(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゼラチン水溶液に含まれるゼラチンを低分子化する方法であって、
ゼラチン水溶液を加圧する加圧部に連通した小径ノズルから、ゼラチン水溶液を噴射させることを特徴とする高速噴射によるゼラチンの分子量分布の均質化方法。
【請求項２】
請求項１に記載された高速噴射によるゼラチンの分子量分布の均質化方法において、
前記小径ノズルより噴射されるゼラチン水溶液同士を衝突させることを特徴とするゼラチンの分子量分布の均質化方法。
【請求項３】
請求項１に記載された高速噴射によるゼラチンの分子量分布の均質化方法において、
前記小径ノズルより噴射されるゼラチン水溶液を壁面に衝突させることを特徴とするゼラチンの分子量分布の均質化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばゼラチン，コラーゲン等の高分子物質を含む高分子水溶液の高分子物質の分子量分布を均質化する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ゼラチンはアミノ酸が生体内でペプチド結合し、更に分子間結合をしたコラーゲン（骨や皮）から、酸またはアルカリで可溶化させて温水で抽出した高分子タンパク質である。
【０００３】
このゼラチンは、一般には、分子量的95,000のα鎖と、α鎖２本が分子間結合したβ鎖と、α鎖３本が分子間結合したγ鎖と、α鎖が切断され低分子量化したものと、各鎖が分子間結合したγ鎖以上の高分子量物質が混合したものとで構成されている。このゼラチンの分子量は、数万から数十万以上にも及び、広い分子量分布を持った高分子物質である。ゼラチン毎にこれらの混合割合が異なり、従って分子量分布も異なり、厳密には全く同じ分子量分布を持ったゼラチンは存在しないとさえ言われている。
【０００４】
ゼラチンの高分子特性、物理特性、化学特性などを利用して、ゼラチンは写真・印刷、医薬品、食品、工業用等種々の分野で用いられている。特に、写真フィルムや印画紙製造においては、ゼラチンの種々の性質が、製造工程毎に異なった物性と写真性が要求され、その都度最適のゼラチンが用いられている。また、医薬品，食品などにおいても用途によって要求される物性などが異なっている。
【０００５】
ゼラチンの物性は、主にゼラチンの分子量分布とその組成および高次構造などに依っていると一般的に考えられており、分子量分布の相違がゼラチンの物理特性に影響を与えることが知られている。このため、ゼラチンの分子量分布を変化させる方法として、化学的方法と物理的方法とが行われている。化学的方法には、酵素分解による方法及び熱加水分解による方法があり、両者とも古くから行われてきた技術である。物理的方法としては、超音波照射による方法が最近注目を集めている。
【０００６】
ゼラチンの酵素分解は、使用する酵素によりペプチド結合のある特定部分を切断し、低分子量化する。熱加水分解は分子間結合及びペプチド結合の分解を同時に起こし、低分子量化する。これら低分子化され、広い分子量分布を持っているゼラチンを、アルコールコアセルベーション法、限界濾過法、ゲル濾過クロマトグラフィー法などの方法を用いてある範囲の分子量別に分け、物性の近いものを精製・選別して、ゼラチンの均質化を行っている。
【０００７】
一方、超音波を用いる方法はゼラチン分子を分解して低分子量化させる方法である。超音波照射によるゼラチンの分解過程が熱分解や酵素分解と異なること、これによりゼラチンの物性を調節することが可能であることが見出されている（超音波TECHNO４月号，第２２−２５頁）。超音波照射によるゼラチンの低分子量化は、同一ゼラチンから出発して照射時間に応じて低分子量化するので、化学的にはかなり同一性が保たれているものであり（一部酸化されるが）、ゼラチンの物性の研究には有用な方法である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の酵素分解による方法、熱加水分解による方法、及び超音波照射による方法では、
１）バッチ処理であり、連続処理ができない
