JP7069494B2 - 脱アセチル化キチンの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は脱アセチル化キチンの製造方法、及び前記製造方法により得られた脱アセチル化キチンの誘導体の製造方法に関する。
キチンは、えび、かに等の甲殻類、カブトムシ、コオロギ等の昆虫類、キノコ類、微生物の細胞壁等に含まれ、生物体の骨格や外皮の形成に関与する主要有機成分であり、自然界に広くかつ豊富に分布している物質である。
キチンは、Ｎ－アセチル－Ｄ－グルコサミンのβ－１，４結合よりなる多糖類であって、化学的に極めて安定なため、穏和な条件では殆どの試薬とは反応しない。また、これまでキチンをそのままの形で溶かす適当な溶剤も見出されておらず、極めて取り扱いにくいものとされてきた。
キチンは、Ｎ－アセチル－Ｄ－グルコサミンのβ－１，４結合よりなる多糖類であって、化学的に極めて安定なため、穏和な条件では殆どの試薬とは反応しない。また、これまでキチンをそのままの形で溶かす適当な溶剤も見出されておらず、極めて取り扱いにくいものとされてきた。
特許文献１には、キチンの結晶化度が３５％を超えるキチン含有原料から調製した低結晶性キチンを糖化する方法であって、該キチン含有原料から水を除いた残余成分中のキチンの含有量が１０質量％以上であり、該キチン含有原料の水分含量が０．０１～２５質量％であり、かつ該キチン含有原料を振動ミル又は媒体撹拌式ミルで粉砕処理して、該キチンの結晶化度を３０％以下に低減した低結晶性キチンを調製した後に、該低結晶性キチンにキチン分解酵素を作用させ糖化する、キチン分解物の製造方法が記載されている。
また、特許文献２には、水溶性有機溶剤と水との混合反応媒体中において、アルカリの存在下、キトサンをアルキレンオキシドでエーテル化する、水溶性キトサン誘導体の製造方法が記載されている。
また、特許文献２には、水溶性有機溶剤と水との混合反応媒体中において、アルカリの存在下、キトサンをアルキレンオキシドでエーテル化する、水溶性キトサン誘導体の製造方法が記載されている。
特許文献１に記載されたキチン分解物の製造方法は、酵素反応により糖化を行っており、長時間の反応が必要であると共に、高価な酵素を使用する必要があり、工業的には問題がある。
また、特許文献２に記載された水溶性キトサンの製造方法では、多量の有機溶剤を使用しており、また、長い反応時間が必要であるという問題がある。
本発明は、穏和な条件かつ短時間であっても、脱アセチル化することができる、脱アセチル化キチンの製造方法、及び該脱アセチル化キチンを用いた誘導体の製造方法に関する。
また、特許文献２に記載された水溶性キトサンの製造方法では、多量の有機溶剤を使用しており、また、長い反応時間が必要であるという問題がある。
本発明は、穏和な条件かつ短時間であっても、脱アセチル化することができる、脱アセチル化キチンの製造方法、及び該脱アセチル化キチンを用いた誘導体の製造方法に関する。
本発明者らは、結晶化指数が５０％以下であるキチンを、塩基性触媒の存在下、脱アセチル化することにより、穏和条件であっても、脱アセチル化キチンを製造することが可能であることを見出した。
本発明は、結晶化指数が５０％以下であるキチンを、塩基性触媒の存在下、脱アセチル化する工程を有する、脱アセチル化キチンの製造方法、及び該脱アセチル化キチンとアルキレンオキシドとを反応させる、キチン誘導体の製造方法を提供する。
本発明は、結晶化指数が５０％以下であるキチンを、塩基性触媒の存在下、脱アセチル化する工程を有する、脱アセチル化キチンの製造方法、及び該脱アセチル化キチンとアルキレンオキシドとを反応させる、キチン誘導体の製造方法を提供する。
本発明によれば、穏和な条件かつ短時間であっても、脱アセチル化することができる、脱アセチル化キチンの製造方法、及び該脱アセチル化キチンを用いた誘導体の製造方法が提供される。
［脱アセチル化キチンの製造方法］
本発明の脱アセチル化キチンの製造方法は、結晶化指数が５０％以下であるキチンを、塩基性触媒の存在下で、脱アセチル化する工程を有する。
上述したように、キチンは反応性が低く、「キチン、キトサンハンドブック」（キチン、キトサン研究会編、技報堂出版、１９９５年）によれば、キチンの脱アセチル化を、キチンに対して１０倍質量の５０．９％ＮａＯＨを添加し、１００℃で行うことが記載されている。
本発明者等は、結晶化指数が５０％以下であるキチンを使用することにより、塩基性触媒の存在下で、穏和な条件かつ短時間の反応によって、キチンを脱アセチル化することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
上記の効果が得られる詳細な理由は不明であるが、一部は以下のように考えられる。結晶化指数が５０％以下であるキチンは、結晶構造が低下しており、その結果、塩基性触媒がキチンの内部にまで浸透し易くなり、結果として反応性が向上したものと推定される。
本発明の脱アセチル化キチンの製造方法は、結晶化指数が５０％以下であるキチンを、塩基性触媒の存在下で、脱アセチル化する工程を有する。
上述したように、キチンは反応性が低く、「キチン、キトサンハンドブック」（キチン、キトサン研究会編、技報堂出版、１９９５年）によれば、キチンの脱アセチル化を、キチンに対して１０倍質量の５０．９％ＮａＯＨを添加し、１００℃で行うことが記載されている。
本発明者等は、結晶化指数が５０％以下であるキチンを使用することにより、塩基性触媒の存在下で、穏和な条件かつ短時間の反応によって、キチンを脱アセチル化することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
上記の効果が得られる詳細な理由は不明であるが、一部は以下のように考えられる。結晶化指数が５０％以下であるキチンは、結晶構造が低下しており、その結果、塩基性触媒がキチンの内部にまで浸透し易くなり、結果として反応性が向上したものと推定される。
＜キチン＞
本発明において、反応原料であるキチンとして、結晶化指数が５０％以下であるキチン（以下、「低結晶性キチン」ともいう。）を使用する。ここで、低結晶性キチンは、キチン含有原料を非晶化処理して得られる。
前記キチン含有原料としては、特に制限がなく、本来的にはキチン類含有生物中のキチン類のいずれも本発明に使用することができるが、例えば、かに、えび等の甲殻類の甲殻、微生物の細胞壁、キノコ等を例示することができる。これらの中で、資源が豊富であり、収穫がしやすい等の理由から、かに、えび、シャコ等の甲殻、あるいはイカの甲を好ましく使用することができる。
本発明において、脱アセチル化キチンを効率的に得る観点から、キチン含有原料は、該原料から水を取り除いた残余成分中のチキンの含有量が、好ましくは１０質量％以上、より好ましくは１５質量％以上、更に好ましくは４０質量％以上、より更に好ましくは６０質量％以上である。
なお、市販のキチンの場合、水を取り除いた残余成分中のキチン含有量は、一般には８５～９９質量％であり、他の成分としてタンパク質、炭酸カルシウム等の無機物等を含む。本発明において、タンパク質、炭酸カルシウム等を含有する状態で、使用してもよく、また、これらのキチン以外の他の成分を除去した状態で使用してもよく、特に限定されない。これらの中でも、キチン以外の他の成分を除去した状態で使用することが、反応効率の観点から好ましい。
本発明において、反応原料であるキチンとして、結晶化指数が５０％以下であるキチン（以下、「低結晶性キチン」ともいう。）を使用する。ここで、低結晶性キチンは、キチン含有原料を非晶化処理して得られる。
前記キチン含有原料としては、特に制限がなく、本来的にはキチン類含有生物中のキチン類のいずれも本発明に使用することができるが、例えば、かに、えび等の甲殻類の甲殻、微生物の細胞壁、キノコ等を例示することができる。これらの中で、資源が豊富であり、収穫がしやすい等の理由から、かに、えび、シャコ等の甲殻、あるいはイカの甲を好ましく使用することができる。
本発明において、脱アセチル化キチンを効率的に得る観点から、キチン含有原料は、該原料から水を取り除いた残余成分中のチキンの含有量が、好ましくは１０質量％以上、より好ましくは１５質量％以上、更に好ましくは４０質量％以上、より更に好ましくは６０質量％以上である。
なお、市販のキチンの場合、水を取り除いた残余成分中のキチン含有量は、一般には８５～９９質量％であり、他の成分としてタンパク質、炭酸カルシウム等の無機物等を含む。本発明において、タンパク質、炭酸カルシウム等を含有する状態で、使用してもよく、また、これらのキチン以外の他の成分を除去した状態で使用してもよく、特に限定されない。これらの中でも、キチン以外の他の成分を除去した状態で使用することが、反応効率の観点から好ましい。
