熊本県産業技術センター

研 究 報 告第 56 号

令和２年度････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

REPORTS OF
KUMAMOTO INDUSTRIAL RESEARCHINSTITUTE
No.56 2020.4-2021.3････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

令和 3 年（2021 年）12 月

熊本県産業技術センター〒862-0901

熊本市東区東町 3-11-38

Published by
Kumamoto Industrial Research Institute3-11-38, Higashi-machi, Higashi-Ku, Kumamoto 862-0901 Japan

表表紙 裏面1

熊本県産業技術センター研究報告第 56 号 （令和２年度）
目

次

【論
文】
米ゲルの特性と利用に関する研究 ･･････････････････････････････････････････････ 水上浩之 ･･････
峯田絵理
白尾謙典
友田幸利
花城勲
三牧奈美
【技術資料】
次世代産業に適応する機械要素技術の高度化に関する研究 ････････････････････････ 甲斐彰 ････････- 生栗の一次加工の機械要素の開発 村井満
山口良一
百田寛
斎藤幸雄

1

7

食品周辺産業支援に関する技術開発 ････････････････････････････････････････････ 百田寛 ････････ 13-シルクパウダーの工業的用途創出に向けた取組み甲斐彰
斎藤幸雄
【転
載】
Totally-Organic Near-Infrared Shielding Materials by Conductive Cellulose Nanofibers
YOSHIDA Kyohei, NAGAOKA Shoji, HORIKAWA Maki,
NOGUCHI Hiroki and IHARA Hirotaka ･･･････････････････････････････････････････････････ 17
Thin Solid Films, Vol. 709, pp. 138221-138228 (2020)
Activated Sludge Microbiome in a Membrane Bioreactor for
Treating Ramen Noodle-Soup Wastewater
TANAKA Ryoichi, NOUZAKI Katsuya, Ronald R. Navarro, INABA Tomohiro,
AOYAGI Tomo, SATO Yuya, OGATA Atsushi, YANAGISHITA Hiroshi,
HORI Tomoyuki and HAGE Hiroshi ･･････････････････････････････････････････････････････ 25
The Journal of General and Applied Microbiology, Vol. 66, pp. 339-343 (2020)
キトサン微粒子のストレプトコッカス ミュータンスに対する抗菌効果と歯磨材としての研磨効果 ･･････････････････････････････････････････････････････ 齋田佳菜子 ････ 30
Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, Vol. 84, pp. 1265-1273 (2020) 永岡昭二
城崎智洋
堀川真希
伊原博隆
【特別報告】

10 年大型プロジェクト・くまもと有機薄膜技術高度化支援センターの完結 ･･････････ 永岡昭二 ･････ 38- 熊本県における有機エレクトロニクス事業の展開 松枝寛
土村将範

REPORT OF
KUMAMOTO INDUSTRIAL RESEARCH INSTITUTE
Vol.56(2020.4-2021.3)
CONTENTS【Original paper】
Research on the Characteristics and Utilization of Rice Gel
MIZUKAMI Hiroyuki, MINEDA Eri, SHIRAO Kensuke, TOMODA Yukitoshi,
HANASHIRO Isao and MIMAKI Nami ･････････････････････････････････････････････････････････ 1【Technical Reports】
Improvement of Mechanical Element for Advanced Industries-Development of a Mechanical Element for Chestnuts Primary process KAI Akira, MURAI Mitsuru, YAMAGUCHI Ryouichi, MOMOTA Hiroshi and SAITO Yukio ･･･････････ 7Technological Development for Support of Food-Related Industries- Approach for Industrial Applications of Silk Powder MOMOTA Hiroshi, KAI Akira and SAITO Sachio ････････････････････････････････････････････ 13【Reprinting】
Totally-Organic Near-Infrared Shielding Materials by Conductive Cellulose Nanofibers
YOSHIDA Kyohei, NAGAOKA Shoji, HORIKAWA Maki,
NOGUCHI Hiroki and IHARA Hirotaka ･････････････････････････････････････････････････････ 17
Thin Solid Films, Vol. 709, pp. 138221-138228 (2020)
Activated Sludge Microbiome in a Membrane Bioreactor for
Treating Ramen Noodle-Soup Wastewater
TANAKA Ryoichi, NOUZAKI Katsuya, Ronald R. Navarro, INABA Tomohiro,
AOYAGI Tomo, SATO Yuya, OGATA Atsushi, YANAGISHITA Hiroshi,
HORI Tomoyuki and HAGE Hiroshi ･････････････････････････････････････････････････････････ 25
The Journal of General and Applied Microbiology, Vol. 66, pp. 339-343 (2020)
Dispersible Chitosan Particles Showing Bacteriostatic Effect against
Streptococcus Mutans and their Dental Polishing Effect
SAITA Kanako, NAGAOKA Shoji, SHIROSAKI Tomohiro, HORIKAWA Maki and
IHARA Hirotaka ････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 30
Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, Vol. 84, pp. 1265-1273 (2020)【Special Report】
Completion of Large Project,”Kumamoto Institute for Photo-Electoro Organics(PHOENICS) ”- Development of Photo-Electoro Organics Project in Kumamoto Prefecture NAGAOKA Shoji, MATSUEDA Hiroshi and TSUCHIMURA Masanori ･･･････････････････････････････ 38

米ゲルの特性と利用に関する研究
水上浩之*・峯田絵理**・白尾*謙典**・友田幸利***・花城

勲****・三牧奈美***

食品加工技術室、 食品加工技術室（現：上益城農業普及振興課）、***

技術交流企画室（現：農林水産部団体支援課）、****鹿児島大学農学部

Research on the Characteristics and Utilization of Rice Gel
MIZUKAMI Hiroyuki*, MINEDA Eri**, SHIRAO Kensuke**, TOMODA Yukitoshi***, HANASHIRO Isao****and MIMAKI Nami**
高アミロース米を加熱糊化して高速せん断攪拌の「ダイレクトGel転換」を行って製造する「米ゲル」は、米の品種、製造条件を変化させることにより物性が変わることから、さまざまな食品への利用が期待されている。本研究では、米ゲルの利用を図る目的で、米ゲルの物理的特性および米ゲル澱粉の構造解析を行い、両者の関係について検討するとともに、米ゲルを利用した食品の試作を行った。

１． はじめに用法の例として、パンおよび他の食品の試作を行った。

近年、我が国では米を主食以外のいろいろな用途に用いる新規需要米に注目が集まっており、米を粉

２．試験方法末やペーストに１次加工して、パンや菓子、麺等の加工品が作られている。米ゲルも新規需要米を利用

2.1 試料した新しい米の素材であり、農業・食品産業技術総原料米として使用した高アミロース米（品種名：合研究機構食品総合研究所(当時）で開発されたもの

ミズホチカラ）は、熊本県農業研究センター農産園

1）である 。本センターにおいても、米の消費拡大、需芸研究所（熊本県合志市合志町大字栄3801）で栽培

要拡大を目的に、新しい食品素材としての利用法をされた2018年産を使用した。それ以外の品種は市販確立するため、米ゲルの研究に取り組むことにした。

のものを使用した。

米ゲルは、加水した高アミロース米を加熱糊化（炊飯）した後、高速せん断攪拌（ダイレクトGel転換）

2.2 米ゲルの製造方法

して得られるゲル状の食品素材である1）2）。米ゲルは①精米したミズホチカラ150ｇに1.5倍量の水を加え、その製造条件によって軟らかいゼリー状から高弾性攪拌式洗米器で10回攪拌した後、水を捨てる操作のゴムボール状のものまで幅広い物性の制御が可能

を5回繰り返した。

で、炊飯、高速攪拌という簡単な工程のため、低コ②米の2倍量になるように加水し450gに調整した。

スト生産が可能という利点をもつ。また、小麦粉や③室温で2時間浸漬した後、象印マホービン（株）製卵の代替として、お菓子、パン、麺等に利用できる炊飯器（NP-VB10-TA）の「おかゆコース」で炊飯ことからアレルギー対応食やグルテンフリーの健康した。

食になるとも考えられ、様々な商品開発も進められている3）。

④炊き上がり後、10分間蒸らし、直ちに（株）エフ・
エム・アイ製カッターミキサー（BLIXER-5Plus，

高アミロース米は高速せん断することで、硬くし4)っかりしたゲルが形成されることが知られている 。
加えて、この米ゲルは、パンなどに使用すると老化が緩やかで硬くなりにくく、離水しにくい等の特徴を持ち2)、米ゲルを小麦粉パン生地に添加すること

Robot-Coupe）でせん断し、米ゲルを製造した。
⑤加水量の異なる米ゲルは、炊飯器で炊飯する際の加水量を調整して製造した。
⑥せん断条件は、回転数1800rpm、せん断時間は1、2、3、5、10、15、30，45、60分で行った。

によりパンのテクスチャーを改善できることが報告されている5)。

2.3 米ゲルの物理的特性測定

そこで、本研究では、米ゲルの特徴を把握し多様

米ゲルの物理的特性は、製造直後の米ゲルを30℃な食品の加工製造に資するため、米ゲルの物理的特まで降温し、直径40㎜のアクリル製のリング容器（高性と米ゲルの構造解析を行った。また、米ゲルの利さ15㎜）に入れて、山電（株）製クリープメーター

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 20201

（RE2-3305B）でテクスチャ―解析による付着性を測した。老化した米ゲルを圧縮した時、破断すること定した。また、リング容器に入れたゲルを4℃で保存なく測定できる点は歪率10％であったことから、硬し測定直前にリングから取り出して破断強度を測定

さは歪率10％、試料表面から1.5mmまで圧縮した時のした。測定は製造後５日間連続して行った。米ゲル値とした。製造直後(0day)の硬さは、いずれのゲルの粘度は、(株)NSP製のRapid Visco Analyzer(RVA)

も違いはみられず、せん断時間の影響はほとんどなで測定した。製造直後の米ゲルを30℃まで降温し、かった。また、製造後4℃で保存した場合、いずれの20gをアルミ缶に入れ、92℃まで昇温させ6分間保持

米ゲルも老化し硬くなったが、せん断時間が長い方

後、60℃に降温し20分間保持した値を粘度とした。

がより硬くなる傾向がみられた。

ローター回転速度は0-15分;100rpm、15-50分;50rpm
で行った。

表1

せん断時間と米ゲルの破断強度との関係

2.4 試料の調製方法
米ゲルの澱粉は、真空凍結乾燥処理した各米ゲルをアルカリ浸漬法6）で処理して調製した。また、温水抽出試料は、米ゲルを248倍量の水に懸濁した後、沸騰浴中で10分間加熱し、遠心分離（3000rpm、5min）した溶液から上澄液を分離した。等量のエタノー
ルおよび2MNaClを終濃度10mMになるように加え氷中で2時間冷却した後、遠心分離で得た沈殿を凍結乾燥している。得られた澱粉および温水抽出物中のアミロペクチンはTakeda et al.7）の方法を用いて調製した。
2.5 米ゲル澱粉の構造解析
澱粉およびアミロペクチンの鎖長分布は、Hanash-iro et al.8)の蛍光標識ゲルろ過HPLC法で測定し

図1

せん断時間の異なる米ゲルの破断強度の推移

た。
ここで、せん断時間と米ゲルの付着性との関係を
2.6 パンの製造方法と評価法

図2に示す。クリープメータ―のプランジャーの直径

米粉（パン用米粉：ミズホチカラ）230g、砂糖20.

は16㎜、測定速度は5mm/secで行い、歪み率10％と57g、塩4.6g、オリーブオイル5.75g、イースト4.6g(2％）

0％での変化を測定している。付着性は、せん断時間の割合で作る米粉パンを基本に、Panasonic(株)製ラ

5分までに大きく低下するが、その後は30分でやや増

イスブレッドクッカー（SD-RBM1001）の「早焼き食

加するものの大きな変化はなかった。

パンコース」で製造した。米粉の一部を米ゲルで置換したパンは、米ゲル中の米重量と水分量を米粉10
0％パンの配合量から差し引いている。なお、パンは焼成後１時間常温静置し、高さと菜種置換法9)で求めた比容積で評価した。
３.

結果および考察3.1 米ゲルのせん断時間と物理的特性との関係
製造直後の米ゲルは、せん断時間が長くなるほど軟らかく滑らかなゲルになることから、せん断時間の異なる米ゲルの特性を調べるために、それぞれの

図2

せん断時間と米ゲルの付着性との関係

ゲルの物理的特性を調べた。表1及び図1にせん断時間と硬さとの関係を示す。硬さは破断強度の値で示

2【論文】米ゲルの特性と利用に関する研究

次に、ゲルの流動性を調べるために、RVAによる粘度測定を行ったときの粘度曲線を図3に示す。米ゲル

なり、むしろべたつくような食感を示した。その中に流動性を持たせるために、最初92℃まで昇温し高でも、せん断時間5分～30分のパンの食感はいずれも速で攪拌した後60℃まで降温し、そのまま保持した比較的好評であった。それぞれのパンの特徴の違い

時の粘度曲線である。RVA曲線ではせん断時間1分のは、置換した米ゲルのせん断時間による特性の違い

米ゲルの粘度が最も高く推移し、温度60℃におけるによるものと考えられる。

粘度も他のゲルよりも高く推移した。次いで、3分せん断ゲルの粘度が高く、せん断時間5分以降の米ゲルの粘度の差は小さかった。
図4にせん断時間と60℃保持後10分間のRVA粘度の平均値との関係を示す。グラフより、せん断時間1分
から5分までに米ゲルの粘度は大きく低下するが、それ以降のせん断の粘度変化は非常に小さいことがわかった。また、図2で示した付着性のグラフとも非常に類似した結果を示した。

図5

せん断時間の異なる米ゲルパン
表2

図3

せん断時間の異なる米ゲルの粘度曲線

米ゲルパンの評価

せん断時間
（min）

高さ
(mm)

重量
(g)

体積
(ml)

比容積

1

98.70

411.06

1170

2.85

2

101.09410.18

1235

3.01

5

100.85407.45

1275

3.13

10

103.87407.14

1365

3.35

15

103.88408.88

1275

3.12

30

103.87410.49

1325

3.23

45

103.96405.68

1295

3.19

60

103.40406.731300

3.20

3.3 米ゲルの澱粉構造解析
米ゲルの特性は、米の主成分である澱粉が影響していることが考えられたため、せん断により澱粉構造に変化がないか分析を行った。図6は米ゲル中の澱
図4

せん断時間と米ゲルの粘度との関係

3.2 せん断時間の異なる米ゲルパンの製造
せん断時間を変化させた米ゲルを用いたパンを製造した（図5）。ここでは、米粉中の米ゲルの置換割合は20％とした。表2に置換したそれぞれのパンの高さ、体積、比容積を示す。せん断時間を長くするほどパンの高さ、体積は高くなり、重量は逆に低くなる傾向を示しており、比容積もせん断時間が長いほど高くなった。また、パンの生地表面と食感は、せん断時間が短いとキメは粗く、ボソボソとした食感を示したのに対し、長くすると表面のきめが細かく粉の鎖長分布を示したもので、表3はそのクロマトグ
ラムの重量分布および数分布から求めた各鎖長分布の割合を示したものである。米ゲルの凍結乾燥粉末から調製された澱粉に、イソアミラーゼを作用させ枝切りした後、ゲルろ過カラムで分画し、HPLCで単位鎖（枝）の分布を調べた。その枝の鎖長の大きさから、図6に示すようにApp.AM(見かけのアミロース)
画分、B2+B3画分、A+B1画分に分けられ、その割合を示したのが表3である。0-60分間のいずれのせん断時間においても、重量割合ではApp.AM画分は15.8-17.
6％、B2+B3画分では19.5-21.4％、A+B1画分では61.
5-64.1％とほぼ同量で、数割合でもそれぞれ0.5-0.

