JP3697234B2 - 耐水性に優れた生分解性成形品とその製造方法 - Google Patents
耐水性に優れた生分解性成形品とその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低コストで、しかも生分解性を有すると共に耐水性に優れており、育苗ポットをはじめとする農業分野や食品分野などに有用な、耐水性に優れた生分解性成形品とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境負荷低減の観点から、石油系高分子ポリマーを原料としたプラスチック製品については、回収してリサイクルすることが求められている。
しかしながら、使用時に汚れの付着する農業分野や、使用量の多い食品分野などは、容器の回収自体が困難であるのみならず回収後の処理の問題もあり、リサイクルすることが困難な分野であり、早急な生分解性の素材開発が求められている。
【０００３】
そこで現在、多くの生分解性素材が開発され、特にポリ乳酸系、さらにポリカプロラクトン系などの化学合成系の高分子ポリマーについて、多くの分野で利用が始まっている。
また、これらの素材についても、コスト低減や成形方法の汎用化に向けたブレンドや処理方法の改善が進んでいる。
しかしながら、依然、コスト、生分解性能などの課題がある。
【０００４】
また、天然素材系では、澱粉を主体とした固形容器は従来からあるが、これらについては生分解性能は高いものの、耐水性が低いといった問題がある。
【０００５】
このため、低コストで、しかも耐水性が高く、農業・食品分野などに適した生分解性の成形品が求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の欠点を解消するものであって、天然素材を材料とし、低コストで、しかも耐水性の高い生分解性の成形品を提供することを目的とするものである。
【０００７】
特に本発明は、従来のプラスチック製品ほどの強度、耐久性を必要とせず、しかも汚れなどがひどく、その回収処理が困難な、農業分野や食品分野などで使用される成形品について、低コストで、しかも耐水性の高い生分解性の成形品を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、耐水性の高い生分解性フィルムを、天然素材であるトウモロコシ種子蛋白のゼイン（コーングルテンミールから抽出）を用いて製造し、そのフィルムの機能性について検討を行っている。
その経験から、生分解性成形品への耐水性付与のために、このトウモロコシ種子蛋白ゼインを利用することを検討し、コストの低減から、ゼインを含むコーングルテンミールを直接用いることを考えた。また、成形時のハンドリングや成形品の均一性を向上させるために、成形前に材料をペレット化することを考えた。
さらに、成形処理としては、生産性のアドバンテージ（コスト、成形性、成形物の形状の自由度）の高い射出成形法を用いることで、コスト低減と実際の使用に耐える成形物を得ようと考えた。
【０００９】
成形方法には、射出・押出・圧縮（ホットプレス）等があるが、上記したように、生産性の点で射出成形法が最も優れている。
ここで蛋白質を射出成形により処理することについて、本発明者が特許（射出成形による肉様素材の製造法：特許第1633092号；Process for Production of Meat Analogue by Injection Molding ：US patent 4740379）を所有しており、蛋白質においても、他の高分子ポリマーと類似する熱可塑性を有していることが開示されている。
【００１０】
しかしながら、この熱溶融時の物性が温度により容易に変化するため、射出成形処理は実際には行われてはいない。蛋白質の射出成形においては、安定熱溶融の範囲が狭く、また粘度も大きい。
【００１１】
このため本発明者らは、鋭意検討を重ねた。その結果、従来の射出成形機のスクリューヘッドでは、原料が焦げ、溶融・計量できなかったが、結果、今回、図１に示すように、スクリューヘッドのリング部とシリンダバレルとの間の間隙Ｃが０．５〜２．５ｍｍの範囲であり、さらに前記リング部の長さＬとの比（Ｌ／Ｃ）が、１．５〜２５の範囲であるスクリューヘッドに改良することにより、原料を焦がさず、効率的に溶融・計量し、金型内に射出することができることが分かった。
【００１２】
また、生分解性成形品を天然素材から、いわば食品副産物から得られることで、コスト低減が図られるのみならず、この方法では、事前に材料をペレット化して調製することで、植物の栽培ポットなどの製造にあたっては、植物の生長に寄与する微量元素などを添加し、この素材の使用時の生分解挙動に合わせた拡散溶出により、安定的に植物への供給が可能であるなどの、農業での栽培管理の効率化や農地等の過剰肥料の改善などの副次的な効果も期待できる。
本発明における使用材料の形態は、粉状、粒状、液状、フレーク状など様々であって、必ずしも単純な混合だけで、材料中の成分を充分に均一化できない。また、使用材料の混合物は、成形処理時のハンドリングが悪いという欠点もある。成形前にペレット化することで、これらの欠点を改善することができた。すなわち、成形処理時のハンドリングが改善されると共に、成分の均一性が向上して、成分の変動が大きい天然物を材料とした場合でも、品質の揃った成形品を得ることができた。
本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。
【００１３】