また、本発明において、キチン含有原料中の水分含量は、キチンの非晶化を効率的に行う観点から、好ましくは０．０１質量％以上であり、そして、同様の観点から、好ましくは２５質量％以下、より好ましくは２０質量％以下、更に好ましくは１５質量％以下、より更に好ましくは１０質量％以下、より更に好ましくは７質量％以下、より更に好ましくは５質量％以下、より更に好ましくは３質量％以下である。キチン含有原料中の水分含量が上記範囲内であれば、容易に粉砕ができると共に、後述する粉砕処理により結晶化指数を容易に低減化させることができ、その後の脱アセチル化キチンやその誘導体の生産を効率よく行うことができる。キチン含有原料中の水分含量が２５質量％を超える場合には、後述する非晶化処理の前に、公知の方法によりキチン含有原料中の水分含量を上記範囲になるように調整することが好ましい。
天然由来のキチン含有原料に含まれるキチンには、α及びβの２種の結晶形が知られている。α－キチンは、かに、えび等の甲殻類の甲殻に多く含有されている。β－キチンは、イカ等の軟体動物の軟骨に多く含有されている。本発明に用いるキチン含有原料に含まれるキチンとしては、入手の容易さの観点から、α－キチンが好ましい。
天然由来のキチン含有原料に含まれるキチンには、α及びβの２種の結晶形が知られている。α－キチンは、かに、えび等の甲殻類の甲殻に多く含有されている。β－キチンは、イカ等の軟体動物の軟骨に多く含有されている。本発明に用いるキチン含有原料に含まれるキチンとしては、入手の容易さの観点から、α－キチンが好ましい。
（キチンの結晶化指数）
本発明において、結晶化指数が５０％以下であるキチンを、原料として使用する。
ここで、結晶化指数とは、Ｘ線結晶解析法による回折強度値から算出し、下記計算式（１）により定義される。
結晶化指数（％）＝［（Ｉ０－Ｉａｍ）／Ｉ０］×１００ （１）
式（１）中、Ｉ０は、キチン質の第１ピークの散乱強度（高さ）、Ｉａｍは、アモルファス部（回折角２θ＝１６°）の回折強度を示す。
本発明において、キチンの結晶化指数は、脱アセチル化の反応性の観点から、５０％以下であり、低結晶性キチンの生産効率の観点から、好ましくは０％以上、より好ましくは１５％以上、更に好ましくは３０％以上である。
本発明において、結晶化指数が５０％以下であるキチンを、原料として使用する。
ここで、結晶化指数とは、Ｘ線結晶解析法による回折強度値から算出し、下記計算式（１）により定義される。
結晶化指数（％）＝［（Ｉ０－Ｉａｍ）／Ｉ０］×１００ （１）
式（１）中、Ｉ０は、キチン質の第１ピークの散乱強度（高さ）、Ｉａｍは、アモルファス部（回折角２θ＝１６°）の回折強度を示す。
本発明において、キチンの結晶化指数は、脱アセチル化の反応性の観点から、５０％以下であり、低結晶性キチンの生産効率の観点から、好ましくは０％以上、より好ましくは１５％以上、更に好ましくは３０％以上である。
（低結晶性キチンの製造）
－キチン含有原料の前処理－
本発明では、キチン含有原料として、嵩密度が５０ｋｇ／ｍ３以上、及び平均粒径が１ｍｍ以下であるものを使用することが好ましい。嵩密度が５０ｋｇ／ｍ３未満又は平均粒径が１ｍｍを超えるものを用いる場合、キチン含有原料を前処理することが好ましい。前処理としては、例えば、一般的な粉砕機や押出機等が例示される。衝撃式の粉砕機や押出機を用いて、キチン含有原料を処理することで、キチン含有原料の嵩密度及び平均粒径を所望の範囲にすることが好ましい。
前記キチン含有原料を、好ましくは衝撃式の粉砕機や押出機で処理することにより、圧縮せん断力を作用させ、キチンの結晶構造を破壊して、キチンの含有原料を粉末化させ、所望の平均粒径及び嵩密度を有する粉砕原料が得られ、後述する粉砕処理における取扱い性を向上させることができる。
－キチン含有原料の前処理－
本発明では、キチン含有原料として、嵩密度が５０ｋｇ／ｍ３以上、及び平均粒径が１ｍｍ以下であるものを使用することが好ましい。嵩密度が５０ｋｇ／ｍ３未満又は平均粒径が１ｍｍを超えるものを用いる場合、キチン含有原料を前処理することが好ましい。前処理としては、例えば、一般的な粉砕機や押出機等が例示される。衝撃式の粉砕機や押出機を用いて、キチン含有原料を処理することで、キチン含有原料の嵩密度及び平均粒径を所望の範囲にすることが好ましい。
前記キチン含有原料を、好ましくは衝撃式の粉砕機や押出機で処理することにより、圧縮せん断力を作用させ、キチンの結晶構造を破壊して、キチンの含有原料を粉末化させ、所望の平均粒径及び嵩密度を有する粉砕原料が得られ、後述する粉砕処理における取扱い性を向上させることができる。
－粉砕処理（非晶化処理）－
本発明では、キチン含有原料を粉砕処理することにより、該原料中のキチンの結晶化指数を効率的に低減させる観点から粉砕機として媒体式粉砕機を用いることが好ましい。媒体式粉砕機には容器駆動式粉砕機と媒体撹拌式粉砕機とがある。
容器駆動式粉砕機としては転動ミル、振動ミル、遊星ミル、遠心流動ミル等が挙げられる。この中で、粉砕効率が高く、生産性の観点から、振動ミルが好ましい。
本発明で用いられる振動ミルとしては、中央化工機株式会社製の振動ミル、ユーラステクノ株式会社製のバイブロミル、株式会社吉田製作所製の小型振動ロッドミル１０４５型、ドイツのフリッチュ社製の振動カップミルＰ－９型、日陶科学株式会社製の小型振動ミルＮＢ－Ｏ型等を用いることができる。媒体としてロッド又はボールを振動ミルに充填することが好ましい。
本発明では、キチン含有原料を粉砕処理することにより、該原料中のキチンの結晶化指数を効率的に低減させる観点から粉砕機として媒体式粉砕機を用いることが好ましい。媒体式粉砕機には容器駆動式粉砕機と媒体撹拌式粉砕機とがある。
容器駆動式粉砕機としては転動ミル、振動ミル、遊星ミル、遠心流動ミル等が挙げられる。この中で、粉砕効率が高く、生産性の観点から、振動ミルが好ましい。
本発明で用いられる振動ミルとしては、中央化工機株式会社製の振動ミル、ユーラステクノ株式会社製のバイブロミル、株式会社吉田製作所製の小型振動ロッドミル１０４５型、ドイツのフリッチュ社製の振動カップミルＰ－９型、日陶科学株式会社製の小型振動ミルＮＢ－Ｏ型等を用いることができる。媒体としてロッド又はボールを振動ミルに充填することが好ましい。
一方、媒体撹拌式粉砕機としては、タワーミル等の塔型粉砕機；アトライター、アクアマイザー、サンドグラインダー等の撹拌槽型粉砕機；ビスコミル、パールミル等の流通槽型粉砕機；流通管型粉砕機；コボールミル等のアニュラー型粉砕機；連続式のダイナミック型粉砕機等が挙げられる。これらの中で、粉砕効率が高く、生産性の観点から、撹拌槽型粉砕機が好ましい。
粉砕機の種類は「化学工学の進歩 第３０集 微粒子制御」（社団法人 化学工学会東海支部編、１９９６年１０月１０日発行、槇書店）を参照することができる。
振動ミル等の容器駆動式粉砕機又は媒体撹拌式粉砕機の処理方法としては、バッチ式、連続式のどちらでもよい。
粉砕機の種類は「化学工学の進歩 第３０集 微粒子制御」（社団法人 化学工学会東海支部編、１９９６年１０月１０日発行、槇書店）を参照することができる。
振動ミル等の容器駆動式粉砕機又は媒体撹拌式粉砕機の処理方法としては、バッチ式、連続式のどちらでもよい。
媒体式粉砕機に充填する媒体の形状としては、ロッド又はボールが好ましい。
媒体の材質としては、特に制限がなく、例えば、鉄、ステンレス、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、ガラス等が挙げられる。
ロッドとは、棒状の媒体であり、ロッドの断面が四角形、六角形等の多角形、円形、楕円形等のものを用いることができる。
本発明における粉砕処理としては、キチンの結晶化指数を効率よく低下させる観点から、ロッドを充填した振動ミルを用いて処理することが好ましい。
振動ミル等の容器駆動式粉砕機又は媒体撹拌式粉砕機による処理において、媒体がロッドの場合には、ロッドの外径としては、好もしくは０．５ｍｍ以上、より好ましくは１ｍｍ以上、更に好ましくは５ｍｍ以上であり、そして、好ましくは２００ｍｍ以下、より好ましくは１００ｍｍ以下、更に好ましくは５０ｍｍ以下である。ロッドの長さとしては、粉砕機の容器の長さよりも短いものであれば特に限定されない。ロッドの大きさが上記の範囲であれば、十分な粉砕力が得られると共に、ロッドのかけら等が混入してキチン含有原料が汚染されることなく効率的にキチンを非晶化させることができる。
ロッドの充填率は、粉砕機の機種により好適な範囲が異なるが、好ましくは１０％以上、より好ましくは１５％以上であり、そして、好ましくは９７％以下、より好ましくは９５％以下である。充填率がこの範囲内であれば、キチンとロッドとの接触頻度が向上すると共に、媒体の動きを妨げずに、粉砕効率を向上させることができる。ここで、充填率とは、粉砕機の容積に対するロッドのみかけの体積をいう。
