JPH01157386A - マイクロカプセル化酵素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はマイクロカプセル化酵素に関する。

さらに詳しくは１本発明は膜材料がガラス転移点の異な
る高分子のブレンド物からなり、その内部に酵素が固定
化された機械的強度の優れたマイクロカプセル化酵素に
関する。

［従来技術］ 酵素を遊＾を状態のまま、水に溶解した形で基質と反応
させた場合、反応終了後に酵素を変性、失活させずに回
収し再利用することは非常に困難であり、酵素を繰返し
て使用する連続反応は難しい。

このような欠点を解消するために、触媒作用を保持さぜ
なまま酵素を固定化する方法が数多く開発され、実際に
工業的な応用や分析の用途に使用されはじめている。

しかしながら、酵素の固定化を行う場合に活性の低下や
、固定化収率が悪いといった欠点に加えて、長期間の使
用における安定性に問題がある場合が多い、また、固定
化用に用いている担体の機械的強度の問題も重要である
。

一般に従来の固定化酵素は破損され易いために、実際の
使用に際してはそのようなことを避ける目的で反応器の
形状を工夫する必要があった。

また、複雑な運転制御方式をとらねばならない、という
ような欠点も持っており、それらのことが工業的な利用
を遅らせている主たる原因であると言える。

現在、酵素の固定化法としては、担体結合法、架橋法、
及び包括法の３つに大別できる。

共有結合による担体結合法及び架橋法による酵素の固定
化においては、−船釣に言って、反応条件の設定が困難
であるということに加えて、激しい処理環境にさらされ
るなめに、酵素の高次構造の変化にｆｔ’う酵素の失活
、変性を避けることは非常に難しい。

包括法は酵素をゲルの微細な格子の中に閉じこめる格子
型とマイクロカプセル型に分けられる。

この方法は、直接には酵素タンパク質と担体との結合は
緩く、もとの酵素の高次構造を保ったまま固定化されて
いると考えられ、原理的にはすべての種類の酵素につい
て固定化が可能である。

格子型はポリアクリルアミド、ポリウレタン、光硬化性
樹脂、に−カラギーナンなどの格子に包みこむ方法がよ
く用いられ、応用例も多くみられる方法であるがゲルに
閉じこめるときに重合反応を利用することが多く、その
場合、酵素が失活するような条件は避けなければならな
い。

マイクロカプセル型固定化法は、直径数μｍ〜数百μｍ
の小さなカプセルの中に酵素を遊離の状態で閉じこめる
もので、先に述べた各種の方法とは異なり、同時に２種
以上の酵素を共存させることができ、複数の酵素が関与
する複合酵素系での反応を連続的に行うことも可能であ
る。

マイクロカプセルの製法には界面重合法、相分離法、液
中乾燥法等がある。

界面重合法は親水性のモノマーと疎水性のモノマーの水
−有機溶剤の界面での重合を利用するもので、均一で非
常に薄い膜厚が得られるが、使用するモノマーの組合わ
せに非常に制限かあり、また酵素によっては使われたモ
ノマーと反応して失活する場合がある。

また、相分離法は比較的温和な条件でマイクロカプセル
化を行うことが可能であるが濃厚溶液として析出させる
条件が非常に限定されており、また生成した濃厚溶液相
からカプセル膜への変化過程における膜硬化が難しく、
最終的に均一の機械的強度に富む膜をもつカプセルを作
ることは雑しい、液中乾燥法は皮膜となる高分子を低沸
点溶媒に溶解しＷ１０／Ｗ型の複相エマルションを作成
し適当な条件下で脱溶媒を行い皮膜を硬化させる方法で
ある。

この方法は反応を伴わないので酵素の変性、失活はなく
、また膜材としても各種の高分子を用いることができる
点で非常に優れた方法である。

しかし、従来の方法では二次分散時におけるＷ１０／Ｗ
エマルション化がうまく行われないためにカプセル化収
率が低くなることが多く、さらに脱溶媒時に形成された
小孔のために内容物が漏出してしまうこともしばしばみ
られた。

さらに、−船釣特徴としてマイクロカプセル方式による
酵素の固定化は、膜の透過抵抗のために膜厚を薄くしな
ければならないので、固定層型反応器や流動層型反応器
として連続酵素反応に用いる場合、従来のマイクロカプ
セルでは変形、破損が大きいために安定した使用は困難
であった。

