電気紡糸による高機能CMCS/PEOナノファイバー膜：果実鮮度保持への応用

概要

電気紡糸は、カルボキシメチルキトサン/ポリオキシエチレンオキシド（CMCS/PEO）溶液からナノファイバーを生成する効果的な手法です。本研究の目的は、電気紡糸CMCS/PEOナノファイバー膜の果実鮮度保持への応用可能性を探ることです。ナノファイバー膜の微細構造、抗菌活性、親水性、通気性を評価。比較として、市販ラップフィルムとCMCS/PEOナノファイバー膜のイチゴに対する腐敗率と減重率への効果を検証。結果、電気紡糸CMCS/PEO膜はイチゴの水分損失を効果的に防ぎ、通気性と抗菌性により顕著に貯蔵寿命を延長。さらに、複合CMCS/PEOナノファイバー膜は無毒かつ食用可能で、食品産業への応用が期待されます。

背景

食品保護フィルム・コーティングの開発は、物理的・機械的処理から化学的保護へとシフトし、プラスチック、紙、パラフィンなどの従来の保護フィルムに代わり、タンパク質、脂質、多糖類など食用性を持つ生物材料が注目されています[1,2]。環境保護意識の高まりに伴い、食用コーティングとフィルムは、特に高い鮮度保持が必要な果物・野菜で広く利用可能になっています[3]。薄い膜であっても特定の機能を持たせれば、より良い効果が得られる可能性があります。キトサンは生分解性、生体適合性、抗菌性、無毒性、多様な化学的・物理的特性により食品分野で優れた天然素材です[4,5]。独自の抗菌性、防腐性、成膜性により、医療、繊維、食品で広く利用されています[6-9]。特に、キトサンは蚕、エビ、カニの殻など自然界に豊富に存在する原料から得られます[10]。

電気紡糸は柔軟なナノファイバラス膜を連続製造でき[11,12]、果実への優しい保護を提供します。これにより、イチゴ、プチトマト、キンカンなどの貯蔵・輸送課題の解決に貢献可能です。柔らかいナノファイバー層で果実表面を覆うことで、細菌侵入や傷などの外部侵害から保護できます。これまで、濃縮酢酸溶液を溶媒としてキトサンナノファイバー電気紡糸が行われたり、カルボキシメチルキトサン（CMCS）ナノファイバーが脱イオン水を溶媒として作製されたりしてきました[13-15]。水溶性ポリオキシエチレンオキシド（PEO）もCMCS溶液に添加され、電気紡糸プロセスの最適化に用いられています[16]。PEOは無毒ポリマーとして認識されています[17-19]。

最近、キトサン溶液を果実表面に塗布して湿潤フィルムを形成する果実鮮度保持戦略が報告されましたが[20-22]、電気紡糸ベースのファイバラス膜を評価した手法は少数です。湿潤コーティングフィルムは果皮と空気中の水分との接触を許し、細菌増殖と水分損失の機会を与えます。また、このコーティング法は全工程で乾燥を要し、果実への潜在的ダメージを招きます。本研究では、新型ハンドヘルド電気紡糸装置を用いて、無毒・食用のCMCS/PEOナノファイバーフィルムを調製（図1）[5,23]。キトサンナノファイバーフィルムの果実鮮度保持への応用可能性を評価し、従来コーティングの品質改善とイチゴの貯蔵寿命延長を目指します。

方法/実験

材料

有機栽培のイチゴを青森県（日本）で収穫し、できるだけ早く実験室へ搬入。コーティング前に残留物を除去。機械的傷がなく、サイズ・形状・成熟度が類似したイチゴを選択。CMCS（Mw 80,000〜250,000、95% N-脱アセチル化）をアオドゥフニ（中国南京）から購入。PEO（Mw約5,000,000）をアラジンから購入。

紡糸液の調製

表1に、CMCS、PEO、脱イオン水を含む様々な比率の混合溶液詳細を示す。簡潔に述べると、3.0g CMCSにそれぞれ0.16g、0.20g、0.25g PEOを混合。これらを100ml瓶に入れた40.0g脱イオン水に投入。室温で約4時間磁気撹拌し、溶液が透明かつ均質になるまで続行。

ナノファイバー膜の調製

複合ファイバー膜は以下条件で調製：相対湿度40%、シリンジ針-コレクター距離20cm、印加電圧20kV。本研究では、青島ジュナーダテクノロジー社製ハンドヘルド電気紡糸装置を用いてCMCS/PEOナノファイバー膜を作製。図1に調製技術と電気紡糸プロセスの模式図を示す。

