特別企画 2

生分解性プラスチックの生分解機構と分解（開始・速度）制御技術～ポリ乳酸の本格的実用化時代の到来～
元京都工芸繊維大学

Mochizuki Masatsugu

望月政嗣

元特任教授、工学博士、高分子学会フェロー。専門は高分子材料科学、特にバイオプラスチックや生分解性高分子、高分子の高性能・高機能化材料設計と成形加工技術、繊維・不織布の構造と物性。京都大学工学部助手を経てユニチカに入社。テラマック事業開発部長などを歴任。2007年から京都工芸繊維大学繊維科学センター特任教授（常勤）として 5年間勤務。この間、日本バイオプラスチック協会（JBPA）識別表示委員会委員長、（社）繊繊学会理事関西支部長などを歴任。繊維学会功績賞、日経BP技術賞、その他を受賞。著書に「生分解性ポリマーのはなし」（日刊工業新聞社）など多数。
E-Mail：mmochizuki@vega.ocn.ne.jp

地球の自然生態系の存続を危うくする地球温暖化ガスや海洋プラスチック汚染問題が顕在化した今日、生分解性プラスチックは、本格的な実用化時代を迎えようとしている。
では、既存の石油系プラスチックや合成繊維・不織布を代替えしていく上で、真にその任務に耐え得る本命素材は何か。
近年、数ある生分解性プラスチックの中で、ポリ乳酸（PLA）生産設備の新設や増産計画が相次いでいる。それは、非酵素分解（加水分解）型のPLAが生分解性プラスチックであるにもかかわらず、長期使用耐久性や抗菌・防カビ性を発現し得るからだと考えられる。
本特別企画では、PLAの本格的な実用化時代の到来を裏付ける、PLAの分子論的基礎について平易に解説する。

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する。そして、その分解（開始・速度）制御機構やはじめに技術と共に、それら素材が発現する性能・機能に筆者はユニチカ（株）中央研究所在籍中の 1986

ついてもあらゆる側面から徹底的に検証する。そ

年頃から今日までの約 37年間、生分解性プラスして、非酵素分解（加水分解）型のPLAが生分解チックの理想の化学構造を求めて基礎・応用研究性プラスチックであるにもかかわらず、長期使用から技術・事業開発までを産学両分野にわたり先耐久性や抗菌・防カビ性を発現し得る分子論的基進的に取り組んできた1）～ 11）。旧来の既成概念・礎について可及的平易に解説したい。

価値観を根底から覆す真に革新的な新素材・技術①酵素分解型…（R）-3-ヒドロキシ酪酸と（R）がたどる社会的認知度曲線からすれば、生分解性-3-ヒドロキシヘキサン酸をモノマーとする共重プラスチックは 1980年代の「黎明期」から新規性合ポリエステルP（3HB-co-3HH）（PHBH）が喧伝される過度な期待ピークの「流行期」（2000年代）を経て、その後技術改良やコスト低減、さらにはインフラや法的整備に時間を要する「幻滅②非酵素分解（加水分解）型…PLA

生分解性プラスチックの生分解機構期」（2010年代）に入った。しかし、私たちの棲む生分解性プラスチックの生分解機構には、表 1

地球の自然生態系の存続を危うくする地球温暖化に示すように決定的に異なる2つの生分解機構、酵ガスや海洋プラスチック汚染問題 12）、13）が顕在化

素分解型と非酵素分解（加水分解）型が存在する 2）。

した今日、再びその存在意義と役割が正しく見直

酵素分解型とは微生物が分泌する分解酵素によりされ、今後本格的な実用化時代を迎えようとして材料表面から分解が進行する（surface erosion）タいる。

イプであり、PHBHなどの微生物産生ポリエステ

しかし、既存の石油系プラスチックや合成繊維・ルに代表される。一方、非酵素分解（加水分解）型不織布を代替えしていく上で、真にその任務に耐は合成高分子のPLAに代表される特異的な 2段階え得る本命素材は何なのか。今、私達に問われて2様式の生分解機構から構成される 14）。PLAの加いるのは、その正しい素材選択と材料・製品設計

水分解を促進する微生物（分解酵素）は自然界には技術である。近年、数ある生分解性プラスチック存在せず、第一ステップでPLAの化学的加水分の中でもポリ乳酸（PLA）の世界的な新設・増産解による分子量低下を主導するのは単なる水分子計画が相次いでいるが、なぜPLAが選択されるであり、強度保持率がゼロとなるレベルまで加水のか。

分解が進行すると全体的にグシャと形状崩壊

本稿では、生分解性プラスチックの正しい素材（bulk degradation）と砕片化を起こし、そこで生選択と材料設計に資するために、まず生分解性プ成する水溶性モノマーやオリゴマーは第二ステッラスチックに存在する決定的に異なる 2つの生分プで微生物菌体内に取り込まれて資化・代謝（生解機構、すなわち酵素分解型と非酵素分解（加水分解）される。

