Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
最後に、上述のように成功したセルロースの糖化液を原料とした水素製造反応について検討した。セルロース糖化液、GDH、MgChl-a、NAD⁺、MV²⁺及び白金微粒子を含む反応溶液を水素製造用反応容器に入れ、ハロゲンランプを用いて光照射した。その結果、光照射時間に対して定常的に水素が発生した。以上のことから、セルロース糖化液から光エネルギーを使って水素製造に成功した。さらにこの系にギ酸脱水素酵素を共存させることによって二酸化炭素からギ酸も同時に生成させることができた。加えて同時に生成するグルコン酸の定量にも成功した。

## 環境政策への貢献

地球環境保全のためには環境低負荷型エネルギー循環システムの構築や有害物質を有効利用するエネルギー変換システムの開発が必須である。中でも木材廃棄物等に含まれる多糖類のような未利用資源は大量に存在するため、これらを利用し、新規材料、エネルギー、燃料を生産できれば、廃棄物の処理にとどまらず、物質・エネルギー創製技術につながる。セルロースを中心としたバイオマスを基本原料として、新しいエネルギー源あるいは燃料電池の普及に伴い需要が増加する水素や医薬品で有用なグルコン酸を太陽光エネルギーを駆動力として作り出す。本提案で構築されたシステムは、未利用資源的な廃棄物や削減対象の温室効果ガスをターゲットにした学術的にも価値のある研究であることはいうまでもなく、また廃棄物処理及び利用法として、バイオマスを余すところなく原料とし新規エネルギー・燃料・化成品を一つのシステムで同時に生産でき、かつこれまでの方法では高温・高压下という外部エネルギーを投入しなければならなかった点を太陽光エネルギーで補う革新的な低炭素燃料生成技術への展開ができる。

一方、本システムは光エネルギーを利用して二酸化炭素をギ酸、ホルムアルデヒドを経由して最終的にメタノールという低炭素燃料に変換できるものである。一般的には二酸化炭素をメタノール燃料に変換する際には高温、高压、水素ガスを利用するような膨大なエネルギーを投入して二酸化炭素を原料としており、真の二酸化炭素削減には結びついていない。これに対して本研究では投入するエネルギーを光エネルギーで補い、二酸化炭素を分子変換する反応を触媒する脱水素酵素を用いることにより、水素ガスも利用せず二酸化炭素をメタノールにまで変換できる。また必要に応じてギ酸やホルムアルデヒド合成で止めることも可能であり、特に近年水素のエネルギー貯蔵体として
て有望なギ酸を二酸化炭素から水素を使わずに合成できるため、水素エネルギー安全に利用する低炭素社会を構築するといった大きなエネルギー・社会・環境的政策に寄与できるものである。

## 研究成果の実現可能性

本研究ではセルロースを中心とした草本系バイオマスを温和な条件下で糖化し、その糖化液と二酸化炭素とを原料とし人工光合成系と酵素・触媒とを利用することで、水素及びメタノール燃料を生産し、同時にグルコースから変換された化成品グルコン酸も獲得可能な多機能システムを構築するものである。現状ではセルロースの糖化液と二酸化炭素とを原料として光エネルギーを用いて水素とギ酸（メタノール生成のための中間分子）が生成するに至っている。今後3年後を目途にプロトタイプを、小規模（反応体積1L程度）なのものであれば5～7年後に実用化できると考えている。大阪市立大学に併設された人工光合成研究センターとタイアップして早期の実用化を実現する。

## 結論

研究期間 3 年間で、多糖類セルロースと二酸化炭素から生物工学的手法と光エネルギー利用により新規エネルギー源・燃料となる水素・メタノール生産反応系を確立し、システムの効率化プロセスへ展開する。具体的には、バイオマス利用の需要が高い古紙以外の不溶性セルロースの使用が可能な反応系を構築することを目的とし、反応収率も同様に、物質量換算で不溶性セルロースの50%程度を水素に変換でき、なおかつ糖化したグルコースはすべてグルコン酸に変換可能な系の達成が最大かつ最終の成果目標とする。一方メタノール生産に関する目標値として、申請者の持つ技術シーズでは、二酸化炭素を原料として収率50%でメタノールが合成できている。さらに収率を80%まで向上させる。概算ではあるが、二酸化炭素20Lとし、反応収率を80%に設定し、1日あたり炭素換算で7.2g削減することができるシステムを目指した。

研究期間 3 年間でセルロース糖化系と可視光駆動型水素発生・二酸化炭素分子変換系とを連結した反応システム具現化に関する研究を進めた。具体的な研究成果として、イオン液体を用いたセルロースの糖化液と人工光合成系の連結反応による可視光駆動型水素・ギ酸生産系の構築について反応体積 3ml レベルでの反応条件の検討、生成物である水素・ギ酸濃度の定量及び化成品として抽出したグルコン酸濃度の定量することができた。さらにセルロース糖化系と可視光駆動型可視光駆動
型水素発生・二酸化炭素分子変換系とを送液ポンプで連結した500mlレベルの大容量型反応装置の

開発に成功した。本システムでは反応収率は物質量換算で不溶性セルロースの約30%程度を水素に、

約 0.5% をギ酸に変換することができた。またセルロースの糖化に伴うグルコン酸の変換は 80% 程度

まで達成できた。今後カルシウムイオンの添加法でグルコン酸を回収するシステムを組み込むこと

により、化成品回収プロセスを達成することができる。最後にセルロースから水素への物質変換効

率は最終目標値の6割以上まで達成できたが、二酸化炭素-燃料（メタノール・ギ酸等）変換効率は

最終目標値へ到達させるためには人工補酵素のさらなる機能化が必要であると考えられる。

研究期間 3 年の達成度としてシステム駆動原理は確立することができた。しかしながら二酸化炭

素からメタノール生成プロセスの組み込み、木材チップなどの難容性セルロースの原料としての利

用までには至らなかった。今後セルロースの糖化プロセスの効率化を検討する必要がある。しかし

ながらセルロースの糖化プロセスと人工光合成系の連結による水素生産、二酸化炭素還元系を達成

できたことは今後のバイオマス、二酸化炭素の活用、環境問題・エネルギー問題解決への新規な手

法として活用できると期待される。
### 1. 研究背景と目的

### 1.1 研究背景

２０世紀の科学技術の発展はめざましいものがあり、様々な機能を有する材料が作り出さ

れてきた。しかしながらその一方で科学技術の発展と共に温室ガスなどによる地球環境汚染、

大量の産業廃棄物処理および石油・石炭などの化石エネルギーの枯渇という重大な問題を次

の世代のために早急に解決しなければならない。つまり21世紀は地球環境を保全し、次世

代のエネルギーを開拓することが必要となる。地球環境保全のためには環境低負荷型エネル

ギー循環システムの構築や有害物質を有効利用するエネルギー変換システムの開発が必須

である。特に次世代エネルギーとしては、原子カエネルギーが用いられており、火力発電に

匹敵するほどの電力をまかなえるようになっている。しかしながら核燃料サイクル等問題を

抱えている。そのような状況下で国連地球変動サミットで「日本は2020年までに90年比で

25%の温室効果ガスを削減する」と明言したことから、二酸化炭素の大幅な削減、低炭素燃

料製造技術確立が早急に望まれる。

環境問題・エネルギー問題を解決する上で重要なエネルギー源の1つとして産業廃棄物や

木材廃棄物等の未利用資源が挙げられる。特に木材廃棄物に含まれるセルロースなどはバイ

オマスと呼ばれ、そのエネルギー利用が望まれている。バイオマスは燃焼させることによって

てエネルギーを得ることはできるが、カーボンニュートラルの概念があるものの燃焼に伴い

二酸化炭素が発生するので地球環境問題を考慮に入れると可能な限り二酸化炭素の発生量

の少ない方法が望ましいと言える。可視光を利用した光水素生産反応は、酸化チタンなどの
金属酸化物半導体を基盤にした機能性無機材料 $ ^{1)} $ および図1に示すような電子供与体（D）、

