東京理科大学 理工学部
応用生物科学科准教授

技術解説㻌

光触媒技術のバイオ関連応用

博士（理学）中田 一弥㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 .D]X\D1DNDWD

Applications of Photocatalysis in Biology

はじめにつ大量に生産することがますます求められている。

 光触媒は日本発の科学技術であり、エネルギー・作物を栽培する際、種子の厚まきをした後、間引き環境問題を解決する切り札としての将来性が期待をすることで発芽率の低さを補い、弱い個体を排除されている。現在、主に使用されている光触媒は「酸する作業が行われることがある。しかし、この方法化チタン」であり、光照射によって「酸化分解力」は種を大量に蒔くことを前提としている他、間引きと「超親水性」の二つの機能が発現する（図 1）の機械化が困難であるため、労力を要する。したが「酸化分解力」は消臭、抗菌などに、「超親水性」って、種子の発芽率を向上させることができれば、は防曇、防汚（セルフクリーニング効果）などにそ播種する種子の量を減らすことが出来、かつ労力をれぞれ応用されており、様々な製品が販売されてい削減することができると期待される。種子の発芽のる。

際には活性酸素が大きな役割を果たしていること

1)。

が報告されており、過酸化水素などの活性酸素種により発芽率が向上することが知られている。代表的な光触媒であり、安価かつ生体への安全性の高いことで知られている酸化チタンは、光照射をした際に活性酸素種を発生する。そこで本研究では、酸化チタンナノ粒子によって種子の発芽率を向上させることを目的とした。
図 1 光触媒の酸化分解と超親水性Control 

After Photocatalysis 一方、光触媒には様々な応用分野がある中で、さらなる開拓の余地があるのがバイオ関連分野である。全ての生物は細胞すなわち有機物からできているため、本来、光触媒の酸化分解力をバイオ関連分野に応用しようとした場合には主に抗菌・抗ウイルス応用に限られていた。ところが、最近の研究により光触媒の機能を活かしたバイオ関連分野にお図 2 （左）通常の発芽、および（右）光触媒処理後の発芽の様子ける新しい展開が開けてきた。本稿では最新の研究成果についてご紹介したい。

今回、コリアンダーの種子を用いた。酸化チタン
ナノ粒子の懸濁液に種子を入れ、紫外光照射を行い、１．光触媒を用いた種子の発芽率向上
現在の農業分野において、作物を高品質で安価か9

その後に取り出してシャーレ上で種子の発芽の観測を行った。その結果、光触媒処理を行った種子はフジコー技報−tsukuru No.26(2018)

コントロールに比べて発芽率が向上していた（図 2）。

ができるのではないかと考えた。

また、酸化チタンナノ粒子懸濁液中で暗所にて処理

 今回、光触媒として過酸化水素を生成しやすい酸した種子の発芽率は、コントロールと同等であった化タングステン（WO3）を用いることとした。酸化ため、ナノ粒子自体の種子への影響は無視できるとタングステンを用いた際の各条件下における芽胞考えられる。

菌の生存率の推移を図 3 上にしめす。可視光照射下でエタノール水溶液の濃度が 70% (v/v) の場合、芽２．光触媒反応が作り出す過酸化物による芽胞の胞菌の不活化が確認され、最終的に全滅することが不活化

分かった。また光触媒反応後の溶液を HPLC を用い

 人体の健康に悪影響を及ぼす原因の一つに微生て過酸化物の検出を試みたところ、その生成を確認物によるものがある。これらの病原性微生物はアルした。これにより酸化タングステンを用いた場合でコール殺菌や加熱等の処理によって容易に不活化はエタノールの酸化分解による過酸化物生成が示させる事ができるものも多いが、一方でそれらの方唆された。

法では不活化が困難な菌も存在する。その代表例として芽胞形成菌（以下、芽胞菌と略す）がある。芽胞菌は栄養源の枯渇や水分の減少といった劣悪な環境下に置かれると厚い蛋白の殻をもつ芽胞を形成し、アルコール消毒や 100°C の煮沸でも死滅しない強力な耐性をもつようになる。芽胞菌には人体に対しての致死量が約 50 ng といった地球上で最強の毒素を持つボツリヌス菌（Clostridium botulinum）や集団食中毒の原因となっているウェルシュ菌 （Clostridium perfringens）等があり、食品業界や医療業界にとって深刻な問題となっている。これまで芽胞菌を死滅させる消毒剤として高濃度の過酢酸消毒剤が使用されてきた。しかし、酸化力が非常に強いことから劇物に指定されており、生体への危険性が強く懸念される。
 一方、生体に安全な環境浄化材料として光触媒材料が注目を集めている。代表的な光触媒として知られる酸化チタンは光を照射すると活性酸素種を生 
図 3 酸化タングステン（上）および酸化チタン

