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植物工場の研究動向と展望

植物工場の研究動向と展望

 

■講師

京都大学大学院 農学研究科教授 
清水 浩氏

 

1−1.植物工場の設置数

 最初に「植物工場の設置数」についてお話いたします。
農林水産省が集計し三菱総研がまとめた資料(平成24年3月に)によりますと、今から3年前の平成21年4月時点で、植物工場設置数は、完全制御型34施設、太陽光利用型16施設、合わせて50施設しかありませんでしたが、平成24年3月時点では、完全制御型が106施設、太陽光利用型で21施設、合わせて127施設と伸びており、特に完全制御型植物工場の設置数は約3倍に増えています。
 完全制御型の植物工場は「環境コントロールがしやすい」というメリットがあります。植物の成長に必要な光の強さ・気温・湿度などの調整が一年中できるということです。つまり、毎年ほぼ同じ量の農作物が出荷できるということになります。太陽光利用型のほうはどうしても太陽光を使わざるを得ません。太陽光では、1平方mで1000ワットほどのエネルギーが来ますが、雲によって日射がさえぎられたり,また逆に突然晴れたりするため施設内の気温を制御するのが非常に難しくなります。また夏冬の出荷量が変わります。また完全制御型の場合、多段式にできるので土地面積の利用効率が非常に高いといえます。こうした点から、イニシャルコスト、ランニングコストがかかるとはいえ、ここ数年は完全制御型の設置数が伸びてきているものと考えられます。

 

1−2.環境制御の観点からみた栽培形態の特徴

 完全制御型植物工場の誕生までの農作物栽培形態には大きく3つありました。まず、畑や田んぼのように作地が露出している「露地栽培」、そしてビニールハウスなどで代表され、過酷な環境から作物を保護するという「PROTECTED ON CULTURE」の考え方から生まれた「従来型施設栽培」、そしてより積極的に環境をコントロールできる「太陽光利用型植物工場」です。ただいずれの栽培形態も植物の栽培には太陽光を利用しており、環境の変化、特に光の強さや量などの変化などは人間がコントロールできませんので自然に委ねるしかありませんでした。

 

1−3.完全植物工場の優位性

 完全制御型植物工場は、そういったこれまでコントロール不可能だった光も完全に制御できる点が非常に特徴的で、これまでの栽培形態とは全く違ったものだといえます。
 1980年代中頃に、アメリカで「DIF(ディフ)」という花の草丈をコントロールする技術が開発されました。花の栽培においては、手をかけず自然なままに栽培すると大ぶりな花が咲きます。しかし一般的な消費者はコンパクトな花を好む傾向にあり、また流通段階ではできるだけコンパクトなものの方が流通コストも低く抑えられ、店頭のスペースも有効利用できるということで、これまで農家では、できるだけコンパクトにするためにと矮化剤という農薬を使って栽培していました。しかし環境問題がクローズアップされたことで、できるだけ農薬に頼らない矮化方法はないかと研究が進められ,DIFが開発されました。
 DIFとは、昼と夜の温度差を利用した伸長抑制技術のことで、差を意味する英語:Differenceの最初の3文字をとった名称がつけられました。昼温から夜温を引いた値をDIFと定義します。通常の自然環境下では、夜より昼の温度が低いというのは考えられないことですが、このDIFを導入することにより、植物を通常ではありえない環境下に曝して成長を抑制し、農薬を使わなくても市場が求めるコンパクトな花の栽培に成功しました。
 これは温度の例ですが,光においてもこれまで植物が経験したことのない条件も可能になったということで、今後様々な可能性が考えられると思います。例えば、一日は通常24時間ですが、これを1日30時間や40時間にもできます。日長は自然条件では10~14.5時間ありますが、24時間常に光が差している環境も実現できます。また、光質も太陽光が放つ光のスペクトルではなく人工的なものも可能ですし、光強度(光合成有効光量子束密度(PPFD):単位μmol m-2 s-1)も、日本国内では最大で2000μmol m-2 s-1ですがこれよりも強い光をあてることも可能となります。太陽光は通常連続光ですがパルス光での照射もできます。太陽光は基本的に上からきますが、この照射の方向も、下からでもどこからでも可能になります。
 このように、従来の農業(施設園芸)の延長上にはない画期的な技術革新であるのが、完全制御型の植物工場です。先にご紹介したような光に関する既成概念から飛び出したブレークスルーの可能性があります。

 