すなわち、請求項１記載の本発明は、トウモロコシ蛋白を含む素材を主材料とし、かつ 、エタノール（含水エタノールを含む）を含む成形材料を７０〜９０℃の温度にてペレット化した後、１１０〜２２０℃の温度にて射出成形処理することを特徴とする、耐水性に優れた生分解性成形品の製造方法を提供するものである。
請求項２記載の本発明は、成形材料として、トウモロコシ蛋白を含む素材１００質量部に、エタノール（含水エタノールを含む）２０〜５０質量部と副材料０〜１００質量部を配合したものを用いる、請求項１記載の方法を提供するものである。
請求項３記載の本発明は、副材料が、可塑剤、繊維成分を含む材料及び肥料成分から選ばれた１種以上のものである、請求項２記載の方法を提供するものである。
請求項４記載の本発明は、射出成形処理を、射出成形機のスクリューの先端に設けられたスクリューヘッドのリング部とシリンダバレルとの間の間隙Ｃが０．５〜２．５ｍｍの範囲であり、前記間隙Ｃに対する前記リング部の長さＬの比（Ｌ／Ｃ）が１．５〜２５の範囲にあるスクリューヘッドを備えた射出成形機を用いて行う、請求項１から３のいずれかに記載の方法を提供するものである。
請求項５記載の本発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の方法により得られた、耐水性に優れた生分解性成形品を提供するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を示す。
請求項１記載の本発明は、耐水性に優れた生分解性成形品の製造方法に関し、トウモロコシ蛋白を含む素材を主材料とし、かつ、エタノール（含水エタノールを含む）を含む成形材料を７０〜９０℃の温度にてペレット化した後、１１０〜２２０℃の温度にて射出成形処理することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１記載の本発明においては、成形材料の主材料として、トウモロコシ蛋白を含む素材を用い、かつ、エタノール（含水エタノールを含む）を含む成形材料を用いる。
ここでトウモロコシ蛋白を含む素材とは、水不溶性のトウモロコシ蛋白を含むものであればよく、素材の蛋白含量は５０％以上であることが好ましい。具体的にはトウモロコシ種子等から含水エタノール等によって抽出されるゼイン画分、この抽出ゼイン画分を精製した高純度ゼインの他、トウモロコシからコーンスターチを生産する工程で得られるグルテンミールが挙げられ、更には、水洗による水溶性成分の除去や酵素処理（アミラーゼ）による脱澱粉を施して蛋白含量を高めたグルテンミールも含まれる。
【００１６】
請求項１記載の本発明においては、トウモロコシ蛋白を含む素材を主材料とし、かつ、エタノール（含水エタノールを含む）を含む成形材料を用いればよく、必要に応じて、さらに副材料を配合することができる。
すなわち、請求項２に記載したように、成形材料として、トウモロコシ蛋白を含む素材１００質量部に、エタノール（含水エタノールを含む）２０〜５０質量部と副材料０〜１００質量部を配合したものを用いることができる。
【００１７】
ここで副材料としては、様々なものが挙げられるが、請求項３に記載したように、可塑剤、繊維成分を含む材料及び肥料成分から選ばれた１種以上のものを用いることが好ましい。
【００１８】
可塑剤として具体的には、グリセリン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどの多価アルコール；乳酸、リンゴ酸などの有機酸；尿素などを挙げることができる。この可塑剤を配合することにより、塑性を向上させ、生分解性や機械的物性を調整することができる。
【００１９】
また、繊維成分を含む材料として具体的には例えば、きのこ廃培地、小麦ふすま、大豆皮、コーンファイバー、米ぬか、オカラ、廃菌床、廃培地、廃パルプ、籾殻、ヤシ殻、バガスなどの食品副産物を挙げることができる。この繊維成分を含む材料を配合することにより、強度を改善するばかりでなく、コストダウンを図ることができる。
【００２０】
さらに、肥料成分は、育苗ポットなど、農業分野などにおいて植物の生長にかかわる用途に使用する場合に配合されるものである。肥料成分として具体的には例えば、リン酸カリウム、尿素の他に、硫酸亜鉛，塩化カルシウム，硫酸マグネシウムなどの微量元素を挙げることができる。
【００２１】
本発明においては、事前に成形材料をペレット化して調製することで、植物の栽培ポットなどの製造にあたっては、植物の生長に寄与する微量元素などを添加し、この素材の使用時の生分解挙動に合わせた拡散溶出により、安定的に植物への供給が可能となる。このため、農業での栽培管理の効率化や農地等の過剰肥料の改善などの副次的な効果も期待できる。
【００２２】
請求項１記載の本発明においては、上記した如き成形材料を、まずペレット化する。
前記したように、本発明における使用材料の形態は、粉状、粒状、液状など様々であって、必ずしも単純な混合だけで、材料中の成分を充分に均一化できない。また、使用材料の混合物は、成形処理時のハンドリングが悪いという欠点もある。成形前にペレット化することで、これらの欠点を改善することができた。すなわち、成形処理時のハンドリングが改善されると共に、成分の均一性が向上して、変動の大きい天然物を材料とした場合でも、品質の揃った成形品を得ることができた。このペレットは、射出・押出・圧縮等の成形処理に供することができる。
【００２３】
ペレット化は、トウモロコシ蛋白を含む素材、エタノール（含水エタノールを含む）、さらに可塑剤、繊維成分、肥料成分などの、生分解性成形品の品質向上や用途別の機能を持たせるための副材料を予め混合し、均一化するための重要な工程である。