成し、菌やウイルスを不活化できることが知られて  （下）を用いた際の各条件下における芽胞菌のいる。しかし、酸化チタンから発生する活性酸素種生存率の酸化力をもってしても芽胞菌を不活化することは困難であった。そこで本研究では、生体安全性が

 一方、比較として光触媒である酸化チタンを用い高いアルコール消毒剤を光触媒の活性酸素種によた際の各条件下における芽胞菌の生存率の推移をって酸化させることで過酸化物を生成させ、芽胞の図 3 下にしめす。酸化チタンを用いた際は各条件に不活化を目指した。つまり、光触媒はその表面上でおいて芽胞菌の不活化は見られなかった。また光触酸化還元反応を誘導するため、エタノールが光触媒媒反応後の溶液について過酸化物の検出を行ったの周りに存在するとエタノールは酸化し酢酸へ、空ところ、生成されていなかった。つまり酸化チタン

気中の酸素は還元して過酸化水素となるため、それを用いた際には過酸化物生成は起きていないこと

ら酢酸と過酸化水素が反応することにより過酢酸が示唆された。
10 過酸化物生成には過酸化水素の存在が必須であ待される。そこで本研究では、STO:Rh を用いた大る。酸化チタンでは還元反応において酸素からスー腸菌（Escherichia coli (IAM-12119T)）の抗菌性能評

パーオキサイドアニオンラジカルへの反応が主と価、およびウイルスの代替としてバクテリオファー

なり過酸化水素の生成量が少ないことが知られてジ Qβ(Bacteriophage Qβ(NBRC20012)を用いた抗フいる。一方、酸化タングステンは還元反応においてァージ性能評価についても検討し、それぞれの作用酸素から過酸化水素への反応が主となり過酸化水機構について考察した。

素の生成量が多い。したがって、酸化タングステン

 STO:Rh を用いた抗菌、抗ファージ試験の結果、は酸化チタンよりも過酸化水素が生成しやすく、過大腸菌およびファージの生存率が減少し、抗菌効果酸化物生成の条件として優位であると考えられる。

（照射 24 時間後で 99.99%）および抗ファージ効果

また、酸化タングステンはアセトアルデヒドを二酸（照射 4 時間後で 99.9999%）があることが確認さ化炭素へ完全に分解することができず、酢酸などのれた（図 4 上）。また大腸菌に比べてファージでは中間生成物で反応が止まってしまうことが知られ短い照射時間で生存率の減少が認められた。このこている。したがって、本研究においても酸化タングとから STO:Rh は抗菌効果に比べて抗ファージ効果

ステンではエタノールを二酸化炭素まで分解できが強く認められ、ファージに対して特異的に効果がず酢酸やギ酸などの中間生成物で反応が止まってあることがしめされた。

しまうことが予想され、これが過酸化水素と反応し過酢酸や過ギ酸のような過酸化物生成へとつながったと考えられる。
 本研究で提案した光触媒とエタノールを組み合わせた過酸化物生成による芽胞菌の不活化は高濃度の過酸化物などの危険な試薬に直接触れる必要がないため、これまでにはない新しい方法として期待される。

３．金属ドープ光触媒による選択的抗微生物活性 従来から実用されてきた光触媒は紫外光にしか応答しないものがほとんどであったが、近年実用に耐えうる可視光応答型光触媒の開発が進んでいる。
そのため、今まで以上に様々な場所（例えば室内）で光触媒が利用されることが期待されており、特に抗菌及び抗ウイルスへの応用は期待が高い。最近では衛生環境向上のために病院や学校などへの利用が検討され始めている。しかし、より強力な抗菌、抗ウイルス活性を有する可視光応答型光触媒の開発のためには、可視光応答型光触媒が菌やウイルスに対してどのような作用機構をしめすのかを明ら

図 4 （上）STO:Rh による抗菌・抗ファージ評価、かにする必要がある。

および（下）STO:Rh/Sb と STO:Rh の Rh ドープ SrTiO3（以下 STO:Rh）は可視光応答型

抗ファージ評価の比較

光触媒であり、揮発性有機化合物であるアセトアルデヒドの分解活性をしめすことが報告されている。

 次に、STO:Rh ファージに対して選択毒性を有す

そのため STO:Rh は抗微生物活性も有していると期ることについて考察した。STO:Rh は、Rh イオンの11フジコー技報−tsukuru No.26(2018)

