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炭素クラスターの効率的合成と化学変換

その結果ヘテロDiels-Alder反応によりクロマン誘導体の他ジヒドロチオフェン、チオフェン誘導体の合成、またシロキシジエンとのDiels-Alder反応をもとにカルボニル誘導体の合成法を開発した。2)石川・山中らは合成したシリコンクラスレート化合物の構造・物性の検討を進め(Na,Ba)_XSi_<46>で超伝導性を発見した。3)伊藤らは有機金属反応剤により新規有機ケイ素官能基を持つC60誘導体を合成しそのCVや反応性を検討した。また共同研究によりこの誘導体を用いて薄膜形成に成功した。4)市川らは微細孔内にフラーレンを担持しこれを用いてプロピレンなどオレフィンの選択的光酸化反応に成功した。5)西村らはベンゾシクロブテン誘導体とC_<60>との付加反応に成功し、またニトレン付加、フラロール誘導体合成およびこれらの物性の検討を進めた。6)山本らはC60,C70の部分構造をもつ非平面型縮合芳香族[5][5]および[7][7]サ-キュレンの合成検討を行って重要中間体の合成に成功した。7)辻らはジスピロ[2.2.2.2]デカ-4,9-ジエンとC60の1:1付加体やキラルC60誘導体を合成し構造検討を進めた。フラーレンはユニークな分子形態と縮合多環式芳香族電子構造に基ずく熱力学的安定性、曲面電子構造に基ずく反応性が期待できその新規機能性材料としての可能性は非常に大であると考えられる。本研究ではフラーレンおよびその曲型元素同族体の効率的合成・分離法を検討しC_<60>を中心に反応性、化学変換法、誘導体合成法を検討し、これらの物性、化学反応性、生理活性などについても検討を進め新機能性材料開発の基礎的研究を押し進めることを目的としている。本年度の研究実施計画にそって検討した結果を以下各項目毎に要約した。1)江口らはC_<60>の各種複素環縮合および連結系を設計し、複素環キノジメタンルート、ヘテロDiels-Alderルート、新たに見出した酸化的〔2+3〕ルートによる一連のフラ-ロ複素環誘導体の合成法を開発した。2)石川・山中らは新規シリコンクラスレート、層状シリコンクラスター(Ba,M)_XSi_<46>やBa_5Si_<46>の合成に世界で初めて成功し、これらが超伝導性を有することを発見した。これらはそのユニークなケイジ構造により大気にも安定な新型超伝導材料として注目される。3)伊藤らはパラジウム、白金錯体の合成とこれらが種々の支持配位子を持つ錯体誘導体合成に有用であることや白金イソニトリル錯体ではPt-C結合への新規な挿入反応を見出した。シリルメチルマグネシウム試薬との反応で1,2-および1,4-付加体の選択的合成とSi原子上の官能基変換に成功しこれらが種々の機能材料設計に利用可能であることを示した。4)市川らはモリブデンカルボニルクラスターC_<60>複合錯体およびメソポアーゼオライト細孔内導入複合錯体合成に成功し、これらによるプロピレンの選択的光酸化反応やオレフィンメタセシス触媒活性を見出した。5)西村らはベンゾシクロブテン誘導体とC_<60>との付加反応に成功し、また多付加体の選択的合成法として架橋型キノジメタン法を考案して位置選択的ビス付加合成法を開拓し各種フェノール連結型誘導体の合成に成功した。6)山本らはフラーレンの部分構造に関連した非平面型縮合芳香族[5][5]および[7][7]サ-キュレンの合成に成功し、これらのレドックス性を電気化学的に解明した。
面法線検出プロ-ブによる自由曲面形状自動計測システムの試作開発

本研究は昭和63年度および平成元年度の2ヶ年にわたって実施され、以下に示す成果が得られた。1.自由曲面形状モデリングシステムの開発「位置ベクトルと単位法線ベクトルに基づく曲面パッチ補間法」を提案し、それに基づくモデリングシステムを構築した。同補間法は図面、物理モデル、設計者のイメ-ジモデル等による自由曲面計算機モデルの構築を容易にし、また本研究において開発される計測システムにより得られる物理理モデル計測デ-タを補間式に直接用いることを可能とする。2.単位法線ベクトル計測システムの開発「球面抵抗薄膜を用いた面法線検出プロ-ブ」の試作開発を行い、衝突回避機能を有するタッチプロ-ブヘッドならびにプロ-ブ姿勢制御機能を有する電動プロ-ブヘッドと組み合わせてCNC三次元測定機に設置し、三次元測定機ホストコンピュ-タへの面法線検出プロ-ブデ-タの入力を可能とした。3.自由曲面形状自動計測システムの開発計算機モデルデ-タを基にして三次元測定機駆動用デ-タを生成し、三次元測定機より得られるプロ-ブ中心位置デ-タと面法線検出プロ-ブデ-タを検出することにより、物理モデル上の離散点の位置ベクトル値と単位法線ベクトル値の計測を可能とした。4.自由曲面形状評価システムの開発自由曲面を構成する個々の曲面パッチに関して、パッチ上の任意の16点の位置ベクトルと単位法線ベクトルの測定値を基にした曲面パッチ補間形状の評価法を提案し、システムを構築するとともにモデル実験により評価法の有効性の確認を行った。本研究は昭和63年度および平成元年度の2か年にわたり計画されており,本年度の研究において得られた成果は以下のとうりである。1.自由曲面モデリングシステムの開発(青山、岸浪担当)すでに開発済みの加工用モデリングシステムを基礎とした計測用自由曲面モデリングシステムを開発することを当初目的とし交付申請書に記載していた。しかし、本研究を行っていくなかで、加工用・測定用として開発するのではなく、「モデリングは測定評価可能な情報のみを用いて行うべきである」という考え方を提案し、これに基づき独自のモデリングの手法「位置ベクトルと単位法線ベクトルによる曲面補間法」の提案を行った。来年度は提案した曲面補間システムの開発とその有効性の確認を行う計画である。2.面法線検出システムの開発(青山、河合担当)球面抵抗薄膜(TiNi)を用いた接触式面法線検出プローブの試作開発を行い、その測定精度が±0.1deg.であることを明らかにした。3点支持構造を有するレニーショ-TP2プローブヘッドと開発した面法線プローブを結合することにより、プローブと被測定物との衝突を回避する機能と接触時における接触信号発生機能を付加することができた。面法線検出プローブより出力される信号より、被測定物との接触点位置を検出するソフトウェアー(アルゴリズム)を開発した。3.自由曲面形状自動計測システムの開発(青山、斎藤担当)面法線検出プローブ、TP2プローブヘッド、三次元測定機コントローラ、およびマイクロコンピュータをインターフェースを介して有機的に結合し、マイクロコンピュータにより面法線検出プローブと三次元測定機コントローラのデータを収集し、同時にモデリングデータを基に自由曲面形状測定のための三次元測定機の駆動を行うシステムを開発した。本研究は昭和63年度、平成元年度の2ケ年にわたって計画されており、本年度は「自由曲面形状モデリングシステムの開発」ならびに「自由曲面形状評価システムの開発」に関して以下の成果が得られた。1.自由曲面形状モデリングシステムの開発前年度開発した計測システムにより物理モデル(自由曲面形状)上の離散点の位置ベクトルと単位法線ベクトルの測定が可能となり、測定により得られるデ-タ(位置ベクトルと単位法線ベクトル)により適した計算機モデルを構築するため、位置ベクトルと単位法線ベクトルを基にした自由曲面パッチの補間式の提案を行った。

