JP6745510B2 - キチンオリゴマー、n−アセチルグルコサミン及び1−o−アルキル−n−アセチルグルコサミンの製造方法 - Google Patents
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例えば、加水分解生成物であるNAGが2〜7個程度重合したキチンオリゴマーは、NAG取得のための前駆体として有用な成分であることに加え、抗腫瘍、免疫賦活、抗菌の作用(Trend Food Sci. Technol., 1999, 10, 37-51;非特許文献1)や、ビフィズス菌増殖による腸内環境調整作用、植物生体防御機構活性化作用であるエリシター活性が報告されており、医薬用素材、機能性食品、農業資材としても注目されている。
このように現在開発されている酸を用いる製造方法は、いずれも危険な強酸を大量に用いるため、環境負荷とコストがかかるという問題がある。
[1] キチン含有バイオマスを、硫酸、硝酸、塩酸及び過塩素酸から選択される酸触媒及び水の共存下で粉砕装置を用い粉砕しつつ部分加水分解することを特徴とするキチンオリゴマーの製造方法。
[2] 前記酸触媒が硫酸である前項1に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
[3] 前記酸触媒のモル数(C)に対するキチン中のN−アセチルグルコサミン単位(C8H13NО5)のモル数(S)の比(S/C)が0.2〜20である前項1または2に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
[4] 予め酸触媒を含浸させたキチン含有バイオマスを水の存在下で粉砕する前項1〜3のいずれかに記載のキチンオリゴマーの製造方法。
[5] 酸触媒を溶解した溶媒とキチン含有バイオマスを混合し、その後溶媒を除去して酸触媒をキチン含有バイオマスに含浸させ、得られた酸触媒を含浸させたキチン含有バイオマスを水の存在下で粉砕する前項4に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
[6] 前記溶媒が、キチン含有バイオマスを変性させず、酸触媒活性を阻害せず、加熱あるいは蒸留で除去できるものである前項5に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
[7] 前記溶媒が、水、ジエチルエーテル、ヘキサン、及びベンゼンから選択される前項6に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
[8] 粉砕装置がボールミルである前項1〜7のいずれかに記載のキチンオリゴマーの製造方法。
[9] ボールミルが、遊星ボールミル、転動ボールミルのいずれかである前項8に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
[10] 前項1〜9のいずれかに記載の方法により得られたキチンオリゴマーに水を加えて加熱し加水分解することを特徴とするN−アセチルグルコサミンの製造方法。
[11] 加熱温度が100〜260℃である前項10に記載のN−アセチルグルコサミンの製造方法。
[12] 前項1〜9のいずれかに記載の方法により得られたキチンオリゴマーにアルコールを加えて加アルコール分解することを特徴とする1−O−アルキル−N−アセチルグルコサミンの製造方法。
[13] アルコールが1価アルコールである前項12に記載の1−O−アルキル−N−アセチルグルコサミンの製造方法。
[14] 前記アルコールがメタノールであり、前記1−O−アルキル−N−アセチルグルコサミンが1−O−メチル−N−アセチルグルコサミンである前項12または13に記載の製造方法。
[15] 加熱温度が120〜280℃である前項12〜14のいずれかに記載の1−O−アルキル−N−アセチルグルコサミンの製造方法。
バイオマスとは一般的には「再生可能な生物由来の有機性資源で化石資源を除いたもの」を指すが、本発明で使用する「キチン含有バイオマス」(以下、固体基質ということがある。)は、例えば、エビ、カニなどの甲殻類、節足動物、昆虫類、イカ、貝、沖アミなどの殻や表皮、キノコなどの菌類の細胞壁などの主にキチンを含むバイオマスである。
キチン含有バイオマスは、不純物として原料由来のタンパク質、リン酸、鉄、銅、亜鉛、モリブデン、珪素、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、カリウム、ナトリウムなどを含有してもかまわない。
本発明において用いる酸触媒は、キチンを加水分解できる触媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、主成分であるキチンの主鎖を形成しているβ−1,4−グリコシド結合を加水分解する活性を有する触媒が好ましい。
固体基質の部分加水分解は、基質に酸触媒を含浸させた後、粉砕による機械応力を掛けることにより行う。なお部分加水分解とは、キチンの解重合生成物の大部分が水溶性のオリゴマー単位に留まり、モノマー単位まで達する解重合が少ない加水分解反応のことを言う。
