「SDGs時代の洗浄剤」バイオIOSに見る花王の本気
～化学の力で世界を救え（後編）

「前編でも触れた通り、界面活性剤に求められる基本特性としては、「高い水溶性」と「低いCMC（臨界ミセル濃度）」が挙げられる。高い水溶性とは、世界中のどこでも使えるように硬水や低温でも水に溶けやすいこと。日本では実感しにくいが、海外では硬水の地域が多いため、洗剤が不溶化して洗浄力を発揮しにくく、SDGsを考える上では譲れない点だ。一方、洗浄力を発揮する必要量の指標となるのがCMCで、この数値が低いほど、より少量から「ミセル」と呼ばれる球状の集合体を形成し、汚れを内部に取り込んで落とせるようになる。

界面活性剤にとってはどちらも欠かせない要素なのだが、両者はトレードオフの関係にあるため、高いレベルで両立させるのは困難だと考えられてきた。というのも、一般的に、疎水基の炭素鎖を長くすれば「ミセル」を作りやすくなる（CMCの値は低くなる）が、一方で疎水性が高いため、そもそも水に溶けにくい。逆に、炭素鎖を短くして水に溶けやすくすると「ミセル」を作りにくく（CMCの値が高い）、結果として洗浄に必要な量が多くなってしまうからだ。

そして、SDGs時代に見合った界面活性剤として利用することになったC（炭素数）16～18は、従来のC12～14に比べて疎水基の炭素鎖が長く、水に溶けにくいというデメリットを抱えている。これは、末端に付ける親水基をいくら工夫したところで大きくは変わらない。さて、どうするか。

「ターニングポイントとなったのは、親水基の位置に着目したことです」と話すのは、長年、界面活性剤の研究開発をリードしてきた坂井隆也さんだ。

「これまで、疎水基の末端にしか付けられなかった親水基を、中間部に導入する技術を開発したのです。すると、16あった炭素が折れ曲がって『への字』になり、疎水基が炭素鎖12と4の2つに分かれるような分子形状になった。その12のほうの炭素鎖が、これまで界面活性剤に使われてきたC12とほぼ同じ役割をしてくれることがわかったのです」。

つまり、水に溶けにくかったC16を“折り曲げて”「分子構造を新たに設計する」ことで、水に溶けやすい性能を有することができたのだ。この斬新な発想こそが、バイオIOS誕生の第一歩となった。

こうして、バイオIOSは、少ない量から界面活性を発揮しながら、高い水溶性も併せ持つという、相反する2つの性能を備えた画期的な基剤となった。そして、さらなる研究により、この2つをなぜ高いレベルで実現できるのか、その秘密が明らかになった。

疎水基が折れ曲がることで、何が起きたのか。なぜ界面活性と水溶性を両立できたのか。　もう少し分子の世界に踏み込んでみよう。

従来の界面活性剤は、直線的に連なる直鎖の構造をしており、疎水基よりも親水基が大きい円錐の分子形状となる。そして、界面活性剤の水中濃度がある一定以上になると、複数の分子が集合して、ミセルと呼ぶ球体を形成する。このとき、疎水基を内側に、親水基を外側にした形態で安定するため、分子が密に集まった球体をつくる。

このミセルこそが、界面活性（洗浄力）の要となる。ゆえに、バイオIOSでも理想的なミセルを形成する必要があったのだ。

では、長い炭素鎖の中間部に親水基を付けたバイオIOSは、水中でどのような立体構造になっているのだろうか。解析したところ、なんと、折れ曲がって分かれたC4とC12が同じ向きに揃っていたのだ。つまり、2つの炭素鎖が“への字”に開くのではなく、ヘアピンのようにぴったりと閉じた形状になっていたのである。そのため、従来の直鎖と同じような円錐の分子形状となり、密なミセルを形成することができていたのだ。これが、バイオIOSに少ない量からの高い界面活性をもたらしたのである。

それだけではない。もう一つの重要な特性、水溶性に関しても目を見張る結果となった。

通常、疎水基の炭素鎖が長いと凝集しやすいため、水溶性は低下するとされている。しかし、バイオIOSでは、分子内の中間部で2つの親水基が水素結合を形成していることが確認された。ここで大きな環状の親水部をつくることで、凝集が妨げられ、高い水溶性を実現していると考えられるのだ。

