中学校の家庭科教材におけるたんぱく質可視化の試み

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(1)Title. 中学校の家庭科教材におけるたんぱく質可視化の試み. Author(s). 細川, 朝子; 谷, 道子; 森田, みゆき; 増渕, 哲子. Citation. 北海道教育大学紀要. 教育科学編, 68(2): 387-396. Issue Date. 2018-02. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/9687. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) 北海道教育大学紀要（教育科学編）第68巻第２号 Journal of Hokkaido University of Education（Education）Vol. 68. No.2. 平成 30 年２月 February, 2018. 中学校の家庭科教材におけるたんぱく質可視化の試み細川朝子・谷道子＊・森田みゆき＊＊・増渕哲子＊＊＊札幌市立西野中学校＊＊＊. 元藤女子大学（非）. 北海道教育大学教育学部札幌校被服学・生活環境工学研究室＊＊＊. 北海道教育大学教育学部札幌校家庭科教育学研究室. Attempt to Visualize Proteins in Home Economics Teaching Material in Junior High School HOSOKAWA Asako, TANI Michiko＊, MORITA Miyuki＊＊ and MASUBUCHI Satoko＊＊＊ Sapporo Nishino Junior High School, Sapporo, 063-0038 ＊. Fuji Women’s University, Ishikari, 001-0016. ＊＊. Department of Engineering of Life and Environment, Sapporo Campus, Hokkaido University of Education, Sapporo, 002-8502 ＊＊＊. Department of Home Economics Education, Sapporo Campus, Hokkaido University of Education, Sapporo, 002-8502. 概要中学校家庭科において，たんぱく質は食物の栄養素や被服の汚れ成分としても扱う重要な物質だが，どちらのたんぱく質も視覚的に確認することが困難である。そこで，たんぱく質の可視化を生かした教材開発を進めた。 BCA法は37℃での反応を推奨しているが，25℃でも発色反応が十分に進行し，アルブミン濃度に依存して吸光度が増大することが確認されたため，教材化のための最適条件を検討した。その結果，アルブミン濃度と発色の濃淡に相関が認められた。また，反応時間は10分から20分で識別が可能であった。たんぱく質の種類の違いによる発色反応への影響を調べたところ，阻害要因のあるたんぱく質があることがわかった。基質上でのたんぱく質発色反応を検討した結果，BCA法を用いればたんぱく質の検出を可視化するのが可能であることが明確となった。これらの結果をもとに，「食物」と「被服」の学習指導案を提案した。. １．緒言中学校家庭科の教科書1）には，食品に含まれる栄養素を可視化する実験が例示されている。炭水化物とビタミンCはヨウ素溶液を使用し，その含有量を変色反応により可視化することができる。しかし，たんぱく. 387.

