金子達雄
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14年前，日本北陸先端科學技術大學院大學從水前寺藍藻中發現了硫酸化多醣Sacran，這是一種分子量超過1千萬的超大分子。此後研究人員克服重重困難，使得這種多醣作爲以Sacray TM 爲首的保溼劑和成膜劑成分，在日本國内外被用於衆多產品。
■水前寺藍藻與Sacran的背景和概要
2007年筆者等人發現的新型硫酸化多醣「Sacran」，現在已經作爲保溼劑被應用於衆多產品，並被定位爲具有一定商品價值的物質。其原料爲水前寺藍藻（學名：Aphanothece sacrum），是日本固有的一種藍藻（圖1左）**1。
圖1：水前寺藍藻的外觀（左）和提取的Sacran（右）（比例尺：1cm）
水前寺藍藻是日本九州地區北部作爲食用藻養殖於地下水和泉水中，在全球已經確定的兩千多種藍藻中，可以培養和食用並能大量產生多醣的藍藻只有水前寺藍藻。筆者的研究團隊原來一直在開展利用生質原料開發塑膠的研究，我們覺得屬於微生物之一的藍藻可作爲實施永續發展社會所需的生質塑膠**2的原料。
在從衆多藍藻中探索各種有用物質的程序中，我們發現進行液液萃取時洗滌水中含有大量的「凝膠狀物質」。對其進行酒精沉澱後，這種物質可以像纖維素一樣作爲硬纖維質回收（圖1右），因此推測這可能是一種多醣，並進行了結構分析。結果發現這是一種含有新成分糖類——硫酸化胞壁酸的物質，我們將其命名爲「Sacran」。
Sacran能以水前寺藍藻單位乾重50～70％的高提取率被抽出，可以將其作爲日本固有的生質加以利用。另一方面，新物質也存在風險，普通企業很難將其用於產品。於是我們成立了初創企業，並在日本科學技術振興機構（JST）2008年度的產學聯合種創新專案的顯現階段，以及2018年度A-STEP（研究成果最佳展開支援專案）功能驗證階段的兩度支援下，花費十多年的時間推進了結構分析、功能化和實用化。目前已作爲保溼劑等在中南美洲、歐洲和亞洲多國得到利用。下面爲大家介紹一下詳細情況。
■Sacran的結構與功能
我們利用多種元素分析法、光譜法和層析術分析了Sacran的結構，明確了以下幾點：
①各種糖殘基中含有v12mol％左右的硫酸基
②糖殘基種含有27mol％左右的羧酸
③由中性糖、胺醣和醣醛酸等8種以上糖類成分構成
④重量平均分子量爲107g/mol以上（多角度靜態光散射法：絕對法測量）
也就是說，Sacran是由10萬個糖聯結形成的超大分子**3，而且分子鏈中的負電荷含量達到39mol％，可以說是密佈約3萬個負電荷的聚陰離子。Sacran最大特點是其高持水力力。評估持水性的方法一般採用廚房紙等粗孔材料，但我們爲了量化進行化學交聯前的樣本的持水力，確立了將Sacran水溶液放到8μm的中孔濾紙上，測量使其透過濾紙滴落的非結合水量的改良型茶包法。利用該方法應答，透明質酸在純水中顯示出相當於其自身重量1200倍的持水力，而Sacran的持水率高達自重的6100倍，是前者的5倍左右**3。另外，當使用生理食鹽水時，其持水力雖降至自重的2400倍，但仍比透明質酸高出10倍。
此外，Sacran對人工尿液的保持量爲2600倍，尿不溼等使用的高分子吸收體對人工尿液的保持量約爲50倍，因此Sacran的持水率遠遠高於高分子吸收體。由於Sacran是聚陰離子，因此它不僅能吸水，還會透過與膠原蛋白等陽離子性聚合物和金屬離子等的強相輔作用形成凝膠。
除此之外，Sacran還具有形成螺旋結構**4並使多層奈米碳管在水中分散的功能**5。當分子量較高時，其溶液粘性也變得非常高，此外還發現，施加剪切線應力時會變成鬆散狀態，但静置後又會恢復粘表徵態，具有可逆的假塑性。而且，Sacran的這種高粘性使其具有在狹窄的空間内乾燥時，可以在分隔空間的牆壁之間架橋並形成配向膜的獨特組織能力。Sacran的另一個功能是其抗炎作用。
我們與Ngatu Roger副教授（原高知縣立大學看護學部，現香川大學醫學部）組成的醫療研究團隊在人體上驗證了Sacran的出色持水力和成膜效果，應答有明顯的經皮失水（TEWL）改善效果，由此認爲，塗抹Sacran具有優異的保溼作用和抗瘙癢作用，可以保存皮膚表面的角質層，抑制會導致特應性皮膚炎惡化的皮膚乾燥和瘙癢**6、7、8、9。
■作爲新材料的Sacran
Sacran本來是水前寺藍藻爲保存其細胞體的細胞外基質分泌的物質。也就是說，Sacran在水前寺藍藻中以凝膠的狀態存在，是細胞分裂的支架。如果將該性質視爲Sacran的本質，那麼能最大限度發揮Sacran特性的應用應該就是細胞培養支架和傷口敷料的凝膠材料。向Sacran導入化學交聯可以形成水凝膠，但生物材料最好不要使用強刺激性交聯劑。
因此我們想出的方法是，將Sacran製成流延膜並進行加熱處理，從而在Sacran分子鏈之間形成化學/物理交聯結構，使其變成凝膠**10。透過在70～140℃的範圍内對變成膜狀的Sacran實施加熱處理，根據處理溫度的不同，會形成膨潤度各異的凝膠片（圖2）。而且形成的凝膠片具有橫向幾乎不膨潤，僅朝縱向膨潤的各向異性。這種凝膠片有望作爲傷口保存劑或美容面膜使用。另外，我們還利用模式細胞L929小鼠纖維母細胞評估了凝膠片作爲細胞培養支架的功能，發現了細胞沿着Sacran的液晶配向伸展的現象**11。目前我們的研究室還在將Sacran與其他多醣類混合，以便開發透明、柔軟且結實的複合薄膜。今後預定將該薄膜作爲高分子吸收體和傷口敷料使用。