このような様々な研究結果から、バイオIOSは、これまで難しいとされていた「界面活性と水溶性の両立」を果たしていることがわかった。そのうえ、徹底した検証により、硬水や低温などの厳しいグローバルな使用条件下においても水によく溶け、使用量が少なくても洗浄力を発揮できるCMCの低さを確認。界面活性と水溶性を高いレベルで実現する優位性があることが明らかになった。つまり、洗濯の際に電力を使って水温を上げる必要がなく、より少ない水量でもすすぎが可能になったことで、エネルギーと水の使用量削減に貢献できる洗浄剤だと言える。

実は、石油化学系においては、かなり以前から「IOS」（Internal Olefin Sulfonate：内部スルホン基型不飽和炭化水素）が存在していた。炭素鎖の中間部に親水基をもつという、同じ構造の界面活性剤である。もちろん、バイオIOSは、植物油脂からつくり出したことが、何よりも大きな功績だ。だからこそ、名称も、天然油脂から生み出されたという価値を込めて「バイオIOS」となった。新しい時代の界面活性剤である。

ただ、古くからある石油化学系のIOSには、まだクリアできていないハードルがあった。それは、界面活性剤をつくる際、化学反応で黒くなってしまうこと。これを回避する技術がまだ完成されていなかったのだ。植物油脂原料を用いるバイオIOSも同様に、そのままでは黒く色づいてしまう。

「色のついた洗浄剤となると、どうしても抵抗感があるかもしれません。やはり界面活性剤は無色の方が望ましい。ところが、これが簡単ではありませんでした。海外でも長年、石油系IOSの研究課題として取り組まれていたのですが、我々は色づかない製造技術をいち早く確立できたのです。完成したときは『やった！』と思いましたね」と坂井さんはうれしそうに語る。

このIOSを無色でつくる技術も、花王が独自に開発したもの。世界をリードする大きな一歩であり、界面活性剤の実用化に向けて欠かせないポイントでもあった。

「C16～18の天然油脂原料で性能の高い界面活性剤をつくった技術と、無色のIOSをつくれるようにした技術。この2つが、SDGs時代の界面活性剤バイオIOSを誕生させることになった、我々の誇る技術です」と坂井さんは言う^※。

しかし、バイオIOSの開発に成功したからといって、すぐに製品化できたかといえば、そうではなかった。これまで使っていた界面活性剤とバイオIOSを製品中で単純に置き換えるだけで、性能を発揮するとは限らなかった。いや、むしろ、最初は期待通りの性能を発揮しないケースの方がほとんどだったという。

「製品として成立させるためには、まずバイオIOSの本質を徹底的に理解する必要がありました。だからこそ、バイオIOSがなぜこれほどすぐれた特性をもっているのか、その詳細を明らかにするため、私たちは今も基盤研究に力を入れています」。そう語るのは、マテリアルサイエンス研究所・研究員の宮崎敦史さんだ。

「偶然、C16～18が水に溶けたから良い」ではなく、「なぜ溶けたのか？」という本質を追求し、メカニズムを明らかにする。そうすることで、今度は、その基剤を各製品の用途に合わせてチューニングしていくことができると、宮崎さんは語る。たとえば、製品が求める機能に対してどう処方化するか、安定性はどうか、など、研究に終わりはない。

私たちの暮らしに身近な衣料用、食器用洗剤やシャンプーなどのボディ用洗浄剤に限らず、塗料や医療品用原料、農業用薬剤、コンクリート薬剤など、界面活性剤は幅広い分野で使われている基剤である。バイオIOSの研究がさらに進めば、今後、多くの製品に導入される可能性がさらに広がるだろう。

「サイエンスの力で価値ある基剤をつくり出して、それを実用化する。時間はかかっても、必要なことだと思ってやっています。難しいことばかりですけどね」。そう言って坂井さんと宮崎さんは笑いながらも、決意に満ちた研究者の目をのぞかせた。


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