柑橘皮纤维素纳米纤维的特性和应用开发。

研究概况

纤维素纳米纤维（CNFs）是一种极细的纤维素纤维，宽度仅为头发丝的 1/1000 到 1/3000，是一种从植物生物质中提取的新型材料，具有多种功能。
另一方面，爱媛县是著名的柑橘王国，但在柑橘种植和水果加工过程中会产生含有纤维素的废物。例如，爱媛县每年产生约 18,000 吨柑橘压榨果汁后的残渣，其中约 30% 作为工业废物处理，因此需要有效利用。目前，木浆是 CNF 的主要原材料，但根据食品或化妆品等应用领域的不同，安全的原材料也是可取的，而柑橘皮被认为是合适的原材料。
我们以柑橘果汁残渣（柑橘皮）为原料，利用果胶酶建立了温和简单的 CNF 制备方法，发现柑橘皮 CNF 具有很强的乳化和胶凝能力，并在论文和书籍中提出了在化妆品和食品中的应用。虽然我们在论文中发表的成果没有得到直接应用，但通过我们后来参与的产官学合作项目，爱媛县的一家公司于 2021 年将柑橘皮 CNF 及其化妆品商业化。

研究特色

柑橘皮 CNFs 具有四大特点：1）易于原料堆积；2）易于纳米组织；3）高乳化能力；4）高凝胶能力。

(i) (ii) 是原料的特性。柑橘汁生产过程中产生的残渣（果皮）得到了利用（图 1）。由于使用的是原本需要花钱处理的工业废料，成本低，而且已经在工厂中积累，经济上可行，从而降低了运输的成本和能耗。其次，与许多 CNF 的研究原料木浆相比，柑橘皮中所含的纤维更细，更容易纳米化（微型化），因此加工过程相对节能。我们还发现了一种生产 CNF 的简便方法，即使用同样用于食品加工的果胶酶进行预处理，从而获得纳米纤维（图 2）。

图 1：柑橘压榨厂的残留物（左）。
以前没有使用过的 Iyokan 内果皮（右）。
图 2：在酶处理或其他预处理后，通过去颤 3 分钟制备。
柑橘皮 CNF（左）
制备方法是先打 1.5 小时，再磨 2 小时。
从木浆中提取的 CNF（右）

(iii) (iv)是我们发现的柑橘皮 CNF 的一种特性。通常情况下，水和油不会混合，但 CNF 具有将油以微小油滴的形式分散和保留在水中的效果（称为乳化）。此外，与木浆衍生的 CNF 相比，柑橘皮 CNF 在水中以微小油滴形式保留油的时间更长，因此是一种高乳化性材料（图 3）。

图 3：CNF 和角鲨烷油混合物样品的显微图像。
(a) 柑橘皮压缩纤维；(b) 木浆压缩纤维。

纤维素纳米纤维研究和实际应用前沿》，Co.
347-355 (2021)

在一次展览会上推出的乳化保湿油的手部凝胶原型中就利用了这一特性（图 4）。虽然该大学自己的产品原型没有实现商业化，但在上述产官学合作项目中，含有柑橘皮 CNF 的具有类似特性的化妆品实现了商业化（图 5）。

图 4：含有 Iokan 内皮 CNF 的手凝胶（左）和含有 Iokan 内皮 CNF 的手凝胶（右）。
展览介绍（东京 Meguriwa 展览会）（右）。

纤维素纳米纤维研究和实际应用的前沿》。
中国人民大学出版社，347-355（2021 年）。
图 5：爱媛县一家造纸公司销售的伊予干果皮 CNF（左）和含有 CNF 的化妆品（右）。

纤维素纳米纤维研究和实际应用的前沿》。
中国人民大学出版社，347-355（2021 年）。

由于目前正在与爱媛大学社会共创学院的学生共同研究 (4) 的胶凝能力，因此无法详细说明，但其保护乳酸菌免受胃酸侵蚀的效果已得到证实。迄今为止，还没有利用 CNF 研究有益微生物。我们正在努力研究如何利用用爱媛特有的原材料制备的安全柑橘皮 CNF 来利用有益微生物。

研究的吸引力

由爱媛县特有的生物质–柑橘皮制成的 CNF 具有与木浆制成的 CNF 不同的特性，而木浆制成的 CNF 一直是研究的对象，因此可以开发出新的用途。作为一名研究人员，当我发明（或发现）一个以前没有研究过的新课题时，比如发现并应用柑橘皮 CNF 的乳化和胶凝特性，当实验结果与假设相符时（当结果出乎意料时，我就会感到非常高兴）。尽管这看似微不足道，但那一刻却是 “世界第一”，只有我们才能证实。

在前面提到的产官学合作项目中，我们等大学研究人员本着从 “0 “生产出 “1 “的态度，对柑橘皮的有效利用进行了研究，并发表了相关论文和著作。该项目是爱媛县参与的柑橘果皮生产项目。该项目由爱媛县将县内的造纸企业、大学和国家研究机构联系在一起。我们展示的成果并没有直接实现商业化，但通过各方的合作，单个成果直接或间接地融合在一起，从 “1 “发展到 “10”、”100 “等、我很高兴能参与其中，通过多方合作，将单项成果直接或间接地融合在一起，从 “1 “发展到 “10”、”100″，直至实际应用。

在原子力显微镜下观察 CNF。
在洁净工作台上处理微生物。

前景

关于 CNFs 的研究领域，已经开发出各种应用，但与微生物相关的研究却很少。目前，我们正致力于开发微生物材料，重点研究柑橘皮 CNFs 的胶凝能力。乳酸菌是益生菌的一种，即使是死菌也有免疫刺激作用，但如果它们以活菌的形式进入肠道，预计会产生更有益的效果。不过，某些类型的乳酸菌需要保护，因为它们几乎会被胃酸完全杀死。柑橘皮 CNFs 由具有食品经验的原材料制成，相对安全且具有良好的胶凝能力，因此可用作益生菌的保护材料。研究的目的是利用通过有效利用当地生物质获得的 CNF 来利用微生物，最终使人类和当地工业受益。

给想从事这项研究的人的信息

植物生物质可通过光合作用固定二氧化碳，利用植物生物质可成为实现联合国大会 2015 年制定的多项可持续发展目标（SDG）的手段之一。

例如，造纸业就是一个利用植物生物质（即木材）的行业。近年来，由于数字化和与人口减少直接相关的出生率下降等因素，纸张消费量一直在下降，因此需要创建新的生物质利用行业，包括造纸以外的用途。该国一家领先的造纸公司将柑橘皮 CNF 商业化就是一个很好的例子。
我们的研究旨在有效利用本地生物质，利用生物功能（如酶和微生物）将植物生物质转化为有用的材料和物质（如 CNF），并利用这些材料和物质增强生物功能。何不加入我们的研究，有效利用本地植物生物质，开创生物质新产业？