Structural property and solution behavior of arginine
oleate with a large amount of water
Teruhisa Kaneko
L.V.M.C. Inc. / RIST, Tokyo University of ScienceToshima, Tokyo 170-0003 / Noda Chiba 278-8510
tek-lvmc@aria.ocn.ne.jp
Structural properties and solution behaviors of arginine oleate (ArgOA) were investigated bymeans of various instruments such as small angle X-ray scattering device, tensiometer and etc.
In spite of the fact that ArgOA is a single-chained amphiphilic substance, it has been found toover a wide range of temperature and concentration. It
has been concluded that a structural characteristic as aresult of a cis-type double bond of oleic acid and astructural balance with L-arginine are inevitable in theformation of LLC. It has been also confirmed that ArgOA
is able to form a lamellar liquid crystalline structure
having a large amount of water. According to theseresults, it is expected that ArgOA can contributesignificantly to a preparation of stable vesicle solution

1009080706050403020100Temp. [ ℃]

have a characteristic to form lamellar liquid crystal (LLC)

LLC

LLC+W

●●Hydrated
Crystal0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Water Weight fraction ArgOA

as well as a design of pharmaceutical and cosmetic
formulations with highly moisturizing/skin penetrating
abilities.
Keyword: arginine oleate, lamellar liquid crystal, surface tension, phase diagram, vesicle
Brief Personal History of Author
Teruhisa Kaneko is currently Representative Director of L.V.M.C. Inc. andVisiting Professor of Research Institute for Science & Technology (RIST) atTokyo University of Science. In 2001, he received his Ph.D. in Engineeringfrom Tokyo University of Science. He was a research scientist in the laboratoryof Professor K.Shinoda at Yokohama National University from 1985 to 1986
and in the laboratory of Professor D.F.Evans at University of Minnesota from1987 to 1988, studying characteristic properties of natural/synthetic lipids andsurfactants membranes. He is an expert of liposome, microemulsion andemulsion using lipids and has launched various skin care products. He won several awards including“Excellent Paper Award” at Japan Research Institute of Material Technology. He is now focusing on thestudies for an effect of rare lipids such as β-sitosteryl sulfate in various lipids membranes at Tokyo
University of Science.
Acc. Mater. Surf. Res. 2022, Vol.7 No.3, 112-118.

112

高含水アルギニンオレエートの構造特性と溶液挙動
金子 晃久

株式会社 L.V.M.C./東京理科大学総合研究院
１．はじめに不飽和脂肪酸は、生体内においてエネルギー源としてだけではなく生体膜の主要構成成分としても重要な役割を果たしている［1―３］。生体膜の流動性はその特徴的な動的構造に影響され、不飽和脂肪酸であるオレイン酸に依存していることはよく知られている［４－８］。オレイン酸は、その分子内の C9 位に二重結合を、また自由に回転するメチレン基を両端に持ち、比較的自由に屈曲できるシス－モノエン不飽和脂肪酸の代表的なものの一つである（Fig.1）。

OOH
Figure 1. Chemical structure of oleic acid.

一方、従来より用いられてきたオレイン酸はその純度が低かったため、オレイン酸そのものの基礎物性研究のみならず、医薬品、香粧品、バイオサイエンスなどのスペシャリティケミカル分野への応用にも限界があった。しかし、近年純度９９％以上の品質のものが安定供給されるようになり、その基礎的物性の解析［９－１３］およびその誘導体である非イオン界面活性剤の基礎物性［１４－１６］、さらには薬物の経皮吸収促進効果などが多数報告されている［１７－２０］。これらの研究から、オレイン酸で観察される物理化学的現象は、疎水部のシス型二重結合に基づいた大きな空間実体容積［２１、２２］によるものが多いと考えられる。ちなみに、オレイン酸の融点はα体が１３．４℃、β体が１６．３℃である。一方、オレイン酸と同一の炭化水素鎖長を有するステアリン酸の場合は６９．６℃である。
L－アルギニンは生体内の塩基性必須アミノ酸の一つであり、水溶液のｐH に依存して４つのAcc. Mater. Surf. Res. 2022, Vol.7 No.3, 112-118.

