【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.06.22】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23NU0220

利用課題名 / Title

バイオマーカーへの超高感度検出能を有する材料の開発

利用した実施機関 / Support Institute

名古屋大学 / Nagoya Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代バイオマテリアル/Next-generation biomaterials（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

電子顕微鏡/ Electronic microscope,バイオアダプティブ材料/ Bioadaptive materials,生分解性材料/ Biodegradable material,バイオセンサ/ Biosensor

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

神田 英輝

所属名 / Affiliation

名古屋大学大学院工学研究科　化学システム工学専攻

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

王　涛,朱　力,美　麗,楠美　海斗,大沼　幸平

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

林　育生,日影　達夫

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NU-004：走査型電子顕微鏡（SEM）

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

　ジメチルエーテル（以下DME）は標準沸点が‒24.8 ℃であり、25℃で0.59 MPaまで加圧すると亜臨界流体の液体溶媒として使用できる。液化DMEは極性物質であり、非極性から中程度の極性物質の溶解と抽出に適している。さらに、DMEは生体毒性が極めて低いので、欧米では食品抽出溶媒としてDMEの使用が認められ、従来の有毒な有機溶媒に代わる溶媒として注目されている。
　本研究では液化DMEを用いて、環境調和性ポリマー凝集剤で回収した微細藻類の凝集体からの油脂抽出、そしてリポソームおよびβカロテンナノ粒子の調製を行った。これらの生成物の特性評価は、「ARIM 名大 微細加工」の分析装置を利用して行った。

実験 / Experimental

実験1 液化DMEを用いる微細藻類からの油脂抽出
　珪藻キートセロスの分散液に所定濃度のポリマー凝集剤を添加し、微細藻類を沈殿させ回収した。液化DME抽出実験では抽出カラムに微細藻類凝集体を充填し、液化DMEを10 mL/minの流速、25 ℃で供給し、500 mLを抽出した。回収容器を大気圧に減圧し、液化DMEを自然徐発させた後、油脂を得られた。油脂は元素分析やSEM、脂肪酸組成などをの測定を行った。
実験2 リポソーム調製
　所定量のリン脂質ホスファチジルコリン、水、液化DMEをバッチ反応容器に充填し、所定の圧力のCO₂液体を容器に封入した後、恒温水槽中に超音波照射下で1時間反応させた。その後、背圧弁から大気圧に減圧し、リポソーム水溶液を回収し、TEMやSEM測定を行った。
実験3 βカロテンナノ粒子調製
　βカロテン原料を液化DMEに溶解させ、HPLCポンプを介して超臨界CO₂の流路に混合させ、βカロテンナノ粒子を貧溶媒析出させた。ナノ粒子が得られるように、超臨界CO₂の圧力、温度、流速などの実験条件を検討した。

結果と考察 / Results and Discussion

   Figure 1に液化DMEを用いた微細藻類（珪藻キートセロス）の凝集体からの油脂抽出の研究概要を示す。Table 1では、微細藻類とその凝集体から抽出された脂質などの元素組成を示している。凝集剤はバイオマス熱化学変換の指標であるC/N比に影響を与えず、それぞれ33.5および33.9であることが示され、熱化学的変換プロセスに適していることが示された。環境調和性凝集剤は微細藻類の回収に使用するエネルギーを削減し、液化DMEを用いるバイオマスの抽出のエネルギーバランスを正にする効果がある。また、高タンパク質な抽出残渣は飼料や肥料への活用が期待される。今後の展望としては表面化学組成が異なる微細藻類に適する凝集剤を明らかにし、液化DME抽出の研究をさら展開していく予定である。
　Figure 2では、液化DMEを超臨界CO₂に混合して調製したリポソームの水溶液、TEM, SEM写真を示す。リポソームは水に分散した直径100 nm程度の多重層構造を有するナノ粒子であり、液化DMEを用いることで、CO₂の臨界点(7.4 MPa)以下の7 MPaでリポソームの調製に成功した。今後はリポソームにクルクミンなどの機能性成分を内包させ、リポソームの徐放性と安定性を解明する予定である。
　Figure 3に液化DMEと超臨界CO₂を用いた貧溶媒析出法で調製したβカロテンナノ粒子および原料のSEM写真を示す。βカロテンナノ粒子は人体に吸収しやすく、従来法よりも低温と低圧力でβカロテンのナノ粒子の調製が可能となった。また、液化DMEはβカロテンナノ粒子に残留しない利点を示す。今後は単分散βカロテンナノ粒子の調製を試みる予定である。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Figure. 1 微細藻類の高分子凝集体からの液化ジメチルエーテルによる油脂抽出実験の概要図

Figure. 2 液化DME混合超臨界CO2で合成したリポソームの分散液および多重層構造ナノ粒子のTEM、SEM画像

Figure. 3 良溶媒液化DMEと貧溶媒超臨界CO2の混合溶媒で調製したβカロテンナノ粒子のSEM比較画像

Table 1. 液化DMEを用いた珪藻キートセロスとその凝集体から抽出した油脂と残渣の元素分析

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

・参考文献
(1) 楠美 海斗, 王 涛, 朱 力, 米澤 璃穂, 本間 亮介, 山本 徹也, 塩田 憲司, 高岡 昌輝, 大下 和徹, 神田 英輝, “クロレラの高分子凝集体からの液化ジメチルエーテルを用いた油脂抽出挙動の解明” 化学工学会第88年会(東京), 2023年3月17日
(2) Wang Tao, Zhu Li, Zhu Wan Ying, 神田 英輝, “フッ化水素フリーな複層化Ti3C2 MXene-TiO2複合光触媒の直接合成” 化学工学会第88年会(東京), 2023年3月16日
(3) Wang Tao, Zhu Li, 楠美 海斗, 神田 英輝, “液化ジメチルエーテルによる高含水珪藻からのフコキサンチンと脂質の直接抽出” 化学工学会第88年会(東京), 2023年3月16日
(4) 朱 力, 王 涛, 朱 ワン瑩, 神田 英輝, “液化ジメチルエーテルによる高含水ウコンからのクルクミンと抗酸化物質の抽出” 化学工学会第88年会(東京), 2023年3月15日

