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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). キチンは甲殻類や節足動物、きのこや真菌、酵母など微生物が製造する抱負なバイオマスです。これらの生物はキチンを外皮や細胞壁を構成する構造多糖として利用しています。天然のキチンはいずれもナノファイバーとして存在しています。セルロースナノファイバーの製造技術を応用して、 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). ・ Carbohydrate Polymers, 84, 762-764 (2011). ・ Materials, 4, 1417-1425 (2011). 肌への塗布に伴う効果 創傷治癒促進効果 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。ラットの創傷部に対してナノファイバー水分散液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。一方、市販のキチンおよびキトサン乾燥粉末を塗布した群においては、わずかな上皮化が認められる程度でした。 ・ Carbohydrate Polymers, 123, 461-467 (2015). バリア機能と保湿効果 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を確認しています。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ました。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保湿剤が製品化されています。 ・ Carbohydrate Polymers, 101, 464-470 (2014).
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).
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.
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).