JP6219920B2

JP6219920B2 - 還元型グルタチオンの製造法

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Publication number: JP6219920B2
Application number: JP2015503047A
Authority: JP
Inventors: 健太福元; 美由紀福田; 光隆城野
Original assignee: KYOUWA HAKKO BIO CO.,LTD
Current assignee: KYOUWA HAKKO BIO CO.,LTD
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2017-10-25
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: WO2014133129A1; CN105051258A; EP2963156B1; CN105051258B; JPWO2014133129A1; US10094031B2; EP2963156A1; US20160002797A1; EP2963156A4

Description

本発明は、酸化型グルタチオンを電解還元することにより還元型グルタチオンを製造する方法に関する。

酸化型グルタチオンを電解還元して還元型グルタチオンを製造する方法としては、濃塩酸などの鉱酸を加えることにより酸性にした酸化型グルタチオン水溶液を陰極側の電解槽に用いる方法（特許文献１）、酸以外の導電剤を添加することにより電導性を向上させた酸化型グルタチオン水溶液を陰極側の電解槽に用いる方法（特許文献２）、及び塩基を添加することによりｐＨが３．０より大きく７．０以下に調整された酸化型グルタチオン水溶液を陰極側の電解槽に用いる方法（特許文献３）が知られている。

しかしながら、特許文献１及び２の方法は酸性領域で電解還元するため、陰極に金属を用いた場合には、陰極の金属が腐食することは避けられなかった。
また、特許文献３には、中性領域で電解還元することができるので、陰極の金属の腐食を抑制することができる旨が記載されているが、陰極の金属の腐食を完全に防ぐには至っていない。

特開昭５２−１３１５２８号公報国際公開第２０１０/１４０６２５号パンフレット国際公開第２０１２/１３７８２４号パンフレット

酸化型グルタチオンを電解還元して還元型グルタチオンを製造する方法においては、陰極の金属の腐食を防ぎつつ、効率的に電解還元する方法が求められている。

本発明は、以下の（１）〜（７）に関する。
（１）隔膜で隔てられた陰極槽及び陽極槽を用いる酸化型グルタチオンの電解還元による還元型グルタチオンの製造方法において、陰極として、陰極表面が金属である陰極を用いること、及び陰極槽内の溶液として、塩基を添加することによりｐＨが３．０より大きく５．０以下に調整された酸化型グルタチオン水溶液に、該陰極表面の金属と同一の金属、その金属塩、又はその金属酸化物が添加された溶液を用いることを特徴とする還元型グルタチオンの製造法。
（２）陰極表面の金属が、水素過電圧が高い金属である上記（１）記載の製造法。
（３）塩基が、ナトリウムもしくはカリウムの水酸化物、炭酸塩、又は炭酸水素塩であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の製造方法。
（４）酸化型グルタチオン水溶液の濃度が、２０ｇ/Ｌ以上である上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の製造法。
（５）陰極表面の金属と同一の金属、その金属塩、又はその金属酸化物の添加後の濃度が、０．５〜５０ｍｍｏｌ／Ｌである上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の製造法。
（６）電解還元が、電流密度０．１〜３０Ａ/ｄｍ²で行われることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の製造法。
（７）上記（１）〜（６）のいずれか１つに記載の製造方法で製造された還元型グルタチオン溶液を１）ｐＨ調整することにより、又は２）イオン交換カラムに通塔してカチオンを除去した後、結晶化させることを特徴とする還元型グルタチオン結晶の製造法。

本発明によれば、陰極の金属の腐食を防ぎつつ、効率的に酸化型グルタチオンを電解還元して還元型グルタチオンを製造することができる。

図１は、亜鉛メッキしたステンレス鋼電極又は亜鉛電極を陰極として用いた酸化型グルタチオンの電解還元時の酸化型グルタチオン濃度と電解時間の関係を示す図である。縦軸は陰極液の酸化型グルタチオン濃度（ｇ／Ｌ）、横軸は電解還元時間を表す。図２は亜鉛メッキしたステンレス鋼電極又は亜鉛電極を陰極として用いた酸化型グルタチオンの電解還元時の陰極溶液中の亜鉛濃度を示す図である。縦軸は陰極溶液中の亜鉛濃度（ｍｇ／Ｌ）、横軸は電解還元時間（ｈ）を表す。

本発明の方法は、隔膜で隔てられた陰極槽及び陽極槽を用いる酸化型グルタチオンの電解還元による還元型グルタチオンの製造方法において、陰極として、陰極表面が金属である陰極を用いること、及び陰極槽内の溶液として、塩基を添加することによりｐＨが３．０より大きく５．０以下に調整された酸化型グルタチオン水溶液に、該陰極表面の金属と同一の金属、その金属塩、又はその金属酸化物が添加された溶液を用いることを特徴とする還元型グルタチオンの製造法である。