光增感剤(P)、電子伝達体(C)および触媒で構成される4成分系が広く用いられてきた $ ^{2)-4)} $ 。

特に図1に示す反応系では水素発生用触媒として硫酸還元菌由来の酵素ヒドロゲナーゼや

白金微粒子が広く用いられている。また太陽光の中でも分布強度の大きい可視光を効率よく

吸収する化合物であるポルフィリンや緑色植物由来の光合成色素クロロフィルが光増感剤

として有効である。金属酸化物半導体を基盤にした機能性無機材料を用いた光水素生産反応

では、近紫外領域および可視光の短波長側の光を利用したものであり、太陽光の分布強度の

強い可視光領域の光を有効に利用するには不十分である。一方4成分系光水素発生反応では、

用いる光増感剤の種類によって太陽光に含まれる様々な波長の光を利用できる。例えば、光

合成色素を光増感剤として用い、NADPHを電子供与体、メチルビオローゲン（MV^{2+}）を電

子伝達体、白金微粒子を触媒とした反応系では、クロロフィルの持つ600nm以降の近赤外

領域の光を増感して水素を製造できる $ ^{5,6)} $ 。しかしながら4成分系光水素発生反応では、用

いる電子供与体（D）が犠牲試薬として作用するため、反応は電子供与体が完全に消費され

た時点で停止してしまうという。この問題を解決し、4成分系光水素発生反応の特徴を活か

図1 電子供与体（D），光増感剤（P），電子伝達体（C）および触媒で構成される4成分系光水素生産反応
したシステムを構築するためには、例えば犠牲試薬として多糖類セルロースに代表されるバイオマスを利用することが1つの戦略となる。多糖類をどのように図1に示す光水素生産系の犠牲試薬として使えばよいかということになる。4成分系光水素発生反応において犠牲試薬として使っているNADHやNADPHの酸化還元反応による再利用とすれば良いということになる。多糖類をそれぞれグルコースのような単糖類に加水分解する酵素がある。例えばセルロースはセルラーゼ、デンプンはグルコアミラーゼという酵素によってグルコースに加水分解される。さらにグルコース脱水素酵素（GDH）を利用して、生成したグルコースとNAD⁺を反応させれば、NADHが生成する。生成したNADHは図1に示した光水素生産反応系の電子供与体として用いることができることになる。すなわち反応系全体としては、図

図２ 糖類の加水分解反応を組み込んだ光駆動型水素生産反応

2 に示すように多糖類を原料として、光エネルギーと各種酵素や触媒を用いることによって水素を獲得できることになる $ ^{7} $ 。

一方我々は、二酸化炭素を原料として有効に利用できる手法の開発として太陽光の分布強度が強い可視光領域の光を利用した二酸化炭素からの光化学的アルコール生産系の構築を目的とした反応系も構築している（文献番号40・41）。光エネルギーを利用した二酸化炭素
からのメタノール生成系は、図3に示すような電子供与体、光増感剤、電子伝達体および脱

水素酵素(ぎ酸脱水素酵素FDH、アルデヒド脱水素酵素AldDH、アルコール脱水素酵素ADH)

の6成分系からなる反応経路である。反応経路は光増感剤が光照射によって励起され、励起

された光増感剤から電子が電子伝達体へ移動する。電子を受け取った電子伝達体は還元され、

電子は還元された電子伝達体から脱水素酵素の作用により、二酸化炭素からギ酸、ホルムア

ルデヒド、メタノールの順に変換されるものである。

図3 TEOA-ZnTPPS-メチルビオローゲン(MV^{2+})-FDH-AldDH-ADH系による光駆動型二酸化炭素-メタノール変換反応

上記反応系を用いてこれまでに、光増感剤として水溶性陰イオン型亜鉛ポルフィリン亜鉛テトラフェニルポルフィリンテトラスルフォナート(ZnTPPS)、電子伝達体としてメチルビオローゲン（MV^{2+}）、電子供与体としてトリエタノールアミン(TEOA)、及び3種類の脱水素酵素を利用することによって、光照射により炭酸水素イオンからメタノールの合成に成功している（文献番号40・41）。また、3種類の脱水素酵素の代わりに白金微粒子を添加することで光エネルギーによる水素製造反応にも成功している（文献番号24-26）。
以上のような背景のもと、本提案では、図2及び3に示す反応系を連動させ、木材廃棄物に含まれるセルロースを中心としたバイオマスと二酸化炭素とを光エネルギーを駆動力として多角的にエネルギー・物質変換可能なシステムを構築する。具体的には、図4に示すようなバイオマスと二酸化炭素からエネルギー（水素）源、燃料（メタノール）及び医薬品等に利用できる化成品（グルコン酸）を同時に獲得可能な系を構築し、二酸化炭素削減を視野に入れた有効利用と廃棄物処理を併せ持つ多機能システムへ展開する。本提案は重点テーマ「草木質系バイオマスエネルギー利用技術」へ大きく貢献できる。

図４ バイオマス・二酸化炭素を原料としたソーラー燃料・化成品変換システムの概要

### 1.2 研究目的

上述のような研究背景のもと、木材廃棄物に含まれるセルロースを中心としたバイオマスと二酸化炭素とを光エネルギーを駆動力として多角的にエネルギー、物質変換可能なシステムを構築することは太陽光エネルギーを利用したエネルギー生産のみならずバイオマスや
二酸化炭素から有用物質生産・エネルギー貯蔵分子等が生産でき、未来型エネルギー創製システムにつながると期待できる。