特に、主とした成形処理として想定している射出成形処理においては、射出成形条件や装置の設定により、当該材料での成形処理が初めて可能となったが、その成形処理の前に充分に材料が均一化し、水分等の調整も行ったペレットを製造して、処理材料として用いることも、安定的な射出成形処理の確保に重要であった。具体的には、事前に混合する材料を予備混合し、成形処理での最適条件となるような成分比や含水率を調整して、優れた混合機能を持つ２軸加圧加熱混合機を用いて、調整した成分に合わせたスクリュー回転数及び処理加熱温度にて混合・混練処理後、押出し、切断を経てペレット化する。
このようなペレット化処理は、例えば２軸エクストルーダー等の加圧加熱型混合機を用いて、７０〜９０℃の温度にて加熱混練することにより行えばよい。
【００２４】
上記した如き成形材料をペレット化した後、射出成形処理する。
射出成形処理するにあたっては、得られたペレットをそのまま用いてもよいが、必要に応じて乾燥処理などにより水分を調整したものを用いてもよい。
【００２５】
成形処理としては、射出・押出・圧縮等種々の成形処理が挙げられるが、生産性の面から、射出成形処理が用いられる。通常、天然物の射出成形は非常に難しいが、材料のペレット化によって射出成形が可能となった。更に、射出成形装置の工夫によって、効率的に品質の良い成形品が得られるようになった。
射出成形処理は、請求項４に記載したように、図１に示す如きスクリューヘッドを備えた射出成形機を用いて行なうことができる。
図１は、そのような射出成形機のスクリューヘッドの形状を示す説明図であり、符号１はスクリューヘッド、符号２はスクリューヘッドのリング部、符号３はシリンダバレル、符号４はフライトである。
すなわち、射出成形処理は、射出成形機のスクリューの先端に設けられたスクリューヘッド１のリング部２とシリンダバレル３との間の間隙Ｃが０．５〜２．５ｍｍの範囲であり、前記間隙Ｃに対する前記リング部２の長さＬの比（Ｌ／Ｃ）が１．５〜２５の範囲にあるスクリューヘッドを備えた射出成形機を用いて行なわれる。このようなスクリューヘッドを備えた射出成形機を用いて射出成形することにより、原料を焦がさず、効率的に溶融・計量し、金型内に射出することができることが分かった。
【００２６】
本発明においては、上記した如き特定のスクリューヘッドを備えた射出成形機を用いて行なえば、射出成形条件は、一般に行われる条件と同様であって差し支えない。
一般的には、射出成形は高温、高圧で行われ、射出成形温度は、通常、１１０〜２２０℃である。また、このときの成形圧力は、通常、３０〜１５０ＭＰaである。
【００２７】
以上のようにして、目的とする耐水性に優れた生分解性成形品を製造することができる。成形品の形状としては成形可能な形状であれば特に制限はない。
【００２８】
このようにして請求項１〜４のいずれかに記載の方法により得られた、耐水性に優れた生分解性成形品を提供するのが、請求項５に係る本発明である。
【００２９】
【実施例】
以下において、実施例により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、以下において示す「部」は、全て「質量部」を意味している。
【００３０】
実施例１（成形材料の主材料であるトウモロコシ蛋白を含む素材単独での射出成形処理による製造方法）
トウモロコシ蛋白を含む素材としてコーングルテンミール（蛋白７３％）１００部に、８０％エタノール溶液３０部を加えて、２軸エクストルーダー処理（バレル温度：８５℃にてペレットを作成して乾燥した。
得られたペレットは、図１に示す如きスクリューヘッドを備えた射出成形機（バレル加温温度：１７５℃）にて、ポット型の金型に射出成形物を得た。
射出成形処理条件は、スクリュー回転数：３００ｒｐｍ、スクリューストローク：８０ｍｍ、射出速度：１００ｍｍ／Ｓ、射出圧力：７０ＭＰaであった。１サイクル（射出時間、金型冷却時間、保圧時間、金型開閉時間）は３０秒で、生分解性の育苗ポット（開口径：７０ｍｍ、厚み：３ｍｍ、深さ：７５ｍｍ）を製造することができた。
【００３１】
この実施例１の試料は充分な強度を持っていたが、破断強度と伸び率を測定することはできなかった。
破断強度及び伸び率は、インストロン（ＩＮＳＴＲＯＮ）万能物性試験機５５６４にて、試験速度１０ｍｍ／分にて測定を行った。測定試料は、ＪＩＳ規格のダンベル状の試験片（１７０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み３ｍｍ）を射出成形処理で成形したものを用いた。
【００３２】
実施例２［グリセリン添加（塑性の向上）］
コーングルテンミール（蛋白７３％）１００部に、５０％エタノール溶液２０部、グリセリン３０部を加えて、２軸エクストルーダー処理（バレル加温温度：７５℃）にてペレットを作成して乾燥した。
得られたペレットを原料に、図１に示す如きスクリューヘッドを備えた射出成形機（バレル加温温度：１６５℃）にて、ポット型の金型に射出成形物を得た。
射出成形処理条件は、スクリュー回転数：２５０ｒｐｍ、スクリューストローク：５０ｍｍ、射出速度：１００ｍｍ／Ｓ、射出圧力：５５ＭＰaであった。１サイクル（射出時間、金型冷却時間、保圧時間、金型開閉時間）は約３０秒で、生分解性の育苗ポット（開口径：７０ｍｍ、厚み：３ｍｍ、深さ：７５ｍｍ）を製造することができた。
【００３３】
得られた製品は、実施例１で得られた製品に比べて柔軟性が向上した。
また、得られた製品の破断強度と伸び率を第１表に示す。なお、第１表中の数値は、５点の平均値を示しており、括弧内は標準偏差を示している。この結果から、測定不能であった実施例１の試料と比べて、実施例２の試料は物性の改善ができていることが分かる。
【００３４】
実施例３［グリセリン、繊維成分添加（塑性の向上、低コスト化、強度向上）］