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 20203

7％、9.2-9.7％、89.7-90.3％と、せん断時間を変化させても澱粉全体の鎖長分布に大きな差は認められなかった。
更に、澱粉試料から調製したアミロペクチンの鎖長分布と温水抽出物から調製したアミロペクチンの鎖長分布（両者データ無掲載）においても、せん断時間の違いによる変化は認められなかった

図6

米ゲル中の全澱粉の鎖長分布

表3

米ゲル中の全澱粉の鎖長分布

図7

米ゲルの温水抽出画分中の澱粉の鎖長分布

表4

米ゲルの温水抽出画分中の澱粉の鎖長分布

そこで、アミロペクチンの主鎖に絞って分析を行った。図8は、米ゲルの真空凍結乾燥粉末試料から分別調製したアミロペクチン主鎖の鎖長分布を示した
クロマトグラムで、図9に、温水抽出画分から分別したアミロペクチン主鎖の鎖長分布を示す。図9の温水抽出画分の1分せん断のゲルのクロマトグラムは、図8の0分のアミロペクチン主鎖のクロマトグラムとよく類似した。図8のせん断時間0分は、せん断前の炊温水抽出試料中の澱粉の分析を行った結果では、飯米であるため普通の米の澱粉と同じと考えられる

RI検出器で検出された見かけのアミロース画分の割ことから、温水抽出画分における1分せん断は一般の合（App.AM）はせん断時間が長くなるに伴い低下す米澱粉のクロマトグラムと類似していると言えた。

る傾向が認められ（図7、表4）、蛍光検出で測定した温水抽出画分では、一般のアミロペクチンでは見ら強度においても同様の傾向が認められた。このことれないような短いアミロペクチン主鎖が、せん断時から、せん断処理が温水抽出時のアミロースの挙動

間3分までに急激に増加しているが、それ以降のせんを変化させ、せん断が進行すると難抽出性のアミロ断では増加は認められなかった。このことから、せース量が増加することが示唆された。この温水抽出

ん断処理の初期にはアミロペクチンの低分子化が起されたアミロース量の低下は、せん断時間が長くな

こるが、それ以降、せん断時間を延ばしても、それるに伴い、澱粉内部でアミロースのネットワークが以上の低分子化は起こらないことが示唆された。

形成されるために起こるのではないかと推測された。

図9中に示す様に、屈折率（RI）と蛍光検出（F）

アミロペクチンの構造について調べるために、ゲで得られたクロマトグラムのピーク面積の比、RI/F

ルの凍結乾燥粉末および温水抽出物それぞれの澱粉の値は1分せん断で1.19であったのに対し、せん断時からアミロペクチンを分別調製して、その鎖長分布

間3分以降は0.3-0.7と低かった。RI/F値は重合度のについて調べたが、せん断時間が変化しても鎖長分指標とみなせることから、数平均重合度で約半分程布の差は認められなかった（データ掲載無）。

度の大きさに低分子化されたと言える。これは、1分

4【論文】米ゲルの特性と利用に関する研究子当たり1か所で単位鎖が切断されていることを意

また、付着性（図2）および粘度（図4）において味している。また、3分以降のせん断は、1分せん断

は、せん断初期の3分までにいずれも大きく低下してのクロマトグラムでみられる主鎖の蛍光ピークの高

おり、アミロペクチンの低分子化の傾向と一致してさには変化がみられず、B1鎖やA鎖程度の主鎖が増加いることから両者の間には関連性があることが推察していることから、単位鎖のクラスターを連結してされた。

いるB2鎖がクラスター間で切断されて新たな主鎖を生じていることが考えられた。山本らも米澱粉のゲルを高速せん断した場合、アミロペクチン分子にク
ラスター単位程度の単位の切断を認めており10）、峯田らの報告11)と併せ、米ゲルではせん断加工によってアミロースとアミロペクチン超長鎖が安定したネットワークを形成する一方で、アミロペクチン分子がクラスター単位で低分子化することによって老化特性に影響を及ぼしていると松木12）は推察している。
図10

温水抽出アミロース量と米ゲルの破断強度（硬さ）との関係

3.5 米ゲルの加工食品への利用
3.5.1 ホワイトソース（グルテンフリー）
材料
米（ミズホチカラ）

図8

米ゲル粉末試料から分別調製したアミロペク
チン主鎖の鎖長分布100g、豆乳（または牛乳）

バター 15ｇ、コンソメ 4.5ｇ
米ゲルの作り方① 米 100ｇを洗米し、2 時間水に浸す。
② 水を切り、200ｇになるように水を加える。
③ 豆乳（または牛乳）を加えて 1000ｇにする。
④ ロボクープで 5 分間攪拌する。
ホワイトソースの作り方① 米ゲル 200g をジップロッ
クコンテナに量り、バターとコンソメを加える。
② 電子レンジで 600W、1 分間加熱。
③ 蓋を外してかき混ぜる。
3.5.2 牛乳ババロア風プリン
材料
米ゲル（ミズホチカラ、4倍加水）
牛乳

150ｇ、上白糖

50g

15ｇ、ゼラチン2.5g

作り方① 米ゲルをジプロック（袋）で秤量し、湯煎（90℃、
図9

温水抽出画分から分別調製したアミロペクチ
ン主鎖の鎖長分布10分間）する。
② ①に上白糖を加え混ぜる。
③ ボウルに牛乳を入れ加熱。

3.4 米ゲルの澱粉構造と物性の関係
米ゲルの物理的特性と澱粉の分子構造との関係を温度が80℃以上になったら、ゼラチンを入れ混ぜる。

みた場合、老化させた米ゲルの破断強度と温水抽出④ ②に③を少しずつ加え、よく混ぜる。

物中のアミロース含量との間に、比較的高い負の相⑤ 容器に移し、常温になったら4℃で2時間冷やす。

関が認められることがわかった（図10）。

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 20205

3.5.3 チョコレート風ココアゲル
材料

米ゲルの食品加工利用に際しては、特許実施許諾を受ける必要があるため、国立研究開発法人農研機構

米ゲル（ミズホチカラ、4倍加水）100g

食品研究部門（食品総合研究所）にご相談をお願いし

ココア

ます。

10g、砂糖30g

作り方① 米ゲルを80 ℃湯煎し糊化させ

参考文献

る。
② ①を秤量し、ココアと砂糖を加え、フードプロセッサーで攪拌して混ぜる。

1）杉山純一，蔦瑞樹，柴田真理朗，富田かおり，米加工
素材の製造法，特許第 5840904 号，2015/11/20
2) 杉山純一．ダイレクトGel転換による食品素材「米ゲル」と加工食品への応用．食品と容器 特別解説，56，

3.5.4 米ゲル麺
材料（2 人分）
米ゲル（ホシユタカ、2 倍加水）100ｇ
米粉（パン用米粉）70ｇ、水 5 ㏄
作り方① 大きめのボウルに米ゲルを入れ、細かくする。
② ①に米粉を入れ、米ゲルと一緒にかき混ぜ、固まりがなくなるようにする。
③ 米粉とゲルがなじんできたら、生地を集めてこねて生地を作る。
④ まとまったら、生地が乾かないようにして手粉を使って厚さ 3－4 ㎜程度に麺棒で伸ばす。
⑤ 生地を折って重ねて、適当な幅で切る。
⑥ 大きめの鍋にお湯を沸かし、沸騰したら 5 分程
度茹で、茹で上がったら冷水につけて冷やす。

772‒778，2015
3）橋本厚治，米Gel製品ライスジュレ（白米・玄米）の製造と販売，「食品加工総覧

素材」第9巻追録15

号，一般社団法人農山漁村文化協会，東京，pp.86-1310～86-13-16，20184) 柴田真理朗，杉山純一，藤田かおり，蔦 瑞樹，吉村正俊， 粉川美踏，荒木徹也，撹拌処理による高アミロ
ース米のゲル物性の変化，日本食品科学工学会誌，59,220-224, 20125) 藤田かおり，平野由香里，鈴木洋子，柴田真理朗，粉川美踏，松山信悟，杉山純一，Trivittayasil, V., 蔦瑞樹，高速せん断加工によりゲル化した米の添加が食パンの比容積と物性に及ぼす影響．第239回日本作物学会講演会要旨集，230, 20156) Y. Takeda, A. Suzuki and S. Hizukuri, Influence

４.

要 約

of steeping conditions for kernels on some properties of corn starch. Starch, 40, 132-135, 1988

(1) せん断時間を変化させた米ゲルを米粉パン生地

7) Y. Takeda， S. Hizukuri and B.O. Juliano, Purifiに添加して評価を行った結果、せん断時間の長-cation and structure of amylose from rice starc-

いゲルを添加したパンほど、高さおよび比容積、

h. Carbohydr. Res., 148, 299-308, 1986

高さと比容積は増加した。

8) I. Hanashiro, M. Tagawa, S. Shibahara, K. Iwata(2) せん断時間の異なる米ゲルの付着性とRVA粘度

and Y. Takeda, Examination of molar-based distrib

は、せん断5分までは大きく低下するが、それ以-utions of A, B and C Chains of amylopectin by fl

降の変化は小さかった。

-uorescent labeling with 2amynopyridine. Carbohyd(3) 米ゲルの温水抽出では、せん断時間が長くなるほど抽出されるアミロース量が低下する傾向が認められた。

-r. Res., 337, 1208-1212, 20029) 森 孝夫,「食品加工学実験書」，化学同人，京都，pp.
22, 2010(4) 温水抽出された澱粉中のアミロペクチンの主鎖

10) 山本和貴，中浦嘉子，藤田かおり，川崎明恵，廣瀬は3分せん断までは増加したが、それ以降、せん

美佳，杉山純一，井ノ内直良，米澱粉ゲルの剪断加工

断時間を延ばしても増加はみられなかった。

における澱粉分子の切断，応用糖質科学，5，B37,(5) 老化させた米ゲルの硬さと温水抽出物中のアミロース含量との間には負の相関性が認められた(6) せん断時間を長くするとアミロースネットワークの形成が進行し、その進行やせん断初期に起こるアミロ
ペクチンの低分子化が米ゲルの物性に影響を及ぼしていると推察された。

6【論文】米ゲルの特性と利用に関する研究

201511) 峯田絵理，宮中宏暢，水上浩之，花城勲，剪断時間の異なる炊飯米ゲルの物理的特性と澱粉構造との関係，応用糖質科学，9，B38, 201912) 松木順子，米ゲルの特性解析と利用について，日本
調理科学，53，No.1, 53-56，2020

次世代産業に適応する機械要素技術の高度化に関する研究- 生栗の一次加工の機械要素の開発 甲斐 彰*、村井 満**、山口 良一*、百田 寛**、斎藤 幸雄***

ものづくり室（現：技術交流企画室）、** ものづくり室

Improvement of Mechanical Element for Advanced Industries-Development of a Mechanical Element for Chestnuts Primary process KAI Akira*, MURAI Mitsuru**, YAMAGUCHI Ryoichi*, MOMOTA Hiroshi** and SAITO Yukio**
本研究では食料品関連が熊本県の工業の大きな割合を占めていることに着目し、この業界が今後も地場産業をけん引すると考え、食品加工における生産性向上および付加価値の向上に資する機械装置の開発に取り組んだ。ここでは栗の加工を例に不定形な加工対象の加工を高効率、低コストで実現できる機械要素の開発を目的に、工業計測や数値解析、デジタル技術による検討を行うとともに、実用性を重視した実験機を設計製作し、機械要素について検証を行った。

１． はじめに

一方、農産品については海外からの輸入量が増加
し、国内の各地域では価値の高いもので対抗せざる

日本の総人口減少と高齢化社会の到来、健康志向

を得ない状況になっている。熊本県では、栗の出荷から来る食事制限療法の流行などは、加工食品・飲量が全国トップレベル3)にあるものの、中国・韓国か料の消費量の低下に影響すると予測されており、中らの輸入品との競争を強いられている。しかも、他1)

小企業が多い食品加工機業界 は今後も競争が激化
2)の農産品と同じく、生産者の高齢化、栽培面積の減するものと考えられている 。農産県である熊本県

少の課題を抱えており、高い付加価値を与える加工においても、食料品は事業所数および従業者数が県の開発が望まれている。栗加工品のうち、ポリフェ

内工業の構成比の第１位であり、その数は桁違いにノールを多く含む渋皮（図2）を残したものは高級菓多いことから（図1）、平均的な現金給与額は他業種

子の素材として高い価値を有している。しかしながよりも低くなるため、競争力の確保や付加価値の向ら、素材として生栗は形状や品質が一定ではなく、上は大きな課題である。さらに、小人数の事業所が渋皮の傷が許されない、いわゆる難加工であるため、多いことから、高額な設備投資は容易ではないこと

コストの観点による理由も含めて加工機の発展は遅が想定される。

れている。

図 1 熊本県の工業（平成 29 年工業調査結果（確定版）より著者作成）

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 20207こうした状況に鑑み、小規模かつ、不定形な農産②の栗は鬼皮が裁断する前に内部の実が潰れている。

物の加工の安定化が、食品加工における高付加価値

この結果より、鬼皮だけを加工する場合は過剰な押化につながる機械要素の高度化の一つの方向である

し込みを防ぐために変位制御方式を用い、上記①のと見据え、本研究では工業計測および各種デジタル

ような剛性が高く明瞭な破断挙動を示す部位を対象技術の適用の試みと、実験による機械要素の検証をとすることが最適と考えられる。

行った。

渋皮

鬼皮

図 3 X 線 CT による内部構造の観察・測定
図2 生栗の皮
具体的には、不定形な栗に対して高効率、低コス②

トで加工を実現できる機械要素の開発を目的に下記の項目を実施した。加工原理を見出すために工業計
測により加工物となる生栗を定量的に評価し、複数③の加工プロセスについてデジタル技術による検討を①行った。さらに、これらの結果から着想した実用性(a)刃物との位置関係重視の装置を設計製作し、機械要素について実験検証を行った。
２．実験
2.1 工業計測による加工物の評価①①

2.1.1 X 線による生栗の内部観察
図3にX線CT（TESCO社TXS320-ACTIS）による生栗の③測定例を示す。鬼皮の厚みは均一ではなく、外観か②

らは識別できないが極端に厚い部分がある。また、
鬼皮と渋皮が密着している部位やmmオーダーの隙間が局所的にあり、これらを外観から判断することができない。

(b)荷重-変位曲線

2.1.2 生栗の鬼皮の破壊挙動の計測
鬼皮を刃物で破壊するときの荷重－変位の挙動を評価するために、図4（a）左図に示すように万能試①②

験機に木工用鉋刃を取り付けて測定を行った。同図
右に示すように、栗の固定姿勢や方向を変更して負荷試験を実施したところ、図4(b)①～③に示すように、挙動の違いは3つのグループに大別できた。すな
わち、①剛性が比較的高く、かつ破断の挙動が明確(c)鬼皮の破壊時の状況なもの、②小さな力で変形が進むもの、③上記二つの中間的挙動を示すもの、である。上記の①と②について、鬼皮が破壊した時の状況を図4（c）に示す。

8

図4 万能試験機による鬼皮の破壊挙動の調査【技術資料】次世代産業に適応する機械要素技術の高度化に関する研究2.2 デジタル技術を用いたプロセスの検証
2.2.1 回転刃物式剥離プロセスの検証
大量の栗の皮を剥く装置は、一度にたくさんの栗を容器内に投入し、その底部に設置した刃物を回転させて皮を削りとる機構が一般的である。刃物の形状や栗への加圧 4)、あるいは投入量により、加工量(a)初期状態を調整しているものの安定した加工の実現は難しい。
そこで、機構解析ソフト（Algoryx Simulation AB 社
Algoryx Momentum）を用いて、加工中の栗の挙動を調査した。投入する不定形の栗を再現するため、３Ｄ ス キ ャ ナ （ Carl

Zeiss

Optotechnik

GmbH

COMET6-16M）を用いて栗をデータ化し解析に用いた（図 5）。胴の高さ 100mm、刃物盤回転数 600rpm、刃(b)刃物盤回転時

物高さ 1mm とし、栗の充填量を 6、20、40 個の条件
で 10 秒程度の挙動を解析している。図 6(a)（b）に解析における初期状態と、運転中のものをそれぞれ

図 6 機構解析よる容器内の栗の挙動示す。少ない量では回転盤の動きで栗が上方に弾かれ、ほぼ常に飛び上がっている様子が見られる。このため、刃物に当たる確率が低いため、加工は進みにくいものと思われる。図 7 に 40 個投入した時のNo.25

代表的な 3 つの栗の動き（刃物からの高さの変化）を示す。重心位置が代表値となるため 0.02m の位置が底付きした状態であり、さらに底にある栗が刃物No.37に接触するのは低い確率となる。この図に示される
ように刃物に当たる頻度・時間は一様でなく、長いもの短いものが存在する。前者は加工量過大となり、

No.40

後者はほとんど加工されないことを意味する。また、上下の栗の入れ替わりが均一にできていない。これを検証するために、市販の円盤型砥石研磨機を改造し、刃物盤を取り付けて検証した（図 8）。個数が少ない場合は栗が弾き飛ばされ加工効率が悪く、多い
場合は不均一な加工となり、機構解析の結果を裏付

経過時間(s)

図 7 40 個投入した栗の中の 3 個の z 位置変化

けるものとなった。
これらの結果から、効率の良い加工のためには、栗に刃物に押し付けるための力と、一様な加工時間が必要であるが、これらは投入量とトレードオフの関係であるうえ、栗が不定形であるために制御は困難である。

図 8 回転刃物式剥皮装置（試作）

図 5 3Ｄスキャナによる栗のデジタルデータ化

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 2020

9

2.2.2 レーザー式鬼皮傷入プロセスの検証
栗を 1 個ずつ剥皮加工する装置に、ぽろたん（良渋皮剥皮系ニホングリ品種）に特化したものではあるが、国立研究開発法人 農業・食品産業技術総合研究機構が開発したもの（樋野電気工業有限会社より
ぽろたんカッターHS-201 として市販）5)がある。これに倣い、コスト面で不利ではあるが鬼皮に傷入れ(a)画像処理システム概略を行うためにファイバーレーザー（JK Lasers 社
JK200FL）を用いて加工した事例を図 9 に示す。出力を可能な限り落とし、表面より離れた位置にデフォーカスさせたものの、渋皮に焦げ跡が生じたことから、レーザー走査中に焦点位置の厳密な制御が必要であることが判る。したがって、レーザーを含む多軸制御汎用加工機で加工するためには、不定形な栗の寸法形状データ取得が必須となる。

(b)画像処理フロー

図 9 レーザー加工機による鬼皮の傷入
2.2.3 画像処理による形状データの取得
前述の傷入れ加工は、栗の輪郭形状のうち限定的な範囲を把握すればよい。そこで、高速に寸法形状を取得するために廉価な CCD カメラ（Logicool 社(c)画像処理システムの画面

