イオン液体を用いた植物葉からの天然有機化合物の新規獲得法
Extraction and isolation of natural products from plant leaves utilizing ionic liquids
上智大学理工学部物質生命理工学科

准教授

藤田 正博

Masahiro Yoshizawa-Fujita (Associate Professor)
准教授

臼杵豊展

Toyonobu Usuki (Associate Professor)
Department of Materials and Life Sciences, Faculty of Science and Technology, Sophia University

1. はじめにマス処理技術が、ひときわ大きな注目を集めている。

イオン液体は 100℃以下に融点を有する塩であり、そ油に代わるエネルギー源として、植物との共生を意識しの名の通りイオンのみからなる液体である。水、有機溶たエネルギー変換に使用される資源である。代表的な媒とは異なる特徴を多数有する。例えば、蒸気圧が極バイオマスは、地球上で最も豊富に存在するセルロースめて低いこと、難燃性であること、数百℃にわたる液体である。セルロースはグルコースなどの有用な物質を生範囲をもつことなどが特徴として挙げられる。さらに、イオ産できるため、各種エネルギー源として注目を集めていン伝導性や電気化学的安定性、有機・無機化合物のる。
しかし、セルロースはグルコースがβ-1,4 結合で重合溶解性にも優れる 。ただし、これらの特徴は全てのイした多糖類であり、分子内および分子間で多数の水素オン液体が等しく有するものではなく、イオン液体を構成結合を形成している。そのため、セルロースは水や汎用するイオンの性質に依存するため、目的に応じて適切なの有機溶媒には不溶である。バイオマスの有効利用がイオン構造を選択する必要がある。これを前向きにとら社会的要請としてあるものの、強酸とともに高温・高圧えれば、イオンの分子デザインを通じて、目的に合致する下で処理を行う既存の技術では、多大なエネルギーをイオン液体を誰もが開発できることになる。実は、イオン投入する必要があるため、実質的なエネルギー獲得にの組み合わせは無数にあるという特徴が、多くの研究は至っていない。

バイオマスとは、いずれ枯渇すると想定されている石1）

者を引きつける大きな魅力ではないだろうか。

2002 年、前述の Rogersらは、イオン液体にセルロー

現在のイオン液体研究の発端となった論文は、アメリスが溶解することを報告した 7）。この発見がブレークス

カ空軍アカデミーの Wilkesら 2）とIBM の Cooperら 3）にルーとなり、イオン液体を用いたバイオマス処理技術のよって 1992 年に報告された（イオン液体に関する最初研究が活発化した。これまでの研究から、イオン液体のの論文は、1914 年にドイツの化学者 Walden により報告

アニオン構造がセルロース溶解性の鍵であることがわされたと言われており 、今年は 100 周年の記念すべきかっている。つまり、アニオンのルイス塩基性（電子供与年であるが、アラバマ大学の Rogersらは、イオン液体の性）が高いイオン液体ほど、セルロースの溶解性に優れ定義の観点から異議を唱えている ）。その後、日本でる 8）。種々のイオン液体を用いてセルロース溶解度を検は電解質材料を中心にイオン液体の研究が活発化し討した結果、Rogersらは塩化物イオンがセルロースのたが、欧 米ではイオン液 体中での化 学 反 応、触 媒 反溶解性に優れていることを明らかにした。その後、酢酸応、分離・抽出など環境に優しいグリーンソルベントとしアニオン 9）やギ酸アニオン 10）からなるイオン液体が塩化ての研究が盛んになった。今では、イオン液体の研究は物系イオン液体と同等のセルロース溶解性を示すことバイオ関連分野にも展開してきており、応用分野は多岐が報告された。さらに東京農工大学の大野らは、亜リンにわたる 6）。それらの中でも、イオン液体を用いたバイオ酸類が有力なアニオンの候補であることを見出した 11）。

4）

5）

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セルロースを溶解するイオン液体の代表的な構造を図 1に示す。

2. シキミ酸
シキミ酸は、1885 年に Eijkman によりシキミ（樒）の果実から初めて単離された天然有機化合物である 15）。仏事などでよく用いられるシキミは主に日本に生息する植物で、その学名は Illicium religiosum であり、毒性を有することが知られている。シキミ酸は、トリプトファン、チロシン、フェニルアラニンなどのアミノ酸 16,17）やアルカロイド、フラボノイド、リグニンなど 18）の生合成過程における重要な中間体であり、多くの植物に含有されている。173 種の植物の特定部位におけるメタノール抽出物のうち、97