コーングルテンミール（蛋白７３％）９０部に、きのこ培地廃棄物を粉砕処理して得られた約４００μｍの繊維成分を１０部添加し、５０％エタノール溶液３０部、グリセリン３０部を加えて、２軸エクストルーダー処理（バレル加温温度：７５℃）にてペレットを作成して乾燥した。
得られたペレットを原料に、図１に示す如きスクリューヘッドを備えた射出成形機（バレル加温温度：１６５℃）にて、ポット型の金型に射出成形物を得た。
射出成形処理条件は、スクリュー回転数：２５０ｒｐｍ、スクリューストローク：５５ｍｍ、射出速度：１００ｍｍ／Ｓ、射出圧力：５０ＭＰaであった。１サイクル（射出時間、金型冷却時間、保圧時間、金型開閉時間）は約３０秒で、生分解性の育苗ポット（開口径：７０ｍｍ、厚み：３ｍｍ、深さ：７５ｍｍ）を製造することができた。
【００３５】
得られた製品の破断強度と伸び率を第１表に示す。第１表に示されるように、得られた製品は、実施例２で得られた製品に比べて強度が向上した。
【００３６】
実施例４［グリセリン、繊維添加、肥料成分の添加（塑性の向上、低コスト化、強度向上、植物栽培促進効果）］
コーングルテンミール（蛋白７３％）９０部に、きのこ培地廃棄物を粉砕処理して得られた約４００μｍの繊維分を１０部添加し、５０％エタノール溶液３０部、グリセリン３０部を加え、さらに植物への肥料成分（リン酸カリウム、尿素、各０．５部、硫酸亜鉛、塩化カルシウム、硫酸マグネシウム、各０．０５部）を添加し、２軸エクストルーダー処理（バレル加温温度：７５℃）にてペレットを作成して乾燥した。
得られたペレットを原料に、図１に示す如きスクリューヘッドを備えた射出成形機（バレル加温温度：１６０℃）にて、ポット型の金型に射出成形物を得た。
射出成形処理条件は、スクリュー回転数：２５０ｒｐｍ、スクリューストローク：５０ｍｍ、射出速度：１００ｍｍ／Ｓ、射出圧力：８０ＭＰaであった。１サイクル（射出時間、金型冷却時間、保圧時間、金型開閉時間）は約３０秒で、生分解性の育苗ポット（開口径：７０ｍｍ、厚み：３ｍｍ、深さ：７５ｍｍ）を製造することができた。
【００３７】
得られた製品の破断強度と伸び率を第１表に示す。第１表に示されるように、得られた製品は、実施例３で得られた製品に比べて強度が低下したが、ポットとして利用可能な強度を有していた。
【００３８】
また、植物の成長に影響を与える微量元素の製品からの溶出率を測定する溶出試験を行った。第２表に溶出試験の結果を、製品（育苗ポット）への微量元素の添加量と共に示す。なお、亜鉛（Ｚｎ）はＺｎＳＯ４の形で、カルシウム（Ｃａ）はＣａＣｌ２の形で、マグネシウム（Ｍｇ）はＭｇＳＯ４の形でそれぞれ添加した。第２表中の溶出量は、富山産業株式会社製の溶出試験機ＮＴＲ−６１００Ａを用い、対象試料の１００倍の蒸留水を加えて、液温４０℃で１週間の溶出試験を行ったときの結果である。
実際の生分解性成形品の利用として、肥料成分を添加した育苗ポットの効果を検討する場合には、栽培条件の土壌中での溶出試験を行うことが、実際の評価には必要であるが、土壌成分の混入による分析精度が低下することや、測定時間が長時間になることから、ここでは液中での加速度試験を実施した。この中で、液中において、１週間の処理で１０％から４０％程度の溶出が確認され、実際の土壌中においては、より長い時間にわたって、これらの微量成分の溶出が確保されることが予想される結果を得た。
【００３９】
【表１】
第１表
【００４０】
【表２】
第２表（溶出試験）
【００４１】
【発明の効果】
請求項１〜４に係る本発明の方法によれば、低コストで、しかも耐水性の高い生分解性の成形品を製造することができる。
特に請求項１〜４に係る本発明の方法によれば、従来のプラスチック製品ほどの強度、耐久性を必要とせず、しかも汚れなどがひどく、その回収処理が困難な、農業分野や食品分野などで使用される成形品について、低コストで、しかも耐水性の高い生分解性の成形品を製造することができる。
【００４２】
また、請求項５に係る本発明によれば、低コストで、しかも耐水性の高い生分解性の成形品が提供される。
特に請求項５に係る本発明によれば、従来のプラスチックほどの強度、耐久性を必要とせず、しかも汚れなどがひどく、その回収処理が困難な、農業分野や食品分野などで使用される成形品について、低コストで、しかも耐水性の高い生分解性の成形品が提供される。
【００４３】
本発明においては、事前に成形材料をペレット化して調製することで、植物の栽培ポットなどの製造にあたっては、植物の生長に寄与する微量元素などを添加し、この素材の使用時の生分解挙動に合わせた拡散溶出により、安定的に植物への供給が可能となる。このため、農業での栽培管理の効率化や農地等の過剰肥料の改善などの副次的な効果も期待できる。
従って、本発明は、容器の回収や処理などを要しないなど、生分解性環境保全型資材として、農業分野（農業用資材）をはじめとして、各種分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例で用いた、スクリューヘッドを備えた射出成形機のスクリューヘッドの形状を示す説明図である。
【符号の説明】
１ スクリューヘッド
２ リング部
３ シリンダバレル
４ フライト
【発明の属する技術分野】
本発明は、低コストで、しかも生分解性を有すると共に耐水性に優れており、育苗ポットをはじめとする農業分野や食品分野などに有用な、耐水性に優れた生分解性成形品とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境負荷低減の観点から、石油系高分子ポリマーを原料としたプラスチック製品については、回収してリサイクルすることが求められている。
