研究内容

鳥取県の特産品「カニ」。カニ殻の主成分であるキチンをナノファイバーとして抽出することに成功。多くの大学研究室や民間企業と共同研究を行って、キチンナノファイバーには驚くほど多様な機能があることが分かってきました。機能を活かして実用化を進めて、カニ殻の有効利用と鳥取県の産業の活性化に取り組んでいます。
 
主な総説
高分子論文集、69, 460-467 (2012).高分子科学・工学のニューウェーブ
Nanoscale, 4, 3308-3318 (2012).
Journal of Biomedical Nanotechnology, 10(10), 2891-2920 (2014).

キチンナノファイバーの製造

キチンナノファイバーは様々な生物が製造し、構造多糖として利用する抱負なバイオマスです。これまで、カニ殻の他に、遊泳型のエビの殻、食用のキノコ、蚕の蛹やセミの抜け殻などからキチンナノファイバーを製造し、その評価を行っています。
Biomacromolecules, 10, 1584-1588 (2009).

 

補強材としての利用

キチンナノファイバーは剛直な高分子鎖が集合した伸び切り鎖の微結晶性繊維であるため優れた物性を備えています。その様な特徴は材料の物性を強化する補強繊維として利用することが可能です
 

プラスチックの補強

ナノファイバー配合プラスチック

キチンナノファイバーを配合したアクリル系プラスチックフィルムを作成しています。ナノファイバーによる補強効果により強度と弾性率が向上し、熱膨張性が大幅に低下する一方、ナノファイバーを補強繊維として配合しても透明性や柔軟性などプラスチック本来の特徴は変わりません。これはキチンナノファイバー(およそ10 nm)が可視光線の波長(およそ400~800 nm)よりも十分に細いため、ナノファイバーの界面において可視光線の散乱を生じにくいためです。

Green Chemistry, 13, 1708-1711 (2011).

食品の物性改良

(左)通常のパンと(右)ナノファイバー入りパン

キチンナノファイバーを配合することでパンの成形性を向上することが可能です。パンの製造において小麦粉の使用量を減らすと、十分に膨らみません。しかし、予め小麦粉に対して微量のキチンナノファイバーを添加しておくと、小麦粉を減量しても十分に膨らむパンができます。キチンナノファイバーがグルテンと良好に相互作用してベーキングの際に外に空気を逃がさない壁を形成するためと考えています。

日本食品科学工学会誌、63(1), 18-24 (2016).

生体接着剤の強化

キチン・キトサンは生理機能や生体親和性が知られ、一部が医療用材料として実用化されています。縫合糸の不要な生体接着剤にキチンナノファイバーを配合すると、接着力が向上して、患部の組織を強力に接着することができます。

Biomaterials, 42, 20-29 (2015).

 服用に伴う効果

ダイエット効果

キトサンはキチンの脱アセチル誘導体でダイエット効果が知られています。一部をキトサンに改質したキチンナノファイバーにも同様にダイエット効果があります。脂肪分の高い食事を摂取すると体重が増えますが、ナノファイバーを併用すると体重の増加が緩和されます。これはナノファイバーが胆汁酸を吸着するためです。胆汁酸の吸着されると脂肪が安定にミセルを形成できなくなり、吸収されにくくなってしまいます。

肝臓の組織。ナノファイバーを併用すると脂肪の蓄積が抑えられる

 

腸管の炎症の緩和

ナノファイバーを服用すると炎症の
原因物質が正常値になります

キチンNFが腸管の炎症を緩和することを明らかにしています。3日および6日間の服用により腸管の炎症および
線維症が大幅に軽減したことが組織学的な評価によって確認できました。キチンNFの服用に伴い、大腸組織内の核因子kB(NF-kB)の活性が減少したこと、血清中の単球走化性タンパク質-1 (MCP-1)の血清中の濃度が減少したことが腸疾患の抑制に寄与したと思わます。NF-kBは急性および慢性炎症反応に関与するタンパク質複合体で、MCP-1は炎症性サイトカインとして知られています。

Carbohydrate Polymers, 87, 1399-1403 (2012).

Carbohydrate Polymers, 90, 197-200 (2012).

腸内環境の改善と代謝に及ぼす影響

表面キトサン化キチンナノファイバーの服用に伴いにBacteroides属が顕著に増加しました。また、キチンナノファイバーの服用に伴い、乳酸および酢酸の濃度が上昇しました。Bacteroides属は一般に糖質を代謝して栄養源としていること、短鎖脂肪酸を酸性して腸管内のpHを低下させて、一般には悪玉菌に分類される菌類の増殖を抑制すること、腸管内の細胞を刺激して免疫反応に関与していること、などが報告されています。ナノファイバーの服用に伴う一連の作用メカニズムの一端は腸内細菌が関与しているかも知れません。
キチンナノファイバーを摂取した後、代謝産物を網羅的に測定しました。アデノシン三リン酸、アデノシン二リン酸が顕著に上昇しました。これらは、エネルギーの代謝に関わる産物である。また、5-ヒドロキシトリプトファン、セロトニンが上昇しました。これらの物質は腸内細菌が産生して全身に循環していると示唆されます。

International Journal of Molecular Sciences, 16, 17445-17455 (2015).