電気紡糸膜の評価

ナノファイバーの形態と径は走査型電子顕微鏡（SEM；Phenom Pro）で観察。高分子分子間構造はフーリエ変換赤外分光（FTIR；Nicolet iN10；Thermo Fisher Scientific）で測定。通気性はガス透過率試験機（FX 3300；チューリッヒ）で評価。

保存プロセスの調製

イチゴを4群にランダム分割。各群6個を培養皿に配置。第1群は完全に大気暴露のブランク対照群。第2群は一般家庭用ポリエチレンプラスチックフィルムで包装。第3群は電気紡糸溶液（PEO:CMCS=1:20）を塗布し、外表面に釉薬状の保護層を形成。この群では、保護フィルム形成のため慎重に乾燥。第4群は電気紡糸CMCS/PEOナノファイバー膜で覆う。最後にこれらを室温・遮光下で保管し、毎日同一時刻に観察・記録。図2はイチゴ保存の模式図。

結果と考察

形態解析

純CMCS溶液は粘度が400-800 mPa·sと高いにもかかわらず、静電場でのファイバー形成は困難。障害はキチン・キトサン、特にCMCSの分子構造と溶解性に起因。このため、ファイバー形成促進ポリオールバインダーとしてPEOをCMCS溶液に添加。印加電圧下で、CMCS/PEO溶液は2.5-7.5wt%濃度範囲で明確なテイラーコーンを示しました（図1）。図3に、異なる比率の複合CMCS/PEOファイバーのSEM画像と径分布を示す。これらの複合ファイバーは円筒形態で、ファイバー径は約130-400nm。

PEO量が少ない場合（PEO:CMCS=1:24、図3a）、ファイバーはより細く不均一で径130-280nm。PEO:CMCS=1:18では平均径約210nm、比較的粗いファイバー間で凝集が観察される（図3b）。PEO比率増加（PEO:CMCS=1:12）で、平均径290nmのかなり均質なファイバーが得られる（図3c）。PEO/CMCS比1:12のナノファイバー膜を包装フィルムとして選択。理由は、この比率溶液が電気紡糸に適した粘度を持ち、果実を覆う完全なナノファイバラスフィルム形成が容易で、SEM画像に基づき均一な微細ポアサイズにより均一な通気強度を示すため。

赤外分光

図4に電気紡糸CMCS粉末とCMCS/PEO複合ナノファイバーのFTIRスペクトルを示す。プリスタインCMCSのピーク帰属：1320cm⁻¹（C-H曲げ振動）、1137cm⁻¹（グリコシド結合C-O-C）、1050cm⁻¹（CMCSのC-O伸縮振動）。スペクトルでは、1603cm⁻¹にカルボン酸塩（-COO⁻非対称・対称伸縮）特有の新ピークが出現、1650cm⁻¹付近にアミノ基由来のショルダーピーク。両スペクトルともCMCSの基本特性ピークである3423cm⁻¹（O-H伸縮）、2960-2970cm⁻¹（C-H伸縮）を示す。PEO添加によるFTIRスペクトル変化はなく、CMCS粉末とCMCS/PEO間に明確な構造変化がないことを示唆。

通気性試験

多くの研究で透過性が果実保存の重要因子とされています。微細多孔膜はパッケージ内外のガス交換を促進し、O₂とCO₂濃度を調整、包装果実・野菜に良好な貯蔵環境を提供して品質維持に寄与[24]。プラスチックラップの一定透過性は密閉空間内の適切なCO₂濃度維持に貢献。貯蔵雰囲気形成が野菜呼吸を抑制し貯蔵寿命延長につながります[25]。透過性が高すぎると包装内酸素濃度が高くなり、果実呼吸促進、老化促進、褐変・退色悪化の原因に。同様に、通気性不良や気密性不良は果実の嫌気的アルコール生成を招き、最終的に腐敗を悪化[26]。明らかに、ナノファイバー膜の透過性は膜厚増加とともに低下。本実験では、PEO/CMCS比1:12の複合ナノファイバー膜とプラスチックフィルムを透過性試験に選定。測定原理（図5a）：円筒チューブ両端のガス圧差を制御（本実験では200Pa）、気体流出口での流量測定、気体抵抗が大きいほど流速低下。同条件下でプラスチックラップ測定値は0mm/s。文献によると、ナイロン等繊維の平均透過性は100-300mm/s[27]。200Pa、20cm²条件下で、PEO/CMCS複合ナノファイバー膜の測定値は40-50mm/sの範囲に均一分布（図5）。本試験の平均膜厚は0.108mm。一般的にこの通気性は保存機能を持つ包装材料として適切。

