ポリ−γ−グルタミン酸架橋体の製造方法およびポリ−γ−グルタミン酸架橋体からなる成形体
【課題】本発明が解決すべき課題は、ポリ−γ−グルタミン酸を簡便かつ効率的に架橋するための方法と、当該方法により製造されるポリ−γ−グルタミン酸架橋体からなる成形体を提供することにある。
【解決手段】本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の製造方法は、ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩、ジアミノ化合物、脱水縮合剤および水を含む反応液のｐＨを３．５以下に調節することを特徴とする。
【解決手段】本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の製造方法は、ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩、ジアミノ化合物、脱水縮合剤および水を含む反応液のｐＨを３．５以下に調節することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリ−γ−グルタミン酸の架橋体を製造するための方法、および当該方法により製造されるポリ−γ−グルタミン酸架橋体からなる成形体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
合成高分子は、衣服などに用いられる化学繊維から航空機部材など工業製品の素材として、いまや人間の生活に欠かすことはできないものとなっている。しかし、その効率的なリサイクル技術は未だ確立していないことから、使用後においてはその大部分を焼却するか廃棄しなければならない。焼却すれば大気中の二酸化炭素濃度を増加させ地球温暖化の一因となり、廃棄するには廃棄場所が問題となる。また、合成高分子の原料は石油であり、その資源は有限である。よって、石油由来の合成高分子に代わる素材が求められている。
【０００３】
近年、石油由来の合成高分子に代わり得る素材としてポリ乳酸が注目されている。ポリ乳酸の原料である乳酸は石油から得る必要はなく、発酵法により容易に製造できる。その上、ポリ乳酸は自然界、特に細菌により分解可能であることから、使用後に焼却や廃棄することなく処理し得るものと期待されている。また、剛性や引張強度が高いという特長もある。その一方で、ポリ乳酸は耐熱性や耐衝撃性に劣るという欠点がある。また、高い剛性故に硬くて脆いという面もある。これらの欠点はフィラーなどの添加により補うという技術も検討されているが、さらなる生分解性プラスチックの開発も試みられている。
【０００４】
ポリ−γ−グルタミン酸は、天然アミノ酸であるグルタミン酸のγ−カルボキシ基とα−アミノ基とのアミド結合により重合した高分子であり、いわゆる「納豆の糸」の主成分であることから、極めて安全性に優れている。また、その側鎖にはα−カルボキシ基が残留していることから、当該側鎖を利用して架橋することにより素材としての利用が期待できる。しかし、その親水性があまりにも高いことから十分に架橋することはかえって難しく、素材としての利用は進んでいなかった。
【０００５】
例えば特許文献１には、ポリ−γ−グルタミン酸に電子線を照射して架橋する技術が開示されている。しかし電子線を照射すると分子鎖の切断が生じることから、化学的に架橋する技術も開発されている。例えば特許文献２には、ポリ−γ−グルタミン酸架橋体、水、および樹脂を含む組成物が開示されており、このポリ−γ−グルタミン酸架橋体は、脱水縮合剤の存在下、ｐＨ９でポリ−γ−グルタミン酸をＬ−リジン塩酸塩で架橋することにより製造されている。また、特許文献３には、ポリ−γ−グルタミン酸等とポリ−ε−リジン等とをｐＨ６．５〜１１．０で水溶性カルボジイミドにより反応させることにより得られるハイドロゲルが開示されている。さらに特許文献４には、ポリ−γ−グルタミン酸と多価エポキシ化合物とを含むｐＨ４．５の水溶液を不織布に含浸させ、加熱することによりポリ−γ−グルタミン酸の一部を架橋して製造する化粧・美容用乾燥シートが開示されている。
【０００６】
しかしこれら先行技術は、いずれもポリ−γ−グルタミン酸架橋体を吸水成分として利用するための技術であり、素材自体として利用するためのものではない。より詳しくは、特許文献２と特許文献４のとおり、これら架橋体は十分に架橋されたものではないために、吸水性成分として他の樹脂中に配合したり、シートに担持せざるを得ない。即ち、特許文献３のとおり、これら架橋体はいわゆるハイドロゲルと呼ばれるものであって、水の存在により過度に膨潤するために独立した素材として使用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３１４４８９号公報
【特許文献２】特開２００６−２１０８号公報
【特許文献３】特開２００６−３０７００４号公報
【特許文献４】特開２００５−１４５９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した様に、ポリ−γ−グルタミン酸を架橋するための技術は開発されてはいた。しかし、ポリ−γ−グルタミン酸の水溶性が極めて高いことから十分な架橋化は難しいといった事情や、そもそもその目的はハイドロゲルを得ることにあったために、繊維などの素材として利用できるような不溶性物質を上記先行技術により得ることはできなかった。
【０００９】
そこで、本発明が解決すべき課題は、ポリ−γ−グルタミン酸を簡便かつ効率的に架橋するための方法と、当該方法により製造されるポリ−γ−グルタミン酸架橋体からなる成形体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、効率的な架橋条件の検討を行った。その結果、従来、カルボジイミド化合物などを脱水縮合剤として使用する場合には反応液を塩基性にするのが一般的であるところ、逆に強酸性にすることによりポリ−γ−グルタミン酸をジアミン化合物で高度に架橋でき、ひいては不溶性の生分解性架橋ポリマーが得られることを見出して、本発明を完成した。
【００１１】
本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の製造方法は、ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩、ジアミノ化合物、脱水縮合剤および水を含む反応液のｐＨを３．５以下に調節することを特徴とする。グルタミン酸の等電点は３．２２であるところ、弱酸性から塩基性の条件ではポリ−γ−グルタミン酸は水中で高分散するので、架橋反応を行っても網目状の架橋体、即ちハイドロゲルしか得られない。一方、反応液のｐＨを３．５以下という強酸性にすることによりポリ−γ−グルタミン酸の分散性が低下するので分子同士を高度に架橋できることから、水不溶性の架橋体が得られる。
【００１２】
上記方法においては、架橋剤であるジアミノ化合物を、ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩を構成するグルタミン酸に対して０．５モル倍以上用いることが好ましい。ポリ−γ−グルタミン酸の側鎖カルボキシ基に対して必要量以上のジアミノ化合物を作用させることにより、架橋反応を促進することができる。
【００１３】
反応液におけるポリ−γ−グルタミン酸またはその塩の濃度としては、０．２５％（ｗ／ｖ）以上が好適である。ポリ−γ−グルタミン酸の濃度が低過ぎると、架橋反応が効率的に進行しないおそれがある。
【００１４】
ジアミノ化合物としては、塩基性アミノ酸、脂肪族ジアミンまたは芳香族ジアミンが好適である。塩基性アミノ酸を架橋剤として用いた場合には、一分子当り一つのカルボキシ基が残留し、これが保水性や吸熱性に寄与し得る。脂肪族ジアミンを用いた場合、架橋体は高性能な生分解性プラスチックとなり得る。芳香族ジアミンを用いた場合、架橋体の強度は極めて高くなり、生分解性のエンジニアリングプラスチックやスーパー繊維としての利用が期待できる。
【００１５】
本発明の成形体は、上記方法により製造されるポリ−γ−グルタミン酸架橋体からなることを特徴とする。
【００１６】
