・世界初、もみ殻から量子ドットLEDを製造。最先端デバイスにリサイクル
・もみ殻からナノシリコン(シリコン量子ドット)を合成
・オレンジ色に発光するシリコン量子ドットLEDを天然素材から作製


日本人が主食としているお米、そのもみ殻の20％はガラス(SiO2)です。そのもみ殻に含まれるガラスを使い、高い容量と高い耐久性を持つリチウムイオン電池の製造が、最近、欧米をはじめ複数の研究グループより報告されています。
しかし、もみ殻中のガラスをLEDに用いた研究は、これまで報告がありませんでした。
大学院生の寺田詩歩氏(理学研究科 博士課程前期修了)、植田朋乃可氏(先進理工系科学研究科 博士課程前期)、自然科学研究支援開発センター(研究開発部門)の齋藤健一教授らの研究グループは、もみ殻に含まれるガラスから、オレンジ色に発光するナノシリコン(シリコン量子ドット)を合成し(発光効率21％)、更にそれを用いたシリコン量子ドットLEDの開発に成功しました。
もみ殻を原料としたLED製造、ならびに植物やバイオ系の天然素材を活用したLED製造は、これまでなかったため、世界初の成果、世界初の概念となります。
近年、量子ドットディスプレイが市場に出回り始め、タブレットや大型テレビに使われています。量子ドットは次世代の発光体として大変注目されていますが、市販の量子ドットディスプレイは、重金属の量子ドットを搭載しているため、毒性がなく、重金属フリーの量子ドットが世界中で模索されています。シリコンは重金属ではありません。更に本研究では、もみ殻をリサイクルして、シリコン量子ドットとシリコン量子ドットLEDを開発しました。また、LEDの製造法は簡便で、シリコン量子ドット溶液、導電性の高分子溶液を基板に塗布する手法です。SDGsの複数の目標にも適合し、廃棄物の最先端デバイスへのリサイクル化、そして安全・安心・安価で高性能かつ折り曲げ可能なディスプレイ、また生医学イメージングへの発展が期待されます。

極寒は苦手！　冬型多肉の管理

九州と同程度の国土面積しかもたないオランダ。しかし、金額ベースでは米国に次ぐ世界第2位の食料輸出国だ。国土の狭さをカヴァーしてきた同国の技術力は温室でも見てとれる。食のイノヴェイションの中心地「フードヴァレー」の挑戦を追う「FEEDING THE 11 BILLION」、第3回のテーマは「温室」だ。（雑誌『WIRED』日本版VOL.35より転載）

TEXT BY SAMI EMORY
TRANSLATION BY ASUKA KAWANABE

WIRED (UK)

作物の確認に来たヴァーヘニンゲン大学の研究者。ここでは、LED照明の下でキュウリが栽培されている。PHOTOGRAPH BY SAM CHICK

植物のための「光のレシピ」

ヴァーヘニンゲン大学（WUR）の施設「ユニファーム」では、園芸学・栽培生理学教授レオ・マルセリスのチームが、さまざまな色のLEDが温室の作物に与える影響を研究している。

オランダで従来使われてきた高圧ナトリウムランプに比べ、LED照明はより効率的かつ持続可能なアプローチだ。マルセリスらは、そんなLEDで温室栽培のエネルギー消費量を半減させようと研究に取り組んでいる。

ナトリウムランプをLEDに替えるだけで、エネルギー消費量は25％削減できる。寿命もLEDのほうがはるかに長い。また、ナトリウムランプは熱も発するため、植物から充分距離をとって設置しなくてはいけないという制約があるが、ほとんど発熱しないLEDなら成長に最適な位置に照明を置ける。

「問題は、植物にとって最も理想的な色は何かです」と、マルセリスは言う。各植物や品種には、成長に最適な「光のレシピ」がある。例えば、赤色LEDはエネルギーを光合成に必要な光量子へ最も効率的に変換するが、赤色光だけで育てられた作物は異常な成長の仕方をみせることもある。これを防ぐため、植物の正常な発達を助ける青色LEDが加えられるのだ。ユニファームの作物のほとんどは、この赤と青のバランスが慎重に制御された光の下で栽培されている。