上記の陰極としては、陰極表面が金属であり、かつ、酸化型グルタチオンを電解還元することができる電極であれば特に制限はないが、好ましくは、水素過電圧が高い金属を挙げることができる。そのような金属としては、例えば、亜鉛、鉛、銅、ニッケル、及び銀を、好ましくは、亜鉛、銀、及び鉛を、より好ましくは、亜鉛及び鉛を、最も好ましくは、亜鉛を挙げることができる。

また、上記の陰極としては、電極母材の表面に酸化型グルタチオンの電解還元に適した金属のメッキ層を形成させた陰極であってもよい。
電極母材としては、後述する金属のメッキ層を形成させることにより、酸化型グルタチオンを電解還元することができる電極母材であれば制限はないが、例えば、鉄、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、及びこれらを用いた合金、並びにこれらの金属又は合金の酸化物を、好ましくは、鉄及びステンレス鋼を、より好ましくは、ステンレス鋼を挙げることができる。
また、電極母材としては、導電性と耐食性に優れた材料であれば上記の金属以外にも、黒鉛やグラファイト、繊維状カーボンなどの炭素材料や導電性高分子であってもよい。

メッキ層に用いられる金属としては、酸化型グルタチオンを電解還元することができる金属であれば特に制限はないが、好ましくは、水素過電圧が高い金属を挙げることができる。そのような金属としては、例えば、亜鉛、鉛、銅、ニッケル、及び銀を、好ましくは、亜鉛、銀、及び鉛を、より好ましくは、亜鉛及び鉛を、最も好ましくは、亜鉛を挙げることができる。
上記の陰極槽内の溶液には、塩基を添加することによりｐＨが、好ましくは、３．０より大きく５．０以下に、より好ましくは、ｐＨ３．０より大きく４．７５以下に調整された酸化型グルタチオン水溶液を用いる。

塩基としては酸化型グルタチオン水溶液を中和することができる塩基をあげることができ、好ましくはナトリウム、カリウム等のアルカリ金属イオン、カルシウム等のアルカリ土類金属イオン、アンモニウムイオン、イミダゾリウムイオン、ホスホニウムイオンを含む塩基を上げることができ、より好ましくはアルカリ金属イオン、特に好ましくはナトリウム又はカリウムの陽イオンを含む塩基をあげることができる。前記の陽イオンを含有する塩基であれば、塩基の形態は、水酸化物、炭酸塩、及び炭酸水素塩などいずれの形態であっても良く、またｐＨの調整方法も限定されず、公知の方法により行うことができる。
酸化型グルタチオン水溶液の濃度は、特に制限はないが、２０ｇ/Ｌ以上、好ましくは１００ｇ/Ｌ以上、より好ましくは２００ｇ/Ｌ以上、さらに好ましくは３００ｇ/Ｌ以上、最も好ましくは４００ｇ/Ｌ以上の濃度を挙げることができる。陰極槽の酸化型グルタチオンの濃度が高濃度であるほど、導電性が向上して電極表面への酸化型グルタチオンの供給が円滑に行われることから、電解還元の効率は高まる。
酸化型グルタチオンの等電点での常温（２５℃）の水に対する飽和溶解度は２０ｇ／Ｌ以下であるが、該等電点より高いｐＨでは、溶解度が高くなることが知られており(特許文献３)、酸化型グルタチオンの水溶液のｐＨが３．０より大きく５．０以下の場合には、該等電点より高いｐＨであるので、２０ｇ／Ｌ以上の酸化型グルタチオンの水溶液を調製することができる。
また、上記の陰極槽内の溶液には、上記の陰極表面の金属と同一の金属、その金属塩、又はその金属酸化物を添加する。そうすることで、前述の条件により酸化型グルタチオンを電解還元したとき、電解還元と同時に陰極表面の金属の電析が起こるので、電極の腐食を防ぐことができる。すなわち、陰極の電極を交換することなく、又はその交換頻度を減らすことにより、工業的に連続して酸化型グルタチオンの電解還元を実施することができる。
陰極表面の金属と同一の金属塩としては、例えば、塩酸塩、硫酸塩、スルホン酸塩、硝酸塩、臭酸塩、カルボン酸塩、及び水酸化物などを、好ましくは塩酸塩、硫酸塩などを挙げることができる。
陰極表面の金属と同一の金属、その金属塩、又はその金属酸化物を添加する濃度は、前述の電解還元の条件により電析が起こる限りにおいて制限はないが、例えば、添加後の濃度が、０．５〜５０ｍｍｏｌ／Ｌ、好ましくは、１〜３０ｍｍｏｌ／Ｌ、最も好ましくは、１〜１０ｍｍｏｌ／Ｌを挙げることができる。該添加物が、陰極槽の溶液に直ちに溶解しない場合は、該添加物が電解還元の進行に伴ってすべて溶解したものと仮定して、上記の濃度となるように該添加物を添加する。
陰極表面の金属と同一の金属、その金属塩、又はその金属酸化物を添加する方法は、例えば、電解還元開始前に添加する方法、電解還元中に徐々に添加する方法などが挙げられる。該添加物が、陰極槽の溶液に直ちに溶解しない場合は、例えば、粉末状にして添加してもよい。
上記の陽極には、不溶性の金属であればいずれの金属でも用いることができるが、耐腐食性に優れた金属が好ましく、例えば白金メッキしたチタン、白金−イリジウム、鉛、鉛合金、二酸化鉛、金、及びチタン酸化物をあげることができ、好ましくは白金メッキしたチタンをあげることができる。