ポリ−γ−グルタミン酸の水溶性は非常に高く、また、従来技術では十分に架橋できなかったことから、従来のポリ-γ-グルタミン酸架橋体の親水性は過剰に高く、ハイドロゲルといわれるものであり、成形体の素材として利用できるものではなかった。それに対して、本発明方法により製造されるポリ-γ-グルタミン酸架橋体は、十分に架橋されていることから、保水性を有しながらもその親水性は適度に抑制されており、ハイドロゲルの状態にはならない。その上、通常、架橋高分子は硬質で且つ高強度である一方で熱可塑性を有さないといわれているが、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体は融点と熱分解開始点が十分に離れていることから熱可塑性を有し、加熱成形が可能である。従って、本発明に係るポリ-γ-グルタミン酸架橋体からなる成形体は、生物由来プラスチック成形体としての利用が期待される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の製造方法によれば、高度に架橋されたポリ−γ−グルタミン酸を加熱せずとも短時間で効率的に得ることができる。また、本発明で得られるポリ−γ−グルタミン酸架橋体は、生分解性である上に、高い保水性や吸水性、強度のみならず熱可塑性も享有し得ることから、従来における石油由来の合成プラスチックに代わる可能性があるものとして、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１において、アミド縮合剤の存在下、ｐＨ３でポリ−γ−グルタミン酸をＬ−リジンにより架橋した反応溶液の写真である。（Ａ）はアミド縮合剤の添加前の写真であり、（Ｂ）は室温で１０分間反応させた後の写真である。（Ｂ）のとおり、室温でわずか１０分間反応させたのみで、水不溶性繊維状物質の生成が観察できる。
【図２】ポリ−γ−グルタミン酸の架橋反応に対するポリ−γ−グルタミン酸の影響に関する実験の結果を示す写真である。（Ａ）はジアミノ化合物としてＬ−リジンを用いた場合、（Ｂ）はヘキサメチレンジアミンを用いた場合、（Ｃ）はパラフェニレンジアミンを用いた場合の結果であり、それぞれ左からポリ−γ−グルタミン酸濃度が１％（ｗ／ｖ）、その１／２倍、１／２2倍、１／２3倍および１／２4倍の場合の結果である。
【図３】フラットガラスシャーレ上でポリ−γ−グルタミン酸の架橋反応を行い、さらにアセトンにより脱水した反応溶液の写真である。（Ａ）はジアミノ化合物としてＬ−リジンを用いた場合、（Ｂ）はヘキサメチレンジアミンを用いた場合、（Ｃ）はパラフェニレンジアミンを用いた場合の結果である。
【図４】本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の熱分解開始点（Ｔｄ）の測定結果である。
【図５】本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の融点（Ｔｍ）の測定結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の製造方法は、ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩、ジアミノ化合物、脱水縮合剤および水を含む反応液のｐＨを３．５以下に調節することを特徴とする。
【００２０】
ポリ−γ−グルタミン酸の種類は、特に制限されない。例えば、ポリ−γ−グルタミン酸としてはＬ−グルタミン酸のみからなるもの、Ｄ−グルタミン酸のみからなるもの、両方を含むものがあるが、何れも用いることができる。但し、一方の割合がより多い方が立体規則性に優れ強度なども高くなり、また、Ｌ−グルタミン酸からなるものの方が生分解性に優れるので、好適にはＬ−グルタミン酸の含有割合が９０％以上のものを用いる。
【００２１】
使用するポリ−γ−グルタミン酸の分子サイズも特に制限されないが、平均分子質量で１０ｋＤａ以上のものが好適である。一般的に、分子サイズが大きいほど強度などの性能が高くなる。一方、分子サイズが過剰に大きなポリ−γ−グルタミン酸は製造コストが大きく、また、製造が技術的に難しい場合もあるので、通常は１，０００ｋＤａ以下とする。
【００２２】
ポリ−γ−グルタミン酸の塩としては、ナトリウム塩やカリウム塩などのアルカリ金属塩；カルシウム塩やマグネシウム塩などのアルカリ土類金属塩などを挙げることができる。また、塩を用いる場合であっても全てのカルボキシ基が塩となっている必要はなく、その一部のみが塩となっていてもよい。
【００２３】
ポリ−γ−グルタミン酸は、市販されているものがあればそれを用いてもよいし、別途製造してもよい。但し、通常の条件でグルタミン酸を重合するとポリ−α−グルタミン酸が得られるので、細菌を使って生合成させることが好ましい。分子サイズの大きいポリ−γ−グルタミン酸を製造できる細菌としては、超好塩古細菌であるＮａｔｒｉａｌｂａ ａｅｇｙｐｔｉａｃａがある。
【００２４】
反応液におけるポリ−γ−グルタミン酸またはその塩の濃度としては、０．２５％（ｗ／ｖ）以上が好適である。本発明者らの知見によれば、ポリ−γ−グルタミン酸の濃度が０．２５％（ｗ／ｖ）未満である場合には、不溶性の架橋体が十分に得られないおそれがある。一方、当該濃度の上限は特に制限されないが、細菌を用いてポリ−γ−グルタミン酸を製造せしめた場合におけるポリ−γ−グルタミン酸濃度は１％（ｗ／ｖ）程度であり、それよりも高い濃度の反応液を調製するには濃縮操作が必要となるため、好ましい上限は１％（ｗ／ｖ）とする。但し、もちろん１％（ｗ／ｖ）を超える濃度の溶液を用いてもよい。
【００２５】
本発明で用いるジアミノ化合物は、その構造中に少なくとも二つのアミノ基（−ＮＨ2基）および／またはモノアルキルアミノ基（−ＮＨＲ基）を有し、二分子のポリ−γ−グルタミン酸を架橋できる化合物をいう。
【００２６】
本発明で用いるジアミノ化合物としては、リジン、アルギニン、ヒスチジンといった塩基性アミノ酸；テトラメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、オクタメチレンジアミンなどの脂肪族ジアミン；パラフェニレンジアミン、メタフェニレンジアミン、ビス（４−アミノフェニル）メタン、ビス（４−アミノフェニル）カルボニル、ビス（４−アミノフェニル）スルホン、ビス（４−アミノフェニル）エーテルなどの芳香族ジアミンを挙げることができる。好ましくは、水溶性のものを用いる。反応後に不溶性の架橋体から過剰なジアミノ酸を容易に分離できるからである。また、ジアミノ化合物としては、その塩を用いてもよい。塩としては、塩酸塩、硫酸塩、硝酸塩などの無機酸塩を用いることができる。一方、カルボン酸塩などの有機酸塩は、反応を阻害するおそれがあるので好ましくない。
【００２７】
ジアミノ化合物は、二つのカルボキシ基を架橋するものであり、本発明ではポリ−γ−グルタミン酸を高度に架橋することにより不溶性架橋体を得ることを目的とする。よって、ジアミノ化合物の使用量は、ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩を構成するグルタミン酸に対して０．５モル倍以上とすることが好ましい。一方、ジアミノ化合物はポリ−γ−グルタミン酸に比べれば安価であり、過剰に使用することで反応を促進することもでき、しかも反応後においては不溶性架橋体から容易に分離できることから、上限は特に制限されない。しかし、使用量が多過ぎると反応促進効果も飽和し、かえって反応速度が低下することも考えられるので、好適にはポリ−γ−グルタミン酸またはその塩を構成するグルタミン酸に対して５モル倍以下とする。
【００２８】
本発明で用いる脱水縮合剤は、ポリ−γ−グルタミン酸の側鎖カルボキシ基とジアミノ化合物のアミノ基との間におけるアミド結合の形成を促進し、ポリ−γ−グルタミン酸の架橋反応を触媒する化合物をいう。例えば、ＤＣＣ、ＤＩＣ、ＤＩＰＣＩ、ＤＩＡＤ、ＴＭＡＤ、ＥＤＡＣ（1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride）などのカルボジイミド；３−ピリジンカルボン酸無水物；ＤＭＴ−ＭＭ（4-(4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinium chloride）；ＥＤＣ（1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride）などを挙げることができる。本発明は溶媒として水を用いるので、ＥＤＡＣなどの水溶性縮合剤を用いることが好ましい。いわゆるＷＳＣ（water-soluble carbodiimide）を好適に用いることができる。