本研究では、未来型エネルギー創製システムの基盤となる木材廃棄物に含まれるセルロー

スを中心としたバイオマスと二酸化炭素とを太陽光エネルギーを駆動力として用い、多角的

なエネルギー・物質変換可能なシステムを構築することを目的とする。
## 2 ．研究方法

本提案「バイオマス・二酸化炭素を原料としたソーラー燃料・化成品変換システム」を構

築するために以下の四項目の研究を推進した。

① 酵素・触媒によるセルロースの糖化、グルコース脱水素酵素による電子供与分子及びグ

ルコン酸生成プロセス

② 光合成色素分子と電子伝達分子で構成される光レドックス反応プロセス

③ 白金微粒子による水素生産反応プロセス

④ ギ酸・アルデヒド・アルコール脱水素酵素系による二酸化炭素のメタノールへの変換プ

ロセス

これらを連動させることによってセルロースと二酸化炭素から光エネルギーを駆動力と

して水素・メタノール・グルコン酸が同時に生産可能となる。

研究期間内での各項目の詳細な研究方法を以下に示す。

### 2.1 イオン液体を反応媒体としたセルラーゼによるセルロースの糖化反応

本項目では、主に固体酸触媒とイオン液体によるセルロースの糖化反応について検討した。

反応経路は図 5 に示すとおりである。
図 5 セルロースの分解反応スキーム

実験方法を以下に示す。具体的には図6に示すイオン液体1-ブチル-3-メチルイミダブリウムクロリド(BminCl)2.0gとセルロース0.16gを反応容器に入れ、100℃で30分攪拌した。その後触媒Amberlyst-15（図7）0.112g及び加水分解のための純水0.107mlを加え、100℃で60分攪拌し、加水分解した。反応後、反応溶液を精製水で100mlに希釈した後、遠心分離し高速液体クロマトグラフ（HPLC）を用いて上澄み液を分析した。セルロース転化率はHPLCを用いて定量した生成物(グルコース、レブリン酸、ギ酸)収率の総和により算出した。またZrOSO_{4}を対照触媒として用いた。

図 6 イオン液体 1-ブチル-3-メチルイミダゾ 図 7 セルロース糖化触媒 Amberlyst-15 の化学構造 リウムクロリド（BminCl）の化学構造
### 2.2 古紙由来セルロースの糖化反応

古紙由来のセルロース糖化反応については酵素セルラーゼ及び Amberlyst-15 を触媒として用いた 2 種類の反応系を検討した。

新聞紙由来のセルロース 5.0 g とセルラーゼ(1110 units)をリン酸塩緩衝液 (pH 7) に加え、室温で攪拌してセルロースを糖化処理した。さらに糖化液 30ml を採取し NAD⁺と GDH を加え NADH 生成反応によりセルロースの糖化反応を追跡した。NADH 生成濃度は紫外可視吸収スペクトルを用い、340nm の吸光度変化とモル吸光係数を用いて算出した。反応スキームは図 8 に示すとおりである。

図 8 酵素反応を用いたセルロースの糖化反応と NADH 生成反応

上述 2.1 と同様に古紙由来のセルロースの糖化反応について、イオン液体を媒体とした反応系を試みた。イオン液体 BminCl 2.0g と不溶性セルロース（古紙）0.16g を反応容器に入れ、100℃で 30 分攪拌した。その後触媒 Amberlyst-15 0.112g 及び加水分解のための純水 0.107ml を加え、100℃で 60 分攪拌し、加水分解した。反応後の分析方法は上述の 2.1 と同様である。
### 2.3 光合成類似色素分子複合化による光安定化

本項目では光捕集機能を持つ色素分子（水溶性カロテノイド）と光増感機能を持つ色素分子（水溶性亜鉛ポルフィリン）とを複合した材料を開発した。具体的な実験方法を以下に示す。図9に示す陰イオン型水溶性カロテノイドクロセチン(Cro)と陽イオン型水溶性亜鉛ポルフィリンテトラキス4-メチルピリジルポルフィリン（ZnTMPyP）とをピロリン酸緩衝液中で混合することによって複合化した（図10）。

図 9 陰イオン型水溶性カロテノイド クロセチン(Cro)と陽イオン型水溶性亜鉛ポルフィリン テトラキス 4-メチルピリジルポルフィリン（ZnTMPyP）の化学構造

複合化材料を合成するにあたり ZnTMPyP を合成した。メタノール 50 ml に TMPyP を 0.08 g(0.587 μmol) を溶解させ、ホットスターラーを用い 60℃ で攪拌した。加熱後、10 倍モル等
図 10 Cro/ZnTMPyP（緑）と ZnTMPyP（赤）の紫外可視吸収スペクトル

量の酢酸亜鉛を加え $ 60^{\circ} $ C加熱攪拌した。反応溶液の吸収スペクトルを測定し、423 nm にある TMPyP の吸収極大が 452 nm にシフトするまで加熱攪拌した。その後、メタノールを蒸発させ、精製した ZnTMPyP を少量の水で溶解した。対イオンを p- トルエンスルホン酸から $ PF_{6}^{-} $ にするために反応溶液にアンモニウムヘキサフルオロホスファートの水溶液を滴下した。吸引濾過によって沈殿物を回収した後、減圧デシケーターにて乾燥した。同モル等量のクロセチンと ZnTMPyP とをピロリン酸緩衝液中で混合することによってイオン結合により複合化した。以後複合化した材料を Cro/ZnTMPyP と略記する。

Cro/ZnTMPyP の光安定性に関する実験は以下の方法で行った。Cro/ZnTMPyP 4.0 μM をガラスセルと試験管が連結した反応管(体積約 15 ml)に入れ、全体積が 3ml になるようにピロリン酸ナトリウム緩衝液を加え、6 回凍結脱気した。反応条件 30℃のもと 200 W ハロゲン
ランプを用い、3 cm の距離から光を照射した。分光光度計を用いて、吸収スペクトルを30分毎に測定し、90分間反応させた。Cro/ZnTMPyP の分解量は ZnTMPyP の特異的な吸収極大である 452nm における吸光度を用いて求めた。

### 2.4 光合成類似色素分子複合化による光安定化及び人工補酵素分子の光還元

Cro/ZnTMPyP を用いたメチルビオローゲンの還元スキームを図 11 に示す。Cro/ZnTMPyP 0.40 μM、トリエタノールアミン(TEOA) 2.0 mM、メチルビオローゲン(MV^{2+}) 0.13 mM をガラスセルと試験管が連結した反応管(体積約 15ml)に入れ、全体積が 3ml になるようにピロリン酸ナトリウム緩衝液を加え、6 回凍結脱気した。反応条件 30℃のもと 200 W ハロゲンランプを用い、3 cm の距離から光を照射した。20 分毎に吸収スペクトルを測定し、80 分間反

図 11 Cro/ZnTMPyP を用いたメチルビオローゲン(MV^{2+})の光還元スキーム

応を行った。還元型メチルビオローゲン $ (\mathrm{MV}^{+}) $ 生成量はメチルビオローゲンに特異的な吸収極大である605 nmにおける吸光度とモル吸光係数 $ (\varepsilon=1.1\times10^{4}\ \mathrm{M}^{-1}\mathrm{cm}^{-1}) $ を用いて求めた。
### 2.5 化学光量計を用いた量子収率計算法