C920r；画素数 1920×1080）と画像処理を用いた計測システムを試作した。システムの概略と画像処理

図 10 栗の寸法形状を測定する画像処理システム

フロー、測定事例の画面を図 10（a）～（c）に示す。
画像処理プログラムの開発環境には Microsoft 社

2.2.4 画像処理を組み込んだ加工準備プロセス

Visual Studio Community 2017、画像処理ライブラ

多軸加工機の利用において、加工対象の姿勢制御

リには OpenCV3.4 を使用した。R、G、B 値のうち栗は加工効率の向上に資する。そこで、上記の画像処のコントラストが明瞭に得られた B 値が輪郭の抽出

理によって得られたデータを用いて、栗の長径を任に適しており、これを 2 値化した。また、投射照明

意 の 方 向 に 向 け る 簡 易 的 な シ ス テ ム を 、 Field

による栗の影は画像処理で除去することができない

Programmable Gate Array(以下「FPGA」という)を用ため、床面に白色光源（Moritex 社 MEW-5370LE）をいて試作した（図 11）。一般的に FPGA を利用する目設置している。ノイズを除去するために、粒子解析

的として、小ロットでも廉価であることと、外部かによって最大のものを栗として特定する。栗の姿勢

らの解読困難性（リバースエンジニアリング防止）を把握するため、Harris corner detector を用いが挙げられる。図 10(a)のシステムに、FPGA ボード

ることにより、先端を検出することができ、先端と（Terasic 社 DE10-Lite）とステッピングモーター

画像重心を結んだ軸を求めることで方向を特定でき（ST-42BYH1004）、モーターIC（TI 社 DRV8835）を加る。なお、画像処理は検査工程でも利用することがえ、選択した向きに栗を回転させる姿勢制御を行っ6)で判断されることた。なお、FPGA ボードにはインテル社 MAX10 が搭載から、上面からの画像を用いて、軸の垂線を基準と

さ れ て お り 、 開 発 ソ フトウ ェ ア に は イ ン テ ル 社

した最大幅を求める方法も考えられる。

Quartus Prime 17.1 を使用した。図 11(b)に無造作

でき、栗の大小区分は果の長径107)【技術資料】次世代産業に適応する機械要素技術の高度化に関する研究

に配置された栗を画像処理し、軸の傾きと突起の位置から画面中で上部を向くよう回転させた事例を示す。図中央はカメラの画像を逐次表示しており、同図右側の写真は動作完了後の画像である。栗は接地面が曲面で摩擦抵抗が少ないことから慣性力の影響で意図しない方向を向くことがあった。また、遠心力が作用するため回転速度の調整に制御が必要であった。このように、効率化のためには制御だけではなく、接地面の材質など物理的な条件にも工夫が必図 12 鬼皮の加工による可食部への影響要である。
本研究では、想定される装置ユーザーの安全性や要求される処理能力（速度や量）、装置の信頼性とコストを勘案し、なるべく電子制御等に頼らず、機構が簡素な機械要素の開発を目指した。図4（b）の①の荷重‐変位曲線に見られるポップインが示すように、鬼皮の部分的な破壊に必要な荷重は同曲線の最大値よりも小さくて良く、その時の変位量も少ない。
（a）姿勢制御システム

さらに、工具を振りぬく必要がないことから、工具は往復運動で加工を実現できる。この方式であれば、穿孔に必要な力は加速度と栗の自重で発生させることが可能であり、上に錘を載せることで自在に荷重を増やすことができる。
2.3.2 機械要素の試作と検証（b）姿勢制御実行画面
図 11 画像処理システムと FPGA による姿勢制御

量産用機械の設計製作を見据えて、プロセスのス
ケールや補機類との接続などに融通性を持たせることを目的とするため、実験検証は中心となる機構の作用のみに絞った機械要素の検証を行う。

2.3 実用的なプロセスの機械要素の開発

図13に試作した刃物付き容器の概略を示す。加振機構には振動モーターを利用し、ばねによる保持で2.3.1 ユニークなプロセスの検討

8G（80m/s2）程度の加速度が得られる。この加速度がこれまでの結果から、鬼皮は加工工具を当てる位

容器本体にも付加されるため、振動により発生する置や荷重によって破壊の難易度が変わること、不定応力に耐えられるよう剛性確保と慣性力低減の両立形であるために破壊に必要な荷重や変位の値は一定

を目的に全体の大きさは小ぶりなものとしている。

ではないことが明らかとなっており、これらが加工

容器底に取り付けた穿孔用工具は、木工用の帯鋸をあるいはハンドリングの難易度を上げていることが利用している。歯底（刃の間にある平面）の部分がわかる。また、直線的な刃物（2.5次元加工）では、栗の表面に接触することで、刃先が渋皮直前で止ま

図12左側に示すように、曲面で構成する栗の可食部

る物理的なリミッターとして作用する。

まで切除する。そこで、ゆで卵の殻剥きをヒントに、

図14(a)に、栗を充てんした状態の写真を示す。振指で鬼皮の引裂きが容易にできるよう図12右下のよ動加速度8Gにおいて、栗の自重では穿孔ができない

うに多数の穿孔（1次元加工）を施し、鬼皮のみ剛性ため錘が必要であった。また、複数個の栗を投入し（あるいは硬さ）を下げるとともに繊維等の連続性

た場合、錘に当たらない栗は刃物への押し付け力がを断ち切る加工を目指した。穿孔加工ならば、渋皮得られないため、剥皮できない加工ロスが発生する。

に工具が到達しても傷が目立たず、渋皮付き生栗の図14(b)に穿孔後、手作業で鬼皮を剥離しているもの

製品としての品質には影響しない。さらに、鬼皮のを示す。穿孔された箇所は栗の先端側が多く、ここ穿孔位置はランダムでよいため、精密なハンドリンから鬼皮を割り進めることができる。

グや位置決めは不要となる。

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 202011

に気づきを与える重要な役割を果たすことが検証できた。これらによって、従来とは異なるアプローチの加工法のアイディアが導出することができた。加えて、これらの情報から機械要素を設計し、製作した実物を用いて検証することにより、安全性や保守性といった量産用機械装置が具備すべき性能について検討を行うことができた。デジタルとフィジカルが融合したこの一連の流れは、小ロットかつ廉価な機械装置の開発における一つの手法となると期待さ
れる。
(a)外観

(b)動作概略

図 13 加振型穿孔用の刃物付き容器

本研究の取り組みは、令和元年度産業技術連携推進会議 九州・沖縄地域部会総会公設試研究者招待講演（令和元年9月27日）にて公表されています。また、県内企業で導入・活用を目的に技術普及講習会「Visual C#と画像処理入門」（平成31年3月7日）を開催
し取り組み内容の一部を公表しています。
なお、本研究は競輪の補助を受けて導入した機器（島津製作所 オートグラフ；平成25年度導入）を用いました。

(a)容器に充填して状態(b)剥皮後図 14 ランダム穿孔による鬼皮の加工
参考文献
３． おわりに
1) H30年工業統計調査

本研究では、小規模な事業所の生産性や製品付加価値を向上させる加工装置の開発において、工業計
測およびデジタル技術の適用、目的を絞った機械要
素での実験といった手法および手順を実践したものである。
熊本県の特産品である栗を加工対象として選定し、高付加価値が得られる渋皮付き生栗を得るために、

2) sheetmetalましん＆そふと,2016年3月号,pp.6-93) 農林水産統計,平成30年くりの結果樹面積、収穫量及び出荷量（平成31年4月2日公表）
4) 多加充彦

古本達明

嶺蔭士朗、能登栗の皮むき省力化機器の開発、石川県工業試験場研究報告,

Vol.54、pp.研究 02,2006
5) 農林水産省 農林水産技術会議事務局 研究推進課,新鬼皮の剥皮装置の機械要素開発を行った。不定形でたな農林水産政策を推進する実用技術開発事業

ある生栗に工業的計測を適用することによって、形紹介2011、pp.8

研究状以外に難加工となる要因を見出すことができた。

6)Chris Harris and Mike Stephens, A combined corner

また、CAEによる機構解析およびデジタル測定技術を

and edge detector, In Proc. of Fourth Alvey Visi

用いた検証により、従来の加工における効率を阻害

on Conference, pp.147-151, 1988

する因子を抽出することができた。これらの技術は

7) 農林水産省農産園芸局, 果実の全国標準規格, 1997

現実を再現するものではなく、装置設計や改良の際

12【技術資料】次世代産業に適応する機械要素技術の高度化に関する研究食品周辺産業支援に関する技術開発-シルクパウダーの工業的用途創出に向けた取組み百田 寛*・甲斐*彰**・齋藤 幸雄*

ものづくり室、** ものづくり室（現：技術交流企画室）

Technological Development for Support of Food-Related Industries- Approach for Industrial Applications of Silk Powder MOMOTA Hiroshi*,KAI Akira** and SAITO Sachio*
本研究は、2013年より熊本県が立ち上げたフードバレー構想の一環で実施したものである。熊本県産業技術センターでは、県産農産物であるシルクに着目し、その素材の強靭さと天然素材ならではの環境負荷の少なさを活かした、新たな用途創出に取組んだ。ここでは、シルク粉末-エポキシ樹脂複合材料を作製し、その引張強度を調査したところ、シルク粉末を樹脂に対して適切な割合で複合化した場合は、複合化しない樹脂のみと比較して3倍近くの強度を得ることができた
ため、樹脂の強化材として十分に機能することがわかった。現在、SDGsを背景として急激に需要が伸びている生分解性プ
ラスチックをはじめとするバイオプラスチックに注目が集まっており、その強化材として十分応用が期待できるとともにシルク粉末の性状及び隠ぺい性の高さを考えると塗装の下地材など他の応用も考えられる。

１． はじめにとしての利用や保湿効果を期待した化粧品への配合等の新しい用途が続々と開発され、注目が集まって熊本県は、2013年3月に県南地域（八代地域、水俣・いる素材である。一方、工業的な用途に目を向けて

芦北地域、人吉・球磨地域）の食品・食品関連産業

みると現在実用化されているものは、筆者が調べたの活性化を図る目的で「くまもと県南フードバレー

範囲にはない。しかしながら、世界的な潮流である構想」を立ち上げた。その構想は、県南地域の豊富

SDGs を背景として、世界各国が従来型の生産・消費・な農林水産物を活かし、6次産業化や農商工連携の促

廃棄からの脱却を図っている中、生分解性であるシ

進により、地域内の農林水産物の高付加価値化を図

ルクの工業材料としての可能性を調査する意義は大るとともに、食品・バイオなどの研究開発機能や企きいと考える。これまで他の研究グループにおいて、業を集積させる「フードバレー」の形成を推進する

PP 樹脂の強化材としてシルク繊維やシルクの織物ことで、県南地域の活性化を目指すために策定されを用いて複合化した例が報告されている 1)～3)。

たものである。

本研究では、作業性や保管性を重視し、さらに安当センターでは、食品加工技術室を中心に県産農定的な品質管理が行いやすいプロセスを想定して、産物等の新たな用途開発や農業と食品産業及び食品

シルクを粉末化することを目的にしている。また、周辺産業相互の連携を強化して地域産業の振興を目

その粉末を用いて、シルク粉末-樹脂複合材料を作製的とした研究を行った。ものづくり室においても、し、その機械的特性の調査を実施した。

県産農産物の新しい用途開発として、天然素材であるシルクについて、その工業的用途に関する開発を

２．シルク粉末について実施した。
シルクは、蚕の繭から作られるものだが、本県に2.1 シルクの一般的特性について

おいては、三四半世紀前まで広く養蚕が行われてい天然由来の繊維は数多くあるが、複合材料におけた。しかし、第二次世界大戦後に化学繊維の急速なる強化材として利用されたり、検討されたものは、普及によって、絹繊維の需要が激減し、養蚕は急激

麻や綿で代表される植物由来のセルロース系繊維でに衰退してしまった。ところが、昨今の健康や美容ある。シルクやウールのような動物由来のタンパクブームの影響もあってか、良質なタンパク源として、質系繊維を対象とした研究は非常に数少ない。これ

無菌環境で産出された繭を原料としたサプリメント

は、セルロース系繊維に対してタンパク質系繊維が熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 202013

劣っているということではなく、図１2)に示すようにシルク繊維の強度は、セルロース系繊維と比較して同等か若干低めではあるが、非常に伸びが大きく
柔軟性に富んだ材料であり、複合材料化した際もセルロース系繊維では得られない特性が発現する可能性を有している。

2.2 形状及び外観
天然繊維を用いたマトリクス材の強化法として、
長繊維を一方向に配列して方向性を持たせて強化す
る方法、あるいは本取組みのように短繊維をランダムに配置して等方的に強化する方法 6）7）、さら繊維

またシルクの構造は、図２に示すように２本のフを用いて織物を作製し、その織物とマトリクス材をィブロインとその周りを薄く覆っているセリシンよ複合化させたテキスタイルコンポジット 8）による強

り成る

3)

。セリシンはアスパラギン酸、グルタミン

酸、セリン、チロシンといった親水性のアミノ酸残基で大部分占められており 4)、フィブロインはグリ化法についても報告されている。前述したとおり本
研究では、作業性、保管性及び品質の安定性を考慮

シンやアラニンといった疎水性のアミノ酸残基を多し、図３に示すようにシルク繊維が 100 µm 以下の短く含む。さらにセリシンは多層構造となっており、繊維になるように粉末化したものを強化材として用内外層で異なる性質を持っている。現在、セルロー

いている。また繊維の剛性を保つために精錬前の生ス系繊維を強化材とした熱可塑性プラスチックが実糸に対して粉末化を行った。

用化されているが、マトリクス材は疎水性であるが繊維は親水性のため、そのままの状態では密着性が

図４に短繊維化したシルク粉末の反射率（SCI 方

悪いという問題を抱えている 5)。そのため、シルク式）を示す。目視では、粉末は白色に見えるが、正の特異な構造により、マトリクス材との密着性や含反射を含んだ反射率が低波長側が落ち込んでいるこ

浸性についてセルロース系繊維とは異なる性質を示とにより、素材自体の色味としては僅かに黄色味がすものと期待される。

かっているとわかる。

図 1 各種繊維の引張試験結果

図 2 シルク繊維の構造

14 【技術資料】食品周辺産業支援に関する技術開発

図３ シルク繊維の走査型電子顕微鏡写真

図４ シルク粉末の外観とその反射率（SCI 方式）

３． シルク粉末-樹脂複合材料について
シルク粉末-樹脂複合材料の作製方法について以下に示す。まず図５に示す JIS K7127 に準拠した試
験片形状(タイプ１B)の雌型を作製した。次にマトリクス材となる透明度の高いエポキシ樹脂（ストルアス社製エポフィックス）にシルク粉末を混合し、十分に攪拌の後、真空脱泡処理したものを雌型に流し込むことによって成形を行った。ここで、シルク粉

図５ 成形した引張試験片の形状

末の樹脂に対する混合比率は、重量換算で10%,20%,40%とシルク粉末が含有していないものを含めて４種類を準備した。それぞれの成形体につい

40%

20%

10%

0%

て引張試験に影響を及ぼすような気泡や内部亀裂等の欠陥がないかマイクロフォーカス X 線 CT を用いて検査を行い、上記のような欠陥がないことを確認した。
作製したシルク粉末-樹脂複合材料の外観と片持ち状態にした際の写真を図６に示す。シルク粉末の混合比率が増につれて黄色味が濃くなっており、このことは図４に示したシルク素材自体の色味を反映しているものと推察される。また片持ち状態の写真
では、シルク混合比率が未混合から 20％までは、混合比率が高くなるほど複合材料の撓み量が減少して

40%

10%

20%

0%

図６ シルク粉末-樹脂複合材料の外観(左)及び片持ち状態時の写真(右)いることから、剛性の向上がみられる。混合比率が40%のものについては、撓み量が大きくなり、剛性が低下していることがわかる。このことについては、
マトリクス材として用いたエポキシ樹脂は 2 液硬化型であるが、その樹脂に対してシルク粉末が過多であったため、液の流動性が低下し、十分に２液の混合が行えず、樹脂が十分硬化できなかった可能性が高いと推察している。
次に、実施したシルク粉末-樹脂複合材料の引張試

未混合

験結果を図７に示す。シルク粉末が未混合のものは、8MPaの引張強度であったのに対して、混合比率10%、
20%、40%のものは引張強度がそれぞれ17MPa、21MPa、8MPaであり、未配合のものと比較して混合比率10%のもので2.1倍、混合比率20%のもので2.7倍の引張強度を得た。混合比率40%のものについては、未混合のものと同等の引張強度であり、さらに伸びについては
半分にも満たないという結果であったが、これらのことは前述したエポキシ樹脂の硬化不足が要因でな
いかと思われる。したがって、樹脂に対して適切な混合比率で複合材料化する必要があるが、適切な混合比率であれば、シルク粉末が未混合のエポキシ樹脂と比較して、3倍近くの引張強度を有し、かつ高い剛性を発現できることがわかった。

図７ シルク粉末-樹脂複合材料の引張試験結果
４． 総括作製したシルク粉末-樹脂複合材料における引張試験結果から、粉末化したシルクが強化材となり、シルク粉末が未混合の樹脂単体と比較して最大 2.7倍の引張強度を得ることができた。現在、樹脂の強化材として最も一般的に用いられているガラス繊維

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 202015

強化プラスチックは、ガラス繊維の融点が高いため

2) 香取重尊, 木村照夫：絹繊維を強化材とする熱可塑性に焼却の際に炉を傷めてしまうという問題がある。

複合材料の射出成形, 繊維機械学会誌, Vol.56, No.