【００２９】
脱水縮合剤の量は適宜調整すればよく、特に制限されない。例えば、脱水縮合剤の量を調整することにより架橋体の架橋度も調整することができる。但し、本発明では高い架橋度の架橋体を製造することが目的であり、また、脱水縮合剤の量が多いほど反応も迅速に進行するので、十分量用いるのが好ましい。例えば、脱水縮合剤は、ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩を構成するグルタミン酸に対して１モル倍以上、５モル倍以下用いることが好ましい。
【００３０】
本発明では、反応溶媒として水を用いる。主原料であるポリ−γ−グルタミン酸を良好に溶解できるからであり、また、目的化合物である高度に架橋されたポリ−γ−グルタミン酸架橋体は水に対して不溶性であることから、反応後における目的物の単離精製に便利だからである。但し、使用するジアミノ化合物や脱水縮合剤によっては、反応液に対するそれらの溶解性を高めるために、メタノールやエタノールなどのアルコール；ＴＨＦなどのエーテル；ジメチルホルムアミドやジメチルアセトアミドなどのアミドなどの水溶性有機溶媒を反応液に添加してもよい。
【００３１】
本発明の製造方法においては、反応液のｐＨを３．５以下に調節する。従来、脱水縮合剤を用いてアミド化合物を製造する場合においては、反応液のｐＨは塩基性としていた。しかし、ポリ−γ−グルタミン酸の架橋反応においては、グルタミン酸の等電点は３．２２であり、ポリ−γ−グルタミン酸は、その高い親水性により弱酸性から塩基性の水溶液中では高分散するので、ジアミノ化合物を十分量存在せしめても、弱酸性から塩基性の条件下では反応は十分に進行しない。その結果、得られるものは網目構造状のハイドロゲルにとどまり、不溶性架橋体は得られないため、それのみで繊維やフィルムなどの成形体とすることは困難である。しかしｐＨ３．５以下という強酸性で反応を行うことによって、ポリ−γ−グルタミン酸の分散性が低下するので分子間の架橋反応が進行し易くなり、不溶性の架橋体が生成する。
【００３２】
かかるｐＨの調節は、上記全ての原料化合物等を反応液に添加した後に行ってもよいし、一部の化合物を添加する前にｐＨを調節し、ｐＨ調節後に残りの化合物を添加してもよい。例えば、フリーのジアミノ化合物は塩基性物質であることから、反応液のｐＨを変化させる。よって、フリーのジアミノ化合物を用いる場合には、反応液にジアミノ化合物を添加した後にｐＨを調節する。一方、脱水縮合剤は中性のものが多いので、例えば水にポリ−γ−グルタミン酸とジアミノ化合物を溶解してからｐＨを調節した後に脱水縮合剤を添加してもよい。
【００３３】
本発明の架橋反応は常温でも行うことができる。つまり、本発明方法を工業的に大規模で実施する場合であっても、加熱手段を設ける必要はない。しかし、反応をより一層促進するために、全体的な効率を貶めない程度で、例えば６０℃程度まで加熱してもよい。
【００３４】
反応時間は特に制限されないが、本発明に係る架橋反応は短時間で完了するという特長を有する。よって、実際の反応時間は原料化合物の消失の確認や予備実験により決定すればよいが、通常は５分〜５時間程度とすることができる。
【００３５】
反応終了後は、水に対して不溶性の架橋体が溶媒である水から分離してくる。かかる不溶性架橋体を単離し、常法により、繊維やフィルムなど所望の成形体に成形することができる。
【００３６】
本発明で得られるポリ−γ−グルタミン酸架橋体は、生分解性である上に、高い保水性や吸水性、強度なども享有し得る一方で、いわゆるハイドロゲルではない。その上、融点を有し、その融点は熱分解開始点と十分に離れていることから、熱可塑性を示す。よって、例えば、本発明のポリ−γ−グルタミン酸架橋体からなる繊維を用いて、保水性や吸熱性に優れる衣服を製造できる可能性がある。しかもその使用後は、細菌などによる分解処理も可能であり得る。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例により制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３８】
実施例１ ＰＧＡ架橋化におけるｐＨによる影響の検討
（１） Ｌ−リジンによる架橋
ポリ−γ−Ｌ−グルタミン酸ナトリウム塩を精製水に溶解し、１％（ｗ／ｖ）の溶液とした。当該溶液に、１．７％（ｗ／ｖ）の濃度となるようにＬ−リジン塩酸塩を溶解した。当該溶液において、ポリ−γ−Ｌ−グルタミン酸ナトリウム塩由来のカルボキシ基のモル濃度は７７．５ｍＭ、Ｌ−リジン塩酸塩由来のアミノ基のモル濃度は１５５ｍＭである。また、当該溶液のｐＨをｐＨ試験紙で測定したところ、３付近であった。
【００３９】
当該溶液へ、ポリ−γ−グルタミン酸ナトリウムを構成するグルタミン酸に対して１モル倍のＷＳＣを添加して溶解し、室温で１０分間静置したところ、図１に示すとおり水不溶性の繊維状物質の形成が認められた。
【００４０】
また、ＷＳＣを添加する前における溶液のｐＨを、１２Ｎ塩酸または６Ｎ水酸化ナトリウムにより４．５、８または１０に調整して同様の操作を行い、水不溶性繊維状物質の生成の有無を観察した。結果を表１に示す。
【００４１】
（２） ヘキサメチレンジアミンによる架橋
上記（１）において、Ｌ−リジン塩酸塩の代わりにヘキサメチレンジアミンを０．９２％（ｗ／ｖ）の濃度で加えて同様に実験を行ったが、水不溶性繊維状物質の生成は全く見られなかった。なお、反応溶液におけるヘキサメチレンジアミン由来のアミノ基のモル濃度は、Ｌ−リジン塩酸塩を用いた場合と同様に１５５ｍＭであった。反応溶液のｐＨを測定したところ、１０付近であった。
【００４２】
また、ＷＳＣを添加する前における反応溶液のｐＨを、上記（１）と同様に３、４．５または８に調整して水不溶性繊維状物質の生成の有無を観察した。結果を表１に示す。
【００４３】
（３） パラフェニレンジアミンによる架橋
上記（１）において、Ｌ−リジン塩酸塩の代わりにパラフェニレンジアミンを０．８４％（ｗ／ｖ）の濃度で加えて同様に実験を行ったが、水不溶性繊維状物質の生成は全く見られなかった。なお、反応溶液におけるパラフェニレンジアミン由来のアミノ基のモル濃度は、Ｌ−リジン塩酸塩を用いた場合と同様に１５５ｍＭであった。反応溶液のｐＨを測定したところ、７．５であった。
【００４４】
また、ＷＳＣを添加する前における反応溶液のｐＨを、上記（１）と同様に３、４．５、８および１０に調整して水不溶性繊維状物質の生成の有無を観察した。結果を表１に示す。表中、水不溶性繊維状物質の生成が肉眼で確認できた場合を「＋」、確認できなかった場合を「−」、水不溶性繊維状物質の生成は確認できなかったが反応液が白濁した場合を「±」で示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
通常、脱水縮合剤を用いる場合には塩基性条件で反応を進める。しかし表１のとおり、ポリ−γ−グルタミン酸の架橋の場合には、塩基性条件では水不溶性繊維状物質の生成はみられなかった。これは、おそらく塩基性条件でも架橋反応は進行していると考えられるが、ポリ−γ−グルタミン酸の水溶液中における分散性があまりに高いために分子間の架橋反応が十分に進行せず、水溶性のゲル状物質にとどまっていることによると考えられる。また、ジアミノ化合物として芳香族ジアミンであるパラフェニレンジアミンを用いた場合には、おそらく当該ジアミノ化合物の疎水性が比較的高いために、部分的な架橋によってもポリ−γ−グルタミン酸の溶解度が低下し、反応液が白濁したと考えられる。但しこの場合でも、繊維状物質の生成は認められなかった。
【００４７】
一方、アミド縮合剤を用いて強酸性条件でジアミン化合物による架橋反応を行った場合には、室温でも十分に反応が進行し、わずか１０分間で水不溶性繊維状物質の生成が観察できた。
【００４８】
