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1.
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挑戦的萌芽研究
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● 研究期間：
2013年04月～2015年03月
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● 研究題目：
プラスチック材料の高分子鎖構造から発想した製パン性に優れた澱粉構造の決定
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● 研究内容：
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本研究の目的は、『プラスチック成形加工を専門とする申請者の知見を澱粉に直接応用すること』で、『製パン性に優れた澱粉の高分子鎖構造を提案・決定すること』である。具体的には、「米の品種による高分子鎖構造の違いが生地のレオロジー特性に及ぼす影響」、「分子動力学シミュレーションによる高分子鎖構造と生地物性との相関解析」、「発泡成形性に及ぼす米澱粉の高分子鎖構造の影響」に関して系統的な実験により明らかにすることで、上記の目的を達成できると考えている。プラスチック工学と糖質科学との学域を横断し、申請者がこれまで蓄積してきた物性や加工性に及ぼす高分子鎖構造（直鎖や分岐）の影響に関する知見を、最大限に澱粉へフィードバックすることで、当初の目的を期間内に達成する。
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2.
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若手研究(A)
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● 研究期間：
2011年04月～2013年03月
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● 研究題目：
エラストマーの構造制御法から発想した米粉100％による全く新しい製パン技術の開発
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● 研究内容：
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本研究の目的は申請者の専門である高分子材料分野で行われるオイル添加による熱可塑性エラストマー（熱で溶融するゴムの総称）の構造制御技術を食品加工に応用展開することで、（１）オイル添加による米粉生地の粘弾性制御技術の確立とメカニズム解明、（２）この技術を応用した製パン技術の確立を行うことにある。具体的には(a)オイル添加による米澱粉の構造（結晶構造や脂質複合体構造）と粘弾性的性質との関連、（b）分子シミュレーションによる構造解析と構造制御メカニズムの解析を行う。最終的には（c）実際の製パンまで行い、本制御手法を用いることにより従来不可能であった米粉100％による製パン技術の確立までを目指す。
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3.
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若手研究(B)
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● 研究期間：
2009年04月～2011年03月
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● 研究題目：
新規セルロースの非晶化技術とこれを用いた低環境負荷型バイオマスプラスチックの
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● 研究内容：
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本研究では（１）従来にない斬新な木質系セルロース変成法を開発、（２）（１）の手法により改質された非晶性セルロースとプラスチック材料とのコンポジット化を行う。これらを達成することで研究期間中には、変性された木質系セルロースが物理的又は化学的に高度に分散した「環境低負荷型バイオマスプラスチック」の開発までを行う。 具体的には、（１）に関しては、従来のように硫酸等の酸処理を必要とせず、加熱下で粉砕するだけで瞬時にセルロースを非晶化可能な手法を提案する。さらにその結晶性制御メカニズムを明らかにする。（２）では、（１）で述べた技術により得られた非晶性セルロースとプラスチック材料とのコンポジット化において、成形性、分散性、機械的物性等を明らかする。
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4.
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若手研究(B)
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● 研究期間：
2007年04月～2009年03月
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● 研究題目：
新手法による変成デンプンを利用した環境順応型エコプラスチックの開発
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● 研究内容：
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本研究の結果、(1)従来にない斬新な米デンプンの変性法、(2)(1)の手法で得た改質デンプンと汎用プラスチック材料とのコンポジット技術の開発に成功した。具体的には、(1)において加熱とせん断を同時に印可することにより無加水で瞬時に米デンプンを非晶化できる技術を開発した。また、この技術を基盤に加熱・せん断型粉砕装置の開発に成功した。(2)では、(1)の研究結果から得られた非晶性デンプンと(a)エチレンメタクリル酸共重合体をNaイオンで中和したアイオノマー、(b)ポリブチレンサクシネート(以下、PBS)、(c)ポリ乳酸(以下PLA)の3種類の材料とのコンポジットを行い、分散性、熱安定性、機械特性、溶融物性を評価した。比較として米粉には、市販の米粉(結晶性デンプン)、市販の非晶性デンプンも使用した。本研究で得られた新規変性デンプンコンポジット材料の特徴は以下の通りである。 (1) 結晶性デンプン、市販の非晶性デンプンと比較して、著しく分散性が優れる。 (2) 重量分率10%までの添加では添加前のバージン材料と比較し、物性(機械的)が劣らない。このことは結晶性デンプンや市販の非晶性デンプンには見られない効果であった。 (3) 重量分率50%までの添加が可能であり、本研究で用いた新規変性デンプンを添加した系は最も物性低下が少ない。 (4) 新規変性デンプンは、優れた結晶核剤として作用することが分かった。 本研究の結果、従来の手法と全く異なる手法でデンプン変性が可能であり、得られた変性デンプンが生分解性樹脂等の優れた添加剤となり得ることが明らかになった。
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5.