2−1.光の質に関する研究

 光に関する研究の現状についてご紹介しましょう。まず「光質の効果」についてですが、レッドファイアとよばれるリーフレタスに、異なる波長をもった10種類のLED単色光を用いて、クロロゲン酸、チコリ酸、そして総ポリフェノールの3つの成分の蓄積量がどう変化したのかという実験があります。この実験で使用されたLED単色光の波長はそれぞれ 405nm、450nm、470nm、510nm、520nm、530nm、620nm、640nm、660nm、680nmの10通りで、これらの波長下で栽培したレッドファイアに蓄積された3つの成分が、どう変化したのかを調べたものです。結果だけを申し上げますと、450nmと470nmの波長下で栽培した場合に、クロロゲン酸、チコリ酸、そして総ポリフェノールの成分がもっとも多くなりました。光の強さは、PPFD300μmol m-2 s-1の場合に、その効果は最大となることも確認されました。
 次に「緑色光の効果」に関する実験です。リーフレタス類の品質に緑色光がおよぼす影響を調べた実験ですが、先ほどのレッドファイアに加えて同じリーフレタスのフリルアイスという品種にも同じ実験を行なっています。実験の内容は、20、40、80μmol m-2 s-1の3つの強度の緑色光を3日に1回の間隔で夜間に2時間照射し、照射しなかった場合も含めて、レッドファイアとフリルアイスに蓄積される総ポリフェノールの量を調べました。この実験の結果から、レッドファイアへの緑色光照射が光強度80μmol m-2 s-1の場合に、総ポリフェノール量が最大となりました。逆に、フリルアイスでは、20μmol m-2 s-1の場合に、総ポリフェノール量は最大となりました。この実験から、「品種依存性」がわかりました。同じ緑の光をあてて総ポリフェノールの多いリーフレタスを栽培しようとしても、品種が違うレッドファイアとフリルアイスとでは違う光の強さに影響されるということです。なぜ品種によって影響が異なるのかのメカニズムは解明されていませんが、定量的にみると、品種によって変わってくるということがわかってきました。
 次は青色光の効果を調べた実験です。おなじくリーフレタスを対象に行なわれた実験で、新鮮重(新鮮な状態)のリーフレタスと、乾物重(水分を乾燥させた状態)のリーフレタスの2種類に、色々な割合で混ぜた青色光を照射して変化をみたものです。結果は、青い光を増やしながら照射していくと、新鮮重も乾物重も減少することがわかりました。しかし、リーフレタス内のクロロフィル、アントシアニン、アスコルビン酸(ビタミンC)の量は、青い光が増えることにより増加することが判明しています。これらのことから、青色光は、小さくさせる代わりにクロロフィル、アントシアニン、アスコルビン酸(ビタミンC)といった成分を増加させる、トレードオフのような効果があるといえます。
 なぜこういった実験結果の話をするのかといいますと、植物工場の研究は実は日本が最先端にいます。海外からの施設見学者も大勢来ていますが、その見学者の国へ半年後に訪問すると、もう同じような植物工場ができてしまっています。つまり、ハード的な部分は比較的簡単に作ることができるのです。しかし現在日本が行なっている最先端の植物工場に関する研究に関してはその限りではなく、栽培のソフト面についてのノウハウはそう簡単にはマネできません。だからこそ、このノウハウをしっかりとキープしていかなければならないと考えています。
 次は、コマツナを使った「光質がアスコルビン酸含量に与える影響を評価」した実験をご紹介します。この実験では、B(青色)405、B450、B470、G(緑色)510、G520、R(赤色)620、R660、R680の8通りの違ったLED単色光源でコマツナを栽培した場合に、コマツナに含まれるアスコルビン酸含量を調べたものです。アスコルビン酸含量の評価は、A:単位乾物重あたり、 B:単位新鮮重あたり、 C:一株あたりの3つで評価しました。その結果、ABCのどの評価軸においても、アスコルビン酸含量の値は、405nm(青色)で最大となりました。

 

2−2.光の強さに関する研究

 花粉症やピロリ菌による症状を軽減する効果があるグルコラファニンとグルコラフェニンという、体の解毒酵素を強力にサポートする「ファイトケミカル」を多く含む「ラファノブシカ」という植物で実験を行った例を紹介します。これは医療用に利用することを目指しています。昨今の植物栽培現場では、植物を単に食用に栽培するのではなく、医薬品、健康食品、サプリメントなどの原材料として利用するための研究も増えてきています。
 ラファノブシカを使った実験では、100、200、400μmol m-2 s-1の3種類の光の強度をもった白色蛍光灯のもとで栽培しました。結果として、400μmol m-2 s-1の場合にグルコラファニンとグルコラフェニンの量が最大となりました。400μmol m-2 s-1という光の強さは、通常の植物工場での栽培に使われている光強度の倍近く強いものです。そのような強い光のもとで栽培すると、グルコラファニンとグルコラフェニンの量は多くなるという例です。

 

