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卵の白身から高強度ゲル材料の開発に成功 ~卵白たんぱく質の機能性材料や新食感の食品開発に期待~

 国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2018年1月10日,JST戦略的創造研究推進事業(ETATO)において,東京工業大学 科学技術創成研究院の野島 達也特任助教(現:中国東南大学 生物電子学国家重点実験室准教授),彌田 智一教授(現:同志社 大学ハリス理化学研究所教授)らの研究グループが,鶏卵の卵白たんぱく質から高強度ゲル材料である「卵白たんぱく質凝縮体ゲル」を作製することに成功した,と発表した.本研究の成果は英国科学誌NPG Asia Materialsのオンライン版で公開された(注).

 絹やクモ糸など繊維状のたんぱく質を用いた強靭な材料開発など,たんぱく質を活用して次世代の材料開発が進められている.卵の白身を加熱すると固まる(ゲル化する)が,熱で固まった白身は機械的な強度が低く,これまで材料開発の素材として利用されることはなかった.研究グループは,2016年に,陰イオン性界面活性剤と陽イオン性界面活性剤を一定の割合で添加して,水中のたんぱく質を一瞬で凝縮させる独自の技術を開発した.今回の成果は,この技術を卵白に応用することで得られたものである.

 鶏卵から分離した卵白を水に加え攪拌して均一な卵白水溶液とし,これに独自のたんぱく質凝縮用のイオン性界面活性剤を添加した.すると,卵白のゲル化現象に関わるたんぱく質を含む透明な液状物質(卵白たんぱく質凝集体)が水相から分離沈降する.凝集体をX線小角散乱測定により解析したところ,水相から分離した部分にはたんぱく質が一定の間隔で集積していることが分かった.

 凝集体を70℃で加熱すると,水分を80%含む白く不透明なハイドロゲル(卵白たんぱく質凝集体ゲル)が得られた.この凝集体はたんぱく質分解酵素により分解されることから,たんぱく質のネットワーク構造でできた生分解性物質であることが確認された.機械的強度をゆで卵の白身と比較すると,ゆで卵の圧縮強度は0.2MPaであるのに対し,本研究のたんぱく質凝集体ゲルは,荷重により1/17の厚みにまで薄く潰れるほど柔らかいにも拘わらず,ゆで卵の150倍の強度にあたる最大34.5MPaの圧縮強度を示した.34.5MPaの圧力は1円玉の面積に1,000kgの荷重をかけたことに相当する状態で,この強さは化学合成された高強度ハイドロゲルに匹敵する.凝集体ゲルは引張って伸ばすことも可能で,引張試験では最大で260%の破断伸びを示した.凝集体ゲル内部のネットワーク構造を分析すると,変性したたんぱく質同士のジスルフィド結合による共有結合ネットワークと,疎水相互作用による非共有結合ネットワークという2種類のネットワーク構造の共存が判明した.このネットワーク構造は通常のゆで卵の白身にも形成されるが,ゆで卵のネットワークはランダムな構造であるため脆い.一方,凝集体ゲルではそれが均一に形成され,2種類のネットワークの相乗効果が生じて高いゲル強度が顕れる.

 本研究を応用することで,一定期間後に体内で吸収される医療用材料や,新たな食感を持つ食品開発などが期待されるという.

(注)Tatsuya Nojima and Tomokazu Iyoda,"Egg White-Based Strong Hydrogel via Ordered Protein Condensation", NPG Asia Materials, Vol. 10, e460 (2018), doi: 10.1038/am.2017.219; Published online: 05 January 2018