― 51 ―酵素含有高分子フィルム（酵素フィルム）

酵素含有高分子フィルム（酵素フィルム）
菅駿輔＊・榊秀次郎

The phospholipid polymer film containing enzyme（Enzyme ﬁlm）
Shunsuke SUGA＊ and Shujiro Sakaki（平成25年12月16日受理）
A poly(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine-co-butylmethacrylate) (PMB) have functions of highwater absorbency, high moisture keeping, high moisture content and easy ﬁlm formation. And an enzyme
film containing of PMB, formaldehyde dehydrogenase (FDH) and its coenzyme NAD+ can decompose orconvert atmospheric formaldehyde into alcohol. However, the mechanism of the decomposed process inthe enzyme ﬁlm has not been investigated in detail. So, a purpose of this study is clarifying a decomposed
process in the enzyme ﬁlm. The decompose process of atmospheric formaldehyde by FDH is following of
three processes; (1) shift process (formaldehyde shifts into ﬁlm), (2) combine process (formaldehyde combines with FDH), and (3) decompose process (FDH decomposes formaldehyde). We understood that theprocesses of atmospheric formaldehyde decomposed didnʼt depend on the humidity. From these results, weconcluded that decomposed process is rate-determining step.

1. 緒

言

既 に、 水 溶 性、 吸 保 湿 性 及 び 自 由 水 含 量 が 高 い
2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)（ 図シックハウス症候群は、住宅の高気密化や高断熱化

１）3) と butylmethacrylate: (BMA） の 共 重 合 体 で そにより、建材・内装材から放散するホルムアルデヒドの 組 成 比 が 0.3：0.7（mol/mol） で あ る PMB37 3)等の化学物質が原因で、頭痛や吐き気、めまい、集中と、ホルムアルデヒド分解酵素である formaldehyde力の低下等の健康障害を起こす病気である 。特に、

dehydrogenase (FDH) を混合し、キャスト法にてフィホルムアルデヒドは建材や内装材の接着剤や塗料に含ルム化した酵素含有高分子フィルム（酵素フィルム）まれるフェノール樹脂やメラミン樹脂などを重縮合すを用いることで、気相中のホルムアルデヒド量を減少る際に必須であり、この病気の対策として換気をこまさせることは知られている 4）。

1）

めに行うことが挙げられ、ホルムアルデヒドをなくすという根本的な対策は知られていない。
一方で、ポリマーアロイは、合成高分子に対して新しい機能を付加する手法として知られている 2）。
例 え ば、 対 衝 撃 性 ポ リ ス チ レ ン（High Impact PolyStyrene: HIPS）は、硬く割れやすいが成型しやすいポ

メタクリロイル基
他のモノマーと重合が可能な官能基
CH3CH2 CC OO

ホスホリルコリン基
細胞膜のリン脂質構造と類似した構造

O(CH2) 2OPO(CH2)2N+(CH3) 3O-

リスチレンに対して柔らかいが成型しにくいポリブタジエンを混合することで、割れにくくしなやかな特性

図１.MPC の構造式を発現させている。しかしながら、ポリマーアロイは合成高分子に対して合成高分子を混合したものであしかしながら、酵素フィルムを用いた気相中のホルり、合成高分子に生体高分子である酵素を混合するこムアルデヒド分解過程の作用機序については、ほとんとは、その複合化方法が複雑であることや、合成高分ど解明されていない。そこで本研究では、まずは下記子と比較すると、複合材料のフィルム化や繊維化が困の①〜④についての検討を行い、最終的には、酵素フィ難であり、実用化されていない。

ルムによる気相中ホルムアルデヒド分解過程の作用機＊環境システム工学専攻

序解明を目的とした。

秋田高専研究紀要第 49 号

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菅駿輔・榊

① ホルムアルデヒド減少が酵素反応（酵素分解）によることの確認

秀次郎

＜方法＞

11.0 mg ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ（FDH）② 酵素フィルムの湿度への依存性（東洋紡績株式会社製）に 10 mM リン酸緩衝溶液 (pH③ PMB37 と他の水溶性ポリマーの比較