(3) 細川朝子・谷道子・森田みゆき・増渕哲子. 質の場合は酸による凝固の例示にとどまっている。高木ら2）による食品中のたんぱく質分解酵素の働きに関する家庭科教材の開発研究では，実験教材によって食品中のたんぱく質分解酵素の働きについて理解を深めることができたと述べている。つまり，可視化できたことで理解を深めることができたと考えられる。中学校家庭科において，たんぱく質は食物の栄養素の他に被服の汚れ成分としても扱う重要な物質である。「たん白質汚れの洗浄に関する研究」で，表皮角質層汚れの汚染状態ならびに付着量について皆川ら3）は，「油脂・タンパク質共存汚染布のエイジングに伴う洗浄性の変化」につ検討している。また，杉原ら4）は，いて調べている。しかし，これらの研究は，たんぱく質を抽出し分析するため，操作が煩雑である。たんぱく質の定量法としては，Lowry法5），Bradford法6），ビシンコニン酸（BCA）法7）などがある。 Lowry法は，たんぱく質の種類による発色のばらつきが少ないが操作が煩雑で，還元剤，界面活性剤など阻害物質が多い等の欠点があった。Bradford法は反応時間が短く操作が簡便で，還元剤や塩との共存性が高い。しかし，界面活性剤により反応が阻害され，安定保管には冷蔵保管が必要である。近年開発された BCA法は，たんぱく質の種類による発色のばらつきが少なく，界面活性剤との共存性が高く，検量線の直線性も高い。また，BCA法の試薬は常温保存のため，すぐに使用が可能であることから，少量のたんぱく質でも視覚で反応が確認できる教材の可能性に着目した。しかし，還元剤や銅イオンのキレート剤により反応が阻害され，常温でも発色は少し進むため測定時間に注意が必要である。従って，本研究では最適な測定条件の検討を行ない，BCA法によるたんぱく質の可視化を生かした中学校家庭科の教材開発を行った。. ２．方法２−１試料たんぱく質として，アルブミン（ウシ血清），シトクロムC（ウマ心臓），トリプシン（ウシ膵）の分子量の異なる３つのたんぱく質を用いた。試験布は，綿（一般財団法人日本規格協会），麻（関西衣生活），毛（色染社），ポリエステル（PET）（一般財団法人日本規格協会），ナイロン（一般財団法人日本規格協会）の５種類をエタノール：水（＝1：1）により前処理し，風乾したものを25mm×25mmに裁断し，使用した。試験布の構成を表１に示す。. 表１試験布の構成. BCA試薬は，A液として，ビシンコニン酸ナトリウム1.00g，炭酸ナトリウム1.71g，酒石酸ナトリウム二水和物0.16g，水酸化ナトリウム0.40g，炭酸水素ナトリウム0.95gを純水95mLに溶解し，50％水酸化ナトリウムでpH11.25に調製したものを保存して，その都度使用した。Ｂ液として，硫酸銅五水和物0.40gを純水9.6mLに溶解し，保存した。C液の調製は，A液：Ｂ液＝50：1で混合し，分析当日に調製した。２−２装置吸光度の測定には日立製紫外可視分光光度計U−2010，日立131−0040温度表示付恒温セルホールダを使用し，光路長１cmの石英セルを用いた。検量線の作成の際，25℃の恒温槽はSANYO製INCUBATOR，振とう機はEYELLA製CUTEMIXER CM−1000を使用した。. 388.

(4) 中学校の家庭科教材におけるたんぱく質可視化の試み. ２−３操作１）25℃における発色反応の吸光度測定 BCA法による発色反応経時変化を吸光度測定により測定した。セルに400µg/mLのアルブミン溶液0.14mL を入れ，25℃に設定した分光光度計内にセットする。ここに，C液2.8mLを加えて反応を開始し，562nmにおける吸光度の経時変化を測定した。２）アルブミンの検量線 800µg/mL，400µg/mL，200µg/mLアルブミン溶液，水（BL）0.2mLをそれぞれバイアル瓶に入れる。それぞれのバイアル瓶にC液4.0mLを加え，25℃に設定したインキュベーター内の振とう機にセットする。30 分間反応させた後，流水で急冷して反応を停止させ，試薬ブランク（たんぱく質 0 µg/mL）を対照として， 562nmの吸光度を測定した。３）マイクロプレートを用いた発色反応マイクロプレートに，アルブミン800µg/mL，400µg/mL，200µg/mL，水（ブランク）0.1mLを入れ，そこにC液2.0mLを加え，反応を開始させた。発色反応の経時変化をデジタルカメラで撮影した。４）基質上での発色反応綿，麻，毛，PET，ナイロン（25mm×25mm）にアルブミン8mg/mLを0.1mL滴下し，5分経過後，C 液0.03mLを滴下し，発色反応を開始させた。反応は室温（25℃）で行った。. ３．結果および考察３−１ 25℃における発色反応の吸光度変化通常，BCA法は37℃での反応を推奨しているが，今回は教材としての利用を考えているため室温（25℃）での発色の経時変化を測定した。図１に示す通り，ブランクとアルブミン400µg/mLの吸光度は時間とともに差が大きくなり，30分での吸光度はブランクが0.072，アルブミン400µg/mLが0.413 だった。図１ BCA法における吸光度の経時変化. ３−２アルブミンの検量線 25℃における経時変化の結果から，測定時間を30分として 25℃でのアルブミンの検量線を作成した。結果を図２に示す。検討した濃度範囲（0-800µg/mL）内において，吸光度はアルブミン濃度に依存し，y＝0.0008x＋0.0148（R2＝0.9971）の良好な相関が確認できた。これらのことから，BCA法は25℃でも発色反応が十分に進行し，アルブミン濃度に依存して発色が強くなることが確認された。. 図２ BCA法によるアルブミンの検量線. 389.

