セルロースミクロフィブリルの新しい構造モデルの構築

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08306009
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 岡野 健 東京大学, 大学院・農学生命科学研究科, 教授 (30011927)
• 研究分担者: 鮫島 正浩 東京大学, 大学院・農学生命科学研究科, 助教授 (30162530) ; 奥山 剛 名古屋大学, 農学部, 教授 (00023482) ; 和田 昌久 東京大学, 大学院・農学生命科学研究科, 助手 (40270897) ; 斎藤 幸恵 東京大学, 大学院・農学生命科学研究科, 助手 (30301120) ; 杉山 淳司 京都大学, 木質科学研究所, 助教授 (40183842)
• キーワード: セルロースミクロフィブリル / セルロースI_β / セルロースI_α / 平行鎖構造 / βキチン / セルラーゼ / バロニアセルロース / 非晶領域

研究概要

(1) 構造・形態:セルロースミクロフィブリル中での分子鎖は、パラレルアップであり、セルロース分子の還元末端がc軸方向を向いている。分子鎖形成の重合反応が非還元末端で起こる。また、セルロースI_βは捩じれていて、厳密な結晶ではないと考えた方がよい。I_αとI_βとでは、表面が異なる。I_αとI_βの違いは、木材セルロースでは一次壁と二次壁とでストレスに差があって、それが原動力となって違いを生じるという。加水分解物による高度配向試料を調製することができた。それを重水素置換して中性子回折を行い、結晶中の水素原子の位置を推定できた。その結果、セルロースIIは逆平行鎖構造であり、その理由が分子の疎水面の形状で説明できる可能性を示した。平行鎖構造のベータキチンは一定濃度以上の塩酸で膨潤すると逆平行鎖構造のαキチンに変態するが、そのメカニズムはセルロースの場合と同じである。
(2) 物性:セルロース結晶の熱膨張を詳細に検討し、幾つかの新知見を得た。分子鎖方向には膨張せず、a軸方向が主である。ミクロフィブリル間で熱分解の抵抗性に著しい差がある。セルロース結晶のポアソン比が測定された。木材の力学物性から、セルロースミクロフィブリルには安定した結晶相、非晶相以外に不安定結晶相を考えると都合がよい。この相は水分で非晶化する。木材のヤング率から、ミクロフィブリルの長さ方向に存在する非晶領域は分子鎖の配列、比容からして結晶のそれと大差はない。2相説に基づく繊維の場合は、ミクロフィブリルの幅、長さ方向に非晶が存在する。
(3) 酵素分解性:酵素特異性とともに、セルロースの状態すなわち高次構造によって著しい差異がある。高結晶バロニアにも特異的な領域がある。
以上、セルロースミクロフィブリルは、起源によって大きい違いがあることが判明した。

研究成果

• [文献書誌] Y.Saito,T.Okano,J.-L.Putaux,F.Gaill,H.Chanzy: "Crystallosolvates of beta chitin and alcohols" 7th ICCC,Advances in Chitin Science. vol.2. 507-512 (1998)
• [文献書誌] M.Samejima,J.Sugiyama,K.Igarashi,and K.-E.L.Eriksson: "Enzymatic Hydrolysis of Bacterial Cellulose" Carbohydr.Res.305. 281-288 (1998)
• [文献書誌] H.Shibazaki,S.Kuga,M.Saito,T.Okano: "Native cellulose II production by Acetobacter xylinum under physical constraints" Cellulose. 5・3. 165-173 (1998)
• [文献書誌] A.Ishikawa,S.Kuga,T.Okano: "Determination of Parameters in Mechanical Model for Cellulose III fibre" Polymer. 39. 1875-1878 (1998)
• [文献書誌] Sugiyama,J.,Boisset,C.,Hashimoto,M.,and Watanabe,T.: "Molecular directionality of α-chitin biosynthesis" J.Mol.Biol.286. 247-255 (1999)
• [文献書誌] E.Obataya,M.Norimoto,J.Gril: "The effects of adsorbed water on dynamic mechanical properties" Polymer. 39. 3059-3064 (1998)