オレンジジュースは、おいしく栄養価も高く、世界中で毎日何百万人もの人々に親しまれています。しかし、新たな研究によれば、その可能性は朝食の食卓をはるかに超えるものかもしれません。オレンジの皮に含まれる化学物質は、プラスチックからパラセタモールに至るまでの製品において新たな構成要素として利用できる可能性があり、原油への依存を減らす一助となり得ます。
今日の社会は、枯渇しつつある化石燃料から得られる化学物質や素材に全面的に依存しています。そのため、世界的に、 再生可能な化学原料 の開発に対する関心が高まっています。これらの原料は、バイオ燃料の生産において、 サトウキビ や 脂肪酸 などの多様な持続可能な供給源から得られるものです。また、廃棄される柑橘類の皮に含まれる化学的に豊かな精油も、真剣に研究が進められているもう一つの供給源です。
これは有望です。オレンジジュース業界では非常に非効率で無駄の多い搾汁工程が用いられており、果実のほぼ 50%が廃棄されています。したがって、皮の中に閉じ込められている多様で豊富な分子から、化学物質を持続可能な形で供給する機会が実際に生まれます。
リモネン――多用途な構成要素
最近の推計では、柑橘類の約 2,000万トン が毎年廃棄されているとされています。これらの廃棄された果皮から抽出される油の約95%は、 リモネン分子で構成されています。リモネンは、無色の液体炭化水素でC10H16として知られており、この廃棄物から年間約12万5,000トンのリモネンを生産できる可能性があります。
現在の抽出方法は蒸留に依存しており、廃固形物に蒸気を通し、得られた油を単に回収しています。しかし近年、ヨーク大学の研究者らは、 マイクロ波抽出技術の検討 を、より環境負荷の少ない代替手段として始めました。研究チームは、オレンジの皮と有機溶媒をマイクロ波装置に入れ、30分間加熱しただけです。皮の内部では水分子が沸騰し始め、細胞が破裂して、リモネンが溶け出します。結果は好ましいものでした。このプロセスは格段に速く、エネルギー集約度が低く、より高品質のリモネンを生み出し、収率は従来法の2倍に達しました。
では、リモネンをこれほど有用にしているものは何でしょうか。単純な炭化水素として、リモネンは液体の性質や沸点など、化石燃料から得られる化学物質と多くの共通点を持っています。したがって、現在石油化学原料に用いている技術を、リモネンにそのまま適用し、有用な製品へと変換することができます。それは、リモネンの2つの炭素二重結合を活用し、さまざまな化学変換を行うことで可能になります。
再生可能プラスチック
おそらくリモネンの最大の可能性は、高分子産業の構成要素としての役割にあります。化学者は常に、分子を長い 高分子鎖 へと結合させる新たな方法を探しており、それによって、カーペットに使われるポリプロピレン（プロピレン分子の鎖）繊維や、プラスチックボトルの製造に用いられるポリエチレン（エチレン分子の鎖）など、さまざまな製品に利用できるようにしています。
2006年に、 コーネル大学の科学者たち が、この戦略の成果がどれほど大きいかを初めて示しました。酸素原子を含むリモネン分子であるリモネンオキシドを、二酸化炭素と交互のパターンで反応させることにより、多くの織物や編物に用いられるポリエステルを生成できることを示しました。この画期的な研究は、近年、さまざまな他の高分子形成反応によって発展させられてきました。その中には、二酸化炭素を 別の構成要素に置き換えて得られる他の種類のポリエステルも含まれています。
ポリウレタン は、クッションのフォームからシューズのソールに至るまで、多くの家庭に入り込んでいる合成高分子の一群です。現在、その原料は化石燃料から得られていますが、リモネンを基にした代替物が最近特定されています。例えば、ドイツの研究者らは、リモネンを中心に据えた 新しいポリウレタン様プラスチックの一群 を製造しました。これらの材料の特性や硬さは、さまざまな家庭用品に合わせて容易に調整できる可能性があります。
リモネンを基にした材料の開発は、日常的な消費者向け製品にとどまりません。先進的な光学材料は、 最近調製されており 、リモネンをバインダーとして用い、薄い発光性フィルムを作製しています。
リモネンからの医薬品製造も、いつの日か実現する可能性があります。私のチームはバース大学で、リモネンの炭素骨格を中核とするパラセタモールの製造を研究しています。最先端の工学と組み合わせた一連の化学変換を通じて、廃棄されるオレンジの皮を、この広く使用されている鎮痛薬へと変換することを目指しています。
克服すべき課題
リモネンは、バイオ由来の化学産業における重要な構成要素となる可能性を確かに秘めています。しかし、この分野はまだ黎明期にあり、市場には商業化されたリモネン系プラスチックはありません。対処すべき課題には、信頼できる供給源の確保と、より環境負荷の少ない工程の実現が含まれます。上述のリモネンを用いた高分子製造プロセスの多くは、依然として添加剤として石油化学製品を必要としています。
リモネンとそれを含むより広範なグループ（テルペンと呼ばれます）は、再生可能な原料という課題の一部に過ぎません。例えば、 ポリ乳酸は、トウモロコシのデンプンから得られる持続可能な高分子で、主に使い捨ての包装材として、過去10年間商業的に入手可能となっています。他のプラスチック原料も、コカ・コーラの PlantBottle技術などの植物由来材料から調達されてきました。これらの代替再生可能資源は多量の酸素原子を含むことがあり、その結果、リモネン系プラスチックとは異なるものの相互補完的な特性を持つ高分子を生み出します。
リモネンの供給量は、フロリダやブラジルの天候や、私たちがオレンジジュースを飲みたいという欲求によっても左右されます。たとえ柑橘類の廃棄物から現在入手可能なリモネンのすべてを高分子に加工したとしても、世界のプラスチック生産量に対しては、ほとんど影響を与えないでしょう。
しかし、廃棄される柑橘類を最大限に活用できれば、利用可能なリモネンの量は増加するでしょう。より効率的な抽出方法も、バイオテクノロジーの進歩と同様に、供給量を押し上げるはずです。私のチームはまた、都市ごみを栄養源とし、リモネンを唯一の生成物として排出するよう細菌を改変する方法も研究しています。このような進歩はまだ先のことかもしれませんが、原油への依存から脱却するための重要な第一歩です。リモネンのような分子が、私たちの未来において明るい役割を果たすことは間違いありません。
本記事は The Conversationとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：Marc Hutchby、バース大学化学分野のポストドクトラル研究員
画像：廃棄場に積まれた圧縮されたプラスチックボトル。REUTERS/Petr Josek.