２）処理時間が長い（例えば、超音波照射の場合でも、0.5 〜３時間必要）
の問題があった。
【０００９】
本発明は、従来の方法とは異なる方法において、高分子水溶液の分子量を連続して変化させることができ、短時間で分子量を変化させることができる高分子物質の分子量分布の均質化方法を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高速噴射によるゼラチンの分子量分布の均質化方法では、ゼラチン水溶液に含まれるゼラチンを低分子化する方法であって、
ゼラチン水溶液を加圧する加圧部に連通した小径ノズルから、ゼラチン水溶液を噴射させるものである。
【００１１】
また、好ましくは、前記小径ノズルより噴射されるゼラチン水溶液同士を衝突させるものである。更に、好ましくは、前記小径ノズルより噴射されるゼラチン水溶液を壁面に衝突させるものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明においては、高分子水溶液を加圧する加圧部に連通した小径ノズルから、高分子水溶液を噴射させるものである。高分子物質を含む水溶液に高圧力をかけて、小径ノズルから高速で噴射させることにより、噴射される流体（高分子水溶液）には剪断流が生じる。高分子はこの剪断流によって分断され、低分子化される。
【００１３】
高分子物質は、直鎖の部分が剪断流に沿って流れ易くなる。特に、高分子物質自体に分岐した側鎖部分があると、剪断流は特異的にこの側鎖部分を分断する。従って、例えばゼラチンのように、分子量的95,000のα鎖と、α鎖が２本分子間結合したβ鎖と、α鎖が３本分子間結合したγ鎖と、α鎖が多数分子間結合したＨ成分とを備えた高分子物質では、側鎖部分であるβ鎖と、γ鎖と、Ｈ成分とを特異的に切断して、α鎖成分が非常に多いものにして、結果的に分子量分布の均質化を行うことができる。
【００１４】
よって、本発明における高分子物質としては、水溶液に溶解・懸濁され、ゼラチン，コラーゲンのように、直鎖の部分と側鎖の部分とを有したものであって、特に側鎖の部分を切断して均質化する場合に本発明の方法が特に適用される。
【００１５】
従って、高速噴射による方法は、従来の酵素による方法、熱加水分解による方法、及び超音波照射による方法のように、高分子物質をランダムに切断して低分子化するものとは相違する。
【００１６】
高分子水溶液の噴射圧力は、生じた剪断力によって高分子物質の分断が生じる噴射圧力であればよい。好ましい噴射圧力は５０ＭＰａ以上、より好ましくは１５０ＭＰａ以上、更に好ましくは２５０ＭＰａ以上であればよい。尚、噴射圧力の上限は超高圧ポンプの性能や小径ノズルの強度等によって決定される。
【００１７】
更に、本発明では、流体の剪断力のほかに、衝撃による高分子物質の破断効果を加えることもできる。小径ノズルより噴射される高分子水溶液同士を衝突させるものや、小径ノズルより噴射される高分子水溶液を壁面に衝突させることにより、小さい流速であっても、高分子物質を良好に低分子化することができる。
【００１８】
また、高速噴射による方法では高分子物質の温度コントロールが容易である。例えば、高濃度ゼラチンのような低温で固化しやすい物質では加温しながら、コラーゲンのような高温で変性を生じやすい物質では冷却しながら、高速噴射することにより高分子物質を低分子化することができる。
【００１９】
【実施例】
実施例１．高速噴射装置
図１に本発明の高速噴射による高分子物質の分子量分布の均質化を行う噴射装置の構成を示す説明図である。図１に示す通り、加給タンク(4）の内部には、高分子物質を含む高分子水溶液(3) が保持されている。加給タンク(4) の上部は、エア供給バルブ(2) とレギュレータ(5) を介して、コンプレッサ(1) の空気が供給される。尚、圧力計(6) は加給タンク(4) とレギュレータ(5) との間の空気圧を測定するものである。
【００２０】
このコンプレッサ(1) からの空気の供給によって加圧された加給タンク(4) 内部の高分子水溶液(3) は、タンク下部からチェックバルブ(8) を介して圧力コンバータ(12)に供給される。尚、安全弁(7) は加圧された加給タンク(4) 内部の空気圧が異常に高くなった場合（例えば７気圧以上）に、タンク内の空気を外気に放出するものである。