価数が 3 価と 4 価の混合であり、それらのいずれか、がら砂糖の 70%の甘味、高い溶解性などをしめすだけもしくは両方がファージへの選択毒性と相関があでなく、食品への添加によって良好な食感、保水性、ると推測した。この予測を検討するために、Rh イ

展延性、弾力性、抗酸化性の増大などをもたらすため、オンと Sb イオンを共ドープした光触媒を作製した

食品加工分野への応用研究が進められてきた。

（STO:Rh/Sb）。この光触媒は 5 価の Sb イオン影響

㻌 従来の希少糖生成法は酵素による糖の異性化反応で Rh イオンの価数が 3 価のみとなる。つまり、こや、酸などを用いた化学生成法が利用されてきた。しの二つの光触媒を比べることで 4 価の Rh イオンのかし、異性化反応では酵素が生産コストを大きく押し上有無が抗ファージ活性に影響をあたえるのかどうげ、化学生成法では危険な試薬を用いるといった課題かを調べることが出来る。

があった。そこで我々のグループでは光触媒反応に着 まず、STO:Rh と STO:Rh/Sb との抗菌性能につい目した。光触媒の代表的な材料である酸化チタンは光て比較した。可視光照射下ではどちらの光触媒に関照射により高い酸化分解能をしめすため、糖の酸化反しても照射 24 時間で大腸菌生存率の減少が認めら応を促進し希少糖生成に利用できるのではないかと考れた。一方、暗所下においてはどちらの光触媒に対えた。酸化チタン自身は低コストで調達することができ、しても大腸菌生存率の減少は認められなかった。こ安全かつ容易に使用できることもメリットである。本研究のことから生存率の減少は光触媒効果によるもの

では、酸化チタンがしめす光触媒反応を利用し、アルだと考えられる。二つの抗菌効率を比べてみたとこ

デヒド基を持つアルドース単糖類からの希少糖の生成ろ、照射 24 時間においてほぼ同じような生存率とを目指した。

なっているため大腸菌に対しては 4 価の Rh イオンが与える影響はほぼ無いことが示唆された。次に、
STO:Rh と STO:Rh/Sb の抗ファージ性能について実験を行った。STO:Rh/Sb は可視光を 4 時間照射したにも関わらずファージ生存率の減少はほとんど認められなかったが、STO:Rh ではファージ生存率の大幅な減少を確認した（図 4 下）。このことから 4価の Rh イオンが抗ファージ性能に大きく寄与していることが推察された。STO:Rh によるファージへの影響について調べた結果、キャプシドタンパク質の崩壊はみられるものの、コートタンパク質が分解しないことや、RNA 量の減少が見られなかった。
このことから、4 価の Rh イオンがキャプシドタンパクのジスルフィド結合に結合してキャプシドタンパクの崩壊を引き起こしている可能性を考えている。

図 5 （上）酸化チタン処理後のグルコース分解溶液のHPLC クロマトグラム（光照射 48 h 後）、

４. 光触媒反応を用いた希少糖生成（下）継時時間ごとのグルコースおよび㻌 㻌 希少糖は天然に存在量の少ない単糖およびその誘アラビノースの物質量変化導体と定義されており、50 種類以上が存在する。近年、
希少糖は様々な生理活性が報告されており、医薬品

㻌 はじめに単糖であるグルコースを酸化チタンを用いてや食品への応用が期待されている。例えば、D-アロー

紫外光照射下で処理した。光照射 48 時間後のサンプスは活性酸素産生抑制や癌細胞増殖抑制などの生理ルの高速液体クロマトグラムを図 5 上にしめす。グルコ活性をしめし、また D-プシコースは低カロリーでありなースの他に、A と B の未知物質のピークが観測された。
12

ピークの保持時間、分子量、および 1H NMR スペクトル

５. 植物灰添加による可視光応答型光触媒酸化から、A はアラビノースと同定された。光照射によるグルタングステンの高活性化コースとアラビノースの物質量変化を図 5 下にしめす。

㻌 光触媒は光照射により揮発性有機化合物の酸化分グルコースの物質量が減少し、アラビノースでは増加し解性能をしめすことから環境浄化材料として広く使用さたことから、光触媒効果によってグルコースが分解され、れている。その光触媒材料の中でも酸化タングステンアラビノースが生成されると推測した。