量子収率決定のための化学光量計として鉄(III)のシュウ酸錯塩トリオキサラト鉄(III)酸

$$ 2[Fe(C_{2}O_{4})_{3}]^{3-}\xrightarrow{hv}2Fe^{2+}+5C_{2}O_{4}^{2-}+2CO_{2} $$

カリウム $ K_{3}[Fe(C_{2}O_{4})_{3}] $ を用いた。具体的な反応は以下のとおりである。

生成する $ Fe^{2+} $ を $ 2,2^{\prime}- $ ビピリジンで赤色に呈色させ比色定量した。各波長における $ Fe^{2+} $ の量子収率を表1に示す。

表 1．トリオキサラト鉄(III)酸カリウム光量計の $ Fe^{2+} $ の量子収率 $ \left(\mathrm{K}_{3}\left[\mathrm{Fe}\left(\mathrm{C}_{2}\mathrm{O}_{4}\right)_{3}\right]=6\mathrm{mM}\right) $

照射光波長（nm）	Fe2+の量子収率
254	1.23
297/302	1.24
313	1.24
365/366	1.21
404	1.14
436	1.11

量子収率の計算方法は以下の式を用いた。
$$ 量子收率 =\frac{\begin{array}{c} ある波長での光反 \\ 応生成物の物質量 \end{array}}{\begin{array}{c} ある波長での化学 \\ 光量計からの光反 \\ 応生成物の物質量 \end{array}}\times\frac{1}{\begin{array}{c} その波長での化学光量計からの光 \\ 反応の量子収率 \end{array}}\times\frac{\begin{array}{c} その波長の光が \\ 試料物質によって \\ 吸収される割合 \end{array}}{\begin{array}{c} その波長の光が \\ 化学光量計によって \\ 吸収される割合 \end{array}} $$

具体的な反応方法を以下に示す。鉄 (III) オキサラト化学光量計溶液に使用するトリス (オキサラト) 鉄 (III) 酸カリウム 3 水和物 $ \left(\mathrm{K}_{3}[\mathrm{Fe}(\mathrm{C}_{2}\mathrm{O}_{4})_{3}]\cdot3\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\right) $ は、硫酸アンモニウム鉄 (III) 12 水和物を出発物質として合成した。 $ \mathrm{K}_{3}[\mathrm{Fe}(\mathrm{C}_{2}\mathrm{O}_{4})_{3}]\cdot3\mathrm{H}_{2}\mathrm{O} $ を一定量正確に秤量し、0. IN の硫酸で希釈して 6.0mM 溶液に調製し、これを標準の光量計溶液として使用した。化学光量計溶液をガラスセルと試験管が連結した反応管 (体積約 15 ml) に入れ、溶液の体積が 3ml になるようにした。反応条件 30℃ のもと 200 W ハロゲンランプを用い、3 cm の距離から光を照射した。反応後 2,2'-ビピリジンで赤色に呈色させ比色定量し、光量を算出した。

### 2.6 白金微粒子の調製法

白金微粒子を以下の方法で調製した。白金コロイドはヘキサクロロ白金(Ⅳ)酸六水和物を

クエン酸三十トリウム二水和物によって還元することで調製した。調製方法を以下に示す。

丸底三ロフラスコ内に480mlの蒸留水を加え、マントルヒーターを用いて1時間沸騰させた。

ヘキサクロロ白金(Ⅳ)酸六水和物 0.030g(Mw=517.90、0.058mmol)を蒸留水に溶解し、30ml

の塩化白金酸水溶液(0.38g-Pt/L)を調製し、フラスコ内に加え再び30分間沸騰させた。クエ

ン酸三十トリウム二水和物 0.60g(Mw=294.10、2.0mmol)を蒸留水に溶解し、60ml のクエン

酸ナトリウム水溶液(1wt%)を調製し、フラスコ内に添加し、4時間還流した。使用した全て
の器具は、使用する前に硝酸を用いて洗浄した。調製した白金微粒子の濃度は分光光度計を用い、400nmにおける吸光度とモル吸光係数( $ \varepsilon=2.3\times10^{3}M^{-1}cm^{-1} $ )から求めた。調製した白金微粒子分酸液にポリビニルアルコールを基盤とした水溶性高分子を加え、白金微粒子を高分子鎖に担持した。白金微粒子修飾分子の化学構造を図12に示す。

図 12 白金微粒子化学修饰用試薬

調製した白金微粒子分散液にポリビニルアルコールを基盤とした水溶性高分子を加え、白金微粒子を高分子鎖に担持した。さらにチオール基を有する界面活性剤（1-カルボキシドデカンチオール）あるいはポリエチレングリコール（PEG-SH）を用い、チオール基と白金微粒子との相互作用を利用した分散システムも検討した。以後白金微粒子をポリビニルアルコール（PVA）で分散したものをPt-PVA、10-カルボキシ-1-ドデカンチオールで分散したものをPt-C_{10}SH、ポリエチレングリコールチオールで分散したものをPt-PEG-SHと定義する。
### 2.7 白金微粒子の水素発生活性測定法

次に調製した白金微粒子の水素生産活性を調査した。反応経路を図13に示す。具体的な

図 13 白金微粒子を用いた水素生産

反応経路

実験方法は以下の通りである。10mM のメチルビオローゲン 0.7ml とピロリン酸ナトリウムバッファー2.8ml を反応管に入れ、凍結脱気して、気相を窒素置換した。石英セルにハイドロサルファイトナトリウムを入れ、15分間窒素ガスを流した。15分後窒素ガスを流しながら、脱気したメチルビオローゲン溶液 2.4~2.6ml をシリンジで石英セルに加えた。最後に上記の方法で調製した白金微粒子をシリンジで 20μl 加え、恒温水槽内 30℃で 10分間反応させた。10分後気相 0.1ml をガスタイトシリンジで採取しガスクロマトグラフ（島津製作所、GP-14充填剤：活性炭、カラム：ステンレスカラム、検出器：熱伝対検出器 TCD、キャリアーガス：窒素、キャリアーガスの流量：24ml/min、カラム温度：80℃、検出器温度：80℃）で分析した。また、有用な水素生産用触媒である酵素ヒドロゲナーゼ等の基質となる NADH の利用の可能性についても検討した。反応条件は 10mM の NADH 0.7ml とリン酸塩バッファー2.8ml を反応管に入れ、凍結脱気して、気相を窒素置換した。石英セルに 15分後窒素ガスを流しながら、脱気した NADH 溶液 2.4ml をシリンジで石英セルに加えた。最後に上記の方法で調製した白金微粒子をシリンジで 20μl 加え、恒温水槽内 30℃で 10分間反応させた。発生した水素の定量は前述の通りである。
### 2.8 ギ酸脱水素酵素を用いた二酸化炭素-ギ酸変換反応に有用な人工補酵素の開発

本項目では二酸化炭素の還元や化合物への取り込み能力を有する二酸化炭素固定化酵素を探索し機能を調べた。具体的には二酸化炭素を還元してギ酸を生成するギ酸脱水素酵素に対して効率的に作用する人工補酵素をビオローゲン骨格を基盤として合成し、二酸化炭素-

