理科大ら,赤外自由電子レーザーでセルロース分解

東京理科大学,京都大学,日本大学,立命館大学らの研究グループは,セルロースに赤外自由電子レーザー(IR-FEL)を照射することによって,グルコースやセロビオース(グルコースの2量体)など低分子量の糖類に効率よく分解されることを発見した(ニュースリリース)。

セルロースは豊富に存在するバイオマス資源であり,グルコースが多数結合した天然高分子。これまでサトウキビやトウモロコシなど食料としての利用と競合する植物資源からグルコースを得て生産されてきたバイオエタノール燃料の新たな原料となり得ることから関心を集めているが,その化学的安定性からグルコースへの分解が難しいことが課題となっている。

一方,IR-FELは強力なパルス波レーザーであり,特にこれまで低分子量の化合物への照射で化学結合が切断される現象が知られていた。

研究グループは,グリコシド結合の切断と直接関係しうるC-O伸縮振動を励起する波長9.1 μmのIR-FELの照射に加えて,波長7.2μm(H-C-O変角振動),3.5μm(C-H伸縮振動)の照射がどのような影響を与えるか検討するため,波長9.1μmの照射のみ,波長7.2μmの照射後に波長9.1μmの照射,波長3.5μmの照射後に波長9.1μmの照射,の3通りを試みた。さらに比較として,照射なし,グルコース環に多数あるOH基のO-H伸縮振動に対応した波長3.0μmの照射,の2通りも行なった。

その結果,2段階でIR-FELの照射を行なった場合にセルロースのグルコースへの分解が効率的に引き起こされたことが見出された。

その理由としては,セルロース分子鎖同士が多数の水素結合で強固に結び付いている剛直な構造において,波長7.2μmや波長3.5μmのIR-FEL照射によってH-C-O変角振動,C-H伸縮振動を励起したことがそれぞれのセルロース分子鎖をほぐす役割をし,その後にグリコシド結合のC-O伸縮振動を励起することで効率的な結合の解離が起きたとしている。

この研究の成果は,セルロースだけにとどまらず,リグニンなど木材を構成するその他の物質の分解への適用も視野に入るため,森林バイオマス全体の画期的なリサイクル活用方法につながり,さらには脱石油社会の発展に寄与することが期待されるとしている。

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