媒体の材質としては、特に制限がなく、例えば、鉄、ステンレス、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、ガラス等が挙げられる。
ロッドとは、棒状の媒体であり、ロッドの断面が四角形、六角形等の多角形、円形、楕円形等のものを用いることができる。
本発明における粉砕処理としては、キチンの結晶化指数を効率よく低下させる観点から、ロッドを充填した振動ミルを用いて処理することが好ましい。
振動ミル等の容器駆動式粉砕機又は媒体撹拌式粉砕機による処理において、媒体がロッドの場合には、ロッドの外径としては、好もしくは０．５ｍｍ以上、より好ましくは１ｍｍ以上、更に好ましくは５ｍｍ以上であり、そして、好ましくは２００ｍｍ以下、より好ましくは１００ｍｍ以下、更に好ましくは５０ｍｍ以下である。ロッドの長さとしては、粉砕機の容器の長さよりも短いものであれば特に限定されない。ロッドの大きさが上記の範囲であれば、十分な粉砕力が得られると共に、ロッドのかけら等が混入してキチン含有原料が汚染されることなく効率的にキチンを非晶化させることができる。
ロッドの充填率は、粉砕機の機種により好適な範囲が異なるが、好ましくは１０％以上、より好ましくは１５％以上であり、そして、好ましくは９７％以下、より好ましくは９５％以下である。充填率がこの範囲内であれば、キチンとロッドとの接触頻度が向上すると共に、媒体の動きを妨げずに、粉砕効率を向上させることができる。ここで、充填率とは、粉砕機の容積に対するロッドのみかけの体積をいう。
上記の処理方法により、前記キチン含有原料からキチンの結晶化指数が５０％以下の低結晶性キチンを効率よく得ることができ、粉砕機内部に粉砕物が固着せずに、乾式にて処理することができる。
得られる低結晶性キチンの平均粒径は、脱アセチル化の反応性及び取扱い性の観点から、好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは２５μｍ以上であり、そして、好ましくは１５０μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下である。特に平均粒径が２０μｍ以上であれば、低結晶性キチンを水等の液体と接触させたときに「ママコ」になることを抑えることができる。
得られる低結晶性キチンの平均粒径は、脱アセチル化の反応性及び取扱い性の観点から、好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは２５μｍ以上であり、そして、好ましくは１５０μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下である。特に平均粒径が２０μｍ以上であれば、低結晶性キチンを水等の液体と接触させたときに「ママコ」になることを抑えることができる。
＜塩基性触媒＞
本発明において、低結晶性キチンの脱アセチル化は、塩基性触媒の存在下に行われる。
塩基性触媒としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属水酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属水酸化物、トリメチルアミン、トリエチルアミン等の３級アミン類等が挙げられる。これらの中ではアルカリ金属水酸化物、又はアルカリ土類金属水酸化物が好ましく、アルカリ金属水酸化物がより好ましく、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムが更に好ましい。これらの塩基性触媒は、単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
本発明において、低結晶性キチンの脱アセチル化は、塩基性触媒の存在下に行われる。
塩基性触媒としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属水酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属水酸化物、トリメチルアミン、トリエチルアミン等の３級アミン類等が挙げられる。これらの中ではアルカリ金属水酸化物、又はアルカリ土類金属水酸化物が好ましく、アルカリ金属水酸化物がより好ましく、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムが更に好ましい。これらの塩基性触媒は、単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
添加する塩基性触媒の量は、脱アセチル化の反応性の観点から、反応原料である低結晶性キチンの単糖単位あたり、好ましくは０．０１当量以上、より好ましくは０．０５当量以上であり、そして、塩基性触媒を除去する効率の観点から、好ましくは２０当量以下、より好ましくは１８当量以下である。なお、低結晶性キチンの単糖単位あたり０．０１当量の塩基性触媒とは、低結晶性キチンの単糖単位１モルに対して、０．０１モル当量の塩基性触媒の意である。
なお、後述するように、脱アセチル化工程を固相反応で行う場合には、塩基性触媒の使用量を劇的に減少させることが可能である。脱アセチル化工程を固相反応で行う場合、脱アセチル化の反応性の観点から、塩基性触媒の量は、反応原料である低結晶性キチンの単糖単位あたり、好ましくは０．０１当量以上、０．０５当量以上であり、そして、塩基性触媒を除去する効率の観点から、好ましくは５当量以下、より好ましくは３当量以下、更に好ましくは２当量以下である。
なお、後述するように、脱アセチル化工程を固相反応で行う場合には、塩基性触媒の使用量を劇的に減少させることが可能である。脱アセチル化工程を固相反応で行う場合、脱アセチル化の反応性の観点から、塩基性触媒の量は、反応原料である低結晶性キチンの単糖単位あたり、好ましくは０．０１当量以上、０．０５当量以上であり、そして、塩基性触媒を除去する効率の観点から、好ましくは５当量以下、より好ましくは３当量以下、更に好ましくは２当量以下である。
塩基性触媒を添加する際の塩基性触媒の形態に特に制限はないが、塩基性触媒を固体の状態で添加してもよく、水溶液として添加してもよい。
塩基性触媒が固体の状態である場合、粉末状であることが好ましい。塩基性触媒が粉末状である場合、そのメジアン径は、塩基性触媒をキチン中に均一に分散させる観点から、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは２０μｍ以上、更に好ましくは５０μｍ以上であり、そして、好ましくは１５０μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下、更に好ましくは８０μｍ以下である。
粉末状塩基性触媒としては、前記メジアン径を有する市販の塩基性化合物粉末をそのまま用いることもできるし、ペレット状塩基性化合物を公知の方法で粉砕し、そのメジアン径を前記範囲に調整したものを用いてもよい。
また、塩基性触媒を水溶液として添加する場合、該塩基性触媒水溶液中の塩基性化合物の濃度は、水の使用量を少なくすると共に、キチン中に均一に分散させる観点から、好ましくは２０質量％以上、より好ましくは２５質量％以上、更に好ましくは３０質量％以上であり、そして、好ましくは５５質量％以下、より好ましくは５０質量％以下、更に好ましくは４５質量％以下、より更に好ましくは４０質量％以下である。塩基性触媒を水溶液として添加する場合、キチン中に均一に分散させる観点から、噴霧添加することも好ましい。
塩基性触媒が固体の状態である場合、粉末状であることが好ましい。塩基性触媒が粉末状である場合、そのメジアン径は、塩基性触媒をキチン中に均一に分散させる観点から、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは２０μｍ以上、更に好ましくは５０μｍ以上であり、そして、好ましくは１５０μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下、更に好ましくは８０μｍ以下である。
粉末状塩基性触媒としては、前記メジアン径を有する市販の塩基性化合物粉末をそのまま用いることもできるし、ペレット状塩基性化合物を公知の方法で粉砕し、そのメジアン径を前記範囲に調整したものを用いてもよい。