し発明の目的］ 液中乾燥法を用いてマイクロカプセル化を行う場合に、
９０％以上にカプセル化収率炙−高め、更に従来のマイ
クロカプセルが必然的に、膜が脆弱であるという欠点を
有していたのに対し、本発明では二種以上の高分子のブ
レンド物を膜材料として用いることにより、機械的強度
に優れたマイクロカプセル化酵素を提供する。

すなわち、得られたマイクロカプセル化酵素を直接、カ
ラムなどに充填して固定層型リアクターとして用いたり
、または流動層型リアクターとして有用物質を連続的に
生産することが可能で、その際、酵素が内蔵されたマイ
クロカプセルの変形、破損などがなく、そのために取扱
いが非常に容易となり、さらに安定な状態を保ったまま
で長期間にわたる使用が可能になった。

［発明の構成］ すなわち９本発明は 「膜材料が室温で大きな弾性変形を示す、即ちカラス転
移点が低い疎水性高分子と、それらと相溶性があり室温
よりもガラス転移点の高い疎水性高分子との混合物から
なり、内部に酵素を包含することを特徴とするマイクロ
カプセル化酵素」である。

本発明のマイクロカプセル化酵素を製造する際。

液中乾燥法を用いるために、マイクロカプセル化の条件
は厳しくなく、特別に不安定なものを除いてはほとんど
の酵素に対して適用できる。

適用可能な酵素の具体的な例としてアスパラキナーゼ、
アルギナーゼ、ウレアーゼ、ラクターゼ、カタラーゼ、
チマーゼ、リパーゼ、アルコールデヒドロケナーゼ、ピ
ルビン酸キナーゼ、ヘキソキナーゼ、リンゴ酸デヒドロ
ゲナーゼ、フマラーゼ、グルコアミラーセ、グルコオキ
シターゼ、アミノアシラーゼ、パパイン、アスパルター
ゼ、トリプシン、グルコースイソメラーゼ、コリンエス
テラーゼ、α−キモトリプシン、インベルターゼ、ホス
ホフルクトキナーゼ、アルドラーゼなどがあり。

これらの二種類以上のものの組合わせでも良い。

したがって、複合酵素系を利用して有用物質を合成する
というような目的のためには特に優れている。

また、複合酵素系の場合には酸化還元酵素などの補酵素
系が不可欠になる場合が多くみられるか、それらを同時
に含む系においても同様に有効である。特に補酵素をポ
リエチレングリコールなどの高分子で修飾したものを酵
素と同時にマイクロカプセル化することにより、効率よ
く反応を進めることが可能となる。

酵素だけに限らず微生物そのものを、この方法を用いて
同様に固定化することもでき、そのようにして菌体内に
とどめたままのかたちで複数の酵素や微生物を利用する
ことができる。

本発明を構成する要件とされるマイクロカプセルの膜材
料の組成としては、室温で大きな弾性変形を示す、即ち
ガラス転移点が低く、通常、エラストマーと呼ばれる疎
水性高分子と、それらと相溶性が良好で、室温よりもガ
ラス転移点の高い疎水性高分子との混合物であり、それ
らが造膜性、及びある程度の弾性をもつ強靭なカプセル
膜を形成する。

これに比ベガラス転移点が低く、室温で大きな弾性変形
を示す疎水性高分子単独の膜からなるマイクロカプセル
は、外力による変形を大きく受けけ易く、また製造時、
及び使用時において膜の粘着性のために、カプセルの凝
集、融着が起こり易い。

一方、ガラス移転点が室温よりも高い疎水性高分子のみ
の膜からなるマイクロカプセルにおいては造膜性に優れ
たものもあるが、含酸素カプセルとして用いるためには
数μｍの膜厚でなければならず、この材質では機械的に
脆いために、そのまま充填して固定層などとして用いる
場合には変形、破損などが起こり、このような形で用い
ることは難しい。

膜材料の中で、カラス転移点が低く、室温で大きな弾性
変形を示す疎水高分子の具体的な例としては、イソプレ
ンゴム、ブチルゴム、クロロブレンゴム、エチレンプロ
ピレンゴム、ブタジェンゴム、スチレンブタジェンゴム
などがある。

一方、これらと混ぜ合わせるためのガラス転移点の高い
疎水性高分子としてはポリスチレン、ポリカーボネート
、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニデン、ポリアクリル酸
エステル、ポリスルホネートなとがあり、また共重合体
であるスチレン／アクリル酸エステル、スチレン／メタ
クリル酸エステル、塩化ビニル／アクリロニトリル、塩
化ビニル／塩化ビニリデン共重合体なども同様に用いる
ことができる。