イオン解離状態を示す（Fig.2）［２３，２４］。たとえば、ω位のグアニジル基は強い塩基性を示すために対イオンを持つ物質を中和するが、α位のアミノ基とカルボニル基は自己双極子双性イオンを形成する特性を有する。アミノ酸の多くが２００℃以上の高い融点を示すのは、この双性イオンが無機塩に類似したイオン性結晶構造を形成するためと言われている［２３］。アミノ酸は香粧品の分野においても極めて有用な物質であり、肌の保湿機能を司る重要な役割を持つことも分かっている［２５］。
これらの各分子配向特性から、オレイン酸と L－アルギニンを組み合わせることで、リン脂質に類似したバイオミメティックフィルムを形成する新たな機能が期待できる。
本稿では、高純度（９９．９％）のオレイン酸と対イオンを L－アルギニンとした両親媒性物質（アルギニンオレエート、以下 ArgOA）の構造特性とその溶液挙動について紹介する［２６］。
H2N
H2N+C－NH(CH2)3－CH-COOH
H2N

PK1=2.17H2NH2N

PK2=9.04

H2N
HN

PK3=12.48

H2N+NH3+C－NH(CH2)3－CH-COO+
NH3+C－NH(CH2)3－CH-COO
NH2C－NH(CH2)3－CH-COO-NH2

Figure 2. Four different dissociate ion states ofL-arginine depending on pH.
[ Arial : 10pt ]113

Fig.3 に、L-アルギニンとオレイン酸のモル比が１／１の ArgOA／水系の相図を示す。この図の領域（A）に見られるように、ArgOA の極めて高濃度領域では水和固体が存在するが、ラメラ液晶相（LLC）への転移温度（Tc）は水の濃度の増加に伴い急激に低下し、６ ｗｔ％を超えると０ ℃以下となりほとんどの領域がＬＬＣに占められた。これは対イオンであるＬ－アルギニンが水和されやすいためであり、同様の現象はステアリン酸カリウムやジパルミトイルホスファチジルコ
リンなどでも見られる［２７］。

+LLCW(A)(Tc)●(a) ●(b) ●(c)

00.2

0.4

0.6

Weight fraction

Hydrated0.8(6wt% ofwater)

1ArgOAFigure 3. Phase diagram of ArgOA.(1/1, molarratio)－Water system
LLC: Lamellar Liquid Crystal, W: Aqueoussolution, Tc: Phase transition temperature(LLC－Hydrated crystal)Fig.3 の２５ ℃における組成（a）と（b）の偏光顕微鏡像を Fig.4 に示す。図の LLC＋W 領域（a）の１５ ｗｔ％ArgOA 水溶液では水中に分散した粒子にマルテーゼクロス（マルチラメラベシクル）が観察され、LLC 領域（b）の３５ ｗｔ％ArgOA
水溶液ではラメラ液晶像を観察できた[２８]。

(a)１ ：１／２1.02.03.02 θ（°）

4.05.0Figure 5. Small angle X-ray diffraction pattern(25 ℃). ArgOA/Water（１/１, by weight).

CrystalWater

2001801601401201008060402000.0(b)SAXS 回折の１次ピークと 2 次ピークの散乱ピーク比は１：１／２となり、偏光顕微鏡像も含めLLC 構造であると確認できた。そこで、SAXS 回折による LLC の面間隔（ｄ）を測定した（Fig.6）。
なお、横軸は水の重量分率（Cw）と ArgOA の重量分率（Cao）の比（Cw／Cao）である。したがって、d の増加はＬＬＣ構造の親水部間に水分子が分配されていくことを示す［２９，３０］。

Interlayer spacing (d)/nmLLC

Temp. [ ℃]

1009080706050403020100また、LLC 領域の広さからも、ArgOA から成る LLC はその構造体中に多量の水を保持できると考えられる。そこで、この構造体を更に詳細に解析するために Fig.3（c）に相当する ArgOA／水の重量比が１／１の小角 X 線散乱（SAXS）回折（２５ ℃）結果を Fig.5 に示す。

Intensity

２．アルギニンオレート／水系の相挙動

109876543 0.3012320 μm

Cw/CaoFigure 6. Interlayer spacing of LLC phase as aFigure 4. Polarized microscopic observation: (a)function of water : ArgOA weight ratio (Cw/Cao)

15 wt%ArgOA aq.solu, (b) 35 wt%ArgOA aq.solu.

at 25 ℃.

20 μm

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系界面活性剤や二分子膜形成能を有する１，２－ジラウロイルホスファチジルグリセロールナトリウム塩（DLPG）の希薄水溶液においても報告されており、それらの屈曲点では相変化が生じていると解析されている［３４，３５］。そこで、Fig.7の２つの屈曲点を第１cmc（Ｃ１：3.0×10-4 M）、第２ cmc（C2：1.0×10-2 M）とする。この２点間の濃度領域に着目すると、図の写真に見られるように C1 から溶液の外観に変化が生

0.7 M
0.6 M

708060T[%]

10060504040C120C20γ [mN/m]