7.0) (10 mM NaPB) 110 μ L を加えて、溶解し FDH④ PMB37 とポリエチレングリコールの比較溶液を調製した。3.15 mL 5.0 wt% MPC/BMA 共重合体水溶液 (MPC/BMA ＝ 0.3/0.7, mol/mol)（PMB37）（日2. 実験油株式会社）（図３）に 350 μ L 100 mM NaPB を加え、PMB37 溶液を調製した。

２−１．ホルムアルデヒド減少が酵素反応（酵素分解）によることの確認
FDH は補酵素を必要とする酵素であり、補酵素であ る Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD） 等 と

CH3
CH2 C

CH2 C

0.3
C O

結合して酵素反応を起こすが、補酵素と結合していな

0.7
C OO

O(CH2) 2OPO(CH2)2N+(CH3) 3 OC4H9い酵素（アポ酵素）は基質と結合はするが酵素反応を起こすことができない特性を持つ

CH3O-5, 6）。

図３.PMB37 の構造式

そこで、このことを利用し、下記 3 つの量を測定し（図２）、フィルム中の FDH によって気相中のホルムアルデヒド量が酵素分解されていることを明らかにするこ

直径 10 cm ガラスシャーレ各々下記の溶液を添加した。とを目的とした。

尚、液量を一定にするために、FDH 未添加，0.01 M
NAD 未添加時には添加時と同量の 10mM NaPB を添• ホルムアルデヒドがフィルムに移行した量加した。

• ホルムアルデヒドがフィルムに移行した量＆ FDH① PMB37 フィルム
：3.3 mL PMB37と結合した量• ホルムアルデヒドがフィルムに移行する量＆ FDH② PMB37/FDH フィルム
：3.3 mL PMB37，110 μ L FDHと結合した量＆酵素分解された量③ PMB37/FDH/NAD フィルム
:3.3 mL PMB37，110 μ L FDH，1.1 mL 0.01 M NAD

基 質生成物

補酵素未結合ＦＤＨ

補酵素結合
ＦＤＨ① P MB 37
フィルムに移行した量② PMB37/FDH
フィルムに移行した量＆FDHと結合した量③ PMB37/FDH/NADフィルム
フィルムに移行した量＆FDHと結合した量＆酵素分解された量
図２. フィルム中における酵素反応モデル

添加後、室温で 17 時間乾燥して各酵素フィルムを調製した。
調製した酵素フィルムを各々デシケーターの下部に設置した。電熱器で 50 ｍ L ビーカーを 5 分間熱し、素早くデシケーター内に設置し上部から 18.5 % ホル
マリン 20 μ L を滴下し、素早く蓋を閉めて密閉しホルムアルデヒドを充満させた。0, 4, 24 時間後に、デシケーターに気体検知管にて、残存ホルムアルデヒド量をそれぞれ測定した（図４）。

ホ ル マ リン熱 した ビ ー カー
酵 素 フ ィル ム
気 体 検 知 管

図４. 残存ホルムアルデヒド量測定システム
平成 26 年２月

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酵素含有高分子フィルム（酵素フィルム）＜結果・考察＞＜結果・考察＞

各フィルムは全て透明でなめらかなフィルムになっ各フィルムは、湿度による違いがほとんど無く、全ていることを目視で確認した。て透明でなめらかなフィルムになっていることを目視

各フィルムの残存ホルムアルデヒド量を図５に示した。

で確認した。

PMBフィルム
PMB/FDHフィルム
PMB/FDH/NADフィルム

700

150300

FDHと結合した量

100

酵素分解された量

04

4時間
24時間

100

フィルムに移行した量

500

0残存ホルムアルデヒド量(ppm)

残存ホルムアルデヒド量（ppm）

各フィルムの残存ホルムアルデヒド量を図６に示した。

8 12 16 20 24
反応時間（h）

図５. 各時間における残存ホルムアルデヒド量500906030
相 対 湿 (%度R H)