そのため、今回の結果は、シルク粉末-樹脂複合材料

10, pp.409-413 (2003)の新たな工業的用途の可能性を示すことができた。

3) T. Kimura, H. Ino, K. Hanada and S. Katori, ‟特に、生分解性プラスチックをはじめとしたバイオ

Effect of Sericin on Mechanical Behavior of

プラスチックをマトリクスとした複合材料化についComposite Material Reinforced by Silk Wovenては、リサイクルをはじめとするプラスチックの資Fabric”, Seikeikakou, Vol.22, No. 5, pp.251-258

源循環システムとの調和性が非常に高いために、今(2010)

後大きく用途拡大が進むことが期待される。また、

4) 伊藤武男：絹糸の構造,76（1957），千曲会出版部

シルク粉末の性状と複合化した際の樹脂の隠ぺい性

5) K. Okubo, H. Takagi and K.Goda,‟Greenの高さに着目するならば、塗装の下地に用いるプラ

Composites’ Research and Today’s Progress”,

イマーとしての活用も有用でないかと考える。さらJournal of the Society of Materials Science,に樹脂とシルク繊維の複合化の際、繊維を樹脂表面

Japan, Vol. 55,No. 4, pp.438-444 (2006)に出すことで、塗装作業における重要な品質問題の

6) H. Takagi and Y. Ichihara, ‟Effect of fiber

ひとつである塗装剥がれに対し、この抑制を目的と

length on mechanical properties of ‟green”

したアンカー層を形成できる可能性もあり応用拡大

composites using a starch-based resin and shortが期待される。

bamboo fiber ”, JSME International Journal
Series A, Vol. 47, pp.551-555 (2004)

参考文献

7) M. Kitagawa and A. Kai, ‟Observation of crack
growth in PMMA with a low short glass fibre

1) K. Shigetaka and T. Kimura, ‟Mechanical
Properties of Injection Molded Silk

content by optical interferometry”, Journal of
Material Science, Vol. 33, pp.4569-4579 (1998)

Fiber/Polypropylene Composites”, Journal of the8) R. Nakamura, H. Nomura, K. Goda, J.Noda and J.

Textile Machinery Society of Japan, Vol. 55, No.8

Ohgi,‟Effects of Fabric Density and Yarn Twist(2002)

on Mechanical Properties of Textile Green
Composites”, Journal of the Society ofMaterials Science, Japan, Vol. 58,No. 5, pp.382388 (2009)16 【技術資料】食品周辺産業支援に関する技術開発

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Contents lists available at ScienceDirectThin Solid Films
journal homepage: www.elsevier.com/locate/tsf

Totally-organic near-infrared shielding materials by conductive cellulose
nanoﬁbers

7⁎

K. Yoshidaa,c, S. Nagaokaa,b,c, , M. Horikawaa,c, H. Noguchib, H. Iharab,caKumamoto Industrial Research Institute, 3-11-38 Higashi machi, Higashi-ku, Kumamoto 862-0901, Japan
Department of Applied Chemistry and Biochemistry, Kumamoto University, 2-39-1 Kurokami, Chuo-ku, Kumamoto 860-8555, Japanc
Kumamoto Institute for Photo-Electro Organics (PHOENICS), Higashi-ku, Higashi machi 3-11-38, Kumamoto 862-0901, Japanb

A R T I C LE I N FO

A B S T R A C T

Keywords:
Shielding materials
Cellulose nanoﬁber
Cellulose sulfate
Conductive polymer
Near-infrared shielding
Double-paned glass
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)
Coating

We synthesized poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) thin ﬁlms by using a microcrystalline sulfated cellulose nanoﬁber (s-CNF) dopant. Speciﬁcally, we examined the ratio of EDOT monomer and CNF dopant, thequantity of initiator for the monomer, and the pH during polymerization. By doing so, we produced a PEDOT/sCNF thin ﬁlm with a conductivity that is 700 times higher than commercial simple PEDOT/polystyrene sulfonate(PSS) without adding agent. The optical adsorption of PEDOT/s-CNF thin ﬁlm in the near-infrared (NIR) range(700–2000 nm) increased in accordance with the electrical conductivity increased. We estimated the visible light(380–700 nm) and NIR (700–2000 nm) transmittance τ by multiplying the spectral transmittance τ(λ) andweighting coeﬃcients (Eλ•Δλ), and taking the weighted average. Although the τvis of the optimized PEDOT/sCNF thin ﬁlm with the highest conductivity remained at 85.0%, the τNIR decreased to 69.8%. We dispersed the
optimized PEDOT/s-CNF in the polyvinyl alcohol aqueous solution and coated the polymer onto a glass plate toprovide NIR shielding. By testing the PEDOT-coated glass by irradiation with simulated sunlight, we conﬁrmedthat the ﬁlm suppressed the temperature rise.

1. Introduction
Near-infrared (NIR; 700–2000 nm) light accounts for half of theenergy in solar radiation [1]. NIR irradiation increases the temperatureinside cars, buildings, and other structures, such that they consume
more energy for air conditioning. However, increases in energy consumption contribute to global climate change. Thus, to suppress suchtemperature increases, researchers must develop materials and techniques that shield structures from NIR light.
Various materials have been reported to show NIR-shielding properties, including 1) metal oxides (NIR absorbing) such as tin-doped
indium oxide (ITO) [2–4], antimony-doped tin oxide (ATO) [2,5], andcesium tungsten oxide (Cs2WO4) [6,7]; and 2) metals (NIR reﬂective)
such as Ni, Ag, and Au [2,8–10]. In particular, thin ﬁlms of ATO, ITO,
and Cs2WO4 have attracted much attention because they show both
high transmittance in the visible light range as well as high NIR opticalabsorption [2–4,7]. However, the uses of ATO is limited because antimony is harmful to the human body [11,12]. Indium and cesium areproblematic because they are rare metals. Supply is limited because
these metals are in high demand for them as raw materials to produce
transparent electrodes and terminals of liquid-crystal displays, solar⁎

panels, organic light-emitting diodes, and touch panels. Additionally,
thin ﬁlms of these inorganic materials are rigid and inﬂexible, limiting
their applications [13]. Researchers have recently used conductive
polymers for NIR shielding [14–16]. Among these polymers, poly(3,4ethylenedioxythiophene) (PEDOT) is a totally organic material thatabsorbs NIR light [14,15], and has been most attractive for use in solar
cells, LEDs, and thermoelectric devices [17–21]. PEDOT thin ﬁlms are
simpler and cheaper to form than inorganic thin ﬁlms because one canprepare the former at atmospheric pressure. An additional advantage isthat the polaron and bipolaron of PEDOT have NIR optical absorption
bands [22,23], and enhance the electric conductivity of PEDOT. In
other words, one can increase the NIR optical absorption of PEDOT in
accordance with the conductivity [24,25]. PEDOT is generally dopedwith polystyrene sulfonate (PSS). Recently, researchers increased the
conductivity of PEDOT/PSS ﬁlms by adding polar organic compounds
to the PEDOT/PSS aqueous dispersion [26,27], and by exposing the
PEDOT/PSS ﬁlm to water vapor [28]. A chain transformation from thebenzoid to quinoid structure occurs when a polar organic compoundpromotes PEDOT crystallization [26,27]. In the present paper, we usedsulfated cellulose as a dopant for the following reasons: 1) it has hydroxyl groups in glucopyranose residues; 2) it has linear rigid chains

Corresponding author.
E-mail address: nagaoka@kmt-iri.go.jp (S. Nagaoka).

https://doi.org/10.1016/j.tsf.2020.138221
Received 28 February 2020; Received in revised form 5 June 2020; Accepted 6 July 2020
$YDLODEOHRQOLQH-XO\
(OVHYLHU%9$OOULJKWVUHVHUYHG

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 2020

17

7KLQ6ROLG)LOPV  

K. Yoshida, et al.

composed of β (1g4)-linked glucopyranose residues; 3) PEDOT molecules align around the rigid linear chains of cellulose; and 4) one canreadily incorporated sulfated groups into cellulose can be easily controlled by using chlorosulfonic acid. Furthermore, the crystallinity of
the cellulose structure inﬂuences the conductivity of PEDOT. Doping
PEDOT with microcrystalline cellulose sulfate increases its conductivity
more than doping with amorphous cellulose sulfate [29].
Previously, we used cellulose sulfated from bulk cellulose (pulp) as
a dopant [29]. However, this pulp often sulfated inhomogeneously. In
the present study we used a cellulose nanoﬁber, with a homogeneous
microstructure, as the starting material. To produce a PEDOT thin ﬁlm
with higher conductivity than what has been previously reported in theliterature, we optimized the redox polymerization of EDOT by using
sulfated cellulose nanoﬁber (s-CNF). We also investigated the opticalproperties of the obtained PEDOT thin ﬁlms. We coated the optimized
PEDOT/s-CNF was coated onto a glass plate, and examined its NIRshielding properties by irradiating the thin ﬁlm with simulated sunlight. We also assessed the mechanical properties derived from using
CNF as the inner thin ﬁlm of the NIR-shielding material. Moreover, we
coated PEDOT/s-CNF onto polyethylene terephthalate (PET) ﬁlm by theroll-to-roll gravure and fabricated an inner thin ﬁlm between two glass
plates.

oxidative polymerization of EDOT in an aqueous dispersion of s-CNF.
Concentrated hydrochloric acid was added to 25 mL of a 0.2 wt.%
aqueous dispersion of s-CNF to attain a speciﬁc pH value. We addedEDOT to the s-CNF aqueous dispersion and suspended it by sonication with an ultrasonic probe for 1 min. Then, a speciﬁc amount of
K2S2O8, used as the radical initiator, was added to the aqueous dispersion with a speciﬁc amount of iron(III) sulfate n-hydrate[Fe2(SO4)3], the redox reagent; this solution was stirred at 25 °C for 1 d
We puriﬁed the crude products were puriﬁed by dialysis for 72 h. Then,the concentration of the aqueous dispersion was increased to 0.6 wt%
by evaporation. To evaluate their electrical conductivity, we prepared
PEDOT/s-CNF thin ﬁlms on glass substrates by spin-coating, using the
PEDOT/s-CNF aqueous dispersion, as reported previously [29].
2.4. Fabrication of PEDOT/s-CNF–PVA composite ﬁlms
We homogeneously mixed 5 g of 1.2 wt% PEDOT/s-CNF aqueous
dispersion and 25 g of aqueous solution containing 3.0 g of PVA. The
PEDOT/s-CNF PVA aqueous dispersion was stirred and sonicated with
an ultrasonic probe for 1 min.We added of 0.06 g of Triton X (The Dow
Chemical Company Japan, Tokyo, Japan) as a surfactant. The glass
substrate, treated by UV–ozone cleaning, was coated with 5 mL of the
PEDOT/s-CNF PVA aqueous dispersion using a doctor blade. We dried
the glass substrate coated with the PEDOT/s-CNF–PVA composite ﬁlm
under heated air.

2. Experimental
2.1. Materials

2.5. Instrumental
We used CNF (nanoforest-S BB-C, high deﬁbration degree, madefrom bamboo; Chuetsu Pulp & Paper Co., Ltd., Japan) as the starting
material. The freeze-dried CNF was pulverized with milling equipment.
We used 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT; Tokyo Chemical Industry
Co. Ltd., Tokyo, Japan) as the monomer for preparing PEDOT. Iron(III)sulfate n-hydrate (Wako Chemicals Co. Ltd, Tokyo, Japan) was used asa redox reagent. We used potassium persulfate (K2S2O8; Nacalai Tesque,Inc., Japan) as a radical initiator. The CNF was sulfated using chlorosulfonic acid (Sigma-Aldrich Japan Co., LLC, Japan). We puriﬁed sCNF and PEDOT/s-CNF by dialysis using molecular-scale porous
membrane tubing with a cut-oﬀ molecular weight of 3500 (Spectra/
por3, Spectrum Laboratories Inc., Rancho Dominguez, CA, USA).
Polyvinyl alcohol-butene diol copolymer (PVA; Mitsubishi Chemical
Corp., Japan) was used as the matrix polymer for the inner thin ﬁlm.
We used PEDOT/PSS (conductive grade PEDOT/PSS, from the commercial product catalog, Sigma–Aldrich Japan Co. LLC) as a reference
conductive polymer.

We measured the electrical surface resistance with a resistancemeter (Loresta-GP or Hiresta-UP, Mitsubishi Chemical Analytech Co.
Ltd., Tokyo, Japan) using the four-terminal method. UV–visible(UV–vis) and NIR spectra were measured using a UV–vis absorption
spectrometer (V-670, JASCO Corp., Tokyo, Japan). We estimatedthe
degree ofsubstitution (DS) of the sulfate groups in the sulfated CNF
from the sulfur content using Eq. (1), measured by elemental analysis(vario MICRO cube, Elementar Analysensysteme, Frankfurt, Germany):

DS =

(1)

S(%): elemental analysis value of sulfur; and C(%): elemental analysis value of carbon.
We performed dispersion with an ultrasonic instrument (Soniﬁer
SFX250, Branson Ultrasonics, Emerson Japan, Ltd). The thickness of the
PEDOT thin ﬁlms was measured with a stylus proﬁlometer (Dektak150, Bruker Corp, Tucson, AZ, USA). We evaluatedthe light-shielding
properties by examining the suppression of the temperature rise inside
an apparatus irradiated with simulated sunlight (SERIC Ltd, Tokyo,
Japan). A data logger (T&D Corporation, Nagano, Japan) monitored thetemperature inside the apparatus. The simulated sunlight was restricted
to a wavelength range of 400–690 nm by a cut ﬁlter (Edmund Optics
Ltd., York, UK.). We observed the morphology of the PEDOT/s-CNF ﬁlmusing transmission electron microscopy (TEM; JCM-5700, JEOL Ltd.,Tokyo, Japan).

2.2. Preparation of sulfated CNF
We synthesized s-CNF using chlorosulfonic and CNF (Scheme 1).
Two grams of CNF was suspended in 200 mL of N,N-dimethylformamide (DMF) while stirring for 24 h. After dispersing the suspension with
an ultrasonic probe for 2 min, we added 3.6 mL of chlorosulfonic aciddropwise over the course of 30 min at 10 °C, and then stirred for 6 h.
The crude product was re-precipitated using a saturated sodium acetate–ethanol solution (Nacalai Tesque, Inc., Kyoto, Japan), then the
precipitate was washed repeatedly with a 13.4 vol% methanol / 85.5
vol% ethanol / 1.1 vol% propanol mixture (Solmix AP-1, Japan Alcohol
Trading Co., Ltd., Tokyo, Japan) until the pH of the supernatant solution was 7.0. We dispersed the precipitate in water and puriﬁed thesolution by dialysis for 72 h. The obtained products were freeze-dried.

3. Results and discussion
3.1. Optimization of polymerization
As reported previously, the electrical conductivity of PEDOT/s-CNF
was highest when the s-CNF had a homogeneous microcrystalline
structure [29]. We chose s-CNF (DS: 1.73) with a microcrystalline
structure from various types of s-CNF. A high polymerization degree,
doping level, conjugation length, and crystallinity can enhance theconductivity of PEDOT chains [25].
In the present study, we optimized the redox polymerization for
EDOT to obtain PEDOT that exhibits with higher electrical conductivity

2.3. Preparation of PEDOT
Scheme 2 shows the redox polymerization of EDOT using s-CNF andthe redox reagent. We optimized the redox polymerization of PEDOT byusing sulfated cellulose nanoﬁber (s-CNF). Table 1 summarizes thepolymerization conditions of EDOT. We prepared PEDOT/s-CNF by

18

S(%)/32.07
C(%)/12.01/6

7KLQ6ROLG)LOPV  

K. Yoshida, et al.

Scheme 1. Synthesis of sulfated CNF(s-CNF).

suggests that for the PEDOT to have high conductivity, it must be
prepared with an optimum quantity of EDOT. If there is too much
EDOT, the quantity of PEDOT that does not interact with the sulfate ionon the s-CNF increases, thus increasing the proportion of the benzoid
structure in the PEDOT.
Next, ﬁxing the molar ratio between EDOT and s-CNF to 4:1, we
examined the optimum amount of redox polymerization initiator,
K2S2O8, added to the EDOT. The initiator concentration inﬂuenced theEDOT (Fig. 1b). We maximized the electrical conductivity of the PEDOT

than previously reported. It is considered that the electrical conductivity property of obtained PEDOT thin ﬁlms was inﬂuenced by themolar ratio of EDOT to s-CNF, a concentration of reagent as the redox
polymerization initiator and pH in polymerization. Table 1 summarizes
the preparation condition of PEDOT/s-CNF. For comparison, we used a
simple commercial PEDOT/PSS thin ﬁlm.
First, we examined the molar ratio of EDOT to s-CNF in polymerization. The PEDOT thin ﬁlm prepared with a 4:1 molar ratio of
EDOT to s-CNF showed the highest conductivity (Fig. 1a). This result

Scheme 2. Synthesis of PEDOT/s-CNF.


熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 2020

19

7KLQ6ROLG)LOPV  

K. Yoshida, et al.

Table 1
Preparation condition of PEDOT/s-CNF.
PEDOT Sample
No.