図 1 セルロースを溶解する代表的なイオン液体の構造種類の植物においてシキミ酸が検出されたという報告がある 19）。例えば、Illicium religiosum（シキミ、モクレン

イオン液体とセルロースをキーワードにした研究は、セ科）、Illicium verum Hook f.（トウシキミ、モクレン科）、ルロースの活用および有用物質への変換のみに注力さ

Terminalia arjuna（アルジュナ、シクンシ科）、Pistacia

れているのが現状である。最近になって、イオン液体をlentiscus（マルティクス、ウルシ科）、Ribes aureum

用いて植物から天然有機化合物を抽出する研究が報（ゴールデンカラント、スグリ科）、Symphytum officinalis

告されるようになった 12）。しかし実際に、天然物の単離（ヒレハリソウ、ムラサキ科）、Actaea pachypoda（アクタまで至った報告はごく僅かである。イオン液体は難揮発エア・パキポダ、キンポウゲ科）、Alangium salvifollium性の液体であり、植物からイオン液体相に抽出した有（シログキウリノキ、ウリノキ科）、Ginkgo biloba（イチョ機化合物を単離するのが困難であることが主な原因とウ、イチョウ科）、Dipsacus laciniatus（ディプサクス、マして考えられる。Rogersらは、イオン液体を用いてオレンツムシソウ科）、Agastache urticifolia（アガスタキ、シソジの皮からオレンジ精油の主成分であるリモネンを抽出科）、Inula helenium（オオグルマ、キク科）など、多種した多様の植物にシキミ酸が含まれていることが知られてい。オレンジの皮をイオン液体に溶解させ、所定の13）温度で撹拌後、ただちに減圧蒸留を行った結果、揮発成分であるリモネンだけを単離できた。イオン液体の難揮発性という特徴を活用した良い例である。

8る。
現在、製薬企業ロシュは、シキミ酸を出発原料として12 段階でインフルエンザの治療薬 oseltamivir（オセル

我々は、セルロースを溶解するイオン液体を用いて、タミビル、通称タミフル（図 3））を工業的に生産している。

植物葉から未だ誰も成し得ていない不揮発成分の天中国南西部の広西、四川、雲南、貴州省にある4 つの然有機化合物を効率的に抽出・単離する方法論を検山中に生息しているスターアニス（八角または唐樒とも討してきた。本稿ではその一例として、生命力が強く入言う、図 4）からシキミ酸を抽出することで、全 供 給の手が容易なイチョウの葉から、インフルエンザの特効薬70%を得ている 20）。栽培条件が最適なこれらの山で採「タミフル ® 」の原料物質であるシキミ酸に着目し、その取されたスターアニス30kg から、シキミ酸 1kgを得てい効率的獲得法について紹介する（図 2）14）。

ることをロシュは報告している。一方、残りの 30% は、大図 2 イオン液体を用いることによりイチョウ葉からシキミ酸を効率的に獲得できるか？

図 3 タミフルの分子構造

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図 4 スターアニス（八角、または唐樒）イオン液体を用いた植物葉からの天然有機化合物の新規獲得法

腸菌を用いた発酵法で得ている。ところが最近では、スターアニスの乱獲による資源の枯渇や昨今の生物資源

3. シキミ酸の抽出問題を抱えている。また、潜在的なインフルエンザの世

イチョウ葉の採取は上智大学四谷キャンパス構内で界的流行を鑑みると、シキミ酸の定常的な供給が必要行った。イチョウ葉の性別は葉の形で区別し、本研究にである。さらに、多くの国々がタミフルを余分に貯蔵しておいてはメスのみを用いた。イオン液 体は 1-butyl-3-いることも問題視されている 21）。少し古いデータになる

methylimidazolium chloride（［C 4 mim］Cl）
を用いた。

が、2004 年の第 1 四半期において、タミフルの全売り上イオン液体との比較のため、水、メタノール、および N,N-げに占める日本の割合は、80% に達しているとの報告

ジメチルホルムアミド（DMF）
を用いてシキミ酸の抽出実がある。シキミ酸を出発原料としないタミフルの合成験を行った。イチョウの葉からシキミ酸を抽出する手順を法は多数報告されてはいるが 23）、いずれも未だに工業

図 5 に示す。まず、イチョウ葉を液体窒素で凍結させた化されていない。最近では、化粧品メーカーのコーセー後、粉砕した。そのイチョウ葉を［C 4 mim］Cl 中で 1 時間がシキミ酸を有効成分とする美白剤の特許を公開して加 熱 撹 拌し、加 熱 温 度 は、100℃、130℃、150℃としいるた。加熱撹拌後、イオン液体の粘性を下げるためにメタ22）。シキミ酸はタミフルの原料だけではなく、様々な24）用途への応用が期待されている。

