[スポンサーリンク]

スポットライトリサーチ

in-situ放射光X線小角散実験から明らかにする牛乳のナノサイエンス

[スポンサーリンク]

第425回のスポットライトリサーチは、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所(物構研)の高木 秀彰 (たかぎ ひであき)助教にお願いしました。

物構研では、電子加速器から発生する放射光や陽電子、 陽子加速器が生み出す中性子やミュオンという4種のビームを利用し、原子レベルから高分子、生体分子レベルにいたる幅広いスケールの物質構造と機能を総合的に研究しています。本プレスリリースは牛乳の構造についてです。⽜乳の主成分はカゼインタンパク質であり、このタンパク質はおよそ100 nmのミセル状の構造を形成しています。電子顕微鏡観察を始め様々な最新の技術・装置を使ってカゼインミセルの構造を特定するための研究が行われていますが、現代でも詳細な構造は未解明で科学的な論争に決着はついていません。先行研究では、放射光 X 線小角散乱(Small-Angle X-ray Scattering, SAXS)法を利用してカゼインミセルの構造を研究し、10 ナノメートル程度の水のドメインが存在するモデル(水ドメイン内包モデル)を見出しました。そして本研究では10-40℃の温度範囲で牛乳のin-site測定を行い、ミセル構造が温度に対して敏感にかつダイナミックに変化することを解明しました。

この研究成果は、「Food Chemistry」誌およびプレスリリースに公開されています。

Temperature dependence of the casein micelle structure in the range of 10–40 °C: An in-situ SAXS study

Hideaki Takagi, Tomoki Nakano, Takayoshi Aoki and Morimasa Tanimoto

Food Chem. 393 2022, 133389

DOI: doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.133389

Q1. 今回プレスリリースとなったのはどんな研究ですか?簡単にご説明ください。

牛乳は高校の化学の教科書に記載されるほど典型的なコロイド粒子ですが、実は粒子(約100nmサイズのミセル)の内部構造に関しては現代でも未解明で、長年論争が続いています。我々は試料を非破壊でそのまま測定できるX線小角散乱法(Small Angle X-ray Scattering, SAXS)に着目しました。様々な構造モデルで計算した結果、SAXSプロファイルを最も合理的に説明できるのがミセル内に10nm程度の大きさの水ドメインを内包したミセルとなり、我々は「水ドメイン内包モデル」を提唱しています(図1)[1]。今回の実験では、温度がかかった状態でミセル内部がどのように変化するのかをin-situ SAXS実験により明らかにしました。温度はタンパク質の熱変性を起こさない10-40℃間で加熱冷却実験を行いました。実験で得られたSAXSプロファイルを水ドメイン内包モデルでfittingし、得られたfittingパラメータを比較しました。その結果、ミセルサイズは温度に対して変化せず、水ドメインは加熱によって膨張しました。牛乳の重要な栄養素であるカルシウムを含むリン酸カルシウムのナノクラスターは、加熱によって数密度が増加することが分かりました。冷却すると全て元に戻りました(図2)。10-40℃間の温度変化でミセル内部の構造が劇的に変化していることを解明したのは本研究が初めてです[2]。

図1 牛乳中のカゼインミセルと我々の研究チームが提唱する水ドメイン内包モデル

図2 10-40℃間のミセル内部の構造変化

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

明確な特徴のないSAXSプロファイルから構造モデルを推察するのがSAXSの専門家の腕の見せ所だと思います。ミセルの電子顕微鏡写真や多くの物理化学的分析に基づいたミセルモデルから計算モデルを組み立て、最も合理的なモデルを導き出すのには苦労しました。Fittingが合っても、モデルそのものが酪農科学の専門家から見て非現実的な場合もあるので、酪農科学専門家の共同研究者とは常に綿密に議論を行いました。

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか?またそれをどのように乗り越えましたか?

この研究も最も難しかった点は実験結果の解釈です。私は小角散乱の専門家でSAXSプロファイルの分析や解釈には長けています。一方で、牛乳は歴史の長い研究分野で、門外漢の私が簡単に理解できるほど甘い分野ではありません。また普段使用しない、分野に特有な物性値の取り扱いにも扱いにも苦労しました。実験結果の考察や現象の説明には酪農科学の専門家である共同研究者の方々なしでは到底できませんでした。特に鹿児島大学名誉教授である青木先生には数多くのご助言をいただき、先生なしではこの研究は成立しないと言っても過言ではありません。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか?