実施例２ 架橋反応におけるポリ−γ−グルタミン酸濃度の影響
上記実施例１（１）〜（３）において、反応溶液におけるポリ−γ−Ｌ−グルタミン酸ナトリウム塩の濃度を、１／２倍、１／２2倍、１／２3倍および１／２4倍とした以外は同様に実験を行い、水不溶性繊維状物質の生成の有無を観察した。結果を図２に示す。
【００４９】
図２中、（Ａ）はジアミノ化合物としてＬ−リジンを用いた場合、（Ｂ）はヘキサメチレンジアミンを用いた場合、（Ｃ）はパラフェニレンジアミンを用いた場合の結果であり、それぞれ左からポリ−γ−グルタミン酸濃度が１％（ｗ／ｖ）、その１／２倍、１／２2倍、１／２3倍および１／２4倍の場合の結果である。（Ａ）のとおり、Ｌ−リジンの場合にはポリ−γ−グルタミン酸濃度が０．１２５％（ｗ／ｖ）未満になると水不溶性繊維状物質の生成が困難になり、（Ｂ）のとおり、ヘキサメチレンジアミンの場合にはポリ−γ−グルタミン酸濃度が０．２５％（ｗ／ｖ）未満になると水不溶性繊維状物質の生成が困難になった。しかしパラフェニレンジアミンの場合には、ポリ−γ−グルタミン酸濃度が０．０６２５％（ｗ／ｖ）でも水不溶性繊維状物質の生成が確認できた。これは、フェニレン構造の脂溶性が他の架橋剤よりも高いことによると考えられる。
【００５０】
実施例３ フィルムの製造
６．４ｃｍ径のフラットガラスシャーレに０．２５％（ｗ／ｖ）のポリ−γ−Ｌ−グルタミン酸ナトリウム塩水溶液（１ｍＬ）を加えた。当該水溶液中におけるカルボキシ基のモル濃度に対して、アミノ基のモル濃度が２倍となるようにＬ−リジン塩酸塩、ヘキサメチレンジアミンまたはパラフェニレンジアミンを加えた。Ｌ−リジン塩酸塩の場合を除いて、１２Ｎ塩酸により溶液のｐＨを３に調整した後、ＷＳＣ（０．９２５ｍｇ）を加え、室温で３０分間静置した。その後、反応溶液に対して２．５倍容量のアセトンを加えることにより脱水した。反応後と脱水後における各シャーレの写真を図３に示す。図３中、（Ａ）はジアミノ化合物としてＬ−リジンを用いた場合、（Ｂ）はヘキサメチレンジアミンを用いた場合、（Ｃ）はパラフェニレンジアミンを用いた場合の結果である。
【００５１】
図３のとおり、アセトン脱水後、Ｌ−リジンおよびヘキサメチレンジアミンによる架橋体は、透明なフィルム状となりガラス面に付着した。それに対してパラフェニレンジアミンによる架橋体は、むしろ剛直な繊維塊となった。この繊維塊は経時的に色調変化したが、この性質はパラアラミド繊維と類似するものである。また、ここで形成された各架橋体は水に不溶性であるが、エタノールおよびｐＨ８．５に調整した弱アルカリ性緩衝液にも不溶であることを確認した。
【００５２】
実施例４ 最大架橋率の測定
上記実施例１と同様の条件で、Ｌ−リジン、ヘキサメチレンジアミンまたはパラフェニレンジアミンでポリ−γ−グルタミン酸を架橋した。なお、反応液のｐＨは３に調節した。反応終了後、反応液中に形成された不溶性のポリ−γ−グルタミン酸架橋体を分離した後、残留した反応液（０．１ｍＬ）を回収し、蒸留水で１００倍に希釈した。この希釈液（０．１ｍＬ）に同量の０．２Ｍホウ酸緩衝液（ｐＨ８．５）を加えて中和した。当該混合液に、１／１０倍容量の１０ｍＭ １−フルオロ−２，４−ジニトロベンゼン／アセトン溶液を加えて攪拌し、６５℃で４５分間、暗所で静置した。当該混合液の温度を室温に戻した後、１２Ｎ塩酸（０．１１ｍＬ）を加えて反応を停止させた。黄色に呈色した本混合液を分光分析に供し、波長３５６ｎｍの吸光度を測定した。得られた値を検量線と照らし合わせ、反応液中に残留しているジアミノ化合物の量を決定し、架橋反応で消費されたジアミノ化合物の量を算出した。算出されたジアミノ化合物が全て架橋に寄与していると推定し、ポリ−γ−グルタミン酸の最大架橋率を算出した。結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
【００５４】
上記結果のとおり、最大架橋率としての測定値ではあるが、本発明方法によれば、おおよそ４０〜５０％という高分子の架橋率としては極めて高い割合でポリ−γ−グルタミン酸を架橋できることが分かった。
【００５５】
実施例５ 熱分析結果
上記実施例１と同様の条件で、架橋剤としてパラフェニレンジアミンを用い、且つ反応液のｐＨを３に調節してポリ−γ−グルタミン酸を架橋した。得られた水不溶性の架橋体を真空乾燥した後、熱分析装置（セイコー電子社製，ＤＳＣ「ＥＸＴＲ６０００」とＴＧ−ＤＴＡ「ＳＳＣ５２００」）を用い、ＪＩＳ Ｋ７１２２とＪＩＳ Ｋ７１２０の方法に準じてＤＳＣ分析とＴＧ／ＤＴＡ分析を行った。熱分解開始点の測定結果を図４に、融点の測定結果を図５に示す。
【００５６】
図４のとおり、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の熱分解開始点（Ｔｄ）は２１４℃であり、図５のとおり、同架橋体の融点（Ｔｍ）は１２５℃であった。このように、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の熱分解開始点と融点は十分に離れていることから、熱可塑性を有し、加熱成形することが可能であると考えられる。通常、高分子架橋体は熱可塑性を有さない場合が多いが、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体は、十分に架橋されている一方で熱可塑性を有する点で特異な特性を有するといえる。
【００５７】
また、図５のとおり、同架橋体の実測上の比熱は１０５ｍＪ／ｍｇであった。この値は典型的なポリアミド樹脂の比熱値と近似するものであるので、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の用途としては、ポリアミド樹脂と同様のものが考えられる。
【００５８】
以上の結果から、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体は、生物由来のプラスチック素材として有用であることが実証された。
【００５９】
実施例６ 結合水含量の測定
上記実施例５で得られた乾燥ポリ−γ−グルタミン酸架橋体の結合水含量を、微量水分測定装置「ＣＡ−２００」、陽極液アクアミクロンＡＸおよび陰極液アクアミクロンＣＸＵ（いずれも、三菱化学社製）を用い、常法であるカールフィッシャーの水分測定に従って測定したところ、３．９９％であった。この値は、ほぼ際限無く水分を吸収するポリ−γ−グルタミン酸に比べて低いといえる。他方、この値は、化成ナイロンの公定水分含量である４．５％と遜色のないレベルであるといえる。
【００６０】
以上の結果より、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体は、適度な保湿性を示す一方でハイドロゲルになるほど過剰な親水性を示さないので、ナイロンの代替にとどまらず、さらに多様な用途が期待される生物由来のプラスチック素材として有用であると考えられる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリ−γ−グルタミン酸の架橋体を製造するための方法、および当該方法により製造されるポリ−γ−グルタミン酸架橋体からなる成形体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
合成高分子は、衣服などに用いられる化学繊維から航空機部材など工業製品の素材として、いまや人間の生活に欠かすことはできないものとなっている。しかし、その効率的なリサイクル技術は未だ確立していないことから、使用後においてはその大部分を焼却するか廃棄しなければならない。焼却すれば大気中の二酸化炭素濃度を増加させ地球温暖化の一因となり、廃棄するには廃棄場所が問題となる。また、合成高分子の原料は石油であり、その資源は有限である。よって、石油由来の合成高分子に代わる素材が求められている。
【０００３】
近年、石油由来の合成高分子に代わり得る素材としてポリ乳酸が注目されている。ポリ乳酸の原料である乳酸は石油から得る必要はなく、発酵法により容易に製造できる。その上、ポリ乳酸は自然界、特に細菌により分解可能であることから、使用後に焼却や廃棄することなく処理し得るものと期待されている。また、剛性や引張強度が高いという特長もある。その一方で、ポリ乳酸は耐熱性や耐衝撃性に劣るという欠点がある。また、高い剛性故に硬くて脆いという面もある。これらの欠点はフィラーなどの添加により補うという技術も検討されているが、さらなる生分解性プラスチックの開発も試みられている。
