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 ： 1304043P

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL15

（様式第 5 号）

アミロース結晶の粉末回折および熱膨張挙動
Powder Diffraction and Thermal Expansion of Amylose Crystals
小林加代子、内藤フィリップ邦夫、和田昌久

Kayoko Kobayashi, Kunio Phillip Naito, Masahisa Wada東京大学

The University of Tokyo※１※２

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ 、長 期 ト ラ イ ア ル ユ ー ス 、長 期 産 学 連 携 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 く だ 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、及び産学連携ユースを除く)

１．概要（注：結論を含めて下さい）
酵素合成した低分子量のアミロースを再結晶化させることによりアミロースの B 型
結 晶 を 調 製 し 、100 K〜 300 K の 温 度 範 囲 に お い て X 線 粉 末 回 折 測 定 を 行 っ た 。ど ち ら のア ミ ロ ー ス 結 晶 も 300 K と 比 較 し て 100 K で は 全 て の 格 子 定 数 が 減 少 し て い た 。ま た 100
K か ら 300 K ま で 徐 々 に 温 度 を 上 げ て い く と 、 各 ピ ー ク が 少 し ず つ 低 角 側 に シ フ ト す る
こ と が 観 測 さ れ た 。 こ の よ う な 変 化 は 250 K を 超 え た あ た り で 急 激 に 大 き く な り 、 相 転移が起きていることが示唆された。
B-type and A-type amylose crystals were prepared by recrystallization of short-chain
amylose, which was synthesized by phosphorylase. Synchrotron X-ray powder diffraction ofthese samples were carried out at 100–300 K. All the unit-cell parameters of both amylose
crystals at 100 K were smaller than the parameters at 300 K. When the samples were heatedfrom 100 to 300 K, the peaks gradually shifted to lower angles. These shifts in the peaks wereparticularly remarkable above 250 K, which indicated that the phase transition occurred aroundthis temperature.

２．背景と目的
澱粉は陸上植物をはじめとする多くの生物が光合成産物として貯蔵する多糖である。天然の澱粉は不溶性の顆粒として存在し、由来する植物種によって組成や固体構造が異なるため、それに応じて様々な物性を示す。したがって澱粉の利用にはその固体構造の理解が不可欠であり、これまでにも数多くの研究が行われてきた。しかしその構造は非常に複雑であり、未だに解明されていない点も多い。
澱粉は半結晶性の物質であり、その結晶領域は A 型もしくは B 型と呼ばれる結晶形を有している。
ただし、天然の澱粉を構成するアミロース（α-1,4-グルカン）には分岐があり、その分子量も一様ではなく、このような不均質な分子から結晶構造やその性質の解析に適した高結晶性の試料を得ることは難しい。そこで我々は、均一な構造を持つアミロースを酵素合成し、これを再結晶化させることによって極めて結晶性の高い A 型および B 型結晶を調製した。本研究ではこれらのアミロース結晶の粉末回折測定を 100〜300 K の温度範囲で行い、低温における結晶構造および熱膨張挙動を解明することを試みた。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
スクロース、スクロースホスホリラーゼ、マルトペンタオース、グリコーゲンホスホリラーゼを含む反応液を37℃で3日間反応させた。ここにエタノールを加えて得られた沈殿を回収し、重合度がおよそ20であるアミロースを得た。この合成アミロースを120℃で水に溶解させた後に徐々に冷却させたところ、室温付近で白色沈殿が生じ、Fig. 1に示すようなアミロースB型結晶が得られた。一方、溶解させた後に約60℃まで冷却したところで予め温めておいたアセトンを50%になるように加えると白色沈殿が生じ、Fig. 1bに示すようなアミロースA型結晶が得られた。
図 1 調製した試料の SEM 像(a) B 型アミロース(b) A 型アミロース