提案した曲面パッチ補間式は2次Bezier式に基づいており、パッチコ-ナ-点の位置ベクトルと単位法線ベクトルを与えることにより,パッチ間において位置ベクトルと接線ベクトルの連続条件を満足する曲面形状を構築できる。また、開発した計測システムにより自由曲面を有する物理モデルを測定し、その測定デ-タ(位置ベクトル、単位法線ベクトル)を直接用いて計算機モデルを構築することが可能となった。2.自由曲面形状評価システムの開発自由曲面形状物理モデルの測定評価法として、位置ベクトルと単位法線ベクトルに基づく独自の評価関数を用いた2段階評価法を提案した。2段階評価法では計算機モデルを評価基準形状とし、第1段階において測定点の評価を行い、第2段階において補間形状の評価を行う方法を示している。
EDTAを用いるバライト(BaSO_4)の新しい湿式処理

バライト(BaSO_4、重晶石)はバリウム(Ba)の主要原料鉱石であり、現在、その処理法としては1000°C以上で炭素還元する乾式法が用いられている。また、この方法は副生する硫化物の処理が必要なことから、より省エネルギーで環境負荷の小さな新しい処理法の開発が望まれている。本研究はこれらの問題を解決するため、EDTAを用いてバライトからBaを直接浸出し、Ba-EDTA錯体の解離反応を利用して、Baを形態及び粒径を制御した高付加価値の原料粉末として回収することを目的とし、浸出及び回収実験を行った。〈2段法〉pH12に調製した0.08M EDTA浸出駅に国産バライトを投入して得たBa浸出液に01.2MのNa_2SO_4あるいはNa_2CO_3を加え、封管中90200°Cで020時間反応させ、生成した沈殿物をSEM観察し、XRDにより同定した。Na_2SO_4を添加した場合には針状あるいは柱状粒子が生成し、180°C以上では比較的単分散であったが、90°Cでは多分散となった。180°C以上では反応開始時にすでに粒径の小さな針状粒子が生成し、昇温途中で均一核形成が起こることが分かった。また、Na_2SO_4濃度が低下するとアスペクト比の高い針状のBaSO_4粒子が生成したことから長軸方向の成長速度大きいことが示唆された。[Ba^<2+>]=0.012M、[SO^<2->_4]/[Ba^<2+>]=17.7、180°C、4時間ではほぼ均一な針状BaSO_4粒子が生成し、Ba回収率は95.4%に達した。〈1段法〉中国産バライト、00.02M EDTA及び0.41.2M Na_2CO_3を封管中で混合し、2段法と同様に実験を行った。生成粒子はEDTA共存下では柱状であり、Na_2CO_3濃度が増加すると六角柱状粒子が生成した。また、かき混ぜにより粒径のそろった六角柱状粒子が得られた。しかし、EDTA非共存下では不定形あるいは斜方晶形状粒子が生成した。残さはBaCO_3と未反応バライトとの混合相であった。本研究はこれらの問題を解決するため、EDTAを用いてバライトからBaを直接浸出し、Ba-EDTA錯体の解離反応を利用して、Baを形態及び粒径を制御した高付加価値の原料粉末として回収することを目的とし、初年度は浸出実験を行った。pH12に調製した0.08M EDTA

浸出液250cm_3を三つ口フラスコ中に取り、かき混ぜながら水浴中で昇温し、所定温度に達した時に国産バライトを投入し浸出を開始した。所定時間毎にスラリーを採取し、孔径0.2μmのメンブランフィルターで濾過し、濾液中のBaを定量した。かき混ぜ速度800rpmにおける浸出速度は温度が高いほど大きく、高温ほど浸出に有利であった。また、かき混ぜ速度800rpm以上では、浸出速度のに対する影響が見られなかったことから、本実験温度範囲では、浸出は反応律速と考えられる。浸出後のバライトのSEM観察から、浸出の進行にともない粒子に細孔ができるため、単純な未反応核モデルは適用できず、表面積増加を考慮したモデルでも本浸出反応を説明できなかった。浸出は、より活性の高い部位から起こり、浸出の進行にともない活性部位は減少すると考えられる。しかし、表面積は細孔の生成にともない増大するため反応速度は複雑に変化する。そこで、反応速度がe^<c(1-x)>-1にしたがって減少すると仮定することにより、本浸出反応を良好に説明でき、見掛けの速度定数の活性化エネルギーは16.1kcal/molと算出され、化学反応律速として妥当な値が得られた。バライト(BaSO_4、重晶石)はバリウム(Ba)の主要原料鉱石であり、現在、その処理法としては1000°C以上で炭素還元する乾式法が用いられている。また、この方法は副生する硫化物の処理が必要なことから、より省エネルギーで環境負荷の小さな新しい処理法の開発が望まれている。本研究はこれらの問題を解決するため、EDTAを用いてバライトからBaを直接浸出し、Ba-EDTA錯体の解離反応を利用して、Baを形態及び粒径を制御した高付加価値の原料粉末として回収することを目的とし、浸出及び回収実験を行った。<2段法>pH12に調製した0.08M EDTA浸出液に国産バライトを投入して得たBa浸出液に01.2MのNa_2SO_4あるいはNa_2CO_3を加え、封管中90200°Cで020時間反応させ、生成した沈殿物をSEM観察し、XRDにより同定した。Na_2SO_4を添加した場合には針状あるいは柱状粒子が生成し、180°C以上では比較的単分散であったが、90°Cでは多分散となった。180°C以上では反応開始時にすでに粒径の小さな針状粒子が生成し、昇温途中で均一核形成が起こることが分かった。また、Na_2SO_4濃度が低下するとアスペクト比の高い針状のBaSO_4粒子が生成したことから長軸方向の成長速度大きいことが示唆された。[Ba^<2+>]=0.012M、[SO^<2->_4]/[Ba^<2+>]=17.7、180°C、4時間ではほぼ均一な針状BaSO_4粒子が生成し、Ba回収率は95.4%に達した。<1段法>中国産バライト、00.02M EDTA及び0.41.2M Na_2CO_3を封管中で混合し、2段法と同様に実験を行った。生成粒子はEDTA共存下では柱状であり、Na_2CO_3濃度が増加すると六角柱状粒子が生成した。また、かき混ぜにより粒径のそろった六角柱状粒子が得られた。しかし、EDTA非共存下では不定形あるいは斜方晶形状粒子が生成した。残さはBaCO_3と未反応バライトとの混合相であった。
腫瘍に対する免疫不応答機序とその回復