Ｆｉｇ．6 から明らかなように、d は Cw／Cao が約０．３を超えるとほぼ直線的に増加し、約２を超えると一定値に近づく。これは、それ以上の水は構造体に入り込めず、水相として分離しＬＬＣ相と共存すること（ＬＬＣ＋Ｗ）を示す。つまり、
ArgOA が約７０ ％の水を含んだ LLC を形成することを意味すると同時に、生体膜の主要構成成分であるレシチンより多量の水を保持する能力があることも分かる［２７，３１］。したがって、
Fig.3 の LLC＋W 領域内の ArgOA ベシクルも、ベシクル内に約７０ ％の水を保持でき、外相である水との比重差もより小さくなっていると考えられる[３０]。その結果の一例として、室温で１か月以上分離などの生じない、比較的安定なベシクル水溶液が得られている。このように、ArgOA は一鎖型両親媒性物質であるにもかかわらず、分
岐鎖［３２］または二鎖型［３３］の両親媒性物質のように高い LLC 形成能を有し、さらに多量の水をその構造体に保持できることが分かった。このことは、対イオンとしてアルギニンの代わりにナトリウムを用いたオレイン酸ナトリウム（NaOA）／水系、さらに、疎水部であるオレイン酸の代わりにステアリン酸を用いたアルギニンステアレー
ト（ArgSA）／水系での相挙動の比較からも理解できる。つまり、ArgOA 系と異なり、NaOA 系では相状態がラメラ液晶とヘキサゴナル液晶で占められ、構造体内への水保持量も低い［26］。一方、ArgSA 系でも相状態はラメラ液晶とヘキサゴナル液晶からなり、約６０ ℃以下の広い範囲が水和固体（α－ゲル）領域で占められている［26］。これらの比較結果からも、シス型二重結合に基づく疎水部としての嵩高い構造を有するオレイン酸と双性イオンとしての強い分子間相互作用を持つアルギニンを組み合わせた
ArgOA の分子構造特性が高含水 LLC 形成に適しているものと考えられる。
３．ArgOA 水溶液の希薄系での溶液物性
ArgOA の希薄溶液系での物性を知ることは、ArgOA の界面化学的特性を理解する上で極めて重要である。ここでは、ArgOA 水溶液の表面張 力－濃度 曲線に よりその特 性を 紹介する
（Fig.7）。Fig.7 から明らかなように、２か所の屈曲点が存在する。同様な傾向は、プルロニック

3020-2-3-5-410 10
10 10
C [mol/l]
Figure 7. Surface tension / Transmittance vs.
10-710-6concentration of ArgOA at 25 ℃.
Surface tension [mN/m]Transmittance [%] at 700 nm

じたため、C1、C2 付近も含めた溶液の透過率を測定し、合わせて Fig.７にその結果を示した。透過率 T を見ると、C1 から低下し始め、C2 付近まで低下することが確認できた。これは、C1 付近からミセルあるいは高次会合体が共存するものと推定される。そこで、
C1-C2 間の水溶液のフリーズフラクチャー
法 に よ る TEM (Transmission ElectronMicroscope) 観察を行なった（Fig.8）。この写真より、ArgOA の１ ｍM（0.046 ｗｔ％）において、１０～５０ nm と 200～300 nｍの粒子状物質（高次会合体と思われる）が観察された。前述したように、C１からＣ２にかけ115

ての溶液の透過率の低下とＡｒｇＯＡの高いＬＬＣ形成能を考え合わせると、これらの高次会合体はベシクルである可能性が高いと思われる。これらの結果から、Ｃ１－Ｃ２間はミセル－ベシクル様高次会合体の共存領域であると考えられる。

50nm

200nm

Figure 8. Transmission electron microscopic質であるにもかかわらず特異的な相挙動を示し、また極めて低濃度から高次会合体を形成することが分かった。このＡｒｇＯＡの特異性は、疎水部であるオレイン酸のシス型二重結合に伴う構造特性のみならず、対イオンとしてのＬ－アルギニンの特性も大きく寄与しているものと解析した。
そこで次に、対イオンに着目して希薄溶液系での高次会合体形成におけるアルギニンの効果を紹介する。
ArgOA は脂肪酸セッケンであり、ｐH の変化から対イオンの解離状態を推察することができる。そこで、C1、C2 付近におけるＡｒｇＯＡ水溶液のｐＨと濃度の関係を検討した（Ｆｉｇ．10）。

-3observation (ArgOA 1.0×10 M) in the region

70

from C1 to C2 of Figure 7.

9.560

9.03.070

γ [mN/m]

2.550

2.040

C11.530C210-710-610-510-410C [mol/l]-310-21.0-110Figure 9. Viscosity v.s. concentration of ArgOA
at 25 ℃.