Molar ratios-CNF EDOTK2S2O8 (mol x
10−4)

Fe2(SO4)31) (μL)

pH

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0

3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
7.0
3.5
1.8
0.9
0.4
1.8
1.8
1.8
1.8
1.8
1.8

250
250
250
250
250
250
250
500
250
125
62.5
31.3
125
125
125
125
125
125

1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
0.89
1.24
1.43
1.60
1.84
1.86

1)

0.125
0.250
0.500
1.0
2.0
4.0
8.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0

Fe2(SO4)3 aqueous solution (1.4 mg/mL).

thin ﬁlm by using 23 mol% K2S2O8.
In addition, at an EDOT to s-CNF molar ratio of 4:1 and 23 mol% of
K2S2O8 for EDOT, we polymerized EDOT at various pH values.
The electrical conductivity considerably increased in accordancewith decreasing pH of polymerization (Fig. 1c). This suggests that thesodium ion remaining in the s-CNF inﬂuences the electrical conductivity. Sodium ions inhibit a conversion to the polaron or bipolaronstructure in PEDOT [23]. In this study, we assumed that the sodium
ions inhibited the interaction between PEDOT and OSO3− in the s-CNF.
Thus, to obtain a PEDOT thin ﬁlm with high electrical conductivity, we
believe that it was necessary to completely exclude the sodium ion fromthe nearby s-CNF by using a strong acid. The PEDOT/s-CNF thin ﬁlm
prepared at pH 0.89 had a conductivity that is 700 times higher than acommercial simple PEDOT/PSS thin ﬁlm. The molar ratio of EDOT to sCNF, and the redox polymerization initiator concentration, inﬂuenced
the degree of polymerization. Additionally, the pH of polymerizationinﬂuenced the conductivity. As a result, we obtained higher conductivity by optimizing the polymerization.

3.2. Optical properties of PEDOT/s-CNF ﬁlm
Fig. 2 shows a TEM image of PEDOT/s-CNF (PEDOT No.13), indicating a microcrystalline structure of 200–300 nm in diameter. Fig. 3
shows the optical properties of the PEDOT prepared at various pH values, measured with UV–vis / NIR spectroscopy. Although all of the
PEDOT/s-CNF thin ﬁlms exhibited almost the same optical absorption
in the visible light region (380–700 nm), their optical adsorption in the
NIR region (700–2000 nm) increased in accordance with increasing
electrical conductivity. These results suggest that the PEDOT converted
to a bipolaron structure, as reported by Mochizuki et al. [23].
We determined the weighting coeﬃcients (Eλ•Δλ) are determinedfrom the solar relative spectral distribution and wavelength interval.
We denotethe visible light (vis; 380–700 nm) transmittance and nearinfrared (NIR; 700–2000 nm) transmittance as τvis(380–700) and τNIR
(700–2000). We obtained the tvis(380–700) by measuring the spectral
transmittance τ(l) from 380 to700 nm, and by using Eq. (2), which
multiplies by the weighting coeﬃcients (Eλ• Dl) and takes the weighted
average. Similarly, we obtained the τNIR(700–2000) using Eq. (3):τ 380 − 700 =∑380 Eλ ·∆λ·τ (λ )700

∑380 Eλ ·∆λ700Fig. 1. Conductivity of PEDOT/s-CNF ﬁlm prepared in various conditions. a)
EDOT/s-CNF ratio condition, b) Concentration of K2S2O8, c) pH condition.

(2)



20

7KLQ6ROLG)LOPV  

K. Yoshida, et al.

Table 2Vis and NIR transmittance (τ380–700 and τ700–2000) and conductivity of PEDOT/
s-CNF thin ﬁlms.
PEDOT No.

Conductivity(Scm−1)

Transmittance (%)
at 550 nm

τ380–700 (%)τ700–2000 (%)

13
14
15
16
17

10.1
5.1
4.0
2.0
0.3

92.4
89.3
86.0
89.3
86.2

85.0
88.3
84.9
88.3
91.6

69.8
76.4
73.7
79.4
86.0

Table 3 summarizes the tensile strength of a PEDOT/s-CNF–PVA
composite ﬁlm, compared with the PEDOT/PSS–PVA and PVA ﬁlms.
The PEDOT/s-CNF–PVA composite ﬁlm was 1.4 times stronger than the
PEDOT/PSS–PVA and PVA ﬁlms. We hypothesize that this is attributable to the CNF reinforcement.
3.4. NIR shielding eﬀect of PEDOT/s-CNF–PVA thin ﬁlm
Fig. 2. TEM image of PEDOT/s-CNF prepared with an EDOT:s-CNF molar ratioof 4:1 and 23 mol% of K2S2O8 for EDOT at pH0.89.

We also used the PEDOT/s-CNF ﬁlms for light-shielding. We formed
an 11mm-thick PEDOT/s-CNF–PVA thin ﬁlm on a glass plate with anarea of 150 × 150 mm (PEDOT/s-CNF–PVA coating glass plate). We
monitored the temperature as follows: 1) we use a data logger used tomonitor the temperature was placed inside an open-top box with anaperture
area
of
100
×
100
mm
(box
width × length × height = 180 × 180 × 250 mm, wall and bottom
thickness of 18 mm) made from styrene resin; 2) we placed a cut ﬁlter(cut-oﬀ range of 400–690 nm) on the glass plate coated with PEDOT/sCNF–PVA; 3) we monitored the temperature inside the apparatus for
30 min under irradiation with simulated sunlight, 53.8 klx illuminance.
Fig. 5 shows the temperature rise monitoring results. For the PVAcoated glass, the temperature increased to 39.7 °C in 30 min. In contrast, for the glass coated with PEDOT/s-CNF–PVA, the temperature
increased to only 36.9 °C in 30 min. Table 4 summarizes the temperature rise over 30 min.
Eq. (3) deﬁnes the suppression of the temperature rise:

TSD =∑700 Eλ ·∆λ·τ (λ )2000

∑700 Eλ ·∆λ
2000

(3)

TSD: Temperature rise suppression degree (%)
R1: Initial temperature, bare glass,
R2: Temperature after 30 min, bare glass.
T1: Initial temperature, glass coated with PVA or PEDOT/sCNF–PVA
T2: Temperature after 30 min, glass coated with PVA glass PEDOT/sCNF–PVA

Fig. 3. Optical properties of the PEDOT/s-CNF with various conductivities.

τ 700 − 2000 =(R2 − R1) − (T2 − T1)
× 100(R2 − R1)

(3)

The temperature in the case of bare glass increased to 40 °C. In
contrast, for the glass coated with PEDOT / s-CNF–PVA, the temperature increased to only 36.9 °C. Thus, the temperature rise of the glass
coated with PEDOT/s-CNF–PVA was suppressed by 3.1°C comparedwith uncoated glass. The PVA-coated glass exhibited a TSD of 0.67%,
whereas that of the glass coated with PEDOT/s-CNF–PVA was
25.5%.Thus, PEDOT/s-CNF exhibited higher NIR optical adsorption(Table 4).

Eλ: Solar relative spectral distribution
Δλ: Wavelength interval
JIS R 3106 [30] described the weighting coeﬃcients.
Table 2 summarizes the τvis(380–700) and τNIR(700–2000) values against
the conductivity values of the obtained PEDOT/s-CNF thin ﬁlms. As theelectrical conductivity increased, τNIR(700–2000) gradually decreased,
although τvis(380–700)remained constant. The τvis(380–700) of the PEDOT/
s-CNF thin ﬁlm (PEDOT No. 13) with the highest conductivity was
85.0%, whereas the τNIR(700–2000) was 69.8%.

3.5. Fabrication of PEDOT/s-CNF–PVA composite ﬁlm on a PET ﬁlm
We scaled up the PEDOT/s-CNF dispersed in PVA aqueous solution
to 13.5 kg, which we used to coat a large PET ﬁlm. The solution viscosity and pH of the obtained solution were 285 mPa•s and 4.83, respectively. Using the roll-to-roll gravure, we coated PEDOT/s-CNF onto
a PET ﬁlm with a thickness of 50 μm and dimensions of
900 mm × 500 m, to use as an inner thin ﬁlm between the double-

3.3. PEDOT/s-CNF–PVA composite ﬁlm
We applied PEDOT/s-CNF thin ﬁlms to NIR-shielding materials.
Figure 4 shows that the composite ﬁlm fabricated from the PEDOT/sCNF dispersed in PVA aqueous solution was highly transparent.


熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 2020

21

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K. Yoshida, et al.

Fig. 4. PEDOT/s-CNF–PVA composite ﬁlm.
Table 3
Preparation condition and tensile strength of PEDOT/S-CNF–PVA composite ﬁlm.
Film

PEDOT Content (wt%)

PVA Content (wt%)

Thickness (mm)Tensile strength (MPa)PVA alone
PEDOT/PSS–PVA
PEDOT/SCNF–PVA

0
2.0
2.0

100
98
98

40
40
40

22.4
22.7
31.9

polymerized the EDOT at various pH values. The electrical conductivityof the PEDOT considerably increased in accordance with decreasing pHof polymerization. Overall, we produced a PEDOT/s-CNF thin ﬁlm witha conductivity that was ca. 700 times higher than a simple PEDOT/PSS
thin ﬁlm. 4) The NIR optical adsorption of the PEDOT/s-CNF thin ﬁlm
also increased in accordance with increasing its electrical conductivity,
although the optical adsorption in the UV–vis range remained constant.
We estimated the visible (380–700 nm) and NIR (700–2000 nm)
transmittance by using weighting coeﬃcients (Eλ• D l) from the solar
relative spectral distribution (Eλ) and wavelength interval (Δλ).
Although the visible transmittance (380–700 nm) of the PEDOT/s-CNF
thin ﬁlm with the highest conductivity reached 85.0%, the NIR transmittance (700–2000 nm) decreased to 69.8%. 5) We used glass coatedwith PEDOT/s-CNF as a window for the sealed box and irradiated thebox with NIR and infrared light. The PEDOT/s-CNF thin ﬁlm suppressed
the temperature increase, as measured by a TSD of 25.5%, demonstrating eﬀective thermal insulation.

Table 4Temperature rise suppression eﬀect using PEDOT/s-CNF–PVA ﬁlm.
Substrate

Initial Temp.
(°C)

Temp. after 30 min(°C)

TSD (%)1)

Bare Glass2)
PVA Glass3)
PEDOT/s-CNF–PVA Glass4)

25.1 (R1 Value)
24.9
25.8

40.0 (R2 Value)
39.7
36.9

–
0.67
25.5

1)

TSD: Temperature rise suppression degree.
Bare Glass: Visible light cut ﬁlter + Glass.
3)
PVA Glass: Visible light cut ﬁlter + Glass coted PVA.
4)PEDOT/s-CNF–PVA: Visible light cut ﬁlter + Glass coated PEDOT/sCNF–PVA.
2)

paned glasses. After coating, we dried the ﬁlm in a chamber at 110 °C
conveyed by a roll-to-roll process in Fig. 6. The obtained ﬁlm was
uniformly transparent, and its thickness was ca. 11 μm. We incorporated the ﬁlm as an inner thin layer between double-paned glass,as can be seen in Fig. 7.

CRediT authorship contribution statement

4. Conclusions

K. Yoshida: Writing - original draft, Formal analysis, Investigation.
S. Nagaoka: Conceptualization, Writing - review & editing,
Investigation. M. Horikawa: Formal analysis, Investigation. H.
Noguchi: Formal analysis, Investigation. H. Ihara: Supervision.

We performed redox polymerization of EDOT by using s-CNF, as
follows: 1) We investigated the molar ratio of EDOT to s-CNF in thepolymerization was investigated. The PEDOT/s-CNF exhibited thehighest conductivity at a 4:1 molar ratio. 2) At this 4:1 molar ratio, we
optimized the quantity of K2S2O8, as a redox polymerization initiator,
added to the EDOT. The PEDOT thin ﬁlm exhibited a maximum electrical conductivity with the addition of 23 mol% K2S2O8. 3) We

Declaration of Competing Interest
To the best of our knowledge, the named authors have no conﬂict of227KLQ6ROLG)LOPV  

K. Yoshida, et al.

Fig. 5. Temperature rise monitoring using simulate sunlight.

Fig. 6. Coating process of PEDOT/s-CNF–PVA on the PET ﬁlm by roll-to-roll gravure process.

interpretation of data; in the writing of the report; or in the decision tosubmit the article for publication. We thank Mr. Tsutomu Kawaguchi of
Kumamoto Industrial Research Institute for their capable assistance;
Mr. Hiroyuki Tanaka of Chuetsu Pulp & Paper Co., Ltd. for providing
CNF; Mr. Norimi Takemura of Figra Co., Ltd. for the fabricating of
double-paned glass; and Mr. Shuichi Iwanaga of LABO Co., Ltd. for rollto-roll gravure coating. We thank Joshua Yearsley, MS, and Michaelinterest, ﬁnancial or otherwise.
Acknowledgments
This work was supported by Grants in Ministry of theEnvironmental and JSPS KAKENHI Grant Number JP19K15158. The
sponsors had no role in study design; in the collection, analysis, and

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 202023

7KLQ6ROLG)LOPV  

K. Yoshida, et al.

Fig. 7. PET ﬁlm coated with PEDOT/s-CNF–PVA (a) and the double-paned glass incorporating its ﬁlm as inner layer (b).

Scott Long, PhD, from Edanz Group (https://en-author-services.
edanzgroup.com/) for editing a draft of this manuscript.

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doi 10.2323/jgam.2020.01.006
2020 Applied Microbiology, Molecular and Cellular Biosciences Research Foundation

Short Communication
Activated sludge microbiome in a membrane bioreactor fortreating Ramen noodle-soup wastewater(Received November 16, 2019; Accepted January 14, 2020; J-STAGE Advance publication date: August 21, 2020)

Ryoichi Tanaka,1 Katsuya Nouzaki,1,∗ Ronald R. Navarro,2 Tomohiro Inaba,2 Tomo Aoyagi,2 Yuya Sato,2Atsushi Ogata,2 Hiroshi Yanagishita,3 Tomoyuki Hori,2 and Hiroshi Habe2,∗
1

2

Kumamoto Industrial Research Institute, 3-11-38 Higashimachi, Higashi-ku, Kumamoto 862-0901, Japan
Environmental Management Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST),
16-1 Onogawa, Tsukuba, Ibaraki 305-8569, Japan3
Department of Industry-Government and Community Collaboration, Hiroshima University,
1-3-2 Kagamiyama, Higashihiroshima, Hiroshima 739-8511, Japan

Population shifts in the activated sludge
microbiome of a membrane bioreactor (MBR) during the treatment of Ramen noodle-soupwastewater were analyzed by high-throughput
sequencing. An MBR underwent stable treatmentof wastewater containing increasing oil concentrations (from 135 to 1,350 mg/L) for 26 days; however, after feeding with wastewater containing 2,700
mg/L of oil, the mixed liquor suspended solids andtransmembrane pressure exhibited gradual andrapid increases, respectively, leading to clogging of
the membrane. Phylogenetic analysis revealed anoil supply-dependent increase in the abundance ofCupriavidus gilardii (relative abundance of 26.2%
at Day 30) in the sludge together with
Parasegetibacter terrae (9.9%) and Ferruginibacter
yonginensis (9.4%). These dominant species may
play important roles in noodle-soup wastewater
treatment.
Key Words: activated sludge; high-throughput
sequencing; membrane bioreactor; microbial community structure; noodle-soup wastewater treatment

Oily wastewater is generated in many industrial processes, including those related to oil and gas, and foods
and beverages. Because such wastewater adversely affects

the environment (Sato et al., 2019), region-specific regulations on the discharge of oily wastewater to the environment have become stricter (Tanudjaja et al., 2019). In
particular, the treatment of wastewater containing fats, oils,
and grease from the food industry is of major concern,and dissolved air floatation, froth floatation, coagulation,
and adsorption have been used to treat oily wastewater.
Recently, increasing attention has focused on membranebased technology for oil-water separation (Tanudjaja etal., 2019) because membrane separation processes are capable of removing large quantities of oil; however, membrane fouling adversely affects the operational management and cost of membrane filtration. Considering thatoily wastewater from the food industry is of varied composition depending on its origin and process, wastewater
type-specific treatment methods are needed. In this study,
as an example of high-strength oily wastewater, the treatment of Ramen noodle-soup wastewater was investigatedusing a membrane bioreactor (MBR), which combines
biodegradation and membrane filtration. We evaluated thelimit of membrane performance in terms of oil concentration and the sludge microbiome related to oil degradation.
To this end, we operated a laboratory-scale MBR for 30days and examined changes in the microbial community
structure in response to oil concentration by high-throughput Illumina MiSeq sequencing (Navarro et al., 2016).
The Ramen noodle-soup wastewater was prepared using a Ramen kit (Shigemitsu Industry Co., Ltd.,
Kumamoto, Japan). After the Ramen noodles were cooked
according to the instructions of the kit (one serving uses

*Corresponding authors: Hiroshi Habe, Environmental Management Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science andTechnology (AIST), 16-1 Onogawa, Tsukuba, Ibaraki 305-8569, Japan; Katsuya Nouzaki, Kumamoto Industrial Research Institute, 3-11-38
Higashimachi, Higashi-ku, Kumamoto 862-0901, Japan.
Tel: +81-29-861-6247 Fax: +81-29-861-8326 E-mail: hiroshi.habe@aist.go.jp
Tel: +81-96-368-2101 Fax: +81-96-369-1938 E-mail: nouzaki@kumamoto-iri.jp
None of the authors of this manuscript has any financial or personal relationship with other people or organizations that could inappropriately
influence their work.

