Ehime University Institutional Repository

田村, 駿

TAMURA, Shun

  
農業分野における新しい植物体切断器具の開発 
産業イノベーション学科（ものづくりコース） 田村 駿 
 
1 緒   言 
 昨今，世界人口が 80 億人を超え，2050 年代には 100
億人に達する予測がある 1)．一方，食物供給の部六チェ
ーン化が進み，2022 年に勃発したロシアとウクライナ紛
争に起因した食料問題により食糧価格の上昇が深刻で
ある．日本国内では出生率の低下，高齢化，第一次産業
農業従事者の減少により食糧自給率の低下が続き，将来
の食糧不足へとつながることが懸念される．一方，AI や
ロボットを用いることで効率よく農作業を支援するス
マート農業が推進されているが，それらは大規模農場向
けが多く，国内のような小規模農場や果実収穫作業の自
動化にはまだ時間が必要である．愛媛県の主要産業であ
る果実栽培においては，栽培環境の過酷さからスマート
化には至っていない．果実栽培作業において過酷な労働
の一つとして，収穫作業がある．従来からハサミによる
剪定収穫が実施されているが，繰り返し切断作業を行う
ことで，腱鞘炎になるリスクが高く，筋力が低下してい
る高齢者にとって厳しい作業状況である． 
 そこで，本研究では既製切断器具よりも切断時の省力
化ができる新しい構造の農業用切断器具の開発を行う
とともに，株間の病原体感染予防のための機能について
検討する. 
 
2 既存切断器具の比較 
 握力のハサミ型切断器具とカッター型器具について
切断時に生じる力の比較を行う． 
2.1 実験内容 試験体は愛媛大学農学部附属農場のビ
ニールハウスで栽培されているトマトの花柄部直径 2.1 
～3. 5 mm である．Table 1 に比較試験に供するハサミ型
器具と 3 種類のカッター型器具を用意した． 
切断前に花柄部直径をノギスにて計測し，切断時のせ
ん断荷重は容量 50 N のデジタルフォースゲージを使用
し，フォースゲージに固定したフックを切断器具に掛
け，水平方向に引っ張り，切断させることで，切断の
際に生じた最大せん断荷重を計測し，せん断応力を求
める． 
     
2.2 実験結果 Table 2 に，計測した花柄部直径，切断
器具のそれぞれのせん断応力を示す．各器具で切断し
た平均せん断応力を比較すると，ハサミ型に比べ，カ
ッター型器具は切断抵抗がおよそ 50%低下しているこ
とが確認できた．ただし，せん断応力のばらつきがあ
るため，今後新しい切断器具を考案，設計するために
は基準となる切断対象が必要である． 
2.3 評価用シリコーン（ゴム）のせん断特性 2.2 項で
述べたようにせん断応力を正しく評価するために，花
柄部を模擬したシリコーンの利用を検討する．そのた
めにシリコーンの物性値を調査する．試験は卓上引張
圧縮試験機を使用し，試験機にはカッターナイフの替
刃を固定し，変位速度 10 mm/min で試験を実施した．
調査したシリコーンの直径は 3 mm，5 mm であり，切
断時の最大せん断応力を計測した．Table 3 にシリコー
ンの各直径におけるせん断応力の平均値を示す．この
値を基準に既存の各切断器具の評価を行う. 
2.4 シリコーンを用いた既存切断器具のせん断力評価 
2.2 の試験方法に準じて，ハサミ型およびカッター型 A
の 2 種類の切断器具について，シリコーン切断時のせん
断応力を Table 4 に示す．カッター型の方がハサミ型よ
りも 40～65%のせん断抵抗応力で切断できることがわ
かった． 
 
 
  
 
 
Table 1 Various cutting devices for comparison of 
cutting force. 
Scissors 
Type 
Cutter Type 
A B C 
    