ギ酸変換反応について調べた。合成した4,4'-ビピリジンを基本骨格とした人工補酵素の化

学構造を図14に示す。以後メチルビオローゲンをMV^{2+}、1-メチル-1'-カルボキシルメチル

図 14 ビオローゲンを基本骨格とした人工補酵素

分子の化学構造

-4,4'-ビピリジンを$\mathrm{HOOCCH_{2}-V-CH_{3}}$、1,1'-ジカルボキシメチル-4,4'-ビピリジンを$\mathrm{HOOCCH_{2}-V-CH_{2}COOH}$、1-メチル-1'-アミノエチル-4,4'-ビピリジンを$\mathrm{H_{2}NCH_{2}CH_{2}VCH_{3}}$及び1,1'-ジアミノエチル-4,4'-ビピリジンを$\mathrm{H_{2}NCH_{2}CH_{2}VCH_{2}CH_{2}NH_{2}}$とそれぞれ定義する。これら分子は以下の方法で合成した（図15）。

最初に $ 4,4' $ -ビピリジンの4位の窒素をメチル化したヨウ化1-メチル-4,4'-ビピリジニウム（VCH_{3}）を合成した。具体的には、4,4'-ビピリジン(0.16 mol)とヨウ化メチル(0.18 mol)
図 15 ビオローゲンを基本骨格とした人工補酵素分子の合成方法

とを 400ml のアセトンに溶解し、1 L のナス型フラスコ中、室温で攪拌しながら 24 時間反応させた。生成物 VCH_{3} は黄色沈殿として得られた。吸引ろ過後、アセトンで洗浄し、エタノール - 水混合溶媒から再結晶した。

次に、$\mathrm{HOOC-V-CH_{3}VCH_{3}}$ 及び $\mathrm{H_{2}NCH_{2}CH_{2}VCH_{3}}$ の合成方法を示す。$\mathrm{VCH_{3}}$ の $4'$ 位の窒素をそれぞれに対応するブロモアルカンを用いて四級化し、合成した。$\mathrm{VCH_{3}(0.34\ \mathrm{mmol})}$ を $150\ \mathrm{ml}$ のアセトニトリルに溶解し、10 倍等量のブロモアルカンを加え、24 時間加熱還流した。生成物は黄色沈殿として得られた。吸引ろ過後、アセトニトリルで洗浄し、エタノールから再結晶した。

HOOCCH₂-V-CH₂COOH 及び H₂NCH₂CH₂VCH₂CH₂NH₂ は 4,4'-ビピリジン(0.34 mol) とそれぞれに対応するプロモアルカン(0.70 mol) とを 150 ml のアセトニトリルに溶解し、300 ml のナス型フラスコ中、室温で攪拌しながら 24 時間反応させた。生成物は黄色沈殿として得られた。吸引ろ過後、エタノール - 水混合溶媒から再結晶した。
さらに高機能な人工補酵素と期待される2,2'-ビピリジン骨格を持つ人工補酵素を開発し、二酸化炭素からギ酸への変換反応系との関係について調べた。具体的な構造を図16に示す。2,2'-ビピリジン骨格を持つ人工補酵素の合成方法を図17に示す。2,2'-ビピリジン(0.34 mol)とそれぞれに対応するジブロモアルカン(0.70 mol)とを150 mlのアセトニトリルに溶解し、300 mlのナス型フラスコ中、100 ℃で攪拌しながら72時間反応させた。生成物は黄色沈殿として得られた。吸引ろ過後、エタノール-水混合溶媒から再結晶した。

図 16 2,2'-ビピリジン骨格を持つ人工

補酵素の構造

図 17 2,2'-ビピリジン骨格を持つ人工補酵素の合成スキーム

合成した人工補酵素分子の還元電位はサイクリックボルタモグラム（作用極：グラッシーカーボン電極、対極：白金電極、参照極：銀塩化銀電極）を用いて測定した。

人工補酵素分子とギ酸脱水素酵素を用いた二酸化炭素-ギ酸の変換反応の条件は以下の通りである。十分に真空脱気し、気相を窒素置換した人工補酵素(2 mM)1.5 ml、FDH(10 units/ml)0.1 mlを含むpH7.4ピロリン酸ナトリウム緩衝液(50mM)2.0mlを二酸化炭素ガスを導
入しながら石英セル内でジチオン酸ナトリウム $ 100 \, \text{mg}(5.7 \, \text{mmol}) $ と混合し反応温度 $ 30.5^{\circ}C $ でインキュベーションした。反応開始から1分後のギ酸生成濃度をイオンクロマトグラフにより定量した。

### 2.9 ギ酸脱水素酵素を用いた二酸化炭素-ギ酸変換反応の酵素反応速度論的解析

上述 2.8 で合成した人工補酵素とギ酸脱水素酵素とを用いた二酸化炭素-ギ酸変換反応の酵素反応速度論的に解析した。具体的な実験方法を以下に示す。十分に真空脱気し、気相を窒素置換した人工補酵素 1.5 ml、FDH(10 units/ml)0.1 ml を含む pH7.4 ピロリン酸ナトリウム緩衝液(50mM)2.0ml を二酸化炭素ガスを導入しながら石英セル内でジチオン酸ナトリウム100mg(5.7mmol)と混合し反応温度 30.5℃ でインキュベーションした。反応開始から 1 分後のギ酸生成濃度をイオンクロマトグラフにより定量し、反応初速度を見積もった。人工補酵素濃度に対して反応速度をプロットし、ミカエリス-メンテン型の酵素反応速度論を用い解析し、ギ酸脱水素酵素と人工補酵素との親和性に関して検討した。

### 2.10 グルコース—グルコン酸変換と可視光駆動型水素生産・二酸化炭素還元系とを連結し

## た反応システムの構築

最初にグルコース—グルコン酸変換と可視光駆動型水素生産・二酸化炭素還元系とを連結

した反応システムの構築を目指し、図18に示す反応について検討した。
図 18 グルコース-グルコン酸変換と可視光駆動型水素生産・二酸化炭素還元系とを連結した反応システム

具体的には、グルコース脱水素酵素（GDH）によるグルコースのグルコン酸への変換反

応とそれに伴う NADPH 再生系と光増感剤として水溶性ポルフィリン テトラフェニルポル

フィリンテトラスルフォネート(TPPS)、電子伝達体としてメチルビオローゲン及び2種類の

触媒・酵素、白金微粒子及びギ酸脱水素酵素（FDH）からなる系である。

実験条件は以下の通りである。グルコース（10 mM）、GDH（50 units）、NADP⁺（3.0 mM）、

TPPS(300 $ \mu $ M)、メチルビオローゲン (0.4 mM)、ギ酸脱水素酵素（0.67unit）及び白金微粒子

（5.0units）を含む50mM緩衝液（全体積3mL）を凍結脱気し、気相に二酸化炭素ガスを導

入した。30℃の恒温槽内でハロゲンランプ(200W)を光源として光照射し、一定時間ごとに

反応溶液を採取し、ガスクロマトグラフ(島津製作所、GP-14充填剤：活性炭、カラム：ス

テンレスカラム、検出器：熱伝対検出器 TCD、キャリアーガス：窒素、キャリアーガス

の流量：24ml/min、カラム温度：80℃、検出器温度：80℃により水素を、イオンクロマ

トグラフィーにより ギ酸及びグルコン酸をそれぞれ定量した。なお緩衝液についてはピロリ

ン酸ナトリウム緩衝液を用いた。
### 2.11 セルロース糖化系と可視光駆動型水素生産・二酸化炭素還元系とを連結した反応シス

## テムの構築

セルロース糖化系と可視光駆動型水素生産系とを連結した反応システムをより実用化するために図19に示すような反応装置を考案した。具体的にはセルロース糖化系（反応系①）と可視光駆動型水素生産・二酸化炭素還元系（反応系②）とを送液ポンプで連結したもので