悪性腫瘍は宿主免疫の監視機構に排除されることなく増殖する。この理由としてIL-10,TGFb等の抑制性のサイトカインの影響や、腫瘍細胞のMHC抗原の発現低下等が挙げられている。しかし、これらに該当しない場合も多く、腫瘍に対する免疫不応答のメカニズムには未解明の部分が残されており、この機序解明は腫瘍免疫の理解のために欠くことができない。本研究では、本邦に多いヒトT細胞白血病ウイルス(HTLV-I)感染による成人T細胞白血病(ATL)を対象とする。日本は現在100万入のHTLV-I感染者を持ち、この中から年間600-800人がATLを発症する。ATLの発症には宿主免疫HTLV-Iに対する不応答が関与することが示唆されている。本研究の目的は、宿主の免疫不応答機序を解析し、抗腫瘍免疫応答の誘導方法を開発することである。このため、HTLV-I腫瘍の動物モデルを用いて、個体レベルの抗腫瘍免疫の解析を行う。本年度は、我々がこれまでに作成したラットのHTLV-I感染Tリンパ腫瘍モデルを用いて抗腫瘍免疫の詳細を解析した。この結果、ヒトの場合と同様ラットでもHTLV-I Taxが感染宿主の細胞傷害性T細胞(CTL)応答の主要な認識抗原になっており、しかもこのCTLが生体内で抗腫瘍効果を現すことが確認された。このことは、HTLV-I Taxを認識するCTLの存在が単に感染の結果生じただけではなく腫瘍に対する免疫学的監視機構のエフェクターとして働いていることを示している。一方、宿主免疫が減弱する要因を探索する試みの一つとしてラットにHTLV-Iを垂直感染を成立させたところ、これらの個体では液性・細胞性ともHTLV-Iに対する免疫応答が低いことが分かった。今後さらにHTLV-I腫瘍に対する免疫低下の条件を検討し機序解析を行う予定である。
がん細胞特異的mRNAの四重らせん構造に対する分子標的型光線力学療法の創製

低侵襲ながん治療法である光線力学療法(PDT)の問題点を解決するために、がん細胞で特異的に発現している分子のみを標的とできる「分子標的型PDT(MTPDT)」の確立を目的とした。標的として、NRASタンパク質をコードするmRNAが形成する四重らせん構造とした。細胞内外での検討の結果、亜鉛を配位したフタロシアニンは光照射により、NRAS mRNAを特異的に切断し、NRASタンパク質の発現量を低下させた。さらに、ヒト乳がん由来のMCF-7細胞を死滅させることができた。このようなNRAS mRNAの切断は、嫌気状態でも可能であったことから、固形がんへの展開も可能となった。低侵襲ながん治療法である光線力学的治療(PDT)には、正常細胞に対する副作用と生体深部のがんに適用できないという問題がある。これらの問題を解決するために本研究では、分子標的光感受性物質(Molecular-Targeted Photo-sensitizer: MTPS)を開発し、分子標的型PDTを世界に先駆けて提唱することを目的する。研究開始年度の2016年度では、がん細胞で高発現しているVEGFやNRASのmRNAが形成する四重らせん構造に対するMTPSをフタロシアニンやナフタロシアニン骨格から開発することと、分子標的型PDTで実際に標的とする核酸が細胞内で形成する構造に関する知見を得ることを試みた。その結果、亜鉛を配位したアニオン性フタロシアニンが、NRAS mRNAが形成する四重らせん構造に特異的に結合し、光照射により活性酸素を産生し、四重らせん構造を切断することが見いだされた。これらの結合と切断は、過剰の二重らせん構造を形成するRNAやtRNAが存在しても行われることも確認され、アニオン性亜鉛フタロシアニンのMTPSとしての高い特異性が示された。さらに、これらの知見をもとに、がん細胞を用いてアニオン性亜鉛フタロシアニンの効果を検証したところ、がん細胞内のNRAS mRNAとNRASタンパク質の産生を抑制することができ、最終的に細胞死を誘導できることが明らかとなった。これらの研究成果は、多くの学会において発表するとともに、論文投稿準備中である。また、標的となる核酸構造の知見に関しては、細胞模倣環境で核酸の構造や熱安定性が試験管内と大きく変化することが見いだされた。このような知見は、合目的的にMTPSを設計するために極めて有用な知見になることが期待される。当初の研究計画に従って、分子標的型光感受性物質を開発することに成功し、その効果を試験管内と細胞内で確認することを達成した。試験管内での研究は、2017年度に計画していたものであり、この点に関しては、当初の計画以上の成果を得ているといえる。また、開発した化合物が、標的分子に結合するに伴って蛍光を発光することや、標的となる核酸の細胞内での構造安定性に関る知見など、当初の計画にはない展開が広がりつつある。しかし、論文の採択が2016年度には間に合わなかったことを鑑みて、全体的にはおおむね順調に進展していると考えている。光線力学療法(PDT)は、低侵襲で高効率ながん治療法として注目されている。しかし、作用機序が不明なことや、正常細胞に対する副作用などの問題点も残されており、広範な医療応用の大きな障害となっている。そこで本研究では、これまでにない新規なPDTとして、分子標的型PDT(mtPDT)を世界に先駆けて提唱することを目的として検討を進めた。具体的には、タンパク質を標的とすることが困難であることが知られている、NRASをコードするmRNAが形成する四重らせん構造(G4)を標的とした。まず、この四重らせん構造と選択的に結合できる光増感剤(PDTで用いられる光照射で活性酸素を発生させる化合物)を探索したところ、亜鉛を配位したアニオン性フタロシアニン(ZnAPC)が見いだされた。ZNPACとNRASG4の結合を確認し、さらに光照射によってNRASG4を選択的に切断できることが示された。次に、NRASを高発現していることが知られているMCF-7細胞を用いて、ZnAPCの効果を検討したところ、標的としているNRAS mRNAとNRASタンパク質の発現を選択的に抑制できることが示された。さらに、光照射を行わない場合には、細胞毒性を示さないのに対して、光照射によりMCF-7細胞をほぼ完全に死滅させることにも成功した。同時に、全長のmRNAに対しても同様の光切断が可能であることや、腫瘍内で見られる低酸素状態においても、ZnAPCがNRAS RNAを切断できることも示された。このことから、ZnAPCから光照射によってRNA G4のグアニン塩基に直接的にエネルギー移動が起こり、それによってNRAS RNA G4が特異的に切断されることも示唆された。このような成果と同時に、細胞内のRNAの構造や、それを標的とした分子の合目的的設計指針に関しても多くの情報が得られた。

このようなNRAS mRNAの切断は、嫌気状態でも可能であったことから、固形がんへの展開も可能となった。細胞内外での研究を遂行し、論文投稿を急ぐ予定である。同時に、新しい分子標的型光感受性物質の開発も試みる予定である。また、試験管と細胞で得られた成果を動物に展開することや、PDTによる遺伝子発現プロファイルの網羅的解析にも取り組みたいと考えている。生体関連化学試験管内や細胞内での実験が当初の予定よりも大きく進展し、物品費を期首予定よりも多く使用した。一方、当初必要と見込んでいた謝金やその他の経費を使用する必要性が低かった。これらの結果、10740円を使用しない状況となった。2017年度に使用する金額は10740円であることから、当初の研究計画に加えて、論文投稿や学会発表などによる成果報告に関して使用することで執行したいと考えている。
機械的に配列した複数の圧接する散乱体の共鳴的相互作用による輻射場の制御

