RESEARCH
これまでおこなってきた研究および現在おこなっている研究について下記にまとめてあります。グループの学生さんが現在行っている研究テーマはMEMBERのページをご覧ください
Below is a summary of our past and current research. Please see the MEMBER page for the current research themes of the students in our group.
- イオン液体中のセルロースの構造(Structure of cellulose in ionic liquids)
- 多糖によるゲルの形成(Gel formation by polysaccharides)
- 多糖による沃素呈色(Iodine coloring by polysaccharide)
- 共同研究等(IW) (Joint research, etc.)
イオン液体中のセルロースの構造
Structure of cellulose in ionic liquids
セルロースは地球上でもっとも豊富にある再生可能資源です。 また持続可能な社会を維持形成するためのバイオベースマテリアルサイエンスにおいては、セルロースは非常に重要な材料でもあります。 セルロースは水あるいは通常の有機溶媒に溶けないことから様々な利用用途がありますが、逆に材料としてはその成形性に問題が有る素材であるともいえます。 常温付近で液体状態の塩であるイオン液体をセルロース溶媒として利用出来ることが2002年にRogerら（R. Swatloski et al., J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 4974–4975）によって示されて以降、セルロースやセルロース複合体の成形体については広範囲に研究がされています。 しかしイオン液体を用いたセルロースの成形加工を産業応用するだけでなく高付加価値化するためには、原材料であるイオン液体中のセルロースの状態や形態を把握することが必要です。 しかし、溶液中の分子形態についての基礎的な研究は、シミュレーションや粘度測定による検討がおこなわれただけです。 そこで、我々はイオン液体中のセルロースの形態について、溶液中のコンフォメーションのその場観察できる小角X線散乱法(SAXS)による観察をおこなっています。 現在は希薄溶液物性から濃厚溶液物性へとその分野を広げ、実用に近いところでの物性について検討をおこなっています。
Cellulose is the most abundant renewable resource on earth. Cellulose is also a very important material in bio-based material science to maintain and form a sustainable society. Cellulose is not soluble in water or ordinary organic solvents, so it has various uses, but as a material, it can be said that there is a problem with its moldability. It was reported in 2002 by Roger et al. (R. Swatloski et al., J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 4974–4975) that ionic liquids, which are salts that are liquid at room temperature, can be used as cellulose solvents. Since then, cellulose and cellulose composites have been extensively studied. However, in order not only to apply cellulose molding processing using ionic liquids to industrial applications but also to add value, it is necessary to understand the state and morphology of cellulose in the raw material, ionic liquids. However, basic research on molecular morphology in solution has only been conducted through simulations and viscosity measurements. Therefore, we are observing the morphology of cellulose in ionic liquids by small-angle X-ray scattering (SAXS), which enables in-situ observation of the conformation in solution. Currently, we are expanding the field from dilute solution physical properties to concentrated solution physical properties, and are investigating physical properties close to practical use.
多糖によるゲルの形成
Gel formation by polysaccharides
糖鎖は溶液状態で孤立鎖で存在していても、温度の低下や塩添加などの条件を加えることにより糖鎖の形態が変化し二重螺旋構造になるものがあります。 これはコイルーヘリックス転移といわれるものです。 この転移により形成される二重螺旋部分が、糖鎖間の架橋点となり、系全体が見かけ上ひとつの分子となりゲル構造に至ります。 カラギーナンは紅藻類から抽出される多糖で、硫酸エステル基を含む２種のガラクトースの繰り返し構造からなる共重合体です。 カラギーナン水溶液のゲル化には温度、添加塩、ポリマー濃度が影響を及ぼすことが報告がされています。 しかし、カラギーナンには多数のイオン種(Na+, K+, Ca2+)が対イオンとして混在しているため、カラギーナン水溶液中での架橋点形成にどのイオン種がどのような影響を与えるのかを検討するのは困難です。 我々のグループでは添加塩の効果、共存するカチオン種の効果を明瞭にするため、対イオンをすべてナトリウムあるいはカリウムに置き換えたカラギーナンを調製して実験に供することで添加塩効果を明らかにするとともに、 ι（イオタ）とκ（カッパ）カラギーナンのゲル化挙動を比較することにより化学構造がゲル化に与える影響を検討しています。
Even if a polysaccharide chain exists as an isolated chain in a solution state, the morphology of the polysaccharide chain may change and become a double helix structure by adding conditions such as lowering the temperature or adding salt. This is called a coil-helix transition. The double helical portion formed by this transition becomes a cross-linking point between polysaccharide chains, and the entire system appears to be a single molecule, leading to a gel structure. Carrageenan is a polysaccharide extracted from red algae, and is a copolymer consisting of repeating structures of two types of galactose containing sulfate ester groups. It has been reported that temperature, added salt, and polymer concentration affect the gelation of aqueous carrageenan solutions. However, carrageenan contains a large number of ion species (Na+, K+, Ca2+) as counterions. , it is difficult to investigate which ion species influences cross-linking point formation in aqueous carrageenan solution. In our group, in order to clarify the effect of added salt and the effect of coexisting cationic species, we prepared carrageenan in which all counter ions were replaced with sodium or potassium and subjected it to experiments to clarify the effect of added salt. By comparing the gelation behavior of (iota) and (kappa) carrageenan, we are investigating the effect of chemical structure on gelation.