上記の陽極槽の溶液は、導電性がある水溶液であれば特に制限はなく、塩酸、硫酸などの無機酸溶液、酢酸、プロピオン酸などの有機酸溶液、酸以外の導電剤を溶解した溶液などをあげることができる。無機酸、有機酸の濃度は、低濃度だと導電性が悪く、高濃度だとイオン交換膜が劣化し易くなるので、０．５〜３ｍｏｌ/Ｌ、好ましくは１〜２ｍｏｌ/Ｌの濃度で用いられる。

上記の隔膜としては、陰極槽内で生成する還元型グルタチオンの陽極槽への漏出を低減できる膜であればいずれの膜でもよく、好ましくはイオン交換膜、より好ましくはカチオン交換膜をあげることができ、具体的にはセレミオンCMT（旭硝子社製）、ナフィオン(デュポン社製)をあげることができる。
本発明の方法では、電流密度、電圧、温度などは特に限定されないが、生成した還元型グルタチオンの分解を抑制しつつ、還元効率を向上させるための条件としては、電流密度は好ましくは０．１〜３０Ａ/ｄｍ²、より好ましくは１〜２０Ａ/ｄｍ²、さらに好ましくは５〜１５Ａ/ｄｍ²、電圧は好ましくは１〜２０Ｖ、より好ましくは２〜１５Ｖ、さらに好ましくは３〜１０Ｖ、温度は好ましくは４〜５０℃、より好ましくは１０〜３０℃、さらに好ましくは１０〜２５℃を挙げることができる。

電解還元終了後、生成した還元型グルタチオンを含有する陰極槽内の溶液は、還元型グルタチオンの等電点（ｐＨ３．０）付近まで硫酸又は塩酸などの各種鉱酸でｐＨを調整することで、そのまま結晶化に用いることができる。また、還元型グルタチオンを含有する陰極槽内の溶液は、イオン交換カラムに通塔することにより脱塩し、脱塩された還元型グルタチオン水溶液はそのまま結晶化に用いてもよい。イオン交換樹脂としては、SK-116、SK-104に代表される強酸性陽イオン交換樹脂（いずれもダイヤイオン、三菱化学社製）、及びWA-30、WA-21に代表される弱塩基性イオン交換樹脂（いずれもダイヤイオン、三菱化学社製）を挙げることができる。ｐＨ調整又は脱塩した還元型グルタチオンは濃縮後、適宜溶媒又は種晶を添加して冷却することにより結晶化させることができる。
参考例
本願実施例及び比較例において、酸化型グルタチオン及び還元型グルタチオンの濃度は、下記のHPLC条件で定量した。
HPLC条件
カラム：Inertsil ODS-3 φ3×100mm
カラム温度：35℃
緩衝液：0.2%の1-ヘプタンスルホン酸ナトリウム、6.8%のリン酸二水素カリウムを含む、3%メタノール溶液（リン酸でpH3.0に調整）
流速：0.5mL/min
検出器：UV検出器（波長210nm）

以下に、本願発明の実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

亜鉛メッキしたステンレス鋼電極を用いた酸化型グルタチオンの電解還元
酸化型グルタチオン水溶液に該溶液のpHが4.0になるよう水酸化ナトリウムを加えて調整し、粉末亜鉛を160mg/Lとなるように添加することで、200g/Lの酸化型グルタチオン水溶液を調製した。電解槽は、陽極槽15L、陰極槽15Lのものを用い、両極槽を有効膜面積1.8dm²のカチオン交換膜セレミオンCMT（旭硝子社製）で隔てた。陽極には酸化イリジウム被覆チタン、陰極には亜鉛メッキしたステンレス鋼(SUS316)を用いた。電極とカチオン交換膜の距離は1.9mmとし、循環流量240L/hとした。陽極槽には0.50mol/Lの硫酸溶液10L、陰極槽には上記で作製した200g/Lの酸化型グルタチオン水溶液10Lを入れた。

