九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1212140R

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL11

（様式第 5 号）

小角 X 線散乱測定を用いた多糖分子鎖の自発的構造変化の解析
お よ び そ の 応 用 (III)Analysis and application of spontaneous structural change for molecular chains ofpolysaccharides using small-angle X-ray scattering (III)巽 大輔
Daisuke Tatsumi
九州大学 大学院農学研究院
Faculty of Agriculture, Kyushu University※１※２

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ 、長 期 ト ラ イ ア ル ユ ー ス ）課 題 は 、実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す（ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ） を 追 記 し て 下 さ い 。
利 用 情 報 の 開 示 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 二 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開 ｛ 論 文 （ 査 読 付 ） の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝ が 必 要 で す 。 (ト ラ イ アルユースを除く)

１．概要（注：結論を含めて下さい）
ア オ サ 抽 出 多 糖 ulvan の 水 溶 液 に 種 々 の 塩 を 添 加 し 、 ハ イ ド ロ ゲ ル を 調 製 し た 。 こ のゲ ル に お け る ulvan 分 子 鎖 ネ ッ ト ワ ー ク 構 造 を 小 角 Ｘ 線 散 乱（ SAXS）測 定 に よ り 検 討 した 。Ornstein-Zernike 式 に よ る フ ィ ッ テ ィ ン グ の 結 果 、用 い た 塩 の 中 で は MgCl 2 添 加 系 に
お け る 相 関 長 Ξ が 最 も 小 さ く 、次 い で AlCl 3 添 加 系 、CaCl 2 添 加 系 の 順 に Ξ が 大 き く な っ
た 。こ の こ と か ら 、マ グ ネ シ ウ ム 塩 の 添 加 が 最 も 密 な 架 橋 を 形 成 す る こ と が 示 唆 さ れ た 。
（ English ）Hydrogels were prepared from a solution of a polysaccharide, ulvan, extracted
from a kind of seaweeds, Ulva. The hydrogels were formed by the addition ofsalts. In order to clarify the difference in the network structures of the ulvanhydrogels, small-angle x-ray scattering (SAXS) measurements were performed withchanging the additional salts. It was found that the correlation length, Ξ , obtained
from the SAXS profiles of the gels became smaller in the case of MgCl 2 addition
compared to CaCl 2 and AlCl 3 addition. This indicates that Mg 2+ ions forms thedensest cross-linking between ulvan molecular chains.
２．背景と目的
環境への影響を配慮して、セルロースをはじめとする多糖など生体由来高分子の利用に関心が高まっている。多糖を材料として利用するには、その成型加工性についての研究が不可欠であり、そのため申請者らは、天然セルロースの溶液特性およびセルロース繊維分散系の構造と物性に関して検討を行ってきた 1)。
2010 年 I～III 期の利用においては、由来の異なるセルロースの溶液を小角 X 線散乱測定し、Ornstein-Zernike 式によるフィッティングにより分子鎖の絡み合いに起因する相関長を見積もることができた。また、2011 年 I～III 期の利用では、材料への応用展開を念頭においてセルロース溶液から調製したゲルの構造解析を小角 X 線散乱測定により行い、ゲルの物性を大きく左右する数十 nm オーダーの構造を明らかにした。
これらの成果をふまえ、本申請では対象を多糖に広げることにより、多糖が一般的にもつ「らせん」などの自発的構造形成を材料創製へ応用することを目的とする。本課題では、緑藻の一種であるアオサに含まれる電解質多糖ulvanに着目した。Ulvanはカルボキシル基および硫酸基を含み、これらが多価カチオンと結合してハイドロゲルを形成することが知られることから、新規材料としての利用展開が期待されている1)。今回は、小角Ｘ線散乱によりulvanから調製したゲルの構造解析を行い、添加カチオンがその分子鎖ネットワークの相関距離の大きさに与える影響について検討した。

３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
絶乾状態のアオサ（博多湾にて採取）を熱水処理し、遠心分離により得られた抽出液をエタノール中に滴下して沈殿させた。この沈殿物を回収して脱イオン水に溶解させ、溶液を透析した。その後、溶液を凍結乾燥し、熱水抽出物を得た。なお、この抽出物は1H-および13C-NMR1)からulvanであると同定された。添加カチオンの影響を検討するために用いたゲル試料は、緩衝液MES Buffer (10 mM, pH= 6.4 )に塩化カルシウム二水和物、塩化マグネシウム六水和物および塩化アルミニウム六水和物をそれぞれ1 Mになるように添加して溶媒を調製し、これに濃度が10 wt%となるようにulvanを加えて調製した。
以上のゲル試料を、カプトンフィルムを窓材とした自作のサンドイッチ型セルに封入し（各ゲルの厚みは1 mm程度）、BL11においてE = 8.0 keV、カメラ長2,641 mm、検出にはイメージングプレートを用いて小角X線散乱（SAXS）測定を行った（図１）。得られたデータはFit2dを用いて円環平均を施し、一次元像とした。
イメージングプレート
スリット

スリット

X線セル

真空筒
カメラ長
ビームストッパー

He パス

2,641 mm

800 mm3 mmφ
図１

実験レイアウト.

４．実験結果と考察
図２に、ulvan 由来のゲルの SAXS 像を示す。分子鎖ネットワークの相関距離を示す相関長を求めるため、一次元像を Ornstein-Zernike の式でフィッティングを行い、得られたプロットを図３に示した。求めた相関長は表１に表した。Ulvan ゲルにおける相関長は MgCl2 添加系が最も小さく、次いでAlCl3 添加系、CaCl2 添加系となった。このことから、今回用いた添加カチオンにおいては、MgCl2 添加系が最も密な架橋構造をとることがわかった。
2Additional salts
CaCl2
AlCl3
MgCl2

2( I(q) )-1 / a.u.

log ( I (q) / a.u. )31Additional salts
CaCl2
AlCl3
MgCl2
10-1-1.2-1-0.8-0.6-0.4

0-0.2

log ( q / nm-1 )図２

Ulvan ゲルの SAXS profile.

0.1250.25

q2 / nm-2

図３

左図の Ornstein-Zernike プロット.

表１

Ulvan ゲルにおける添加カチオン毎の相関長

添加カチオン

CaCl2

MgCl2

AlCl3

相関長
Ξ/nm14.66.08.4

５．今後の課題
今回の測定は、添加カチオンの濃度を一定にして行ったため、得られた結果の有意性に関する検討材料が少なかった。今後は、添加カチオンの濃度を変化させて測定し、添加濃度の変化が相関長に及ぼす影響について検討していきたい。

６．参考文献1) セルロース繊維分散系及びセルロース均一溶液のレオロジーに関する研究、巽

大輔、日本レオロジー学会誌, 35, 251 (2007).
2) A. Robic, J.-F. Sassi and M. Lahaye, Carbohydr. Polym. 74, 344-352 (2008).

７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）
第 61 回レオロジー討論会（2013 年 9 月 25 日～27 日、米沢）にて発表予定。

８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
ゲル、小角 X 線散乱、Ornstein-Zernike 式**散乱データに次式をフィッティングすることにより、相関長 Ξ を見積もることができる。

I(q) = I(0)/(1+q2Ξ2)

９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消して下さい。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入して下さい（2012 年度実施課題は 2014 年度末が期限となります。）①

論文（査読付）発表の報告（報告時期：2014 年 3 月）