これらの２種の高分子は低沸点溶媒を用いて混合溶解さ
れる。

この低沸点溶媒としては、１００°Ｃ以下の沸点を有し
、水と相溶性のないものが良く、例えば塩化メチレン、
クロロボルム、四塩化炭素、ベンゼン、トルエン、シク
ロヘキサン、シクロヘキサノン、ペンタン、ヘキサン、
ヘプタン、メチルエチルゲトン、エチルエーテルなどが
挙げられる。

これらの溶媒に前述の膜材料となる高分子ブレンド物を
均一に溶解した溶液と、マイクロカプセル中に内包させ
ようとする酵素溶液を、乳化安定剤としてゼラチン、ポ
リビニルアルコールなどの高分子ｃＡ護ココロイドるい
は親油性非イオン界面活性剤などを用いて、乳（ヒ分散
させることによりＷ２Ｏ型−次乳化液を得る。

このようにして得られたものを更に乳化安定剤としてゼ
ラチン、ポリビニルアルコールもしくは親水性海面活性
剤を含む水溶液中に分散させ、Ｗ１０／Ｗ型二次乳化液
を作成する。

これを減圧下で攪拌を続けながら３０〜５５°Ｃの温度
に数時間保つことにより、水相を通して低沸点溶媒を蒸
発させ、溶解していた疎水性高分子が酵素水溶液の液滴
上に析出し、マイクロカプセル化酵素が得られる。

マイクロカプセルの粒子径は一次乳化及び二次乳化時の
撹拌数、もしくは乳化安定剤の種類、量を変化させるこ
とによって調節が可能であり、よた膜厚は一次乳化時の
酵素水溶液量と膜材料溶液の混合比率を変えることによ
り任意の厚みにコン１〜ロールすることができる。

本発明のマイクロカプセル化酵素を調整するとき、−次
乳化時における、ガラス転移点が低く室温で大きな弾性
変形を示す疎水性高分子の膜材中での割合は５〜８０重
呈％、さらに好ましくは２０〜５０重量％である。

第１図は本発明の「膜材料が適切な比率でブレンドされ
た高分子物質からなるマイクロカプセル化酵素」の走査
型電子顕微鏡写真であり、カプセル表面は滑らかで欠陥
部のない良好な状態が示されている。

第２図はブレンド比率が適切でない、すなわち。

ガラス転移点の低い高分子物質リッチの膜材料からなる
マイクロカプセル化酵素の走査型電子顕微鏡写真であり
、カプセル表面は欠陥部である小孔の存在状態が鮮明に
示されている。

第３図はもう一つのブレンド比率が適切でない。

すなわち、ガラス転移点の高い疎水性高分子物質リッチ
の膜材料からなるマイクロカプセル化酵素の走査型電子
顕微鏡写真であり、カプセル表面か破壊された状態が鮮
明に示されている。

また、このようなブレンド比率を有する。膜材料とそれ
を溶解するための低沸点溶媒の重量比は１：５〜２０程
度が好ましい。

また、Ｗ２Ｏ型−次乳化液に対して、これを分散させる
水相量は重量比で１：５〜５ｏ、好ましくは１：５〜１
０である。

このようにして得られた含酵素マイクロカプセルは、撹
拌槽型リアクターとして用いることかできのはもちろん
、カラム状に充填する場合でも、圧力による破損から守
るための特別かつ複雑な運転条ｆ士を課すことなく、そ
のままの状態で用いることができる。

また、反応において酵素を要求したり、あるいは生成物
として二酸化炭素のような気体が発生するようなときに
は流動層型の反応器での使用が適切であり、同時に圧力
損失も少なく、また熱や物質の移動が良好であるという
長所をもっている。

しかし、従来の固定化酵素では流動層として用いる場合
には反応器内での流動による機械的な応力のために破損
し易いという欠点をもっていたが、本発明のマイクロカ
プセル化酵素はそのような形での使用に対しても充分な
機械的強度をもっており、長期間にわたり安定に連続運
転が可能である。

実施例１ 懸濁重合法で作成されたポリスチレン（ｐｓ）１０ｇと
溶液重合にて作成したスチレンブタジェンゴム（ＳＢＲ
）５ｇをクロロホルム１３５ｇに溶解させた。

゛この溶液を、リパーゼ（リパーゼＰ、大野製薬［株］
）２．５ｇと、乳化安定剤としてポリビニルアルコール
を０．５ｇ含む、リン酸緩衝液（ＰＨ７＞２５ｃｃと共
にホモジナイザーを用いて温度を４０℃に保ちながら、
３、ＯＯＯｒｐｍの回転数で５分間撹拌した。