また、塩基性触媒を水溶液として添加する場合、該塩基性触媒水溶液中の塩基性化合物の濃度は、水の使用量を少なくすると共に、キチン中に均一に分散させる観点から、好ましくは２０質量％以上、より好ましくは２５質量％以上、更に好ましくは３０質量％以上であり、そして、好ましくは５５質量％以下、より好ましくは５０質量％以下、更に好ましくは４５質量％以下、より更に好ましくは４０質量％以下である。塩基性触媒を水溶液として添加する場合、キチン中に均一に分散させる観点から、噴霧添加することも好ましい。
塩基性触媒の添加方法に特に限定はなく、一括添加でも、分割添加でもよい。塩基性触媒を一括添加する場合は塩基性触媒をキチン中に均一に分散させる観点から、塩基性触媒をキチン中、又はキチンと水の混合物中に添加後、撹拌混合するか、又は、キチン若しくはキチンと水との混合物を撹拌しながら、塩基性触媒を添加し混合してもよい。
撹拌及び混合を行う装置としては、塩基性触媒をキチン中に分散可能な装置であれば特に限定はない。例えば、リボン型混合機、パドル型混合機、円錐遊星スクリュー型混合機、粉体、高粘度物質、樹脂等の混錬に用いられるニーダー等の混合機が挙げられる。これらの中では、水平軸型パドル型混合機がより好ましく、具体的には、チョッパー翼を有する水平軸型のパドル型混合機であるレディゲミキサー（特徴的なスキ状ショベルを用いる混合機、チョッパー翼を設置可能）、プロシェアミキサー（独自形状のショベル翼による浮遊拡散混合と多段式チョッパー翼による高速剪断分散の２つの機能を備えた混合機）が特に好ましい。
撹拌及び混合を行う装置としては、塩基性触媒をキチン中に分散可能な装置であれば特に限定はない。例えば、リボン型混合機、パドル型混合機、円錐遊星スクリュー型混合機、粉体、高粘度物質、樹脂等の混錬に用いられるニーダー等の混合機が挙げられる。これらの中では、水平軸型パドル型混合機がより好ましく、具体的には、チョッパー翼を有する水平軸型のパドル型混合機であるレディゲミキサー（特徴的なスキ状ショベルを用いる混合機、チョッパー翼を設置可能）、プロシェアミキサー（独自形状のショベル翼による浮遊拡散混合と多段式チョッパー翼による高速剪断分散の２つの機能を備えた混合機）が特に好ましい。
＜反応条件＞
脱アセチル化工程における温度は、脱アセチル化の反応性の観点から、好ましくは４０℃以上、より好ましくは５０℃以上であり、そして、キチンの着色を抑制する観点、及び生産効率の観点から、好ましくは９０℃以下、より好ましくは８０℃以下である。
本発明においては、従来のキチンを使用した脱アセチル化に比べて、低結晶性キチンを使用することにより、低い反応温度によっても脱アセチル化を進行させることが可能である。
脱アセチル化工程における温度は、脱アセチル化の反応性の観点から、好ましくは４０℃以上、より好ましくは５０℃以上であり、そして、キチンの着色を抑制する観点、及び生産効率の観点から、好ましくは９０℃以下、より好ましくは８０℃以下である。
本発明においては、従来のキチンを使用した脱アセチル化に比べて、低結晶性キチンを使用することにより、低い反応温度によっても脱アセチル化を進行させることが可能である。
脱アセチル化工程における反応時間は、特に限定されず、所望の脱アセチル化度が得られるように適宜設定すればよい。
具体的には、生産効率及び脱アセチル化の反応性の観点から、好ましくは０．１時間以上、より好ましくは０．３時間以上、更に好ましくは０．５時間以上であり、そして、好ましくは２４時間以下、より好ましくは１２時間以下、更に好ましくは８時間以下、より更に好ましくは５時間以下、より更に好ましくは３時間以下である。
具体的には、生産効率及び脱アセチル化の反応性の観点から、好ましくは０．１時間以上、より好ましくは０．３時間以上、更に好ましくは０．５時間以上であり、そして、好ましくは２４時間以下、より好ましくは１２時間以下、更に好ましくは８時間以下、より更に好ましくは５時間以下、より更に好ましくは３時間以下である。
本発明において、脱アセチル化工程は、固相で行うことが好ましい。固相にて脱アセチル化工程を行うことにより、塩基性触媒の使用量を低減することができる。
固相にて脱アセチル化を行う場合、脱アセチルの反応性の観点から、原料であるキチン（低結晶性キチン）１００質量部に対する水の含有量（水分含有量）は、好ましくは１００質量部以下、より好ましくは８０質量部以下、更に好ましくは６０質量部以下、より更に好ましくは５５質量部以下であり、そして、好ましくは１質量部以上、より好ましくは３質量部以上、更に好ましくは１０質量部以上、より更に好ましくは２０質量部以上、より更に好ましくは４０質量部以上である。なお、低結晶性キチン１００質量部に対する水の含有量（水分含有量）は、水を除く低結晶性キチン１００質量部に対する水の含有量であり、以下、同様である。
固相にて脱アセチル化を行う場合、脱アセチルの反応性の観点から、原料であるキチン（低結晶性キチン）１００質量部に対する水の含有量（水分含有量）は、好ましくは１００質量部以下、より好ましくは８０質量部以下、更に好ましくは６０質量部以下、より更に好ましくは５５質量部以下であり、そして、好ましくは１質量部以上、より好ましくは３質量部以上、更に好ましくは１０質量部以上、より更に好ましくは２０質量部以上、より更に好ましくは４０質量部以上である。なお、低結晶性キチン１００質量部に対する水の含有量（水分含有量）は、水を除く低結晶性キチン１００質量部に対する水の含有量であり、以下、同様である。
脱アセチル化工程において、水以外の溶媒（以下、「非水溶媒」ともいう。）を含有していてもよいが、脱アセチル化工程を固相にて行う場合、非水溶媒の含有量は、塩基性触媒の使用量を低減し、固相での反応を行う観点から、原料であるキチン（低結晶性キチン）１００質量部に対して、好ましくは６０質量部以下、より好ましくは５０質量部以下、より更に好ましくは３０質量部以下であり、０質量部であってもよい。
非水溶媒としては、水との相溶性の観点から、イソプロパノールやｔｅｒｔ－ブタノール等の２級又は３級の炭素数３～４の低級アルコール；アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等の炭素数３～６のケトン；１，４－ジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル溶媒；ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒等が挙げられる。これらの中でも、イソプロパノールやテトラヒドロフランがより好ましい。
非水溶媒としては、水との相溶性の観点から、イソプロパノールやｔｅｒｔ－ブタノール等の２級又は３級の炭素数３～４の低級アルコール；アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等の炭素数３～６のケトン；１，４－ジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル溶媒；ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒等が挙げられる。これらの中でも、イソプロパノールやテトラヒドロフランがより好ましい。
更に、脱アセチル化を固相にて行う場合、原料であるキチン（低結晶性キチン）１００質量部に対する、水及び非水溶媒の合計含有量（全溶媒含有量）は、塩基性触媒の使用量を低減する観点から、好ましくは１６０質量部以下、より好ましくは１３０質量部以下、更に好ましくは９０質量部以下、より更に好ましくは５５質量部以下であり、生産性の観点から、好ましくは１質量部以上、より好ましくは３質量部以上、更に好ましくは１０質量部以上、より更に好ましくは２０質量部以上、より更に好ましくは４０質量部以上である。
なお、脱アセチル化を固相で行うとは、原料であるキチン（低結晶性キチン）１００質量部に対する、水及び非水溶媒の合計含有量の上限が、上記のものをいう。
なお、脱アセチル化を固相で行うとは、原料であるキチン（低結晶性キチン）１００質量部に対する、水及び非水溶媒の合計含有量の上限が、上記のものをいう。
脱アセチル化を液中分散（スラリー）状態（以下、「液相」ともいう。）にて行う場合、原料であるキチン（低結晶性キチン）１００質量部に対する水の添加量は、脱アセチル化の分散性の観点から、好ましくは３００質量部以上、より好ましくは５００質量部以上、更に好ましくは７００質量部以上であり、そして、塩基性触媒の使用量を低減する観点から、好ましくは２，０００質量部以下、より好ましくは１，５００質量部以下、更に好ましくは１，０００質量部以下である。
また、脱アセチル化を液相にて行う場合、上述した非水溶媒を含有していてもよいが、非水溶媒の含有量は、脱アセチル化の反応効率の観点から、原料であるキチン（低結晶性キチン）１００質量部に対して、好ましくは１，０００質量部以下、より好ましくは５００質量部以下、より更に好ましくは２００質量部以下であり、０質量部であってもよい。