しかしながら、使用時に汚れの付着する農業分野や、使用量の多い食品分野などは、容器の回収自体が困難であるのみならず回収後の処理の問題もあり、リサイクルすることが困難な分野であり、早急な生分解性の素材開発が求められている。
【０００３】
そこで現在、多くの生分解性素材が開発され、特にポリ乳酸系、さらにポリカプロラクトン系などの化学合成系の高分子ポリマーについて、多くの分野で利用が始まっている。
また、これらの素材についても、コスト低減や成形方法の汎用化に向けたブレンドや処理方法の改善が進んでいる。
しかしながら、依然、コスト、生分解性能などの課題がある。
【０００４】
また、天然素材系では、澱粉を主体とした固形容器は従来からあるが、これらについては生分解性能は高いものの、耐水性が低いといった問題がある。
【０００５】
このため、低コストで、しかも耐水性が高く、農業・食品分野などに適した生分解性の成形品が求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の欠点を解消するものであって、天然素材を材料とし、低コストで、しかも耐水性の高い生分解性の成形品を提供することを目的とするものである。
【０００７】
特に本発明は、従来のプラスチック製品ほどの強度、耐久性を必要とせず、しかも汚れなどがひどく、その回収処理が困難な、農業分野や食品分野などで使用される成形品について、低コストで、しかも耐水性の高い生分解性の成形品を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、耐水性の高い生分解性フィルムを、天然素材であるトウモロコシ種子蛋白のゼイン（コーングルテンミールから抽出）を用いて製造し、そのフィルムの機能性について検討を行っている。
その経験から、生分解性成形品への耐水性付与のために、このトウモロコシ種子蛋白ゼインを利用することを検討し、コストの低減から、ゼインを含むコーングルテンミールを直接用いることを考えた。また、成形時のハンドリングや成形品の均一性を向上させるために、成形前に材料をペレット化することを考えた。
さらに、成形処理としては、生産性のアドバンテージ（コスト、成形性、成形物の形状の自由度）の高い射出成形法を用いることで、コスト低減と実際の使用に耐える成形物を得ようと考えた。
【０００９】
成形方法には、射出・押出・圧縮（ホットプレス）等があるが、上記したように、生産性の点で射出成形法が最も優れている。
ここで蛋白質を射出成形により処理することについて、本発明者が特許（射出成形による肉様素材の製造法：特許第1633092号；Process for Production of Meat Analogue by Injection Molding ：US patent 4740379）を所有しており、蛋白質においても、他の高分子ポリマーと類似する熱可塑性を有していることが開示されている。
【００１０】
しかしながら、この熱溶融時の物性が温度により容易に変化するため、射出成形処理は実際には行われてはいない。蛋白質の射出成形においては、安定熱溶融の範囲が狭く、また粘度も大きい。
【００１１】
このため本発明者らは、鋭意検討を重ねた。その結果、従来の射出成形機のスクリューヘッドでは、原料が焦げ、溶融・計量できなかったが、結果、今回、図１に示すように、スクリューヘッドのリング部とシリンダバレルとの間の間隙Ｃが０．５〜２．５ｍｍの範囲であり、さらに前記リング部の長さＬとの比（Ｌ／Ｃ）が、１．５〜２５の範囲であるスクリューヘッドに改良することにより、原料を焦がさず、効率的に溶融・計量し、金型内に射出することができることが分かった。
【００１２】
また、生分解性成形品を天然素材から、いわば食品副産物から得られることで、コスト低減が図られるのみならず、この方法では、事前に材料をペレット化して調製することで、植物の栽培ポットなどの製造にあたっては、植物の生長に寄与する微量元素などを添加し、この素材の使用時の生分解挙動に合わせた拡散溶出により、安定的に植物への供給が可能であるなどの、農業での栽培管理の効率化や農地等の過剰肥料の改善などの副次的な効果も期待できる。
本発明における使用材料の形態は、粉状、粒状、液状、フレーク状など様々であって、必ずしも単純な混合だけで、材料中の成分を充分に均一化できない。また、使用材料の混合物は、成形処理時のハンドリングが悪いという欠点もある。成形前にペレット化することで、これらの欠点を改善することができた。すなわち、成形処理時のハンドリングが改善されると共に、成分の均一性が向上して、成分の変動が大きい天然物を材料とした場合でも、品質の揃った成形品を得ることができた。
本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。
【００１３】
すなわち、請求項１記載の本発明は、トウモロコシ蛋白を含む素材を主材料とし、かつ 、エタノール（含水エタノールを含む）を含む成形材料を７０〜９０℃の温度にてペレット化した後、１１０〜２２０℃の温度にて射出成形処理することを特徴とする、耐水性に優れた生分解性成形品の製造方法を提供するものである。
請求項２記載の本発明は、成形材料として、トウモロコシ蛋白を含む素材１００質量部に、エタノール（含水エタノールを含む）２０〜５０質量部と副材料０〜１００質量部を配合したものを用いる、請求項１記載の方法を提供するものである。
請求項３記載の本発明は、副材料が、可塑剤、繊維成分を含む材料及び肥料成分から選ばれた１種以上のものである、請求項２記載の方法を提供するものである。