図６. 各湿度における残存ホルムアルデヒド量

4 時間後の残存ホルムアルデヒド量を比較すると、湿度が高くなるとより多くのホルムアルデヒドが分解されていることがわかった。また 24 時間後の残存ホルムアルデヒド量を比較すると、全て 50 ppm 以下で各フィルムの残存ホルムアルデヒド量を比較するあったが、60%RH と 90%RH を比較すると、より湿と、① PMB フィルム ＜ ② PMB/FDH フィルム ＜度が高い 90%RH の方がより多くのホルムアルデヒド③ PMB/FDH/NAD フィルムが分解されていることがわかった。となった。

以上の結果より、酵素フィルムによる気相中のホルムアルデヒド分解過程は、以上の結果より、酵素フィルムの分解能は湿度に依存していることがわかった。

（Ⅰ）ホルムアルデヒドが移行する移行過程（Ⅱ）ホルムアルデヒドが FDH と結合する結合過程

２−３．PMB37 と他の水溶性ポリマーの比較（Ⅲ）FDH により酵素分解される分解過程＜方法＞の３過程によること、つまり気相中のホルムアルデ２−１の③ PMB37/FDH/NAD フィルムの PMB37

ヒド量の減少は酵素反応（酵素分解）によることが確の代わりに他のポリマーとして、ポリビニルアルコー認された。

ル（PVA）（キシダ化学株式会社 , M.W.=22,000）、ポリエチレングリコール（PEG）（キシダ化学株式会社 ,２−２．酵素フィルムの湿度への依存性

M.W.=7,400 〜 9,000）、ポリビニルピロリドン（PVP）＜方（キシダ化学株式会社 , M.W.=40,000）、２−メタクリ法＞

２ − １ の ③ PMB37/FDH/NAD フ ィ ル ム と 同 様

ロイルオキシエチルホスホリルコリン (MPC) 単独重に各溶液を混合し、恒温恒湿器内（25℃／ 30, 60,合 体（PMPC）（ 日 油 株 式 会 社 製 ） 及 び、MPC/BMA90%RH) で各々 17 時間乾燥させ、酵素フィルムを調共重合体（MPC/BMA ＝ 0.8/0.2, mol/mol)(PMB82)（日製した。

油株式会社製 ,）（図７) を使用した。

各フィルムを２−１と同様にホルムアルデヒドを充満させ、恒温恒湿（25℃／ 30, 60, 90%RH)・各時間（0,4, 8, 24 時間）後に、残存ホルムアルデヒド量をそれぞれ測定した。

CH2 CHOH

CH2CH2OnPVANPEG

CH3CH3CH2 CnC O

0.8C OO

O(CH2)2OPO(CH2)2N+(CH3)3O-

図７CH2 CO0.2
C O

O(CH2)2OPO(CH2)2N+(CH3)3 OC4H9O-

P MPC

n
O

PVP

CH3CH2 C

秋田高専研究紀要第 49 号

CH2 CHnP MB82

他の水溶性ポリマーの構造式

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菅駿輔・榊

恒温恒湿器 (25℃／ 30, 60, 90%RH) で 17 時間乾燥秀次郎（W4）。

させ、各ポリマー酵素フィルムを調製した。

各精秤結果（W1, W2, W3, W4）及び、下式（１）よ調製後、各ポリマーフィルムを２−１と同様にホルりフィルムの含水率を求めた。

ムアルデヒドを充満させ、恒温恒湿（25℃／ 30, 60,含水率（％）=[W3-W4]/[W3-W1] × 100･･･（式１）90%RH ／ 0, 4, 8, 24 時間）後に、残存ホルムアルデヒド量をそれぞれ測定した。

＜結果・考察＞
各フィルムの含水率の結果を表３に示した。

＜結果・考察＞
各フィルムは、湿度による違いがほとんどなかった。

表３.PMB37 及び、PEG フィルムの含水率

PVP を用いたフィルムは表面が滑らかではなく少し白濁していたが、それ以外のポリマーは全て透明でなめフィルム名らかなフィルムになっていることを目視で確認した。
残存ホルムアルデヒド量（ppm）