酸触媒を含浸した固体基質を粉砕することにより、部分加水分解を実現することができる。ここでの粉砕の効果としては、固体基質が微粉化されることによる、含浸した酸触媒のより均一な拡散、比表面積増大に伴う物理応力の伝達効率の向上、キチンのアモルファス化による固体基質の加水分解性の向上が考えられる。
本発明の目的である、主鎖のグリコシド結合の選択的な加水分解の実現の観点からは、用いる粉砕装置は、固体基質に圧縮力が強く加わり、主鎖の両方向に引っ張り応力が加えられるボールミルが好ましく、遊星ボールミル、転動ボールミルがより好ましく、遊星ボールミルが最も好ましい。
粉砕処理の時間は、固体基質の部分加水分解が進み、水溶性になるのであれば、特に限定されるものではない。処理終点を見極めるために、経時的に取得したサンプルの水溶性を確認することが好ましい。
方法2の加水分解反応、及び方法3の加アルコール分解反応では、いずれも方法1の部分加水分解で得られた反応生成物を原料として用いることができる。実際には、原料を溶媒(水またはアルコール)に溶解した後、加熱して反応を行う。方法2では溶媒に水を使用し、キチンオリゴマーからNAGが製造される。方法3では溶媒にアルコールを使用し、キチンオリゴマーからNAG誘導体である1−O−アルキル−N−アセチルグルコサミンが製造される。
方法3で使用する溶媒には、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール、2−メチル−2−プロパノールなどの1価アルコールが好ましい。原料を溶解させて反応の効率や均一性を得るという観点から、溶媒は、メタノール、エタノールがより好ましく、メタノールが最も好ましい。
カニ殻を乾燥、粉砕し、高温の希水酸化ナトリウム水溶液と室温の希塩酸水溶液にそれぞれ数時間浸漬することにより、タンパク質、炭酸カルシウムを除去して精製したキチンを用いた。
比較例1:未処理キチン
精製したキチン(平均粒径73μm)をそのまま用いた。このサンプルを未処理キチンとする。
未処理キチン(平均粒径73μm)5.0g(NAG単位として24.6mmol)を硫酸0.3g(3.04mmol、S/C比8.1)を含むジエチルエーテル15mLに分散させた後、ジエチルエーテルを乾燥して取得した粉末を6時間静置した。このサンプルを硫酸含浸キチンとする。
未処理キチン(平均粒径73μm)5.0gを直径5mmのアルミナボール100gと共に容量250mLのアルミナポットに入れた。このポットを遊星ボールミル(フリッチュ社製、PULVERISETTE(登録商標)6)にセットして500rpmで10分間処理した後に10分間のインターバルを置くサイクルを12時間行った。このサンプルをキチン粉砕物(平均粒径42μm)とする。
比較例3に記載のキチン粉砕物(平均粒径42μm)5.0g(NAG単位として24.6mmol)を硫酸0.3g(3.04mmol、S/C比8.1)を含むジエチルエーテル15mLに分散させた後、ジエチルエーテルを乾燥して取得した粉末を6時間静置した。このサンプルを「キチン粉砕物+硫酸」とする。
未処理キチン(平均粒径73μm)5.0g(NAG単位として24.6mmol)を硫酸0.3g(3.04mmol、S/C比8.1)を含むジエチルエーテル15mLに分散させた後、ジエチルエーテルを乾燥して取得した4.9gの粉末を、直径5mmのアルミナボール100gと共に容量250mLのアルミナポットに入れた。このポットを遊星ボールミル(フリッチュ社製、PULVERISETTE6)にセットして500rpmで10分間処理した後に10分間のインターバルを置くサイクルを12時間行った。従って、インターバルを除いた粉砕処理の時間は6時間である。その結果、1.5質量%の物理吸着水を含有する粉末を得た。この手順により得た粉末サンプルを硫酸含浸キチン粉砕物とする。
実施例1及び比較例1〜4の各サンプル100mgを秤量して、蒸留水50mLに添加し振とうした後、10分間の超音波処理を行い、可溶分を溶解させた。一連の処理は温度25℃で行い、得られた懸濁液は、0.1μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のフィルターでろ過して、固体残渣はさらに5mLの蒸留水でろ過洗浄し、110℃のオーブンに入れて一晩乾燥した後、質量を測定し、以下の計算式で溶解度(可溶化率)を算出した。
これらの結果から、酸触媒の添加、粉砕による機械的応力付与のそれぞれの処理によるキチンを加水分解し可溶化する効果は限定的であるが、2つの処理を同時に実施することにより格段の相乗効果が得られ、キチン可溶化を大幅に促進することが確認された。
可溶化率100%であった硫酸含浸キチン粉砕物サンプル(実施例1)の水懸濁液ろ液を、高速液体クロマトグラフ(装置:島津製作所製LC−10ATVP、カラム:Phenomenex(登録商標) Synergi 4μm Hydro−RP 80Å φ4.6×250mm、移動相:40mMリン酸カリウム緩衝液、pH2.9、0.8mL/分、30℃、検出:示差屈折率)により酢酸を定量分析した。その結果、酢酸は検出されなかった。