このようにして生成した一次乳化液をＬｏｇのポリビニ
ルアルコールを含む１，０ＯＯｃｃリン酸Ｍｔ’Ｍ液（
Ｐ　Ｈ７＞中に、ゆっくりと投入し二次乳化液を作成し
な。

この二次乳化液を、５５°Ｃに保ち、３５０　ｎｔ　ｍ
Ｈｇの減圧下で２時間、２５Ｏｒｐｍの回転数でもって
撹拌しながら脱タロロポルムを行ない、続いてさらに減
圧度を高め１２０ｍｍＨｇで３時間、残存するクロロホ
ルムを除去しな。

このようにして得られた含酵素マイクロカプセルを、５
℃まで冷却した後、減圧濾過によって外水相を除き、リ
ン緩衝液（ＰＨ７＞で５回洗浄を繰返し、その後、同じ
緩衝液中で保存した。

Ｌ　ｏ　ｗ　ｒ　ｙ法を用いて、カプセル化の最中にＷ
１０／Ｗ型エマルションか壊れることにより外水相に逃
げた酵素量を定量し、それよりカプセル化率を算出し、
９４％であることが求められた。

なお、このマイクロカプセル化酵素の外径は５４μｍで
あった。

このマイクロカプセル化酵素をジャケット付の内径１５
ｍｍ、長さ６０ｃｍのガラス製カラムに５０ｃ、ｍの高
さに充填し、上部より基質としてトリアセチンの２％緩
ｗＩ溶液を流しながら連続反応行った。

滞留時間１０分で４８％の転化率となった。

これは生成した酢酸によりＰ　Ｈが低下して酵素の反応
速度が低下したなめで、０．１Ｍ水酸化ナトリウム溶液
で中和して再度、反応を行うと最終的には９８％の転化
率が得られた。

このカラムを２ケ月間に亘って連続運転したが、このマ
イクロカプセル化酵素の活性は９８％と高く保たれ、ま
た走差型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察により、第１
図に示されているようにカプセルの変形や破損は全く見
られなかった。

実権例２ 乳化重合で作成したスチレン／メタクリン酸ブチルエス
テル共重合体（７：３重量比＞５ｇと溶液重合にて作成
したスチレンブタジェンゴム１０ｇをベンゼン１００ｇ
に溶解した。

この溶解をリパーゼ（リパーゼＰ）に２．５ｇと乳化剤
としてポリビニルアルコールを０．５ｇ含むリン酸緩ａ
ｌｊ液（ＰＨ７）２５ｃｃと共にホモジナイザーを用い
て、室温で４．ＯＯＯｒｐｍの回転数で５分間撹拌した
。

この−次乳化液を１０　ｇのポリビニールアルコールを
含む１０００ｃｃリン酸緩衝液（Ｐ　Ｈ７）に投入し、
二次乳化液を作成した。

この乳化液を５０°Ｃに保ちながら、１５０ｍｍＨｇの
減圧下で６時間、３５０ｒｐｍの回転数でもって撹拌し
ながらベンゼンを除去した。

得られた含酵素マイクロカプセルは５°Ｃまで冷却され
た後、減圧濾過によって外水相を除き、リン酸緩衝液（
Ｐ　Ｈ７）で５回洗浄された後、同じ緩衝液中で保存さ
れた。

カプセル化率は９１％であり、外径は１４７μｍであっ
た。

このマイクロカプセルを実施例１と同様のガラス製カラ
ムに３０ｃｍの高さに充填し、下部より、基質としてト
リアセチンの２％溶液を定量ポンプで送液し、流動層を
形成させ連続反応を行った。

滞留時間１５分で、４２％の転化率が得られた。

０．１Ｍ酸化ナトリウムにより中和して再度行うと、最
終的には９２％の転化率が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のマイクロカプセル化酵素の。 第２図はガラス転移点の低い高分子物質リッチの膜材料
からなるマイクロカプセル化酵素の、第３図はガラス転
移点の高い疎水性高分子物質リッチの膜材料からなるマ
イクロカプセル化酵素の走査電子顕微鏡写真である。 ｉｌｌン１ ！’Ｓ２１ン１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 膜材料が室温で大きな弾性変形を示す、即ちガラス転移
   点が低い疎水性高分子と、それらと相溶性があり室温よ
   りもガラス転移点の高い疎水性高分子との混合物からな
   り、内部に酵素を包含することを特徴とするマイクロカ
   プセル化酵素。