を発揮するには，線径方向の結晶粒数(D/d値)が最低5個以上でなければならないことが明らかとなって平面コイルの相互誘導を利用した磁歪効果型力（ひずみ）センサ
古賀 文隆 *1

笹田 一郎 *2

Magnetostrictive Effect Type Force (Strain) Sensor
Using Mutual Induction of Planar Coils
Fumitaka Koga and Ichiro Sasada
機械構造物に加わる力を把握するには，測定したひずみ量から換算する方法が多くとられている。そのためひずみセンサは力の測定に多く用いられており，磁歪効果を利用すると高感度なひずみ・力センサが実現できる。本稿では，アモルファス磁歪箔と一対の平面コイルを積層した新しい構造を持つ力センサを提案，試作し，評価を行った。本センサは，機械構成要素に接着された磁歪箔に応力が加わることにより誘導される磁気異方性の変化を，一対の平面コイル間の相互インダクタンスの変化として検出する。断面が15×15mm2 のアルミニウム角棒の側面に接着したMetglas2605SCアモルファス磁歪箔と巻数が16回の一対の平面コイルを用いた力センサの基本特性を評価した結果，励磁条件が1MHz，60mAのときに38.4mV/Nm（1.57mV/με）の感度が得られた。

1 はじめにとなる。

機械構造物に加わる力を把握する際，最も直接的に

図2に動作原理を示す。白抜きの矢印は磁束を表して測定可能な物理量であるひずみを測定し，その値からいる。応力がゼロのとき，励磁コイルで発生される磁束力を換算する方法がとられることが多い。そのためひは図2(a)のようになる。励磁コイルの中心部で発生されずみセンサ（ストレインゲージ）は力の測定に多く用る磁束は検出コイルには鎖交しないため検出コイルの電

いら れ てお り ，磁歪 効果 を 利用 す ると 高 感度 なひず

圧誘起に寄与しない。また，励磁コイルの外周部で発生

み・力センサが実現できる。本稿では，アモルファス

される磁束は検出コイルに鎖交するが，全体では相殺さ磁歪箔と平面コイルを積層した構造の力センサを提案れるため検出コイルに電圧は誘起されない。磁歪定数がし，試作及び評価を行ったので報告する。本センサは，正であるアモルファス磁歪箔に図2(b)のように横方向に被測定物に固定したアモルファス磁歪箔には通電する

引張応力σを加えると，応力誘導磁気異方性により，励必要がなく，コイル及び配線は容易に着脱可能である。

磁コイル中心部の磁束は回転して検出コイルに鎖交する

また2個のコイルの相互誘導を利用するもので，原理

成分が発生する。また，励磁コイル外周部の磁束には増上は力が無印加のときに出力がゼロとなり，検出回路減が生じて相殺されていたバランスが崩れ，検出コイル

系が簡単になる特徴を有している。

に電圧が誘起される。圧縮応力を加えた場合は，検出コ
イルに逆位相の電圧が誘起される。検出コイルの誘起電

2 動作原理図1に検出ヘッドの構造を示す。検出ヘッドは，一番圧を同期整流することで応力印加の向きに対応した出力電圧が得られる。

下に磁歪を有するアモルファス箔，その上に直交させて配置した2つの平面コイルがあり，一番上に励磁効率を高めるためのヨークとして用いるアモルファス箔を密着

アモルファスヨーク

させて重ねた構造になっている。平面コイルは，一方を平面コイル(上側コイル)

励磁コイル，他方を検出コイルとして使用する。磁歪箔
のみを被測定物に接着し，平面コイルおよびヨークは近平面コイル（下側コイル）

接して配置されていればよく，必ずしも接着する必要は

アモルファス磁歪箔

ないことから，コイルやそれに付随する配線は着脱可能
図1*1 機械電子研究所*2 九州大学

検出ヘッドの構造検出コイル

磁歪箔＋励磁コイル(a) 応力がゼロの場合

Sensitivity (mV/Nm)

50

30
20
10
0

σ

σ

80 mA
70 mA
60 mA
50 mA
40 mA
30 mA
20 mA

40

10

100
Frequency (kHz)1000

図3 励磁電流をパラメータとした感度の周波数特性
磁歪箔＋励磁コイル

検出コイル

ダクタンス変化が得られた。相互インダクタンス変化が(b) 横方向に引張応力が加わった場合
図2 平面コイルによる力の検出原理（白矢印：磁束 黒矢印σ：応力）大きかった励磁周波数20kHz，励磁電流80mAのときの入出力特性を図4に示す。ヒステリシスも小さく直線性も良好であった。

3 実験
3-1 実験方法

4 まとめ

平 面コ イ ル は ， 厚さ50μmの ポ リイ ミ ド 基 板 上に厚直交させて重ねた2つの平面コイルをアモルファス

さ35μmの銅の 螺旋パ ター ン を形成 した も ので， 大き

磁歪箔とアモルファスヨークで挟み込んだ構造の検出

さ は 10 × 10mm2 ， 巻 数 は 16 回 で あ る 。 磁 歪 箔 に はヘッドを持つ力センサを提案，試作した。断面が15×Metglas2605SC，ヨークに はMetglas2705Mを用いた。

15mm2 のアルミ角棒に取り付けて曲げモーメントを加検出ヘッドのうち磁歪箔のみを断面15×15mm2 ，長さえ た と き ， 38.4mV/Nm（ 変 位 量 δl/l = 10-6 当 り 1.57

約150mmのアルミニウム製の角棒の側面に接着剤で固mV）の感度が得られた。また，実質的な感度を表す励

定し，平面コイル及びヨークは両面テープで固定した。

磁－検出コイル間の相互インダクタンスの変化に着目

アルミ角棒の一端を固定して片持ち梁の状態にし，検すると最適な励磁周波数が存在し，今回試作したセン

出ヘッド装着部に±0.49Nmの曲げモーメントが生じる

サ で は 10～ 20kHzが 最 も 効 率 的 で ， 0.41μH/Nmの 単 位

ように他端に力を印加したときの出力電圧の変化から力あたりの相互インダクタンス変化が得られた。

感度を算出した。このときアルミ角棒の検出ヘッド装着部に生じる変異量δl/lは±12×10-6である。

5 掲載論文3-2 実験結果

電気学会論文誌 A, 127 巻(6 号)，pp.355-360(2007)

図3に励磁電流をパラメータとした感度の周波数特性

3

し，励磁周波数1MHz，励磁電流60mAのときに38.4mV/Nm（変位量 δl/l = 10-6当り1.57mV）の感度が得られた。
しかし単位力あたりの相互インダクタンス変化に着目す
ると，10～20kHzをピークに励磁周波数と共に減少する傾向が見られた。表皮効果を考慮すると磁歪箔に多くの磁束を集中できる高周波が有利であると考えられるが，高周波では励磁コイルにより発生される磁束が減少する

Output voltage (mV)を示す。図3より，感度は励磁周波数の上昇と共に増加
2
1
0
-1
-2
-3

-0.5

ため，力（ひずみ）から出力電圧への変換効率がピークとなる励磁周波数が存在し，今回用いた検出ヘッドでは0
Bending moment

-10

0.5
(Nm)

Strain

0
δl/l

図4

入出力特性

10～20kHzで最大約0.41μH/Nmの単位力あたりの相互イン(×10−6)10