農学国際特論Ｉ椊物材料の化学・生化学と利用（佐藤、斎藤）　2011.7．8

Size: px

Start display at page:

Download "農学国際特論Ｉ椊物材料の化学・生化学と利用（佐藤、斎藤）　2011.7．8"

るるみけいれい
5 years ago
Views:

1 農学国際特論 I 植物のマテリアルとしての特性と利用 ( 佐藤斎藤 ) 植物細胞壁の生成機能加工斎藤

2 植物細胞壁の生成機能加工 1. 構造と機能 2. 生合成 3. 加工

3 1. 構造と機能

4 データ出所 : 日本住宅木材技術センター木と日本の住まい

5 樹木 1 本が固定する炭素の量林業白書 H21

6 木材の構造文永堂出版より維管束針葉樹材木本一部が広葉樹ヤシタケは高く伸長生長するが肥大生長は全くない

7 木本は固定した炭素を木材として保持できるマテリアル利用可能 1 蓄積のメカニズム維管束形成層多年生肥大生長 2 保持に有利な成分

8 主要三成分

9 元素 C:H: 重量比 50:6:44 (N は 0.05~0.4) モル比 32:46:22 成分セルロース : ヘミセルロース : リグニン重量比 50:25:25

10 細胞壁の構成リグニンヘミセルロースセルロース分子レベルで見た細胞壁の模式図 ( 図 : 木材保存学入門より ) 鉄筋コンクリート構造

11 セルロース木材中に 40~60% 樹木繊維の骨格をなす高分子化合物地球上で最も多量に存在する天然高分子綿麻などの植物や一部の動物や微生物によっても生産される加工利用 : 紙繊維フィルム

12 D- グルコース残基 β-1,4- グリコシド結合直鎖状枝分かれがない水素結合

13 セルロースの構造的特徴単純多糖 ( ホモ多糖 ) 親水性部分と疎水性部分を併せ持つ直鎖結晶構造植物細胞壁に学ぶ材料の設計 30May2010 五月祭

14 セルロース結晶木材のセルロースミクロフィブリル太さ数 nm 長さ数 μm 結晶領域非晶領域セルロース分子

15 セルロースの結晶多形

16 Cellulose Iβ Cellulose II

17 さまざまな生物のセルロース ( 出典木質の構造日本木材学会編 ) ワタセルロース含量 (%) 95~99 重合度ミクロフィブリルの幅 (nm) 一次壁 2000~6000 2~2.5 二次壁 13000~4000 5~10 結晶幅 (nm) リンター ~5100 4~6 ラミー 80~ ~ 2.5~5 3~6 木材 40~ ~ 2.5~5 2~2.5 褐藻紅藻 1~10 ~ ~30 緑藻海藻 ~ ~ ~30 12~18

18 ヘミセルロース木材細胞壁を構成する種々の多糖類のうちセルロースを除いた糖類の総称針葉樹材に 20~30% 広葉樹材に 15~25% 細胞壁中ではセルロースとリグニンの間に存在し両者を結びつける役割を果たしている

19 ヘミセルロースを構成する主な単糖類 CH 2 H H H,H CH 2 H H H H,H H H,H CH 2 H H H H,H H H,H CH H H,H H H H H H H CH 2 H H CH 3 H D-グルコース D-マンノース D-キシロース D-ガラクトース L-アラビノース 4--メチル- D- グルクロン酸図出典木質の形成 ( 海青社 )

20 アラビノグルクロノキシラン種々のヘミセルロースの部分化学構造フェルロイルアラビノキシラン 4-- メチルグルクロノキシランキシログルカングルコマンナン

21 代表的なヘミセルロースの化学構造 (A) 広葉樹キシラン (B) 針葉樹グルコマンナン CH 2 H CH CH 2 2 H CH 2 H CH 2 H CH 2 H H H H D- ガラクトース側鎖 β-1,4-グリコシド結合 Ac CH 2 H H H H H H H H H Ac H H CH 3 H CH H H H H H Ac H キシロース残基 H 水酸基の一部はアセチル化キシロース残基 10 個に 1 個の割合で 4-- メチル -D- グルクロン酸側鎖 H H D- マンノースと D- グルコース構成比 3~4:1 H 水酸基の一部はアセチル化 H 針葉樹に含まれるキシランはアセチル基をもたず側鎖に L- アラビノースも持つ広葉樹にもグルコマンナンが少量存在するが構成比などに差異がある

22 ヘミセルロースの構造的特徴ヘテロ多糖枝分かれ構造やアセチル化非晶性親水性に富む化学的にも生化学的にも分解を受けやすい

23 C C C リグニン C C C H CH 3 H 3 C H CH 3 グアイアシル構造シリンギル構造木材リグニンの構成単位 p- ヒドロキシフェニルフェニルフロハン (C 6 -C 3 ) を構成単位とする高分子化合物針葉樹リグニン : グアイアシル構造広葉樹リグニン : シリンギル構造 +グアイアシル構造針葉樹材に25~35% 広葉樹材には20~25%

24 炭素 - 炭素 (C-C) 結合やエーテル (C--C) 結合で重合三次元的に広がった網目構造 H 3 C CH 2 H H 3 C HC CH CH 2 H CH 2 H CH HC H 3 C CHH CH H CH 2 H CH 3 CH 2 H HC H 3 C CH CHH CHH HH 2 C 針葉樹リグニンのモデル構造 C H CH 2 H CH CHH CH H 2 C H CH CH 3 化学構造の全容は解明されていない H 3 C CH 2 H CH CH 3 H H 3 C CH 2 H CH CHH HC HC CH CH 2 HC CH 3 CH 2 H HC HC CH 3 CH 2 H H 3 C HC CHH H 3 C H 3 C CH 2 H CH CHH CH 2 H HC C CH 3 CH 3 生合成過程 : ラジカル化したフェニルプロパン構造が様々な共鳴構造体として存在しそれらがランダムなラジカルカップリングによって高分子化する

