高分子ゲルの凍結の熱解析と凍結状態の電顕観察

Japanese　Sooiety
Japanese
Society　for
for Cryobiology
Cryobiology
and
Cryotechnology
and
Cryoteohnology
55）
（
Cryobiology
and Cryotechnology
Vol ．
42，
No ．
2，139〜142，1996．
低温生物工学会誌〔
〕，
高分子ゲル
凍結の熱解析と凍結状態の電顕観察
の
東京電機大学理工学部化学教室，＊東京水産大学食品生産学科
村勢則郎
Them
A助
朗
，
井上智広
n Polymer　Gels跚
sis　of Fr 伽
高野哲也
，
d Observa
鈴木徹
＊
高井陸雄
＊
，
髄on of Their 恥 ozen
，
＊
S 蛤 te
by　Sca皿 ning Elee¢ron M 藍croscopy
NorioMURASE
TomohiroINOUE ，Tetsuya TAKANO
，
Toru SUZUKI
，
＊
＊
and
Rikuo TAKAI
“
’
Ehginee
跏 8，
TokyoDenlaUnivers
H ’
此‘−9tUi
Hato ツ
，
め7，
−
350 03，
Saita
劭 t of Food Science
and Tee 加 0 ’
08y ，
］
rodyo〔砺昭 rs ’ty（ガF ’sheries ，
Departnt
−
幽
−
4
5 ZKonan，ルtinatOku，Tokyo　108
励
o
砌
朋
Facul
吻 P，
りJ　ofScience
フ ofChemi
＆　，
〃認
’
behaviour
of polymer
gels
was ca π ied
out by　differendal
scanning
Thermal　analysis of freezing
calorimctry （
DSC ）togethcr　with tbe　observation of theirfrozen
state　by　scanning electron microscopy
SEM ）
．
As　a fesult ，
it
was
（
indicated
by　DSC that
small ice
crystals ，
whose melting temperature　is
lowered becauseof thesize effect ，
are formed
trapped by　the pOlymer netWoTk ，
and that　vitrifica 廿on is
an extreme
case
of the fo
at 孟on of small ice crystals ．However ，no such
small
ice crystals were
observed by 山 e　SEM observa口on ．
1 ．緒
適当な網目構造をもっ
と，網目内の
水は凍
た架橋高分子ゲ
を冷却する
結せずに部分的にガラス
DSC
化し，昇
測定で発熱ピ
いる状態から再冷却したり，氷核活性物質を添加して
“ ” 結を引き起こすと昇温結晶化は消失する
平衡凍
1”
e
．このようにゲル中における氷晶形成は冷却条件
，
｝
っ
てくることが明らかになってきたが
晶化による発熱ピークに先行して，DSC
吸熱方向に移行するが，
“
平衡
行は
化にエ
ンタル
，（i）ガラス転
ピー緩和が重なったもの
のが考えられるが，
明らかでな
い
本研究では，こ
吸熱方向へ
の
に詳しい
DSC
”
凍結で高
の
測定を行
っ
よる
も
．
移行に注目してさら
た．また，凍結状態におけ
る氷晶のサイズあるいは網目構造を明らかにするため
に
，走査型電子顕微鏡に
，
昇温曲線は
，（iii）結晶サ
イズが小さいために融点降下した氷晶の融解に
よる観察を試みた．
2 ．実験方法
．昇温結
昇温結晶化のメカニズムは未だ明らかでない
この移
ii）ガラス転移による比熱の変
移による比熱の変化，（
ル
として観測される．しかし，ゲル中に氷が残って
によって異な
温側にシフトする．移行の原因として
言
温時に結晶化する．昇温結晶化は
ーク
試料
：架橋デキストラン
Sephadex；Pharmacia LKB
〈
Biotechnelogy　AB ，
Uppsala ）と架橋ポ
リアクリルアミ
ド（
Bio−Gel；Bio−Rad Laboratories
Calif
．
〉を使用した．
，
DSC 測定：含水率 50％の試料（10〜12mg ）をア
，
第42回低温生物工学会研究報告 5
Key words
〔
：Polymer　gels lce　crystals
，
differential
scanning
（
microscopy
calorimetry
DSC
，
，Vinification
SEM （
scanning
）
，
electron
ガラス化，
示差走査熱量測定，