【０００４】
ポリ−γ−グルタミン酸は、天然アミノ酸であるグルタミン酸のγ−カルボキシ基とα−アミノ基とのアミド結合により重合した高分子であり、いわゆる「納豆の糸」の主成分であることから、極めて安全性に優れている。また、その側鎖にはα−カルボキシ基が残留していることから、当該側鎖を利用して架橋することにより素材としての利用が期待できる。しかし、その親水性があまりにも高いことから十分に架橋することはかえって難しく、素材としての利用は進んでいなかった。
【０００５】
例えば特許文献１には、ポリ−γ−グルタミン酸に電子線を照射して架橋する技術が開示されている。しかし電子線を照射すると分子鎖の切断が生じることから、化学的に架橋する技術も開発されている。例えば特許文献２には、ポリ−γ−グルタミン酸架橋体、水、および樹脂を含む組成物が開示されており、このポリ−γ−グルタミン酸架橋体は、脱水縮合剤の存在下、ｐＨ９でポリ−γ−グルタミン酸をＬ−リジン塩酸塩で架橋することにより製造されている。また、特許文献３には、ポリ−γ−グルタミン酸等とポリ−ε−リジン等とをｐＨ６．５〜１１．０で水溶性カルボジイミドにより反応させることにより得られるハイドロゲルが開示されている。さらに特許文献４には、ポリ−γ−グルタミン酸と多価エポキシ化合物とを含むｐＨ４．５の水溶液を不織布に含浸させ、加熱することによりポリ−γ−グルタミン酸の一部を架橋して製造する化粧・美容用乾燥シートが開示されている。
【０００６】
しかしこれら先行技術は、いずれもポリ−γ−グルタミン酸架橋体を吸水成分として利用するための技術であり、素材自体として利用するためのものではない。より詳しくは、特許文献２と特許文献４のとおり、これら架橋体は十分に架橋されたものではないために、吸水性成分として他の樹脂中に配合したり、シートに担持せざるを得ない。即ち、特許文献３のとおり、これら架橋体はいわゆるハイドロゲルと呼ばれるものであって、水の存在により過度に膨潤するために独立した素材として使用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３１４４８９号公報
【特許文献２】特開２００６−２１０８号公報
【特許文献３】特開２００６−３０７００４号公報
【特許文献４】特開２００５−１４５９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した様に、ポリ−γ−グルタミン酸を架橋するための技術は開発されてはいた。しかし、ポリ−γ−グルタミン酸の水溶性が極めて高いことから十分な架橋化は難しいといった事情や、そもそもその目的はハイドロゲルを得ることにあったために、繊維などの素材として利用できるような不溶性物質を上記先行技術により得ることはできなかった。
【０００９】
そこで、本発明が解決すべき課題は、ポリ−γ−グルタミン酸を簡便かつ効率的に架橋するための方法と、当該方法により製造されるポリ−γ−グルタミン酸架橋体からなる成形体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、効率的な架橋条件の検討を行った。その結果、従来、カルボジイミド化合物などを脱水縮合剤として使用する場合には反応液を塩基性にするのが一般的であるところ、逆に強酸性にすることによりポリ−γ−グルタミン酸をジアミン化合物で高度に架橋でき、ひいては不溶性の生分解性架橋ポリマーが得られることを見出して、本発明を完成した。
【００１１】
本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の製造方法は、ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩、ジアミノ化合物、脱水縮合剤および水を含む反応液のｐＨを３．５以下に調節することを特徴とする。グルタミン酸の等電点は３．２２であるところ、弱酸性から塩基性の条件ではポリ−γ−グルタミン酸は水中で高分散するので、架橋反応を行っても網目状の架橋体、即ちハイドロゲルしか得られない。一方、反応液のｐＨを３．５以下という強酸性にすることによりポリ−γ−グルタミン酸の分散性が低下するので分子同士を高度に架橋できることから、水不溶性の架橋体が得られる。
【００１２】
上記方法においては、架橋剤であるジアミノ化合物を、ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩を構成するグルタミン酸に対して０．５モル倍以上用いることが好ましい。ポリ−γ−グルタミン酸の側鎖カルボキシ基に対して必要量以上のジアミノ化合物を作用させることにより、架橋反応を促進することができる。
【００１３】
反応液におけるポリ−γ−グルタミン酸またはその塩の濃度としては、０．２５％（ｗ／ｖ）以上が好適である。ポリ−γ−グルタミン酸の濃度が低過ぎると、架橋反応が効率的に進行しないおそれがある。
【００１４】
ジアミノ化合物としては、塩基性アミノ酸、脂肪族ジアミンまたは芳香族ジアミンが好適である。塩基性アミノ酸を架橋剤として用いた場合には、一分子当り一つのカルボキシ基が残留し、これが保水性や吸熱性に寄与し得る。脂肪族ジアミンを用いた場合、架橋体は高性能な生分解性プラスチックとなり得る。芳香族ジアミンを用いた場合、架橋体の強度は極めて高くなり、生分解性のエンジニアリングプラスチックやスーパー繊維としての利用が期待できる。
【００１５】
本発明の成形体は、上記方法により製造されるポリ−γ−グルタミン酸架橋体からなることを特徴とする。
【００１６】
ポリ−γ−グルタミン酸の水溶性は非常に高く、また、従来技術では十分に架橋できなかったことから、従来のポリ-γ-グルタミン酸架橋体の親水性は過剰に高く、ハイドロゲルといわれるものであり、成形体の素材として利用できるものではなかった。それに対して、本発明方法により製造されるポリ-γ-グルタミン酸架橋体は、十分に架橋されていることから、保水性を有しながらもその親水性は適度に抑制されており、ハイドロゲルの状態にはならない。その上、通常、架橋高分子は硬質で且つ高強度である一方で熱可塑性を有さないといわれているが、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体は融点と熱分解開始点が十分に離れていることから熱可塑性を有し、加熱成形が可能である。従って、本発明に係るポリ-γ-グルタミン酸架橋体からなる成形体は、生物由来プラスチック成形体としての利用が期待される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の製造方法によれば、高度に架橋されたポリ−γ−グルタミン酸を加熱せずとも短時間で効率的に得ることができる。また、本発明で得られるポリ−γ−グルタミン酸架橋体は、生分解性である上に、高い保水性や吸水性、強度のみならず熱可塑性も享有し得ることから、従来における石油由来の合成プラスチックに代わる可能性があるものとして、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１において、アミド縮合剤の存在下、ｐＨ３でポリ−γ−グルタミン酸をＬ−リジンにより架橋した反応溶液の写真である。（Ａ）はアミド縮合剤の添加前の写真であり、（Ｂ）は室温で１０分間反応させた後の写真である。（Ｂ）のとおり、室温でわずか１０分間反応させたのみで、水不溶性繊維状物質の生成が観察できる。
【図２】ポリ−γ−グルタミン酸の架橋反応に対するポリ−γ−グルタミン酸の影響に関する実験の結果を示す写真である。（Ａ）はジアミノ化合物としてＬ−リジンを用いた場合、（Ｂ）はヘキサメチレンジアミンを用いた場合、（Ｃ）はパラフェニレンジアミンを用いた場合の結果であり、それぞれ左からポリ−γ−グルタミン酸濃度が１％（ｗ／ｖ）、その１／２倍、１／２2倍、１／２3倍および１／２4倍の場合の結果である。
