イオン液体を用いたカニ殻からのキチンの精製

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まいえふじつぐ
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1 イオン液体による未利用甲殻類からのキチンの効率的かつ簡便な抽出単離鹿児島大学理工学研究科化学生命化学工学専攻教授門川淳一

2 セルロースとキチン : 構造多糖 H H cellulose H n H chitin H H 3 C NH C 多糖は自然界に豊富に存在する有機資源であり石油代替資源として有効な利用が望まれているセルロース : 植物の細胞壁を構成する成分であり古くから紙パルプなどの利用されてきたキチン : 甲殻類の殻の構成成分であるセルロースに比べて有効利用が遅れておりほとんどが廃棄されているセルロースに比べて溶解性や加工性が悪い甲殻からの単離が煩雑である n

3 キチンの構造および甲殻の構成様式と各成分の存在比層線Chitin H H NH C H 3 C Molecular weight; n 表クチクラ : 脂質タンパク質外クチクラ : キチンタンパク質無機塩色素内クチクラ : キチンタンパク質無機塩膜層 : キチンタンパク質生物ケガニガザミヒライソガニキチン成分 (wt%) タンパク質 Ca Mg シバエビタラバガニキチンキトサン研究会, キチンキトサンハンドブック, 1995, 1-30.

4 通常行われている甲殻類からのキチンの単離方法と問題点 Hackman method Crustacean shells Demineralization 2N HCl aq. Standing at room temparture for 5 h Filtration and washing with water Residue 2N HCl aq. Stirring for 48 h Removal of protein Centrifugal separation Residue 1N NaH aq. Stirring at 100 o C for 12 h Filtration Washing with water, ethanol and ether Drying Chitin Repeat 3 times Yield : 17 % 通常の方法では塩酸で無機塩を除去後 NaH 水溶液でタンパク質を可溶化してキチンを単離する多量の強酸強塩基の使用長時間の処理煩雑な操作 R.H. Hackman, Austr. J. Biol. Sci., 1954, 7,

5 発明の特徴と有用性従来技術では塩酸と水酸化ナトリウムを用いる長時間の処理が必要である甲殻類の甲殻又は貝類の貝殻は漁業食品加工業の現場で大量に排出廃棄されているこれらのバイオマス廃棄物の処理技術や有効利用技術の開発は大きな課題となっている本発明により単純な工程( イオン液体による抽出クエン酸による処理 ) でカニ殻などの未利用甲殻類から高純度のキチンを製造することができるようになったキチンやキトサンは抗菌防臭効果やコレステロールの体内吸収抑制効果火傷治療効果などが知られており繊維製品や医薬に使用されている 5

イオン液体とは常温で液体イオン伝導性が高い蒸気圧が極めて低い General structures of ionic liquids R N N R X Imidazolium Salt type R" R' N X R Pyridinium Salt type R R' N R R X Ammonium Salt type R' R P R R X Phosphonium Salt

6 イオン液体とは常温で液体イオン伝導性が高い蒸気圧が極めて低い General structures of ionic liquids R N N R X Imidazolium Salt type R" R' N X R Pyridinium Salt type R R' N R R X Ammonium Salt type R' R P R R X Phosphonium Salt type Dissolution of cellulose in ionic liquid H H cellulose H n 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (BMIMCl) Cellulose from pulp (10 %) was dissolved in BMIMCl. R. P. Swatloski, S. K. Spear, J. D. Holbrey and R.D. Rogers, J. Am. Chem. Soc., 2002, 124,