【００２１】
圧力コンバータ(12)の高分子水溶液(3) の給排口の反対側には、超高圧供給バルブ(14)を介して超高圧ポンプ(15)が連通している。尚、圧力コンバータ(12)と超高圧供給バルブ(14)との間には、超高圧圧抜きバルブ(13)が配されている。高分子水溶液(3) が圧力コンバータ(12)内に供給されて圧力コンバータ(12)内のピストンが超高圧ポンプ(15)側に移動した際に、超高圧ポンプ(15)を駆動して、圧力コンバータ(12)内の高分子水溶液(3) を高い圧力で排出する。
【００２２】
排出された高分子水溶液(3) は、チェックバルブ(8) によって加給タンク(4) には逆流せずに、流体吐出バルブ(10)を介してノズル(11)から高い圧力で噴射される。尚、圧力コンバータ(12)と流体吐出バルブ(10)との間には、高分子水溶液(3) の吐出圧力を計測する圧力計(9) が配されている。
【００２３】
この装置を用いて、高分子水溶液の高速噴射試験を行った。高分子水溶液としては、ゼラチン１％水溶液を使用した。具体的な操作は次の通りである。加給タンク(4）に高分子水溶液(3) を入れる。その後、コンプレッサ(1）を駆動し、エア供給バルブ(2）、レギュレータ(5）を介して、圧力計(6）で空気圧を確認して加給タンク(4）を加圧する。高分子水溶液(3) はチェックバルブ(8）を介して圧力コンバータ(12)のシリンダー内に入る。このとき、超高圧圧抜きバルブ(13)は開にしておく。所定量を圧力コンバータ(12)のシリンダー内に入れた後、超高圧圧抜きバルブ(13)を閉じ、流体吐出バルブ(10)を開いて、超高圧ポンプ(15)を駆動してシリンダー内の高分子水溶液(3) をノズル(11)から噴射させる。
【００２４】
実施例２．高速噴射試験（その１）
実施例１に示した装置を用いた高分子水溶液の高速噴射試験条件を次の表１に示す。
【００２５】
【表１】
0003691181.tif 000002
【００２６】
表１に示す通り、ノズル(11)としては、ノズルＡとノズルＢとの２種類を用いた。ノズルＡは直径φ0.21mmの単ノズルである。ノズルＢは図２に示す通り、各々直径φ0.15mmの２穴交差型（交差角20°）のノズルである。また、ノズル(11)から噴射された高分子水溶液(3) は衝突板(16)又は容器(17)の底面で受けて、回収した。衝突板(16)及び容器は、共にＳＵＳ３０４製のものを使用した。
【００２７】
ノズルＡでは、衝突板(16)をノズル端から１００ｍｍの位置に配して高分子水溶液(3) を衝突させた実験と、衝突板(16)を配さずに、高分子水溶液を約５００ｍｍ離したＳＵＳ３０４製容器(17)で受ける実験とを行った。ノズルＢでは、高分子水溶液の噴射ジェットをお互いに衝突させ、衝突板(16)を用いずに、容器(17)に受けて回収した。また、４回噴射の場合には、容器(17)で回収した高分子水溶液(3) を加給タンク(4) 戻して噴射を繰返す操作を４回繰り返した。
【００２８】
操作を終えた高分子水溶液は、高速液体クロマトグラフィー［検出器（日立社製L-3000 Photo Diode Array Detector)、ポンプ（日立社製L-6000Pump）、カラム(Asahipak GS‐620 ２本）、カラム温度；50℃、溶離液；0.2Mリン酸バッファー、送液量；1.0ml/mim ］で、分子量分布を測定した。
【００２９】
図３は表１に示した条件での高速噴射法の高分子水溶液の分析結果を示すクロマトグラムである。図において、横軸は保持時間であり、縦軸は 220nmの相対吸光度を示す。横軸において、保持時間が短い方が分子量が大きく、長い方が分子量が小さい。図に示された各ピークは、23分付近に現れているピークはα鎖（ゼラチンの基本分子、分子量：95,000）、21分付近のピークはβ鎖（α鎖が２本分子間結合したもの）、19分付近のピーク（ほとんど見えない）はγ鎖（α鎖が３本分子間結合したもの）、15分付近のピークはＨ成分（α鎖が多数分子間結合したもの）によるものである。