(5) 細川朝子・谷道子・森田みゆき・増渕哲子. ３−３目視のための溶液反応条件マイクロプレートは内径25mmと15mmの２つを用いた。結果を図３に示す。同容量の試料，試薬で反応を行ったところ，図３の通り，内径の小さい方が液の深さが増大し，変色反応を確認しやすかったため，内径15mmのマイクロプレートを使用することとした。次にアルブミン濃度と反応時間の影響を検討した。結果を図４に示す。25℃において，C液を添加した反応開始直後にアルブミン800µg/mLでは目視で発色が確認できた。その後，反応時間4分で発色反応はさら. 図３内径の異なるマイクロプレートの中での発色反応（反応時間10分，25℃）. に進んだ。400µg/mLも反応時間4分で発色が認められた。200µg/mLでは反応時間10分で発色が認められた。いずれも反応時間が増大する程発色反応は進行し，濃色となった。800µg/mLでは，反応時間20分以上で変化はわずかであった。従って，目視での最適な反応時間帯は，実験開始10 分から20分の間とすることとした。また，アルブミン濃度による発色反応の影響では，反応時間10分から20 分の間で，濃度が増大する程濃色となり，たんぱく質の濃度の違いを可視的に確認できることがわかった。試薬ブランク（アルブミン 0 µg/mL）では，反応時間60分までは目視での発色は確認されなかった。これらの結果から，たんぱく質の濃度が濃いほど発色反応は進行し，濃色になることがわかった。反応時間10分から20分の間は，たんぱく質の含有だけでなく，たんぱく質含有量の違いも可視化することができることが明らかとなった。次に，たんぱく質の種類の違いによる発色反応への影響を調べた。これらは，たんぱく質分子量が異なる -4 ため，母液をそれぞれ1.207×10 mol/Lに調製して反. 応させた。結果を図５に示す。 C液を添加した反応開始直後に，シトクロムC1.2× 10-4mol/Lは目視で発色が確認できた。その後，反応時間4分で，シトクロムCとアルブミンの1.2×10-4 mol/Lは発色反応がさらに進んだ。反応時間10分では，シトクロムCとアルブミンは，濃度が高いほど発色反応が強かった。トリプシンは，反応時間60分の間にほとんど発色反応を確認することができなかった。このことから，. 390. 図４ BCA法による各アルブミン濃度における経時変化.

(6) 中学校の家庭科教材におけるたんぱく質可視化の試み. BCA反応は還元反応に必要なアミノ酸残基（システイン，シスチン，チロシン，トリプトファン）およびペプチド骨格に影響されるが，トリプシンの場合には，十分でなかったと考えられる。今後さらに検討する必要がある。シトクロムCとアルブミンは，目視で確認をする最適な反応時間は10分から20分の間であることがわかった。また，タンパクの質の分子量が異なっていても，分子数をそろえることにより，同様な反応速度で発色反応が進行することがわかった。反応時間10分から20 分では，濃度の違いも明確に可視化することができることが明らかとなった。３−４基質上でのたんぱく質発色反応被服領域の汚れ成分の可視化のために，白布にアルブミンを付着して，BCA反応が進行するか検討した。結果を図６に示す。綿，麻，毛，PET，ナイロンのうち，毛は主成分がたんぱく質である。そのため，どの基質（繊維）が BCA反応を観察するのに最適であるか，各々の白布でブランクと比較した。綿は，反応開始から20分まで変色反応が進行したが，その後還元反応で淡色になった。ブランクは変化がなかった。麻は，綿と同様であったが，ブランクもわずかに発色したことから，ブランクと比較する場合のみ，利用可能であることがわかった。一方，毛はたんぱく質であるため，ブランクも反応が進むことから，可視化教材には使用できないことがわかった。 PET，ナイロンは，ブランクの影響は少なく，綿と同様な発色反応が進行し，反応35分以後では綿と麻のブランクで還元反応が認められた。これらの還元反応が起こった原因は今後検討する必. 図５ BCA反応におよぼすたんぱく質の種類の影響. 要がある。反応時間20分以降は著しい変化は認められなかったことから，目視で確認をする最適な反応時間は，5分から20分の間であることがわかった。これらの結果から，毛以外の基質にたんぱく質を吸収させても発色反応が確認できるため，教材として利用することが可能であると考える。. 391.