調製したA型およびB型結晶は相対湿度85%のデシケータ中に保存して余分な水分を除き、1mmのキャピラリーに封入した。これをBL15のデバイシェラーカメラに取り付け、試料の冷却装置を用いて100〜300 Kの温度範囲で粉末回折測定を行った。波長は1.8 Å、検出器にはイメージングプレートを用いた。得られた回折プロファイルは非線形最小二乗法プログラムを用い、各回折ピークをpseudo-Voigt 関数に近似してピーク分離を行った。
４．実験結果と考察
B 型アミロースの 300K において観測されたピークを既報の六方晶の単位格子 [Imberty & Perez,1988; Takahashi et al., 2004] に基づいて指数付けし、単位格子を求めたところ、a = 18.084 Å, c =10.538 Å となった。この値はこれまでに報告されたものとおおよそ一致していた [Imberty & Perez,1988; Takahashi et al., 2004]。一方、100 K で測定したものも同様にして単位格子を求めたところ a =17.935 Å, c = 10.492 Å となっており、300 K と比較して a 軸方向は 0.8%、c 軸方向は 0.4%、体積にして 2.1%小さかった。
一方、A 型アミロースを既報の単斜晶の単位格子[Imberty et al., 1988; Popov et al., 2009] に基づいて指数付けし、単位格子を求めたところ、a = 21.031 Å,
b = 11.696 Å, c = 10.660 Å, γ = 122.4°となった。この値はこれまでに報告されたものとおおよそ一致していた [Imberty et al., 1988; Popov et al., 2009]。100K で測定したものも同様にして単位格子を求めた
ところ a = 20.937 Å, b = 11.561 Å, c = 10.621 Å, γ =図 2 100 K から 300 K まで 25 K ずつ昇温さ
122.3°となっており、300 K と比較して a 軸方向はせた際の X 線粉末回折プロファイルの変化。
0.4%、b 軸方向は 1.2%、c 軸方向は 0.4%、体積に一番下が 100 K のプロファイル。
して 2.2%小さかった。
(a) B 型アミロース、(b) A 型アミロース
また B 型および A 型アミロースの昇温に伴う X線回折プロファイルの変化を図 2 に示した。徐々に昇温させながら測定を行っていくと、B 型、A 型ともに各ピークが徐々に低角側へとシフトすることが観測された。このような変化は特に 250 K 以上で顕著であり、以前に研究を行ったβ-1,3-グルカンの場合と同様に相転移が起きていることが示唆された [Kobayashi et al., 2013]。また B 型、A 型ともに温度上昇に伴って各ピーク幅が小さくなっており、結晶性が増加していることがわかった。
５．今後の課題
今後は各温度で得られた全てのプロファイルから単位格子を算出し、各格子定数の熱膨張係数や結晶性の変化などをさらに詳しく求めたい。また、得られた各ピークの強度を抽出して結晶構造解析を行い、各温度における結晶構造の解明を目指す。
６．参考文献A. Imberty and S. Perez
A revisit to the three-dimensional structure of B-type starch.
Biopolymers, 27, 1205–1221, 1988

Y. Takahashi, T. Kumano, and S. Nishikawa
Crystal structure of B-amylose.
Macromolecules, 37, 6827-6832, 2004
D. Popov, A. Buléon, M. Burghammer, H. Chanzy, N. Montesanti, J.-L. Putaux, G. Potocki-Véronèse, and C.
RiekelCrystal structure of A-amylose: A revisit from synchrotron microdiffraction analysis of single crystals.
Macromolecules, 42, 1167-1174, 2009
A. Imberty , H. Chanzy, S. Perez, A. Buléon, and V. Tran
The double-helical nature of the crystalline part of A-starch.
Jounal of Molecular Biology, 201, 365–378, 1988
K. Kobayashi, S. Kimura, E. Togawa, and M. Wada.
Thermal expansion behavior of hydrate paramylon in the low-temperature region.
Carbohydrate Polymers, 91, 543–548, 2013
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）
K. Kobayashi, S. Kimura, E. Togawa, and M. Wada.
Thermal expansion behavior of hydrate paramylon in the low-temperature region.
Carbohydrate Polymers, 91, 543–548, 2013
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）・ 澱粉・ アミロース・ X 線粉末回折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ください。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ください（2013 年度実施課題は 2015 年度末が期限となります。）
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。
① 論文（査読付）発表の報告（報告時期： 2014

年 4月頃を予定）
頃を予定）