本研究で開発した連続式の水熱反応装置は,常温・常圧でスラリー状の試料を投入し,高温・高圧の水処理を経て,再び常温・常圧の状態に戻して排出するものである.この水熱反応装置は水を完全な密閉容器内でガス層のない液密状態で反応させるところに特徴がある.このような条件では,水自体が触媒活性を有し,なおかつ誘電率が低いことから通常の水では溶解しない成分の抽出が可能となる.この性質を活かして,植物細胞壁の成分のうち主にヘミセルロースを可溶化させ,リグノセルロースとの分離を可能とした.通常ヘミセルロースの抽出にはアルカリが用いられることが多いが,天然のヘミセルロースは多くのエステル基により修飾されているため,これらの多くは加水分解されてしまっていた.本研究では,エステル基をできるだけ天然に近い形で保持できる水熱反応条件を特定し,これまでにない構造の糖質を抽出することに成功した.これらの抽出成分をNMR で構造解析すると共に,酵素処理後にMALDI TOF-MS 分析を行い,水熱反応ではアセチル基やフェルラ酸などが保持された,重合度分布の広い画分が得られることを見出した.

セルロースはD-グルコースから構成される,枝分かれ構造を含まない直鎖状の多糖である.また,直線上に配置した分子同士が会合し,結晶性の高い高次構造を形成するため,セルラーゼなどの酵素による分解性が低い.筆者らは,セルロース溶解性を示すイオン液体に着目し,セルロースの高次構造と酵素分解性の関係を調査した.イオン液体による溶解後に再析出された再生セルロースは,II 型セルロースに近い結晶型を示したが,その構造は用いるイオン液体の種類によって異なることを明らかにした.次に,作用機序が異なる3 種類のセルロース分解酵素を用いて再生セルロースの分解性評価を行った結果,非晶領域に作用しやすいエンドグルカナーゼによる分解性が,イオン液体の種類によらず大きく上昇することが明らかとなった.また,再生セルロースの構造がよりII 型セルロースに近くなるほど,酵素分解性は低下した.実バイオマスに対するイオン液体処理においては,イオン液体の種類により溶解挙動が大きく異なることと,完全溶解を行わなくても十分に酵素反応性を改善させることが可能になることを明らかにした.

澱粉から高付加価値糖質を生産することを目的に,土壌由来細菌から糖質関連酵素のスクリーニングを行った.その過程で2 つの難消化性糖質生成に関わる新規酵素系を見出した.1 つはBacillus circulans に属するAM7 株が産生する新規グルカノトランスフェラーゼ(イソサイクロマルトオリゴ糖グルカノトランスフェラーゼ) であり,α-1,6 結合で環状化した環状マルトペンタオース(イソサイクロマルトペンタオース) を生成した.もう1 つはPaenibacillus alginolyticusに属するPP710 株が産生するα-グルコシルトランスフェラーゼおよびα-アミラーゼであり,両酵素が協同的に反応することにより,3,6-ジ-α-グルコシルグルコース基(以降,便宜的にα-1,3,6 結合と表記する) を含むα-1,6,α-1,3 結合含量の高い多分岐α-グルカンの一種,イソマルトデキストリンを生成した.後者の酵素系を用いて澱粉から工業的にイソマルトデキストリンを製造する方法を確立し,新しい水溶性食物繊維素材として上市した.

サケ鼻軟骨からの皮膚生理活性が高いプロテオグリカン(PG) の抽出方法を検討するため,サケ鼻軟骨から分子量別にPG を精製分画し,紫外線誘導皮膚老化モデルマウスを用いた経口投与試験を行った.その結果,高分子量PG 画分が皮膚光老化を抑制する効果が高いことを確認した.この高分子量PG を効率的に抽出する方法として熱水抽出法を開発し,高分子量PG を豊富に含むサケ鼻軟骨熱水抽出物(原料名:ヒアルコPG^Ⓡ) の工業原料化を達成した.熱水のみの抽出であるため製造コストも大幅に抑えられ,食品への高含有量での配合も可能となった.25 歳以上45 歳未満の女性を対象にヒアルコPG^Ⓡを8 週間摂取したときの,背中への人為的紫外線照射による日焼け度合いを評価した結果,ヒアルコPG^Ⓡの摂取量依存的な日焼け(特に皮膚黒化) 抑制効果が実証され,紫外線による皮膚ダメージを軽減させる効果があることが示唆された.これらの実験事実に基づきヒアルコPG^Ⓡの有効量を決定し,身体の内面から紫外線をケアする美容食品を開発した.ヒアルコPGⓇは,体内に吸収されずに,腸管免疫を介して炎症性を発揮するものと考えられ,様々な炎症による症状改善への応用が期待できる.

サツマイモ品種「こなみずき」の澱粉製造において,塊根磨砕物のpH を変えて調製した澱粉の白度や粘度特性等を測定し,pH 調整が澱粉の品質に与える影響を調査した.モデル実験では,「こなみずき」塊根を磨砕した磨砕物に水酸化カルシウム[Ca(OH)₂] 飽和水溶液を添加してpH を6.4～9.0 の範囲で調整してから澱粉を調製した.無添加のpH 6.4 で調製した澱粉は白度が84.9 であるのに対して,弱アルカリ(pH 7.8～9.0) で調製した澱粉は白度が87.3～88.3 と向上した.一方,RVA による粘度上昇温度は58.4～59.9°C の範囲にあり,また澱粉ゲル(わらびもち) や澱粉糊液の付着性や粘弾性においても大きな変化はなく,pH 調整が澱粉の粘度特性や物性に与える影響は認められなかった.次に,澱粉製造工場における磨砕工程にpH 調整を適用した結果, 塊根磨砕後のpH を8.8 に調整して製造した澱粉は91.7 と高い白度の値を示した.また,磨砕工程でのpH 調整が澱粉の粘度特性に与える影響は小さく,澱粉白度が向上した澱粉はポリフェノール吸着量の目安となるアルカリ着色度の値も低かった.これらのことから,栽培環境のストレスによりポリフェノール含量が高まった「こなみずき」塊根であっても,磨砕工程のpH 調整によって澱粉へのポリフェノール吸着が抑制され澱粉白度を向上できることが明らかになった.