7 キチンを溶解するイオン液体 CH 3 C - CH 3 C - 1-butyl-3-methylimidazolium acetate (BMIMAc) 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIMAc) 酢酸塩型 ( 合成が困難不安定 ) Y.Wu, T. Sasaki, S. Irie, K. Sakurai, Polymer., 2008, 49, Y. Qin, X. Lu, N. Sun, R. D. Rogers, Green Chem., 2010, 12, H H NHAc α-chitin (from crab shell) n 1-allyl-3-methylimidazolium bromide (AMIMBr) 臭化物塩型 ( 合成が容易安定 ) Heated at 100 o C Chitin from crab shells (5 %) was dissolved in AMIMBr. 熱可塑性多糖ゲルおよびその製造方法ならびに多糖成形材料の製造方法特開 K. Prasad, M. Murakami, Y. Kaneko, A. Takada, Y. Nakamura, J. Kadokawa, Int. J. Biol. Macromol.,

8 本技術 AMIMBr を用いて強酸強塩基を用いない温和な条件での甲殻類からのキチンの簡便な抽出と精製 Red snow crab AMIMBr Extraction H H NHAc n Crab shells Chitin Removal Proteins Mineral salts

Supernatant solution Reprecipitation into water Filtration and

9 イオン液体を用いるカニ殻からのキチンの抽出 Red snow crab shells (1.5 [g]) AMIMBr 15.0 [g] Stirring at 100 o C for 24 h Centrifugal separation Residue Supernatant solution Reprecipitation into water Filtration and washing with water Filtrate Residue Drying Extract (1) (0.2 [g]) Yield : 13 %

10 抽出物 (1), 炭酸カルシウムおよび市販キチンの粉末 X 線回折 (XRD) パターンキチンの抽出無機塩の抽出 CaC 3 Intensity Extract (1) Commercial chitin θ / dg (CuKα)

11 クエン酸水溶液処理による脱灰 ( 無機塩の除去 ) Red snow crab shells (1.5 [g]) AMIMBr 15.0 [g] Stirring at 100 o C for 24 h Centrifugal separation Supernatant solution Residue Citric acid クエン酸分子内のカルボキシル基とヒドロキシル基により金属イオンと非常に安定したキレートを形成する 1.5% (w/v) citric acid aq. 300 [ml] Reprecipitation into water Stirring at room temperature for 3 h Filtration and washing with water Residue Filtrate Drying Extract (2) (0.11 [g]) Yield : 7.5 %

12 抽出物 (1),(2) および市販キチンの XRD パターン Extract (1) Intensity Extract (2) Commercial chitin θ / dg (CuKα)

13 SEM-EDX による抽出物 (2) の元素分析キチン由来の炭素酸素元素のピークのみ観測され CaC 3 の Ca 等無機塩由来の元素は観測されなかったクエン酸による処理により効果的に無機塩が除去できた

14 抽出物 (2) および市販キチンの赤外線吸収 (IR) スペクトル測定結果 Extract (2) CH 3 C N H Commercial chitin Wavenumber (cm -1 )

DCD 4 H 6 3 H 5 2 1 NHAc a n 1 H NMR 測定結果 (DCD )( クロロホルム洗浄後 ) a

15 DCD 4 H 6 3 H NHAc a n 1 H NMR 測定結果 (DCD )( クロロホルム洗浄後 ) a Chloroform-treated extract (2) Chloroform DCD Commercial chitin 2-6 a 1 PPM

16 IR 測定による脱アセチル化度の決定 H H NH C H 3 C Acetyl group H H NH x x Amide Ⅱ band (1560 cm -1 ) x = degree of deacetylation Degree of deacetylation : less than 5% C- stretching band (1070 cm -1 ) 吸収ピークの比を算出検量線を用いて脱アセチル化度を算出 Wavenumber (cm -1 ) Y. Shigemasa, H. Matsuura, H. Sashiwa and H. Saimoto, Int. J. Biol. Macromol., 1996, 18,

17 粘度法による分子量の決定 Determination of viscosity Extract (2) ( 0.02, 0.015, [ g ]) 5% (w/w) DMAc / LiCl ( 10 [ml] ) Mark-Houwink-Sakurada equation [ η ] = K Mw a ( K, a : constant, M w : molecular weight ) K = , a = 0.95 Stirring at room temperature for 6 h Determination of viscosity [ η ] = 9 ( [ η ] : intrinsic viscosity ) Weight average molecular weight = M. Poirier, G. Charlet, Carbohydr. Polym., 2002, 50,