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 2020

25

340

T ANAKA et al.

Fig. 1. Physicochemical parameters of the MBR during operation.
Closed circle, MLSS in the sludge; closed triangle, TMP; closed square, DO. Arrows on top indicate the oilconcentration of the inlet wastewater and the corresponding periods.

270 mL of water), the remaining noodle soup was sterilized by autoclaving. The resultant noodle-soupwastewater as an undiluted solution was stored at 4°C until
use. Several properties of the undiluted wastewater (pH5.7) were analyzed by Nodaichi-Denshi Co., Ltd.
(Kumamoto, Japan) as follows: biological oxygen demand(BOD), 250,000 mg/L; suspended solid (SS) concentration, 19,000 mg/L; and oil content (n-hexane extract),
27,000 mg/L. The laboratory-scale MBR comprised threecompartments, the operating volumes of which were 12,10.5, and 4.5 L (left to right in Fig. S1; total 27 L). The
reactor was started up with an inoculum of activated sludge
obtained from a food-industry wastewater treatment plant(Plenus-foods Co., Ltd., Fukuoka, Japan), and the sludge
was stirred by continuous aeration. Air was provided
through an air diffuser set in each compartment at a flowrate of 3 L/min. A laboratory-scale M-fine flat membrane
module (Awa Paper Mfg., Co., Tokushima, Japan) madeof polyacrylonitrile was submerged in the reactor during
operation. The effective surface area of one membrane
module was 0.012 m2 with a pore size of 0.07 µm, andtwo membrane modules were used for permeation of thetreated water during operation (total surface area, 0.024
m2). Two membrane modules were operated with a cycleof permeate extraction for 9 min and a pause for 1 min,and the membrane surface was aerated continuously to
reduce membrane fouling. The bioreactor was constantly
fed with the above wastewater after dilution and heating
in a feed tank (5 L) at 50°C. The concentration of oil in
the feed wastewater increased gradually from 135 mg/L
(200-fold dilution of the undiluted wastewater, for 5 days)
to 360 mg/L (75-fold, for 7 days) and 675 mg/L (40-fold,for 7 days), and from 1,350 mg/L (20-fold, for 7 days) to
2,700 mg/L (10-fold, for 4 days). The flow rates of the26

input wastewater and the output membrane-filtrated permeate were 5 L/day (3.5 mL/min, 5.4-day hydraulic retention time [HRT]), despite the changes in the dilution
rates. During the experimental period, no sludge was withdrawn from the reactor except for sampling. The returnsludge flow rate was 100 mL/min.
Mixed liquor SSs (MLSSs), temperature, dissolved oxygen (DO), pH, and transmembrane pressure (TMP) weremonitored during the operation of the reactor. An 80 mL
sample of the activated sludge (second compartment of
the reactor) was removed five times per week. The solid
constituent of the activated sludge was removed by centrifugation (15,300 × g, 15 min, 4°C), and the resulting
supernatant was filtered through a cellulose acetate membrane (ø, 0.20 µm, C020A025A; Advantec, Tokyo, Japan).
The water-soluble total organic carbon (TOC) and total
nitrogen (TN) contents in the supernatant and treated effluent were analyzed using a TOC-TN analyzer (TOC-L/
TNM-L; Shimadzu, Kyoto, Japan).
For DNA extraction, the collected activated sludge samples were washed once with 50 mM sodium phosphatebuffer (pH 7.0) and stored at –20°C as a pellet until use.
DNA was extracted from the sludge samples according toa direct lysis protocol (Noll et al., 2005) and treated with
RNase (Type II-A; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO). The
purified DNA was used as the template for PCR amplification with a high-fidelity DNA polymerase (Q5; NEB,
Ipswich, MA). The V4 region of each 16S rRNA gene wasamplified using the universal primers 515F and 806R withan Illumina adapter region (both primers) and a 12 bp
barcode for multiplex sequencing (reverse primer)(Caporaso et al., 2010).
High-throughput sequencing was carried out as follows.
The PCR products, purified with an AMPure XP Kit

Microbiome treating oily wastewater341

Fig. 2. Microbial community structures of the MBR during operation.
The community structure in activated sludge was analyzed by Illumina sequencing of 16S rRNA genes. Relative
abundances of the sequences at the phylum and class levels are shown. Phylogenetic groups that showed morethan 3% relative abundance are displayed individually. The taxonomy was assigned by QIIME analysis with
Greengenes database ver. 13_8. The numbers on top are oil concentrations.

Fig. 3. Changes in relative abundances of the top ten most dominant OTUs detected on Day 30.
Each bar denotes the relative abundance of the OTU corresponding to the table at right. The closest relative, accession number, and similarity score,
as predicted by BLAST analysis, are shown in the table. The increase ratio was calculated from the relative abundances on Days 0 and 30. The
phylum or class of each OTU was predicted by QIIME.

(Beckman Coulter, Brea, CA), were subjected to agarose
gel electrophoresis and each target DNA band was excised
and recovered with a QIAquick Gel Extraction Kit(Qiagen, Venlo, The Netherlands). An appropriate amountof the 16S rRNA gene segments and an internal control(PhiX Control v. 3; Illumina, San Diego, CA) were subjected to paired-end sequencing using a 300-cycle MiSeq
Reagent Kit (Illumina) and a MiSeq Sequencer (Illumina).
Removal of PhiX, low-quality (Phred value score [Q], <30), and chimeric sequences, and assembly of the pairedend sequences were carried out according to a previous
report (Itoh et al., 2014). Contaminating PhiX sequencesin the Illumina sequence libraries were detected by meansof a homology search against the Greengenes database(DeSantis et al., 2006) using Burrows-Wheeler Aligner v.
4.0.5 (Li and Durbin, 2009). Next, the PhiX sequenceswere removed from the library using self-written scripts.
The paired-end sequences were joined with the fastq-join
tool in ea-utils software, v. 1.1.2-301 (Aronesty, 2013).
Joined sequences with Q scores of ≥30 were collected using QIIME software v. 1.7.0 (Caporaso et al., 2012), andaligned using Mothur v. 1.31.2 (Schloss et al., 2009). Chimeric sequences were detected and excluded from the library. The sequences in each library were characterized
phylogenetically using QIIME software (Schloss et al.,2009). The closest relative of the operational taxonomic
units (OTUs) was determined based on the results of a
BLAST search of their 16S rRNA sequences with those in
the National Center for Biotechnology Information nucleotide sequence database (http://www.ncbi.nlm.nih.gov).
The raw sequence data in this study were deposited in the
DNA Data Bank of Japan (DDBJ) under accession number
熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 2020

27

342

T ANAKA et al.

DRA009057 (18 libraries).
Reactor performance during wastewater feeding isshown in Fig. 1. During the period, the DO values weremaintained at 5.4 to 6.7 mg/L (average, 6.28 mg/L), suggesting the presence of sufficient oxygen for microbial
oxidation of organic compounds. During feeding with
wastewater containing oil concentrations of 135 mg/L
(200-fold dilution of undiluted wastewater) to 1,350 mg/
L (20-fold dilution), reactor performance was relatively
stable without an increase in the TMP value (<10 kPa).
The MLSS concentrations in the reactor were maintained
at 6,000 to 8,000 mg/L (Fig. 1). The water-soluble TOC
concentration of the effluent was maintained at <10 mg/
L, achieving > 90% removal based on the values in thesecond compartment of the MBR (Fig. S2). Also, the water-soluble TN concentration of the effluent became <10
mg/L after Day 19.
By contrast, the addition of wastewater containing 2,700
mg/L (10-fold dilution) of oil on Day 26 resulted in sudden changes in reactor performance. These were particularly evident in the MLSS concentrations and TMP values(Fig. 1). A gradual increase in the MLSS concentration to
12,100 mg/L on Day 30 was observed (Fig. 1). Such alarge sludge biomass may have contributed to the increasein TMP. Indeed, the TMP value increased prominently from9 kPa on Day 26 to 63 kPa on Day 30 (Fig. 1), during
which time the effluent flow rate decreased rapidly, indicating the initiation of membrane fouling. Once such a
breakpoint is reached, prolonged operation will not allow
the recovery of MBR performance. Hence, we stopped
operation of the MBR at Day 30.
The sludge microbial communities in the MBR were
examined by high-throughput Illumina sequencing of 16SrRNA genes. The total number of sequences obtained fromsix sludge samples was around 330,000, corresponding to
an average of 18,261 sequences per library (minimum,
7,431; maximum, 30,917; standard deviation, 7,475). Phylum- and class-level phylogenetic analyses of the Illumina
sequence data using QIIME software and the Greengenes
database were conducted to assess the composition of thesludge microbial communities during MBR operation (Fig.
2). Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, andBacteroidetes predominated in the initial activated sludge,
accounting for 42.8%, 8.0%, and 24.4%, respectively, ofthe total sludge biomass (Fig. 2). Although the physicochemical parameters were relatively stable on Day 12, thepopulations of these predominant microbial groups werealtered, resulting in a decrease in the abundance ofBetaproteobacteria and Bacteroidetes.
Instead, the population of the phylum Chloroflexi increased on Day 12 to a relative abundance of 37.2% (Fig.
2). An OTU-level phylogenetic analysis revealed that themost dominant OTU of the phylum Chloroflexi was
OTU30731, which showed only 91.0% identity with
Caldilinea aerophila (relative abundance, 35.4% of thetotal population and 95.2% of Chloroflexi). Subsequently,
the abundance of OTU30731 decreased markedly and accounted for 2.9% of the total on Day 19. The phylum
Chloroflexi plays an important structural role in activatedsludge floc formation and can also cause bulking and foaming problems (Kragelund et al., 2011). Chloroflexi do not28

always destroy settling properties (e.g., filamentous members of Caldilineae in wastewater treatment plants are reported to be the predominant floc-stabilizing bacteria)(Yoon et al., 2010). Upon the initiation of MBR operation, activated sludge began to produce a surface foamlayer; however, after Day 10, the foam gradually disappeared. Because we did not evaluate whether OTU30731
is involved in stabilizing the floc structure, further studyof Caldilineae-related OTUs is warranted.
We investigated the microbial species at the OTU levelthat responded to the increase in oil concentration fed to
the MBR. The top ten most dominant OTUs on Day 30
and the time-dependent changes in their relative abundances are shown in Fig. 3. The top three most abundantmicrobial species on Day 30 (OTU34123, OTU26759, andOTU13696) accounted for about 45.4% of the total population; their closest relatives were Cupriavidus gilardii(96% identity), Parasegetibacter terrae (97%), andFerruginibacter yonginensis (96%), respectively (Fig. 3).
The relative abundance of these three OTUs on Day 12
was 0.5% (0.1% of OTU34123, 0.3% of OTU26759, and
0.1% of OTU13696); that on Day 19 was 8.9% (0.8%,
7.5%, and 0.6%, respectively), and that on Day 26 was
29.6% (9.5%, 10.3%, and 9.8%, respectively) (Fig. 3). The
increase ratios of the respective OTUs from Day 30 to
Day 0 were 33.4, 92.9, and 244 fold, respectively. The
genus Cupriavidus can degrade crude oil (French andTerry, 2019) and herbicides (Wu et al., 2017). Also,
Cupriavidus is reported to exhibit metal resistance (Huang
et al., 2019). These facts suggest that OTU34123, whichis related to C. gilardii, is relatively resistant to stressful
conditions, and is involved in oil degradation in
wastewater. In addition, the genus Parasegetibacter candegrade extracellular DNA (Kim et al., 2015; Zhang etal., 2019), and so might contribute to biomass reductionin the MBR by eliminating DNA released by dead microbial cells. Ferruginibacter yonginensis has been reported
to show hydrolytic activity towards gelatin, peptides(trypsin activity), and C4 esters (Lee et al., 2014). Because Ramen noodle-soup contains high concentrations ofoils as well as proteins extracted from pork bones, themetabolic features of F. yonginensis likely contribute to
the degradation of organic matter in wastewater. In addition, this bacterium has N-acetyl-β-glucosaminidase activity. As N-acetyl-β-glucosamine is a component of bacterial cell walls, F. yonginensis likely plays a role in the
reduction of the sludge biomass. The predominance of thethree OTUs suggests that they play important roles in thetreatment of Ramen noodle-soup wastewater.
In conclusion, we investigated the performance andsludge microbial community of a laboratory-scale MBR
fed with Ramen noodle-soup wastewater according to oilconcentration. This is the first report on the use of thistype of wastewater in an MBR. The MBR was stable up to
20-fold diluted model wastewater, but its performance
deteriorated at higher oil concentrations. Hence, oil concentrations of 1,350 to 2,700 mg/L as well as BOD of
12,500 to 25,000 mg/L in the feed wastewater are the limit
for operating an MBR system without causing membrane
fouling. Illumina sequencing of 16S rRNA genes showedthat three OTUs became predominant with increasing oil

Microbiome treating oily wastewater

concentrations (Fig. 3). Because OTU34123 is related to
C. gilardii, which is reported to be an oil degrader,quantitation of the OTU34123 16S rRNA gene sequencein sludge may be an indicator of Ramen noodle-soup treatment status. Further characterization of OTU34123 after
isolation is needed to clarify the mechanisms of wastewater
treatment.
Acknowledgments
We thank JNC Environment Corp. (Chiba, Japan) for providing theactivated sludge samples.
Supplementary Materials
Supplementary figures are available in our J-STAGE site (http://
www.jstage.jst.go.jp/browse/jgam).
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熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 202029

キトサン微粒子のストレプトコッカス ミュータンスに対する抗菌効果と歯磨材としての研磨効果
齋田 佳菜子*・永岡 昭二**・城崎 智洋**・堀川 真希**・伊原 博隆****

食品加工技術室、** 材料・地域資源室、*** 熊本大学大学院先端科学研究部（現：沖縄工業高等専門学校）

Dispersible chitosan particles showing bacteriostatic effect against Streptococcus mutans
and their dental polishing effect

SAITA Kanako*, NAGAOKA Shoji**, SHIROSAKI Tomohiro**, HORIKAWA Maki** and IHARA Hirotaka***
Nontoxic and biodegradable chitosan is potentially useful in various applications. We prepared submicron
chitosan particles with high dispersibility in aqueous solution utilizing the electrostatic interaction phaseseparation method described in a previous report, but using citric acid as the polyvalent anionic compound insteadof sodium sulfate. The submicron chitosan particles showed significant antibacterial activity and anti-adhesive
action against Streptococcus mutans, even at around neutral pH. However, chitosan granules showed no antibacterial
activity under the same conditions. The addition of the chitosan particles to dental polishing paste provided
stainless steel discs (the same hardness as dental enamel) with a smoother surface than polishing paste without
additives. In view of their submicron size and antibacterial activity, chitosan particles could potentially be
multifunctional components of oral and dental cleaning materials.

１．Introduction

Streptococcus mutans is a Gram-positivebacterium that is commonly found in the human oralcavity. S. mutans produces exopolysaccharides,
such as soluble and insoluble glucans, fromdietarysucrosevia
theactionofglucosyltransferase, and these polysaccharide
products adhere to the surfaces of the teeth1)2).
Furthermore, S. mutans induces decalcificationof tooth hydroxylapatite by metabolizing dietary
sugar to lactic acid, thereby creating an acidic
environment that results in dental caries.
Therefore,
dentifricematerials
withantibacterial activity against S. mutans would
prevent dental caries during oral health care3).
Chlorhexidine is commonly used as theantimicrobial in oral care, including for dental
caries4). However, chlorhexidine has several side
effects, including taste disorders and tooth
staining. In Japan the use of chlorhexidine inmucous irrigation has been prohibited since 1985
owing to cases of anaphylaxis. Therefore, naturaland safe agents with antimicrobial activity
against cariogenic bacteria are desired for oral
care.

