キチンナノファイバーの実用化にあたって,関連物質であるセルロースナノファイバーとの特徴の違いを十分に把握しなければならない.セルロースナノファイバーの研究はキチンナノファイバーよりも先行しており,国内外を問わず大規模にその利用開発が進められている.セルロースは樹木として地球上に大量に貯蔵され,製紙や繊維,食品産業を中心に大規模に利用されるため,原料のコストはキチンと比較して圧倒的に低い.よって,キチンナノファイバーの実用化にはセルロースナノファイバーとの差別化が必要不可欠である.次に差別化において有効と思われるキチンナノファイバーの機能を紹介する.
食品の物性改良 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。 腸管の炎症の緩和 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).
植物に対する効果 病害抵抗性の誘導 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。 ・ 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。 ・ RSC Advances, 4, 19246-19250 (2014).
図1■豊富なバイオマス,セルロース,キチン,キトサンの化学構造 図2■カニ殻から抽出されるキチンナノファイバーの電子顕微鏡写真 キチンナノファイバーが得られる理由はカニ殻の構造にある( 図3 図3■キチンを主成分としたカニ殻の複雑な階層構造 ).カニ殻はキチンナノファイバーとタンパク質が複合体を形成し,階層的に組織化され,その隙間に炭酸カルシウムが充填されている.カルシウムはキチンナノファイバーを支持する充填剤,タンパク質はカルシウムの析出を促す核剤の役割を果たしていると考えられている.よって,これらを除去すると支持体を失ったキチンナノファイバーは,比較的軽微な粉砕でも容易にほぐれる.これがナノファイバーを単離できる機構である.研究を開始した当初はカニ殻がナノファイバーからなる組織体であることを調査せずに行っていたので,セルロースナノファイバーの単離技術を応用して期待どおりのナノファイバーが得られたことは幸運であった.なお,カニやエビ殻に含まれるキチンナノファイバーはらせん状に堆積しているが,タマムシなど甲虫の外皮に見られる特徴的な金属様の光沢は色素ではなく,らせんの周期的な構造に由来する. 図3■キチンを主成分としたカニ殻の複雑な階層構造 キチンナノファイバーの特徴として水に対する高い分散性が挙げられる.高粘度で半透明な外観は可視光線よりも微細な構造と高い分散性を示唆している.そのためほかの基材との混合や塗布,用途に応じた成形が可能である.キチンがセルロースに継ぐ豊富なバイオマスでありながら,直接的な利用がほとんどされていない要因は不溶であり,加工性に乏しいためであるから,ナノファイバー化によって材料として操作性が向上したことは,キチンの利用を促すうえで重要な特徴である. キチンナノファイバーの製造方法は,ほかの生物においても適用可能であり,エビ殻やキノコからも同様のナノファイバーを得ている.エビは東南アジアで広く養殖され,その廃殻は重要なキチン源となりうる.また,キノコも栽培され,食経験もあることから,後述する食品の用途において有利であろう.キチンは地球上で多くの生物が製造するため,生物学的な分類によってそれぞれのナノファイバーについて,形状や物理的,化学的な違いが明らかになれば面白い.たとえば,昆虫の外皮や顎,針など強度の要求される部位の多くはキチンを含んでいるが,昆虫からも同様の処理によってキチンナノファイバーが得られるであろう.効率的で環境に優しいタンパク源として昆虫食が注目されており,アジアやアフリカなどの一部の地域では一般に食されている.今後,人口の増加や地球環境の変化に伴いタンパク源として昆虫食が世界的に広まっていく可能性がある.固い外皮は食用に適さないから,キチンナノファイバーの原料になりうる.
