科學研究 - 大阪工業大學、在酸性環境中破裂並釋放氣體的球泡與肉桂包裹的可食用球泡

大阪工業大學的研究團隊成功開發出一種在鹼性環境中穩定存在，在酸性環境中則會破裂並釋放内部氣體的「氣體彈珠」（gas marble）球泡。這種球泡是透過讓聚合體顆粒吸附在取代傳統的界面活性劑的水膜上製成的。研究團隊利用這種方法還開發了一種使用肉桂顆粒的球泡。將這種球泡應用在蛋糕等食品中，即可在咬下得同時享受食物的口感和聲音。據稱該技術還有望應用於化妝品香氛開發等領域。

大阪工業大學工學部應用化學科的藤井秀司教授（界面膠體化學與聚合體化學專業）率領的研究團隊一直在致力於研究各種球泡，此前他們曾發現，球泡的穩定性會隨着表示氫離子濃度的pH值和溫度等條件而變化。

在研究程序中，研究團隊一直在探索用微粒子穩定球泡的方法。清潔劑中含有界面活性劑分子就是用來穩定肥皂泡，但界面活性劑具有可能引發過敏的問題。爲此，藤井教授想到了一種透過調節pH值可與水相溶的特殊的鹼性聚苯乙烯顆粒，使用這種顆粒來覆蓋肥皂泡表面的水膜。

研究成果示意圖。環境呈酸性時，聚合體顆粒從球泡表面脫離，内部的空氣逸出（供圖：大阪工業大學）

首先，研究人員在培養皿中注入水，然後撒上乾燥的聚苯乙烯顆粒，使水面被顆粒所覆蓋。接着，像在魚缸中注入空氣那樣向水中運送空氣，氣泡就會浮到被顆粒覆蓋的水面上。當這些氣泡運動經過覆蓋着顆粒的水面時，就形成了球狀的氣體彈珠。這種聚苯乙烯顆粒具有可透過pH值來控制其表面親水性與疏水性的特性。當pH值爲3～4（酸性）時，氣體彈珠會瞬間破裂並釋放内部空氣，而在pH值爲9～10（鹼性）時，氣體彈珠可以保持2小時左右的穩定狀態。

氣體彈珠從形成到破裂花費的時間。環境酸性越強，氣泡破裂得越快。如果環境接近鹼性，氣泡則可以長時間保持（供圖：大阪工業大學的藤井秀司教授）

研究團隊用電子顯微鏡對氣體彈珠的表面結構進行了觀察，發現彈珠上有聚苯乙烯粒子聚集在一起之處，也有單層附着之處，由此氣體彈珠的表面呈現出凹凸不平的構造。聚合體顆粒覆蓋在氣體彈珠表面，所以能夠在水面和固體上滾動，實施了「水陸兩用」。

藤井教授認爲這種機制也可以用於爲食品增香，遂製作了一種可食用的球泡。當使用肉桂顆粒作爲穩定劑時，即使水分蒸發後球泡仍能保持球形不破裂，可長期保存。研究人員嘗試將牛奶、豆漿、咖啡代替水作爲液體製作球泡，結果顯示，無論哪種液體製成的球泡都能夠長時間保持球狀。尤其是用牛奶製作的球泡很結實，咬下時會發出酥脆的聲音，能既享受肉桂香氣，又感受到特殊口感，「香味兼具」。

藤井教授等實際開發的可食用球泡。球泡藉由肉桂顆粒實施了穩定（供圖：大阪工業大學）

藤井教授表示「空氣不易導熱，所以該技術或許也能應用於隔熱材料等。今後計劃繼續操作研究使用什麼樣的顆粒可以穩定球泡，並開發出按照溫度、光線、壓力的變化而破裂的球泡。」據稱，研究團隊正在考慮將該技術應用於化妝品和護髮用品等。

以上兩項研究均得到了日本學術振興會的科學研究費的資助。有關酸性環境的球泡的研究成果已於6月25日發表在德國科學期刊《Advanced Science》電子版上，大阪工業大學於7月10日發佈了相關成果報告。有關肉桂顆粒球泡的研究成果已於8月6日發表在德國科學期刊《Advanced Functional Materials》的電子版上，大阪工業大學於8月21日發佈了相關消息。

日文：JST Science Portal 編輯部
中文：JST客觀日本編輯部

日語原文

【論文資訊】
期刊：Advanced Science
論文：Stimulus-Responsive Gas Marbles as an Amphibious Carrier for Gaseous Materials
DOI：10.1002/advs.202404728
期刊：Advanced Functional Materials
論文：Cinnamon Particle-Stabilized Gas Marbles: A Novel Approach for Enhanced Stability and Versatile Applications
DOI：10.1002/adfm.202409926