金子达雄
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14年前，日本北陆先端科学技术大学院大学从水前寺蓝藻中发现了硫酸化多糖Sacran，这是一种分子量超过1千万的超大分子。此后研究人员克服重重困难，使得这种多糖作为以Sacray TM 为首的保湿剂和成膜剂成分，在日本国内外被用于众多产品。
■水前寺蓝藻与Sacran的背景和概要
2007年笔者等人发现的新型硫酸化多糖“Sacran”，现在已经作为保湿剂被应用于众多产品，并被定位为具有一定商品价值的物质。其原料为水前寺蓝藻（学名：Aphanothece sacrum），是日本固有的一种蓝藻（图1左）**1。
图1：水前寺蓝藻的外观（左）和提取的Sacran（右）（比例尺：1cm）
水前寺蓝藻是日本九州地区北部作为食用藻养殖于地下水和泉水中，在全球已经确定的两千多种蓝藻中，可以培养和食用并能大量产生多糖的蓝藻只有水前寺蓝藻。笔者的研究团队原来一直在开展利用生物质原料开发塑料的研究，我们觉得属于微生物之一的蓝藻可作为实现可持续发展社会所需的生物质塑料**2的原料。
在从众多蓝藻中探索各种有用物质的过程中，我们发现进行液液萃取时洗涤水中含有大量的“凝胶状物质”。对其进行酒精沉淀后，这种物质可以像纤维素一样作为硬纤维质回收（图1右），因此推测这可能是一种多糖，并进行了结构分析。结果发现这是一种含有新成分糖类——硫酸化胞壁酸的物质，我们将其命名为“Sacran”。
Sacran能以水前寺蓝藻单位干重50～70％的高提取率被抽出，可以将其作为日本固有的生物质加以利用。另一方面，新物质也存在风险，普通企业很难将其用于产品。于是我们成立了初创企业，并在日本科学技术振兴机构（JST）2008年度的产学联合种子创新项目的显现阶段，以及2018年度A-STEP（研究成果最佳展开支援项目）功能验证阶段的两度支援下，花费十多年的时间推进了结构分析、功能化和实用化。目前已作为保湿剂等在中南美、欧洲和亚洲多国得到利用。下面为大家介绍一下详细情况。
■Sacran的结构与功能
我们利用多种元素分析法、光谱法和色谱法分析了Sacran的结构，明确了以下几点：
①各种糖残基中含有v12mol％左右的硫酸基
②糖残基种含有27mol％左右的羧酸
③由中性糖、氨基糖和糖醛酸等8种以上糖类成分构成
④重均分子量为107g/mol以上（多角度静态光散射法：绝对法测量）
也就是说，Sacran是由10万个糖联结形成的超大分子**3，而且分子链中的负电荷含量达到39mol％，可以说是密布约3万个负电荷的聚阴离子。Sacran最大特点是其高持水能力。评估持水性的方法一般采用厨房纸等粗孔材料，但我们为了量化进行化学交联前的样本的持水力，确立了将Sacran水溶液放到8μm的细孔滤纸上，测量使其通过滤纸滴落的非结合水量的改良型茶包法。利用该方法确认，透明质酸在纯水中显示出相当于其自身重量1200倍的持水力，而Sacran的持水率高达自重的6100倍，是前者的5倍左右**3。另外，当使用生理盐水时，其持水力虽降至自重的2400倍，但仍比透明质酸高出10倍。
此外，Sacran对人工尿液的保持量为2600倍，尿不湿等使用的高分子吸收体对人工尿液的保持量约为50倍，因此Sacran的持水率远远高于高分子吸收体。由于Sacran是聚阴离子，因此它不仅能吸水，还会通过与胶原蛋白等阳离子性高分子和金属离子等的强相互作用形成凝胶。
除此之外，Sacran还具有形成螺旋结构**4并使多层碳纳米管在水中分散的功能**5。当分子量较高时，其溶液粘性也变得非常高，此外还发现，施加剪切应力时会变成松散状态，但静置后又会恢复粘性状态，具有可逆的假塑性。而且，Sacran的这种高粘性使其具有在狭窄的空间内干燥时，可以在分隔空间的墙壁之间架桥并形成配向膜的独特组织能力。Sacran的另一个功能是其抗炎作用。
我们与Ngatu Roger副教授（原高知县立大学看护学部，现香川大学医学部）组成的医疗研究团队在人体上验证了Sacran的出色持水力和成膜效果，确认有明显的经皮失水（TEWL）改善效果，由此认为，涂抹Sacran具有优异的保湿作用和抗瘙痒作用，可以保护皮肤表面的角质层，抑制会导致特应性皮炎恶化的皮肤干燥和瘙痒**6、7、8、9。