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Tao Wang, Direct synthesis of hydrogen fluoride-free multilayered Ti3C2/TiO2 composite and its applications in photocatalysis, Heliyon, 9, e18718(2023).
   DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e18718
   
2. Tao Wang, Ti3C2 MXene-TiO2 hybrid-modified U-bend fiberoptic sensor for improved refractive index sensitivity and ammonia detection, Sensors and Actuators B: Chemical, 393, 134136(2023).
   DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.134136
   
3. Hideki Kanda, Extraction of fucoxanthin, antioxidants and lipid from wet diatom Chaetoceros simplex var. calcitrans by liquefied dimethyl ether, Arabian Journal of Chemistry, 17, 105538(2024).
   DOI: https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2023.105538
   
4. Li Zhu, Hollow/sponge-core β-carotene-poly-vinylpyrrolidone (PVP) Electrospun Fibers using High-pressure CO₂ Electrospinning, Journal of Physics: Conference Series, 2470, 012020(2023).
   DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2470/1/012020
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. Li MEI, Tao WANG, Li ZHU, Tetsuya YAMAMOTO, Hideki KANDA, “Formation of β-carotene nanoparticles using supercritical carbon dioxide antisolvent assisted by liquified dimethyl ether” The 12th International Conference on Separation Science and Technology (Okinawa, Japan), 2023年11月17日
2. Kaito KUSUMI, Tao WANG, Li ZHU, Xu BO, Akiho YONEZAWA, Ryosuke HOMMA, Tetsuya YAMAMOTO, Kenji SHIOTA, Masaki TAKAOKA, Kazuyuki OSHITA, Hideki KANDA, “Impacts of polymer flocculants on lipid extraction from Chlorella sorokiniana with liquefied dimethyl ether” The 12th International Conference on Separation Science and Technology (Okinawa, Japan), 2023年11月17日
3. Tao Wang, Kaito Kusumi, Bo Xu, Li Zhu, Hideki Kanda, “Drying-free co-extraction of fucoxanthin, antioxidants and lipids from the hydrous diatom Chaetoceros simplex var. calcitrans with liquefied dimethyl ether” The 12th International Conference on Separation Science and Technology (Okinawa, Japan), 2023年11月17日
4. Li ZHU, Kaito KUSUMI, Bo XU, Tao WANG, Hideki KANDA, “Liquefied dimethyl ether used for direct extraction of lipids, β-carotene, and antioxidants from highly wet alga Dunaliella salina without prior drying treatment” The 12th International Conference on Separation Science and Technology (Okinawa, Japan), 2023年11月16日
5. 王 涛, 楠美 海斗, 朱 力, 徐 波, 米澤 璃穂, 本間 亮介, 山本 徹也, 塩田 憲司, 高岡 昌輝, 大下 和徹, 神田 英輝, “液化ジメチルエーテルを用いた高分子凝集剤の抽出挙動の検討” 化学工学会第54回秋季大会（福岡）, 2023年9月13日
6. 楠美 海斗, 王 涛, 朱 力, 徐 波, 米澤 璃穂, 本間 亮介, 山本 徹也, 塩田 憲司, 高岡 昌輝, 大下 和徹, 神田 英輝, “微細藻類の高分子による凝集が液化ジメチルエーテルによる脂質抽出に及ぼす影響” 化学工学会第54回秋季大会（福岡）, 2023年9月12日
7. 王 涛, 朱 力, 神田 英輝, “Ti3C2 MXene-TiO2膜で修飾された光ファイバーセンサーによる屈折率およびアンモニアの検出” 化学工学会第54回秋季大会（福岡）, 2023年9月12日
8. 朱 力, 王 涛, 楠美 海斗, 徐 波, 神田 英輝, “液化ジメチルエーテルを用いた高含水藻類ドナリエラからの脂質と機能性成分の直接抽出” 化学工学会第54回秋季大会（福岡）, 2023年9月11日
9. Tao Wang, Li Zhu, Kaito Kusumi, Bo Xu, Hideki Kanda, “Direct extraction of fucoxanthin and lipids from highly hydrous diatoms by liquefied dimethylether” 20th Congress of Asia Pacific Confederation of Chemical Engineering (Manila, Philippines), 2023年9月7
10. Wahyudiono, Miyu Ozaki, Tao Wang, Li Zhu, Siti Machmudah, Motonobu Goto, Hideki Kanda, “Supercritical Carbon Dioxide for Metal Recovery from Spent Lithium-Ion Battery using Different Chelating Agent” 20th Congress of Asia Pacific Confederation of Chemical Engineering (Manila, Philippines), 2023年9月7日
11. Tao Wang, Li Zhu, Wanying Zhu, Hideki Kanda, “ Exfoliation of Ti3C2 MXene using (NH4)2TiF6 Etchant and Simultaneous Synthesis of Ti3C2 MXene/NH4TiOF3 Mesocrystals Hybrids” 20th Congress of Asia Pacific Confederation of Chemical Engineering (Manila, Philippines), 2023年9月6日

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件