本研究の目的は,有限周期の光の波長と同程度の散乱体の配列が,輻射場の人工的に制御する効果を持つことを検証するために,人工配列を製作し,その光学特性を系統的に調べることであった.散乱体には直径2μm,屈折率1.58のラテックス球を用い,これを電子顕微鏡試料室に取り付けたナノマニピュレータをジョイスティックで操作して配列した.具体的な配列方法としては,実現できる配列の精度,測定結果の解析の容易さ,対応する計算結果の信頼性から,最密充填2次元三角格子を選んだ.まず,三角格子配列の周期数が異なるいくつかのサンプルを製作し,その前方散乱スペクトルを測定した.その結果,周期数が増えると急激に特定の波長での強度が増大することがわかった.周期数1の結果は単一微小球の前方ミ-散乱スペクトルを表している.周期数2でもスペクトルはほとんど変化しなかった.しかし,周期数4から6程度になると,スペクトルにはいくつかの鋭いピークが現れた.このことは6周期程度の構造物で大きな多重散乱効果が得られることを示している.次に入射角度を系統的に変化させてスペクトルの挙動を調べた.垂直入射では3つの鋭い谷が観察され,これは大高の球面波展開法によるフォトニックバンド計算の結果とほぼ一致した.しかし1本の位置は計算とは一致せず,これは有限系と無限系の違いによるものと思われる.角度を変化させると,これらの構造はシフトしたりスプリットした.また,垂直入射では偏光依存性がなかったが,角度変化とともに次第に縮退がとける様子が観察された.これらの結果は光波帯での3次元フォトニックバンド理論を直接的に検証した初めての実験データであり,現実的な有限周期系でもフォトニックバンドギャップなどの輻射場の制御効果が期待できることを示唆している.本研究の目的は,有限周期の光の波長と同程度の散乱体の配列が,輻射場の人工的に制御する効果を持つことを検証するために,人工配列を製作し,その光学特性を系統的に調べることであった.散乱体には直径2μm,屈折率1.58のラテックス球を用い,これを電子顕微鏡試料室に取り付けたナノマニピュレータをジョイスティックで操作して配列した.具体的な配列方法としては,実現できる配列の精度,測定結果の解析の容易さ,対応する計算結果の信頼性から,最密充填2次元三角格子を選んだ.まず,三角格子配列の周期数が異なるいくつかのサンプルを製作し,その前方散乱スペクトルを測定した.その結果,周期数が増えると急激に特定の波長での強度が増大することがわかった.周期数1の結果は単一微小球の前方ミ-散乱スペクトルを表している.周期数2でもスペクトルはほとんど変化しなかった.しかし,周期数4から6程度になると,スペクトルにはいくつかの鋭いピークが現れた.このことは6周期程度の構造物で大きな多重散乱効果が得られることを示している.次に入射角度を系統的に変化させてスペクトルの挙動を調べた.垂直入射では3つの鋭い谷が観察され,これは大高の球面波展開法によるフォトニックバンド計算の結果とほぼ一致した.しかし1本の位置は計算とは一致せず,これは有限系と無限系の違いによるものと思われる.角度を変化させると,これらの構造はシフトしたりスプリットした.また,垂直入射では偏光依存性がなかったが,角度変化とともに次第に縮退がとける様子が観察された.これらの結果は光波帯での3次元フォトニックバンド理論を直接的に検証した初めての実験データであり,現実的な有限周期系でもフォトニックバンドギャップなどの輻射場の制御効果が期待できることを示唆している.
組織・細胞の力学応答機構の統一的理解のための生体組織内力学場の微視的解析法の確立

生体組織は周囲の力学環境に応じて形態や力学特性を適応的に変化させる.この応答は組織内の細胞が自らに加わる力に応じて周辺組織を能動的に作り変えることにより生じる.このメカニズムを明らかにする第一歩として,組織のマクロな変形に伴い,細胞にどのような変形を生じるのか明らかにするとともに,組織内部に作用する微視的な力を計測する方法を確立した.ブタ胸大動脈壁を単純に引張った場合でも,細胞レベルでは剪断や回転変形が生じ,ミクロとマクロの変形は全く異なることが判った.また,組織内に採用する微視的な力は場所により2倍かそれ以上異なる可能性が示唆された.生体組織は周囲の力学環境に応じて形態や力学特性を適応的に変化させる.この応答は組織内の細胞が自らに加わる力に応じて周辺組織を能動的に作り変えることにより生じる.このメカニズムを明らかにする第一歩として,組織のマクロな変形に伴い,細胞にどのような変形を生じるのか明らかにするとともに,組織内部に作用する微視的な力を計測する方法を確立した.ブタ胸大動脈壁を単純に引張った場合でも,細胞レベルでは剪断や回転変形が生じ,ミクロとマクロの変形は全く異なることが判った.また,組織内に採用する微視的な力は場所により2倍かそれ以上異なる可能性が示唆された.生体軟組織内部の残留応力分布ならびに大変形領域までの応力・ひずみ分布を細胞レベルの分解能で計測する手法の確立を目的とし,3年間に亙る研究を進めている。対象は,我々がデータを多く蓄積する胸大動脈組織とし,その生理状態における微視的応力・ひずみ分布を明らかにすることを目指している。研究初年度の本年度は,まず薄切試料切断用のレーザマイクロダイセクション装置を試作した。即ちUVパルスレーザを組織に照射することで,温度上昇を抑えつつ余計な外力を加えずに試料を切断できる装置を試作した。355nmのUVパルスレーザを繰返周波数30kHz,出力70mWで照射することで厚さ100μm程度の組織を即時に切断することが可能となった。ただし,特に厚い組織の場合に切断に伴う気泡の発生による組織の動揺が問題となることが判明し,今後,この問題を解決することが課題となった。次に試料薄切の際に不可避である凍結・解凍操作で試料内部の平滑筋細胞が死なない条件を探索した。即ち試料に通常の凍結・解凍操作を行うと組織内の細胞は殆ど死んでしまう。これでは細胞が生きている状態の計測が行えない。そこで,単離細胞の凍結保存時に用いられるDMSOなどの細胞凍結保護剤を使用することで,凍結によっても細胞が死なない条件を探索した結果,厚さ1mmのラット胸大動脈リング状試料の場合,10%のDMSO+10%FBSに15分間浸漬した後,凍結し,切断後,解凍することにより組織の収縮量が新鮮な組織とほぼ変わらない状態に保てることを見出した。生体軟組織内部の残留応力分布ならびに大変形領域までの力学特性を細胞レベルの分解能で計測する手法を確立して実際の組織内の生理状態における微視的応力・ひずみ分布を可能な限り詳しく明らかにすることを目的として,3年間に亙る研究を進めている.研究2年目の本年度は,主に薄切試料をマクロに変形させた際の試料内部のミクロな変形を観察した.すなわち,凍結ミクロトームにより血管円周方向を含むように厚さ数10μmに薄切したブタ胸大動脈試料を対象とし,内部の平滑筋細胞核をHoechst 33342で,弾性板をトリパンブルーで染色した後,顕微鏡下で組織を円周方向に引張り,マクロな変形に伴い内部の弾性板や細胞核がどのように運動するのかを調べた.その結果,マクロな伸長に伴い,血管壁内部では細胞の伸長だけでなく回転も発生すること,また,弾性板の伸張量には部位により3倍近い差が差がある可能性があることなどが明らかとなった.しかし,試験を室温で行ったため,平滑筋細胞の能動収縮に伴う組織内部の変形を見ることができておらず,また,手動のマイクロマニピュレータを利用して引張を行ったために,観察部位を視野中心に保つことが困難であり,実験データの蓄積はまだ不十分である.また,前年度目標とした切断時の試料変形の詳細計測は,試料切断時の気泡発生を抑えるに至って居らず実現できていない.そこで,来年度は顕微鏡ステージ状に設置可能な恒温槽付き電動引張ステージを試作し,実験の効率化を進めるとともに,レーザによる切断方法についてより一層の検討を進める必要がある.生体軟組織内部の残留応力分布ならびに大変形領域までの力学特性を細胞レベルの分解能で計測する手法を確立して実際の組組織内の生理状態における微視的応力・ひずみ分布を可能な限り詳しく明らかにすることを目的として,3年間に亙る研究を進めた.研究最終年度の本年度は,まず,顕微鏡ステージ上に設置可能な試料槽付き電動引張スデージを試作し,引張に伴う組織の変形を視野が大幅にずれることなく観察できるようにした.これを用いて引張に伴う薄切組織内の変形を詳しく調べたところ,1)弾性板は組織に加えられたマクロな伸長比が1.2程度でほぼ真っ直ぐになること,2)弾性板の蛇行に沿った長さの変化を局所毎に求めたところ,1本の弾性板内でも部位によってひずみに2倍以上の差があること,一方,平滑筋層については平滑筋細胞核の移動や変形の詳細な観察から,3)個々の平滑筋細胞が回転や剪断などの複雑な変形をしていること,4)同一の平滑筋層内でも引張に伴うひずみに2倍以上の差があること,などが明らかとなった.