【図３】フラットガラスシャーレ上でポリ−γ−グルタミン酸の架橋反応を行い、さらにアセトンにより脱水した反応溶液の写真である。（Ａ）はジアミノ化合物としてＬ−リジンを用いた場合、（Ｂ）はヘキサメチレンジアミンを用いた場合、（Ｃ）はパラフェニレンジアミンを用いた場合の結果である。
【図４】本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の熱分解開始点（Ｔｄ）の測定結果である。
【図５】本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の融点（Ｔｍ）の測定結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の製造方法は、ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩、ジアミノ化合物、脱水縮合剤および水を含む反応液のｐＨを３．５以下に調節することを特徴とする。
【００２０】
ポリ−γ−グルタミン酸の種類は、特に制限されない。例えば、ポリ−γ−グルタミン酸としてはＬ−グルタミン酸のみからなるもの、Ｄ−グルタミン酸のみからなるもの、両方を含むものがあるが、何れも用いることができる。但し、一方の割合がより多い方が立体規則性に優れ強度なども高くなり、また、Ｌ−グルタミン酸からなるものの方が生分解性に優れるので、好適にはＬ−グルタミン酸の含有割合が９０％以上のものを用いる。
【００２１】
使用するポリ−γ−グルタミン酸の分子サイズも特に制限されないが、平均分子質量で１０ｋＤａ以上のものが好適である。一般的に、分子サイズが大きいほど強度などの性能が高くなる。一方、分子サイズが過剰に大きなポリ−γ−グルタミン酸は製造コストが大きく、また、製造が技術的に難しい場合もあるので、通常は１，０００ｋＤａ以下とする。
【００２２】
ポリ−γ−グルタミン酸の塩としては、ナトリウム塩やカリウム塩などのアルカリ金属塩；カルシウム塩やマグネシウム塩などのアルカリ土類金属塩などを挙げることができる。また、塩を用いる場合であっても全てのカルボキシ基が塩となっている必要はなく、その一部のみが塩となっていてもよい。
【００２３】
ポリ−γ−グルタミン酸は、市販されているものがあればそれを用いてもよいし、別途製造してもよい。但し、通常の条件でグルタミン酸を重合するとポリ−α−グルタミン酸が得られるので、細菌を使って生合成させることが好ましい。分子サイズの大きいポリ−γ−グルタミン酸を製造できる細菌としては、超好塩古細菌であるＮａｔｒｉａｌｂａ ａｅｇｙｐｔｉａｃａがある。
【００２４】
反応液におけるポリ−γ−グルタミン酸またはその塩の濃度としては、０．２５％（ｗ／ｖ）以上が好適である。本発明者らの知見によれば、ポリ−γ−グルタミン酸の濃度が０．２５％（ｗ／ｖ）未満である場合には、不溶性の架橋体が十分に得られないおそれがある。一方、当該濃度の上限は特に制限されないが、細菌を用いてポリ−γ−グルタミン酸を製造せしめた場合におけるポリ−γ−グルタミン酸濃度は１％（ｗ／ｖ）程度であり、それよりも高い濃度の反応液を調製するには濃縮操作が必要となるため、好ましい上限は１％（ｗ／ｖ）とする。但し、もちろん１％（ｗ／ｖ）を超える濃度の溶液を用いてもよい。
【００２５】
本発明で用いるジアミノ化合物は、その構造中に少なくとも二つのアミノ基（−ＮＨ2基）および／またはモノアルキルアミノ基（−ＮＨＲ基）を有し、二分子のポリ−γ−グルタミン酸を架橋できる化合物をいう。
【００２６】
本発明で用いるジアミノ化合物としては、リジン、アルギニン、ヒスチジンといった塩基性アミノ酸；テトラメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、オクタメチレンジアミンなどの脂肪族ジアミン；パラフェニレンジアミン、メタフェニレンジアミン、ビス（４−アミノフェニル）メタン、ビス（４−アミノフェニル）カルボニル、ビス（４−アミノフェニル）スルホン、ビス（４−アミノフェニル）エーテルなどの芳香族ジアミンを挙げることができる。好ましくは、水溶性のものを用いる。反応後に不溶性の架橋体から過剰なジアミノ酸を容易に分離できるからである。また、ジアミノ化合物としては、その塩を用いてもよい。塩としては、塩酸塩、硫酸塩、硝酸塩などの無機酸塩を用いることができる。一方、カルボン酸塩などの有機酸塩は、反応を阻害するおそれがあるので好ましくない。
【００２７】
ジアミノ化合物は、二つのカルボキシ基を架橋するものであり、本発明ではポリ−γ−グルタミン酸を高度に架橋することにより不溶性架橋体を得ることを目的とする。よって、ジアミノ化合物の使用量は、ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩を構成するグルタミン酸に対して０．５モル倍以上とすることが好ましい。一方、ジアミノ化合物はポリ−γ−グルタミン酸に比べれば安価であり、過剰に使用することで反応を促進することもでき、しかも反応後においては不溶性架橋体から容易に分離できることから、上限は特に制限されない。しかし、使用量が多過ぎると反応促進効果も飽和し、かえって反応速度が低下することも考えられるので、好適にはポリ−γ−グルタミン酸またはその塩を構成するグルタミン酸に対して５モル倍以下とする。
【００２８】
本発明で用いる脱水縮合剤は、ポリ−γ−グルタミン酸の側鎖カルボキシ基とジアミノ化合物のアミノ基との間におけるアミド結合の形成を促進し、ポリ−γ−グルタミン酸の架橋反応を触媒する化合物をいう。例えば、ＤＣＣ、ＤＩＣ、ＤＩＰＣＩ、ＤＩＡＤ、ＴＭＡＤ、ＥＤＡＣ（1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride）などのカルボジイミド；３−ピリジンカルボン酸無水物；ＤＭＴ−ＭＭ（4-(4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinium chloride）；ＥＤＣ（1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride）などを挙げることができる。本発明は溶媒として水を用いるので、ＥＤＡＣなどの水溶性縮合剤を用いることが好ましい。いわゆるＷＳＣ（water-soluble carbodiimide）を好適に用いることができる。
【００２９】
脱水縮合剤の量は適宜調整すればよく、特に制限されない。例えば、脱水縮合剤の量を調整することにより架橋体の架橋度も調整することができる。但し、本発明では高い架橋度の架橋体を製造することが目的であり、また、脱水縮合剤の量が多いほど反応も迅速に進行するので、十分量用いるのが好ましい。例えば、脱水縮合剤は、ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩を構成するグルタミン酸に対して１モル倍以上、５モル倍以下用いることが好ましい。
【００３０】
本発明では、反応溶媒として水を用いる。主原料であるポリ−γ−グルタミン酸を良好に溶解できるからであり、また、目的化合物である高度に架橋されたポリ−γ−グルタミン酸架橋体は水に対して不溶性であることから、反応後における目的物の単離精製に便利だからである。但し、使用するジアミノ化合物や脱水縮合剤によっては、反応液に対するそれらの溶解性を高めるために、メタノールやエタノールなどのアルコール；ＴＨＦなどのエーテル；ジメチルホルムアミドやジメチルアセトアミドなどのアミドなどの水溶性有機溶媒を反応液に添加してもよい。
【００３１】
本発明の製造方法においては、反応液のｐＨを３．５以下に調節する。従来、脱水縮合剤を用いてアミド化合物を製造する場合においては、反応液のｐＨは塩基性としていた。しかし、ポリ−γ−グルタミン酸の架橋反応においては、グルタミン酸の等電点は３．２２であり、ポリ−γ−グルタミン酸は、その高い親水性により弱酸性から塩基性の水溶液中では高分散するので、ジアミノ化合物を十分量存在せしめても、弱酸性から塩基性の条件下では反応は十分に進行しない。その結果、得られるものは網目構造状のハイドロゲルにとどまり、不溶性架橋体は得られないため、それのみで繊維やフィルムなどの成形体とすることは困難である。しかしｐＨ３．５以下という強酸性で反応を行うことによって、ポリ−γ−グルタミン酸の分散性が低下するので分子間の架橋反応が進行し易くなり、不溶性の架橋体が生成する。
