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 ： 1210099S

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 (II)Analysis and application of spontaneous structural change for molecular chains ofpolysaccharides using small-angle X-ray scattering (II)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）
微 結 晶 セ ル ロ ー ス 繊 維（ MCC）を 試 料 と し 、こ れ を 高 濃 度 の ア ル カ リ で 処 理 す る こ と（ マ ー セ ル 化 ） に よ る 構 造 変 化 を 小 角 X 線 散 乱 （ SAXS） 測 定 に よ り 検 討 し た 。 マ ー セル 化 後 の MCC（ MCCm） の SAXS 像 は 、 高 q レ ン ジ （ 実 空 間 で 10 nm 以 下 の 範 囲 ） でPorod 則 が 適 用 さ れ 、 MCCm は こ の 範 囲 に お い て 表 面 が 平 滑 で あ る こ と が 示 唆 さ れ た 。
こ れ は 、 MCCm が 凝 集 を 生 じ や す い こ と と 矛 盾 し な い 。 一 方 、 ア オ サ 由 来 の 多 糖 ulvanに 塩 を 添 加 し て 得 ら れ た ゲ ル の SAXS 像 に お い て は 、添 加 塩 の 種 類 お よ び 濃 度 に よ る 試
料ごとの相違が見られなかった。
（ English ）Small-angle X-ray scattering (SAXS) measurements were used to investigate thestructure change of microcrystalline cellulose, MCC, fibers during alkali treatment,i.e. mercerization. The Porod’s law was applied to the SAXS profile of themercerized MCC in the high q range (around 10 nm in the real space). It indicatesthat the mercerized MCC has a smooth surface. That corresponds to the fact thatthe mercerized MCC is facilitated to make flocs. A polysaccharide called ulvan,
extracted from a kind of seaweed Ulva, makes gels by the addition of salts.
However, no difference was found among their SAXS profiles .
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、微結晶セルロース繊維に高濃度アルカリ処理を施した試料について、その構造を小角X線散乱測定により検討した。さらに、海藻の一種アオサから抽出される多糖ulvanに着目し、これに塩を添加して得られるゲルの構造を同様の観点から小角X線散乱測定実験に供した。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
セルロース試料は、市販の微結晶セルロース（MCC: セオラスⓇ UF-711，旭化成ケミカルズ㈱））を用いた。これをマーセル化することにより結晶構造を変化させた試料（MCCm）を調製した。ここ
でマーセル化とは、セルロース試料を高濃度（今回は17.5%）の水酸化ナトリウムに浸漬して膨潤させた後、酸にて中和し、乾燥させる手法のことである。マーセル化により、セルロースの結晶構造はセルロースⅠからセルロースⅡに変化することが知られているが、そのメカニズムの詳細は明らかにはなっていない。そこで、今回の実験では、マーセル化前後における微結晶セルロースに対して小角
X線散乱（SAXS）測定を行い、マーセル化により「らせん」をはじめとする長周期構造が現れるかどうかを検討した。
その他の多糖試料については、アオサ（博多湾にて採取）を熱水抽出した多糖ulvanを用いた。ulvanの5～7 wt%水溶液に塩化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化バリウムをそれぞれ加えることによってゲルを調製した。塩の濃度は、7 wt%のulvan水溶液に対しては0.75 Mであり、ulvanの濃度が変化しても対ulvanあたりの塩の当量は同じになるように調製した。
マーセル化前および後の微結晶セルロースおよびulvanから得られたゲルを、自作の固体用セル（カプトン窓）に固定し、BL11においてE = 8.0 keV、カメラ長1,165 mm、検出にはイメージングプレー
トを用いてSAXS測定を行った。doseは試料に応じて300～3000 sとした（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線真空筒セルカメラ長 1,165 mm

He パス 800 mm

ビームストッパー 3 mm
図１実験レイアウト.

４．実験結果と考察
図２に、マーセル化前後の MCC に対して得られた SAXS 像を示す。
55432

MCCmMCCwet

MCCMCCmwet

10-1.2-1-0.8 -0.6 -0.4 -0.2

log ( q / nm-1 )log ( I(q) / a.u. )log ( I(q) / a.u. )A

MCCnfmsolid

43B

MCCnfsolid
MCCnfsusp

2MCCnfmsusp

10-1-0.8 -0.6 -0.4 -0.20

log ( q / nm-1 )図２ マーセル化前後における微結晶セルロース（MCC）の SAXS 像.
A: 乾燥および湿潤状態での MCC と MCCm の比較.
B: 同様の比較を微細化した繊維（MCCnf）に対して行った。固体と懸濁液状態での比較.

図２A より、MCC と MCCm のプロファイルはほぼ同じように見えるが、散乱ベクトル q が大きい
レンジで MCCm では Porod 則に由来する I ∝ q-4 となる領域が見られた。この傾向は、MCC を微細化して MCCnf とした場合（図２B）も同じであって、MCCnfm（マーセル化後）は高 q レンジで Porod則が適用できた。この q レンジは実空間でおおよそ 10 nm に相当する。これらのことより、マーセル化を施した MCC は 10 nm 程度のスケールにおいて表面が平滑であることが示された。これは、マーセル化を施した MCC が凝集を生じやすいことと矛盾しない。しかし、本実験においては「らせん」の存在を示すような特徴的な散乱は見られなかった。
図３は、ulvan の水溶液に塩を添加して得られたゲルの SAXS 像である。ulvan の濃度を変化させても、また塩の種類を変化させても、プロファイルに大きな変化はなかった。このことから、今回測定に供したサンプルはいずれも濃度が低すぎて明瞭な散乱が得られなかった可能性がある。今後は、濃度を高くして測定する、あるいは照射時間を長くして測定をする必要がある。

4log ( I(q) / a.u. )Added salts / Ulvan concentrations

3210-1

BaCl2 / 7%
BaCl2 / 5.25%
CaCl2 / 7%
CaCl2 / 5.25%
MgCl2 / 7%
MgCl2 / 5.25%
Water-0.8-0.6-0.4-0.20-1log ( q / nm )図３ アオサ由来多糖 ulvan に種々の塩を添加して調製したゲルの SAXS 像.
５．今後の課題
今回の SAXS 像では、ulvan から得られたゲルについて、その構造を明らかにすることができなかった。今後、試料濃度を高めるあるいは照射時間を長くして測定することにより、その構造の詳細を検討していきたい。

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).
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）
セルロース、小角 X 線散乱、マーセル化

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）