■作为新材料的Sacran
Sacran本来是水前寺蓝藻为保护其细胞体的细胞外基质分泌的物质。也就是说，Sacran在水前寺蓝藻中以凝胶的状态存在，是细胞分裂的支架。如果将该性质视为Sacran的本质，那么能最大限度发挥Sacran特性的应用应该就是细胞培养支架和伤口敷料的凝胶材料。向Sacran导入化学交联可以形成水凝胶，但生物材料最好不要使用强刺激性交联剂。
因此我们想出的方法是，将Sacran制成流延膜并进行加热处理，从而在Sacran分子链之间形成化学/物理交联结构，使其变成凝胶**10。通过在70～140℃的范围内对变成膜状的Sacran实施加热处理，根据处理温度的不同，会形成膨润度各异的凝胶片（图2）。而且形成的凝胶片具有横向几乎不膨润，仅朝纵向膨润的各向异性。这种凝胶片有望作为伤口保护剂或美容面膜使用。另外，我们还利用模型细胞L929小鼠成纤维细胞评估了凝胶片作为细胞培养支架的功能，发现了细胞沿着Sacran的液晶配向伸展的现象**11。目前我们的研究室还在将Sacran与其他多糖类混合，以便开发透明、柔软且结实的复合膜。今后预定将该薄膜作为高分子吸收体和伤口敷料使用。
图2：Sacran凝胶片照片（比例尺：1cm）
■开发Sacran与人造丝的混纺纤维
我们还与企业合作，共同开发了在人造丝纤维中混合Sacran的新材料Sacray TM 。
由于Sacran具有以下特点，我们认为可以将其混入人造丝中。
①主要结构为葡聚糖（类似于纤维素）
②耐碱性为pH 14
③耐热性约为110℃
④短时间内不容易酸解
Sacray TM 利用以下方法制造。用氢氧化钠对纤维素进行处理后，与二硫化碳混合并静置会变成纤维素黄原酸钠，失去分子间的氢键，从而溶解变成胶体溶液。将该胶体溶液与Sacran的碱性水溶液混合，使纤维素-Sacran溶液通过细孔喷到稀硫酸中，进行湿法纺丝。这样，纤维素黄原酸钠会恢复为纤维素，并通过分子间的氢键再生为纤维。
我们认为在这个过程中，Sacran会被混纺到人造丝中。因此利用扫描型电子显微镜进行了观察，发现人造丝纤维的表面结构随着Sacran的导入发生变化，产生了纳米级凹凸（图3左）。由此可以确认，原本光滑的人造丝表面存在Sacran。另外，使SACRE TM与水接触测量吸水量发现，添加Sacran后，吸水量提高了28％左右（图3右）。由此确认，SACRE TM拥有远远高于传统人造丝纤维的锁水率的锁水性和保湿性。
此外我们还发现，由于Sacran被混入了人造丝纤维中，人造丝纤维特有的柔软质地没有遭到破坏，而且还通过Sacran的超强持水功能为人造丝纤维赋予了远远超过以往产品的湿润感，并且保持了耐洗性。日本服装制造销售公司ROYNE（东京都品川区）将30％含量的Sacray TM 与棉混纺弹力汗布混合编织确认，吸放湿性比弹力汗布提高20％。该公司根据以上结果，利用SACRE TM生产了内衣，并面向容易感到刺激性的老年人、皮肤敏感的人和婴幼儿推出，目前已经连续销售两年多。
图3：Sacray TM 的SEM照片（左）和遇水膨润后的偏振光显微镜照片（右）
■总结与展望
通过研究发现，Sacran是拥有很多特征性结构和功能的独特物质，是可以开发出高附加值材料的新型多糖。它还是产自日本本土的一种生物，可以说是日本的原始生物质。Sacran作为保湿剂和成膜剂已被用作很多化妆品的原料，得到了国内外众多产品的使用，实用化的范围在逐年扩大。
Sacran作为Sacray TM 等聚合物复合材料的未来也值得期待。另外，我们还设想了其他材料形态，比如薄膜和凝胶等，打算重点应用于医疗材料领域。为此必须削减作为原料的水前寺蓝藻的成本，通过致力于水前寺蓝藻植物工厂的实用化，已经确立了目标，预计在不久的将来可以达成目标。由此有望保护已成为濒危物种的水前寺蓝藻。
【参考文献】
**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：北陆先端科学技术大学院大学先端科学技术研究科 环境与能源领域教授 金子达雄
Green Science Material公司 冈岛麻衣子
原载自《产学官合作期刊 》2021年6月号
翻译编辑：JST客观日本编辑部