 肌への塗布に伴う効果

怪我の治癒促進

キチンおよびキトサンは好中球、マクロファージ、繊維芽細胞、血管内皮細胞、皮膚上皮細胞などを活性化し、それに伴い治癒を促進することが知られています。一部をキトサンに変性したキチンナノファイバーについても同様の現象を確認しています。怪我に対してナノファイバーを定期的に塗布したところ、4日目に部分的、8日目に完全な上皮組織の再生が組織学的に認められました。また、真皮層における顕著な膠原繊維の増生も認められました。

(左)未処置と比べて(右)ナノファイバーを塗布すると、炎症が速やかに収束し、組織が再生している

Carbohydrate Polymers, 123, 461-467 (2015).

肌への塗布による影響

キチンナノファイバーを皮膚に塗布することにより皮膚の健康を増進することを明らかにしています。塗布後、わずか8時間で上皮組織の膨化および真皮層の膠原繊維の密度が増加することが確認できました。この反応は塗布に伴う酸性ならびに塩基性繊維芽細胞増生因子(aFGFおよびbFGF)の産生に伴うものです。また、塗布により、外界からの刺激に対して保護する緻密なバリア膜を角質層に形成して、健康な皮膚の状態を長時間に亘って保持することをヒト皮膚細胞を積層した3次元モデルを用いた評価によって明らかにしています。また、バリア膜の存在により肌の水分の蒸散を抑制するため、肌の水分量が有意に増加した。現在、その様な知見を活かして、キチンナノファイバーを配合した敏感肌用化粧品を民間企業との共同研究により製品化しています。

 植物に対する効果

病害抵抗性の誘導

(右)キチンナノファイバーを散布すると
病気に冒されにくくなる

多くの植物はキチンオリゴ糖を認識する受容体を備えており、シグナルの伝達を経て病害抵抗性が発現することが知られています。キチンナノファイバーも同様に植物の病害抵抗性を誘導します。例えば、イネはいもち病菌に感染すると枯れてしまいますが、予めキチンナノファイバーを散布すると免疫機能が活性化されて、立ち枯れを抑制できます。このような効果はトマト、キュウリ、梨についても確認しています。菌類の細胞壁にもキチンナノファイバーが含まれています。植物はキチンを認識する受容体を自然免疫として獲得することにより菌の襲来に備えているわけです。

Frontiers in Plant Science, 6, 1-7 (2015).

 キチンナノファイバーの化学改質

キチンナノファイバーは反応性の高いアミノ基や水酸基を備えているため、用途に応じて化学的に修飾して、表面改質や機能性を付与することが出来ます。

剛直な多糖類「キチン」

Molecules, 19(11), 18367-18380 (2014).
 
アセチル化

キチンナノファイバーを強酸中で、無水酢酸と反応することによりアセチル化できます。導入されるアセチル基の置換度は反応時間に応じて制御できます。親水性の水酸基が疎水性のアセチル基で保護されるため、キチンナノファイバーの複合フィルムの吸湿性を大幅に下げることが出来ます。そのため、吸湿に伴う複合フィルムの寸法変化を抑制できます。

Biomacromolecules, 10, 1326-1330 (2010).

ポリアクリル酸のグラフト

キチンナノファイバーを水溶性の過酸で処理するとその表面にラジカルが発生します。次いでアクリル酸を添加することにより、ナノファイバー表面のラジカルを起点にしてラジカル重合反応が進行し、ポリアクリル酸をグラフトすることが出来ます。ポリアクリル酸の重合度はモノマーの仕込み量で調節できます。ポリアクリル酸によって表面に負の荷電が生じるため、塩基性水溶液に対する分散性が向上する。本反応は水中で行えるため、水分散液として製造されるナノファイバーの改質に都合が良いです。また、用途に応じて多様なビニルポリマーをグラフトが可能です。

Carbohydrate Polymers, 90, 623-627 (2012).

フタロイル化

キチンナノファイバーは適当な濃度の水酸化ナトリウムで処理すると表面の一部が加水分解により脱アセチル化されます。脱アセチル化により生じるアミノ基に対して様々な官能基を化学選択的に導入することが出来ます。表面を脱アセチル化したキチンナノファイバーに対して無水フタル酸を添加して加熱することによって表面にイミド結合を介したフタロイル化キチンナノファイバーが得られます。この反応は水中で行うことが特徴です。フタロイル化によって芳香族系の溶媒に対する親和性が高まり、疎水性のベンゼンやトルエン、キシレンに対して均一に分散できます。また、フタロイル基は紫外線を吸収するため、フタロイル化キチンナノファイバーを用いて作成したキャストフィルムや複合フィルムは肌に有害とされる紫外線を十分に吸収します。一方で可視光の領域は吸収が無いため透明性は損なわれません。

キチンナノファイバーの疎水化

RSC Advances, 4, 19246-19250 (2014).