ノールを加え、室温で 30 分撹拌し、セライトにより濾過しスターアニス以外の天然資源からシキミ酸の供給源た。濾液を回収しメタノールを留去することで、イオン液を確保することは、上記の問題解決につながる。そこで体を含むイチョウ葉抽出物を得た。一方、水や有機溶

我々は、地 域 偏 在 性が低く、シキミ酸を豊 富に含むイ媒を用いた抽出実験では、各溶媒の環流条件下で 1チョウに注目した。イチョウは、現存する植物の中でも最時間加熱撹拌した。加熱撹拌後、セライトを用いて濾過も原始的な種類に属し、約二億年前から生息するほどを行い、除媒することでイチョウ葉抽出物を得た。各方生命力の強い植物で、「生きている化石」とも言われて法で得たイチョウ葉 抽出物の分 析は、逆 相 HPLC でいる。また、世界的にみたイチョウの分布に関して、少な行った。

くとも年平均気温 0℃がその限界温度となっている 25）。

イチョウ葉抽出物の HPLC チャートを図 6 に示す。比つまりイチョウは地球上の広い地域で生息でき、簡単に較のため、シキミ酸および［C 4 mim］Cl の HPLC チャート入手できる植物だといえる。当然、東京・千代田区の上も示す。標品のシキミ酸の保持時間は約 4 分であった。

智大学四谷キャンパスも例外ではなく、立派なイチョウ［C 4 mim］Cl の HPLC チャートの場合、顕著なピークは並木がある。イチョウは、本研究のターゲットとして極め観察されず、保持時間が 3 分前後においてベースライて魅力的な存在である。

ンが少し乱れた程度であった。シキミ酸と重なるピークが

図 5 シキミ酸の抽出手順
DMF、水を用いた抽出実験の場合、加熱温度以外の条件はメタノールと同様の手順で行った。

図 6 シキミ酸の標品、イオン液体、およびイチョウ葉抽出物のHPLCチャート

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ないことを確認した。イオン液体を含むイチョウ葉抽出物の HPLC チャートでは、シキミ酸の保持時間と一致する位置にピークを特異的に観察することができた。

4. シキミ酸の抽出機構
イオン液体中でイチョウ葉を煮込むとシキミ酸の抽出

イチョウ葉の重量に対するシキミ酸の抽出率と撹拌温率が向上するのはなぜか？［C 4 mim］Cl はセルロースを度の関係を図 7 に示す。標品の HPLC チャートを用いて溶かすという事 実が鍵を握っているのではないだろう

検量線を作成し、イチョウ葉の重量に対するシキミ酸のか。つまり、［C 4 mim］Cl が細胞壁の主要成分であるセ抽出率を求めた。
［C 4mim］Cl 中、100℃で撹拌した場

ルロースを溶解することで、細胞内の成分を抽出しやす合、シキミ酸の抽出率は 2.0% であった。加熱温度が同くしたと考えられる。抽出実験後のイチョウ葉を乾燥さ等のメタノールや水の場合、シキミ酸の抽出率は、それせ、それら葉の表面をSEM で観察した（図 8）。比較のぞれ 1.5%、1.7% であり、［C 4mim］Cl（100℃）と同等のため、抽出実験前のイチョウ葉表面も示す。未処理のイ抽出率であった。ところが［C 4mim］Cl の場合、加熱温チョウ葉表面には、粒状組織の塊が観察された。メタ度を130℃、150℃と上昇させたところ、シキミ酸の抽出ノール中で撹拌した後のイチョウ葉表面にも、未処理の率は 3.4%、4.2%となり、温度の上昇とともに増大した。

イチョウ葉表面と同様の粒状組織の塊が観察された。

加熱温度の効果だけで抽出率が向上したのではないか

一方、［C 4 mim］Cl 中で撹拌した後のイチョウ葉表面にと考え、DMF 中、150℃でイチョウ葉を撹拌したが、シキは粒状組織の大きな塊は観察されず、比較的平坦でミ酸の抽出率は 1.2% であり、メタノール、水の抽出率とあった。
［C 4 mim］Cl がセルロースを溶かしたことで粒状同等の結果であったことから、単純な加熱効果だけでは組織が消失したものと考察した。

