2018信州総文祭

「牛乳で作ったスプーンでアイスクリームを食べてみたい!」から始まった実験

【ポスター/生物】智辯学園和歌山高校(和歌山県)　科学部

（2018年8月取材）

■部員数　86人(うち1年生30人・2年生24人・3年生32人)

■答えてくれた人　秦まりなさん(2年)

牛乳を用いた生分解性プラスチックの研究

カッテージチーズが固まったら、アイスクリームスプーンに?!

牛乳にレモン汁を入れてよく混ぜると、カッテージチーズができます。ある日、それをたまたま放置していたら、乾燥して硬くなってしまいました。その形が棒状で、アイスクリームのスプーンの形に見えたことから、この棒でアイスクリームを食べられるのではないかと考えました。しかしこの時はもろく崩れてしまったため、アイスクリームを食べることはできませんでした。この経験から、同じ製法でより丈夫なものを作り、アイスクリームを食べてみたいと考えて実験を始めました。

実はこのように牛乳と酸を混ぜて固めたものはカゼインプラスチックと呼ばれ、土中で分解されるために環境にやさしいとされています。

まずは予備実験として、酸と加熱温度を様々な条件に設定し、最も効率よくカゼインプラスチックを生成できる条件を調べました。酸は、酢酸よりも安価な塩酸が代用できないかと考えて、酢酸と塩酸で比較してみました。その結果、酢酸と塩酸ではカゼインプラスチックの収率には差はありませんでしたが、塩酸の場合はろ過の際に目詰まりを起こし、ろ過の時間がかかることから酸は酢酸を使うことにしました。また、酢酸のpH4.4付近に設定し、加熱温度を50度にすることで、効率よくカゼインプラスチックを得られることがわかりました。

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次に、生分解性が実際に起きているのかを調べるため、カゼインプラスチックを、微生物が多く生息すると考えられる腐葉土の中に放置しました。

すると徐々にカビが付着し、2週間経つともろくなり、4週間以上経つと触れると崩れるようになりました。このことから、カゼインプラスチックが分解されていることが確認されました。

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次に強度実験を行いました。

予備実験で、カゼインを乾燥させるためにキッチンペーパーを用いた際に、キッチンペーパーに触れていた部分が触れていない部分より固くなったことから、繊維を混ぜたらより丈夫になるという仮説を得ました。

そこで、カゼインにソーダパルプを一定量ずつ混ぜ、強度を調べました。ソーダパルプとは木材を水酸化ナトリウム溶液中で加圧・加熱し、繊維質であるリグニンなどを溶解分離したものです。ここでは、木材として私達の学校で最も多い樹木である藤の落枝を用いました。

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実験では、繊維を含む総重量が10gとなるようにカゼインを成形・乾燥させました。また、キッチンペーパーに含まれる繊維が漂白されていることから、漂白処理を行ったサンプルも用意しました。繊維重量が2g・4g・6g・8g（非漂白処理）、および、2g・4g（漂白処理済み）のサンプルを用意しました。

これらの耐久重量を、おもりをぶら下げる形で測定します。この際、サンプルがしなるという現象が見られたことから、サンプルの弾性も同時に調べました。

その結果は以下の通りです。

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この結果から、繊維の量が多いほど耐久重量が増加するとわかりました。また、漂白処理済のものは非漂白処理のものより耐久重量がばらつき、最大値は漂白処理済のものの方が大きいことがわかりました。このばらつきは、繊維をよく混ぜずに漂白したことが原因と考えられます。

また、しなりの観察から、漂白処理されて繊維がほぐれている漂白処理済のサンプルの方が、強度が高くなることがわかりました。

また、この実験ではサンプルの作成にまだ慣れておらず、形のばらつきや表面のひび割れが見られました。

そこでより強度の高いカゼインプラスチックを作るために、漂白処理済の繊維を用い、0g・2g・4g・6g・8gの繊維を混ぜて強度の比較を行いました。前の実験の反省を踏まえて、繊維をよく混ぜたうえで、サンプル作成の際にひび割れなどのばらつきの原因がなるべく発生しないようにしました。その結果が下のグラフです。このように、実験誤差が抑えられていることがわかります。