(7) 細川朝子・谷道子・森田みゆき・増渕哲子. ４．学習指導案の提案以上の実験結果を踏まえ，教材活用におけるBCA法の特徴を挙げると，以下の通りである。・室温で実験が可能で，発色反応時間は10分から20分と短時間である。・たんぱく質の種類を選ばない。・試薬のA液とB液は，常温での保管が可能である。C液の調製は使用時に行う。・少量のたんぱく質でも発色反応が確認できる。そこで，以下のBCA法を用いた中学校家庭科の学習指導案を提案する。４−１食品と栄養素に関わる学習指導案中学校では，小学校で学んだ五大栄養素の知識をもとに，学習を進めていく。栄養素の種類や働きについての知識は定着しつつあるものの，栄養素と食品のつながりについては十分に理解していない生徒が多い。そのため，習得した知識を実際の生活で活用することが難しい状況が見られる。栄養素と食品のつながりについての知識が生徒に定着しづらい原因の一つとして，栄養素は目に見えないということが考えられる。そのため，食品に含まれている栄養素を可視化することは，生徒が栄養素について深く理解するための手立てになる。炭水化物やビタミンCはヨウ素溶液を使って可視化することができる。たんぱく質も同じように可視化することで，生徒は食品に含まれている栄養素やその含有量に違いがあることを理解することができる。実験を取り入れ，科学的な学習方法によって，基礎的・基本的な知識の定着を図り，実際の生活の中で図６ BCA法による白布上のアルブミンの発色. どのように食品を摂取すればよいかを考え，実践できる力を身につけさせたい。学習指導案「食品に含まれているたんぱく質を可視化する実験」を以下に示す。. 392.

(8) 中学校の家庭科教材におけるたんぱく質可視化の試み. 【食品と栄養素に関わる学習指導案】「食品に含まれているたんぱく質を可視化する実験」 ①本時の目標・たんぱく質はどのような食品に多く含まれているのかを理解する。 ②展開. ③本時の目標に対する実現状況の見取り実験を通して，食品に含まれる栄養素の種類や量には違いがあることを理解しているかを活動の様子やワークシートの記述から見取る。. 393.

(9) 細川朝子・谷道子・森田みゆき・増渕哲子. ４−２衣服の汚れと手入れにかかわる学習指導案中学生は，テレビや雑誌などから衣服に興味をもち，おしゃれをして自己を表現したいという意識が高まってくる時期である。しかしながら，日常生活において，洗濯やアイロンかけなどの日常着の手入れやボタン付けなど，衣服に関わる仕事に自ら取り組んでいる生徒は少ない。衣服に合った手入れをするには，衣服の材料である繊維とその性質，汚れの種類，洗剤のはたらきを理解することが重要である。そのため，実験や実習を取り入れながら生徒の理解を深めていけるよう，計画的に授業を展開していくことが必要である。具体的には，繊維の観察や繊維の性質を調べる実験，水性・油性・固体汚れを調べる実験，界面活性剤のはたらきを調べる実験などがあげられる。衣服の手入れの学習では，衣服にはたんぱく質汚れが付いていることを理解する必要がある。ところが，たんぱく質汚れの可視化はニンヒドリン溶液による実験が教科書で例示されるだけにとどまっている。その理由として，生徒によるニンヒドリン溶液の使用が安全性や価格の面から困難であることが挙げられる。しかし，BCA法を活用することにより，これまで困難であったたんぱく質汚れの可視化を短時間で，安全に実現することが可能になる。たんぱく質汚れを可視化することにより，洗剤のはたらきと合わせて手入れの必要性や方法について，実験を通して深く理解し，実践できる力を身につけさせたい。学習指導案「衣服に付着しているたんぱく質汚れを可視化するとともに，洗剤濃度の効果を調べる実験」を以下に示す。【衣服の汚れと手入れにかかわる学習指導案】「衣服に付着しているたんぱく質汚れを可視化するとともに，洗剤濃度の効果を調べる実験」 ①本時の目標・衣服に多く付いている汚れがたんぱく質汚れであることを理解する。・洗剤濃度の効果について理解する。 ② 展開. 394.