ないことがわかった。このように、イチョウ葉を［C 4mim］

水はセルロースの貧溶媒であり、［C4mim］Clに水を加Cl 中で加熱撹拌することで、シキミ酸の抽出率が既存えるとセルロースの溶解性は顕著に低下することが知らの溶媒よりも2 倍以上向上することがわかった。

れている 26）。したがって、イチョウ葉に含まれる水分は極力除くことが理想的であるが、採取したイチョウ葉は全く乾燥せずに実験に用いた。そこで、イオン液体中にイチョウ葉を加え、所定の温度で 1 時間撹拌した後、カールフィッシャー水分計で含水率を測定した。100℃、130℃、150℃で撹拌した場合、含水率はそれぞれ 5.9 wt.%、3.1 wt.%、1.3 wt.% であった。撹拌温度の上昇に伴い含水率が低下したことから、セルロースの溶解性が向上し、シキミ酸の抽出率が増加したと考えられる。そしてこの結果は、SEM観察によるイチョウ葉表面の形状の傾向と一致した。しかしながら、シキミ酸の抽出機構の全容解

図 7 イチョウ葉の質量に対するシキミ酸の抽出率と撹拌温度の関係

図 8 イチョウ葉表面の SEM 写真

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明には至っておらず、今後より詳細な検討が必要である。

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5. シキミ酸の単離

6. おわりにすでに述べたように、イオン液体を用いた植物葉か

本稿では、セルロースを溶解する［C 4 mim］Clを用いらの天然有機化合物の獲得に関する報告は徐々に増て、イチョウ葉からタミフル原料物質シキミ酸を効率的えている。しかし、目的化合物を単離した報告は稀でに抽出・単離する革新的な方法について紹介した。本ある。イオン液体の特徴である難揮発性が、単離を難成果は、イギリス王立化学協会の Chemistry World 誌しくしているためだろう。我々は、イオン交換樹脂を用いにも特集された 28）。タミフルヘビーユーザーである日本て、［C 4 m i m］C l からシキミ酸を単離する方法を検討しで、シキミ酸の新規獲得法を開発することは意義深いた。イオン交換樹脂には、アニオン交換樹脂であると考えている。また最近になって我々は、シキミ酸のようAmberlite IRA 400を用いた。まず、［C 4 mim］Clを含な水溶性天然有機化合物だけでなく、植物葉からイオむイチョウ葉抽出物をイオン交換樹脂に担持し、シキミン液体を用いた非水溶性天然有機化合物の効率的な酸を吸着させた。メタノール、次いでイオン交換水を通抽出・単離にも成功している。続報を期待されたい。

27）

液し、
［C 4 mim］Cl や 不 純 物を洗い流した。その 後、東京のど真ん中に居ながら、よもや生物資源を得よう

25% 酢酸水溶液を通液し、シキミ酸を溶出させた。このとは夢にも思わなかった。これまで、我が国は資源の少1

溶 液を濃 縮し、抽 出 物の H NMR 測 定を行った（図ない国だと教えられてきた。確かに、石油や鉱物資源9）。比 較 の ため、標 品 の NMR スペクトルも示 す。に乏しいことは間違いない。しかし技術の進歩に伴い、［C 4 mim］Cl が 除 去されたことは 確 認 できたが、3〜メタンハイドレートやシェールガスなど、新しいエネル4ppm の範囲に不純物に基づくピークが観察された。そギー源の探索や獲得方法の開発が急ピッチで進めら

こで、イオン交換樹脂から回収したシキミ酸をHPLC にれている。バイオマスの有効活用についても、セルローより精製した。その結果、不純物に基づくピークは消失

スを溶解するイオン液体の登場により、益々注目を集めし、シキミ酸の標品と同等の NMR スペクトルとなった。

るようになった。最近、我々は水存在下、非加熱でセルこのように、イオン液体中に含まれるシキミ酸の単離にロースを溶解できるイオン液体を開発した 29）。イオン液成功した。

体がバイオマス処理技術の発展と我が国に眠る天然

図 9 標品および各精製段階におけるシキミ酸の 1H NMRスペクトル

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資源獲得に大いに貢献できるものと期待している。
最後に、本研究にご助言くださいました陸川政弘教授（上 智 大 学 理 工 学 部）に深 謝いたします。また、本稿で紹 介した研 究を強 力に推 進してくれた保田菜々絵氏（上智大学大学院理工学専攻化学領域）に深く感謝いたします。彼女の情熱とアイデア無くして、これらの成果を挙げることはできませんでした。さらに、研究

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