セルロース糖化系 水素生産・二酸化炭素変換系

図 19 セルロース糖化系と可視光駆動型水素生産系とを連結した反応システムある。

反応系①でセルロースを酵素またはルイス酸触媒で糖化し、生成したグルコースを反応系②に送り込み、可視光照射によって水素及びギ酸を生産する仕組みである。

反応系①の条件は以下の通りである。新聞紙由来のセルロース 5.0 g とセルラーゼ(1110 units)をリン酸塩緩衝液（pH 7）に加え、室温で攪拌してセルロースを糖化処理した。さらに糖化液 30ml を採取し $ NAD^{+} $ と GDH を加え NADH 生成反応によりセルロースの糖化反応
を追跡した。NADH 生成濃度は紫外可視吸収スペクトルを用い、340nm の吸光度変化とモ

ル吸光係数を用いて算出した（前述2.2）。

セルロース糖化液 - GDH - NAD⁺ - MgChl-a - MV²⁺ - 白金微粒子・ギ酸脱水素酵素系での光

水素・ギ酸生産反応（反応系①及び②連結系）の反応条件は以下の通りである。反応系①で

生成したセルロース糖化液 10ml、GDH 5.0units、MgChl-a 11.2 μM、NAD⁺ 5.0mM、MV²⁺

2.0mM、白金微粒子 5.0 units 及びギ酸脱水素酵素を水素・ギ酸製造装置に入れ、全体積が

270 ml になるように 50mM リン酸塩緩衝液(pH=7.0)を加え、10 分間室二酸化炭素ガスで反

応溶液をバブリングした。反応条件は $ 30^{\circ} $ C である。光源には 250W ハロゲンランプを用い

た。30分毎に反応管内の気相0.20mlをガスタイトシリンジにより採取し、ガスクロマトグ

ラフィーに注入し 5 時間水素発生量を測定した。ガスクロマトグラフィー(島津製作所、

GP-14 充填剂：活性炭、カラム：ステンレスカラム、検出器：熱伝対検出器 TCD、キャ

リアーガス：窒素、キャリアーガスの流量：24ml/min、カラム温度：80℃、検出器温度：

80℃)に注入し 5 時間水素発生量を測定した。またイオンクロマトグラフィーによりギ酸及

びグルコン酸を定量した。
### 3. 結果と考察

### 3.1 イオン液体を反応媒体としたセルラーゼによるセルロースの糖化反応

固体酸触媒とイオン液体によるセルロースの糖化反応について反応実験の結果を表2に示す。Amberlyst-15を触媒に用いた場合、セルロース転化率56%、グルコース収率43%と高い活性を示したが、対照実験として$\mathrm{ZrOSO_{4}}$を触媒に用いた場合セルロースはほとんど転化されずAmberlyst-15に比べ、活性は大幅に低下した。どちらの触媒も硫酸同様にスルホ基を有するが、スルホ基を有する構造が異なり、そのために活性に大きな差異が現れたと考えられる。

次に、BmimCl を加えずに、水溶媒で反応させたところ、Amberlyst-15、 $ ZrOSO_{4} $ ともに全くセルロースは転化されず、活性を示さなかった。Amberlyst-15 での BmimCl 有無での結果の比較により、セルロースが溶解し、触媒との接触効率が向上することが活性の発現に必須であることが分かった。

表 2. セルロースの加水分解反応によるセルロース転化率、グルコース生成収率

触媒	セルロース転化率（%）	グルコース生成収率（%）
Amberlyst-15	56	43
ZrOSO4	0.3	0.3
次にイオン液体を用いた糖化反応に関して触媒との接触効率向上について検討した。具体

的には溶媒の検討、反応器の攪拌効率の改善を試みた。

BmimCl 以外のイオン液体の使用を試みようと、色々と既往の研究を調べたが、BmimCl

以外にセルロースを溶解可能な市販のイオン液体を見つけ出すことはできなかった。

金属製の攪拌器を用いていたが、金属が酸と反応し触媒に悪影響を及ぼすと考え、今年度

より、特注のテフロン製の攪拌器を用いて実験を行ったが、金属製の攪拌器を用いた場合と

活性は変わらなかった。

次に原料の混合比の最適化を検討した。イオン液体を用いた反応で高活性を示した

Amberlyst-15 を触媒に用い、反応条件の最適化を検討した。

最初に水添加量、反応時間の影響について検討した。

Amberlyst-15 を用い、以下の条件で活性測定し、水添加量と反応時間が活性挙動に及ぼす影響を検討した。

実験条件は以下のとおりである。

· 触媒 : 0.112 g

· 水添加量 :0~0.500ml

・セルロース : 0.16 g

· 反応温度 : $ 100^{\circ} $ C

• BmimCl : 2.0 g
水添加量が 0 ml(図 20)では反応時間 50 min でセルロース転化率 37%、グルコース収率 27%となり、ともに最大となった。60 min 以降は過分解が進行しグルコース収率が低下し始め、ヒドロキシメチルフルフラール（HMF）収率が高くなった。この結果、水を加えなくても

図 20 水無添加量条件下での反応生成物の経時変化

反応は進行することが分かった。これは、潮解性を持つ BmimCl が空気中の水分を取り込み加水分解されるためと考えられる。

水添加量が 0.107 ml(図 21)では、反応時間 60 min でセルロース転化率 56%、グルコース収率 43%となり、ともに最大となった。60 min 以降は過分解が進行しグルコース収率が低下し始め、HMF 収率が高くなった。この結果、水無添加条件(図 20 に比べ反応速度、活性ともに向上した。これは水を加えることにより、加水分解が進行しやすくなるためと考えられる。
図 21 水添加量 0.107ml 条件下での反応生成物の経時変化

水添加量が 0.214 ml(図 22)では反応時間 90 min でセルロース転化率 53%、グルコース収率 43%となり、ともに最大となった。90 min 以降は過分解が進行しグルコース収率が低下し始め、HMF 収率が高くなった。この結果、水添加量 0.107 ml 時と同程度の活性を示したが反応速度は遅くなった。これは BmimCl 濃度の低下が原因であると考えられる。