これにより、酸触媒共存下のボールミル粉砕によるキチンの部分加水分解では、キチンを構成するNAGユニットのC2位にあるアセトアミド基(−NHCOCH3)のアミド結合は保持され、NAGユニット同士を繋ぐグリコシド結合が選択的に切断されることが示唆された。これは、少量の酸触媒が共存し加水分解しやすい系において、ボールミル粉砕による機械的応力がキチンを押しつぶして重合の両方向に引き伸ばす作用、すなわち主鎖を形成するグリコシド結合を引っ張る作用を及ぼすことにより、従来の酸添加のみで行う加水分解では得られなかったグリコシド結合の選択的な加水分解を加速させる相乗効果が得られるものと推測される(図1参照)。
実施例1の水懸濁液ろ液を、HPLC(高速液体クロマトグラフ)(装置:島津製作所製LC−10ATVP、カラム:Phenomenex Rezex RPM−Monosaccharide Pb++ φ7.8×300mm、移動相:水、0.6mL/分、70℃、検出:示差屈折率)で分析し、NAG及びオリゴ糖(重合度2〜8)の収率を以下の計算式により算出した。
実施例2〜5及び比較例5〜8:
表2に記載したS/C比の各サンプルをキチンとして406mg分(NAG単位として2mmol)と、水またはメタノール40mLを、高圧反応器(内容積100mL,オーエムラボテック(株)製オートクレーブ,材質:ハステロイ(登録商標)C22製)に入れた後、600rpmで撹拌しながら室温から表2に記載した反応温度まで約16分加熱した。反応温度に到達した時点で加熱を止め、反応器を風冷し、冷却後、反応液を遠心分離装置により液体と固体に分離して上清サンプルの分析を行った。反応温度190℃の場合の温度プロファイルは図2に示す通りである。
Claims (14)
- 予め硫酸、硝酸、塩酸及び過塩素酸から選択される酸触媒を含侵させたキチン含有バイオマスを、水の共存下で粉砕装置を用い粉砕しつつ部分加水分解することを特徴とするキチンオリゴマーの製造方法。
- 前記酸触媒が硫酸である請求項1に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
- 前記酸触媒のモル数(C)に対するキチン中のN−アセチルグルコサミン単位(C8H13NО5)のモル数(S)の比(S/C)が0.2〜20である請求項1または2に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
- 酸触媒を溶解した溶媒とキチン含有バイオマスを混合し、その後溶媒を除去して酸触媒をキチン含有バイオマスに含浸させ、得られた酸触媒を含浸させたキチン含有バイオマスを水の存在下で粉砕する請求項1〜3のいずれか一項に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
- 前記溶媒が、キチン含有バイオマスを変性させず、酸触媒活性を阻害せず、加熱あるいは蒸留で除去できるものである請求項4に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
- 前記溶媒が、水、ジエチルエーテル、ヘキサン、及びベンゼンから選択される請求項5に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
- 粉砕装置がボールミルである請求項1〜6のいずれか一項に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
- ボールミルが、遊星ボールミル、転動ボールミルのいずれかである請求項7に記載のキチンオリゴマーの製造方法。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法により得られたキチンオリゴマーに水を加えて加熱し加水分解することを特徴とするN−アセチルグルコサミンの製造方法。
- 加熱温度が100〜260℃である請求項9に記載のN−アセチルグルコサミンの製造方法。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法により得られたキチンオリゴマーにアルコールを加えて加アルコール分解することを特徴とする1−O−アルキル−N−アセチルグルコサミンの製造方法。
- アルコールが1価アルコールである請求項11に記載の1−O−アルキル−N−アセチルグルコサミンの製造方法。
- 前記アルコールがメタノールであり、前記1−O−アルキル−N−アセチルグルコサミンが1−O−メチル−N−アセチルグルコサミンである請求項11または12に記載の製造方法。
- 加熱温度が120〜280℃である請求項11〜13のいずれか一項に記載の1−O−アルキル−N−アセチルグルコサミンの製造方法。
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