Chitosan is a cationic biopolymer ofβ-(1,4)-linked D-glucosamine that is formed by
the deacetylation of chitin, the second mostabundant
naturalpolysaccharide(aftercellulose). Chitosan serves as a biocompatible
and nontoxic biomaterial and is biodegraded bylysozymes in human saliva 5)6). Chitosan also
possesses antibacterial activity against S.
mutans6–11) and inhibits bacterial adhesion to thetooth surface 5)7)9)12)–14).
However, chitosan has a highly crystalline
structure,derivedfromintraandintermolecular hydrogen bonding, and has poor
solubility properties at pH levels greater thanits pKa (~6.0). In addition, chitosan only
demonstrates antibacterial activity in low pH
conditions15)–17). In our previous studies, weprepared submicron dispersed chitosan particles(DCPs) using two phase separation methods;
electrostatic interaction between the cationicamino groups of chitosan and polyvalent anioniccompounds, such as sodium sulfate18); and complex
formation between boric acid and sugar chains
19)20), which used no surfactant or organic solvent.
The DCPs were shown to have antimicrobialactivity against Escherichia coli at neutral pH

30 Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, Vol. 84, pp. 1265-1273 (2020)18)20). In this study, we used phase separation byelectrostatic interaction to prepare DCPs using
citric acid as the polyvalent anionic compound
instead of sodium sulfate as was previously
reported18). Citric acid was selected because it
is edible and is used as a food additive.
The aim of this study was to investigate whether
DCPs displayed inhibitory effects against S.
mutans at neutral pH, without being affected bylysozymes. We also aimed to examine the effectsof these DCPs in dental polishing paste. The prepared DCPs demonstrated high dispersibility andbecame positively charged in distilled water. The
results demonstrated that the DCPs are ofpotential use as multifunctional materials fordental care because of their excellent
antibacterial effects, inhibition of glucan
adhesion and polishing properties.
２．Material and methods
2.1 Materials
Chitosan granules (Chitosan-g, 85 mol%deacetylated, 70–100 kDa molecular weight range)
was purchased from Dainichseika Color & Chemicals
Mgf. Co., Ltd., Tokyo, Japan. Citric acid andlysozyme were purchased from Nacalai Tesque, Co.,
Ltd., Kyoto, Japan. Streptococcus mutans NBRC
13955 was purchased from the National Instituteof Technology and Evaluation Biological Resource
Center (NBRC), Tokyo, Japan. Brain heart infusion(BHI) was purchased from Nippon Suisan Kaisha,Ltd., Tokyo, Japan and Mitis Salivarius agar
(Difco) was purchased from Becton, Dickinson andCompany, New Jersey, USA.
2.2 Preparation and characterization of DCPs
DCPs were prepared using the phase separation
method, reported previously18–20). Chitosan-g wasdissolved in a given amount of citric acid aqueous
solution (1.0, 1.5 or 2.0 equivalents of citricacid carboxy groups relative to chitosan aminogroups) at 60° C with stirring. After stirringfor 30 min, the chitosan solution was cooled to
20°C. During cooling, the solution gradually
become cloudy and white precipitate was produced;
this indicated that the chitosan interacted
electrostatically with the citric acid. The
chitosan particle dispersion was isolated byfiltration.
The obtained DCPs-1.0, 1.5 and 2.0 (1.0, 1.5 and2.0 equivalents, respectively, of citric acidcarboxy groups relative to chitosan amino groups)
were observed by stereomicroscopy (KH-7700S;
Hirox Co., Ltd., Tokyo, Japan). The particle

sizes were determined using a dynamic flow
particle image analyzer (FPIA-3000; Malvern
Instruments Ltd, Malvern, UK). The zeta potentialof the particles was measured by the laser Doppler
method (Zetasizer Nano ZS; Malvern Instruments
Ltd, Malvern, UK).
2.3 Antibacterial activity
S. mutans was used as a reference for oral
pathogenic bacteria. S. mutans cells wereincubated at 37 °C for 24 h in BHI medium. The
assay was carried out using DCPs and Chitosan-gconcentrations (as starting materials) in therange 0.0025 to 0.1 wt%. The control contained no
chitosan samples. Serial samples were added to
glass vials and mixed with 5 mL Mitis Salivarius
agar (pH 7.0) as a testing medium. The S. mutans
culture suspension was inoculated with 2.0–6.0 ×
106 cfu/mL into the test medium containing
chitosan samples and the glass vials were filledwith CO2 gas. The antibacterial activity of thechitosansampleswasanalyzedbymicrocalorimetry (H-201; Nippon Medical &Chemical Instruments Co., Ltd., Osaka, Japan) torecord a growth curve of S. mutans incubation at
37 °C for 24 h.
2.4 Influence of lysozymes
DCPs-1.0 (0.1 wt%) was suspended in artificial
saliva (14.5 mM NaCl, 16.1 mM KCl, 1.31 mM CaCl2·2H2O, 0.55 mM MgCl2·6H2O and 1.96 mM K2HPO4) insterile plastic tubes as test samples. S. mutans
culture suspension was incubated at 37 °C for 24
h in BHI medium. The S. mutans culture suspension(2.0–6.0 × 106 cfu/mL) was then inoculated into
the test samples with and without lysozyme
solutions (11 mg/mL). The culture suspension was
incubated at room temperature on a rotator (3 rpm).
S. mutans viable cell counts of the test samples
were determined on Mitis Salivarius agar at 0, 1,
2, 4, 8, 16 and 24 h.
2.5 Inhibition of polysaccharide adhesion
Hemispheric discs were prepared with denture
resin (Unifast III; GC Corporation, Tokyo, Japan).
The assay was carried out using DCPs-1.0 and
Chitosan-gconcentrations(asstarting
materials) in the range 0.0025 to 0.1 wt%. The S.
mutans culture suspension was incubated at 37 °C
for 24 h in BHI medium. The discs were placed into
BHI medium including 5.0 wt% of sucrose. Next,
chitosan samples were added, and the mixture was
inoculated with S. mutans culture suspension.
After incubation for 24 h at 37 °C, the discs were
removed and the soluble polysaccharides were熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 202031

washed off with distilled water (five times). The
adhering insoluble polysaccharides were removed
using ultrasonication (150 W, 38 kHz, 1 min). The
amount of insoluble polysaccharides wasdetermined by the phenol-sulfuric acid method.
2.6 Polishing effectPolishing test samples were prepared by mixing
Chitosan-g or DCPs-1.0 dispersion (1.0 wt%, 64 g)with 40 g of polishing paste21). As the polishingpaste contained diatomite powder (mean diameter
37 ± 10 µm), Adonest coarse, Neo Dental Chemical
Products Co., Ltd was used. Stainless steels
discs (Vickers hardness: 323; surface roughness(Ra): 180.1 nm; 304 CSP; Sinto Kogyo, Ltd., Nagoya,Japan) were used as specimens in the polishingtest. Because the polishing system consists of astainless steel substrate, we adopted a polishingmethod for the chemical mechanical planarizationof the surface of a semiconductor substrate, suchas a silicon wafer22).
The polishing test was carried out using thepolishing system (MA-300e; Musashino Denshi, Co.,
Ltd., Musashiono, Japan) at a rotation speed of
100 rpm, a polishing time of 30 min, a polishingtest sample dropping rate of 2.5 mL/min, and with
distilled water as the lubricant. It is known thatthe polishing pressure is 200–1000 g in the caseof adults23). Therefore, to ensure an adequateload in the polishing experiment, 400 g ofpressure was set. Also, in order to observe
significant damage, planarity and scratches on
the surface, we adopted a polishing time of 30 min.
After the polishing test, the stainless steel
discs were washed with tap water andultrasonicated in distilled water for 5 min tocompletely remove the polishing test sample. The
initial and final Ra of the stainless steels discs
was measured by stylus profilometry (Dektak 150;
Bruker Corporation, Massachusetts, USA). Fivemeasurements of Ra were determined on random
parts of the stainless steel discs, and the meanand standard deviation were calculated. The
initial and final surfaces of the stainless steel
discs were observed by stereomicroscope(KH-7700S; Hirox Co. Ltd.).
３． Results and discussion
3.1 Characterization of DCPs
DCPs were prepared by the phase separation
method using citric acid as the polyvalent anion.
After dissolving Chitosan-g in aqueous citricacid solution, the solution gradually became
turbid on cooling to room temperature. The

turbidity of the suspension changed withincreasing citric acid concentration, as shown in
Figure S1. Over the course of 1 hour of
precipitation, the upper region of the suspension
gradually became clear in the case of DCPs-1.5 and-2.0. This indicated that on the addition of
citric acid, DCPs-1.5 and -2.0 gradually
precipitated owing to their increasing size,
resulting from aggregation (Figure 1). In
contrast, DCPs-1.0 maintained a particle
dispersion of submicron size without aggregation.
As shown in Figure 2-a, the particle size of the
DCPs increased with the addition of citric acid.
The particles were thought to be formed by ionicinteraction between the amino groups of chitosan
and the carboxy groups of citric acid. The
increase in aggregation of the DCPs was caused byan increase in ionic interaction with excess
citric acid. The Chitosan-g aggregates ofchitosan ground-microproduct had an average
aggregate size of 17.9 µm measured using a
dynamic flow particle image analyzer (Figure 2-a).
Chitosan-g had a wide particle size distribution
and showed aggregates of greater than 100 µm(Figure 1). In contrast, the dispersed DCPs-1.0
had a size of 1.8 µm and narrow size distribution,
as observed by stereomicroscopy.

Figure 1. Stereomicroscope images of DCPs
(DCPs-1.0, 1.5 and 2.0) or granules (Chitosan-g)
in aqueous dispersion.
Zeta potential indicates the electric charge ona particle surface by electrophoresis. For DCPs,
the zeta potential is attributed to protonatedamino groups on the particle surface (Figure 2-b).
The DCPs had better dispersibility owing toelectrostatic repulsion among the positively

32 Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, Vol. 84, pp. 1265-1273 (2020)

charged particles, which resulted for theincreased cationic properties of the DCPs.
Therefore, the antibacterial activity of DCPs in
disrupting negatively charged bacterial surfaces
increased. The zeta potential of the DCPs
increased with the positive charge of DCPs-1.0(19.63 ± 0.49 mV), DCPs-1.5 (11.53 ± 0.32 mV)
and DCPs-2.0 (8.76 ± 0.74 mV).

Figure 2. Particle size (a) and zeta potentials(b) of DCPs-1.0, 1.5 and 2.0 or chitosan granules(Chitosan-g) in aqueous dispersion. Particle
sizes were determined using a dynamic flow
particle image analyzer. All measurements were
performed in triplicate, and the mean was
calculated. Zeta potentials were determinedusing a laser Doppler method. All measurements
were performed in triplicate, and the mean andstandard deviation were calculated. The error
bars indicate one standard deviation from themean.
In addition, aggregation of the DCPs wasobserved
tobemore
significant(bystereomicroscopy) with the addition of citricacid, as shown in Figure 1. This indicated thatthe number of free chitosan amino groups
decreased with the addition of citric acid.
3.2 Antibacterial activity
Oral care products should have a pH aroundneutrality becausehydroxyapatite,which
constitutes approximately 95% of dental enamel,
experiences demineralization and dissolve
rapidly below pH 5.5. We investigated theantibacterial activity of DCPs and Chitosan-gagainst the oral pathogenic bacterium S. mutans
atneutralpH.
We
usedisothermal
microcalorimetry to monitor the bacterial growth.
In this system, a peak in the thermogram
represents the logarithmic phase of growth24). As
can be seen from Figure 3, the peak was delayedor undetected when DCPs were added tosample—compared with a control (without DCPs). In
the evaluation of antibacterial activity using
isothermal
microcalorimetry, the minimum
inhibitory concentration (MIC) exhibited almost
the same thermogram as the blank (no inoculum)[25). In Figure 3, the thermogenetic peak of DCPs
was absent (0.05 wt.% for DCPs-1.0 and 0.1 wt.%
for DCPs-1.5 and -2.0) compared with the control,in spite of giving a little rise to the thermogram
compared with the blank. The antibacterial
activity of DCPs was thought to be bacteriostatic
activity, which leads to growth delays rather
than growth inhibitory activity against S. mutans.
At all concentrations (0.0025–0.1 wt%) of
Chitosan-g, the observed growth of S. mutans hada thermogenesis pattern that was almost identicalto that of the control. This indicated that the
Chitosan-g had no antibacterial activity. The
zeta potential of Chitosan-g was approximately 16
mV. Therefore, the positive charge of DCPs andChitosan-g increased in the order DCPs-1.0 >Chitosan-g> DCPs-1.5> DCPs-2.0 (Figure 2).
Similarly, the apparent pKa value of Chitosan-g
and DCPs was also considered to increase in theorder of positive charge. In contrast, theantibacterial activities of all types of DCP werehigher than that of Chitosan-g, despite theapparent pKa or zeta potential values. Thesephenomena are attributed to the size effect of the
DCP particles. This suggests that DCPs-1.0, -1.5
and DCPs-2.0 have more contact sites with thebacteria surface than Chitosan-g. That is, DCPs
have more free amino groups that are able toactually drive antibacterial activity. DCPs,
which are positively charged, inhibit bacterial
growth by forming perturbing interactions with
the negatively charged bacterial outer membrane,
leading to cytoplasmic leakage15, 26, 27). As
detailed in our previous report20), scanningelectron microscopy (SEM) revealed thatchitosan-SO42- particles cause the bursting of E.
coli cells (Figure S2). The higher antibacterial
activity of 0.05 wt% DCPs-1.0 over that of
DCPs-1.5 and 2.0 is attributed to the fact that
DCPs-1.0 has the highest dispersibility and thegreatest positive charge. This is derived fromthe regular accumulation of free cationic amino

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 202033

groups on the DCPs surface.

Figure 3. Antibacterial activity of Chitosan-g or
DCPs-1.0, 1.5 and 2.0 concentrations in the rangeof 0.0025 to 0.1 wt% against S. mutans, as
determined by growth thermogram. Control: nochitosan samples. Blank: no inoculum.
The antibacterial activity of other chitosanmaterials against S. mutans at around neutral pH
has been reported. High and low molecular weightchitosan were reported to have MIC and MBC of afew mg/mL11), the MIC of water-soluble chitosan
was found to be 1.25 g/L12). The antibacterial
activity of DCPs demonstrated that expanding thespecific surface area of DCPs by particulation
provided a greater number of interaction points
between the free amino groups of the DCP surface
and the negatively charged cell wall of S. mutans.
In contrast, chitosan nanoparticles displayedsuperior antibacterial activity28), however
chitosan nanoparticles prepared by ionicgelation have been reported to show poor
reproducibility
and
there
is
limitedphysicochemical understanding of the particle
formation, which has inhibited their biomedical
application29).
Because of its superior antibacterial activity
over the other formulations, DCPs-1.0 was
selected for the study of the effect of lysozymes
on antibacterial activity and polysaccharide
adhesion of S. mutans, and the polishing effectof stainless steel discs.
3.3 Influence of lysozymes
Figure 4 shows the antibacterial activities of
DCPs-1.0 (particle concentration: 0.1 wt%)
against S. mutans under the influence oflysozymes in artificial saliva. The lysozyme
concentration (11 mg/mL) used was based on theconcentration of lysozyme in saliva secreted asa result of stimuli30). The viable cell counts ofS. mutans in the control sample showed littlechange over 24 h, with or without lysozymes. In
the presence of DCP, the viable cell counts of S.
mutans gradually decreased over the first 8 h, andwere also not detectable after 16 h, with orwithout lysozymes. In general, chitosan can bedegraded to D-glucosamine by lysozymes5)6).
Moreover, the low molecular weight chitosan andchitosan oligosaccharide that the lysozyme
produces as degradation products of chitosan,
show greater antibacterial effect, owing to theirincreasing
solubilityinwater31).
The
combination of chitosan and lysozyme showed
antibacterial effects against S. mutans comparedwith chitosan only6). This inhibitory effect isthought to be derived from the products ofchitosan degradation by lysozyme or independent
inhibitory effect of chitosan and lysozyme.
DCP-1.0 was difficult to degrade using lysozyme,
which is attributed to the particle shape. Basedon these observations, lysozyme is not thought toaffect the antibacterial activity of DCP-1.0.

Figure 4. Influence of lysozymes in artificial
saliva on the antibacterial activity of DCPs-1.0
against S. mutans. The change in viable cell countof S. mutans, with (+) or without (−) the additionof 11 mg/mL lysozyme, for the no chitosan sample(control) and the DCPs-1.0 sample is shown. All
measurements were performed in triplicate, andthe mean and standard deviation were calculated.
The error bars indicate one standard deviationfrom the mean.
3.4 Inhibition of polysaccharide adhesion
Cariogenic bacteria, including S. mutans, form
biofilms known as plaque on the surface of teeth.
In plaque, exopolysaccharide matrix produced by
the cariogenic bacteria fills the extracellularspace among the bacterial colony. Insoluble
glucan produced by glucosyltransferase of S.
mutans is one of the components exopolysaccharide
matrix, and is strongly adhesive. Table 1

34 Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, Vol. 84, pp. 1265-1273 (2020)

summarizes the effect of DCPs and Chitosan-g ontheadhesionofinsolubleS.
mutanspolysaccharides to denture resin discs. DCPs-1.0
showednopolysaccharide
adhesionatconcentrations as low as 0.025 wt%, which were
found to exhibit a little bacteriostatic activity
in Figure 3. Low molecular weight chitosan wasreported to show inhibition of adhesion onhydroxyapatite beads at sub-MIC13). It appears
that the antibacterial activity of chitosan
relates to the inhibition of adhesion, therefore
the viability of S. mutans on glass slide
decreased after treatment with chitosan14).
Although inhibition of the adhesion effect of
DCPs is thought to have the same mechanism, it may
also be that chitosan at a concentration ofbacteriostatic activity or sub-MIC, influences
the production of glucosyltransferase of S.
mutans by interfering with the negatively charged
S. mutans cell wall. The mechanism of chitosan and
DCP inhibition of S. mutans adhesion via
insoluble glucan requires further investigation.

that contained DCPs-1.0 also generated scratches.
However, the scratches appeared to be shallower
than those obtained from treatment with thechitosan-free polishing paste (Figure 5-c). In
contrast, treatment with polishing paste that
contained Chitosan-g generated deeper scratches
than any other treatment. The Ra of the stainlesssteel disc treated with polishing paste
containing DCPs-1.0 was the smallest of all of thediscs (Figure 5-d). Because DCPs-1.0 has a small
size (~1.0 µm), they are likely to absorb theshock of the polishing agent against the toothefficiently. In addition, the intermoleculardistance between the chitosan chains appears to
expand easily because of the positive charge of
the DCPs-1.0 at neutral pH. Therefore, it wassuggested that the DCPs-1.0 had a positive
polishing effect on the surface of stainlesssteel discs.