水添加量が 0.500 ml(図 23)では反応時間 120 min でセルロース転化率 13%、グルコース収率 12%となり、ともに最大となった。この結果、水添加量 0.107 ml に比べ明らかに活性と反応速度が低下することが分かった。これは BmimCl の濃度の低下により、セルロースを溶解できず触媒との接触効率が低下したためである考えられる。
図 22 水添加量 0.214 ml 条件下での反応生成物の経時変化

以上よりセルロース転化率が56％と最も高く、反応速度の速い水添加量0.107 mlが水の最適添加量であると言える。

図 23 水添加量 0.500 ml 条件下での反応生成物の経時変化
水添加量が 0.107 ml 時にセルロース転化率が最大で 56% 程度であった理由としては、HPLC

でピークとしては現れるが多糖類であるため定量できないオリゴ糖の生成が考慮できてい

ない、セルロースが分子内脱水により炭化し定量できていない、ギ酸・レブリン酸・HMF

よりも更に反応が進行し分析できない過分解物を生成している、ことが考えられる。そこで、

ピークとして現れているオリゴ糖の定量を試みることにした。

反応後、反応溶液を精製水で 100 ml に希釈し、遠心分離を行い上澄み液 4.85 ml と硫酸

0.15 ml を混合させ、100 ℃で 180 min 希硫酸処理し、オリゴ糖をグルコースに分解しよう

と試みた。その結果、オリゴ糖は分解されたが、オリゴ糖だけでなく反応溶液中の未反応セ

ルロースも希硫酸により分解されオリゴ糖のみを定量することができなかった。これは反応

後溶液中に BmimCl に溶けたセルロースが存在しているためであり、BmimCl 存在時には別

の定量方法を検討する必要がある。

Amberlyst-15 を用いた反応実験での反応温度の影響について検討以下の反応条件で検討

した。

<実験条件>

· 触媒 : 0.112 g

· 水添加量 : 0.107ml

・セルロース : 0.16 g

· 反応温度 : $ 120^{\circ} $ C

• BmimCl : 2.0 g
結果を図 24 に示す。反応時間 20 min でセルロース転化率 53%、グルコース収率 34% となり、ともに最大となった。反応温度 100 ℃ 時と比べセルロース転化率の最大値は同程度の値を得ることができたが、グルコース収率の最大値は低くなり、HMF 収率が大幅に高くなった。

このことより反応温度を上げると、反応速度が速くなるが過分解まで同時に進行してしまうため、グルコースを選択的に得ることには適していないことが分かった。

図 24 反応温度 120℃での反応生成物の経時変化
セルロースの加水分解は酸触媒でも進行するため、Amberlyst-15、以外にも表3に示すような種々の固体触媒でイオン液体を用いて反応実験を試みた。

<実験条件>

· 触媒 : 0.112 g

· 精製水 : 0.107 ml

・セルロース : 0.16 g

· 反応時間 : 60 min

· 反応温度 : $ 100 \, ^{\circ}C $

結果を表3に示す。酸点を持つゼオライト、スピネル型酸化物、少量の金属担持でルイス酸性を発現する担持貴金属触媒を用いたが、全ての触媒がほとんど活性を示さなかった。したがって、Amberlyst-15のみが高い活性を示す触媒であることが明らかとなった。そこで、最も高い活性を示したAmberlyst-15の再利用実験について検討することにした。

表3. 種々の固体触媒を用いたセルロース糖化反応の結果

触媒	セルロース転化率 (%)	収率 (%)
グルコース	ギ酸	レブリン酸	HMF
Amberlyst-15	56	43	1	2	10
ZrOSO4	0.4	0.4	0	0	0
ZSM-5	0.7	0.7	0	0	0
Z-HB	0.7	0.7	0	0	0
SAPO	0.2	0.2	0	0	0
AIPO4	0	0	0	0	0
MgAl2O4	0	0	0	0	0
NiAl2O4	0	0	0	0	0
CoAl2O4	0	0	0	0	0
CuAl2O4	0	0	0	0	0
Rh/CeZrO2	0	0	0	0	0
Rh/TiO2	0	0	0	0	0
Rh/Al2O3	0	0	0	0	0
Ru/CeO2	0	0	0	0	0
次にイオン性液体とセルロースを反応器にいれ $ 100^{\circ}C $ で 30 min 攪拌を行い、その後触媒および加水分解用の水を加え $ 100^{\circ}C $ で 60 min 加水分解反応を行った。反応後溶液を 100ml のメスフラスコで希釈し、遠心分離後の溶液の上澄み液を HPLC で分析した。反応後溶液中の触媒を精製水で洗浄しながら吸引ろ過し、 $ 70^{\circ}C $ で一晩乾燥させて再度実験に使用した。

一回目の実験結果を図25に、再利用実験の結果を図26に示した。再利用実験は最も活性が高かった60 min反応後の触媒を再び用いて実験した。その結果、再利用実験ではセルロース転化率、グルコース収率ともに大幅に低下した。これは一回目の実験でAmberlyst-15の構造が変化した、もしくは再利用方法に問題があったためと考えている。この点については今後の課題であると考える。

図 25 触媒再利用実験（1 回目）の反応生成物の経時変化
図 26 触媒再利用実験（2 回目）の反応生成物の経時変化

以上の結果をまとめると、

(1) H₂SO₄ と同様の酸性質を固体表面で発揮するスルホ基を有する Amberlyst-15、 ZrOSO₄ を用いて実験を行ったところ、Amberlyst-15 のみがセルロース転化率 56% と H₂SO₄ に匹敵する高い活性を示した。そのため、同じスルホ基であっても、構造の違いにより活性が全く異なることが示唆された。

(2)触媒との接触効率を高めるためにいくつかの検討を行った。まず、溶媒については、

BmimCl 以外に市販のイオン性液体を見出せなかった。攪拌棒の材質を金属から薬品耐性に

優れるテフロンに変更したが活性の向上にはいたらなかった。Amberlyst: 0.112g、BmimCl:

2g の下で、水の添加量、反応時間、反応温度の影響について調べたところ、水添加量：0.107ml、
反応時間: 60min、反応温度: 100 ℃でグルコース収率が 56% に到達することが明らかとなった。

(3)種々の固体酸触媒を用い活性の比較をしたところ、Amberlyst-15のみが高い活性を示すことが明らかとなった。

(4)これまでの検討で最も高い活性を示した Amberlyst-15 で再利用実験を行った結果、活性は大幅に減少した。再利用実験法の確立が今後の大きな課題であることが分かった。
### 3.2 古紙由来セルロースの糖化反応

最初に酵素セルラーゼを用いた古紙由来セルロースの糖化反応の実験結果について述べる。

新聞紙由来のセルロース 5.0 g とセルラーゼ(1110 units)をリン酸塩緩衝液 (pH 7) に加え、室温で攪拌してセルロースの糖化処理を行った結果、糖化処理後 300 分で、セルロースが分散した（図 27）。