）；高分子ゲル，
走査型電子顕微鏡観察〕
ル
ミニウム試料セル内で調製し，封じて測定用試料と
した．試料は，水がよくなじむようにするために一昼
夜放置後，DSC
常
5 ℃ min
−1 で
測定を行った．冷却
，
ある，装置は島津製作所
昇温速度は通
DSC
− 41型
，
一　139
一
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Cryobiology
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Cryotechnology
and
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（56）
及び動的特性を調べる目的で
SEM
）を液体窒素中に浸漬して凍結
し，予め冷却してお
い
たナイフで割断した後，すばや
くクライオ SEM
試料台にのせた．試料はクライオ
SEM
の
中で表面を部分的に凍結乾燥した状態で
した．使用した装置は
して昇温し，氷が残って
い
る
した
Gibbs−Duhem の
昇温曲
へ
へ
うな現象は網目構造ある
い
．この
〕
△
式を用
T ＝2V
い
で
〔pGe1
ゲルの
．
，この
移行は網目構
，
て
．
r
；キャピラ
△ T
：融点
，
。
T ：バ
，
は架橋密度に依存し，
ー
リ半径
，
r
）
降下度
モル
ルクの
体積
水の凝固点
一水の界面自由エネル
−
−2 ）
（〜30× 10 7Jcm
：氷
σ
Hf ：氷の融解熱
と近似される 4・5 ．網目構造をキャ
ギー
△
］
し，融点を DSC
よ
TI は，
Laplace の式及び
Tf ・
△ H
σ ／（
m
1に示す
（平衡凍結）後の昇温曲線をFig．
て数 ℃上昇する
−3 ．そこ
V ：水の
状態から
3〕
度は非平衡凍結の場合に比べ
移行がガラス転移による比熱の変化に
の
イズを計算した．融点降下△
観察
．
一
20
か
ら
非平衡凍結後の昇温曲線は
℃付近
吸熱方向
移行を開始し，−11 ℃ 付近で水の結晶化による発熱ピ
ークが観測される．平衡凍結後の昇温曲線では結晶化
による発熱ピークが消失し，吸熱方向の移行開始温
再冷却
，Bi
造内にできる小さな氷の融解によるものとして氷のサ
DSC
ゲルで
ゲルで最も顕著に観測される
へ
程度が大きすぎる 1
の
び考察
室温から冷却した（
非平衡凍結）後の
線
，
G −25
場合は
の
起因するとして計算すると，既に報告したように変化
日立製作所製 S−4000である．
3 ．結果及
と，一度冷却
吸熱方向
ゲル試料の入ったス
5mm
（直径約
ゲル
場合は P −6
：含水率 80 〜90 ％の
測定
ー
トロ
Sephadex
を使用した．
MDSC
，TAInstruments 社製
晶
の
サイズは nm
測定で
の
ピラリー状と仮定
12℃ とする
実測値一
オーダーと見積もられる
と
，氷
．
W
05
α
旧
舞
〇
一
」
a
゜
嚇
、
000
ρ
oo
＝
气
、
刃
曽 005
o
一10．
O
要
四
↓
一
4e．
oe
♂
一
2 ，
oo　o．
oo
TempCCI
2G，
OO
mW
0，
一
2，
一
4，
一
00
弓O．
DO　−20，
00　0，
00　20，
’
1e叩［
じ】
DSC heating
traces　obtained
with crosslinked
Fig ．1 ．
geis，（
a ）Sephadex G −25；（
b
Bio
Gel　P−6 ．
After
）・
polymer
一
−
non equilibrium
freezing
：
．after equilibrium freeZing：
…．
Water content
：
50　wt
％
．Cited from
【e
£
Images observed
by　a Cryo −SEM
of frozen
Fig ．2 ．
−
Sephadex　gel　beads．〔
a ）Sephadex　G 25；（
b ）Sephadex　G −
3．
See　text．
100．Water content
90　wt
：
％
．
140
一
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（57）
クラ
イオ SEM
ーズの
割断された表面には網目構造が観察される，こ
，氷晶
の網目は構造
て
による観察結果をFig．
2 に示す．ビ
は観察できなか
るのか
存在す
っ
もしれな
融点が低くなる可能性もある． σ として
値
があるかもしれない
．
面自由エネル
緒
．そ
される
も，DSC
て
こで
をそのまま用いる
）
うに，ガラス転移にエ
言で述べたよ
和が重なっ
7
エ
めに，
一
氷水の界
値が大きくなるた
の
ン
こ
の
liquid
分類され
に
その場合，ガラス転移点近傍における △
ー緩和による
っ
て