 
Table 2 Measurement results of cutting shear 
stress for Various cutting devices. 
Diameter 
(mm) 
Cutting shear stress (MPa) 
Scissors 
Type 
Multiple Cutters 
A B C 
2.10 3.81 1.71 - - 
2.15 - - 1.45 - 
2.20 - - - 1.52 
2.50 3.52 - 2.42 3.39 
2.60 - 3.70 - - 
2.75 - - - 2.19 
2.90 5.40 - 1.99 - 
3.30 - 0.85 - - 
3.50 4.61 - - - 
Ave 4.34 2.09 1.95 2.37 
 
Table 3 Average shear stress of several diameters in 
silicone 
Dia. of silicone(mm) Shear stress (MPa) 
3.00 0.78 
5.00 1.39 
 
1
  
腱鞘炎は指の曲げ伸ばしを繰り返すことで発症するた
め，カッター型は引く力で切断できるので人間工学的に
も身体への負担が少ないことが分かる.しかし，既製品の
カッターに植物体切断用の製品が存在しない為，カッタ
ー型の新しい構造の収穫器具の考案を行う. 
 
3 農業用収穫器具の製作 
 3 次元 CAD を使用して設計を行い，3D プリンタで試
作品を製作する．クランク機構を用いたカッターの試
作品を Fig.1 に示す． 
Fig.1 Prototype of crank type cutter 
 
 ①から切断物を入れて，②の方向に器具を引くこと
で持ち手だけが動き，持ち手と連動して赤色で囲った
刃の付いたリンクが動き，黒色で囲った固定した刃と
挟みこんで切断するという仕組みである．Fig.1 の器具
でシリコーン 5mm を切断した時のせん断荷重を計測
し，せん断応力を求めると 0.25 N となった． 
 ここで，理論引張力を算出して既存切断器具との比較
を行う．Fig.2 にクランク型カッターの構造図を示す．3
つのリンクで構成されており，図中のリンクⅠ下部はカッ
ター部である．切断時に刃に生じる力を F1とすると，力
F1 の作用点からの距離 L1 の支点まわりに生じるモーメ
ント MAは， 
                   𝑀𝐴 = 𝐹1 ∙ 𝐿1                         
で表される．一方，リンクⅠ上部において，下部モーメン
ト MAとつり合うためには，支点 B に作用する力 F2が作
用する.支点 A と B の距離は L2であるので，支点 A まわ
りに生じるモーメント MAは， 
                   𝑀𝐴 = 𝐹2 ∙ 𝐿2                           
となる．ここでモーメントのつり合いの関係より，          
            𝐹1 ∙ 𝐿1 = 𝐹2 ∙ 𝐿2     ∴ 𝐹2 =
𝐿1
𝐿2
𝐹1           
である． 
L1，L2は試作品の寸法から 18 mm，9 mm であるので，
F2=2F1となる．よって，理論引張力 F2は 0.5 N となる．
引張力 1 N に対して 0.5 N のせん断力を作用することが
でき，ハサミ型，カッター型は引張力 1 N に対して両器
具ともに 0.14 N のせん断力を作用するので，クランク型
カッターの方が既存切断器具よりも身体への負担が少
ない切断器具である． 
 
 
 
Fig.2 Schematic diagram of the force applied to the link and  
 
4 消毒液付着機構の考案 
クランク型カッターに取り付ける消毒液付着機構の
考案を 3 次元 CAD 上で行い検討する．考案した構造図
を Fig.3 に示す．赤色の部品が消毒液を入れる容器であ
る．切断時に持ち手を①方向に引き，持ち手が②方向
の元の位置に戻ると同時に青丸で囲ったポンプが押さ
れ，圧縮力によって消毒液が③から一定量噴出される
仕組みである．この構造の利点は切断の動作と連動し
て消毒液が噴出されるので，作業効率がいいという点
である． 
Fig.3 Three-dimensional drawing of a harvesting device with 
a disinfectant attachment mechanism 
 
5 結   言 
既製品のハサミ型とカッター型で植物の花柄部，シ
リコーンゴムの切断時に生じるせん断応力を比較し，
カッター型はハサミ型の 40～65%の力で切断するでき
ることがわかった． 
本研究で開発した器具は腕で引く力でハサミ型のよ
うに刃で挟んでの切断が可能であるという今までにな
い新しい切断方法の器具である．ハサミ型のように切
断の際に繰り返し握る動作を必要とせず，既存切断器
具よりも引張力 1 N に対するせん断力は 0.5 N と大きい
ため，身体への負担が少ない切断器具であり，人間工
学的に人に優しいユニバーサルツールとして多様な人
への利用が見込まれる． 
 