 医療用原材料として開発された遺伝子組み換えしたイネ(CTBイネ:コレラ毒素Bサブユニット遺伝子を導入したイネ)に、コレラ解毒Bサブユニットを作らせる栽培実験をご紹介しましょう。
 医療用原材料の生成には大腸菌を使ったものが多いのですが、一般的に大腸菌は人間の病気の一部に感染する可能性が高いといわれていて、原材料生成の前にその大腸菌が何らかの病気にかかっていないかを調べなければならないそうです。しかし植物の場合は人間の病気に感染しませんので、植物が医薬品生成に役立つのではないかといわれています。 遺伝子組み換えイネにコレラの解毒成分を生成・蓄積させようという実験では、R600という出穂以降の光強度を低下させた環境など特殊な操作によって実現された条件を含む3つの条件のもとで実験を行ないました。その結果、R600の条件下で最も多く目的物質を抽出することができました。恐らく様々な実験パターンを使い最終的にこの結果を導き出したと思われますので、簡単にはマネできないものです。

 

3−1.LED光源の照射方法の改善

 完全制御型植物工場について最も言われていることは、イニシャルコストもそうですがランニングコストの高さです。私の研究室では、なんとかランニングコストを減らせないかと研究を進めてきました。 
 工場内に植物を移植してすぐの時期は、栽培する植物の丈が低いため、植物のあるスペースよりもその周りの空いたスペースが多く、そこへいくら光をあてても植物の成長には全く寄与していません。また,栽培日数と植物の重さ(生体重)の関係を調べたところ、栽培開始から2週間ほどは植物の成長は非常にゆっくりしております。現実の栽培でも、途中2度ほど移植作業をおこない無駄なスペースをなくしていくのですが、やはり移植直後は無駄なスペースが非常に多くなります。そこで私たちは、チップLEDとレンズを用いれば栽培初期に照射範囲と電流・電圧値を小さくすることができるのではと考え、植物を植える栽培パネルと光源までの距離(高さ)を30mmから195mmの間で調節できる装置「近接スポットLED照明装置」をつくり、光の照射方法を改善することで大幅に電力消費を削減することを目指しました。

 

3-2.投入エネルギーの低減

 まずウレタン培地で1週間育苗(蛍光灯使用)したグリーンウェーブを水耕装置に移植し、成長に合わせて高さ・電流・電圧を変化できる近接スポットLED照明装置と、通常のラインLEDの2種類の照明条件下で4週間栽培して、生体重と草姿を記録する実験を行ないました。その結果、移植後2週間ほどはどちらの条件下のグリーンウェーブも生体重に大きな差はありませんでした。しかし4週間目に入ると、ラインLEDの場合は140グラムまで成長しましたが、近接スポットLEDのほうは70グラムほどまでしか大きくならず、成長不良や著しい徒長がみられました。つまり、近接スポット照明を4週間続ける事はできませんが、期間の途中までであれば用いることが可能であるといえます。

 

 次に、4週間の日程で、通常のラインLEDで高さなどの調節がない照射の場合と、最初の2週間はスポットLEDで栽培しその後は従来通りラインLEDの光をあて、かつ最初の2週間を24時間明期(照明を24時間つけっぱなしにしておく)の場合、そして同じく12時間明期の場合とで、1株当たりの栽培にかかる総電力量を比較する実験を行ないました。なお、12時間明期のグリーンウェーブは、事前に設定していた生体重目標の100グラムに届かなかったため、実験期間を1日延長しました。
 実験の結果、通常のラインLEDで高さなどの調節がない場合、9058.6ワット時(28日)/100gのエネルギーが必要でしたが、近接スポット照明の場合、24時間明期では4983.7(28日)、12時間明期でも4756.5(28日)ワット時/100gのエネルギーと、生体重・草姿に影響しない条件で、およそ半分の電力削減が実現できました。また、スポット照明を行なった場合と通常の照明とでは一日当たりの電力消費量が約10分の1になりました。
 均一に光をあてる方法はいわゆる従来の施設栽培の延長です。農業用として十分対応出来るLED照明を活かした栽培方法があるといえるでしょう。

 

4-1.社会情勢と食文化の変遷

 最後に、植物工場の今後の展望についてお話しします。まず社会情勢の変化をみてみましょう。 1980年から2007年まで、昔ながらの世帯(被雇用者の夫と専業主婦の妻からなる世帯)と共働き世帯の割合を調べた厚生労働省発表のデータによると、1980年では圧倒的に昔ながらの世帯が多かったのですが、90年代に入ると共働き世帯がほぼ同じ数になり、2007年には共働き世帯が、昔ながらの世帯の約1.2倍になりました。その結果、帰宅後に料理にかける時間も減少傾向(味の素AMC調査より)となり、コンビニなどの普及で中食(外で買って家で食べる)がどんどん増える傾向にあります。

 

4-2.シルバー世代の食事形態

 ところが「高齢化社会」という別の観点でみた場合、割合としては高齢者が増えてきているのは確かなのですが、共働き世帯のような中食をしているかというとそうでもありません。矢野経済研究所がだした「シルバー世代の食事形態」調査によると、「家族が調理する」形態が最も多く、次いで「自分が調理する」となり、どちらも昼夕食かかわらず高齢者は自宅で作ることが多いようです。