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基盤研究(B)
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● 研究期間：
2005年04月～2008年03月
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● 研究題目：
高度なメゾ構造制御を可能にする剛体微粒子シミュレーターの開発
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● 研究内容：
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研究は,微粒子が集合して形成する構造を様々な形状の微粒子について研究する目的で作られた汎用剛体微粒子シミュレーターの開発プロジェクトである.プロジェクトは,1.汎用剛体微粒子シミュレーターの開発,2.微粒子分散系のメゾ構造制御、3.シミュレーターを学術的な課題に適用する,という大きく3つのテーマに分けて実施された.以下に,この3つのテーマそれぞれの研究成果について記述する.
1.開発したシミュレーターには,ESCARGOT(Equilibrium StruCture of hARd General 0bjecTs)と命名した.このシミュレーターは,微粒子同士がお互い反発しあう効果を基盤として微粒子の集合構造を研究するための計算機プログラムである.プログラムについて,モンテカルロシミュレーションを行う汎用性の高い基本部分と,個別の特殊な問題に対応するための拡張機能を分離できるように工夫した.プログラムのバージョン(Ver.)は5まで進み,Ver.5のファイル形式を将来的に維持することとした.
2.微粒子分散系のメゾ構造制御のテーマでは,有機化クレイを強誘電性高分子PVDF中に分散させた系の研究を中心に行った.有機クレイを強誘電性高分子PVDF中に分散させることが,PVDFの結晶化に影響を与えること,および,そうして得られた試料が,未延伸でも強誘電性に特有なD-Eヒステリシスを示すことが分かった.クレイ粒子の表面構造とPVDFとの相互作用と,クレイ粒子がナノメーターサイズという点から,僅かな添加量にもかかわらず著しい変化がみられ,PVDF/クレイ微粒子複合材料のさまざまな応用性が示された.
3.キラル分子が形成する液晶構造や,樹脂が硬化する際の体積変化の問題などにシミュレーターを適用し,シミュレーターの有用性を確認した.
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6.
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萌芽研究
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● 研究期間：
2004年04月～2006年03月
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● 研究題目：
シグマ効果の発現メカニズム解明と機能性微粒子充填材料への応用
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● 研究内容：
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これまで粒子を含むような複合系の液体において、その媒体が非ニュートン性液体であると粒子が壁面あるいは中心部に偏在することが報告されSigma効果あるいはMigration現象として知られている。しかし、その研究例は非常に少なく十分それらの現象が解明されていない。そこで我々はこれらの現象について、非ニュートン性液体の粘弾性の観点から検討を行った。 まず、Sigma効果の現象を確認するため流動下での粒子の分散状態が直接観察可能な装置を作製した。装置は流体を送る液送ポンプ、ガラスシリンダーチューブ、CCDカメラと画像を取り込むPCからなる。グリセリン・エタノール溶液などを媒体とし、それにPS粒子を分散させた複合液体を用いた。この結果では粒子の明確な偏在は見られなかった。媒体が弱い非ニュートン性を有するPVA水溶液を用いて同様の実験を行ったが同様の傾向を示すことが分かった。 次に、媒体、分散ドメインともに非ニュートン性を有する系について検討を行った。それらの個別のキャラクタリゼーションは粘弾性、GPC-MALSなどで実施した。具体的にはPP, HDPE, LDPE, LLDPE, PSなどを用いて非相溶系ブレンドを作製し研究室既存のキャピラリーレオメータにより細管流動実験を行った。細管流動実験では、温度,せん断速度,細管の長さを変え測定を行った。本研究で用いた様々な非相溶系ポリマー溶融体において、両者の粘度差が大きいときは、低粘度のポリマーが高粘度のポリマーを包み込むように分散する傾向を示し、粘度の高いポリマーが中央へ移動した。しかし、LDPEのように分岐構造を持ったポリマーの場合には、ブレンドしたポリマーよりも粘度が低いにもかかわらず中央へ移動することが分かった。また、せん断速度の増加、細管の長さに伴い内側のLDPEの濃度が増加することも分かった。この知見を利用し、機能性微粒子を高濃度含んだポリマー(非常に粘度が高い)を分岐や架橋されたポリマーやゴムと共に細管から高せん断下で押し出すことで、プラスチック成形品表面の機能性微粒子の局在化への応用が考えられる。
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7.