参考文献 
1) 国際連合広報センター/世界人口は 2022 年 11 月 15 
日に 80 億人に達する見込み/(2023 年 1 月 15 日) 
https://www.unic.or.jp/news_press/info/44737/  
Table 4 Comparison of cutting shear stress for silicone. 
Diameter(mm) Scissors Type 
(MPa) 
Cutter Type-A 
(MPa) 
3.00 0.81 0.33 
5.00 1.19 0.76 
 


Japanese

農業分野における新しい植物体切断器具の開発

Ehime University (愛媛大学)博士(農学)thesi

藤本　祐希

（第３号様式）(Form No. 3) 
学  位  論  文  要  旨  
Dissertation Abstract 
 
 
氏名：  
Name 
 藤本 祐希  
学位論文題目：  
Title of Dissertation 
 大豆レシチンの熱変性抑制機構に関する研究  
 
学位論文要旨：  
Dissertation Abstract 
 
 
 
 
 
 
 
 
 古くから、唯一の天然由来の乳化剤として広く利用されている大豆レシチンは、
溶剤分別、酵素分解、水素添加など、用途に応じた様々な改質が加えられ、その
グレードによって食品はもとより、化粧品、医薬品、工業品など、その用途は多
岐に渡り、各分野で必要不可欠な素材としての地位を確立している。しかしなが
ら、大豆レシチンを改質する際や大豆レシチンを使用した商品群を製造する際に
加熱工程が加わると、大豆レシチンは褐変することが知られており、用途によっ
ては大豆レシチンの加熱褐変に伴って製品価値が低下する恐れがあるため、産業
利用にはある程度の制限が加わっている。大豆レシチンの加熱褐変は、大豆レシ
チンに含まれる2 molのホスファチジルエタノールアミン  (PE)と2-デオキシ糖を
除く1 molの糖によるメイラード反応が引き起こり、350 nmに極大吸収を有する4
種のピリジニウム化合物の形成に起因することが報告されている  (図1)。このこと
から、大豆レシチンの加熱褐変を抑制する方法として、大豆レシチンからPEや糖
を除去する方法が提案されているものの、製造工程が長く高価になることや、商
品に配合した際に他の原材料からPEや糖が混入すると意味をなさないことから、
大豆レシチンに含まれるPEと糖のメイラード反応を阻害できる抜本的な解決方法
を模索した。  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
       R=Alkyl  group                                                         X=CH 3 ,  CH2OH 
 
図1 大豆レシチンの加熱褐変機構  
 
大豆脂肪酸を添加して酸価を変動し、ケイ酸マグネシウムあるいはケイ酸カルシ
ウム処理による液状大豆レシチン  (SL)の加熱褐変抑制検討を試みたところ、酸価
が高くなるにつれて、得られたSLの加熱褐変は抑制できること、その効果はケイ
（第３号様式）(Form No. 3) 
酸カルシウムの方が高いことを見出した。また、SLのケイ酸カルシウム処理時に
種々の脂肪酸試薬を配合したところ、飽和脂肪酸を添加した場合はSLの加熱褐変
は抑制できなかったものの、不飽和脂肪酸を添加した場合はSLの加熱褐変は大幅
に抑制できること、この際、得られたSLのカルシウム濃度が高くなっていること
を明らかにした。つまり、ケイ酸カルシウム由来のカルシウムと脂肪酸から脂肪
酸カルシウムを生成することによってSLの加熱褐変が抑制されていることが示唆
された。そこで、SLを加熱する際に種々の脂肪酸金属塩を添加したところ、脂肪
酸金属塩を添加することでSLの加熱褐変は抑制できること、1価および3価と比較
し、2価の脂肪酸金属塩は最もSLの加熱褐変抑制効果が高いことを見出した  (表1)。 
 