 

4-3.植物工場野菜の出口

 植物工場は、大量に仕入れてくれるCVS(コンビニエンスストア)業者や外食業者へ卸している大手工場と、地元スーパや地元商店街へ卸している小規模工場に分けることができます。高齢化社会になると、大都市圏では公共交通網が発達していますが、田舎では高齢者が買い物にいけないという状況が発生し、将来的にはインターネット通販など、直接買い物へでかけなくても商品が手に入るような仕組みができていくだろうと思います。つまり、植物工場野菜の商流も、これまでとは違うものになっていくのではないかと思います。
 では今後、植物工場はどうすればいいのでしょう。まず、露地栽培野菜との競合ではなく、多様な販売形態を模索する方法があります。
 日本列島が南北に長くのびた地形をしていることを活かした「産地連携」によって、大規模都市圏では、露地栽培野菜は年中手に入る状態となっています。しかしながら、例えば冬のほうれん草は、夏のほうれん草に比べてビタミンCの含量が8倍あるなど、同じ野菜でも季節によって栄養分の含量が変わってくることがあります。植物工場は作り方によって年中同じものが栽培できますので、その強みを活かした生産活動を行なうことができるといえます。機能性野菜として、植物工場の強みを活かし、他の栽培形態との差別化を図ることが可能となります。その場合、消費者向けに高価でも高栄養価の野菜であることの証明が必要となります。イービーング社はその証明の認証作業を行なっており、現在3ヶ所の植物工場が認証を得ています。認証ランクにおいて「ゴールド」をとると、商品パッケージに認証マークをつけることができます。そのマークを消費者の購入判断材料に使って頂けるようにすることも可能です。植物工場では多品目の同時生産が可能ですし、ネット販売用野菜の開発やネット販売のあり方を検討する必要もでてくると考えられます。

 

4-4.健康・医療分野関係

 また、医療用原材料にも可能性はあります。経済産業省は、有用物質生産プロジェクトを始めています。例えば、犬用のインターフェロンの遺伝子を導入したイチゴを植物工場内で栽培し、犬の歯周病治療薬を製造するプロジェクトがあります。実際にこのプロジェクトは進んでいまして、この植物工場は完成しています。遺伝子組み換え体を外に出すわけにはいけませんから、工場建屋内に製薬コーナーを設けて、製造を行ないます。この工場では、年間300kgのイチゴを生産し、100万匹以上の犬に投薬できるインターフェロンの製造が可能です。こういったことは技術的には可能であり、同じように、北里大学の生物製剤研究所と産業技術研究所の北海道センターが共同で、遺伝子組み換えジャガイモを用いて人間用の経口投与型インフルエンザワクチンを開発しました。遺伝子組み換えジャガイモの根塊部分にインフルエンザワクチンを生成させているということです。このような事例はこれからさらに増えていくと思われます。千葉大学では、人間の赤ちゃんにワクチンを注射させる代わりに、食べさせる事でワクチン接種させたと同じ効果をイチゴにもたせる研究も進められています。消費者にとっては、なかなか遺伝子組み換え作物を食べるということに抵抗があるかもしれませんが、技術的にはこういったことが可能なのです。

 

4-5.植物工場システムの海外輸出

 世界最先端の研究成果をもとに構成される日本の植物工場システムを海外へ輸出するということも、今後の展開として考えられるのではないでしょうか。特に、外的環境の影響で露地栽培ができない地域への貢献となり得ます。
 先日、北極圏内のロシアのある街へ視察にいきました。ここは天然ガス資源の採掘の基地となっており、住民のほとんどが天然ガス関連の作業員やその家族で構成されており、教育施設や医療施設なども整備されています。しかしこの街への交通網は乏しく、地面は年中雪に覆われ、凍結する川を車で渡って大きな街まで車で数時間かかるような場所にあり、物流コストは非常に高く、特に食料品に関しては新鮮なものがいつでも手に入るような状況にありません。こうした地域に植物工場を設置することで、農作物を現地で生産し現地で消費するいわゆる「地産地消」の状況をつくりだすことができます。

 

まとめ

 植物工場は、連続的な生産や無農薬での生産が可能で、小型化にも成功しているため立地場所を選ばず、砂漠や寒冷地、宇宙空間などこれまで農耕に適してこなかった地域での生産活動が可能となります。単なる野菜工場だけではなく、家庭用、医療用、遊地や空きビル活用、はては宇宙空間での生活にまで様々な発展の可能性を秘めたものです。これからの植物工場への期待は大きく、今後さらに注目される産業であることは間違いありません。

 

ご清聴ありがとうございました。