放射光や中性子といった量子ビームは食品科学と非常に相性がいいと個人的には思っています。今後は食品分野の量子ビーム利用の推進などにも力を入れていきたいと思います。

Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

最も身近な食品の一つである牛乳の不思議さに気づいてもらえたらうれしいです。牛乳はナノサイズの構造体を含み、それらが温度などに対して敏感に変化するので、ナノサイエンスともとらえることができます。ここでは紙面の関係上牛乳だけに言及しましたが、牛乳が分からないので、当然その加工品であるチーズやヨーグルトも構造的には未解明な部分が多いです。放射光X線小角散乱実験は時間分解実験も得意なので、今後はチーズやヨーグルトへの変化していく過程の時分割実験なども行っていき、チーズやヨーグルトの謎の解明にも挑戦していく予定です。

最後になりますが、共同研究者である南日本酪農協同株式会社の中野智木博士、山梨大学名誉教授で東京聖栄大学教授の谷本守正博士、鹿児島大学名誉教授の青木孝良博士にこの場を借りて感謝申し上げます。この研究は日本酪農科学会のミルクサイエンス研究助成のご支援をいただき実施いたしました。

参考文献

[1] Takagi, H., Nakano, T., Shimizu, N., Aoki, T. and Tanimoto, M., Milk Science, 71, 10-22 (2022)

[2] Takagi, H., Nakano, T., Aoki, T. and Tanimoto, M., Food Chem. 393, 133389 (2022).

研究者の略歴

高木秀彰(たかぎ ひであき)

高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所

研究テーマ:食品科学、コロイド科学、小角散乱

関連リンク

Avatar photo

Zeolinite

投稿者の記事一覧

ただの会社員です。某企業で化学製品の商品開発に携わっています。社内でのデータサイエンスの普及とDX促進が個人的な野望です。

関連記事

  1. 鉄触媒を使い分けて二重結合の位置を自由に動かそう
  2. 【6月開催】第九回 マツモトファインケミカル技術セミナー 有機金…
  3. 活性が大幅に向上したアンモニア合成触媒について
  4. ヘテロ原子を組み込んだ歪シクロアルキン簡便合成法の開発
  5. 不溶性アリールハライドの固体クロスカップリング反応
  6. 【早期申込特典あり|Amazonギフト5000円】第2弾!研究者…
  7. 摩訶不思議なルイス酸・トリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン
  8. 「超分子重合によるp-nヘテロ接合の構築」― インド国立学際科学…

注目情報

ピックアップ記事

  1. 論文引用ランキングから見る、化学界の世界的潮流
  2. 人が集まるポスター発表を考える
  3. 産業界のニーズをいかにして感じとるか
  4. デレピン アミン合成 Delepine Amine Synthesis
  5. モビリティ用電池の化学: リチウムイオン二次電池から燃料電池まで(CSJ:44)
  6. 有機レドックスフロー電池 (ORFB)の新展開:高分子を活物質に使う
  7. ブレオマイシン /Bleomycin
  8. 【7月開催】第十回 マツモトファインケミカル技術セミナー   オルガチックスによるPFAS(有機フッ素化合物)代替技術の可能性
  9. ニトロキシルラジカル酸化触媒 Nitroxylradical Oxidation Catalyst
  10. 準結晶的なナノパーティクルスーパーラティス

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2022年10月
 12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31  

注目情報

最新記事

リサイクル・アップサイクルが可能な植物由来の可分解性高分子の開発

第694回のスポットライトリサーチは、横浜国立大学大学院理工学府(跡部・信田研究室)卒業生の瀬古達矢…

第24回次世代を担う有機化学シンポジウム

「若手研究者が口頭発表する機会や自由闊達にディスカッションする場を増やし、若手の研究活動をエンカレッ…

粉末 X 線回折の基礎知識【実践·データ解釈編】

粉末 X 線回折 (powder x-ray diffraction; PXRD) は、固体粉末の試…

異方的成長による量子ニードルの合成を実現

第693回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院理学系研究科(佃研究室)の髙野慎二郎 助教にお願…

miHub®で叶える、研究開発現場でのデータ活用と人材育成のヒント

参加申し込みする開催概要多くの化学・素材メーカー様でMI導入が進む一…

医薬品容器・包装材市場について調査結果を発表

この程、TPCマーケティングリサーチ株式会社(本社=大阪市西区、代表取締役社長=松本竜馬)は、医…

X 線回折の基礎知識【原理 · 基礎知識編】

X 線回折 (X-ray diffraction) は、原子の配列に関する情報を得るために使われる分…

有機合成化学協会誌2026年1月号:エナミンの極性転換・2-メチル-6-ニトロ安息香酸無水物(MNBA)・細胞内有機化学反応・データ駆動型マルチパラメータスクリーニング・位置選択的重水素化法

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2026年1月号がオンラインで公開されています。…

偶然と観察と探求の成果:中毒解毒剤から窒素酸化物を窒素分子へ変換する分子へ!

第692回のスポットライトリサーチは、同志社大学大学院理工学研究科(小寺・北岸研究室)博士後期課程3…

嬉野温泉で論文執筆缶詰め旅行をしてみた【化学者が行く温泉巡りの旅】

論文を書かなきゃ!でもせっかくの休暇なのでお出かけしたい! そうだ!人里離れた温泉地で缶詰めして一気…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP