塩化亜鉛水溶液中におけるミルクカゼインへのアクリロニトリルのグラフト共重合1）
山 本

晃

要旨塩化亜鉛水溶液中で過硫酸アンモニウムー亜硫酸ナトリウム系を開始剤として，ミルクカゼインへのアクリロニトリルグラフト共重合を行い，分別溶解法によって，グラフト効率，ミルクカゼインの反応率｛（グラフトしたミルクカゼインの重量／（グラフトしたカゼイン＋フリーカゼインの重量）×100％｝などについて調べた。グラフト効率は重合温度，過硫酸アンモニウム濃度の増すとともに低下したが，ミルクカゼイン反応率はほとんど一定であった。これらの条件下では，グラフト効率50〜69％，ミルクカゼイン反応率27〜31％，グラフトポリマーにおける幹分子当りの枝の数はほとんど一定であることが示唆され，ミルクカゼインの分子量を75000と仮定するとき，それは約3であった。

溶媒における塩化亜鉛濃度の増すとともに，グラフト効率，ミルクカゼイン反応率ともに増大が認められた。

1．緒言

われわれは，さきに濃厚塩化亜鉛水溶液における過硫酸アンモニウム（APS）一亜硫酸ナトリウム系触媒による大豆タンパクへのアクリロニトリル（AN）のグラフト共重合について調べ，触媒1回添加法では重合率は低いが，分割添加法によって高い重合率が得られ，これはタンパク成分による退化性連鎖移動ならびにタンパク中に含まれるFe等の不純物による影響であることを推定した。また，APS単独開始剤による低温での重合でも高い

一53一

徳山大学論叢一第32号

重合率が得られることを認め，これはタンパク成分中の一SHとの間に，レドックス系触媒が形成されるためであることを推定した2）。

本報告では，同様に塩化亜鉛水溶液を溶媒とし，APS一亜硫酸ナトリウム系を開始剤として，ミルクカゼインへのANのグラフト共重合について検討した。その結果，容易に85〜95％の高い重合率で得られることがわかり，またグラフト効率は50〜69％，ミルクカゼインの反応率27〜31％であった。また，グラフトポリマーにおける幹分子当りの枝の数はほぼ一定であることが示唆され，ミルクカゼインの分子量を75000とするとき，枝の数は約3と計算された。

2．実

験

2．1 試料および試薬ミルクカゼイン：ニュージランド製ラクチックカゼイン（ニュージランド
農林省酪農局規格first gradeのもの），純分87．0±1．6％，灰分1．87±0．05％，Fe（5．0±0．5）×10'3％， Cu（1．5±0．5）×10‑4％，脂肪0．97±0．05％，乳糖0．12±0．02％，水分10．0±1．5％。

AN；住友化学製をBamfordらの方法3）で精製した。
APS，亜硫酸ナトリウム；市販特級品をそのまま用いた。
塩化亜鉛；市販一級品を水に溶解し，塩酸で含有酸化亜鉛を0．1wt％に調節して使用した。

ジメチルホルムアミド（DMF），トリエチルアミン，アセトニトリル；市販一級品を蒸溜して用いた。

2．2 重合方法
三ッロのガラス製重合容器に濃厚塩化亜鉛水溶液とミルクカゼインを加え，50℃で約1時間かきまぜ溶解後，所定量のANを加え，系の塩化亜鉛濃度を60％になるように計算量の水を追加し，恒温槽で所定の温度に保持後，かき一54一

1989年12月 山本 晃：塩化亜鉛水溶液中におけるミルクカゼインへのアクリロニトリルのグラフト共重合

まぜ下に開始剤として，APSおよび亜硫酸ナトリウムの塩化亜鉛溶液を加え重合させた。なお，APSおよび亜硫酸ナトリウムは，所定濃度の塩化亜鉛水溶液に1．5％濃度に調整したものを用いた。ポリマーは適時重合系より所定量の溶液をとり出し，手早くガラス板上にうすく塗り，約0．2％酢酸水溶液中で凝固後充分水洗し，105℃で一定量になるまで乾燥した。重合率は得られたポリマーの重量を測定し，（1）式より求めた。

a‑BC

重合率一×100 （1）ただし，αはポリマー濃度（wt％）， Bは仕込みミルクカゼイン濃度（wt％），Cは仕込みAN濃度（wt％）。

2．3 グラフトポリマーの分別得られたポリマーを60〜80メッシュに粉砕した。その乾燥試料0．5gをDMF 50 gに500Cで24時間浸漬し，ホモPANを溶出した。不溶のミルクカ
ゼイン，およびグラフトポリマーを1G‑3号のグラスフィルターで濾別し，溶媒で3回以上洗い，メタノール洗浄後乾燥しその重量を求め，（2）式よりグラフト効率Egを算出した。

Y‑r
枝PANの重量× 100 ＝ ×100 （2）B
全PANの重量

Eg ＝7‑1‑B （3）ただし，βは全PAN wt％， Yは不溶部wt％，γは全ミルクカゼインのWt ％o

また，ミルクカゼインの反応率Pg（全ミルクカゼインに対するグラフトミルクカゼインのwt％）は，上の粉砕乾燥試料0．5 gをトリエチルアミン5wt％，アセトニトリル30 wt％，残り水から成る溶媒25 gに60℃で48時間浸せきし，フリーミルクカゼインを溶出した後，上と同様に洗浄，乾燥し，不溶部の重量を求め，（4）式より計算した。

一55一

徳山大学論叢
X‑B
7Pg ＝＝

第32号

×100 （4）

ただし，Xは不溶部wt％。
また，グラフトポリマーにおけるPAN／ミルクカゼインwt比γを（5）式より計算した。

BXEg

（5）

7 ＝＝7×Pg

2．4 PANの分子量上と同じようにして得られたポリマーを6NHCI水溶液で95℃，1時間処理して，ミルクカゼインを加水分解し，水洗後，50℃で減圧乾燥して得られたPANをDMFに溶解して，粘度法で（6）式4）によって分子量を求めた。

（rp） ＝＝ 3．92×10‑4MnO・75 （6）なお，この処理においてPANは加水分解していないことをIRより確認した。

3，結果および考察

3．1 重合温度の影響
重合温度の重合時間〜重合率曲線に及ぼす影響をFig．1に示した。初期重合速度は温度の高いほど大であり，30℃では60分，20℃では120分で重合率約93％でdead Polymerizationに達したが，10℃では120分でなお重合の進行が認められた。

重合温度のグラフト効率その他に及ぼす影響について調べた結果をFig．2にボした。重合温度の上昇とともに分子量は大きく低下し，またグラフト効率も低下，ミルクカゼイン反応率はほとんど一定であった。分子量の低下は温度の上昇による開始反応速度の増大によると考えられる。

一56一

1989年12月 山本 晃：塩化亜鉛水溶液中におけるミルクカゼインへのアクリロニトリルのグラフト共重合

10020ec
300 Cloc50︵訳︶信︒哨のb≧oQ

O 20 40 60 120
Polymerization time （min）

Total weight of polymerization system 100g．

Milk casein 1．7g AN 5．3g
APS mole O／o per AN O． 185

APS／sodium sulphite molar ratio 1／1．82

Fig． 1 Effect of polymerization temperature
on time‑conversion curves．

また，ミルクカゼイン反応率がほとんど一定の理由としては，グラフト起点の数が温度に関係なく一定であることを示唆するものであり，この温度範囲ではシステインの一S・などに限定されていることによると考えられる。
また，グラフト効率が温度の上昇とともに低下するのは分子量の低下に対応するもので，枝PANの長さの低下に起因するものであろう。

3．2 触媒濃度の影響
APS／亜硫酸ナトリウムモル比を1／1．82と一定にし， APS濃度を変えた場合の，時間一重合率曲線に及ぼす影響をFig．3に示した。

APS濃度の高いほど初期重合速度は大きい。 APS濃度のグラフト効率その他に及ぼす影響について調べた結果をFig．4に示した。 Aps濃度の増大

一57一

徳山大学論叢第32号

14121 100『も80曳

芝10＿90喜葦．

70 ま・ 6。毒

S、繹、。
95。一薯

塁§ 、t／、。澤

．蚕96 70

30紹'9

も＄20曽こ4 6・：一1O．

・・翻O 10 20 30Polymerization temperatur6 （OC）
Total weight of polymerization system 100g．

Milk casein 2．lg AN 5．Og
APS mole SO）60 per AN O．174
APS／sodium sulphite molar ratio 1 ／ 2Polymerization time 24 hrs．

W Conversion 一Z2x‑A一 Grafting efficiency
Molecular weight ee Rate of reaction by milk casein
Fig． 2 Effect of polymerization temperature on conversion
and the polymer characteristics． 'とともに重合率は増し，分子量は低下した。本実験のAPS濃度範囲では，ミルクカゼイ7反応率はほとんど変らず，グラフト効率は，APS濃度の増すとともに低下した。これはさきに温度の影響において述べたと同じく，この実験のAPS濃度範囲では，ミルクカゼイン分子におけるグラフト起点の数，したがってグラフト分枝の数が変らず，グラフト分枝の長さがAPS濃度の増すとともに減少することによると考えられる。

なお，Aps／亜硫酸ナトリウム（モル比）を変化させた結果を：Fig．5に示す。亜硫酸ナトリウム濃度の増大とともに初期重合速度は増すが，モル比一58一

1989年12月 山本 晃：塩化亜鉛水溶液中におけるミルクカゼインへのアクリロニトリルのグラフト共重合

100O．2320．185
u o．13880

ρ0040︵訳︶8刷の﹄ΦきoQ20oO 20 40 60 120
Polymerization time （min）

Total weight of polymerization system 100g．

Milk casein 1．7g AN 5．3g
APS／sodium sulphite molar ratio 1／1．82
Polymerization temp． 200 C
Each figure on the curves denotes the value ofAPS mole O／o／ANFig．3 Effect of initiator concentration ontime‑converslon curves．

1／1．74以上の亜硫酸ナトリウム濃度では差は僅少であった。分子量はFig．

6に示すように，亜硫酸ナトリウムの増加により低下しているが開始反応速度の増大によるものと考えられる。

3．3 AN／ミルクカゼインの仕込み比の影響
AN／ミルクカゼイン比の時間〜重合率曲線に及ぼす影響について調べた
結果をFig．7に示した。（AN＋ミルクカゼイン）におけるミルクカゼイン
wt％が増すと，初期重合速度は低下するがその程度は小さい。いずれの場合も最終的に90％以上の重合率が得られた。

AN／ミルクカゼイン比のグラフト効率その他に及ぼす影響について調べ

一59一

徳山大学論叢
1210011800ρ0504090070099060

1︵選台＄刷Q娼もb︒§お﹂080︵訳︶三 ① の 8 三 日 盈 琴 慧 邸 Φ こ ︒ ＄ 醒70︵訳︶qo屈Φさ8寸﹄冥暑鼠舞﹄邸州5り①一︒Σ

90109第32号

O．174 O．200 o．2sO O：290
APS mole O／o per AN
Total weight of polymerization system 100g．
Milk casein 2．lg AN 5．Og
APS／sodiu‑m sulphite molar ratio 1 ／ 2Polymerization temp． 10e cPolymerization time 24 hrs．

efficiency
一GHSH． ConversionGrafting
一ATA'of reaction
Molecular Rateweight
ee by milk casein

Fig． 4

Effect of initiator concentration on conversion
and the polymer characteristics．

た結果をFig．8に示した。ミルクカゼインwt％の増加するとともに，重合率および分子量は低下した。これはAN濃度の減少とミルクカゼイン濃度の増大による退化連鎖移動反応によるためと考えられる。ミルクカゼインはTable 1のような構成アミノ酸から成るが，このうちシスチンおよびメチオ
ニンの還元によって生成するシステインおよびホモシステインに主に連鎖移動を起こし，しかも退化連鎖移動の傾向が大きいと考えられる。それゆえにミルクカゼイン濃度の増加とともに，グラフト効率は増し，ミルクカゼイン反応率は低下をきたしたものと考えられる。

一 60 一'1989年12月山本晃：塩化亜鉛水溶液中におけるミルクカゼインへのアクリロニトリルのグラフト共重合

100

1／1．74
1／3．5
1／71／e．86

50︵訳ヨ︒刷の﹂①≧oQoO 20 40 60 120
Polymerization 'time （min）

Total weight of polymerization system 10eg．

Milk casein 1．75g AN 5．25g
APS mole O／o ／AN O． 186

Polymerization temp． 200 C
Each figure on the curves denotes the value ofAPS／sodium sulphite molar ratio

Fig． 5 Effect of APS／sodium sulphite molar ratio ontime‑conversion curves．

3．4 塩化亜鉛濃度の影響
溶媒中の塩化亜鉛濃度のグラフト効率その他におよぼす影響をFig．9に掲げた。重合率は塩化亜鉛63％のあたりに最大値を示し，分子量は塩化亜鉛濃度の増すとともに低下が認められた。後者については塩化亜鉛濃度の増大とともにAPSの分解速度が増加することに起因していると考えられる。グ
ラフト効率，ミルクカゼイン反応率はともに塩化亜鉛濃度の増すとともに増加が認められた。これは塩化亜鉛濃度が高いほどミルクカゼインの良溶媒となり，ミルクカゼイン分子の拡がりが増しグラフト反応が起り易くなるためと考えられる。

一 61

徳山大学論叢第32号

109e寸﹄冥 遷 ﹄ ・ ︑ 奮 ﹄ 邸 一 コ リ Φ 一 ︒ 暑8761／O 1／1 1／2 1／3 1／4 1／5 1／6 1／7 1／8
APS／sodium sulphite molar ratio
Total weight of polymerization system 100g．

Milk casein 1．75g AN 5．25g
APS mole IOIP60／AN O．186

Polymerization temp． 200 C
Polymerization time 120 min．

Fig． 6 Effect of APS／sodium sulphite molar ratioon the molecular weight．

3．5 グラフトポリマーにおけるPAN／ミルクカゼイン（wt比）と分岐PANの分子量との関係
上の実験におけるグラフトポリマー中のPAN／ミルクカゼイン（wt比）と分岐PANの分子量との関係をプロットするとFig．10のようになる。図
中○印はZnCl、60％，'AN 5 g，ミルクカゼイン2．1gと条件を同じにしたものであり，△および●印はそれぞれAN／ミルクカゼイン（wt比）およびZnCl、濃度を変えた系におけるものである。後者における各点は上の直線より低分子量側に外れているのが認められた。

グラフトポリマーにおける枝の数をn，グラフトポリマーにおけるPANの重量をWAN，ミルクカゼインのそれをWM， PANの分子量をM，AN，ミル
一 62 一1989年12月 山本 晃：塩化亜鉛水溶液中におけるミルクカゼインへのアクリロニトリルのグラフト共重合

10070／30
65／35
60／4050︵訳︶90哨の﹄Φ﹀自OQo40 6020o120

Polymerization time （min）

Tgtal weight of polymerization system 100g．
Concentration of added AN and milk casein 7 wt． O／o

APS mole O／o／AN O．186
APS／sodium sulphite molar ratio 1 ／ 2Polymerization temp． 200 C
Each figure on the curves denotes the value ofAN／milk casein wt ratio．

Effect of AN／milk casein wt． ratio onFig． 7time‑conversion．と 式

協 成立す

σるとM
W州W

Mすを窃
（7）

●M
W州W

一半

﹇M

剛＝M蹴り．

σは︻M︻M＝量．

イ

カクン の 分子ゼ（8）：Fig．10と式（8）から， M。／nが2．45×IO4として求められた。

カゼインは単一のタンパク質でないので分子量を求めることは難しい。また，温度，P。，塩類濃度によってその凝集度が左右されるが，超遠心法に

一63一

第32号

徳山大学論．叢100160790﹇﹂

0﹄強00990ρ0りQ

8︵訳︶む器咽り田㊤bの§聴旨0

ρ00160080

21︵訳︶5屈㊤きoQ41寸﹄冥Σヨ・︒歪h隅一5︒①一︒薯

70︵訳︶月①の8平目台口︒嘱ぢ邸①こ︒①掃国0818104285／15 70／30 60／40 50／50
Added AN／milk casein wt． ratio
Total weight of polymerization system IQOg．
APS mole O／o／AN O．29
APS／sodium sulphite molar ratio 1 ／ 2

Polymerization temp． 100 C
Polymerization time 24 hrs．

ee Conversion mZlx‑Zlx一 Grafting efficiency
Molecular weight ee Rate of reaction by milk casein
Fig． 8 Effect of added AN／milk casein wt． ratio on

conversion and the polymer characteristics．

よって75000〜37500の値が求められている6）。．カゼインは60％塩化亜鉛水溶

液中では分子分散に近い状態であると考えられるので，ミルクカゼインの分子量を75000と仮定するとnが3となった。すなわちミルクカゼインの分子量25000あたり1本の枝をもつグラフトポリ'マーが得られることになる。

3．6 グラフト反応機構
以上の実験結果よりグラフト重合は次式によって進行すると考えられる。

s，oE一十sos一一一一一〉'soT．十soi一十sog． （1）'SOT・十PrH一→HSOZ十Pr・'一64一（2）1989年12月山本晃：塩化亜鉛水溶液中におけるミルクカゼインへのアクリロニトリルのグラフト共重合

Table 1 Amino acid composition in milk casein．5）

H

wt．％of amino

g2N‑C‑COOH@ RRGly

H

1．5

Ala

一CH 3

2．5

Ser

一CH20H

5．2

Tyr

一CH・一一く｝OH

5．7

Val

一CH（器：5．9

Asp

一CH2COOH／NH2‑CH2CH2CH2NH‑C≠モ奄?residue、NHArg
Glu

6．1

3．7

一CH2CH2COOH

19．7一CH・CH（器：一CH〈器；CH，13．2

Phe

一CH・｛〉

4．5

Thr

一CH‑CH3@14．2

Lys

一CH2CH2CH2CH2NH2

Leu十ILeu@0H

一CH2‑CH2@1Proi

7．2

8．9

bH2一一CH2C＝CH

His／＼@ N、CH／NH

Met

一CH2CH2SCH3

Try

一CH・C◎

一CH2‑S
I‑CH2‑S

Cy6@Total

2．7

2．5

1．5

0．29

95．3

一65一

徳山大学論叢100第32号

901280 A
違寸lOH×﹈≧三怒①≧﹂邸一コ9Φ一〇90
10．／' ' 一X）x．．w．一t
70 ．E
8，一，． 1' 1））＞sar・一一R。o一t rt‑T ，＿葺' T 60 8．

8．蜜も620 唱 Φ擁60F ． 110・
057一．5 60 ． 63 66 70
Concentration of ZnC12 （wt． O／o）

Total weight of polymerization system ・100g．
Milk casein 2．lg AN' 5．Og'APS mole iO）60／AN O．23

APS／sodium sulphite molar ratio 1 ／ 2

Polymerization temp． 2QO C
Polymerization time 24 hrs．

Conversion 一z2x‑Z2x一 Grafting efficiency
Molecular weight ee Rate of teactiori by milk casein

Fig．9 Effect of concentration of ZnC12 onconversion and the polymer characteristics．

PrM・十nM．一＞PrMn＋1・（P・）

soT．十M‑solMe
SOTM・十nM一→SOTM。＋1・（P・）P． 十PrH一 PH十Pr．
soT'． 十sogT一 SOI一 十sog．

sos． 十sog． t 2 sot

2Pe．2PP． 十．SO5． ． PSO5

一66一③ω⑤⑥㎝⑧⑨⑩ω

Pt． 十M一 PrM'1989年12月 山本 晃：塩化亜鉛水溶液中におけるミルクカゼインへのアクリロニトリルのグラフト共重合

181614o

12寸‑9×遷量①津執邸一5り①倒︒芝

10eoeA8ee

642o

1'2 345678PAN／milk casein wt． ratio in graft polymer

O ZnC12 60％o． Milk casein 2．lg． AN 5g．
e Concentration of ZnC12 changed． Milk casein 2．lg． AN 5g．
A ZnC12 600／o． AN／milk casein wt． ratio changed．

Fig． 10 Relation between the molecular weight of PAN
and PAN／milk casein （wt． ratio） in graft polymer．

ただし，PrHはミルクカゼイン分子を表わす。すなわち，式（2），（7）に示すように，SOτ・およびポリマーラジカルP・によって，ミルクカゼイン分子からH・が引き抜かれて活性点を生じ，この部分から式（3），（4）によってグ
一 67 一

徳山大学論叢第32号

ラフト重合の開始と成長が起り，式（7），⑩および⑪によって停止すると考えられる。この場合H・の引き抜きはミルクカゼイン分子中の活性なHをもつアミノ酸部分において起ると考えられ，シスチンよりのシステインが考えられる。

分子量75000のミルクカゼイン1分子当りのその数をTable 1から計算すると次のようになる。ミルクカゼイン95．3g中のアミノ酸は0．839モルであり，この中のシステイン含有量は0．48モル％，カゼイン分子のユニット当りのアミノ酸平均分子量は113となる。それゆえに分子量75000のミルクカゼイン1分子当りのアミノ酸ユニット数は660，その中のシステインの数は660×0．0048≒3．2となる。すなわち，前項において得られた分岐の数と一致している。このことは反応系においてシスチンが還元剤の作用でシステインになり，この部分にグラフトが起ることを物語っている。このために塩化亜

鉛濃度60％，AN，ミルクカゼインの仕込み量それぞれ5．Og，2．1gと一定にして行った系においては，温度，APS濃度を変更してもグラフト起点となるシステインの量が一定のために，ミルクカゼインの反応率，およびカゼイン分子当りの分岐数がほぼ一定となるものと考えられる。

これに対し，塩化亜鉛濃度を変えたり，AN，ミルクカゼインの仕込み比を変えたりした場合には，ミルクカゼイン分子の拡がりにおける変化や，その他種々の複雑な影響を与え，Fig．10における直線から外れるような結果になるものと考えられる。

付記本論文は筆者が，東洋紡績㈱堅田研究所に在職の頃，当時の研究所員であった浜田一人，大原国男，三田村秀幸，村上平一郎君等の協力によって行った研究を，東洋紡績㈱の許可を得て学界誌に発表のためまとめたものである。本論文については，本来はもっと早く公表することを期していたものであるが，昭和50年に筆者の大学への移職という個人的事情に随伴して生じた諸事繁忙に紛れ，発表の機会を失してしまい現在に至ったものである。

しかし，このまま埋もれさせるに忍びず，あえて本誌上を借りて公表の機会

一68一

1989年12月 山本 晃 塩化亜鉛水溶液中におけるミルクカゼインへのアクリロニトリルのグラフト共重合とさせて頂いたものである。

最後に，本研究を本誌上に公表することにっき快諾くださった上記四君に対し改めて謝意を表したい。なお本論文に関しての一切の責任は一人筆者に帰するものであることはいうまでもない。

文献

1）本研究をタンパク・アクリロニトリル系グラフト共重合繊維の製造に関する研究（第6報）とする。

2）山本 晃，浜田一人，村上平一郎，大原国男：高分子論文集，32，295（1975）03） C． H． Bamford， A． D． Jenkins： Proc． Royal Soc （London）， A 212，517 （1953）．
4） P． F． Onyon： 」． Polymer Sci．， 22， 13 （1956）．

5）大有機化学（朝倉書店刊，1910）21，p．380。
6）赤松四郎，水島三一郎編集：蛋白質化学（共立出版），3，p．140。

Graft Copolymerization of Acrylonitrile onto milk Casein

in Aqueous Concentrated Zinc Chloride Solution
By Akira YamamotoSolution graft copolymerization of acrylonitrile onto milk casein wascarried out by use of ammonium persulphate‑sodium sulphite system inaqueous concentrated zinc chloride solution． The graft efficiency and thedegree of reaction of milk casein （weight of grafted casein） ／ （weight of freecasein十grafted casein） were measured by the fractional dissolution method．

With increases of coplymerization teMperature and the concentration ofammonium persulphate， the grafting efficiency decreased， but the degree ofreaction of milk casein rimained nearly constant． Under these polymeriza‑tion conditions， it was shown that the grafting efficiency and the degree ofreaction of milk casein were estimated to be 50‑69％ and 27‑31％o ， respective‑

ly， and the number of branch chains on the grafted polymer molucule wasnearly constant， being about 3 for casein with the molecular weight of 75000．

With increasing the concentration of zinc chloride， the grafting efficiency aswell as the degree of reaction of milk casein increased．

・一@69 一