更に、脱アセチル化を液相にて行う場合、原料であるキチン（低結晶性キチン）１００質量部に対する、水及び非水溶媒の合計含有量（全溶媒含有量）は、脱アセチル化の反応効率を向上させ、塩基性触媒の使用量を低減する観点から、好ましくは３，０００質量部以下、より好ましくは２，０００質量部以下、更に好ましくは１，５００質量部以下、より更に好ましくは１，０００質量部以下であり、生産性の観点から、好ましくは３００質量部以上、より好ましくは４００質量部以上、更に好ましくは５００質量部以上、より更に好ましくは６００質量部以上、より更に好ましくは７００質量部以上である。
また、脱アセチル化を液相にて行う場合、上述した非水溶媒を含有していてもよいが、非水溶媒の含有量は、脱アセチル化の反応効率の観点から、原料であるキチン（低結晶性キチン）１００質量部に対して、好ましくは１，０００質量部以下、より好ましくは５００質量部以下、より更に好ましくは２００質量部以下であり、０質量部であってもよい。
更に、脱アセチル化を液相にて行う場合、原料であるキチン（低結晶性キチン）１００質量部に対する、水及び非水溶媒の合計含有量（全溶媒含有量）は、脱アセチル化の反応効率を向上させ、塩基性触媒の使用量を低減する観点から、好ましくは３，０００質量部以下、より好ましくは２，０００質量部以下、更に好ましくは１，５００質量部以下、より更に好ましくは１，０００質量部以下であり、生産性の観点から、好ましくは３００質量部以上、より好ましくは４００質量部以上、更に好ましくは５００質量部以上、より更に好ましくは６００質量部以上、より更に好ましくは７００質量部以上である。
また、脱アセチル化を液相で行う場合、脱アセチル化の反応性の観点から、塩基性触媒の量は、反応原料である低結晶性キチンの単糖単位あたり、好ましくは１当量以上、より好ましくは５当量以上、更に好ましくは１０当量以上であり、そして、塩基性触媒を除去する効率の観点から、好ましくは３０当量以下、より好ましくは２０当量以下、更に好ましくは１７当量以下である。
更に、脱アセチル化工程を液相で行う場合、脱アセチル化の反応性の観点から、塩基性触媒の濃度は、２．５Ｎ／Ｌ以上、より好ましくは５Ｎ／Ｌ以上、更に好ましくは７．５Ｎ／以上であり、そして、好ましくは１５Ｎ／Ｌ以下、より好ましくは１４Ｎ／Ｌ以下、更に好ましくは１２．５Ｎ／Ｌ以下である。
更に、脱アセチル化工程を液相で行う場合、脱アセチル化の反応性の観点から、塩基性触媒の濃度は、２．５Ｎ／Ｌ以上、より好ましくは５Ｎ／Ｌ以上、更に好ましくは７．５Ｎ／以上であり、そして、好ましくは１５Ｎ／Ｌ以下、より好ましくは１４Ｎ／Ｌ以下、更に好ましくは１２．５Ｎ／Ｌ以下である。
本発明の製造方法により得られた脱アセチル化キチンの脱アセチル化度は特に限定されないが、誘導体化を進める観点から、好ましくは１０％以上、より好ましくは１５％以上、更に好ましくは２０％以上、より更に好ましくは２５％以上であり、生産効率の観点から、好ましくは１００％以下、より好ましくは９０％以下、更に好ましくは７０％以下、より更に好ましくは５０％以下である。
脱アセチル化度は、実施例に記載の方法により測定される。
脱アセチル化度は、実施例に記載の方法により測定される。
本発明において、塩基性触媒の存在下に脱アセチル化する工程の後、塩基性触媒、並びに脱アセチル化により生じた酢酸及び／又は酢酸塩を除去することを目的として、中和工程及び洗浄工程よりなる群から選択される少なくとも１つを行ってもよい。特に、脱アセチル化キチンとして使用する場合には、中和工程及び洗浄工程よりなる群から選択される少なくとも１つを行うことが好ましい。
洗浄工程では、水にて洗浄、濾過を行うことが好ましく、洗浄工程は濾液が中性となるまで、繰り返し行うことが好ましい。
洗浄工程では、水にて洗浄、濾過を行うことが好ましく、洗浄工程は濾液が中性となるまで、繰り返し行うことが好ましい。
また、上記洗浄工程に先立ち、中和工程を行うことも好ましい。
中和に用いる酸化合物としては、特に限定されず、硫酸、塩酸、リン酸等の無機酸；有機酸を用いることができる。これらの中でも、脱アセチル化キチンのハンドリング性の観点から、有機酸が好ましく、カルボン酸がより好ましく、多価カルボン酸が更に好ましい。有機酸の具体例としては酢酸、プロピオン酸等の低級脂肪族の１価カルボン酸、乳酸、グリコール酸、グルコン酸等の１価のヒドロキシカルボン酸、酒石酸、リンゴ酸等の２価のヒドロキシカルボン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、アジピン酸、クエン酸等の飽和の多価カルボン酸、フマル酸、マレイン酸、イタコン酸等の不飽和の２価カルボン酸、安息香酸、フタル酸等の芳香族カルボン酸の他、アスパラギン酸、グルタミン酸、アセト酢酸、クロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、又はこれらの混合物が挙げられる。
中和に用いる酸化合物としては、特に限定されず、硫酸、塩酸、リン酸等の無機酸；有機酸を用いることができる。これらの中でも、脱アセチル化キチンのハンドリング性の観点から、有機酸が好ましく、カルボン酸がより好ましく、多価カルボン酸が更に好ましい。有機酸の具体例としては酢酸、プロピオン酸等の低級脂肪族の１価カルボン酸、乳酸、グリコール酸、グルコン酸等の１価のヒドロキシカルボン酸、酒石酸、リンゴ酸等の２価のヒドロキシカルボン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、アジピン酸、クエン酸等の飽和の多価カルボン酸、フマル酸、マレイン酸、イタコン酸等の不飽和の２価カルボン酸、安息香酸、フタル酸等の芳香族カルボン酸の他、アスパラギン酸、グルタミン酸、アセト酢酸、クロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、又はこれらの混合物が挙げられる。
使用する酸化合物の使用量は、中和前の塩基性触媒の残存量に対し、好ましくは０．７当量以上、より好ましくは０．８当量以上、更に好ましくは０．９当量以上であり、生産性及び得られる脱アセチル化キチンの安定性の観点から、２．０当量以下、より好ましくは１．５当量以下、更に好ましくは１．２当量以下である。
［キチン誘導体の製造方法］
本発明のキチン誘導体の製造方法は、下記工程１及び工程２を有する。
工程１：本発明の脱アセチル化キチンの製造方法により脱アセチル化キチンを製造する工程
工程２：工程１で得られた脱アセチル化キチンと、アルキレンオキシドとを反応させる工程
工程１は、上述した脱アセチル化キチンの製造方法であり、好ましい範囲も同様である。従って、工程１は固相にて行うことが好ましい。
本発明のキチン誘導体の製造方法は、下記工程１及び工程２を有する。
工程１：本発明の脱アセチル化キチンの製造方法により脱アセチル化キチンを製造する工程
工程２：工程１で得られた脱アセチル化キチンと、アルキレンオキシドとを反応させる工程
工程１は、上述した脱アセチル化キチンの製造方法であり、好ましい範囲も同様である。従って、工程１は固相にて行うことが好ましい。
工程２は、工程１で得られた脱アセチル化キチンと、アルキレンオキシドとを反応させる工程である。
本発明において、工程２は、固相にて行うことが好ましく、工程１及び工程２の双方を固相にて行うことが好ましい。なお、工程２を固相にて行う場合、工程１の原料である低結晶性キチン１００質量部に対する、水の含有量（水分含有量）は、好ましくは１００質量部以下、より好ましくは８０質量部以下、更に好ましくは６０質量部以下、より更に好ましくは５５質量部以下であり、そして、好ましくは１質量部以上、より好ましくは３質量部以上、更に好ましくは１０質量部以上、より更に好ましくは２０質量部以上、より更に好ましくは４０質量部以上である。
なお、工程１及び工程２を連続で行うことを想定して、工程１の原料である低結晶性キチンに対する水の好ましい含有量を規定している。脱アセチル化キチンの脱アセチル化度から工程１の原料である低結晶性キチンの量は算出可能であり、工程１において得られた脱アセチル化キチンを分離後に工程２を固相にて行う場合には、上記の工程１の原料であるキチン１００質量部に対する水の量を算出すればよい。以下、同様である。
また、工程２において、工程１の原料である低結晶性キチン１００質量部に対する非水溶媒の含有量、及び低結晶性キチン１００質量部に対する水と非水溶媒との合計含有量の好ましい範囲は、工程１における低結晶性キチン１００質量部に対する好ましい量と同様である。