電解電圧5〜7V、電流密度10A/dm²、室温下で電解還元反応を行った。参考例に記載した条件のHPLCで陰極槽内の生成物を定量し、21.5時間で１.99kgの還元型グルタチオンが生成し、比較例1と同等以上の還元速度であることを確認した（転換率99.5%）。
電解終了後の陰極液中の亜鉛イオン量をゼーマン原子吸光光度計(日立ハイテクノロジーズ社製Ｚ-２３１０)により確認し、電解還元終了時の亜鉛濃度が8mg/Lであることを確認し、電解還元に伴い亜鉛の電析が起こっていることを確認した。
比較例１
亜鉛電極を用いた酸化型グルタチオンの電解還元
酸化型グルタチオン水溶液に該溶液のpHが6.5になるよう水酸化ナトリウムを加えて調整し、200g/Lの酸化型グルタチオン水溶液を調製した。電解槽は、陽極槽15L、陰極槽15Lのものを用い、両極槽を有効膜面積1.8dm²のカチオン交換膜セレミオンCMT（旭硝子社製）で隔てた。陽極には酸化イリジウム被覆チタン、陰極には亜鉛電極を用いた。電極とカチオン交換膜の距離は1.9mmとし、循環流量240L/hとした。陽極槽には0.50mol/Lの硫酸溶液10L、陰極槽には上記で作製した200g/Lの酸化型グルタチオン水溶液10Lを入れた。

電解電圧5〜7V、電流密度10A/dm²、室温下で電解還元反応を行った。参考例と同条件のHPLCで陰極槽内の生成物を定量し、23時間で1.88kgの還元型グルタチオンが生成していることを確認した（転換率94.2%）。電解終了後の陰極液中の亜鉛イオン量をゼーマン原子吸光光度計(日立ハイテクノロジーズ社製Ｚ-２３１０)により確認し、電解還元終了時の亜鉛濃度が67mg/Lであることを確認し、電解還元中に陰極からの亜鉛の溶出が起こっていることを確認した。

本発明の方法により、酸化型グルタチオンの電解還元において、陰極の金属の腐食を防ぎつつ、効率的に酸化型グルタチオンを電解還元して還元型グルタチオンを製造することが可能となった。

図１において、●は亜鉛メッキしたステンレス鋼電極を用いた陰極液ｐＨ４．０における酸化型グルタチオンの電解還元（実施例）、▲は亜鉛電極を用いた陰極液ｐＨ６．５における酸化型グルタチオンの電解還元（比較例）の酸化型グルタチオン濃度変化を表す。
図２において、●は亜鉛メッキしたステンレス鋼電極を用いた陰極液ｐＨ４．０における酸化型グルタチオンの電解還元（実施例）、▲は亜鉛電極を用いた陰極液ｐＨ６．５における酸化型グルタチオンの電解還元（比較例）の陰極溶液中の亜鉛濃度を表す。

Claims

隔膜で隔てられた陰極槽及び陽極槽を用いる酸化型グルタチオンの電解還元による還元型グルタチオンの製造方法において、陰極として、陰極表面が亜鉛、鉛、銅、ニッケル、及び銀からなる群より選ばれる金属である陰極を用いること、及び陰極槽内の溶液として、塩基を添加することによりｐＨが３．０より大きく５．０以下に調整された酸化型グルタチオン水溶液に、該陰極表面の金属と同一の金属、その金属塩、又はその金属酸化物が添加された溶液を用いることを特徴とする還元型グルタチオンの製造方法。
塩基が、ナトリウムもしくはカリウムの水酸化物、炭酸塩、又は炭酸水素塩であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
酸化型グルタチオン水溶液の濃度が、２０ｇ/Ｌ以上である請求項１又は２に記載の製造方法。
陰極表面の金属と同一の金属、その金属塩、又はその金属酸化物の添加後の濃度が、０．５〜５０ｍｍｏｌ／Ｌである請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造法。
電解還元が、電流密度０．１〜３０Ａ/ｄｍ²で行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法で還元型グルタチオンを製造し、該還元型グルタチオンを含む還元型グルタチオン溶液を１）ｐＨ調整することにより、又は２）イオン交換カラムに通塔してカチオンを除去した後、結晶化させることを特徴とする還元型グルタチオン結晶の製造方法。