分解）型について、具体例として下記 2種類の代したがって、非酵素分解（加水分解）型の分解指表的素材を取り上げることにより懇切丁寧に解説

標としての重量減少、分子量低下や強度保持率の測定が可能であるのは第一ステップに相当する分

表1 生
 分解性プラスチックの生分解機構（分解初期～中期）
酵素分解型

非酵素分解型（加水分解型）

PHA（PHBH他）

PLA

分解サイト

表面

表面～内部

重量減少

あり
（分解指標）

なし

表面形状

凹凸

平滑

分子量低下

ほとんどなしあり（分解指標）分解様式

表面分解（surface erosion）

塊状分解（bulk degradation）

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材解の初期～中期過程であり、第二ステップ以降の後期課程においては全体的に形状崩壊を起こし被検試料の欠損や汚染物質の付着・混入は避けられず正確な測定は困難となる。
表 1 に示す通り、これら 2つの相異なる生分解機構の間には共通の分解指標は 1つもないことに注目していただきたい。すなわち、酵素分解型の分解指標は重量減少であるのに対し、非酵素分解特別企画２

生分解性プラスチックの生分解機構と分解（開始・速度）制御技術（加水分解）型は分子量低下が指標となる。
1 . 分解サイト
酵素分解型とは微生物が分泌する分解酵素により分解が進行するタイプであるが、微生物は言うに及ばず酵素も巨大な高分子であるところからして、基質である樹脂マトリックス内部へ浸透・拡散することはできず、分解は必然的に材料表面からしか進行しない。一方、非酵素分解型（加水分解型）の分解の主役は小さな水分子であるところ

酵素分解型

非酵素分解（加水分解）型

写真 1 分 解（初期～中期）過程における重量減少と表面形状のイメージ標本からして、樹脂マトリックス内部へ浸透・拡散す度保持率が実質的にゼロとなるMn が 1万のレベルることが可能であり、分解は表面のみならず内部まで加水分解が進行すると全体的にグシャと形状からも進行する。

崩壊（bulk degradation）を起こし、そこで生成す

2 . 重量減少と表面形状

る水溶性モノマーやオリゴマーは微生物菌体内に酵素分解タイプにおいては、微生物が分泌する分解酵素が基質である材料表面にとりつき加水分取り込まれて資化・代謝（生分解）され、最終的には完全に分解消滅する。

解を促進することによりモノマーあるいはオリゴ以上より、重量減少速度は酵素分解型の直接的マーレベルまで容易に低分子化され、分解産物はな分解指標とはなり得ても、非酵素分解型の分解微生物菌体内に取り込まれて重量減少が顕著に進指標とはなり得ない。しかるに、PLAの土中や行する。その結果、写真 1左に模式的に示すよう海水中での分解試験において 1 ～ 3年後の重量減に浸食された材料表面には凹凸形状が形成される少がゼロであることを論拠に、「PLAは土中や海（surface erosion）。

水中では分解しない」との言説が一部に存在する

一方、非酵素分解型（加水分解型）は材料表面おが、これが果たして正しいか否かは後述の 3年半よび内部に存在する単なる水分子による化学的加にわたる土中分解試験（図 4 ）のところで検証する。

水分解であり、第一ステップの分解の初期から中

3 . 分子量低下期にかけて重量減少は全く観察されず、写真 1右

酵素分解タイプは材料表面から分解が進行し分に模式的に示すように材料表面はあたかも全く分解産物は順次表面から削りととられ除去されてい解されていないかのような平滑な表面形状を維持

くところから、残された被検試料は未だ分解がほしている。試験材料の重量減少が観察されるため

とんど進行していない部分であるため、分子量低には、材料内部から系外への拡散、溶出が可能な下はほとんど認められない（分解途上の部分が若水溶性モノマーが生成され始める第二ステップ以干含まれるところから若干の分子量低下は認めら降まで分解が進行しなければならないが、この段れる）。

階では試験材料は形状崩壊と砕片化を起こすためそれに対して、非酵素分解タイプの重量減少はに被検試料の採取並びに測定は困難であることは全く認められず表面も平滑のままで、見かけ上はすでに述べた。

全く分解していないかのような様相を呈している

ポリマーは分子量の異なる分子の集合体であるが、このタイプの代表例であるPLAの水溶性モが、加水分解は材料内部でも着実に進行するとこ
ろから分子量の低下は顕著である。

ノマーやオリゴマーが生成され始めるレベルは数以上より、分子量低下は非酵素分解型の直接的平均分子量Mnで3万以下である。後述するように、な分解指標となり得るが、酵素分解タイプの分解PLAが自然環境下（土中あるいは海水中）で重量指標とはなり得ない。

減少を招来する水溶性モノマーやオリゴマーが生

4 . 生分解性の評価指標成されるレベルまで加水分解が進行するには少な

ところで、上述の分解性指標としての重量減少

くとも 4年程度の年月を必要とする。その後、強や分子量低下は、そのまま生分解性の指標とはな

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