本発明において、工程２は、固相にて行うことが好ましく、工程１及び工程２の双方を固相にて行うことが好ましい。なお、工程２を固相にて行う場合、工程１の原料である低結晶性キチン１００質量部に対する、水の含有量（水分含有量）は、好ましくは１００質量部以下、より好ましくは８０質量部以下、更に好ましくは６０質量部以下、より更に好ましくは５５質量部以下であり、そして、好ましくは１質量部以上、より好ましくは３質量部以上、更に好ましくは１０質量部以上、より更に好ましくは２０質量部以上、より更に好ましくは４０質量部以上である。
なお、工程１及び工程２を連続で行うことを想定して、工程１の原料である低結晶性キチンに対する水の好ましい含有量を規定している。脱アセチル化キチンの脱アセチル化度から工程１の原料である低結晶性キチンの量は算出可能であり、工程１において得られた脱アセチル化キチンを分離後に工程２を固相にて行う場合には、上記の工程１の原料であるキチン１００質量部に対する水の量を算出すればよい。以下、同様である。
また、工程２において、工程１の原料である低結晶性キチン１００質量部に対する非水溶媒の含有量、及び低結晶性キチン１００質量部に対する水と非水溶媒との合計含有量の好ましい範囲は、工程１における低結晶性キチン１００質量部に対する好ましい量と同様である。
工程２は、塩基性化合物の存在下にアルキレンオキシドを付加反応させることが好ましい。
塩基性化合物及びアルキレンオキシドの添加順序には特に制限はないが、脱アセチル化キチンと塩基性化合物とを混合した後に、アルキレンオキシドを添加して反応させることが好ましい。
ここで、工程１を固相反応で行った場合、工程１から精製工程を行わずに、工程２を固相にて行うことが好ましい。このように、工程１及び工程２を、精製工程を経ずに行うことにより、洗浄、中和工程等を短縮することが可能である。更に、工程１で使用した塩基性触媒が残存しているため、工程２での塩基性化合物の添加を省略することが可能である。
塩基性化合物及びアルキレンオキシドの添加順序には特に制限はないが、脱アセチル化キチンと塩基性化合物とを混合した後に、アルキレンオキシドを添加して反応させることが好ましい。
ここで、工程１を固相反応で行った場合、工程１から精製工程を行わずに、工程２を固相にて行うことが好ましい。このように、工程１及び工程２を、精製工程を経ずに行うことにより、洗浄、中和工程等を短縮することが可能である。更に、工程１で使用した塩基性触媒が残存しているため、工程２での塩基性化合物の添加を省略することが可能である。
工程２で使用する塩基性化合物としては、工程１で使用した塩基性触媒と同様の化合物が例示され、好ましい範囲も同様である。
工程２を固相にて行う場合、工程２における塩基性化合物の存在量は、反応効率及び反応後の塩基性化合物の除去の観点から、脱アセチル化キチンの単糖単位に対して、好ましくは０．５当量以上、より好ましくは０．７当量以上、更に好ましくは０．８当量以上であり、そして、好ましくは３当量以下、より好ましくは２当量以下、更に好ましくは１．５当量以下である。
また、工程２を液相にて行う場合、工程２における塩基性化合物の存在量は、反応効率及び反応後の塩基性化合物の除去の観点から、脱アセチル化キチンの単糖単位に対して、好ましくは０．５当量以上、より好ましくは１当量以上、更に好ましくは５当量以上であり、そして、好ましくは２０当量以下、より好ましくは１８当量以下である。
工程２を固相にて行う場合、工程２における塩基性化合物の存在量は、反応効率及び反応後の塩基性化合物の除去の観点から、脱アセチル化キチンの単糖単位に対して、好ましくは０．５当量以上、より好ましくは０．７当量以上、更に好ましくは０．８当量以上であり、そして、好ましくは３当量以下、より好ましくは２当量以下、更に好ましくは１．５当量以下である。
また、工程２を液相にて行う場合、工程２における塩基性化合物の存在量は、反応効率及び反応後の塩基性化合物の除去の観点から、脱アセチル化キチンの単糖単位に対して、好ましくは０．５当量以上、より好ましくは１当量以上、更に好ましくは５当量以上であり、そして、好ましくは２０当量以下、より好ましくは１８当量以下である。
工程２で使用するアルキレンオキシド（エポキシアルカン）としては、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド、１，２－エポキシヘキサン、１，２－エポキシオクタン、１，２－エポキシデカン、１，２－エポキシドデカン、１，２－エポキシオクタデカン等の炭素数２以上２０以下のアルキレンオキシドが挙げられる。アルキレンオキシドの炭素数は、好ましくは３以上であり、また、好ましくは１８以下、より好ましくは１２以下、更に好ましくは８以下、より更に好ましくは６以下、より更に好ましくは４以下である。
上記の中でも、アルキレンオキシドとしては、炭素数２以上５以下のアルキレンオキシドが好ましく、エチレンオキシド、プロピレンオキシド及びブチレンオキシドからなる群から選ばれる１種以上がより好ましく、プロピレンオキシドが更に好ましい。
上記の中でも、アルキレンオキシドとしては、炭素数２以上５以下のアルキレンオキシドが好ましく、エチレンオキシド、プロピレンオキシド及びブチレンオキシドからなる群から選ばれる１種以上がより好ましく、プロピレンオキシドが更に好ましい。
本発明において、工程２に続いて、工程２の前に、又は工程２に代わって、カチオン化剤と反応させる工程を有していてもよい。カチオン化剤と反応させる際には、塩基性化合物の存在下で、カチオン化剤と反応させることが好ましい。
カチオン化剤の具体例としては、グリシジルトリメチルアンモニウム、グリシジルトリエチルアンモニウム、グリシジルトリプロピルアンモニウムのそれぞれ塩化物、臭化物又はヨウ化物や、３－クロロ－２－ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウム、３－クロロ－２－ヒドロキシプロピルトリエチルアンモニウム、又は３－クロロ－２－ヒドロキシプロピルトリプロピルアンモニウムのそれぞれ塩化物、３－ブロモ－２－ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウム、３－ブロモ－２－ヒドロキシプロピルトリエチルアンモニウム、又は３－ブロモ－２－ヒドロキシプロピルトリプロピルアンモニウムのそれぞれ臭化物や、３－ヨード－２－ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウム、３－ヨード－２－ヒドロキシプロピルトリエチルアンモニウム、又は３－ヨード－２－ヒドロキシプロピルトリプロピルアンモニウムのそれぞれヨウ化物などが挙げられる。
カチオン化剤の具体例としては、グリシジルトリメチルアンモニウム、グリシジルトリエチルアンモニウム、グリシジルトリプロピルアンモニウムのそれぞれ塩化物、臭化物又はヨウ化物や、３－クロロ－２－ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウム、３－クロロ－２－ヒドロキシプロピルトリエチルアンモニウム、又は３－クロロ－２－ヒドロキシプロピルトリプロピルアンモニウムのそれぞれ塩化物、３－ブロモ－２－ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウム、３－ブロモ－２－ヒドロキシプロピルトリエチルアンモニウム、又は３－ブロモ－２－ヒドロキシプロピルトリプロピルアンモニウムのそれぞれ臭化物や、３－ヨード－２－ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウム、３－ヨード－２－ヒドロキシプロピルトリエチルアンモニウム、又は３－ヨード－２－ヒドロキシプロピルトリプロピルアンモニウムのそれぞれヨウ化物などが挙げられる。
工程２における反応温度及び反応時間は特に限定されないが、反応速度を向上させる観点から、反応温度は、好ましくは０℃以上、より好ましくは２０℃以上、更に好ましくは２５℃以上である。また、脱アセチル化セルロース又は工程２で得られたキチン誘導体の安定性の観点から、好ましくは１００℃以下、より好ましくは８０℃以下である。
反応時間は、反応収率の観点から、好ましくは０．１時間以上、より好ましくは０．３時間以上であり、生産性の観点からは、好ましくは４８時間以下、より好ましくは２４時間以下である。なお、工程２の反応時間とは、アルキレンオキシドの添加開始から反応終了までの経過時間をいう。
反応時間は、反応収率の観点から、好ましくは０．１時間以上、より好ましくは０．３時間以上であり、生産性の観点からは、好ましくは４８時間以下、より好ましくは２４時間以下である。なお、工程２の反応時間とは、アルキレンオキシドの添加開始から反応終了までの経過時間をいう。