請求項４記載の本発明は、射出成形処理を、射出成形機のスクリューの先端に設けられたスクリューヘッドのリング部とシリンダバレルとの間の間隙Ｃが０．５〜２．５ｍｍの範囲であり、前記間隙Ｃに対する前記リング部の長さＬの比（Ｌ／Ｃ）が１．５〜２５の範囲にあるスクリューヘッドを備えた射出成形機を用いて行う、請求項１から３のいずれかに記載の方法を提供するものである。
請求項５記載の本発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の方法により得られた、耐水性に優れた生分解性成形品を提供するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を示す。
請求項１記載の本発明は、耐水性に優れた生分解性成形品の製造方法に関し、トウモロコシ蛋白を含む素材を主材料とし、かつ、エタノール（含水エタノールを含む）を含む成形材料を７０〜９０℃の温度にてペレット化した後、１１０〜２２０℃の温度にて射出成形処理することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１記載の本発明においては、成形材料の主材料として、トウモロコシ蛋白を含む素材を用い、かつ、エタノール（含水エタノールを含む）を含む成形材料を用いる。
ここでトウモロコシ蛋白を含む素材とは、水不溶性のトウモロコシ蛋白を含むものであればよく、素材の蛋白含量は５０％以上であることが好ましい。具体的にはトウモロコシ種子等から含水エタノール等によって抽出されるゼイン画分、この抽出ゼイン画分を精製した高純度ゼインの他、トウモロコシからコーンスターチを生産する工程で得られるグルテンミールが挙げられ、更には、水洗による水溶性成分の除去や酵素処理（アミラーゼ）による脱澱粉を施して蛋白含量を高めたグルテンミールも含まれる。
【００１６】
請求項１記載の本発明においては、トウモロコシ蛋白を含む素材を主材料とし、かつ、エタノール（含水エタノールを含む）を含む成形材料を用いればよく、必要に応じて、さらに副材料を配合することができる。
すなわち、請求項２に記載したように、成形材料として、トウモロコシ蛋白を含む素材１００質量部に、エタノール（含水エタノールを含む）２０〜５０質量部と副材料０〜１００質量部を配合したものを用いることができる。
【００１７】
ここで副材料としては、様々なものが挙げられるが、請求項３に記載したように、可塑剤、繊維成分を含む材料及び肥料成分から選ばれた１種以上のものを用いることが好ましい。
【００１８】
可塑剤として具体的には、グリセリン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどの多価アルコール；乳酸、リンゴ酸などの有機酸；尿素などを挙げることができる。この可塑剤を配合することにより、塑性を向上させ、生分解性や機械的物性を調整することができる。
【００１９】
また、繊維成分を含む材料として具体的には例えば、きのこ廃培地、小麦ふすま、大豆皮、コーンファイバー、米ぬか、オカラ、廃菌床、廃培地、廃パルプ、籾殻、ヤシ殻、バガスなどの食品副産物を挙げることができる。この繊維成分を含む材料を配合することにより、強度を改善するばかりでなく、コストダウンを図ることができる。
【００２０】
さらに、肥料成分は、育苗ポットなど、農業分野などにおいて植物の生長にかかわる用途に使用する場合に配合されるものである。肥料成分として具体的には例えば、リン酸カリウム、尿素の他に、硫酸亜鉛，塩化カルシウム，硫酸マグネシウムなどの微量元素を挙げることができる。
【００２１】
本発明においては、事前に成形材料をペレット化して調製することで、植物の栽培ポットなどの製造にあたっては、植物の生長に寄与する微量元素などを添加し、この素材の使用時の生分解挙動に合わせた拡散溶出により、安定的に植物への供給が可能となる。このため、農業での栽培管理の効率化や農地等の過剰肥料の改善などの副次的な効果も期待できる。
【００２２】
請求項１記載の本発明においては、上記した如き成形材料を、まずペレット化する。
前記したように、本発明における使用材料の形態は、粉状、粒状、液状など様々であって、必ずしも単純な混合だけで、材料中の成分を充分に均一化できない。また、使用材料の混合物は、成形処理時のハンドリングが悪いという欠点もある。成形前にペレット化することで、これらの欠点を改善することができた。すなわち、成形処理時のハンドリングが改善されると共に、成分の均一性が向上して、変動の大きい天然物を材料とした場合でも、品質の揃った成形品を得ることができた。このペレットは、射出・押出・圧縮等の成形処理に供することができる。
【００２３】
ペレット化は、トウモロコシ蛋白を含む素材、エタノール（含水エタノールを含む）、さらに可塑剤、繊維成分、肥料成分などの、生分解性成形品の品質向上や用途別の機能を持たせるための副材料を予め混合し、均一化するための重要な工程である。
特に、主とした成形処理として想定している射出成形処理においては、射出成形条件や装置の設定により、当該材料での成形処理が初めて可能となったが、その成形処理の前に充分に材料が均一化し、水分等の調整も行ったペレットを製造して、処理材料として用いることも、安定的な射出成形処理の確保に重要であった。具体的には、事前に混合する材料を予備混合し、成形処理での最適条件となるような成分比や含水率を調整して、優れた混合機能を持つ２軸加圧加熱混合機を用いて、調整した成分に合わせたスクリュー回転数及び処理加熱温度にて混合・混練処理後、押出し、切断を経てペレット化する。
このようなペレット化処理は、例えば２軸エクストルーダー等の加圧加熱型混合機を用いて、７０〜９０℃の温度にて加熱混練することにより行えばよい。
【００２４】
上記した如き成形材料をペレット化した後、射出成形処理する。