【００３０】
図に示す通り、ノズルＢ（交差ノズル）（サンプルＮｏ．３，４，９，１０）がノズルＡ（単穴ノズル）（サンプルＮｏ．１，２，５，６，７，８，１１，１２）より若干良い結果を示してはいるが、顕著ではない。また、衝突板あり／なしによる差異については、明らかな差異が見られた。特にＮｏ．６とＮｏ．８とを比較すると、衝突板なしの４回繰り返しより、ありの１回の方が優れた結果を示している。また、Ｎｏ．１２ではほとんどα鎖となっており、さらにはピークが右方に移動していることから、α鎖のペプチド結合が外れ、さらに低分子化している様子である。
【００３１】
噴射圧力による差異については、明らかに高圧力の方が優れた結果を示した。噴射回数による差異については、明らかに回数の多い方が良い結果を示した。Ｎｏ．１３の加圧処理による効果は、Ｈ成分が若干少なくなった様であるが、全体としてほとんど変化が見られなかった。
【００３２】
更に、個々の条件の相違による比較を行った。比較の指標としては、15分付近のピークで示される高分子量成分（α鎖が多数分子間結合したＨ成分）率（％）を用いた。図４は表１及び図３に示した個々のクロマトグラムのＨ成分のパーセントを比較した棒グラフであり、縦軸は高分子量成分（Ｈ成分）率（％）、横軸は個々のサンプルナンバーを示す。
【００３３】
更に、図５はノズルＡにおける相違した圧力による噴射回数と高分子量成分との関係を示したクロマトグラムである。図６はノズルＢにおける相違した圧力による噴射回数と高分子量成分との関係を示したクロマトグラムである。図７はノズルＡによる衝突板を用いた場合の相違した圧力による噴射回数と高分子量成分との関係を示したクロマトグラムである。図５〜図７において、縦軸は高分子量成分（Ｈ成分）率（％）、横軸は噴射回数を示す。
【００３４】
即ち、図５はサンプルＮｏ．１４とサンプルＮｏ．１，２，７，８とをプロットしたものであり、図６はサンプルＮｏ．１４とサンプルＮｏ．３，４，９，１０とをプロットしたものであり、図７はサンプルＮｏ．１４とサンプルＮｏ．５，６，１１，１２とをプロットしたものである。図５及び図６に示す通り、ノズルの違いではノズルＢのほうがノズルＡよりも分解が幾分進んでいることが判った。図５及び図７に示す通り、衝突板を用いると、非常に効果があることが判った。
【００３５】
実施例３．高速噴射試験（その２、噴射圧力について）
前述の実施例２では、噴射圧力を５０ＭＰａ及び１５０ＭＰａとしたが、更に高い噴射圧力での高分子物質の分子量分布の均質化を検証した。図８は噴射圧力以外の条件を同じにした操作条件での高分子水溶液の分析結果を示すクロマトグラムである。図において、横軸は保持時間であり、縦軸は 220nmの相対吸光度を示す。
【００３６】
具体的な条件は、共通条件としては、高分子水溶液としてゼラチン１％水溶液を用い、噴射回数は１回、ノズルは前述のノズルＡを用いた。ノズル−衝突板間の距離は全て１００ｍｍとした。噴射圧力は５０ＭＰａ（サンプルＮｏ．Ａ）、１５０ＭＰａ（サンプルＮｏ．Ｂ）、２５０ＭＰａ（サンプルＮｏ．Ｃ）の３種類を行った。尚、サンプルＮｏ．０はゼラチン１％水溶液である。即ち、サンプルＮｏ．Ａは表１及び図３のＮｏ．５に対応し、サンプルＮｏ．Ｂは表１及び図３のＮｏ．６に対応し、サンプルＮｏ．０は表１及び図３のＮｏ．１４に対応している。
【００３７】
図８に示す通り、噴射圧力を高めれば高めるほど、β鎖，γ鎖，Ｈ成分の分解が進み、α鎖のピーク（26分付近）のみとなることが判る。また、α鎖の低分子化は（ピークの右方への移動）は殆ど生じておらず、α鎖への均質化が図られることが判った。尚、図３のピークとＮｏ．０〜Ｂのクロマトグラム波形が相違するのは、用いたゼラチンのロットの相違やＨＰＬＣカラムの状態の相違のためである。
【００３８】
実施例４．高速噴射試験（その３、衝突板について）
前述の実施例２では、ノズル−衝突板間の距離を１００ｍｍ（衝突板を用いない場合には約５００ｍｍ離したＳＵＳ３０４製容器で受ける）としたが、これを更に伸ばした条件での高分子物質の分子量分布の均質化を検証した。図９はノズル−衝突板間の距離以外の条件を同じにした操作条件での高分子水溶液の分析結果を示すクロマトグラムである。図において、横軸は保持時間であり、縦軸は 220nmの相対吸光度を示す。