次にレーザアブレーションによる組織の切断については,気泡が発生しても5分程度放置することで気泡が消滅することが判ったため,この方法で組織にレーザをスポット照射して弾性阪を切断した後の断端間距離の分布を調べた.無魚荷状態でレーザ照射した場合と比べて,マクロな伸長比が例えばλ=1.4の場合,弾性板の断端同士の間隔は1.53倍になることが判った.この間隔は弾性板に作用する引張力と良く相関すると考えられるので,弾性板に加わる力にも2倍程度の差が有ると予想される.以上より,正常血管組織内の局所的な力学環境には部位により少なくとも2倍程度の差がある可能陸が示唆された.
リウマチ性慢性関節炎モデルにおけるプロスタグランジンE受容体サブタイプの役割

本研究の目的はリウマチ性関節炎におけるプロスタグランジン(PG)E受容体サブタイプの役割について検討することである。PGE2やPGI2は関節炎発症時に浸潤細胞や滑膜細胞から大量に産生されることが報告されている。またPG産生阻害薬であるインドメタシンやアスピリンは抗炎症薬として臨床に用いられていることから、関節炎の病態にPGE2やPGI2が関与していることが示唆されてきた。しかしながら、PGE受容体には4種類のサブタイプ(EP1-EP4)、PGI受容体にはIPが存在するためにその各々が関節炎に対しどのような作用を持つのかついてはほとんど解明が進んでいない。PGE2の4種類の受容体サブタイプとPGI受容体をそれぞれ欠損しているマウスをコラーゲン感作誘導性関節炎病態モデルに適応することを試みている。昨年度までにそれぞれの欠損マウスをコラーゲン感作感受性のストレイン(DBA/1J)に10代の戻し交配を行っている。本年度は1、10代まで戻し交配を行ったマウスについてEP1,EP2,EP3,IP欠損マウスでコラーゲン誘導性関節炎を発症させたところ、EP1,EP3欠損マウスでは関節炎発症に変化は無いが、EP2欠損マウスでは発症開始の促進が、IP欠損マウスでは発症スコアの抑制が認められることが明らかとなった。EP4欠損マウスに関してはこれまでのところすべてが新生児死亡を起こしているため実験不能であった。2、IP受容体欠損マウスのコラーゲン抗体価は野生型と比較して有意な差はなく、また骨表面に沈着する補体の沈着にも明らかな差は認められなかったが、発症した関節での炎症性サイトカイン(IL-1beta,IL-6)の遺伝子発現は抑制が認められた。これらのことから、PGI2-IPシグナルは関節局所における炎症の増強に関与している可能性が考えられた。以上の結果より、プロスタノイド受容体のなかで、関節炎発症に関して相異なる作用を持つものが存在することが新たに明らかになった。今後は関節炎病態におけるPGE2-EP2シグナル、PGI2-IPシグナルを検討することによりこれらのメカニズムの解明が必要となる。PGE2は関節炎発症時に浸潤細胞や滑膜細胞から大量に産生されることが報告されている。またPG産生阻害薬であるインドメタシンやアスピリンは抗炎症薬として臨床に用いられていることから、関節炎の病態にPGE2が関与していることが示唆されてきた。しかしながら、PGE受容体には4種類のサブタイプ(EP1-EP4)が存在するためにその各々が関節炎に対しどのような作用を持つのかついてはほとんど解明が進んでいない。4種類の受容体サブタイプをそれぞれ欠損しているマウスをコラーゲン感作誘導性関節炎病態モデルに適応することを試みている。昨年度までにそれぞれの欠損マウスをコラーゲン感作感受性のストレイン(DBA/1J)に5代の戻し交配を行っている。本年度は1、それぞれの欠損マウスをコラーゲン感作感受性のストレイン(DBA/1J)に10代の戻し交配を行った。また更に関与が予想されるPGI2受容体欠損マウスについても戻し交配を行った。2、5代まで戻し交配を行ったものについてEP1,EP2,EP3欠損マウスでコラーゲン誘導性関節炎を発症させたがその発症開始時期・最大発症時の腫脹については比較対照の野生型と比べ変化が認められなかった。3、しかしながら5代の戻し交配では比較対照の野生型においてもDBA/1Jマウスと比べ発症の程度が低く、発症そのものが不十分であることが示唆された。従って、10代の戻し交配したそれぞれの受容体欠損マウスに関節炎を発症させその病態についての解析を行い、またその機能について網羅的遺伝子解析の手法を用いて検討を行う予定である。また関節炎の症状より引き起こされる疼痛についてもPGE2の関与が予想されておりPGE受容体と疼痛についての検討も進めていく予定である。