射出成形処理するにあたっては、得られたペレットをそのまま用いてもよいが、必要に応じて乾燥処理などにより水分を調整したものを用いてもよい。
【００２５】
成形処理としては、射出・押出・圧縮等種々の成形処理が挙げられるが、生産性の面から、射出成形処理が用いられる。通常、天然物の射出成形は非常に難しいが、材料のペレット化によって射出成形が可能となった。更に、射出成形装置の工夫によって、効率的に品質の良い成形品が得られるようになった。
射出成形処理は、請求項４に記載したように、図１に示す如きスクリューヘッドを備えた射出成形機を用いて行なうことができる。
図１は、そのような射出成形機のスクリューヘッドの形状を示す説明図であり、符号１はスクリューヘッド、符号２はスクリューヘッドのリング部、符号３はシリンダバレル、符号４はフライトである。
すなわち、射出成形処理は、射出成形機のスクリューの先端に設けられたスクリューヘッド１のリング部２とシリンダバレル３との間の間隙Ｃが０．５〜２．５ｍｍの範囲であり、前記間隙Ｃに対する前記リング部２の長さＬの比（Ｌ／Ｃ）が１．５〜２５の範囲にあるスクリューヘッドを備えた射出成形機を用いて行なわれる。このようなスクリューヘッドを備えた射出成形機を用いて射出成形することにより、原料を焦がさず、効率的に溶融・計量し、金型内に射出することができることが分かった。
【００２６】
本発明においては、上記した如き特定のスクリューヘッドを備えた射出成形機を用いて行なえば、射出成形条件は、一般に行われる条件と同様であって差し支えない。
一般的には、射出成形は高温、高圧で行われ、射出成形温度は、通常、１１０〜２２０℃である。また、このときの成形圧力は、通常、３０〜１５０ＭＰaである。
【００２７】
以上のようにして、目的とする耐水性に優れた生分解性成形品を製造することができる。成形品の形状としては成形可能な形状であれば特に制限はない。
【００２８】
このようにして請求項１〜４のいずれかに記載の方法により得られた、耐水性に優れた生分解性成形品を提供するのが、請求項５に係る本発明である。
【００２９】
【実施例】
以下において、実施例により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、以下において示す「部」は、全て「質量部」を意味している。
【００３０】
実施例１（成形材料の主材料であるトウモロコシ蛋白を含む素材単独での射出成形処理による製造方法）
トウモロコシ蛋白を含む素材としてコーングルテンミール（蛋白７３％）１００部に、８０％エタノール溶液３０部を加えて、２軸エクストルーダー処理（バレル温度：８５℃にてペレットを作成して乾燥した。
得られたペレットは、図１に示す如きスクリューヘッドを備えた射出成形機（バレル加温温度：１７５℃）にて、ポット型の金型に射出成形物を得た。
射出成形処理条件は、スクリュー回転数：３００ｒｐｍ、スクリューストローク：８０ｍｍ、射出速度：１００ｍｍ／Ｓ、射出圧力：７０ＭＰaであった。１サイクル（射出時間、金型冷却時間、保圧時間、金型開閉時間）は３０秒で、生分解性の育苗ポット（開口径：７０ｍｍ、厚み：３ｍｍ、深さ：７５ｍｍ）を製造することができた。
【００３１】
この実施例１の試料は充分な強度を持っていたが、破断強度と伸び率を測定することはできなかった。
破断強度及び伸び率は、インストロン（ＩＮＳＴＲＯＮ）万能物性試験機５５６４にて、試験速度１０ｍｍ／分にて測定を行った。測定試料は、ＪＩＳ規格のダンベル状の試験片（１７０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み３ｍｍ）を射出成形処理で成形したものを用いた。
【００３２】
実施例２［グリセリン添加（塑性の向上）］
コーングルテンミール（蛋白７３％）１００部に、５０％エタノール溶液２０部、グリセリン３０部を加えて、２軸エクストルーダー処理（バレル加温温度：７５℃）にてペレットを作成して乾燥した。
得られたペレットを原料に、図１に示す如きスクリューヘッドを備えた射出成形機（バレル加温温度：１６５℃）にて、ポット型の金型に射出成形物を得た。
射出成形処理条件は、スクリュー回転数：２５０ｒｐｍ、スクリューストローク：５０ｍｍ、射出速度：１００ｍｍ／Ｓ、射出圧力：５５ＭＰaであった。１サイクル（射出時間、金型冷却時間、保圧時間、金型開閉時間）は約３０秒で、生分解性の育苗ポット（開口径：７０ｍｍ、厚み：３ｍｍ、深さ：７５ｍｍ）を製造することができた。
【００３３】
得られた製品は、実施例１で得られた製品に比べて柔軟性が向上した。
また、得られた製品の破断強度と伸び率を第１表に示す。なお、第１表中の数値は、５点の平均値を示しており、括弧内は標準偏差を示している。この結果から、測定不能であった実施例１の試料と比べて、実施例２の試料は物性の改善ができていることが分かる。
【００３４】
実施例３［グリセリン、繊維成分添加（塑性の向上、低コスト化、強度向上）］
コーングルテンミール（蛋白７３％）９０部に、きのこ培地廃棄物を粉砕処理して得られた約４００μｍの繊維成分を１０部添加し、５０％エタノール溶液３０部、グリセリン３０部を加えて、２軸エクストルーダー処理（バレル加温温度：７５℃）にてペレットを作成して乾燥した。
得られたペレットを原料に、図１に示す如きスクリューヘッドを備えた射出成形機（バレル加温温度：１６５℃）にて、ポット型の金型に射出成形物を得た。
射出成形処理条件は、スクリュー回転数：２５０ｒｐｍ、スクリューストローク：５５ｍｍ、射出速度：１００ｍｍ／Ｓ、射出圧力：５０ＭＰaであった。１サイクル（射出時間、金型冷却時間、保圧時間、金型開閉時間）は約３０秒で、生分解性の育苗ポット（開口径：７０ｍｍ、厚み：３ｍｍ、深さ：７５ｍｍ）を製造することができた。