各フィルムの残存ホルムアルデヒド量を図８に示した。
300
250
200
150

90%RH

60%RH

30%RH

4時間

相対湿度90%RH

60%RH

30%RH

PMB37 フィルム

36.6%

31.5

25.7%

PEG フィルム

55.7%

40.8

27.0%

2 4時間

以上の結果より、全ての湿度で PMB37 フィルムよ100

りも PEG フィルムの含水率が高いことがわかった。

500ポリマー名

図８. 各ポリマーにおける残存ホルムアルデヒド量

２−５.PMB37 とポリエチレングリコールの比較２（含水率測定）＜方法＞

90%RH では使用したポリマーに関わらず、全ての２−１と同様に 5.0 wt% PMB37 水溶液及び、5.0

酵素フィルムで 50 ppm 以下に分解することができ

wt% PEG 水溶液を用いて下記①〜⑥のフィルムを調製た。 一 方、60%RH で は 90%RH と 比 較 す る と、PEGした。

及び、PVA の分解能は低くなった。更に、30%RH で尚、液量を一定にするために、FDH 未添加，0.01 M

は PMB37 は４時間で 75 ppm まで分解することがで

NAD 未添加時には添加時と同量の 10mM NaPB を添き、PMB82 は 150 ppm、PMPC 及 び、PVP は 200加した。

ppm まで分解でき、PEG 及び、PVA は 300 ppm までしか分解できなかった。

①：3.3 mL PMB37以上の結果より、使用したポリマーに関わらず、湿度が高いと全ての酵素フィルムでホルムアルデヒドを②PMB37/FDH フィルム
：3.3 mL PMB37，110 μ L FDH分解することができることがわかった。また、他の水溶性ポリマーと比較すると、PMB37 酵素フィルムは、

PMB37 フィルム

③PMB37/FDH/NAD フィルム

湿度が低くてもホルムアルデヒドを分解できることが:3.3 mL PMB37，110 μ L FDH，1.1 mL 0.01 M

わかった。

NAD④（含水率測定）＜方⑤PEG/FDH フィルム
：3.3 mL PEG，110 μ L FDH

法＞

直径 10 cm ガラスシャーレを精秤し（W1）、各々PEG フィルム
：3.3 mL PEG

２−４.PMB37 とポリエチレングリコールの比較１⑥PEG/FDH/NAD フィルム

3.3 mL PMB37 水溶液及び、3.3 mL PEG 水溶液、1.21:3.3 mL PEG，110mL 10 ｍ M NaPB を添加し精秤した（W2）。

NADμ L FDH，1.1 mL 0.01 M

恒温恒湿器内（25℃／ 30, 60, 90%RH）で 17 時間乾燥させ、フィルムを調製した。調製したフィルムを精調製後、各ポリマーフィルムを２−１と同様にホル秤した（W3）後、110℃／ 4 時間乾燥させ精秤した