も，Fig．1
移行は期待できない
ピークは小さい
にあるほど大
，したが
っ
Cp
や
，糖，多糖一
きな吸熱方向へ
て，吸熱方向への移
．
行は小さな氷の融解によるものと考えられる
とに問題
4 ．ま　と　め
タルピー緩
ガ
熱転移挙動が可逆的か不可逆的かを
，
“
”と “
strong liquid
fragile
“
”
は fstrong
分類され，水
ンタルピ
水系であ
は吸熱ピーク状に観測
曲線で
”に
る軌
が，別の可能性として，網目
サイズは大きくても σ
，熱伝導
ー
ピ
クが不可逆成分に現れて
，融解
．
化する液体は
ラス
Iiquid
うな小さな網目が実際に
のよ
い
ギーの
ガ
オーダーのサイズの網目構造
， nm
た．こ
タルピー緩和とは断定できない
くるのかもしれない
網
の
ン
性の遅れが原因で
高分子鎖が集合し
て
っ
形成されたものと考えられる 6 ），様々なサイズ
目が観察されるが
の
によ
分離
の
必ずしもエ
ラス
すことが
状態は氷の
で
きる
，ガ
サイズが小さくな
っ
た極限とみな
ラス化と氷晶形成が同時に起こる
調べる目的で，熱変調を与えながら昇温測定を行うM
系において，ガラス転移と氷晶の融解ピークは連続的
（MOdulated） DSC
に生じ，これを明確に分離
す，通常，
ガラス
測定を試みた．結果を
Fig．
3
に示
熱変化，融解による吸
転移による比
しい
Reversing＞に，エンタルピー緩和，結
熱は可逆成分（
晶化による発熱
ピーク
に
現
は不可逆成分
．図の可逆成分か
れる s｝
熱方向
へ
移行は
の
ガラス
ら
，
めて重要である．なんらかの手法を用いて，昇温結晶
おける吸
化
う．昇温結晶化に先行する吸熱方向
の
成分
ある
．しか
の
移行が
ガラス
転移によるもの
謝辞
し，氷晶融解による吸熱のメインピーク
（−5 ℃ ）も不可逆成分に現れ
先行す吸熱方向へ
移行は不可逆
現れており，エンタルピー緩和による可能性が
に
に
なのか氷晶の融解なのか，明らかにする必要がある．
転移によるものと考えられよ
へ
とはかなり難
あると考えられる．しかしながら，氷晶サ
イズの分布は生体系試料や食品の凍結保存において極
Nonreversing）
（
−19℃付近に
ことで
・区別するこ
ていること
MDSC
の
ました．TA
を考えると
，
装置の使用に際
して
便宜をはか
lnstruments
Japan
lnc．
に感謝致
0．
1
て下さい
っ
します
．ま
一
o
ヨ
．
O 0
20
窃
≧
）
（
索
吉
【
切
≧
）
壌
輩
〇
一
」
一
0
10
1
」
匡
7
冖
ー
1
吼
一30
一25
xo
ロ　0．
08 ℃ min
：
・
1
．
ー15 −10
tUre 弾
（）
一2
T
Fig．3．
heating
trace　of a　Sephadex　G −25　gel
obtained
』
1
；modulation
0
口
、
一
〇．
9A
噌
35
巳
0．
5 ℃ min
o
工
茜
ρ
ロ
α
工
一
ぢ
日
m
ロ
er
一5
ー
〕
一．15
〇
口
ec
口
by　M DSC ．Water　content
：
50　wt
1
．Cooling ・5 ℃ min ’
；heating
％：
141
一
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Japanese　Sooiety
Japanese
Society　for
for Cryobiology
Cryobiology
and
Cryotechnology
and
Cryoteohnology
（
58）
た
，有益
な助言を賜りました
．Dr ．
Harry
Levine
◎o Brands，
Inc．
（Nabis
）に感謝致します、
文献
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N．
：Cryo−Lett
．
367 （1993），
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J．
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E
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．
Sare
」
Oguni
J
．
Food
．
Engineering
22
1ユ5
，
，
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（1994）
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：
一　142　一
一
NNII-Electronic
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