25 リグニンの特徴疎水性 ~ 水分通道組織における役割 : 多様な結合様式高い生物抵抗性 ( 微生物にとって難分解性 )

26 木材成分の水酸基 H 水素結合

27 ドライングセット = 熱と水の作用による成形変形されたまま固定して乾燥すると与えられた変形がほぼそのまま保持される現象 + - H + - 水素結合 H 結合水が脱着する際与えられた変形による新しい固定位置で水素結合などの二次結合が形成され固定される新たな固定位置で H + - 新しい位置での固定水と熱の作用で回復する

28 抽出成分

29 抽出成分水や有機溶媒に可溶な成分種類量および組成は樹種部位季節によって異なる

30 辺材抽出成分 : 新生木材細胞糖類が多いデンプンアミノ酸タンパク質など充分に乾燥されていない木材の辺材などに変色菌や表面汚染菌

31 心材抽出成分 : 心材が辺材に移行する際に柔細胞が死に至る過程で生産樹種に特有なテルペンフラボノイドリグナンなど細胞壁上で不溶化して保護層を形成抽出成分自身が抗菌活性等 H 3 C H H HC CH 2 H CH 2 H CH H H HC CH H H 3 C CH 3 H H 3 C CH 3 H H α- カジノール ( テルペン ) タキシホリン ( フラボノイド ) オリビル ( リグナン )

32 2. 生合成

33 外樹皮内樹皮師部形成層木部形成層 ( 高部圭司木材保存より ) スギの木口面

35 セルロースの生合成ターミナルコンプレクス植物の細胞壁東大出版会

36 3. 加工

37 図 : ミネソタ大学資料より

38 主要なバイオマスの成分分離技術とその特徴 1 現行の化学パルプ製造 ( クラフト法 ) セル以外は燃料 2 無機酸によるバイオマス糖化法グルコース単糖 or フルフラール酸加水分解リグニン 3 酵素によるバイオマス糖化法グルコースリグとヘミセルは前処理で分離してケミカルス 4 蒸煮爆砕広葉樹チップが対象の前処理セルヘミリグ分離利用 5 低沸点有機溶媒によるソルベント法アルコールメタノール等高温高圧処理セルリグフルフラール 6 高沸点有機溶媒によるソルベント法酢酸 + 硫酸触媒で還流抽出セル単糖リグ分離プロピレングリコール高温低圧処理セルリグ分離

39 製紙パルプセルロケミカルスナノファイバー発酵生産物エステル化ー酢酸セルロースエーテル化ーカルホキシメチルセルロース

40 ヘミセルロースの利用キシラングルコマンナンガラクタンアラビノガラクタンリグニン炭水化物複合体生理活性物質としての利用可能性

41 リグニンの利用低分子化高付加価値利用機能化樹脂化炭素繊維化

42 抽出成分の利用テルペンタンニン

43 木材のプラスチック化木材の液化ウッドセラミックス熱分解とガス化炭化

44 自然界におけるバイオマス変換 ( 木材の生分解 )

45 泥炭形成泥炭 (peat) 植物遺体が堆積して比較的地表近くで生化学的変化を受けて生成したもの ( 日本大百科全書 ) 由来の植物の種類炭化の進行度合いにより性質は大きく異なるその定義分類は国によってさまざま ( 五十嵐八枝子地学教育と科学運動. 15 )

46 泥炭土壌は世界中に分布泥炭生成の場 : 水が滞留しやすい植物遺骸が堆積しやすい地形微生物による有機物の分解が適度に妨げられ蓄積可能冷温帯の泥炭熱帯の泥炭 ( トロピカルピート )

47 石炭の形成 3 億年前頃古生代石炭紀シダ類低灌木樹木の遺骸ピートや腐食石炭嫌気性ハクテリア堆積による熱と圧力石油と天然ガス? 古代の海海底に堆積した有機物分解炭化水素 ( 液体気体 ) ハクテリア堆積による熱と圧力多孔質の地層を長い距離移動

48 H/C が大きいものほどあたりの二酸化炭素排出量が小さい

50 ( バイオエネルギーの技術と応用柳下 )

51 ( バイオエネルギーの技術と応用柳下 )

52 ( バイオエネルギーの技術と応用柳下 )

53 ( バイオエネルギーの技術と応用柳下 )

54 ( バイオエネルギーの技術と応用柳下 )

< F2D819A939C BB95A8816A81402E6A7464>

< F2D819A939C BB95A8816A81402E6A7464> 糖糖 m( 2) nの一般式で表される化合物単糖類 6 12 6 糖類の最小単位加水分解しないグルコース ( ブドウ糖 ), フルクトース ( 果糖 ), ガラクトース多糖類加水分解で多数の単糖類を生じる糖類, デキストリン, グリコーゲン, セルロース還元性なし ( 60) アミロース ( 20 ~ 25 %) 溶けやすい分子量 ( 数十万 ) 直鎖状アミロペクチン ( 75 ~

農学国際特論Ｉ 椊物材料の化学・生化学と利用 （佐藤、斎藤） 2011.7．8

農学国際特論Ｉ椊物材料の化学・生化学と利用（佐藤、斎藤）　2011.7．8