2016 Fiscal Year Annual Research Report
細胞壁構造と成分間の相互作用を考慮した針、広葉樹の熱分解分子機構
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16H04954
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
河本 晴雄 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (80224864)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂 志朗 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (50205697)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 木材 / バイオマス / 熱分解 / 分子機構 / 相互作用 / ヘミセルロース / リグニン / セルロース |
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| Outline of Annual Research Achievements |
木材の細胞壁は、結晶性のセルロースがヘミセルロースとリグニンよりなるマトリックスにより取り囲まれた複層構造を持つ。したがって、細胞壁構造を考慮した分子機構の解明は木材の熱分解を理解する上で極めて重要であるが、ほとんど明らかになっていない。このような背景から、本研究課題では、細胞壁構造を考慮した熱分解分子機構の解明を目指す。平成２８年度にはヘミセルロースとリグニンの化学構造が異なる針葉樹と広葉樹をそれぞれ５樹種用いた検討により、以下の成果が得られた。
化学成分分析の結果、ウロン酸基（ヘミセルロースのキシランに結合）とアセチル基（広葉樹ではキシランに、針葉樹ではグルコマンナンに結合）の含有量が広葉樹において針葉樹と比べて高いことが示された。また、無機成分（主にK+, Ca2+）の含有量がウロン酸含有量と正の相関を示したことから、これらの無機カチオンはウロン酸塩としてキシランに存在していることが示唆された。したがって、広葉樹ではこれらの成分による酸、塩基触媒作用が針葉樹と比べて大きい可能性があることが考えられた。これを確認する目的で、600℃/120秒の条件で木粉とその脱塩物（ウロン酸塩はウロン酸に変化）を熱分解したところ、木材多糖由来の揮発性生成物組成がこれらの酸、塩基触媒の影響を受けていることが示唆された。さらに、塩基性のウロン酸塩を含む脱塩処理をしていない木粉の熱分解において、アセチル基は選択的に加水分解され、酢酸へと定量的に変換されることも明らかになった。なお、生成する酢酸は細胞壁中で酸性触媒として作用し、その影響が広葉樹で大きいことも示唆された。これらの成果は、ヘミセルロースの熱分解及びそれに起因する酸性触媒反応（生成する酢酸に起因）が広葉樹と針葉樹で大きく異なることを示しており、今後の研究に重要な示唆を与える。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究ではヘミセルロースとリグニンよりなるマトリックスと結晶性セルロースとの相互作用を考慮した熱分解機構を分子レベルで解明することを目的に、まずはヘミセルロースとリグニンの化学構造の異なる針葉樹と広葉樹の違いに着目することから研究をスタートした。平成28年度の研究で、ウロン酸基及びその金属塩のそれぞれ酸及び塩基触媒としての作用とアセチル基の加水分解により生成する酢酸の酸触媒作用が広葉樹で大きく、これらが広葉樹と針葉樹のマトリックス及びセルロースの熱分解を異なったものにしている可能性が示唆された。本成果は、平成29年度以降の研究を進める上で重要な視点となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
リグニンを除去した針葉樹（スギ）と広葉樹（ブナ）の熱分解挙動をTG、生成物の解析などを通して詳細に比較検討し、リグニンの除去がヘミセルロースとセルロースの熱分解挙動に及ぼす影響を明らかにするとともに、その分子機構を検討する。これにより平成28年度のヘミセルロースの影響と併せて、木粉の熱分解におけるこれらの役割を明らかにする。また、ヘミセルロースのウロン酸基とアセチル基の役割について、モデル化合物を用いるなどにより系統的な実験を行い、その作用機構の詳細を明らかにする。
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