Table 1. Insoluble glucan content on disc from S.
mutans with control (no chitosan sample),
Chitosan-g and DCPs-1.0.
SampleControl
Chitosan-g

DCPs-1.0

Concentration (wt%)
0.025
0.05
0.1
0.025
0.05
0.1

adherent polysaccharide (µg)
89.0±4.1
7.0±1.99.6±3.2
9.8±0.7
0.0±0.0
0.0±0.0
0.0±0.0

Incubation condition: 37 °C, 24 h. All
measurements were performed in triplicate, andthe mean and standard deviation were calculated.
3.5 Polishing effect
DCPs-1.0 were added to dental polishing paste
to clean, whiten and smoothen dental surfaces32)33).
Figure 5 summarizes the abbreviations ofstainless steel discs treated with various typesof polishing paste and those that were
non-treated. The initial and final surfaces ofthe stainless steel discs were observed bystereomicroscopy, as shown in Figure 5. The
stainless steel discs, which have a similarhardness level to dental enamel (Vickers
hardness: 323), were used for the polishing test.
The rough spots were mostly observed on thesurface of stainless steel discs without
treatment. Treatment with polishing paste
generated scratches instead of removing the roughspots.
Subsequently, treatment with polishing paste

Figure 5. Stereomicroscope images of stainlesssteel discs treated with various types ofpolishing paste and their surface roughness (Ra)(All measurements were performed in quintet, andthe mean and standard deviation were calculated.).
a)original(non-treatment)
disc,b)Disc-non-additive, c) Disc-Chitosan-g and d)
Disc-DCPs-1.0.
4． Conclusion
DCPs were prepared by the phase separation
method using citric acid as the polyvalent anion.
At neutral pH, the prepared DCPs showed highdispersibility. They also demonstrated higher
antibacterial activity than Chitosan-g against S.
mutans, without being affected by lysozymes.
Furthermore, the DCPs-1.0 displayed greater
inhibitory effects on the adhesion of S.
mutans-derived insoluble glucans than Chitosan-g.

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 202035

Finally, the treatment of stainless steel discs
with dental polishing paste containing DCPs-1.0
provided a smoother surface than those treatedwith dental polishing paste without additives.
5． Acknowledgments
This work was supported by JSPS KAKENHI[JP15K21703). We thank K. Okuzono and T. Yamamoto(Daiichi Seimo Co., Ltd., Japan) for theircollaboration on the preparation of DCPs. We
thank Amy Tong, Hayden Peacock, PhD and Srah Dodds,
from Edanz Group (www.edanzediting.com/ac) for
editing a draft of this manuscript.
6． Author Contribution
K. S. and S. N conceived and designed theexperiments. K. S. carried out the experiments
and described the manuscript. S. N. discussed andreviewed this manuscript. T. S. and M. H.
verified the analytical methods. H. I. supervised
the project. All authors approved the manuscript
to be published, and agree to be accountable for
all aspects of the work in ensuring thatquestions related to the accuracy or integrity ofany part of the work are appropriately
investigated and resolved.
7． Disclosure statement
No potential conflict of interest was reportedby the authors.
8． Funding
This work was supported by JSPS KAKENHI Grant
Number [JP15K21703].
This is an electronic version of an article
published in Bioscience, Biotechnology, andBiochemistry [Volume 84., No.6, pp1265-1273,
2020 of publication]. Bioscience, Biotechnology,
and Biochemistry is available online at:www.tandfonline.com/Article
DOI;
10.1080/09168451.2020.1723402.
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この論文は、B.B.B. Vol. 84, pp.1265-1273, 2020に 掲 載 さ れ た 論 文 の 転 載 で あ る 。 DOI:
10.1080/09168451.2020.1723402)

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 202037

10 年大型プロジェクト・くまもと有機薄膜技術高度化支援センターの完結- 熊本県における有機エレクトロニクス事業の展開 永岡 昭二*・松枝 寛**・土村 将範****

材料・地域資源室、** ものづくり室、*** 所長室

Completion of Large Project,”Kumamoto Institute for Photo-Electoro
Organics(PHOENICS)”- Development of Photo-Electoro Organics Project in Kumamoto PrefectureNAGAOKA Shoji*, MATSUEDA Hiroshi ** and TSUCHIMURA Masanori***
2011年4月から続いた「くまもと有機薄膜技術高度化支援センター」(Kumamoto Photo-Electro Organics: 通称PHOENICS)が2021年3月に完結した。本事業は10年間の長期にわたり、熊本県産業技術センターのみならず熊本県や県内の産業界においても大きな地域連携拠点のプロジェクトであった。そこで、くまもと有機薄膜技術高度化支援センターの設立・いきさつから、長期間に及ぶ事業実施における各種研究開発や県内企業等での事業化等の成果の概要について報告する。

１． はじめに
当時、広域的地域産業活性化活動等支援事業（経済産業省）に熊本県の提案が採択され、有機薄膜技術を対象とする産学官のネットワーク形成を推進することとなった。このことをきっかけとして、2009
年2月に九州イノベーション創出促進協議会や九州
半導体イノベーション協議会などと連携し、「有機薄膜研究会」が発足した。東京エレクトロン（株）や平田機工（株）の協力のもと、表1に示すように、月１回程度のペースで研究会が開催された。発会式ではマスコミも参加し、毎回、定員100名を上回る参加

当時の所長の強烈な指導のもと、永岡と入庁直後の材料・地域資源室の城崎氏、その当時、ものづくり室長であった河北氏および県産業支援課担当の田副氏とともに講師と参加者の取りまとめと司会進行
および懇親会の段取りなどに忙殺された。毎回、研究会の終了後、すぐに次回の研究会の参加希望メー
ルが来て、休む間もなく、苦労したのを思い出す。
２．くまもと有機薄膜技術高度化支援センターの設立にむけて有機薄膜研究会が発足した2009年4月に文部科学者(年間1,000名以上)があり、大盛況となった。これは県内には当時、太陽電池メーカーなどが存在し、省が全都道府県に産学官拠点と形成するという目標のもと、リーマンショック後の追加経済対策の一環

太陽電池や有機ELなどへの関心が高かったことを物語っている。

として、2009年度補正予算案に695億円を計上した（図１）。科学技術振興機構(JST)が事業主体となる、

表1 事業開始前の地域での新事業への期待

いわゆる“地域産学官拠点整備事業”である。プレス発表後、当時の所長と県産業支援課長の指導のも2009  

と、当県も本事業に申請することとなった。
当時の活動記録を図２に示す。マスコミへのプレ-2009 26

1452009 316

1642009 428

159

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ス発表後5月の連休明けに、城崎氏と共に当時福岡市にあったJST福岡プラザに情報収集のため、赴いた。
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2009 612

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2009 710

1052009 87

10920091023

111

半導体産業に替わるものとして、太陽電池や有機ELの開発およびその周辺技術を主題とした有機薄膜研

-

-

-

さらに同月28日にJSTから数名熊本県庁に来庁され、本事業の詳細説明があった。熊本県の特徴としての究会の開催実績をもとに有機薄膜技術にかかわる電子デバイス関連のプロジェクト内容で申請することとなった。当初の予算計上額は20億円。膨大な申請

38 【特別報告】10年大型プロジェクト・くまもと有機薄膜技術高度化支援センターの完結

書の素案は永岡（技術関連部分の担当）と田副氏（行政関連部分の担当）で記載し、所長による監修のもと、作り込みを行い完成させ同年8月20日に提出した。

図１

３． 事業ヒアリングと採択、民主党への政権
交代、そして予算減額
提出の半月後となる9月6日JST本部でのヒアリン
グ資料も我々で完成させた。熊本大学と熊本県と熊本県工業連合会との共同申請であったため、ヒアリ
ングには当時の県商工観光労働部長、所長、産業支援課長、熊本県工業連合会の幹事長と熊本大学イノベーション推進機構の教授が参加し、永岡と田副氏も同席しJST本部において実施された。このヒアリン
グの直前、県東京事務所において商工観光労働部長と所長がプレゼンの練習を何度も行い、本番に臨んだことを記憶している。
特に、当時は民主党への政権交代の時期であった（2009年9月16日）ため、JSTの副理事から「地域産学官共同研究拠点整備事業の予算がどうなるかわか
らないが、当初の計画通り、ヒアリングを受けてください」という言葉があったのが印象的だった。ヒ
アリングは9月6日で、10月初旬には採否がわかるという当初の日程であったが、9月16日に政権交代となり、採否は延期されたものの12月4日には正式採択が決定した。最終的に、当初の国の全体予算695億円から263億円に削減された。県の当初の計画では、予算20億円を計上し、この予算の中で研究棟も整備する

平成 21 年 4 月 23 日熊本日日新聞の記事a%

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熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 202039

予定であったが、政権交代の影響で建物以外の機械・設備のみ事業費として認められるということになり、実際の採択額は8.3億円に減額された。
そして、翌年は1年間かけて、機械・設備36機種の導入を進めた。好都合であったのは、当時、当セン
ターは県予算24億円をかけて新館建設中であり、センターリニューアルに向けた建屋の新築工事が行われていたことである。県財政が厳しい中、JSTから交付決定となった設備・機器導入のための8.3億円の事
業予算は、当センターにとっては恵みの雨であったのは間違いない。
４． 2011 年 PHOENICS 設立と運営
2011年3月、熊本県、熊本大学並びに熊本県工業連
合会が共同で次世代太陽電池である有機系太陽電池
やエレクトロルミネッセンスおよびその関連周辺部
材・プロセスに基づいて地域産業が新たなビジネス
チャンスを見いだすことを目的とし、産学官連携体制を整備するための「くまもと有機薄膜技術高度化支援センター」(Kumamoto Photo-Electro Organics:
通称PHOENICS)が産業技術センター内に設立された(図3)。本センターは技術高度化支援、産学官共同
研究、人材の育成、ネットワーク形成、研究成果の普及をミッションに国内外の機関と連携しながら、技術移転を行う研究拠点を目指す。組織としては、拠点強化担当、研究推進担当、実用化支援担当、広報連携マーケティング担当、知財・技術動向調査担
当からなる経営企画委員会を設置し、年に４回程度開催し、運営を行った。研究推進担当においては、熊本大学を中心として、材料開発ユニットとプロセス開発ユニットの研究ユニットを組織し、微粒子応用、機能薄膜、ナノカーボン、界面創製、光機能創
出、成膜プロセス、薄膜の特性評価、インクジェッ
ト開発、OLED実用化からなる９つのプロジェクトを推進している。プロジェクトにおける研究人材は、センター長（当時の熊本大学学長：谷口功氏）により、企業、大学、公設研究機関のうち、有機エレク
トロニクスに関連する材料分野やプロセス分野に携わってきた研究者・技術者をPHOENICS連携研究員として、当センターの材料・地域資源室の職員の一部、4名も含む29名が委嘱された。
永岡は、研究推進担当であったため、年4回開催される経営企画委員会のたびに、熊本大学、崇城大学
および九州大学に所属する29名の連携研究員全員の論文、特許、学会報告件数の業績を調査し、とりまとめを行った。とりまとめ作業が煩雑で苦労したが、5年間での29名の連携研究員の実績は、論文101報、特許42報、国内外学会の件数528件にのぼり、多くの業績をまとめ上げることができた。
一方、くまもと有機薄膜技術高度化支援センター
は設備・機器の拠点でもあり、この拠点に優秀な人材を招聘するということで、PHOENICS設立に少し遅れて、文科省の5年間プロジェクト“地域イノベーシ
ョン戦略支援プログラム”にも採択された。このプ
ログラムの中で、熊本大学、崇城大学および九州大学において、6名のポスドク研究員（現産業技術セン
ター職員：吉田氏も含まれる）が招聘された。このプログラムの中で彼らには業績ノルマがあり、5年間で、6名で論文数40報、特許出願件数が16件とそれぞれの目標値があった。特に、論文数の目標値をクリアするのにはたいへん苦労した。参加する大学間で

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40 【特別報告】10年大型プロジェクト・くまもと有機薄膜技術高度化支援センターの完結

格差が生じており、思うように論文の実績数を伸ばせず、最終的には熊本大学研究ユニット長のご尽力もあり、最終年度の3月(2016年3月)の事業終了間際に、目標値42報とクリアすることができた。
５． PHOENICS のミッションとその意義
研究推進ユニットの業績＝100%実用化とはなかなかいかない。しかしながら、本事業では図４のような地域企業における産業振興体制を産学官連携で構築しており、研究推進ユニットの中からくまもと有機エレクトロニクス産業促進協議会へと成果を移行して実用化させたものもある。例として、数種のイ
ンクジェット成膜装置、ミストを用いた回転型大気圧成膜装置、塗膜材、表面処理材、遮光材料、研磨材の開発などの事業化実績を生み出している。
（図５～10参照）
また特筆すべきこととして、PHOENICSのミッションの一つに実用化研究による地域産業への貢献だけ
でなく、2011年に産業技術センターに導入した36機
種の装置を活用した企業支援への貢献など、地域企業に対する経済波及効果も期待されていた。たとえば、電界放出型走査型電子顕微鏡のように、年間1,000時間の利用実績を超える機器もある。これらの導入機器・設備の活用により、品質管理・工程改善でも恩恵を受けた企業はたいへん多いと感じる。また、いくつかの企業において、あるいは弊所においても技術者・研究者の雇用が生まれるなど、人材育成に対する波及効果も極めて大きかった。さらにPHOENI
CSのプロジェクトをもとにして、新たな競争的研究資金などの研究資金の獲得および産学、学官、産学官、産産連携などによる共同研究の場となり、本事業の県経済への貢献度は極めて高かったと考える。
６． 今後の地域企業への貢献に向けて
今後、コロナ禍の中でどんな新たな技術や事業が将来必要となるか正確な予測は難しい。本事業の 10
年間は PHOENICS 関係者を中心に大きな苦労はあったが、新技術や事業への挑戦にセンターが本庁と密接に協力し意欲的に実行できた。その結果として、機器・設備にも恵まれた。しかし、PHOENICS の装置・設備も 10 年経過し、使いこなしたが故に、経年劣化が生じているのは否めない。今後のセンターの技術
ポテンシャルの維持、機能強化のためにも、新たな試みも必要であると考える。若い職員にはモチベー
ションを高く維持し、将来のストラテジを描いてもらいたい。研究業務と指導業務は表裏一体。熊本県
産業技術センターのポテンシャル維持は将来のセンターの機能強化にも繋がる。また、研究機関として

図４ 有機エレクトロニクスに関する地域での産学官推進体制

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 202041

のポテンシャル維持は将来のセンターの優秀な職員
採用にも大きくかかわる。ポテンシャル維持のためには、各個人、個人の日ごろの努力が大切であり、それが将来にも繋がり、熊本県の産業支援に直結すると考える。また、“組織が人を創るのではなく、人が組織を創る”ということが重要と考える。その際は、県庁関係各課の協力も不可欠で、国の動向など、新しい情報をキャッチして、産業技術センターと連携しながら、さらなる協力をお願いしたい。

謝辞
本事業の完結に際し、当時の商工観光労働部長の中川芳昭様をはじめ、元産業支援課の田副勝裕様、
元産業技術センター所長柏木政弘様、同次長奥薗惣幸様、同技術次長河北隆生様並びに元産業支援課長
高口義幸様に深く感謝申し上げます。

図５ 放熱材料の開発(オジックテクノロジーズ、熊本大学、産業技術センター)

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図６ インクジェット装置の実用化事例(KIT-CC)
42 【特別報告】10年大型プロジェクト・くまもと有機薄膜技術高度化支援センターの完結

F図７ パワー半導体錬磨液の共同研究・実用化事例(濱田重工、熊本大学、産業技術センター)

図８ Roll to Roll 成膜技術による PEDOT/CNF 遮光中間膜〜環境省プロジェクトにおける成果

熊本県産業技術センター 研究報告書 No.56. 202043

特願 2013-033503, 特許 6137611 号

図９ 従来にない回転型ミスト CVD 装置の開発(オジックテクノロジーズ、熊本大学、光栄、産業技術センター)(a) 山鹿灯籠用有機 EL 照明(ヒューマン)(b) 有機ＥＬ棚下照明(テクノ・ラボラトリ) (c) 有機ＥＬ照明(天草池田電気)(d) 高照度光療法補助器具(ヒューマン) (e) ｲﾝｸｼﾞｪｯﾄﾏﾙﾁﾌﾟﾘﾝﾀｰ(KIT-CC) (f) 耐震性超軽量照明(サック、オオクマ電子)(g) 医療用有機 EL コントローラー・WL 発光ユニット(プレアデステクノロジー)(h) 有機 EL インテリア照明(オオクマ電子)

図 10 県内企業等による有機薄膜関連技術を活用した施策・製品化等の例(抜粋)44 【特別報告】10年大型プロジェクト・くまもと有機薄膜技術高度化支援センターの完結

編集委員会
委員長
委 員

土村 将範
松尾 英信
渡辺 秀典
松枝 寛
前田 和輝
吉田 恭平
龍 直哉
吉川 聡一郎
田中 亮一

熊本県産業技術センター研究報告 第 56 号 令和２年度
編集・発行 熊本県産業技術センター〒862-0901 熊本市東区東町 3-11-38
TEL: 096-368-2101（代表）FAX: 096-369-1938

発 行 者：熊本県
所

属：熊本県産業技術センター

発行年度：令和３年度