【００３９】
具体的な条件は、共通条件としては、高分子水溶液としてゼラチン１％水溶液を用い、噴射回数は１回、ノズルは前述のノズルＡを用い、噴射圧力は２５０ＭＰａとした。ノズル−衝突板間の距離が１００ｍｍのもの（即ち、前述のサンプルＮｏ．Ｃと同一）と、６８０ｍｍのもの（サンプルＮｏ．Ｄ）とを比較した。尚、サンプルＮｏ．０はゼラチン１％水溶液である。
【００４０】
図９に示す通り、ノズル−衝突板間の距離が長くなれば、α鎖，β鎖，γ鎖，Ｈ成分の分解は進まないことが判った。
【００４１】
実施例５．高速噴射と超音波照射との比較
また、図１０は超音波照射と高速噴射によるゼラチンの低分子化の結果を示すクロマトグラムである。この図１０は前述の操作と同様のゼラチン(NP-S-809)１％水溶液を使用し、超音波照射条件は１０ｋＨｚ、出力１０Ｖ、時間は３０分及び６０分とした結果を示す。
【００４２】
図に示す通り、照射時間が長い程、Ｈ成分やβ鎖に由来するピークがなくなり、α鎖になることが示される。更に、Ｈ成分やβ鎖がほとんどなくなったときには、α鎖自体も低分子量化（ピークが右に移動している）することが解る。照射時間60分と、表１及び図３のＮｏ．１２がよく似たピーク形状をしているが、Ｎｏ．１２の方がα鎖の分解ははるかに少ないことが解る。従って、高速噴射法では、全体の低分子化の進行の前にＨ成分やβ鎖の分解が行われ、分子量分布の均質化が進行し、その後に、低分子化が行われる。
【００４３】
以上のように、高速噴射法では、超音波照射による方法よりも、処理時間が圧倒的に少なくて済む。仮に50リットル処理する場合、一般的に使用されている高速噴射吐出量２リットル/minでは処理時間が25分で超音波照射より大幅に短縮される。また、高速噴射法では、全体の低分子化の進行の前にＨ成分やβ鎖の分解が行われ、分子量分布の均質化が進行し、その後に、低分子化が行われる。また、高速噴射法では、連続して高分子水溶液を噴射させることができるため、超音波照射，熱加水分解や酵素を用いるように、バッチ式で行う必要はない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は以上説明したとおり、高分子水溶液の分子量を連続して変化させることができ、短時間で分子量を変化させることができる高分子物質の分子量分布の均質化方法を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高速噴射による高分子物質の分子量分布の均質化を行う噴射装置の構成を示す説明図である。
【図２】２穴交差型ノズルの構成を示す説明図である。
【図３】高速噴射法の高分子水溶液の分析結果を示すクロマトグラムである。
【図４】表１及び図３に示した個々のクロマトグラムのＨ成分のパーセントを比較した棒グラフである。
【図５】ノズルＡにおける相違した圧力による噴射回数と高分子量成分との関係を示したクロマトグラムである。
【図６】ノズルＢにおける相違した圧力による噴射回数と高分子量成分との関係を示したクロマトグラムである。
【図７】ノズルＡによる衝突板を用いた場合の相違した圧力による噴射回数と高分子量成分との関係を示したクロマトグラムである。
【図８】噴射圧力以外の条件を同じにした操作条件での高分子水溶液の分析結果を示すクロマトグラムである。
【図９】ノズル−衝突板間の距離以外の条件を同じにした操作条件での高分子水溶液の分析結果を示すクロマトグラムである。
【図１０】超音波照射によるゼラチンの低分子化の結果を示すクロマトグラムである。
【図１】
0003691181.tif 000003
【図２】
0003691181.tif 000004
【図３】
0003691181.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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