は可視光下で光触媒活性能を発現する可視光応答型

㻌 グルコース分解によるアラビノース生成について、そ光触媒として知られている。しかし、酸化タングステンはの反応機構を次のように予想した。グルコースは光触光照射によって励起された電子によって自己還元され、媒反応によって酸化され、そのアルデヒド基がカルボキタングステンイオンの価数が 6 価から 5 価へと変化するシル化する。次にそのカルボキシル基が脱炭酸するこことにより光触媒活性が低下するため、揮発性有機化とによって炭素が一つ減じたアルデヒド基をもつアラビ合物の完全分解は困難であることが問題となっている。

ノースが生成される。このように光触媒反応を用いるとそこで酸化タングステンの高活性化を目指すため、白単糖の α 炭素を一つ減じることが出来る。そこで、他の金やパラジウムを担持した酸化タングステンが作製され、単糖についても同様の反応が起こると考え、ガラクトー

揮発性有機化合物の完全分解への試みがなされてきス、マンノース、グロース、アロースについても同様の条た。しかし、これらの光触媒は酸化タングステンの高活件で検討を行った。その結果、予想通りにそれぞれの性化のために貴金属が使用されているため高コスト化単糖から α 炭素が一つ減じたリキソース、アラビノース、に問題がある。そこで本研究では貴金属を使用せずにキシロース、リボースの生成を確認した。以上の結果か酸化タングステンの高活性化を目指すため、地球上にらアルドヘキソースを光触媒で処理することにより α 炭豊富に存在する植物から作製される植物灰に着目し、素が一つ減じたアルドペントースが規則的に生成されその添加による酸化タングステンの揮発性有機化合物ることを見出した（図 6）。特に天然に豊富なガラクトース分解性能への影響について検討した。

から希少糖であるリキソースが生成できたことは、希少糖の新規生産法を見出した点で意義深い。

図 6 アルドヘキソースの光触媒分解によるアルドペントースの生成13フジコー技報−tsukuru No.26(2018)㻌 今回、植物灰としてバジルの葉を燃焼して作製したバおける酸素生成能が大幅に向上するという報告がある。

ジル灰を用いた。次に、バジル灰と酸化タングステンのしたがって、植物灰に含まれる KHCO3 と Ca(OH)2 が酸粉末を混合し、アセトアルデヒドを用いた光触媒活性評化タングステン表面を塩基処理し、タングステン酸カル価を行った。その結果、バジル灰を添加した酸化タン

シウムまたはタングステン酸カリウム等の薄い層が形成グステンでは可視光照射 4 時間後にアセトアルデヒドがされ、光触媒活性向上につながったと予想している。

完全分解していることがわかった。これは酸化タングス
テン単独ではアセトアルデヒドの完全分解が難しいこと

６．おわりにとは大きく異った。また、バジル灰の添加量の最適化を

㻌 以上、光触媒の機能を活かしたバイオ関連分野にお行ったところ 2.5 wt%添加したものが最も高活性である

ける新しい展開についてトピックスを紹介した。光触媒ことが分かった。とバイオの境界領域にはまだまだ開拓の余地があり、更なる新しい発展が期待される。

参考文献
1) Kazuya Nakata, Akira Fujishima, "TiO2
photocatalysis: design and applications", J.
Photochem. Photobiol. C, 2012, 13, 169-189.

図 7 植物灰を添加した酸化タングステンの可視光照射下でのアセトアルデヒド分解による二酸化炭素の発生
㻌 次に、植物灰を添加することによる酸化タングステンの高活性化の理由を明らかにするため、バジル灰の主成分を粉末 X 線回折を用いて調べたところ、主にCa(OH)2、MgO、KHCO3 であることが分かった。そこで、これらが酸化タングステンの高活性化の原因であるかを調べるために、酸化タングステンに KHCO3, MgO,Ca(OH)2 をそれぞれ混合して光触媒活性を評価した。
その結果、MgO を添加したものは低活性になったのに対し, KHCO3 と Ca(OH)2 の両方を添加したものは高活性化しアセトアルデヒドが完全分解されることが分かった（図 7）。一方、KHCO3 もしくは Ca(OH)2 の片方の試料を酸化タングステンに添加した場合は高活性化が見られなかったことから、KHCO3 と Ca(OH)2 の二成分が高活性化には不可欠であることが分かった。このことか
ら植物灰に含まれる KHCO3 と Ca(OH)2 が酸化タングステンの高活性化に寄与していると考えられる。既報ではセシウム塩で WO3 を表面処理することにより表面に薄いタングステン酸セシウム層が形成され、水分解に14