適切な設置場所と光のレシピで、温室栽培のエネルギーコストは半減できるとマルセリスらは考えている。WUR流のモットーにある通り「2分の1のリソースで2倍生産」だ。

WURが、イスラエルやスウェーデン、ベルギーの企業と共同で開発したパプリカ収穫ロボット「SWEEPER」。PHOTOGRAPH BY WUR

自動収穫では終わらない、ロボット農業の可能性

「SWEEPER」は、WURが複数企業と開発したパプリカ収穫ロボットだ。アームのカメラで実を撮影し、色で成熟度を分類。位置関係を記録し、熟したものだけを収穫する。

SWEEPERの発展を支えるのは、植物の形質を計測するフェノタイピング（表現型解析技術）という地味な技術だ。「農家向け自動装置の多くは『脳』と『目』が物を言いますが、フェノタイピングもまた、いかにカメラやセンサーで植物に関する情報を収集できるかがすべてなのです」。そう話すのは、WURで「Agro Food Robotics」イニシアティヴのコーディネーターを務めるシニアサイエンティストのリック・ファン・デ・ゼッデである。

かつては面倒な手作業で行なわれていたフェノタイピングだが、ロボティクスがそれを変えた。特徴を機械的に定量評価することで、植物の繁茂や病気の要因、気候変動への耐性などを理解する手がかりが得られるのだ。

2018年、オランダ政府は、ヴァーへニンゲンにあるオランダ・プラント・フェノタイピング・センターという国家プロジェクトへの資金提供を発表した。目的はフェノタイピングのハイスループット化だ。「実現すれば、より健康にいい食材や耐病性が強い農作物の開発に挑戦できます」と、ファン・デ・ゼッデは言う。

オランダ第3の都市・ハーグから南東20kmにあるブレイスウェイク。この小さな町にあるWURの温室では、ヴァニラが育てられている。PHOTOGRAPH BY SAM CHICK

トマトの成功を、再び

作物の専門家フィリップ・ファン・ノートが、ヴァニラの房を指差す。その先にあるのは「ネザーヴァニラ」。オランダでも、ヴァニラが確かに栽培・収穫できることの証しだ。

ヴァニラは世界で最も人気のフレーヴァーで、サフランに次いで高価なスパイスとされる。しかし、世界のヴァニラの80％を生産するマダガスカルは、近年干ばつやサイクロン、危険な農業環境に脅かされており、ヴァニラの価格も高騰中だ。2018年初頭には、1kg当たりの価格が銀を超える600ドル（約6.5万円）となった。

この温室で栽培されている高価で珍しい植物はヴァニラだけではない。ファン・ノートは、パパイヤやアボカド、ワサビ、インディゴなど、さまざまな植物の栽培実験にかかわっている。目的は、トマトの成功の再現だ。第二次世界大戦後、オランダは南アメリカが原産のトマトの温室栽培に成功し、トマトはオランダの農業革新の代名詞となった。輸出額でみれば、いまやオランダはメキシコに次いで世界第二のトマト輸出国である。

現在ファン・ノートらが栽培している植物の多くは、普通温室で栽培されない種だ。そのため、彼らはLEDや水耕栽培、ミストなどを使って、いかに原産地の気温や光、雨を模倣し、植物を自然に育てるかを研究している。

さらにヴァニラの場合、送粉者は研究者だ。ヴァニラの開花は予測しづらく、開花後は花が萎む昼までに手作業で受粉させなくてはいけない。この温室ではヴァニラが365日監視され、研究者たちが毎日丁寧に花の手入れをしているのだ。

葉と茎を摘み取った豆苗の株を再生栽培する家計節約テク...ガジェットと一見無関係のようでいて、実は関係大アリのトピックですね。直射日光ではなくLED照明や蛍光灯の光でも育つのかという疑問は、豆苗の再生栽培経験者ならば一度は持ったことがあるはずです。

結論からいうと、LEDや蛍光灯の光で育てても、おいしく食べられるレベルまですくすく成長します。種類によって光補償点（植物が光合成で有機物を貯め始めるポイント）に差があるため、すべての植物が適しているわけではありませんが、豆苗（さやえんどう）ならば、1000ルクス程度あれば成長します。リビングのように照明を明るめにした部屋であれば、十分でしょう。

