柑橘皮纖維素納米纖維特性闡明及應用開發

研究大綱

纖維素納米纖維（CNF）是寬度約為人發絲1/1000~1/30000的超細纖維素纖維，是一種以植物生物質為原料的具有多種功能的新材料。
另一方面，愛媛縣是著名的柑橘王國，但在柑橘種植和水果加工過程中會產生含有纖維素的廢物。 例如，愛媛縣每年產生約18,000噸柑橘汁后的殘留物，其中約30%作為工業廢物處理，需要有效利用。 目前，木漿是CNF的主要原料，但根據食品和化妝品等應用的不同，希望使用確保安全的原料，並且認為柑橘皮是合適的。
我們以柑橘汁汁渣（柑橘皮）為原料，使用一種叫做果膠酶的酶建立了一種溫和而簡單的CNF製備方法，並發現柑橘皮CNF具有很高的乳化和膠凝能力，並提出了其在化妝品和食品中的應用。 雖然我們在論文中介紹的結果沒有被直接使用，但在 2021 年，愛媛縣的一家公司通過我們參與的產官學合作專案，將柑橘皮 CNF 和化妝品商業化。

研究的特點

柑橘皮CNF具有四個主要特點：（1）原料易堆積，（2）易納米化，（3）乳化能力高，（4）膠凝能力高。

（1）和（2）是原材料的特性。 我們使用柑橘汁製造過程中排出的殘留物（果皮）（圖1）。 由於它使用最初以高成本處理的工業廢物，因此當它已經在工廠中積累時，成本低且經濟上可行，可以降低與運輸相關的成本和能源。 其次，與被研究為CNF原料的木漿相比，柑橘皮含有更薄的纖維，更容易達到納米級（小型化），因此加工過程相對節能。 此外，我們還發現了一種通過使用一種叫做果膠酶的酶（也用於食品加工）作為獲得納米纖維的預處理來輕鬆生產CNF的方法（圖2）。

（3）和（4）是我們發現的柑橘皮CNF的性質。 通常，水和油不會混合，但CNF具有將油分散和保留為微小油滴在水中的作用（稱為乳化）。 此外，柑橘皮CNF在水中的微小油滴保留時間比木漿CNF更長，是一種具有高乳化能力的材料（圖3）。

利用這一特性，我們製作了一種由乳化保濕油製成的洗手凝膠的原型，並在展覽會上介紹（圖4）。 雖然該產品由大學試製，但尚未投入實際使用，但上述產官學合作專案已將含有類似特性的柑橘皮CNF化妝品商品化（圖5）。

關於（4）的膠凝能力，我們目前正在與愛媛大學社會創新學院的學生一起研究，因此我們無法向您展示詳細資訊，但我們已經證實了保護乳酸菌免受胃酸侵害的作用。 到目前為止，還沒有關於CNFs的研究被用來利用有益微生物。 我們正在研究利用由愛媛縣特有的原料製備的高度安全的柑橘皮CNF，利用有益微生物。

研究的吸引力

由愛媛縣特有的生物質柑橘皮製成的CNF與木漿衍生的CNF具有不同的特性，後者已被廣泛研究，有望開發新的應用。 作為一名研究人員，當我設計（發現）一個以前沒有其他公司做過的新課題時，我很高興，例如發現和應用柑橘皮CNF的乳化和膠凝能力，並獲得實驗中假設的結果（如果結果出乎意料，則更是如此）。 乍一看，這是一個不起眼的小倡議，但這是一個只有我們確認的“世界第一”事件。

此外，在我前面提到的產官學合作專案中，像我們這樣的大學研究人員正在研究柑橘皮從“0”到“1”的有效利用，並將其發表在論文和書籍中，我們作為專案的成員被接洽。 該專案由愛媛縣人民通過連接縣內的造紙公司、大學和國家研究機構而共同完成。 雖然我們展示的結果沒有直接導致商業化，但通過各種利益相關者的合作，通過各種利益相關者的直接或間接融合，參與開發從“1”到“10”的單個結果並實際應用，這很有趣。

未來展望

在CNFs的研究領域已經開發了各種應用，但幾乎沒有與微生物相關的研究。 目前，我們正致力於開發微生物材料，重點是柑橘果皮CNFs的膠凝能力。 乳酸菌是一種益生菌，即使它們是死細菌，也具有免疫刺激作用，但如果將它們與活細菌一起輸送到腸道，則可以預期它們會產生更有益的效果。 但是，根據類型的不同，胃酸幾乎會殺死您，因此您需要保護它。 柑橘皮CNF由可食用的成分製成，相對安全，具有良好的膠凝能力，因此可用作益生菌的保護材料。 通過有效利用當地的生物質，並利用獲得的CNF來利用微生物，我們的目標是進行利用人類和當地產業的研究。

給那些希望做這項研究的人的資訊

利用植物生物質通過光合作用固定二氧化碳，可以成為實現聯合國大會在2015年設定的可持續發展目標（SDG）中多個專案的手段之一。

例如，造紙工業是一個利用稱為木材的植物生物質的行業。 近年來，由於數位化和與人口減少直接相關的出生率下降等因素，紙張消費量一直在下降，有必要創造新的生物質利用產業，其中包括紙張以外的應用。 日本領先的造紙公司之一致力於柑橘皮CNF的商業化，這難道不是一個很好的例子嗎？
為了有效利用該地區的生物質，我們正在研究利用酶和微生物等生物功能將植物生物質轉化為有用的材料和物質，例如CNF，並利用它們增強生物功能。 你們為什麼不共同努力，有效利用當地的植物生物質，創造一個新的生物質產業呢？