2、IP受容体欠損マウスのコラーゲン抗体価は野生型と比較して有意な差はなく、また骨表面に沈着する補体の沈着にも明らかな差は認められなかったが、発症した関節での炎症性サイトカイン(IL-1beta,IL-6)の遺伝子発現は抑制が認められた。これらのことから、PGI2-IPシグナルは関節局所における炎症の増強に関与している可能性が考えられた。以上の結果より、プロスタノイド受容体のなかで、関節炎発症に関して相異なる作用を持つものが存在することが新たに明らかになった。今後は関節炎病態におけるPGE2-EP2シグナル、PGI2-IPシグナルを検討することによりこれらのメカニズムの解明が必要となる。
管群気柱共鳴発生予測手法の実用化研究

熱交換器設計における共鳴騒音問題に関し、設計時点での事前予測を可能にする実用性の高いシミュレーション方法を開発する。そのため、共鳴発生実験を援用した、現象論的な数値計算モデルを提案し、その信頼性を検証した。設計予測のための数値モデルの特徴は、1渦放出挙動の単振動モデル化、2渦放出の同期化現象を組み込むための確率論的なモデル化、3渦-音場フィードバック形式の組み込み、である。これらの点について、管群設計上の主要パラメータである管ピッチ比を変化させた場合の妥当性を実験検証した。以上の結果、提案する計算法により共鳴発生予測が実現可能であることが示されたといえる。管群をダクトに内蔵する熱交換器において,ダクトを流れる気体がある流速に達すると気柱振動が励起されて高レベルの騒音が発生する場合があり,最悪の場合にはプラントの負荷上昇が困難になるばかりでなく,構造の破損を引き起こす.そのため、設計段階での予測手法の開発が喫緊の課題となっている.この課題に関し,この相互作用現象を共鳴発生予測法に組み込むのに適したモデル化方法を提案する.ここでは,渦ー音場間の相互作用に関する,過去の実験で明らかになった知見を反映可能なモデル化方法を導く.その際に参考になるのがBlevins,Facchinetti等による管の振動問題に関する研究である.この研究では管振動ー渦間の相互作用を後流振動子(wake oscillator)モデルにより簡潔に表しており,かつ,実験データの反映も容易である.ここで,「管振動が渦放出に及ぼす影響は気柱による影響と同じであろう」との推定に基づき,本研究ではこの方法を渦ー音場間の相互作用向けに変換することにより渦ー音場間の相互作用のモデルを導き出す.その際に,渦放出現象が空間的にも時間的にもランダムな要素を含むことから,この特徴を反映すべく,統計的なモデル化手法を導入する.そして,後流振動子の位相に関する確率密度関数を導入し,これが気柱共鳴の発生度合いに依存する,という方法で気柱ー渦間の相互作用を扱っている.今回、この相互作用の一つである渦放出同期化モデルに関する定式化と実験検証を行うとともに、後流振動子モデルを用いた渦/共鳴音場相互作用のモデル定式化に関し,渦/音響相互作用のフィードバック形式の解明に関する検討を行った.その結果、.共鳴再現実験データによる諸量の位相分析,フィードバック系の基礎理論に基づく推定結果の比較考察により,渦系は音響粒子の加速度により励振されると仮定することの妥当性が示された.開発した数値シミュレーションモデルの方法が、1計算効率がよく実用的であること、2これまでの半経験的な知見に合致した結果を与えること、3共鳴再現実験結果とも比較的良好に一致していること、を踏まえ、「おおむね順調」であると考える。昨年度は、著者らが提案した、気柱共鳴予測のためのモデル化手法(渦の後流振動子によるモデル化、多数の渦の確率論的なモデル化、など)の妥当性を実験的に検証すべく、実機ボイラの二次元相似模型を用いて,気柱共鳴現象発生前後の管群からの渦放出と共鳴音圧変動との位相関係について実験的に明らかにした.今年度はその妥当性を検証すべく、異なる実験条件にてその妥当性を検証した。その主な結果を以下に示す。流れ方向の管配列のピッチ比が3.0,揚力方向が2.0の格子配列管群において,気柱共鳴現象発生前後の渦放出と共鳴音圧変動との位相関係を実験的に調査した.壁面音圧および管表面の圧力変動のスペクトルのピーク周波数はギャップ流速に比例し増加するが,気柱共鳴現象が発生するとロックインが生じ,ピーク周波数は流速が増加するにつれて階段状に変化する.共鳴開始時のギャップ流速を用いたストローハル数は約0.16となる.揚力方向1次モードと2次モードの気柱共鳴現象が発生すると,壁面音圧と渦放出の相関が急激に強くなる.気柱共鳴現象発生時には音圧変動の節の位置の管からは交互渦が放出されている.1次モードのとき,管群の最後列の管に作用する揚力変動は壁面の音圧変動よりも約πだけ位相が遅れ,2次モードのときには,管に作用する揚力変動は壁面の音圧変動よりも約ーπ/2だけ位相が進む.この結果(特に位相情報)は提案したモデル化の妥当性を示唆していると考える。提案したモデル化の妥当性が複数の実験条件で示唆されたことは自己評価している。著者らが提案した気柱共鳴予測手法のベースとなる渦ー音場モデル化手法(単一管からの放出渦の振動子によるモデル化と伝熱管群からの膨大な放出渦の挙動の確率論手法によるモデル化)の妥当性を検証すべく、実機ボイラの2次元模型を用いた実験と現象論的数値モデルによる検討を進めてきた.これまでの研究で、流れ方向の管配列ピッチ比が2.0の格子配列管群における気柱共鳴の基本モードを対象に、気柱共鳴発生時における音響粒子と渦放出の相関性(コヒーレンス)に着目し、共鳴振幅の増加とともに相関性も増大すること、両者の位相差が共鳴振幅の増減に伴い大きく変化することから、提案するモデル化の妥当性を確認できた.また、共鳴予測に必要なパラメータ(前記の「相関性」と共鳴振幅の関係を表す)の値も同定した.この結果をさらに広い実機伝熱管群の設計条件において確認するため、種々の管群配置条件、より高次の気柱共鳴モードにおいて検証すべく、抗力方向の管配列のピッチ比が3.0,3.5,4.0の格子

配列管群において,気柱共鳴現象発生前後の渦放出と共鳴音圧変動との位相関係を実験的に調査した.抗力方向の管ピッチ比が3.0のとき,気柱共鳴現象が最も強くなり,音圧レベルが最大となった.この配列のとき,気柱共鳴現象発生前後において管の左右の圧力差と側壁音圧との間の位相差はー0.5πrad変化した.この結果は,渦系が音響粒子の加速度により励振されると仮定して理論式から求めた値と良く一致する.後流振動子モデルを用いて渦と共鳴音場の相互作用を定式化し,渦と共鳴音響の相互作用のフィードバック形式が加速度フィードバックであることがわかった.熱交換器設計における共鳴騒音問題に関し、設計時点での事前予測を可能にする実用性の高いシミュレーション方法を開発する。そのため、共鳴発生実験を援用した、現象論的な数値計算モデルを提案し、その信頼性を検証した。設計予測のための数値モデルの特徴は、1渦放出挙動の単振動モデル化、2渦放出の同期化現象を組み込むための確率論的なモデル化、3渦-音場フィードバック形式の組み込み、である。これらの点について、管群設計上の主要パラメータである管ピッチ比を変化させた場合の妥当性を実験検証した。以上の結果、提案する計算法により共鳴発生予測が実現可能であることが示されたといえる。メカニズムの解明の実験実証をより広範な状況(特に、管群ピッチ比を変化させた場合)に対して追加確認する必要があると考える。また、本結果は「共鳴再現実験」データを使用して妥当性を検証したものであるが、より高精度な方法(音響加振時の渦の応答の解明実験)により,その妥当性をより説得性の高いものにする必要があると考える.今後、より広範囲の実験(特に、管配列)を行い、提案法の成立範囲を明確化する必要がある。また、提案モデルに含まれる複数のパラメータの値を実験的に同定することも課題である。工学一部の供試体および一部の実験装置の加工と納品が次年度以降にずれ込むため。全体としては、研究は計画のとおり順調に進捗している。実験装置の不具合(変形によるリークなど)により、当初の計画に遅れが生じたため。全体としては概ね順調に進捗している。ずれ込んだ一部の供試体および一部の実験装置の加工を早急に実施し、これに関する遅れを取り戻す。種々の実験条件(管群配置など)での検討に必要な装置改造費として使用予定である。
書簡・草稿を中心とする高見順資料の調査研究