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基盤研究(B)
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● 研究期間：
2003年04月～2006年03月
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● 研究題目：
プラスチック成形加工技術を応用した米粉１００％パンの開発とメカニズムの解析
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● 研究内容：
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(1)米粉の品種や粉砕時の熱履歴の違う米粉のレオロジー特性 アミロース含量の異なる品種が異なる米粉を用意し、糊化特性の違いやパン生地にした際のレオロジー特性の違いを明らかにした。これにより品種間の違いとパン生地のレオロジー特性との相関を系統的に明らかに出来た。次に、米粉の粉砕時に熱履歴が澱粉結晶やレオロジー特性に与える影響を明らかに出来た。この米粉は常温でも糊化することで知られるアルファ粉にはない特徴もあることを明らかにした。これを米生地にブレンドすることで、生地粘度をコントロールすることで、製パンに最適な粘度を探ることが可能であることを突き止めた。 (2)種々の米粉のレオロジー特性と製パン性 (1)で得られた種々の米粉のレオロジー特性の実験結果を受け、これから得られる米粉生地の製パン性を検討した。一般の米粉に12%のα化米粉をブレンドすることで、パン生地のレオロジー特性をコントロールした。これにより均一な発泡セルを有する米粉100%による製パンに成功した。 (3)米粉100%による製パンメカニズムの一般化 グルテン成分を含有しない米粉などで製パンを行うには、発酵時と焼成時の粘度をそれぞれ制御する必要がある。具体的には、発酵時の生地粘度はイーストによる一次発酵時のセルの均一性に大きく影響する。さらに、オーブン中で一次発酵後のパン生地を焼成する際は、糊化に伴う生地全体の粘度上昇が重要になる。生地の粘度上昇が鈍い場合、二次発酵によりセルが破泡してしまう。一方、オーブン中で加熱されたパン生地が糊化により急激に粘度上昇することで、一次発酵時の形成された均一な気泡が保持され良質な製パンが可能となる。これを一般化し、図示し、まとめとした。
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8.
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基盤研究(C)
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● 研究期間：
2003年04月～2005年03月
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● 研究題目：
棒状微粒子の計算機シミュレーションによる新規なナノ構造材料の創製
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● 研究内容：
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近のナノテクノロジーの進歩に伴い,材料のサブミクロンスケールの構造を制御することの意味が大きくなってきている.棒状や円盤状の微粒子が液晶に類似したさまざまな構造をとることが明らかになってきていることは,微粒子の形状を任意に調整する技術が確立されれば,異方的な微粒子が形成する構造を材料の構造制御に積極的に利用できる可能性があることを示唆している. 本研究では,こうした背景のもと,棒状や円盤状など,形状に異方性のある剛体微粒子が形成する構造を計算機シミュレーションで明らかにすることを目的の中心とした.また,異方的な剛体微粒子の計算機シミュレーション,それから得られる結果に関連した経験式・理論式の検討,および,シミュレーション結果の検証と,棒状の微粒子や分子が形成する構造を複合材料の物性制御に用いるための,実験的研究をも含む形で研究実施計画を立てた.成果の主なものを次にまとめておく. 平行に並んだ剛体棒状分子に球状の分子を添加した2成分系について,モンテカルロシミュレーションを用いて組成比と密度と圧力の関係を調べた.また,この系における分子の衝突を追跡するモレキュラーダイナミクスシミュレーションによって,スメクチックの層構造と,棒状分子および球状分子の拡散係数の関わりについて調べた.シミュレーションのデータとスケールドパーティクル理論の比較から,この系の状態方程式の近似式を提案することができた. 円盤状分子のモデルとして新たに,剛体冠球円盤を提案した,1成分系,および,直径の異なる2種類の剛体冠球円盤から成る2成分系についてモンテカルロシミュレーションを行った.1成分系において,円盤状分子が局所的な柱状の構造を好むことを確認した.また,2成分系においては,大きな円盤状分子の柱状の構造がクラスターを形成し,そうしたクラスターが分散している構造を確認した.
