キトサン微粒子洗浄材の調製とその保湿性・消臭性・抗菌性

熊本県産業技術センター微生物応用部・熊本大学大学院自然科学研究科　齋田佳菜子熊本県産業技術センター材料開発部　永岡昭二、微生物応用部　松田茂樹

第一製網株式会社　山本哲也、奥薗一彦西日本長瀬株式会社　石橋崇正、佐藤　賢室町ケミカル株式会社　藏敷賢二、田中知樹リバテープ製薬株式会社　湯本玲子、滝口靖憲

熊本大学大学院自然科学研究科　高藤　誠、伊原博隆

　　経済産業省 地域新生コンソーシアム研究開発事業　「精密機械表面から人体の洗浄に適する微粒子洗浄材の開発」

1. 緒言　キトサンの原料となるキチンはセルロースに次ぐバイオマスで、年間約3,000億トンが生産されている天然多糖である。キチンは分子内・分子間水素結合に由来する安定な結晶構造を有するために加工しがたい。そのため、キチンは脱アセチル化したキトサンの状態で利用される。　キトサンは無毒で、生体適合性、生分解性に優れた特徴を持ち、医療材料・化粧品成分・食品添加物などさまざまな用途へ応用される可能性がある。とりわけ、保湿性や抗菌性をもつ微粒子化したキトサンは化粧品や医療分野での利用が期待される1)。ところが、キトサンも分子内・分子間水素結合に由来する高い結晶構造をもつことから、10 µm以下に微粒子化するために今までに懸濁蒸発法2)、懸濁架橋法3)などが報告されている。これらはいずれも界面活性剤や有機溶媒を使用し、環境に負荷のかかる方法である。　本研究では、環境に負荷をかけない穏和な条件での、多価アニオンを用いたイオン交換相分離法(Fig. 1)による微粒子調製法と、調製された微粒子の保湿性・消臭性・抗菌性について報告する。

OO OH

O

NH3+

OHCH2

Xn－

OOO

OH NH3+

CH2OH

COO-

CH3

CHHO

COO-

CH3

CHHO

COO-

CH3

CHHO

COO-

CH3

CHHO

COO-

CH3

CHHO

Xn-

Xn-Xn-

Xn-

Xn-

Xn-COO-

CH3

CHHO

Xn-COO-

CH3CHHO

Xn-COO-

CH3

CHHO

Xn-COO-

CH3

CHHOXn-COO-

CH3

CHHO

Addition of polyvalent anion

Fig. 1 Schematic illustration of mechanism of ion exchange interaction.

2. 実験方法 30°Cで所定濃度の硫酸ナトリウム水溶液(1,2, 5, 10 equiv. for -NH2 group of chitosan)80 mlに1.5wt%キトサン（分子量85 kDa)乳酸溶液を20 ml滴下した。5°Cまで徐冷し、透析膜により4日間脱塩・乳酸除去を行い、キトサン微粒子の分散液を調製した。得られた分散液の濁度およびDLS測定を行った。得られた微粒子を凍結乾燥し、走査型電子顕微鏡(SEM)観察による微粒子の評価、恒温恒湿装置を用いて吸湿性を評価した。また、アンモニアガス、酢酸ガスを用いた消臭性の評価、大腸菌Escherichia coli NBRC No. 3972を用いた抗菌性試験も行った。

Fig. 2 Chitosan particles prepared by phase separation usingNa2SO4 before and after desalinating. Na2SO4 addition: 0, 1.0,2.0, 5.0, 10.0 equiv. for -N�H2 group.

1.0 2.0 5.0 10.00

Before

After

1.0 2.0 5.0 10.00

3. 結果及び考察　硫酸ナトリウム溶液中へのキトサン乳酸溶液の滴下により得られたキトサン微粒子の分散液は白濁し、調製時の塩濃度が増すにつれて濁度が増大した(Fig. 2)。これはアミノカチオンと多価アニオンの静電的相互作用によって糖鎖同士の架橋が形成されたことを示している。さらに、微粒子分散液を透析することによって濁度が低下している。透析によって過剰な硫酸ナトリウムや乳酸が除去され、微粒子同士の凝集が抑えられたためと考えられる。　調製した微粒子分散液を凍結乾燥し、SEMによる観察を行った(Fig. 3) 。形成したキトサン微粒子とみられる球状の粒子が繊維状に糸を引いている様子が観察された。

1) Entsar I. Rabea, et al. Biomacromol. 4, 20032) C. Hirayama, et al. Polym. J. 31, 19993) E. B. Denkbas, et al. J. Appl. Polym. Sci., 76, 2000

Fig. 5 Hygroscopicity of chitosan particles after freeze-drying.Weight changes in microparticles in a chamber at 40 ˚C and 90% humidity. Wt: Weight of sample in t hour, W0: Weight ofpremeasurement sample.Na2SO4 addition: 1.0, 2.0, 5.0, 10.0 equiv. for -NH2 group.