本研究は、日本近代文学館の「高見順文庫」を中心に、国内の高見順関連の一次資料を調査し、その概要の把握をすすめるものである。調査の結果、高見関連の一次資料には、(1)戦前の「大正文学研究会」に関わる書簡群、(2)戦後の「近代日本文学史」の成立に関わる書簡群、(3)戦後の純文学概念の論争に関わる書簡群、(4)戦前戦後を通じた高見の近代史観・アジア観をよく示す構想ノート群、という従来着目されてこなかった重要な特質があることが確認され、今後長期的に取り組む研究計画の基礎的段階を果たすことができた。本研究は、日本近代文学館所蔵の高見順文庫を軸に、高見順に関連する書簡・草稿等一次資料の調査・分析を行うものである。高見順は、昭和期を代表する小説家・詩人であるとともに、現在の近現代文学研究の拠点である日本近代文学館の設立をリードするなど、日本の近代文学の位置づけに関して、社会的に大きな役割を担った人物と言える。文学界内外の問題に広汎な関心を持った高見の知的な交流は、総体的な社会現象としての近代文学を考える上で極めて重要であるが、それを直接的に明かす書簡等の本格的な調査はまだ一部に留まっている。本研究では、これまで十分に研究対象とされてこなかった高見順の書簡・草稿等の一次資料を調査し、高見を中心とする昭和期の文学者・知識人の思想的交流と、文学観・文学史の展開の様相を明らかにすることを目指している。数多くの草稿と、5000通以上ある高見順宛諸家書簡を含む高見順文庫は、長期間かけて悉皆調査がなされるべきであるが、今回はその基礎的な段階の調査として、資料群の全体像を確認し、高見と同時代の文学者・知識人との知的交流を顕著に示すものを選出・分類することをすすめている。今年度は、戦後の代表作の構想ノートと、特に数の多かった文芸批評家からの書簡群を抽出し、詳細を調査した。高見の作品構想過程における歴史認識を明かす重要な資料、また高見順のみならず、文壇の中心を担った近代文学者の文学観がよくわかる、未刊行の重要な書簡が多数存在することが確認できた。特に有意味と思われる資料について、文学史・社会史の観点からその価値を検証しながら、論文等での公開を目指している。所蔵資料には、長文の資料も多くあり、一つ一つの資料の内容の把握とその背景からの検証に、かなりの時間が必要であった。また、書簡という性格から、高見順宛書簡と対応する高見順からの諸家書簡も確認する予定であったが、その所蔵先は相当多岐に渡る可能性が高いことがわかり、優先度をふまえ計画の変更が必要となった。本研究は、昭和文学の中心的存在でありながら、これまで十分に研究対象とされてこなかった高見順の書簡・草稿等の一次資料を調査し、昭和期の文学者・知識人の思想的交流と、文学観・文学史の展開の様相を明らかにすることを目指している。今年度も継続して、日本近代文学館の高見順文庫を中心的に調査し、内包している資料の性格を、作家研究・文学史研究・思想史研究といった多様な観点から検証し、研究主題の方向性をさぐった。またあわせて、研究公開に伴う必要な手続きの概要把握もすすめた。本研究期間の調査によって新たに得られた重要な高見順文庫の資料群の性質は、大きく以下のように言うことができる。1)戦前昭和期の「大正文学研究会」をめぐる文学者の文学的立場および関係性を示す書簡群、2)戦後における「近代日本文学史」の成立をめぐる高見の役割と、『近代文学』同人を中心とする戦後評論家の「近代日本文学史」描出の過程を示す書簡群、3)戦後における「純文学」理念をめぐる文学者の思想的立場を示す書簡群、4)高見のアジア観・近代史観を示す草稿群、である。1)から3)は、昭和文学のみならず日本の近代文学研究の立脚点に直接的に関わる貴重な資料群と言え、書簡の往還を把握することによって、多くの文学者、特に戦後評論家の活動と思想をよく明らかにし得るものである。ただし、高見順宛書簡については、対応する書簡が全国の文学館に分散して所蔵されている状況も認められ、また書簡の大半が著作権の関係上、著作権者の協力が不可欠なものであり、精緻な研究とその研究の公開のためにはより長期の計画が必須であることがわかった。そのため本研究期間については、4)の高見の草稿群から未完の作品の構想を検討し、高見独自のアジア観・近代史観を明らかにする論稿を共著にて発表することをすすめた。全体を通して、長期的な悉皆調査のための基礎的な段階を果たすことができた。研究期間を鑑み、今後は資料群の重要性を明かす事象を一つに選定し、それに関する書簡・草稿に絞る形で調査・分析を進めていく。

また所蔵されていても、現時点では著作権の観点から、論文公開等にあたって確認が必要な資料も多く、その事前準備も念頭におきながら資料を選出していく。人文学今年度は校務との兼ね合いから調査出張に行く回数を多くとることができなかった。また、調査の進展によって、資料群の概要をある程度把握してから、具体的に必要となる文献・物品等を選定して購入する必要があると考えたため、今年度の使用が予定よりも少なくなった。調査費として旅費の使用、および物品費として、パソコン、画像処理等のソフト、関連文献を購入する予定である。
物理的性状変化を制御した食品加工操作による低水分系澱粉含有食品の高付加価値化