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9.
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基盤研究(C)
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● 研究期間：
2003年04月～2005年03月
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● 研究題目：
棒状微粒子の計算機シミュレーションによる新規なナノ構造材料の創製
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● 研究内容：
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最近のナノテクノロジーの進歩に伴い,材料のサブミクロンスケールの構造を制御することの意味が大きくなってきている.棒状や円盤状の微粒子が液晶に類似したさまざまな構造をとることが明らかになってきていることは,微粒子の形状を任意に調整する技術が確立されれば,異方的な微粒子が形成する構造を材料の構造制御に積極的に利用できる可能性があることを示唆している.
本研究では,こうした背景のもと,棒状や円盤状など,形状に異方性のある剛体微粒子が形成する構造を計算機シミュレーションで明らかにすることを目的の中心とした.また,異方的な剛体微粒子の計算機シミュレーション,それから得られる結果に関連した経験式・理論式の検討,および,シミュレーション結果の検証と,棒状の微粒子や分子が形成する構造を複合材料の物性制御に用いるための,実験的研究をも含む形で研究実施計画を立てた.成果の主なものを次にまとめておく.
平行に並んだ剛体棒状分子に球状の分子を添加した2成分系について,モンテカルロシミュレーションを用いて組成比と密度と圧力の関係を調べた.また,この系における分子の衝突を追跡するモレキュラーダイナミクスシミュレーションによって,スメクチックの層構造と,棒状分子および球状分子の拡散係数の関わりについて調べた.シミュレーションのデータとスケールドパーティクル理論の比較から,この系の状態方程式の近似式を提案することができた.
円盤状分子のモデルとして新たに,剛体冠球円盤を提案した,1成分系,および,直径の異なる2種類の剛体冠球円盤から成る2成分系についてモンテカルロシミュレーションを行った.1成分系において,円盤状分子が局所的な柱状の構造を好むことを確認した.また,2成分系においては,大きな円盤状分子の柱状の構造がクラスターを形成し,そうしたクラスターが分散している構造を確認した.
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10.
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特別研究員奨励費
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● 研究期間：
2000年01月～2001年10月
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● 研究題目：
メソ構造制御による分解速度可制御型エコマテリアルの開発
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● 研究内容：
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本研究の目的は、メソ構造制御による”分解速度可制御型エコマテリアル”の開発を目指すものである。近年、環境に対する配慮から生分解性プラスチックなどのエコマテリアルに注目が集まっている。しかし、需要の増加が今一歩である。その理由として以下のことがあげられる。第一に従来のプラスチックとは構造が異なるポリ乳酸などでは合成段階にかかる費用が大きく、製品単価が高くなる。第二に分解時間が制御しにくい。私はこのような問題点を克服できる材料としてポリエチレンテレフタレート（PET）に親水性のアイオノマー部を共重合させたPET系アイオノマーに注目した。この材料は全く新規に開発された材料であり、PETを主原料とするため製造コストが低く押さえられる。私はPETの加水分解速度を①PET部の結晶構造 ②共重合構造 ③結合させるアイオノマー部の量 ④ ②および③によるアイオノマー部とPET部による相構造の４つにより制御できると考えている。私は上記の内②および③の制御された数種類のPET系アイオノマーを用いて、そのミクロな化学構造を変化させずに①と④のメソ構造の制御を行うことにより加水分解速度の積極的な制御が可能だと考えている。このような国内外で盛んに行われているメソ構造制御に関する研究知見を実際の製品に生かす研究は現在の所まだ少ない。また分解速度をメソ構造より制御する点に注目した研究は全くない。
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