上記反応条件においアルキレンオキシドが気体である場合、反応は加圧条件下で行うことが好ましい。その際の反応圧力は、アルキレンオキシドの沸点、系内のアルキレンオキシドの存在量、反応温度等を調整することにより適宜調整可能である。反応時の圧力は通常０．００１ＭＰａＧ（ゲージ圧）以上、１０ＭＰａＧ以下であり、反応速度、及び設備負荷の観点から、０．００５ＭＰａＧ以上が好ましく、０．０２ＭＰａＧ以上がより好ましく、そして、１ＭＰａＧ以下が好ましく、０．５ＭＰａＧ以下がより好ましい。
工程２により得られたキチン誘導体に対し、中和工程及び洗浄工程よりなる群から選択される少なくとも１つを行ってもよい。
工程２により得られたキチン誘導体は、親水性が向上しており、凝集剤、シャンプー・リンス等の毛髪化粧料用の成分等として有用である。
工程２により得られたキチン誘導体は、親水性が向上しており、凝集剤、シャンプー・リンス等の毛髪化粧料用の成分等として有用である。
以下に、実施例で行った測定方法について記載する。
（１）水分量の測定
原料の水分量は、赤外線水分計（株式会社島津製作所製「ＭＯＣ－１２０Ｈ」）を用いて測定した。測定１回あたり試料５ｇを用い、試料を平らにならして温度１２０℃にて測定を行い、３０秒間の質量変化率が０．０５％以下となる点を測定の終点とした。測定された水分量をキチンに対する質量％に換算し、各水分量とした。
（１）水分量の測定
原料の水分量は、赤外線水分計（株式会社島津製作所製「ＭＯＣ－１２０Ｈ」）を用いて測定した。測定１回あたり試料５ｇを用い、試料を平らにならして温度１２０℃にて測定を行い、３０秒間の質量変化率が０．０５％以下となる点を測定の終点とした。測定された水分量をキチンに対する質量％に換算し、各水分量とした。
（２）結晶化指数の算出
試料のＸ線回折強度を、Ｘ線回折装置（株式会社リガク製「ＭｉｎｉＦｌｅｘII」）を用いて以下の条件で測定し、前記計算式（１）に基づいて結晶化指数を算出した。
測定条件は、Ｘ線源：Ｃｕ／Ｋα－ｒａｄｉａｔｉｏｎ、管電圧：３０ｋＶ、管電流：１５ｍＡ、測定範囲：回折角２θ＝５～３５°、Ｘ線のスキャンスピードは４０°／ｍｉｎで測定した。測定用サンプルは面積３２０ｍｍ２×厚さ１ｍｍのペレットを圧縮し作製した。
試料のＸ線回折強度を、Ｘ線回折装置（株式会社リガク製「ＭｉｎｉＦｌｅｘII」）を用いて以下の条件で測定し、前記計算式（１）に基づいて結晶化指数を算出した。
測定条件は、Ｘ線源：Ｃｕ／Ｋα－ｒａｄｉａｔｉｏｎ、管電圧：３０ｋＶ、管電流：１５ｍＡ、測定範囲：回折角２θ＝５～３５°、Ｘ線のスキャンスピードは４０°／ｍｉｎで測定した。測定用サンプルは面積３２０ｍｍ２×厚さ１ｍｍのペレットを圧縮し作製した。
（３）体積中位粒径（Ｄ５０）の測定
体積中位粒径（Ｄ５０）は、レーザー回析／散乱式粒度分布測定装置（ベックマン・コールター株式会社製、「ＬＳ１３ ３２０」）を用い、乾式法（トルネード方式）にて測定した。具体的には試料２０ｍＬをセルに仕込み、吸引して測定を行った。
体積中位粒径（Ｄ５０）は、レーザー回析／散乱式粒度分布測定装置（ベックマン・コールター株式会社製、「ＬＳ１３ ３２０」）を用い、乾式法（トルネード方式）にて測定した。具体的には試料２０ｍＬをセルに仕込み、吸引して測定を行った。
（４）脱アセチル化度の測定
脱アセチル化キチンの脱アセチル化度は、「キチン、キトサンハンドブック」（キチン、キトサン研究会編、技報堂出版、１９９５年）に記載のコロイド滴定法により測定した。
脱アセチル化キチン粉末０．５０ｇを５％酢酸に溶解し、正確に１００ｇとした。溶解液１．００ｇとイオン交換水３０ｍＬを加えよく撹拌した。指示薬として０．１％トルイジンブルー溶液２～３滴を加え、Ｎ／４００ポリビニル硫酸カリウム溶液で滴定し、脱アセチル化度は計算式（２）～（４）に基づいて算出した。
脱アセチル化キチンの脱アセチル化度は、「キチン、キトサンハンドブック」（キチン、キトサン研究会編、技報堂出版、１９９５年）に記載のコロイド滴定法により測定した。
脱アセチル化キチン粉末０．５０ｇを５％酢酸に溶解し、正確に１００ｇとした。溶解液１．００ｇとイオン交換水３０ｍＬを加えよく撹拌した。指示薬として０．１％トルイジンブルー溶液２～３滴を加え、Ｎ／４００ポリビニル硫酸カリウム溶液で滴定し、脱アセチル化度は計算式（２）～（４）に基づいて算出した。
式中、
ｖ：Ｎ／４００ポリビニル硫酸カリウム溶液滴定値（ｍＬ）
ｆ：Ｎ／４００ポリビニル硫酸カリウム溶液のファクター
ｖ：Ｎ／４００ポリビニル硫酸カリウム溶液滴定値（ｍＬ）
ｆ：Ｎ／４００ポリビニル硫酸カリウム溶液のファクター
（５）嵩密度測定
嵩密度は、ホソカワミクロン株式会社製の「パウダーテスター」を用いて測定した。測定は、ふるいを振動させて、サンプルをシュートを通じ落下させ、規定の容器（容量１００ｍＬ）に受け、該容器中のサンプルの質量を測定することにより算出した。
嵩密度は、ホソカワミクロン株式会社製の「パウダーテスター」を用いて測定した。測定は、ふるいを振動させて、サンプルをシュートを通じ落下させ、規定の容器（容量１００ｍＬ）に受け、該容器中のサンプルの質量を測定することにより算出した。
製造例１（低結晶性キチンの製造）
キチン含有原料として、結晶性キチン（和光純薬工業株式会社製、キチン、１級、キチン中の含有水分量：２．０質量％、キチンの結晶化指数：９１％、平均粒径：７３μｍ、ゆるめ嵩密度：１８０ｋｇ／ｍ３）８０ｇを振動ミル（中央化工機株式会社製、「ＭＢ－１」、容器全量３．５Ｌ）に投入し、ロッド（断面形状：円形、直径３０ｍｍ、長さ：２１８ｍｍ、材質：ステンレス）１３本を振動ミルに充填して、振幅８ｍｍ、回転数１，２００ｒｐｍの条件で１時間処理を行った。得られた低結晶性キチンの結晶化指数は４２％、平均粒径は２８μｍであった。
キチン含有原料として、結晶性キチン（和光純薬工業株式会社製、キチン、１級、キチン中の含有水分量：２．０質量％、キチンの結晶化指数：９１％、平均粒径：７３μｍ、ゆるめ嵩密度：１８０ｋｇ／ｍ３）８０ｇを振動ミル（中央化工機株式会社製、「ＭＢ－１」、容器全量３．５Ｌ）に投入し、ロッド（断面形状：円形、直径３０ｍｍ、長さ：２１８ｍｍ、材質：ステンレス）１３本を振動ミルに充填して、振幅８ｍｍ、回転数１，２００ｒｐｍの条件で１時間処理を行った。得られた低結晶性キチンの結晶化指数は４２％、平均粒径は２８μｍであった。
実施例１
乳鉢に製造例１で得られた低結晶性キチン１０ｇ（水分含量：２質量％）及び３２．５％ＮａＯＨ水溶液（８．１Ｎ／Ｌ ＮａＯＨ水溶液）７．２ｇ（キチンの単糖単位あたり１．２当量）を加え混合した。直径１０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのステンレス管に混合物５ｇを入れ密閉し、７０℃の恒温槽で２時間保持し、脱アセチル化キチンを得た。脱アセチル化キチンにイオン交換水を加え、濾過した。この操作を５回繰り返し、濾液のｐＨが中性であることを確認した。その後、真空乾燥器に入れ、５０℃、１６時間乾燥し、脱アセチル化キチン精製物を得た。得られた脱アセチル化キチン精製物の脱アセチル化度は２７％であった。
乳鉢に製造例１で得られた低結晶性キチン１０ｇ（水分含量：２質量％）及び３２．５％ＮａＯＨ水溶液（８．１Ｎ／Ｌ ＮａＯＨ水溶液）７．２ｇ（キチンの単糖単位あたり１．２当量）を加え混合した。直径１０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのステンレス管に混合物５ｇを入れ密閉し、７０℃の恒温槽で２時間保持し、脱アセチル化キチンを得た。脱アセチル化キチンにイオン交換水を加え、濾過した。この操作を５回繰り返し、濾液のｐＨが中性であることを確認した。その後、真空乾燥器に入れ、５０℃、１６時間乾燥し、脱アセチル化キチン精製物を得た。得られた脱アセチル化キチン精製物の脱アセチル化度は２７％であった。
実施例２
５００ｍＬセパラブルフラスコに３０％ＮａＯＨ水溶液３００ｇ（キチンの単糖単位あたり１５．２当量）を入れ、７０℃に加熱した。その後、製造例１で得られた低結晶性キチン３０ｇを加え、アンカー翼で２時間撹拌し、脱アセチル化キチンを得た。脱アセチル化キチンにイオン交換水を加え、濾過した。濾液のｐＨが中性となるまで、この操作を繰り返した。その後真空乾燥器に入れ、５０℃、１６時間乾燥し、脱アセチル化キチン精製物を得た。得られた脱アセチル化キチン精製物の脱アセチル化度は３１％であった。
５００ｍＬセパラブルフラスコに３０％ＮａＯＨ水溶液３００ｇ（キチンの単糖単位あたり１５．２当量）を入れ、７０℃に加熱した。その後、製造例１で得られた低結晶性キチン３０ｇを加え、アンカー翼で２時間撹拌し、脱アセチル化キチンを得た。脱アセチル化キチンにイオン交換水を加え、濾過した。濾液のｐＨが中性となるまで、この操作を繰り返した。その後真空乾燥器に入れ、５０℃、１６時間乾燥し、脱アセチル化キチン精製物を得た。得られた脱アセチル化キチン精製物の脱アセチル化度は３１％であった。