(10) 中学校の家庭科教材におけるたんぱく質可視化の試み. ③ 本時の目標に対する実現状況の見取り衣服に多く付く汚れと洗剤濃度の効果について理解できたかを活動の様子やワークシートの記述から見取る。. ５．総括 BCA法は37℃での反応を推奨しているが，教材としての利用を考えているため室温（25℃）での発色の経時変化を測定した。25℃における経時変化の結果から，y＝0.0008x＋0.0148（R2＝0.9971）の良好な相関が確認できた。これらのことから，BCA法は25℃でも発色反応が十分に進行し，アルブミン濃度に依存して発色が強くなることが確認された。アルブミン濃度と反応時間の影響では，たんぱく質の濃度が濃いほど発色反応は進行し，濃色になることがわかった。反応時間10分から20分の間は，たんぱく質の含有だけでなく，たんぱく質含有量の違いも可視化することができることが明らかとなった。たんぱく質の種類の違いによる発色反応への影響では，たんぱく質の分子量が異なっていても，分子数をそろえることにより，同様な発色反応が進行することがわかった。反応時間10分から20分では，濃度の違いも明確に可視化することができることが明らかとなった。基質上でのたんぱく質発色反応では，毛以外の基質にたんぱく質を吸収させると発色反応が確認できるため，「被服」の教材として利用することが可能であることが明らかとなった。ただし，トリプトシンは進行しないことがわかった。これらの結果を元に，「食物」「被服」の学習指導案を提案した。 BCA法を用いればたんぱく質の含有量の違いを可視化する教材開発が可能であることが明確となった。食品に含まれるたんぱく質はもちろん，衣服汚れとしてのたんぱく質を可視化できることは，中学校家庭科の教材として大変魅力的である。これまでも衣服のたんぱく質汚れは，ニンヒドリン溶液を使用して可視化することはできたが，価格と安全面から生徒自身の手で実験するのは困難であった。しかし，BCA法を活. 395.

(11) 細川朝子・谷道子・森田みゆき・増渕哲子. 用すれば，多くの中学校家庭科での授業実践が可能となり，生徒は実験を通して体験的に学び，理解を深めることができるようになると考えられる。. 【引用文献】１）大竹美登利他，技術・家庭家庭分野，開隆堂，2016，70-71 ２）高木幸子，所康子，藤原康晴，山下伸典，生活環境における酵素の働きを考える家庭科教材の開発，科学教育研究， vol.25, no.1, 2001, 35-43 ３）皆川基，岡本幾子，たん白質汚れの洗浄に関する研究，大阪市立大学生活科学部紀要，第30巻，1982，67-80 ４）杉原黎子，藤谷健，油脂・タンパク質共存汚染布のエイジングに伴う洗浄性の変化，日本家政学会誌，vol.47, no.3, 1996， 243-246 ５）O. H. Lowry, N. J. Rosebrough, A. L. Farr, R. J. Randall, J. Biol. Chem., vol.193,1951, 265-275 ６）M. M. Bradford, Anal. Biochem.,vol. 72, 1976,248-254 ７）P. K. Smith, R. I. Krohn, G. T. Hermanson, A. K. Mallia, F. H. Gartner, M. D. Provenzano, E. K. Fujimoto, N. M. Goeke, B. J. Olson, D. C. Klenk, Anal. Biochem., vol.150, 1985,76-85. （細川朝子札幌校大学院生現札幌市立西野中学校教諭）（谷道子元藤女子大学（非））（森田みゆき札幌校教授）（増渕哲子札幌校准教授） . 396.

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