多糖による沃素呈色
Iodine coloring by polysaccharide
ヨウ素デンプン反応はヨウ素ヨウ化カリウムとデンプン中のアミロースが呈色反応をおこすことでよく知られた事象です。 このような呈色反応は多糖類のうち、デンプン中のアミロースだけで起こるのではなく、植物種子抽出物がヨウ素ヨウ化カリウム水溶液で呈色する(P. KOOIMAN, Nature, 1958, 179, 107-109.）ことは以前より知られています。 呈色する植物種子抽出物の一つがタマリンド由来のキシログルカンです。 このキシログルカン(XG)はマメ科常緑木のタマリンドの種子胚乳部より水あるいはアルカリ抽出で得られる多糖類XGで、食品添加物の増粘安定剤として用いられています。 この多糖は、グルコースがβ-1,4結合で連なったセルロース主鎖に対し、キシロースあるいはガラクトキシロースが側鎖としてα-1,6結合で結合した構造を持ちます。 タマリンドキシログルカンは主鎖がセルロース骨格で構成されているにもかかわらず、側鎖があるために水溶性を示すユニークな性質を持つことからこれまでも単独糖鎖の水溶液構造の研究がなされてきました。 (P. Lang et al., J. Biomat. Sci. Polym. Ed., 1993, 4, 1517-528.） タマリンドキシログルカンから作製したフィルムを一軸延伸し、ヨウ素着色をおこなうことで偏光フィルムが作製できます。 フィルムの広角X線回折(WAXD)測定や水溶液の小角X線散乱測定および粘度測定などから、フィルム中あるいは溶液中のヨウ素がどのような構造を形成しているかを検討しています。
The iodine-starch reaction is a well-known phenomenon in which iodine-potassium iodide and amylose in starch undergo a color reaction. Among polysaccharides, such a color reaction occurs not only in amylose in starch, but also in plant seed extracts with an aqueous iodine-potassium iodide solution (P. KOOIMAN, Nature, 1958, 179, 107- 109.) has been known for some time. One of the colored plant seed extracts by iodine is xyloglucan derived from tamarind. This xyloglucan (XG) is a polysaccharide XG obtained by water or alkaline extraction from the seed endosperm of tamarind, an evergreen leguminous tree, and is used as a thickener and stabilizer for food additives. This polysaccharide has a structure in which xylose or galactoxylose as side chains are linked by α-1,6 bonds to a cellulose main chain in which glucose is linked by β-1,4 bonds. Although the main chain of tamarind xyloglucan is composed of a cellulose skeleton, it has a unique property of being water soluble due to the presence of side chains. I was. (P. Lang et al., J. Biomat. Sci. Polym. Ed., 1993, 4, 1517-528.) A polarizing film can be produced by uniaxially stretching a film made from tamarind xyloglucan and coloring it with iodine. We are investigating the structure of iodine in films and solutions by wide-angle X-ray diffraction (WAXD) measurements of films and small-angle X-ray scattering measurements and viscosity measurements of aqueous solutions.
共同研究等(IW)
Collaborative Research (IW)
科研費A「人工多糖類マトリックスを用いたリグニン成長反応の解明」研究分担者（研究代表者：北海道大学浦木康光教授、2021-2025年度）Grant-in-Aid for Scientific Research A, "Elucidation of lignin growth reaction using artificial polysaccharide matrix", Research co-investigator (Research representative: Professor Yasumitsu Uraki, Hokkaido University, 2021-2025)
科研費A「木材細胞壁模倣多糖類マトリックス中でのリグニンの形成とその構造決定因子の解明」研究分担者（研究代表者：北海道大学浦木康光教授、2018-2020年度）Grant-in-Aid for Scientific Research A, "Formation of lignin in wood cell wall-mimicking polysaccharide matrix and elucidation of its structural determinants", Research co-investigator (Research representative: Professor Yasumitsu Uraki, Hokkaido University, 2018-2020)
科研費C「グリーン溶媒から創製される高性能繊維の強度発現機構解明とさらなる性能向上」研究分担者（研究代表者：信州大学後藤康夫教授、2015-2017年度）Grants-in-Aid for Scientific Research C, "Elucidation of strength expression mechanism and further performance improvement of high-performance fibers created from green solvents", Research co-investigator (Research representative: Professor Yasuo Goto, Shinshu University, 2015-2017)
科研費C「繊維の機能加工と一体化した差別化時代における染色プロセスの開発」研究分担者（研究代表者：京都工芸繊維大学浦川宏教授、2011-2013年度）Grant-in-Aid for Scientific Research C, "Development of Dyeing Processes in an Era of Differentiation Integrated with Functional Processing of Textiles", Research co-investigator (Research representative: Professor Hiroshi Urakawa, Kyoto Institute of Technology, 2011-2013)
科研費C「繊維構造形成初期の構造解析による繊維高強度化機構の解明」連携研究者（研究代表者：信州大学大越豊教授、2011-2013年度）Grant-in-Aid for Scientific Research C, "Elucidation of the mechanism of strengthening fiber strength by structural analysis at the early stage of fiber structure formation", Collaborative researcher (Research representative: Professor Yutaka Ohkoshi, Shinshu University, 2011-2013)
科研費C「時間分解能1ミリ秒以下でのその場測定による繊維構造形成機構の解明」研究協力者（研究代表者：信州大学大越豊教授、2006-2008年度）Grant-in-Aid for Scientific Research C, "Elucidation of fiber structure formation mechanism by in-situ measurement with time resolution of 1 millisecond or less", Collaborator (Research representative: Professor Yutaka Ohkoshi, Shinshu University, 2006-2008)