比較例１
原料に結晶性キチン（和光純薬工業株式会社製、キチン、１級、キチン中の含有水分量：２．０質量％、キチンの結晶化指数：９１％、平均粒径：７３μｍ）を用いた以外は、実施例１と同じ条件で脱アセチル化キチン精製物を得た。得られた脱アセチル化キチン精製物の脱アセチル化度は４％であった。
原料に結晶性キチン（和光純薬工業株式会社製、キチン、１級、キチン中の含有水分量：２．０質量％、キチンの結晶化指数：９１％、平均粒径：７３μｍ）を用いた以外は、実施例１と同じ条件で脱アセチル化キチン精製物を得た。得られた脱アセチル化キチン精製物の脱アセチル化度は４％であった。
比較例２
原料に結晶性キチン（和光純薬工業株式会社製、キチン、１級、キチン中の含有水分量：２．０質量％、キチンの結晶化指数：９１％、平均粒径：７３μｍ）を用いた以外は、実施例２と同じ条件で、脱アセチル化キチン精製物を得た。得られた脱アセチル化キチン精製物の脱アセチル化度は５％であった。
実施例１及び２、並びに比較例１及び２の結果を下記表１に示す。
原料に結晶性キチン（和光純薬工業株式会社製、キチン、１級、キチン中の含有水分量：２．０質量％、キチンの結晶化指数：９１％、平均粒径：７３μｍ）を用いた以外は、実施例２と同じ条件で、脱アセチル化キチン精製物を得た。得られた脱アセチル化キチン精製物の脱アセチル化度は５％であった。
実施例１及び２、並びに比較例１及び２の結果を下記表１に示す。
実施例３
乳鉢に製造例１で得られた低結晶性キチン１０ｇ（水分含量：２質量％）及び３２．５％ＮａＯＨ水溶液７．２ｇ（低結晶性キチンの単糖単位あたり１．２当量）を加え混合した。直径１０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのステンレス管に混合物５ｇを入れ密閉し、７０℃の恒温槽で２時間保持し、脱アセチル化キチンを得た。この脱アセチル化キチンを精製することなく次のアルキレンオキシド付加反応に用いた。具体的には、耐圧容器に、この脱アセチル化キチン３．０ｇ及びプロピレンオキシド（ＰＯ）２．０ｇ（低結晶性キチンの単糖単位あたり４．０当量）を加え、密閉した。耐圧容器を６０℃の温浴槽中で０．５時間加熱した後、耐圧容器を温浴槽から取り出して４０℃まで冷却した。該反応物を３分間大気に開放することで、未反応のプロピレンオキシドを除去した。十分にＰＯが除去されたことを、質量変化がなくなったことから確認した後、反応物の質量を記録し、反応前後の質量変化量からプロピレンオキシドの消費量は、プロピレンオキシドの付加量であるとみなし、プロピレンオキシドの付加量を算出した。プロピレンオキシド（ＰＯ）の付加量は、原料の単糖単位あたり１．９当量であった。
乳鉢に製造例１で得られた低結晶性キチン１０ｇ（水分含量：２質量％）及び３２．５％ＮａＯＨ水溶液７．２ｇ（低結晶性キチンの単糖単位あたり１．２当量）を加え混合した。直径１０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのステンレス管に混合物５ｇを入れ密閉し、７０℃の恒温槽で２時間保持し、脱アセチル化キチンを得た。この脱アセチル化キチンを精製することなく次のアルキレンオキシド付加反応に用いた。具体的には、耐圧容器に、この脱アセチル化キチン３．０ｇ及びプロピレンオキシド（ＰＯ）２．０ｇ（低結晶性キチンの単糖単位あたり４．０当量）を加え、密閉した。耐圧容器を６０℃の温浴槽中で０．５時間加熱した後、耐圧容器を温浴槽から取り出して４０℃まで冷却した。該反応物を３分間大気に開放することで、未反応のプロピレンオキシドを除去した。十分にＰＯが除去されたことを、質量変化がなくなったことから確認した後、反応物の質量を記録し、反応前後の質量変化量からプロピレンオキシドの消費量は、プロピレンオキシドの付加量であるとみなし、プロピレンオキシドの付加量を算出した。プロピレンオキシド（ＰＯ）の付加量は、原料の単糖単位あたり１．９当量であった。
比較例３
原料に結晶性キチンを用いた以外は実施例３と同じ条件で、反応物を得た。プロピレンオキシド（ＰＯ）付加量は原料の単糖単位あたり１．５当量であった。
実施例３及び比較例３の結果を下記表２に示す。
原料に結晶性キチンを用いた以外は実施例３と同じ条件で、反応物を得た。プロピレンオキシド（ＰＯ）付加量は原料の単糖単位あたり１．５当量であった。
実施例３及び比較例３の結果を下記表２に示す。
表１に示すように、低結晶性キチンを原料として使用することにより、結晶性キチンを使用した場合に比べて、液相にて脱アセチル化を行う場合のみならず、固相にて脱アセチル化を行う場合であっても、脱アセチル化反応が進行し、高い脱アセチル化反応性を示すことが明らかとなった。特に、反応温度が７０℃と、従来のキチンの脱アセチル化に使用されてきた反応温度に比べて、反応温度が低い場合であっても、脱アセチル化が進行した。
また、表２に示すように、本発明のキチン誘導体の製造方法では、結晶性キチンを原料とした場合に比べて、プロピレンオキシドの付加量が有意に高く、プロピレンオキシドの付加に関しても、低結晶性キチンを原料とした脱アセチル化物を使用することの優位性が示された。また、実施例３に示すように、低結晶性キチンを原料として、固相反応にて脱アセチル化反応と、アルキレンオキシドの付加反応を、精製工程を行わずに行うことができた。この方法によれば、脱アセチル化工程で使用した塩基性触媒を、アルキレン付加反応における塩基性化合物として使用することができ、精製工程の省略、塩基性化合物の使用量の削減という効果も得られた。
また、表２に示すように、本発明のキチン誘導体の製造方法では、結晶性キチンを原料とした場合に比べて、プロピレンオキシドの付加量が有意に高く、プロピレンオキシドの付加に関しても、低結晶性キチンを原料とした脱アセチル化物を使用することの優位性が示された。また、実施例３に示すように、低結晶性キチンを原料として、固相反応にて脱アセチル化反応と、アルキレンオキシドの付加反応を、精製工程を行わずに行うことができた。この方法によれば、脱アセチル化工程で使用した塩基性触媒を、アルキレン付加反応における塩基性化合物として使用することができ、精製工程の省略、塩基性化合物の使用量の削減という効果も得られた。
本発明によれば、従来のキチンの脱アセチル化反応に比べて、穏和な条件、かつ短時間の反応であっても脱アセチル化キチンを得ることができる。該脱アセチル化キチン及び該脱アセチル化キチンのアルキレンオキシド付加物であるキチン誘導体は、食品用途（健康食品、一般食品用の保湿性改良剤、抗菌性付与剤等）、医療用途（創傷治癒、ドラッグデリバリー等）、工業用途（凝集剤、キレート剤等）化粧品用途（ヘアケア用品、スキンケア用品等）、農業用途（代謝改善、鮮度保持）等に応用可能である。
Claims (7)
- 結晶化指数が５０％以下であるキチンを、塩基性触媒の存在下で、脱アセチル化する工程を有する、脱アセチル化キチンの製造方法であって、前記脱アセチル化が固相で行われ、脱アセチル化における水分含有量が、キチン１００質量部に対して８０質量部以下であり、前記塩基性触媒の添加量が、キチンを構成する単糖単位あたり、０．０１当量以上５当量以下である、脱アセチル化キチンの製造方法。
- 前記脱アセチル化における温度が４０℃以上９０℃以下である、請求項１に記載の脱アセチル化キチンの製造方法。
- 結晶化指数が５０％以下であるキチンが、媒体式粉砕機によって調製される、請求項１又は２に記載の脱アセチル化キチンの製造方法。
- 下記工程１及び工程２を有する、キチン誘導体の製造方法。
工程１：結晶化指数が５０％以下であるキチンを、塩基性触媒の存在下で、脱アセチル化する工程を有する、脱アセチル化キチンを製造する工程であって、前記脱アセチル化が固相で行われ、脱アセチル化における水分含有量が、キチン１００質量部に対して８０質量部以下であり、前記塩基性触媒の添加量が、キチンを構成する単糖単位あたり、０．０１当量以上５当量以下である、脱アセチル化キチンを製造する工程
工程２：工程１で得られた脱アセチル化キチンと、アルキレンオキシドとを反応させる工程 - 工程２が固相にて行われ、工程２における水分含有量が、キチン１００質量部に対して８０質量部以下である、請求項４に記載のキチン誘導体の製造方法。
- 前記脱アセチル化における温度が４０℃以上９０℃以下である、請求項４又は５に記載のキチン誘導体の製造方法。
- 結晶化指数が５０％以下であるキチンが、媒体式粉砕機によって調製される、請求項４～６のいずれかに記載のキチン誘導体の製造方法。
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