圖2：Sacran凝膠片照片（比例尺：1cm）
■開發Sacran與嫘縈的混合紡絲纖維
我們還與企業合作，共同開發了在嫘縈纖維中混合Sacran的新材料Sacray TM 。
由於Sacran具有以下特點，我們認爲可以將其混入嫘縈中。
①主要結構爲葡聚糖（類似於纖維素）
②耐鹼性爲pH 14
③耐熱性約爲110℃
④短時間内不容易酸解
Sacray TM 利用以下方法製造。用氫氧化鈉對纖維素進行處理後，與二硫化碳混合並静置會變成纖維素黄原酸鈉，失去分子間的氫鍵，從而溶解變成膠體溶液。將該膠體溶液與Sacran的鹼性水溶液混合，使纖維素-Sacran溶液透過中孔噴到稀硫酸中，進行濕法纖維紡絲。這樣，纖維素黄原酸鈉會恢復爲纖維素，並透過分子間的氫鍵再生爲纖維。
我們認爲在這個程序中，Sacran會被混合紡絲到嫘縈中。因此利用掃描型電子顯微鏡進行了觀察，發現嫘縈纖維的表面結構隨着Sacran的導入發生變化，產生了奈米級凹凸（圖3左）。由此可以應答，原本光滑的嫘縈表面存在Sacran。另外，使SACRE TM與水接觸測量吸水量發現，添加Sacran後，吸水量提高了28％左右（圖3右）。由此應答，SACRE TM擁有遠遠高於傳統嫘縈纖維的鎖水率的鎖水性和保溼性。
此外我們還發現，由於Sacran被混入了嫘縈纖維中，嫘縈纖維特有的柔軟質地沒有遭到破壞，而且還透過Sacran的超強持水功能爲嫘縈纖維賦予了遠遠超過以往產品的溼潤感，並且保持了耐洗性。日本服裝製造銷售公司ROYNE（東京都品川區）將30％含量的Sacray TM 與棉混合紡絲彈力汗布混合編織應答，吸放溼性比彈力汗布提高20％。該公司根據以上結果，利用SACRE TM生產了内衣，並面向容易感到刺激性的老年人、皮膚敏感的人和嬰幼兒推出，目前已經連續銷售兩年多。
圖3：Sacray TM 的SEM照片（左）和遇水膨潤後的偏光顯微鏡照片（右）
■總結與展望
透過研究發現，Sacran是擁有很多特徵性結構和功能的獨特物質，是可以開發出高附加值材料的新型多醣。它還是產自日本本土的一種生物，可以說是日本的原始生質。Sacran作爲保溼劑和成膜劑已被用作很多化妝品的原料，得到了國内外衆多產品的使用，實用化的範圍在逐年擴大。
Sacran作爲Sacray TM 等聚合體複材的未來也值得期待。另外，我們還設想了其他材料形態，比如薄膜和凝膠等，打算重點應用於醫療材料領域。爲此必須削減作爲原料的水前寺藍藻的成本，透過致力於水前寺藍藻植物工廠的實用化，已經確立了目標，預計在不久的將來可以達成目標。由此有望保存已成爲瀕危物種的水前寺藍藻。
【參考文獻】
**1：Okajima M. K., Ono M., Kabata K., Kaneko T., Pure Appl. Chem., 79, 2039-2346 (2007).
**2：Kaneko T, Tran H. T., Shi D. J., Akashi M., Nature Mater. 5, 966-970 (2006) .
**3：Okajima M., Kaneko T., et al. Biomacromolecules, 13, 4158-4163 (2012).
**4：Budpud K., Okeyoshi K., Okajima M., Kaneko T., Small, 16(29), 2001993 (2020).
**5：Okajima M., Kaneko T., et al. Biopolymers, 99(1), 1-9 (2013).
**6：Ngatu N. R., Okajima M., et al., Evidence-based Med. Public Health, 2, e1438, 2016
**7：Ngatu N., Okajima M., et al., Ann. Phytomed. 4, 49-51 (2015).
**8：Ngatu N. R., Okajima M., et al., Ann. Phytomed. 4, 111-113 (2015).
**9：Ngatu N. R., Okajima M. et al., Ann. Aller. Asthma. Immunol. 108, 117-122 (2012).
**10：M. Okajima, R. Mishima, K. Amornwachirabodee, K. Okeyoshi, T. Kaneko, RSC Adv. 5, 86723-86729 (2015).
**11：Sornkamnerd S., Okajima M., Matsumura K., Kaneko T., ACS Omega, 3(6), 6554?6559 (2018).
文：北陸先端科學技術大學院大學先端科學技術研究科 環境與能源領域教授 金子達雄
Green Science Material公司 岡島麻衣子
原載自《產學官合作期刊 》2021年6月號
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