【００３２】
かかるｐＨの調節は、上記全ての原料化合物等を反応液に添加した後に行ってもよいし、一部の化合物を添加する前にｐＨを調節し、ｐＨ調節後に残りの化合物を添加してもよい。例えば、フリーのジアミノ化合物は塩基性物質であることから、反応液のｐＨを変化させる。よって、フリーのジアミノ化合物を用いる場合には、反応液にジアミノ化合物を添加した後にｐＨを調節する。一方、脱水縮合剤は中性のものが多いので、例えば水にポリ−γ−グルタミン酸とジアミノ化合物を溶解してからｐＨを調節した後に脱水縮合剤を添加してもよい。
【００３３】
本発明の架橋反応は常温でも行うことができる。つまり、本発明方法を工業的に大規模で実施する場合であっても、加熱手段を設ける必要はない。しかし、反応をより一層促進するために、全体的な効率を貶めない程度で、例えば６０℃程度まで加熱してもよい。
【００３４】
反応時間は特に制限されないが、本発明に係る架橋反応は短時間で完了するという特長を有する。よって、実際の反応時間は原料化合物の消失の確認や予備実験により決定すればよいが、通常は５分〜５時間程度とすることができる。
【００３５】
反応終了後は、水に対して不溶性の架橋体が溶媒である水から分離してくる。かかる不溶性架橋体を単離し、常法により、繊維やフィルムなど所望の成形体に成形することができる。
【００３６】
本発明で得られるポリ−γ−グルタミン酸架橋体は、生分解性である上に、高い保水性や吸水性、強度なども享有し得る一方で、いわゆるハイドロゲルではない。その上、融点を有し、その融点は熱分解開始点と十分に離れていることから、熱可塑性を示す。よって、例えば、本発明のポリ−γ−グルタミン酸架橋体からなる繊維を用いて、保水性や吸熱性に優れる衣服を製造できる可能性がある。しかもその使用後は、細菌などによる分解処理も可能であり得る。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例により制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３８】
実施例１ ＰＧＡ架橋化におけるｐＨによる影響の検討
（１） Ｌ−リジンによる架橋
ポリ−γ−Ｌ−グルタミン酸ナトリウム塩を精製水に溶解し、１％（ｗ／ｖ）の溶液とした。当該溶液に、１．７％（ｗ／ｖ）の濃度となるようにＬ−リジン塩酸塩を溶解した。当該溶液において、ポリ−γ−Ｌ−グルタミン酸ナトリウム塩由来のカルボキシ基のモル濃度は７７．５ｍＭ、Ｌ−リジン塩酸塩由来のアミノ基のモル濃度は１５５ｍＭである。また、当該溶液のｐＨをｐＨ試験紙で測定したところ、３付近であった。
【００３９】
当該溶液へ、ポリ−γ−グルタミン酸ナトリウムを構成するグルタミン酸に対して１モル倍のＷＳＣを添加して溶解し、室温で１０分間静置したところ、図１に示すとおり水不溶性の繊維状物質の形成が認められた。
【００４０】
また、ＷＳＣを添加する前における溶液のｐＨを、１２Ｎ塩酸または６Ｎ水酸化ナトリウムにより４．５、８または１０に調整して同様の操作を行い、水不溶性繊維状物質の生成の有無を観察した。結果を表１に示す。
【００４１】
（２） ヘキサメチレンジアミンによる架橋
上記（１）において、Ｌ−リジン塩酸塩の代わりにヘキサメチレンジアミンを０．９２％（ｗ／ｖ）の濃度で加えて同様に実験を行ったが、水不溶性繊維状物質の生成は全く見られなかった。なお、反応溶液におけるヘキサメチレンジアミン由来のアミノ基のモル濃度は、Ｌ−リジン塩酸塩を用いた場合と同様に１５５ｍＭであった。反応溶液のｐＨを測定したところ、１０付近であった。
【００４２】
また、ＷＳＣを添加する前における反応溶液のｐＨを、上記（１）と同様に３、４．５または８に調整して水不溶性繊維状物質の生成の有無を観察した。結果を表１に示す。
【００４３】
（３） パラフェニレンジアミンによる架橋
上記（１）において、Ｌ−リジン塩酸塩の代わりにパラフェニレンジアミンを０．８４％（ｗ／ｖ）の濃度で加えて同様に実験を行ったが、水不溶性繊維状物質の生成は全く見られなかった。なお、反応溶液におけるパラフェニレンジアミン由来のアミノ基のモル濃度は、Ｌ−リジン塩酸塩を用いた場合と同様に１５５ｍＭであった。反応溶液のｐＨを測定したところ、７．５であった。
【００４４】
また、ＷＳＣを添加する前における反応溶液のｐＨを、上記（１）と同様に３、４．５、８および１０に調整して水不溶性繊維状物質の生成の有無を観察した。結果を表１に示す。表中、水不溶性繊維状物質の生成が肉眼で確認できた場合を「＋」、確認できなかった場合を「−」、水不溶性繊維状物質の生成は確認できなかったが反応液が白濁した場合を「±」で示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
通常、脱水縮合剤を用いる場合には塩基性条件で反応を進める。しかし表１のとおり、ポリ−γ−グルタミン酸の架橋の場合には、塩基性条件では水不溶性繊維状物質の生成はみられなかった。これは、おそらく塩基性条件でも架橋反応は進行していると考えられるが、ポリ−γ−グルタミン酸の水溶液中における分散性があまりに高いために分子間の架橋反応が十分に進行せず、水溶性のゲル状物質にとどまっていることによると考えられる。また、ジアミノ化合物として芳香族ジアミンであるパラフェニレンジアミンを用いた場合には、おそらく当該ジアミノ化合物の疎水性が比較的高いために、部分的な架橋によってもポリ−γ−グルタミン酸の溶解度が低下し、反応液が白濁したと考えられる。但しこの場合でも、繊維状物質の生成は認められなかった。
【００４７】
一方、アミド縮合剤を用いて強酸性条件でジアミン化合物による架橋反応を行った場合には、室温でも十分に反応が進行し、わずか１０分間で水不溶性繊維状物質の生成が観察できた。
【００４８】
実施例２ 架橋反応におけるポリ−γ−グルタミン酸濃度の影響
上記実施例１（１）〜（３）において、反応溶液におけるポリ−γ−Ｌ−グルタミン酸ナトリウム塩の濃度を、１／２倍、１／２2倍、１／２3倍および１／２4倍とした以外は同様に実験を行い、水不溶性繊維状物質の生成の有無を観察した。結果を図２に示す。
【００４９】
図２中、（Ａ）はジアミノ化合物としてＬ−リジンを用いた場合、（Ｂ）はヘキサメチレンジアミンを用いた場合、（Ｃ）はパラフェニレンジアミンを用いた場合の結果であり、それぞれ左からポリ−γ−グルタミン酸濃度が１％（ｗ／ｖ）、その１／２倍、１／２2倍、１／２3倍および１／２4倍の場合の結果である。（Ａ）のとおり、Ｌ−リジンの場合にはポリ−γ−グルタミン酸濃度が０．１２５％（ｗ／ｖ）未満になると水不溶性繊維状物質の生成が困難になり、（Ｂ）のとおり、ヘキサメチレンジアミンの場合にはポリ−γ−グルタミン酸濃度が０．２５％（ｗ／ｖ）未満になると水不溶性繊維状物質の生成が困難になった。しかしパラフェニレンジアミンの場合には、ポリ−γ−グルタミン酸濃度が０．０６２５％（ｗ／ｖ）でも水不溶性繊維状物質の生成が確認できた。これは、フェニレン構造の脂溶性が他の架橋剤よりも高いことによると考えられる。
【００５０】
実施例３ フィルムの製造
６．４ｃｍ径のフラットガラスシャーレに０．２５％（ｗ／ｖ）のポリ−γ−Ｌ−グルタミン酸ナトリウム塩水溶液（１ｍＬ）を加えた。当該水溶液中におけるカルボキシ基のモル濃度に対して、アミノ基のモル濃度が２倍となるようにＬ−リジン塩酸塩、ヘキサメチレンジアミンまたはパラフェニレンジアミンを加えた。Ｌ−リジン塩酸塩の場合を除いて、１２Ｎ塩酸により溶液のｐＨを３に調整した後、ＷＳＣ（０．９２５ｍｇ）を加え、室温で３０分間静置した。その後、反応溶液に対して２．５倍容量のアセトンを加えることにより脱水した。反応後と脱水後における各シャーレの写真を図３に示す。図３中、（Ａ）はジアミノ化合物としてＬ−リジンを用いた場合、（Ｂ）はヘキサメチレンジアミンを用いた場合、（Ｃ）はパラフェニレンジアミンを用いた場合の結果である。
【００５１】