ムアルデヒドを充満させ、恒温恒湿（25℃／ 30, 60,
平成 26 年２月

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酵素含有高分子フィルム（酵素フィルム）

90%RH ／ 0, 4, 8, 24 時間）後に、残存ホルムアルデていることがわかった。

ヒド量をそれぞれ測定した。

（Ⅰ）ホルムアルデヒドが移行する移行過程（Ⅱ）ホルムアルデヒドが FDH と結合する結合過程＜結果・考察＞（Ⅲ）FDH により酵素分解される分解過程

PMB37 の表面は滑らかであったが、PEG を用いた

酵素フィルムの湿度への依存性

フィルムは全体に少し白濁しているフィルムであっ酵素フィルムの分解能は湿度に依存していることがた。しかしながら、調製時の湿度による差はほとんどわかった。

見られなかった。

PMB37 と他の水溶性ポリマーの比較

各フィルムの残存ホルムアルデヒド量を図９に示した。
PMBフィルム

残存ホルムアルデヒド量（ppm）

700

PMB/FDHフィルム

30%RH

600
500

PMB/FDH/NADフィルム

60%RH

90%RH

ルムアルデヒドを分解することができることがわ
PMB37 酵素フィルムは、湿度が低くてもホルムアル200デヒドを分解できることがわかった。

100048 12 16 20 24 0PEGフィルム
700

48 12 16 20 24 0

PEG/FDHフィルム

30%RH

600
500

48 12 16 20 24PEG/FDH/NADフィルム

60%RH90%RH

PMB37 とポリエチレングリコールの比較１（含水率測定）
全ての湿度（30, 60, 90%RH）で PMB37 フィルムよりも PEG フィルムの含水率が高いことがわかった。

400300２−５.PMB37 とポリエチレングリコールの比較２

2001000に関わらず、湿度が高いと全ての酵素フィルムでホかった。また、他の水溶性ポリマーと比較すると、4003000使用したポリマー（PVA, PEG, PVP, PMPC, PMB82）

048 12 16 20 24 0

48 12 16 20 24 0

48 12 16 20 24（含水率測定）
PMB37 を用いた酵素フィルムは、PEG を用いた酵反応時間（ｈ）

図９．各ポリマーにおける残存ホルムアルデヒド量

素フィルムよりも酵素のターンオーバー数が多く、より多く酵素反応が進行していることがわかった。

「ホルムアルデヒドがフィルムに移行した量」を比較 す る と、 全 て の 時 間・ 湿 度 に お い て、PMB37 は以上の結果より、酵素フィルムの分解能は、フィルPEG よりも多かった。また、「ホルムアルデヒドがムの含水率には依存せず、フィルム中の自由水含量にフィルムに移行した量＋ FDH と結合した量」を比較依存してい、つまりフィルム中の自由水含量が高いと、すると、若干の差はあるが全ての時間・湿度において、酵素の反応性が高くなり、低湿度（低含水率）でもよ

PMB37 と PEG はほぼ同じであった。更に、「ホルムり多くのホルムアルデヒドを分解できたと思われるアルデヒドがフィルムに移行した量＋ FDH と結合し４. 参考文献た量＋酵素分解された量」を比較すると、全ての時間・湿度において、PMB37 は PEG よりも多かった。
以上の結果より、PMB37 を用いた酵素フィルムは、

1)
2)
3)

石原一彦 . 先端医療を支える新素材

ＭＰＣポリマー . MMJ.2010, Vol.6, No2, p.68-70.

湿度（低含水率）でもよりホルムアルデヒドを分解できたと思われる。

井上隆，市原祥次，ポリマーアロイ，共立出版株
式会社，1988，p.1-6がわかった。これは、PMB37 は PEG よりもフィルム中の自由水含量が高く、酵素の自由度が高いため、低やさしい建築環境，学芸出版社，2009，p.93-94

PEG を用いた酵素フィルムよりも酵素のターンオー
バー数が多く、より多く酵素反応が進行していること

辻原万規彦，今村仁美，田中美都，図説

4)

Naoki TANAKA,; Akihiro WATARI,; Tomoko TADA,;
Tomoko ASADA,; Shigeru KUNUGI,; Yin-Fai Lee,;

3. まとめ・Satoshi YAMADA,; Kenshiro SHUTO,; Shujiro
SAKAKI. APPLIED MATERIALS & INTERFACES,
2009, VOL.1, NO.2, 228-231

ホルムアルデヒド減少が酵素反応（酵素分解）によることの確認

5)

1995, p.3-4.

酵素フィルムによる気相中のホルムアルデヒド分解
過程は、以下の（Ⅰ）〜（Ⅲ）の過程で酵素分解され秋田高専研究紀要第 49 号

田中渥夫 , 松野隆一 . 酵素工学概論 , コロナ社 ,6)

船津勝編 . 酵素 , 講談社 , 1976, p.10-20.