LEDや蛍光灯の光で育てても、おいしく食べられるレベルまで成長します

ただし、一般的にLED照明は照射範囲が狭いため、ライトの真下に置くかライトの数を増やさなければ照射ムラが生じることがあります。利用するLED照明も、植物の育成には光合成を促す効果がある赤色の光と葉や茎を大きくする青色の光が必要とされるため、2種類の光をバランスよく配分した設計の「植物育成用LEDライト」が最適です。

近頃流行りの「水耕栽培キット」も、その多くが植物育成用LEDライトを搭載しています。LEDだから電気代はわずか、外気に晒さないので害虫は付きませんし、栄養価も太陽光での栽培と比べて遜色ないとされるため、ちょっとした野菜を育ててみては？

「農の都」をうたう兵庫県篠山市にこのほど、業務用野菜を栽培する植物工場が稼働を始めた。人工光、二酸化炭素、肥料などの量と組み合わせによって、味、色、葉の固さや水分量、大きさ、栄養価まで調整できるほか、作業効率を考えて、レタスなら葉のはがしやすさを一定にすることもできる。さらに成長速度は露地栽培の約8倍という。

　植物工場の開発、施工を手掛ける森久エンジニアリング（神戸市）と、日本アジア投資（東京都）が共同出資して設立した合同会社「MJベジタブル1号」（東京都）が運営にあたり、野菜の生産業務を「森久」社が受託する。栽培、梱包、出荷までを行う。

　同地内の空き工場1棟の約半分（約820平方メートル）を活用。長さ14メートル、10段の「栽培ベッド」を12並べ、チェーン展開している外食産業をターゲットにフリルレタス、クレソン、赤水菜、結球レタスなどの業務用野菜を年間約200トン生産する予定。

　プロジェクト総額は金融機関からの融資を含め約7億円。年約2億円の売上を見込む。約20人を地元雇用する。

　「森久」社は、蛍光灯やLEDライトなどの人工光で植物を生産する植物工場を秋田から沖縄まで13カ所で施工。植物の生育に必要な人工光を効率よく当てる反射板の技術に特許を持つ。

　これまで消費量の多い結球レタスを植物工場で安定生産することは、生理障害の多さなどから難しいとされてきたが、合同会社（特別目的会社）の設立によって、技術力の発揮できる工場建設が実現した。

　「森久」社によると、例えば、高齢者が食べる料理に使うのであれば、食べやすいように葉を柔らかく、かつ食べ慣れた野菜の味がしっかりとあるものに―など、その野菜を使う料理の種類（和食、洋食など）、他の食材との相性、食べる世代といったニーズに応じて種や育て方を設計できるという。

　気象の急変などで農作物の供給が不安定になるケースが目立つ中、大量の業務用野菜を必要とする外食産業などにおいて農作物を安全に、安定した品質、量、価格で供給できる植物工場への注目が高まっているという。

トマトの収穫量を倍増させ、糖度も向上させる特殊なＬＥＤライトを、徳島文理大理工学部（香川県さぬき市）が開発した。企業と来夏をめどに製品化を目指している。

　月明かり程度の微弱な光を発し、肉眼で見えないほどの速度で点滅を繰り返す。ナノ物質工学科の梶山博司教授が開発を手掛けた。

　梶山教授によると、植物は昼間の光合成で生成した糖を消費し、生命活動を維持している。昼間は成長のために多くの糖を消費するが、代謝が落ちる夜間は余った糖を実などに送る「転流」が起こる。朝に収穫した野菜がおいしいのは、糖が実に転流した状態だからだという。

　この現象に着目した。特殊なＬＥＤを組み込んだネットを苗木の近くにつるして夜間に照射。植物は光の点滅で昼夜が頻繁に繰り返されていると錯覚し、糖を各組織に送る働きを活性化させる。これが生育を早め、高糖度の果実をつくる。