【００３５】
得られた製品の破断強度と伸び率を第１表に示す。第１表に示されるように、得られた製品は、実施例２で得られた製品に比べて強度が向上した。
【００３６】
実施例４［グリセリン、繊維添加、肥料成分の添加（塑性の向上、低コスト化、強度向上、植物栽培促進効果）］
コーングルテンミール（蛋白７３％）９０部に、きのこ培地廃棄物を粉砕処理して得られた約４００μｍの繊維分を１０部添加し、５０％エタノール溶液３０部、グリセリン３０部を加え、さらに植物への肥料成分（リン酸カリウム、尿素、各０．５部、硫酸亜鉛、塩化カルシウム、硫酸マグネシウム、各０．０５部）を添加し、２軸エクストルーダー処理（バレル加温温度：７５℃）にてペレットを作成して乾燥した。
得られたペレットを原料に、図１に示す如きスクリューヘッドを備えた射出成形機（バレル加温温度：１６０℃）にて、ポット型の金型に射出成形物を得た。
射出成形処理条件は、スクリュー回転数：２５０ｒｐｍ、スクリューストローク：５０ｍｍ、射出速度：１００ｍｍ／Ｓ、射出圧力：８０ＭＰaであった。１サイクル（射出時間、金型冷却時間、保圧時間、金型開閉時間）は約３０秒で、生分解性の育苗ポット（開口径：７０ｍｍ、厚み：３ｍｍ、深さ：７５ｍｍ）を製造することができた。
【００３７】
得られた製品の破断強度と伸び率を第１表に示す。第１表に示されるように、得られた製品は、実施例３で得られた製品に比べて強度が低下したが、ポットとして利用可能な強度を有していた。
【００３８】
また、植物の成長に影響を与える微量元素の製品からの溶出率を測定する溶出試験を行った。第２表に溶出試験の結果を、製品（育苗ポット）への微量元素の添加量と共に示す。なお、亜鉛（Ｚｎ）はＺｎＳＯ４の形で、カルシウム（Ｃａ）はＣａＣｌ２の形で、マグネシウム（Ｍｇ）はＭｇＳＯ４の形でそれぞれ添加した。第２表中の溶出量は、富山産業株式会社製の溶出試験機ＮＴＲ−６１００Ａを用い、対象試料の１００倍の蒸留水を加えて、液温４０℃で１週間の溶出試験を行ったときの結果である。
実際の生分解性成形品の利用として、肥料成分を添加した育苗ポットの効果を検討する場合には、栽培条件の土壌中での溶出試験を行うことが、実際の評価には必要であるが、土壌成分の混入による分析精度が低下することや、測定時間が長時間になることから、ここでは液中での加速度試験を実施した。この中で、液中において、１週間の処理で１０％から４０％程度の溶出が確認され、実際の土壌中においては、より長い時間にわたって、これらの微量成分の溶出が確保されることが予想される結果を得た。
【００３９】
【表１】
第１表
【表２】
第２表（溶出試験）
【発明の効果】
請求項１〜４に係る本発明の方法によれば、低コストで、しかも耐水性の高い生分解性の成形品を製造することができる。
特に請求項１〜４に係る本発明の方法によれば、従来のプラスチック製品ほどの強度、耐久性を必要とせず、しかも汚れなどがひどく、その回収処理が困難な、農業分野や食品分野などで使用される成形品について、低コストで、しかも耐水性の高い生分解性の成形品を製造することができる。
【００４２】
また、請求項５に係る本発明によれば、低コストで、しかも耐水性の高い生分解性の成形品が提供される。
特に請求項５に係る本発明によれば、従来のプラスチックほどの強度、耐久性を必要とせず、しかも汚れなどがひどく、その回収処理が困難な、農業分野や食品分野などで使用される成形品について、低コストで、しかも耐水性の高い生分解性の成形品が提供される。
【００４３】
本発明においては、事前に成形材料をペレット化して調製することで、植物の栽培ポットなどの製造にあたっては、植物の生長に寄与する微量元素などを添加し、この素材の使用時の生分解挙動に合わせた拡散溶出により、安定的に植物への供給が可能となる。このため、農業での栽培管理の効率化や農地等の過剰肥料の改善などの副次的な効果も期待できる。
従って、本発明は、容器の回収や処理などを要しないなど、生分解性環境保全型資材として、農業分野（農業用資材）をはじめとして、各種分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例で用いた、スクリューヘッドを備えた射出成形機のスクリューヘッドの形状を示す説明図である。
【符号の説明】
１ スクリューヘッド
２ リング部
３ シリンダバレル
４ フライト
Claims (5)
- トウモロコシ蛋白を含む素材を主材料とし、かつ、エタノール（含水エタノールを含む）を含む成形材料を７０〜９０℃の温度にてペレット化した後、１１０〜２２０℃の温度にて射出成形処理することを特徴とする、耐水性に優れた生分解性成形品の製造方法。
- 成形材料として、トウモロコシ蛋白を含む素材１００質量部に、エタノール（含水エタノールを含む）２０〜５０質量部と副材料０〜１００質量部を配合したものを用いる、請求項１記載の方法。
- 副材料が、可塑剤、繊維成分を含む材料及び肥料成分から選ばれた１種以上のものである、請求項２記載の方法。
- 射出成形処理を、射出成形機のスクリューの先端に設けられたスクリューヘッドのリング部とシリンダバレルとの間の間隙Ｃが０．５〜２．５ｍｍの範囲であり、前記間隙Ｃに対する前記リング部の長さＬの比（Ｌ／Ｃ）が１．５〜２５の範囲にあるスクリューヘッドを備えた射出成形機を用いて行う、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の方法により得られた、耐水性に優れた生分解性成形品。
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