キチン・キトサンが創傷治癒に及ぼす影響 創傷治癒の過程には、大きく炎症期、増殖期およびリモデリング期が存在する。キチン・キトサンは、それぞれの過程に影響を及ぼすことが明らかとなっている 4, 5 。具体的には、創部への白血球の誘導を促進する、多型白血球の誘導を促進し組織での異物貪食を促す、肉芽組織の形成を促し増殖期への誘導を行う、速やかな上皮化を行うといったことが知られている。また、創傷治癒に重要なプロスタグランジンなどの生理活性物質を放出させる。また、キチン・キトサンは血小板凝集能を強化し、血小板由来成長因子の放出を促進する。このような各種成長因子・生理活性物質は、血管内皮細胞・線維芽細胞などを創部に誘導する。 興味深いのは、 in vitro ではキチン・キトサンは直接的には血管内皮細胞・線維芽細胞増殖を刺激しないことが指摘されている。しかし、キチン・キトサンの分解産物は血管内皮細胞の遊走活性を誘導する。したがって、キチン・キトサンは創傷治癒の第一段階である炎症期の速やかな開始に寄与するとともに、その分解産物が創傷治癒過程に影響を及ぼしていると考えられている。 3. キチンによる創傷被覆材 前述のような創傷治癒促進効果、生分解性および安全性の高さ(低抗原性)から、キチンは臨床現場にて創傷被覆材として応用がされている。1989年には、人患者に対する臨床応用について発表されており、現在に至るまで製品化されている。特に「創の保護」、「湿潤環境の維持」、「治癒の促進」および「疼痛の軽減」を目的とし、創への使用がなされている 6 。 また、キチン・キトサンの効果は人のみならず動物(獣医療)でも、よく知られるところである。南らは1990年頃より獣医療(産業動物(牛)、伴侶動物(犬、猫))での応用を開始し、良好な成績を発表している 4 。実際の症例での使用経験から、キチン・キトサンは皮膚のケロイド化を防ぎ、広範囲な創傷・感染創などにも有用であることを明らかにしている。さらに興味深いのは、その治癒過程において被毛も含め皮膚の良好な再生を誘導することである。その知見をふまえ、1992年にはキチン・キトサンを利用した動物用創傷被覆材も製品化された(1992年発売の製品はすでに製造されていないが、キトサンを綿状にした創傷被覆材が動物医療にも使用される場合がある 11 )。 4. キチン・キトサンの新展開 近年、様々な材料由来のナノファイバーが作製されており、キチン・キトサンもその例外ではない。特に、鳥取大学 伊福伸介教授らのグループはキチン粉末から解繊処理と酸添加という非常にシンプルな方法でのキチンナノファイバーの作製に成功している 7 。キチンナノファイバーの特徴は従来のキチンと異なり水への親和性・分散性が高く均一な水分散液となり安定する点である。 図 3.
表面脱アセチル化キチンナノファイバーとキトサンの肉眼像および電子顕微鏡写真 表面脱アセチル化キチンナノファイバー分散液の肉眼像をAに、電子顕微鏡写真をCに示した。また、キトサン溶解液の肉眼像をBに、電子顕微鏡写真をDに示した。表面脱アセチル化キチンナノファイバーでは微細繊維が観察される。文献8より転載引用。 このキチンナノファイバーには、従来のキチンが有する生体機能に加えナノファイバーであるという物性的な利点とが存在し、この応用に大きな期待が寄せられている。さらには、加工性にも優れ例えばキチンナノファイバーの表面のみを脱アセチル化(キトサン化)した、表面脱アセチル化キチンナノファイバーも作製可能である。これらのキチンナノファイバーについては、従来のキチン・キトサン同様に創傷治癒促進効果を有することが実験的に示されている 9 。ナノファイバーの利点として、加工性が挙げられる。従来ほとんどの溶媒に溶けなかったキチンが親水性の分散液となることによって、その応用用途・加工性は飛躍的に向上する。表面コーティング、スポンジ化などの剤形加工も容易であり、他の多糖類などとの複合体作製も容易となる 10 。 図 4. 表面脱アセチル化キチンナノファイバー凍結乾燥によるスポンジ 5. まとめ 以上のように、キチン・キトサンの創傷治癒促進効果は約半世紀にわたり研究がなされ、臨床現場での応用もなされている。今回紹介した以外にもキチン・キトサンは様々な生体機能を有しており、大変興味深い素材である。また、原料がカニ殻など廃棄物であるという点も、資源の循環という観点からも非常に有用である。近年注目されているキチンナノファイバーの生体機能探索・応用に関する研究も実施されている真只中であり、今後の展開に目が離せない多糖類である。 K. Azuma et al., J. Biomed. Nanotechnol. 10, 2891 (2014) 東 和生,BIO INDUSTRY. 34, 35 (2017) S. Ifuku and H. Saimoto, Nanoscale. 4, 3308 (2012) 南 三郎,江口博文,獣医臨床のためのキチンおよびキトサン.株式会社ファームプレス (1995) 岡本芳晴,第16章 キチン・キトサンの獣医臨床領域への適用,キチン・キトサンの最新科学技術.技報堂出版 (2016) ベスキチン®W 添付文書,ニプロ株式会社 (2015) S. Ifuku et al., Biomacromolecules.
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