図 27 古紙由来セルロースの糖化処理過程

さらに糖化液 30ml を採取し $ NAD^{+} $ と GDH を加え NADH 生成反応によりセルロースの糖化反応を追跡した結果、反応時間とともに NADH が生成した（図 28）。5 時間のインキュベーションで 3.0mM の NADH が生成した。これは、セルロースが糖化処理によりグルコースへ加水分解され、 $ NAD^{+} $ と GDH の反応により NADH が生成したことを意味している。これまで困難とされてきたセルロースの糖化を室温・常圧条件下で達成できた。
図 28 糖化液・NAD⁺及び GDH を用いた NADH 生成の経時変化

次に Amberlyst-15 とイオン液体による古紙由来のセルロースの糖化反応について検討した。その結果、セルロース転化率 50%、グルコース収率 40%と結晶性セルロースを用いたときと同様に高い活性を示したが、対照実験として $ ZrOSO_{4} $ を触媒に用いた場合古紙由来のセルロースはほとんど転化されず Amberlyst-15 に比べ、活性は大幅に低下した。結晶性あるいは古紙由来のセルロースを用いた場合ではどちらの触媒も硫酸同様にスルホ基を有するが、スルホ基を有する構造が異なり、そのために活性に大きな差異が現れたと考えられる。

次に、BmimCl を加えずに、水溶媒で反応させたところ、Amberlyst-15、 $ ZrOSO_{4} $ ともに全く古紙由来のセルロースは転化されず、活性を示さなかった。結晶性セルロースを用いたときと同様に Amberlyst-15 での BmimCl 有無での結果の比較により、セルロースが溶解し、触媒との接触効率が向上することが活性の発現に必須であることが分かった。
### 3.3 光合成類似色素分子複合化による光安定化

最初に Cro/ZnTMPyP 中の ZnTMPyP の光安定性を調べるために、Cro/ZnTMPyP を含む溶液に可視光照射した。452 nm の吸収帯の減少は ZnTMPyP の分解を示しており、ZnTMPyP 単独では光照射時間とともに ZnTMPyP が分解されていることがわかった。光照射 90 分で約 60% の ZnTMPyP が分解していた。これに対して Cro/ZnTMPyP を含む溶液に可視光照射

図 29 Cro/ZnTMPyP の光安定性評価

した場合では、約 16% の ZnTMPyP が分解された（図 29）。このことから Cro/ZnTMPyP では、ク ZnTMPyP の分解が飛躍的に抑制されることがわかった。これはクロセチン分子が ZnTMPyP の分解を進める短波長側の光を吸収し光学フィルターのような役割を果たし ZnTMPyP の分解が飛躍的に抑制されているのではないかと考えられる。
次に Cro/ZnTMPyP を可視光増感材料として用いたメチルビオローゲンの光還元反応について検討した結果、Cro/ZnTMPyP を用いたときではZnTMPyP単独で用いたときと比較して、メチルビオローゲンの光還元効率が飛躍的に向上することがわかった（図 30：光照射 90 分後で約 2 倍のビオローゲンを還元）。一方カロテノイド分子クロセチンを単独で用いた場合ではメチルビオローゲンは全く光還元されなかった。このことからクロセチンと ZnTMPyP とを静電的に複合化することで、光増感機能が向上することが明らかになった。最終的には化学光量計で計測した光量（90 分後 8.7 量 mol の光子数）を基にした光エネルギー変換効率は条件により 4.5% にまで向上した。

図 30 Cro/ZnTMPyP あるいは ZnTMPyP を用いたメチルビオローゲンの光還元反応の経時変化
### 3.4 白金微粒子の水素生産活性評価

クエン酸還元法で調製した白金微粒子の粒径を吸収スペクトルから見積もった結果、約10 nm程度であることがわかった（図31）。白金微粒子は時間とともに凝集し水素発生触媒活性が低下することが知られている。そこで調製した白金微粒子分酸液にポリビニルアルコールを基盤とした水溶性高分子を加え、白金微粒子を高分子鎖に担持した。その結果、高分子添加後も白金微粒子の粒径は変化せず、高分散状態を保っていることが明らかになった（図32）。

図 31 白金微粒子の紫外可視吸収スペクトル

赤：PVA 分散型白金微粒子、緑：クエン酸還元による未処理の白金微粒子
図 32 白金微粒子のイメージ画像

左：PVA 分散型白金微粒子、右：クエン酸還元による未処理の白金微粒子

次にそれぞれの白金微粒子の水素生産活性を調査した。石英セルにハイドロサルファイトナトリウムを入れ、窒素充填し、脱気したメチルビオローゲン溶液を加えると還元型メチルビオローゲン生成を示す青紫色になった。この溶液に上述のように調製した各種白金微粒子20μlを加え、10分間反応させた結果、Pt-PVAの場合2.0×10^{-8}mol、Pt-C_{10}SHの場合3.5×10^{-8}mol、Pt-PEG-SHの場合1.8×10^{-8}molの水素がそれぞれ発生した。

一方、基質として NADH を用いた場合では、Pt-PEG-SH の場合のみ水素が発生した。反応時間 10 分間での水素発生量は $ 9.7 \times 10^{-9} \, mol $ であった。一方 Pt-PVA と Pt- $ C_{10}SH $ を用いた場合、水素は発生しなかった。

基質として還元型メチルビオローゲンを用いた場合では、$\mathrm{PPt-C_{10}SH}$ を用いたときが一番多くの水素が発生した。これは10-カルボキシ-1-ドデカンチオールで白金微粒子を修飾することで、白金微粒子がより分散され水素発生活性が上昇し、水素発生につながったと考えられる。
れる。一方、基質として NADH を用いた場合では、Pt-PEG-SH を用いたときのみ水素が発生した。ポリエチレングリコールチオールで白金微粒子を修飾することで、白金微粒子の状態が変化して、従来使用することができなかった NADH が基質として使えるようになった。以上の結果を表 4 にまとめた。

表 4. 各白金微粒子を用いた場合の水素発生活性の比較

白金微粒子	水素発生速度（10-8 mol min-1）
Pt-PVA	0.20
Pt-C10SH	0.35
Pt-PEG-SH	0.18

### 3.5 ギ酸脱水素酵素を用いた二酸化炭素-ギ酸変換反応に有用な人工補酵素の開発

合成した人工補酵素のサイクリックボルタモグラムから求めた還元電位を表5に示す。いずれの人工基質の場合でも還元電位は-0.60～-0.67Vであり、従来人工補酵素として用いてきたMV^{2+}とほぼ同じ値になった。このことから4,4'-ビピリジンに置換基を導入しても酸化還元電位には大きな影響を与えないことが分かった。

次に人工補酵素とギ酸脱水素酵素を用いた二酸化炭素-ギ酸変換反応について反応開始1分後のギ酸生成濃度によって比較した結果を同じく表5に示す。MV^{2+}を基準にして考えるとギ酸生成量は陽イオン性のアミノ基を付加した正電荷が多いH_{2}NCH_{2}CH_{2}VCH_{3}及び