これらのことから、ＡｒｇＯＡはその希薄溶液領域から高次会合体を形成できる能力があることが分かった。
４．高次会合体形成に対する L－アルギニンの効
果

前述したように、ArgOA は一鎖型両親媒性物
Acc. Mater. Surf. Res. 2022, Vol.7 No.3, 112-118.

pH508.0

40

C17.5

307.0
C26.5

20-5-4-3-2-1010 10 10 10 10 10
C [mol/l]
Figure 10. pH vs. concentration of ArgOA (25 ℃).
10Viscosity [mPa・s]

608.5

γ [mN/m]

一方、Ｃ２付近からＡｒｇＯＡ水溶液の粘性に変化が見られた（Ｆｉｇ．9）。Ｃ２以下の濃度領域における粘度は水の粘度に近い値を示しているが、Ｃ２を超えると急激に上昇した。この粘度の上昇はＬＬＣ領域への相転移に基づくものと思われる。

-6

Surface tention [mN/m]▲ ｐH

この図から明らかなように、ｐＨとＡｒｇＯＡ濃度との関係は表面張力－濃度曲線（Ｆｉｇ．7 から転記）と相関性があることが分かる。まず、Ｃ１付近からｐＨがシャープに上昇し始め、さらにＣ２まで濃度にほぼ比例して上昇した。ｐＨはＣ２付近で極大値を示し、その後 pH は低下していくがその減少は緩やかになり始めた。Ｃ２がＬＬＣ相への相転移開始点であるとすれば、ｐＨの変化は強塩基性のアルギニンのグアニジル－オレイン酸のカルボキシル基の結合部周囲の水和状態も反映しているものと考えられ、会合状態との関係も推定できると思われる。そこで、結合部周囲の状態を検討するため、１Ｈ－ＮＭＲを用いてアミノ基プロトンの化学シフトを測定した（Ｆｉｇ．11）。
この図より、前述の LLC への相転移開始点と考116

えられる C2（0.01 M）付近から 0.1 M へ向けてＡｒｇＯＡの濃度 C が増加すると、化学シフトは高磁場側へとシフトした。一般に、相対的に電子7060
γ [mN/m]Chemical Shift [ppm]3.043.0350403.0230C2200.001

2 3 4 56

2 3 4560.01
C [mol/l]

0.1

21

Figure 11. H-NMR chemical shift in ppm in D2O(Chain-NH2).

▲ Surface tention [mN/m]

1

H Chemical shift (-NH2)

密度の高い原子の核は、より高磁場側に現れ、相対的に電子密度の低い原子の核は、それより低磁場に現れる。この定性的な化学シフトのルール［３６］に従うと、Fig.11 では、ＡｒｇＯＡの濃度の増加に伴い、アミノ基（この場合はアルギニンのグアニジル基）の解離度が低下（電子密度の偏りの低下）して電子密度が高くなり、アミノ基プロトンはより高磁場側へ現れてくることを示すものと考えられる。したがって、このことはｐＨの変化が結合部周囲の水和状態も反映していると思われる。これらのことより、ArgOA の LLC 形
成は、その濃度の増加に伴い、近接したＬ－アルギニン分子間の二次元方向の（横方向の）相互作用が強まり、結合部の水和能が低下するため、Ｌ－アルギニングアニジル基結合部の解離度が低下して（ｐＨの低下）、疎水性相互作用はさらに加速され、より会合体形成に有利な環境となり、結果として無限会合体であるＬＬＣが形成されるものと考えられる。
５．結論
ArgOA は一鎖型両親媒性物質であるにもかAcc. Mater. Surf. Res. 2022, Vol.7 No.3, 112-118.

かわらず、広い温度および濃度領域で安定してLLC を形成する特性を持つことが見出された。
この LLC 形成には、シス型二重結合を特徴とするオレイン酸と双性イオンとして強い分子間相互作用をもつＬ－アルギニンとの組み合わせによる構造的なバランスが不可欠であることが分かった。さらには、ArgOA は高い水分保持能を有する LLC 構造が形成できることも明らかとした。
以上の結果を踏まえると、工業的にも、ArgOAを応用することにより[３７]、安定なベシクル水溶液の調製、高い保湿能・皮膚浸透能を有する医薬・化粧品製剤等の設計を可能にすることが期待される。
６．謝辞
本研究の遂行にあたり、SAXS 測定の機会およびそれに関する貴重なご助言を頂きました東京工業大学・浅井茂雄准教授、試料の調製等にご協力いただいた日油株式会社・前田一仁代表取締役をはじめとする研究所スタッフの方々、研究全般に貴重なご助言をいただいた
東京理科大学・阿部正彦名誉教授／東京理科大学・貝瀬千尋客員教授に心より深く感謝致します。
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