図３のとおり、アセトン脱水後、Ｌ−リジンおよびヘキサメチレンジアミンによる架橋体は、透明なフィルム状となりガラス面に付着した。それに対してパラフェニレンジアミンによる架橋体は、むしろ剛直な繊維塊となった。この繊維塊は経時的に色調変化したが、この性質はパラアラミド繊維と類似するものである。また、ここで形成された各架橋体は水に不溶性であるが、エタノールおよびｐＨ８．５に調整した弱アルカリ性緩衝液にも不溶であることを確認した。
【００５２】
実施例４ 最大架橋率の測定
上記実施例１と同様の条件で、Ｌ−リジン、ヘキサメチレンジアミンまたはパラフェニレンジアミンでポリ−γ−グルタミン酸を架橋した。なお、反応液のｐＨは３に調節した。反応終了後、反応液中に形成された不溶性のポリ−γ−グルタミン酸架橋体を分離した後、残留した反応液（０．１ｍＬ）を回収し、蒸留水で１００倍に希釈した。この希釈液（０．１ｍＬ）に同量の０．２Ｍホウ酸緩衝液（ｐＨ８．５）を加えて中和した。当該混合液に、１／１０倍容量の１０ｍＭ １−フルオロ−２，４−ジニトロベンゼン／アセトン溶液を加えて攪拌し、６５℃で４５分間、暗所で静置した。当該混合液の温度を室温に戻した後、１２Ｎ塩酸（０．１１ｍＬ）を加えて反応を停止させた。黄色に呈色した本混合液を分光分析に供し、波長３５６ｎｍの吸光度を測定した。得られた値を検量線と照らし合わせ、反応液中に残留しているジアミノ化合物の量を決定し、架橋反応で消費されたジアミノ化合物の量を算出した。算出されたジアミノ化合物が全て架橋に寄与していると推定し、ポリ−γ−グルタミン酸の最大架橋率を算出した。結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
【００５４】
上記結果のとおり、最大架橋率としての測定値ではあるが、本発明方法によれば、おおよそ４０〜５０％という高分子の架橋率としては極めて高い割合でポリ−γ−グルタミン酸を架橋できることが分かった。
【００５５】
実施例５ 熱分析結果
上記実施例１と同様の条件で、架橋剤としてパラフェニレンジアミンを用い、且つ反応液のｐＨを３に調節してポリ−γ−グルタミン酸を架橋した。得られた水不溶性の架橋体を真空乾燥した後、熱分析装置（セイコー電子社製，ＤＳＣ「ＥＸＴＲ６０００」とＴＧ−ＤＴＡ「ＳＳＣ５２００」）を用い、ＪＩＳ Ｋ７１２２とＪＩＳ Ｋ７１２０の方法に準じてＤＳＣ分析とＴＧ／ＤＴＡ分析を行った。熱分解開始点の測定結果を図４に、融点の測定結果を図５に示す。
【００５６】
図４のとおり、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の熱分解開始点（Ｔｄ）は２１４℃であり、図５のとおり、同架橋体の融点（Ｔｍ）は１２５℃であった。このように、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の熱分解開始点と融点は十分に離れていることから、熱可塑性を有し、加熱成形することが可能であると考えられる。通常、高分子架橋体は熱可塑性を有さない場合が多いが、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体は、十分に架橋されている一方で熱可塑性を有する点で特異な特性を有するといえる。
【００５７】
また、図５のとおり、同架橋体の実測上の比熱は１０５ｍＪ／ｍｇであった。この値は典型的なポリアミド樹脂の比熱値と近似するものであるので、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体の用途としては、ポリアミド樹脂と同様のものが考えられる。
【００５８】
以上の結果から、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体は、生物由来のプラスチック素材として有用であることが実証された。
【００５９】
実施例６ 結合水含量の測定
上記実施例５で得られた乾燥ポリ−γ−グルタミン酸架橋体の結合水含量を、微量水分測定装置「ＣＡ−２００」、陽極液アクアミクロンＡＸおよび陰極液アクアミクロンＣＸＵ（いずれも、三菱化学社製）を用い、常法であるカールフィッシャーの水分測定に従って測定したところ、３．９９％であった。この値は、ほぼ際限無く水分を吸収するポリ−γ−グルタミン酸に比べて低いといえる。他方、この値は、化成ナイロンの公定水分含量である４．５％と遜色のないレベルであるといえる。
【００６０】
以上の結果より、本発明に係るポリ−γ−グルタミン酸架橋体は、適度な保湿性を示す一方でハイドロゲルになるほど過剰な親水性を示さないので、ナイロンの代替にとどまらず、さらに多様な用途が期待される生物由来のプラスチック素材として有用であると考えられる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリ−γ−グルタミン酸の架橋体を製造するための方法であって、
ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩、ジアミノ化合物、脱水縮合剤および水を含む反応液のｐＨを３．５以下に調節することを特徴とする方法。
【請求項２】
ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩を構成するグルタミン酸に対して０．５モル倍以上のジアミノ化合物を用いる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
反応液におけるポリ−γ−グルタミン酸またはその塩の濃度を０．２５％（ｗ／ｖ）以上とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
ジアミノ化合物として、塩基性アミノ酸、脂肪族ジアミンまたは芳香族ジアミンを用いる請求項１〜３の何れかに記載の方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の方法により製造されるポリ−γ−グルタミン酸架橋体からなる成形体。
【請求項１】
ポリ−γ−グルタミン酸の架橋体を製造するための方法であって、
ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩、ジアミノ化合物、脱水縮合剤および水を含む反応液のｐＨを３．５以下に調節することを特徴とする方法。
【請求項２】
ポリ−γ−グルタミン酸またはその塩を構成するグルタミン酸に対して０．５モル倍以上のジアミノ化合物を用いる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
反応液におけるポリ−γ−グルタミン酸またはその塩の濃度を０．２５％（ｗ／ｖ）以上とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
ジアミノ化合物として、塩基性アミノ酸、脂肪族ジアミンまたは芳香族ジアミンを用いる請求項１〜３の何れかに記載の方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の方法により製造されるポリ−γ−グルタミン酸架橋体からなる成形体。
【図５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２０９３６２（Ｐ２００９−２０９３６２Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５３２２（Ｐ２００９−２５３２２）
【出願日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、独立行政法人科学技術振興機構、地域イノベーション創出総合支援事業研究成果実用化検討（ＦＳ）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１７４１８０）国立大学法人高知大学 (174)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、独立行政法人科学技術振興機構、地域イノベーション創出総合支援事業研究成果実用化検討（ＦＳ）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１７４１８０）国立大学法人高知大学 (174)
【Ｆターム（参考）】
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