　実験で、栽培開始８５日後のトマトの苗木１本当たりの果実数が、ＬＥＤを照射しない苗木に比べ２倍、糖度は１５％向上した。夜がないと、ストレスで植物の成長は阻害されるが、光量が微弱なため、ストレスを感じないという。

　梶山教授はこれまでにレタスの成長を促進するプラズマパネルの開発に成功している。「ＬＥＤは軽量で防水加工も施されており、プラズマパネルと違い、屋外で使用できる」とし、葉物やのりなどの藻類でも効果が期待できるという。

徳島文理大学理工学部（香川県さぬき市）ナノ物質工学科の梶山博司教授はこのたび、トマトの収穫量を2倍にできるLEDライトを開発した。このLEDライトは月明かり程度の微弱なパルス光を照射することができるもので、この光を夜間に照射すると、糖の転流量が増えて生育が促進される。今後は、LEDライトの技術仕様をパートナー企業に移管し、2019年6月から順次製品として出荷していく予定。

　このたび梶山教授が開発したLEDライトは軽量でフレキシブルなので、さまざまな栽培品種に効率よく光照射できる。消費電力は栽培面積100平方メートルあたり10W、1セットで1000平方メートルまで照射可能。

　このLEDによる照射を行った（図1）結果、栽培開始から50日目あたりから生育に差が出はじめ、苗木１本あたりの果実数は85日後に2倍になった（図2）。さらに、トマトの木の高さは1.5倍になり、糖度は15％向上した。

　開発したLEDライトは、レタスなどの葉物野菜やスジ青ノリなどの藻類でも、トマトと同様の効果がある。また、防水機能があるので屋内外で使用可能。稼働中のLED型植物工場には、電源回路を追加することで高速栽培モードを付加できる。

　今後は、LEDライトの技術仕様をパートナー企業に移管して、製品化する予定。2019年6月から順次「ハイスピードLEDライト」として出荷していく計画となっている。

（参考）
徳島文理大学がレタスの2倍速栽培法を確立 -- 夜間の光合成により生育を促進、2020年の社会実装を目指す

　主にリーフレタスやフリルレタスを生産し、水菜やサラダ菜も少量つくる。敷地面積は約５２００平方メートル、建物の総面積が約２０００平方メートル。まず旧体育館を改築し、日産１６００株の工場とし、１０月下旬に稼働。１２月に出荷を始める。その隣に事務棟や機械設備棟を備えた日産２４００株の工場を新設する。こちらは来春の完成、出荷を目指す。完成後は年商を現在の約１億６０００万円から３億円強まで引き上げられるとしている。

　２年半前に既存２工場の能力がいっぱいとなり、今後も需要の伸びが見込めることから、東京に近く、補助金制度の整った那珂市への新規立地を決めた。敷地に余裕があるため、さらなる工場増設も視野に入れている。

　３工場目にして初めて光源に発光ダイオード（ＬＥＤ）を採用し、電力代を削減。野菜を栽培する棚も現在の４段から、一部で６段の多段式を採用し、生産効率を高める。従業員数は当面、２０人程度の予定。

　同社の植物工場は完全閉鎖型で、無農薬を実現。さらに水を噴霧した状態で根に供給する噴霧水耕栽培のため、「水がたまらないので細菌の繁殖が極めて少なく、虫も発生しない」（周藤社長）のが強み。野菜は水洗いをせず、そのまま食べられるため、調理パンの具材や外食用に売り上げを伸ばしている。

Seoul, South Korea, Jul. 5th, 2018 – LGイノテック(LGイノテック)が本日太陽光よりも植物がよく育つ光源である「植物の生長用 LED」製品のフルラインナップを構築してグローバル市場の攻略に本格的に乗り出すと発表した。

LGイノテックは光の波長と消費電力によって、最適化した30種類の植物の生長用 LEDパッケージを確保する。可視光線から紫外線波長を放出するLEDまで、フルスペクトル製品のラインナップを確保した。

植物の生長用 LEDは特定波長の光を放ち、植物の成長速度を制御して栄養成分の含有量を増加させることができる先端半導体の光源である。光の波長によって光合成、開花などの生理的な反応が異なる特性を考慮して開発された。