抗菌試験

現在、キトサンの抗菌特性に関する研究は多いが、CMCSの抗菌特性については少ない。キトサンは果実腐敗の原因菌である大腸菌と黄色ブドウ球菌を含む多くの細菌・真菌に顕著な阻害効果を示す[28]。調査によると、CMCSの抗菌能力は濃度に比例しないものの、適切な濃度で最強の抗菌能を発揮[29]。特に、CMCSが溶液中で溶解しアニオンと結合することでアミノ基が細菌を阻害することが指摘されている[30,31]。殺菌観点から、電気紡糸CMCSナノファイバーは抗菌食品包装材料として適しているが、水溶性が応用範囲を制限。図6に示すように、フィルター紙とCMCSファイバー膜で大腸菌と黄色ブドウ球菌に対する抗菌実験を実施。CMCS/PEOナノファイバー膜は両菌に明確な阻害効果を示し、18時間培養後広い抗菌環を形成。一方、2つの対照群（a）と（b）では抗菌効果なし。図6c、dで抗菌環が不均一なのは、CMCSの水溶性と流動性によるもの。

減重率

減重率は以下の式で算出：

減重率（%） = (M₀ - M) / M₀ × 100%

M₀はイチゴの初期鮮重（保存0日）、Mは異なる保存日数後の試料重量。

異なる処理群の重量を異なる保存時点で測定。図7に示す通り、ブランク対照群は果実の代謝活性上昇に起因する減重加速を経験。対照群と比較して、プラスチックフィルム包装群はフィルムの緻密性によりかなり低い減重。注目すべきは、CMCS/PEO塗布フィルム群の減重がより深刻であること。CMCS/PEO層が形成されるにもかかわらず、水分と果実表面の物理的・直接的接触を招く。この接触により水分が果実最外層の天然保護層を破壊し、結果として内部水分損失率が加速。電気紡糸CMCS/PEOナノファイバー膜で覆った群は、ブランク対照群と比較してかなり良好な保水性を示し、原料が水溶性であるフィルムの悪影響はほとんどない。

果実鮮度保持試験

果実鮮度保持において、官能特性は評価基準として明確に重要。初期（0日）の官能特性（色、臭い、食感）は4サンプルとも同程度に一致（図8a）。図8から、全処理で保存中に様々な程度で色褪せが進行。ブランク対照群の初期の張りつやのある外観はほぼ消失、70%の果実が腐敗開始。イチゴは薄皮で多汁、機械的に極めて脆弱、特に水分損失に対して。適用例では体積が明らかに縮小、対照群平均品質が19.59gから11.10gへ低下（図8b）。PEラップは脱水防止管理に一定の効果。図8cでは、イチゴがいくぶん萎縮、色が暗くなり、個体の一部にカビ発生。CMCS/PEO塗布コーティング群は主に暗色化と褐変（図8d）。褐変は主にアスコルビン酸の酸化分解による。前述の通り、塗布コーティング群は果皮と被覆層が破壊され、皮が滑らかでなく重度の収縮など悪い状態だが、腐敗はなし。結果、電気紡糸CMCS/PEOナノファイバーフィルムは、図8eで示すように、病気と腐敗の予防、貯蔵中の果実外観改善に効果的。他群同様、この群のイチゴもわずかな収縮と芳香的風味を示す。一般にオフフレーバー原因は微生物増殖と糖蓄積に関連。

結論

まとめると、ハンドヘルド電気紡糸装置により無毒・食用のCMCS/PEOナノファイバー膜を開発。優れた抗菌特性と200Paで40-50mm/sという優れた通気性を示す。CMCS/PEOナノファイバー膜は大腸菌と黄色ブドウ球菌への抗菌能力を実証。測定ガス透過率は200Paで40-50mm/sスケール。これらの結果は、CMCS/PEOナノファイバー膜が果実用包装材料として適している可能性を示唆。従来の典型的コーティングと比較して、ナノファイバーフィルムは潜在的適用性を有する。この環境友好的技術は、果実の栽培、輸送、販売における代替アプローチを提供し得ます。

略語

CMCS

カルボキシメチルキトサン

FTIR

フーリエ変換赤外分光法

PEO

ポリオキシエチレンオキシド

SEM

走査型電子顕微鏡