研究班番号【 100 】

酸の選定によるカゼイン生分解性プラスチックの耐久性向上
生物班：西向 虹大、霜山桂一、表 宏樹

１．はじめに
近年、海へ大量に流出したプラスチックごみによる生態系の破壊が社会問題になっている。
このようなプラスチックごみによる環境問題を解決するために、現在世界各国で使用が検討されているのが「生分解性プラスチック」である。しかしながら、生分解性プラスチックには問題点が多く、あまり世の中に普及していない。その中でも、生分解性プラスチックが普及しない大きな原因として挙げられるのが「耐久性の欠如」である。そこで、我々は生分解性プラスチックの耐久性を向上させることが、生分解性プラスチックを普及させ、環境問題の解決に役立てられると考え、研究を行った。

２．実験方法カゼインプラスチックは、粉末状のカゼインに酸を加え、加熱・乾燥させることによってできる生分解性プラスチックである。このとき加える酸は酢酸が一般的である。我々は、加える酸の濃度・種類を変えることで、カゼインプラスチックの耐久性を変化させることができるのではないかと考え、加える酸と耐久性の関係を調べる実験（実験 1）を行った。また、加える酸を調整したことによって熱への耐久性・分解性に影響を及ぼす可能性があると推測したため、実験 1 で耐久性の高かった 2 種類のプラスチックを対象に、熱耐久性と分解性をはかる 2 つの実験（実験 2・3）を追加で行った。
（１）実験 15.0g の粉末カゼインに 5%酢酸を 10ml 加え、混ぜ合わせた。これを一定量タピオカドリン
ク用ストローに詰めて棒状に形成し、熱湯で湯せんした後、１週間以上乾燥させることで、カゼインプラスチックを作成し、落下による耐久実験を行った。実験では、まず 1.0m を落下開始位置として、以降その位置を 10cm ずつ高くしプラスチックを落下させた。落下は 3 回 1セットとしてそのうち 1 度でも目測 5％以上の破損が見られた場合、その位置の高さを記録した。同様の実験を、加える酸を 10%酢酸,20%酢酸,50%酢酸,3.5%塩酸,5%塩酸,7%塩酸に変えて行った。
（２）実験 2
実験 1 と同様の手順で 10％酢酸と 20％酢酸をそれぞれ加えたカゼインプラスチックを作成した。作成したプラスチックを常温の水を入れたビーカーに入れ、水温をはかりながら加熱した。70℃までは 10℃毎に、70℃以降は 5℃毎にビーカーからプラスチックを取り出し、感触を確認した。手で容易に曲げられるほど柔らかくなったら加熱をやめ、その時点の水温を記録した。この実験を、10％酢酸で作成したプラスチックと 20％酢酸で作成したプラスチッ
クでそれぞれ 3 回ずつ行った。

（３）実験 3
実験 1 と同様の手順で 10％酢酸と 20％酢酸をそれぞれ加えたカゼインプラスチックを板状に薄く成形し、1cm2 ほどになるように切り取り、乾燥させた。これを日向で湿った場所から採取した土に埋め、温度が 20℃で一定の人工気象機で放置した。1 週間ごとにプラスチックを取り出し、分解の様子を観察した。

３．結果（１）実験 1
今回プラスチックを作成する際、タピオカドリンク用ストローに詰めるカゼインの量が不均一であったため、長さを揃えることができなかった。そこで、単純にプラスチックが砕けた高度ではなく、他の方法で評価を行うこととした。
3耐久高度(m)2.521.5
10.50

グラフ 1.10％酢酸を加えて作成したカゼインプラスチ
012345
プラスチックの全長(cm)

6ックの全長と砕けた高さ（耐久高度）の関係

今回我々が注目したのはプラスチックの砕けた高さ（＝耐久高度）とプラスチックの全長との関係である。上記のグラフが示すように、この 2 つの要素には反比例の関係があると考察できる。反比例の関係にある 2 つの要素の積をとれば一定の値を得ることができるため、プラスチックの全長（cm）と耐久高度（m）の積を耐久値とし、この値を用いて実験結果の評価を行った。
評価した結果は表 1 のようになった。10％酢酸を用いた場合が最も耐久値が高くなり、次いで 20％酢酸を用いた場合が高くなった。塩酸を用いた場合は濃度に関係なく固まらなかった。

酸

5%酢酸

10%酢酸

20%酢酸

50％酢酸塩酸

平均耐久値

4.04.94.44.0

固まらなかった

表 1.加えた酸ごとの平均耐久値（２）実験 2評価した結果は表 2 のようになった。2 種類のプラスチックの柔らかくなった温度（＝耐久温度）の差は 5℃だった。

使用した酸

10%酢酸

20%酢酸

耐久温度の平均値（℃）

82.587.5

表 2.酸の濃度と熱への耐久性の関係（３）実験３
放置後 2 週間時点で 20%酢酸を用いて作成したカゼインプラスチックのほうが 10%酢酸のものより分解が進んでいるのが確認できた。

図 1．（左）放置前のカゼインプラスチック（左:酢酸 10％、右:酢酸 20％）
図 2．（右）2 週間放置後のカゼインプラスチック（左:酢酸 10％、右:酢酸 20％）

４．考察
実験 1 から高濃度の酸を加えても耐久値が下がる場合があること、塩酸を加えるとそもそもプラスチックが凝固しないことが分かった。このような結果になった原因について、カゼインプラスチックのメカニズムから考察する。カゼインプラスチックはカゼインコロイド粒子の負の電荷を酸の H＋が打ち消すことによってカゼイン同士が結合し、その後構造中に含まれる水を取り除くことによって生成される。私たちは、このプロセスの中で H＋がカゼインの負の電荷を打ち消すところに注目し、カゼインには凝固に最適な pH が存在しており、その pH に近い酸を加えたことで耐久値が高くなったと考察した。つまり、塩酸や高濃度の酸を用いても耐久値が低かったり、凝固しなかったりした原因は塩酸や高濃度の酸の pH がカゼイン凝固の最適 pH から大きく離れていたことだと考察した。また、20％酢酸を用いて作成したカゼインプラスチッ
クのほうが分解が速かった原因に関してもこの考察から、20％酢酸の pH がカゼインに最適な pHからやや離れており、その結果カゼインの電荷に偏りが生じることによって結合が弱まって結合が切れやすくなり、分解が速まったと考察した。一方、熱への耐久性については、プラスチックを水から取り出すのが水温 5℃上昇毎であったのに対し、濃度による耐久温度の差が 5℃であったことから、酸の濃度による差があまりなかったといえるため、耐久値・分解速度のような pH による影響は小さいと推測される。

５．結論
今回の目標であった、酸の選定によるカゼイン生分解性プラスチックの耐久性の向上は、カゼインの凝固に最適な pH の値に近い pH の酸を用いることで可能である。また分解速度に関しても耐久性と同様に、加える酸の pH を調整することで操作できると考えられる。

６．展望
今回の研究ではカゼインプラスチックの熱への耐久性を操作することができなかった。今後は、加える酸の pH を操作する以外の方法についても検討したい。

７．参考文献ならびに参考ウェブページ
（１）xpower 著 『生分解性プラスチックの課題と問題点！メーカーの事情は？』（2019 年 11 月 26 日更新）
＜https://team-supporter.com/3581.html＞（2019 年 6 月 12 日閲覧）
（２）ねこめいか著 『牛乳と酢だけでできる！？「牛乳から作るプラスチック」』（2016 年 3 月 15 日更新）＜http://blog.livedoor.jp/nekomeika/archives/2156824.html＞（2019 年 6 月 12 日閲覧）