LGイノテックの植物の生長用 LEDで作物の商品性を向上させることができる。 LGイノテックの380nm波長UV-A LEDはアントシアニン、ルテインなどの抗酸化作用の働きをするフィトケミカル(phytochemical、植物性化学成分)の含有量を増加させるのに活用することができる。紫色の光を放つ405nm LEDは植物の葉を厚くし、色を鮮やかにさせる。

また、LGイノテックの植物の生長用 LEDは、スマート温室や植物工場に適用して生産性を高めることができる。450ナノメーター(nm)や660nm波長LEDで天気などの環境変化に関係なく光合成を促進させて生育期間を短縮できるからだ。

LGイノテックの植物の生長用 LEDで作物の商品性を向上させることができる。730nm波長LEDが作物の糖度や高麗人参のサポニンなど、特定成分の含有量を増加させる。405nm LEDは植物の葉を厚くし、色を鮮やかにさせる。

この会社の植物の生長用 LEDは、環境に優しいオーガニック農産物栽培にも適している。530nm LEDの光がカビの発生を抑える機能をする。病害虫が嫌がる波長である615nm製品で害虫の接近を防ぐこともできる。

LGイノテックは、幅広い製品のラインナップや内在化された技術を基に市場の攻略をスピードアップさせる方針だ。 LGイノテックは紫外線から可視光線の領域まで植物の生長用LEDを独自開発・生産した企業である。

特にこの会社は作物の種類と照明位置、必要機能などに応じて最適化された植物の生長用 LEDを提供する計画だ。波長と光量、照射角が異なるおよそ30種の製品があるので可能だ。ヨーロッパと北米、アジアの照明およびモジュール企業を対象にプロモーショを拡大展開している。

LGイノテックは、今年中に近赤外線730nm LEDまで追加発表する計画だ。この製品は、作物の糖度や高麗人参のサポニンなど、特定成分の含有量を増加させることができ、機能性作物の栽培に活用することができる。

市場調査企業のYole developmentによると、植物の生長用 LED市場の規模は、昨年の1億ドルから2022年4億ドルと4倍増加するとの見通しだ。スマートファーム市場の拡張によって、2027年には7億ドルに上昇すると予想される。

LGイノテックの宋 俊午（ソン・ジュンオ）LED事業部長は「LEDは均一な品質の作物を栽培することができる最も効果のある光源として注目されている」とし、「フルスペクトル光源ソリューションをベースにお客様が満足する最適の植物の生長用 LEDを提供する」と述べた。

筑波大学生命環境系草野都教授、キーストーンテクノロジー岡聖一社長、理化学研究所らの研究グループによって、サニーレタスは畑で栽培するか植物工場で栽培するかによって用いる肥料は同じであっても大きく味が変わることが世界で初めて実証された。

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　ここで研究に用いられた植物工場とは、RGB（赤・緑・青）LED独立制御型植物工場のことである。研究に用いられたサニーレタスは、ブラックローズとレッドファイヤーの2品種。味だけでなく外見も変容する。また、味や機能性の変化は関連する代謝物群の違いによることが、統合メタボローム解析によって明らかにされている。

　植物工場というものは、湿度や温度、光の質、培養液などを制御し、閉鎖的な環境下で育成することで、天候などに左右されない野菜の安定供給を可能にするものである。ただし、基本的には普通の畑よりはコストがかかる。

　従って、味や機能性成分など、何らかの高付加価値性のある作物を栽培することが望ましいわけであるが、そのために目をつけられた野菜のひとつがサニーレタスだというわけである。

　今回の研究では、可能な限り植物工場と同じような条件を揃えた土壌栽培のサニーレタスを33日間栽培し、それを植物工場のものと比較した。そして、GC-MSおよびLC-MSを用いた統合メタボローム解析を行った。

　具体的に何が味の差をもたらすかというと、植物工場のサニーレタスはうまみ成分であるアミノ酸の含有量が高く、逆にレタス特有の苦み成分であるセキステルペン類の含有量が低かったとのことである。

　今後は、さらにどのような条件が作物の味に違いを与えるのかについて研究を深め、高付加価値農作物の生産につなげていきたいという。