18 タンパク質含有量の測定 Extract (2) ( 0.05 [g] ) 5 % (w/v) NaH aq. ( 10 [ml] ) Stirring at 95 o C for 2.5 h Supernatant solution ( 1.0 [ml] ) 2 % NaC 3 in 0.10 N NaH aq. ( 4.5 [ml] ) 0.5 % CuS 4 5H 2 in 1 % sodium tartrate aq. ( 0.5 [ml] ) Standing for 10 min 1N Folin reagent ( 0.5 [ml] ) Stirring for 30 min Determination of protein content by absorbance at 750 nm Content of protein : less than 0.1 %. H. Lowry, N. J. Rosebrough, A. L. Farr, and R. J. Randall, J. Biol. Chem., 1951, 193,

様々な条件で抽出されたキチンの収率脱アセチル化度分子量 Entry Extraction temperature ( o C) Extraction time (h) Yield (%) Degree of deacetylation (%) Mw 1 80 24 6.1 less than 5 % 1.9 10 5 2 100 6 3.

19 様々な条件で抽出されたキチンの収率脱アセチル化度分子量 Entry Extraction temperature ( o C) Extraction time (h) Yield (%) Degree of deacetylation (%) Mw less than 5 % less than 5 % less than 5 % less than 5 % % % Commercial chitin less than 5 %

20 イオン液体の回収 ( 予備検討 ) Red snow crab shells (1.5 [g]) AMIMBr 15.0 [g] Stirring at 100 o C for 24 h Centrifugal separation Supernatant solution Residue Filtrate (Calcium citrate) AMIMBr (recovered) 1.5% (w/v) citric acid aq. 300 [ml] Reprecipitation into water Stirring at room temperature for 3 h Filtration and washing with water Filtration Evaporation Residue Drying Extract (2) (0.11 [g]) Filtrate Yield : 7.5 %

21 総括イオン液体 ( 臭化 1- アリル -3- メチルイミダゾリウム ) 中でカニ殻を加熱することで簡便かつ効率的にキチン成分を抽出できたクエン酸水溶液処理により無機塩の除去を行うことで純粋なキチンを重量収率 3.7~12.6% で得ることができた得られたキチンは脱アセチル化度が 7% 以下で重量平均分子量が 0.7 ~ であったタンパク質はほとんど含まれていなかった

22 実用化に向けた課題イオン液体 ( 臭化 1- アリル -3- メチルイミダゾリウム ) を 100 で加熱すると着色が起こるこのためこのイオン液体を用いて抽出したキチンもわずかに着色する還元剤の添加により解決可能イオン液体を用いる最大の問題点は高価なことであり回収再使用のプロセス確立が必須である ( 予備検討あり ) 他の甲殻類を用いた詳細な検討も必要である ( プロセスの汎用性 )

23 本技術に関する知的財産権発明の名称 : イオン液体を用いる甲殻類の甲殻又は貝類の貝殻からのキチンの製造方法出願番号 : 特願出願人発明者 : 鹿児島大学 : 門川淳一

24 お問い合わせ先鹿児島大学産学官連携推進センター知的財産部門 TEL FAX tizai@kuas.kagoshima-u.ac.jp

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PowerPoint プレゼンテーション Graduate School of Engineering, Kobe University Soft Matter Interface Laboratory (SMIL:-) セルロース ( 複合 ) 粒子の作製とその構造制御神戸大学大学院工学研究科応用化学専攻南秀人第 1 回関西ものづくり技術シーズ発表会国民会館大ホール 2014. 9. 29 高分子微粒子材料の設計と機能化塗料接着剤

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