本研究では先ず各種成分がクッキー生地中での澱粉の融点に及ぼす影響を調べ,焼成過程における澱粉の融解を回避するための予備乾燥および焼成条件を最適化した.次に予備乾燥クッキーの物理的並びに生化学的特性を調べ,予備乾燥クッキー生地は従来よりも低温で焼成することで,通常のクッキーと殆ど同じ品質のクッキーになること,このクッキーは通常のクッキーよりも澱粉の酵素消化性およびマウスにおける血糖値ピークが低いことを明らかにした.また,クッキーの食感はガラス転移温度に基づき制御できることを示した.最後に実用的視点から昇温焼成を設計し,これによって予備乾燥クッキーと同様のクッキーが得られることを確認した.本研究の目的は、低水分系澱粉含有食品を結晶質と非晶質とが混在した半結晶質複合材料として捉え、原料の加熱過程における物理的性状変化を制御することで、品質を維持しつつ機能性を付与する高付加価値化加工操作を明らかにすることである。昨年度はクッキーを題材とし、焼成過程における澱粉の融解と消化抵抗性澱粉含量およびマウスにおける食後血糖値のピーク値低下との関係を明らかにした。本年度はクッキーの品質制御に焦点を絞り、研究を進めた。クッキーのサクサクとした食感はクッキーがガラス状態にあることによって生じるものと理解されており、そのガラス転移温度を制御することで品質を設計することが可能と考えられる。また、クッキーのガラス転移温度は特に少糖によって支配的であることが知られている。そこで、組成が異なる様々な少糖混合物を用いて昨年度と同様にクッキーを調製し、そのガラス転移温度の水分含量依存性を自作の熱機械測定によって調べた。その結果、クッキーに配合した少糖のガラス転移温度が高いほど、クッキーのガラス転移温度も高くなる傾向が認められ、両者の間に相関関係を見出すことができた。少糖混合物のガラス転移温度は経験式を用いた計算によって予測することができる。本研究成果により、既往の予測式をクッキーの食感制御に展開することが可能となった。一方、クッキーの食感はその骨格の物理的性状だけでなく、多孔質な内部構造によっても影響するものと考えられる。そこで、本年度は更に、加工操作がクッキーの多孔質構造に及ぼす影響について調べた。その結果、クッキーの多孔質構造は骨格の硬さや焼成過程における水蒸気圧と関連づけられることが示された。一年目は低水分系澱粉含有食品の代表としてクッキーを想定したモデル試料を用い、試料の成分が澱粉の融解温度に及ぼす影響について系統的に調べた。薄力粉、砂糖、無塩バター、全卵を様々な割合で混合し、成型することで、一定形状の試料を得た。更にこれを減圧乾燥することで、試料の水分含量を調節した。各試料の水分含有量は常圧乾燥法によって調べた。また、澱粉の融解温度は示差走査熱量測定及び偏光顕微鏡観察によって調べた。試料の水分含有量は減圧処理時間の増加と共に低下した。示差走査熱量測定において、試料に含まれる各成分の融解による複数の吸熱ピークが検出された。偏光顕微鏡観察を併用することで、最も高温に位置するピークが澱粉の融解ピークに相当することを明らかにした。この融解ピークの開始点から融解温度を決定し、水分含有量に対してプロットすることで、澱粉の融解曲線を得た。以上の結果を整理し、試料の水分含有量及び砂糖含有量が少ないほど、澱粉の融点は高くなることを明らかにした。今後は更に、油脂(無塩バター)の含有量が澱粉の融解温度に及ぼす影響について調べ、澱粉の融解温度の予測について検討する。一方、二年目以降に行う予定であった研究の一部(焼成条件が食感、消化抵抗性澱粉含量、マウスにおける食後血糖値の上昇に及ぼす影響)を前倒しで進めることができた。その結果、減圧乾燥によって水分含量が低下することで澱粉の融解温度が上昇し、焼成過程において澱粉が融解を免れた結果、消化抵抗性澱粉含量が増加すること、マウスにおける食後血糖値のピーク値が有意に低下すること、などが明らかになった。本研究の目的は低水分系澱粉含有食品を結晶質と非晶質とが混在した半結晶質複合材料として捉え、原料の加熱過程における物理的性状変化を制御することで、品質を維持しつつ機能性を付与する高付加価値化加工操作を明らかにすることである。

本研究ではクッキーを題材とし、クッキー生地の初期水分含量の低下がクッキーにおける未融解澱粉含量の増加を招くこと、未融解澱粉含量の増加が酵素分解抵抗性澱粉含量の増加やマウスにおける食後血糖値のピーク低下と関係することなどを明らかにしてきた。これまでの研究において、クッキー生地の初期水分含量の調節には減圧乾燥を用いてきたが、実際のクッキー製造にはこのような操作は無く、成果の実用性は乏しかった。そこで最終年度では焼成温度を澱粉の融点以下に設定し、焼成過程におけるクッキー生地の水分含量低下(澱粉の融点上昇)と共に焼成温度を昇温する操作(昇温焼成)の設計とその効果について検討を進めた。クッキー生地試料の水分蒸発過程は一次反応速度として解析可能であり、様々な温度での水分蒸発速度を決定した。また、水分蒸発速度の温度依存性はアレニウスの式によって解析可能であり、測定温度範囲においては、2つの活性化エネルギーおよび頻度因子を導くことができた。これらの結果を組み合わせることで、様々な温度および時間での水分蒸発量が算出可能となり、既に得られたクッキー生地中における澱粉の融解曲線を考慮することで、澱粉の融解を回避した昇温焼成操作を設計することができた。昇温焼成クッキーの品質を通常のクッキーと比較した結果、昇温焼成では膨化が若干抑えられたが、焼き色や破断特性に大差はなく、一定の品質は確保されていた。一方、澱粉の酵素分解試験により、昇温焼成クッキーの酵素分解抵抗性澱粉含量は、通常のクッキーよりも有意に高いことが明らかとなった。食品科学ほぼ期待する通りの成果が得られており、論文発表や学会発表も定期的に行うことができた。本年度の目的は、試料の原料成分が澱粉(結晶質アミロペクチン)の融解温度に及ぼす影響について系統的に調べることであった。測定装置の都合により、この目的を完全に達成することはできなかったが、二年目以降に行う予定であった研究の一部(焼成条件が食感、消化抵抗性澱粉含量、食後血糖値の上昇に及ぼす影響)を前倒しで進めることができた。当初の予定に若干の変更はあったが、全体としては概ね計画通りに進んでいると判断される。最終年度にあたる次年度ではこれまでの成果を総括するための研究を行う必要があると考えている。前年度においてクッキーの初期水分含量が澱粉の融解を支配し、それが消化抵抗性澱粉含量やマウスにおける食後血糖値のピーク値低下と関係することを明らかにした。この際、クッキーの初期水分含量の調製には減圧乾燥を用いたが、実際のクッキー製造においてこのような操作が行われることは無い。そこで実用的観点から、澱粉の融解温度以下に焼成温度を設定する加工方法について検討を進める。更に、これまでに得られたクッキーの多孔質構造やガラス転移温度に関する知見を利用し、各種食品成分の物理的性状変化と品質並びに機能性との関係を定量的に考察する。二年目は、油脂(バター)の含有量が澱粉の融解温度に及ぼす影響について明らかにし、一年目に得られた結果と併せて、澱粉(結晶質アミロペクチン)の融解温度の予測について検討する。また、当初の計画にしたがい、試料成分や加熱条件がガラス転移温度、軟化温度、破断特性に及ぼす影響を明らかにすると共に、必要に応じて試料の消化抵抗性澱粉含量及び食後血糖値の上昇抑制効果を調べ、澱粉の融解挙動や他成分との相互作用との関連について検討する。得られた成果の学会発表および論文投稿を進める。適切な使用を行った結果、不可避な少額の残高が生じた。