表 1 脂肪酸金属塩を添加した SL の加熱試験結果  
脂肪酸金属塩  色相  
カラーインデックス  
(10B + 1Y + 10R) 
― 0 + 40 + 8.1 121 
ステアリン酸ナトリウム  0 + 40 + 53  93 
ステアリン酸カルシウム  0 + 8 + 1.4  22 
ステアリン酸アルミニウム  0 + 20 + 4.3  63 
 
脂肪酸金属塩の添加によるSLの加熱褐変抑制機構を解明するため、SLをオクタン
還流  (125℃)する条件で評価したところ、SL単独およびSLにステアリン酸を配合し
てオクタン還流すると著しく褐変し、HPLCで350 nmに極大吸収を有するピリジニ
ウム化合物の生成を確認したものの、ステアリン酸カルシウムを添加した条件で
は加熱褐変は抑制でき、ピリジニウム化合物が生成していないことを確認した。
つまり、SL加熱時に脂肪酸金属塩を添加すると、PEと糖によるメイラード反応が
阻害され、ピリジニウム化合物は生成しないことを見出した。脂肪酸金属塩の添
加 に よ る メ イ ラ ー ド 反 応 の 阻 害 機 構 を 解 明 す る た め 、
1,2-Di-O-stearoyl-sn-glycero-3-phosphatidylethanolamine (DSPE)、D-Glucose、脂肪酸
カルシウム  (ステアリン酸カルシウムあるいはデカン酸カルシウム )の単純系で
オクタン還流  (125℃)したところ、脂肪酸鎖長に関わらず、DSPEのリン酸基とア
ミノ基に2 molのステアリン酸が配位した同じ化合物が生成することを確認した。
この化合物はDSPEとステアリン酸カルシウムのみをオクタン還流した際も生成
したことから、脂肪酸カルシウムが触媒となってDSPEの脂肪酸部位の加水分解反
応が生じ、生成したDSPE由来のステアリン酸がDSPEのリン酸基とアミノ基に配
位することでDSPEの求核性が低下するため、DSPEとD-Glucoseによるメイラード
反応が阻害されている機構が考えられた  (図2)。  
 
 
 
図 2 予想される脂肪酸金属塩の添加による PE の安定化機構  
 
以上  
R=Alkyl  group Fatty acid metal  sal ts  


大豆レシチンの熱変性抑制機構に関する研究

白松, 賢

SHIRAMATSU, Satoshi

東地, 真穂

HIGASHIJI, Maho

梅田, 崇広

UMEDA, Takahiro

作田, 良三

SAKUDA, Ryozo

久保田, 真功

KUBOTA, Makoto

尾川, 満宏

OGAWA, Mitsuhiro

大学院生による情報モラル教育の推進と実践分析 : ケース・スタディ型実践開発を中心に

相模, 健人

SAGAMI, Takehito

教育相談事例検討におけるSNSを用いた討論の試み

高橋, 平徳

TAKAHASHI, Yoshinori

日野, 克博

HINO, Katsuhiro

德田, 義実

TOKUDA, Yoshimi

二宮, 啓

NINOMIYA,  Hiromu

髙木, 啓吾

TAKAGI, Keigo

withコロナ時代における学生宿泊型教育体験活動の試み : 2021年度,2022年度「リーダー村」での活動より

冨田（神井）享子

TOMITA(KAMII), Kyoko

末永, 統

SUENAGA, Subaru

原田, 晋吾

HARADA, Shingo

知的障害特別支援学校における応用行動分析学に関する教員研修の実践 : 大学と連携した取り組み

中川, 未来

稲葉岩吉の中国経験 一九〇〇～一九〇一 ─日清戦後における中国関与とその主体形成(二)─

近藤, 隆二郎

写し巡礼における身体・空間・時間

淡野, 寧彦

佐藤, 真愛

愛媛県西予市における農産物直売所どんぶり館青空市場の運営形態と出荷者の意識

泉, 日出男

〔消費者法判例研究〕外貨建て生命保険契約の勧誘について適合性原則違反であるとして損害賠償請求が認められた事例-- 東京地判令和2年11月6日(2020WLJPCA11068013)--

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