Time(h)

10.0eq. Na2SO4

5.0eq. Na2SO4

2.0eq. Na2SO4

1.0eq. Na2SO4Succinoylated Cellulose

Cellulose

Chitosan granule

0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

10 20 30 40 50 60

Wt/W

0

Fig. 4 SEM images of chitosan particles after desalinating,after freeze-drying by liquid N2.Na2SO4 addition: 1.0, 2.0, 5.0, 10.0 equiv. for -NH2 group.

10 µm

1.0 µm

1.0 2.0

10 µm

1.0 µm

10 µm

5.0

1.0 µm

10 µm

10.0

1.0 µm

お問い合わせ先；熊本県産業技術センター微生物応用部　齋田　佳菜子 saita-k@kmt-iri.go.jp材料開発部　永岡　昭二 nagaoka@kmt-iri.go.jpTEL; 096-368-2101 / FAX; 096-369-1938

　凍結乾燥した微粒子分散液について恒温恒湿機を用いて保湿性の検討を行った(Fig. 5)。すべてのキトサン微粒子について、原料であるキトサン粉砕物よりも高い保湿性を持つことがわかった。また、キトサンと同じ天然多糖であるセルロース及びコハク酸を表面に修飾したセルロース微粒子よりも高い保湿性を持つことが確認された。キトサン微粒子に関しては、調製時の塩濃度が増すにしたがって保湿性も向上していることが観察される。これは、キトサン自体のもつアミノ基や水酸基による分子内水素結合が硫酸イオンの配位や架橋によって弱められ、結果的に微粒子の親水性が増し、したがって、塩濃度の上昇に伴って吸湿性も上昇したと考えられる。 さらに、微粒子分散液の凍結乾燥物について消臭性の検討を行った(Fig. 6)。通常、キトサンはアミノ基を有するためにアンモニアガスは吸着することができない。そのため、キトサン粉砕物はアンモニアガスを吸着していない。しかし、キトサン微粒子がアンモニアガスを吸着しているのは、微粒子のアミノ基に硫酸イオンが配位している部分が負に荷電しているためと考えられる。酢酸ガスに関しては、キトサン粉砕物も微粒子も同様に吸着した。

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

NH3+

SO42-

NH3+

NH3+

NH3+NH3

+

NH3+

NH3+

NH3+

NH3+

SO42-

SO42-

NH3+

SO42-

NH3+

NH3+

NH3+NH3

+

NH3+

NH3+

NH3+

NH3+

SO42-

SO42-

Res

idua

l of g

as(%

)

CH3COO-gas

NH4+

NH4+

CH3COO-

CH3COO-

NH4+gas

adsorbed

Not adsorbed

Chitosan particles(1.0 eq.)

Chitosan granule

Chitosan particles(1.0 eq.)

Chitosan granule

adsorbed

Time(min. ) Time(min. )

Fig. 6 Removal of cation or anion substances.Ammonium gas: 80 ppm, Acetic acid gas: 50 ppmNa2SO4 addition: 1.0 equiv. for -NH2 group.

　大腸菌に対するキトサン微粒子の抗菌試験を行った結果(Table)、キトサン微粒子は市販されているキトサン粉末や原料のキトサン粉砕物よりも高い抗菌性を持つことが明らかとなった。

　以上のように、キトサンをイオン交換相分離法によって微粒子化した、キトサンサブミクロン微粒子が保湿性、消臭性、抗菌性の高い性質を発現することが確認された。

Table Antibacterial activity of chitosan samples(0.5-5.0 mg/ml) toward Escherichia coli.

Particles(1eq. Na2SO4)

5.0 mg/ml; Bactericidal or Strong Bacteriostatic0.5 and 0.1mg/ml ; Bacteriostatic

No Inhibition

No Inhibition

5.0 mg/ml; Bacteriostatic

No Inhibition

Powder(Degree of deacetylation 80%)

Powder(Degree of deacetylation 90%)

Chitoorigosaccharide

Granules

Chitosan samples Antibacterial Activity

Na2SO4 addition: 1.0 equiv. for -NH2 group.