糖の疎水性とその栄養学的意義

昭 和60年11月(1985年) 1

総

説

糖 の 疎 水 性 と そ の 栄 養 学 的 意 義

矢

野

由

起

Hydrophobic Properties of Sugars and Their Nutritional Implications

Yuki Yano は じ め に 糖 は ほ ぼ 同 数 のCH基 とOH基 を 持 って い る に も か か わ らず,一 般 的 に は代 表 的 な 親 水 性 物 質 と み な さ れ て い る 。 しか しHとOHの 立 体 配 座 に よ りCH基 が 局 部 的 に 密 集 す る状 況 が考 え られ,従 って 糖 に も疎 水 的 な 側 面 が あ る と考 え られ る1∼4)。実 際 に は,糖 の 持 つ 強 い親 水 的 挙 動 に よ り,疎 水 的 側 面 は 見 落 さ れ る こ とが 多 い 。 しか し,た とえ ば,セ ル ロー ス重 合 体 か らな る紙 は,水 も油 も吸 収 し,親 水 性,疎 水 性 の 両 面 を 併 せ 持 って い る 。一 方,食 物 繊 維 の血 清 コ レス テ ロー ル 上 昇 抑 制 作 用 に つ いて 多 くの 報 告 が あ り5κ16), 食 物 繊 維 が胆 汁 酸 を 吸 着 す る こ と も よ く知 られて い る6'8'17'18)。EastwoodとHamilton17)は 食 物 繊 維 の胆 汁 酸 吸着 能 を 有 す る分 画 は リグ ニ ンで,そ の 吸 着 様 式 は疎 水 結 合 で あ る と し て い る 。 同 じ くBirknerと Kern18)も グ リコ コー ル 酸,ケ ノ デ オ キ シ コー ル酸 を 用 い,食 物 繊 維 との 吸 着 を 調 べ,そ の 吸 着 様 式 が疎 水 結 合 で 単 分 子 反 応 で あ る と報 告 して い る 。 これ ら食 物 繊 維 の血 中 コ レス テ ロー ル レベ ル上 昇 抑 制 作 用 や 食 物 繊 維 が胆 汁 酸 を 吸 着 す る点 に つ い て の 詳 しい 作 用 機 序 は 明 らか に され て い な い 。 筆 者 は,食 物 繊 維 を 構 成 す る 多 糖 が 特 定 の コ ンポ メ ー シ ョ ンを と る こ と に よ って 生 じるCH基 の 密 集 面 と こ れ らの 脂 質 と の疎 水 性 相 互 作 用 が 上 記 抑 制 作 用 に 重 要 な要 素 で あ る と考 え,一 一 連 の 実 験 と考 察 を 行 って きた 。 実 際,水 溶 液 中 の 糖 は あ る条 件下 で は極 め て 顕 著 な 疎 水 的 挙 動 を 示 す 。 た と え ば,高 濃 度 の デ キ ス トラ ン 皇 学 館 大 学 文 学 部 教 育 学 科 ゲ ル や 高 濃 度 の デ キ ス トラ ン水 溶 液 は 多 量 の疎 水 性 色 素19),芳 香 族 炭 化 水 素20),高 級 脂 肪 族 アル コ ー ル2エ,22>, SDSモ ノ マ,_2223)を溶 解 し,デ キ ス トラ ンゲ ル の グ ル コー ス残 基 の 疎 水 面 と シ ク ロ ヘ キ サ ンは 強 い相 互 作 用 を示 す こ と も知 られ て い る24'25)。単 糖 類 水 溶 液 中 に お い て も芳 香 族 炭 化 水 素 の 溶 解 度 は高 め られ る2)。 糖 の疎 水 性 を示 唆 す る も う一 つ の 現 象 は,各 糖 が ポ リス チ レ ンゲ ル に 対 して か な り強 く,し か しそ れ ぞれ 違 う 強 さで 吸 着 され る こ とで あ る1.4)。 糖 の疎 水 性 の強 さ は,単 糖 類 の 場 合 は そ の 種 類 に よ って,オ リゴ糖 や 多 糖 類 の 場 合 は構 成 単 糖 や 配 糖 体 結 合 様 式 に よ って 異 な る こ と が知 られ て い る2+4+22)。 こ こで は,糖 の 疎 水 的 な 挙 動,疎 水 性 の 要 因 とそ の 指 標,糖 の疎 水 性 が 持 つ 栄 養 学 的 意 味 に つ い て 考 え て み る 。 親水性ゲルにおける疎水性相互 作用 芳 香 族 炭 化 水 素 や 脂 肪 族 炭 化 水 素 が 膨 潤 したSeph-adex(Pharmacia>, Bio-Gel(Bio-Rad),セ ル ロ フ ァイ ン (生 化 学 工 業)の よ う な 親 水 性 ゲ ル に 吸 着 さ れ る こ と は よ く知 られ て い る3'19'21'23'26)。 ア ミ ロ ー ス は ヘ リ ッ ク ス 構 造 を と る こ と に よ っ てCH基 が 局 在 す る 面 を 形 成 す る と い わ れ て い る が,Marsden25)は,シ ク ロ ヘ キ サ ン が 高 濃 度 デ キ ス ト ラ ンゲ ル(Sephadex G-10,G -15な ど)に 吸 着 さ れ る の は_{,C1形 の グ ル コ ー ス 残 基} の 疎 水 的 な 面 と シ ク ロ ヘ キ サ ン と の 疎 水 的 な 相 互 作 用 に 基 づ く と 説 明 し,単 糖 レ ベ ル で の 疎 水 的 な 面(CH 基 が 局 在 した 面)の 重 要 性 を 指 摘 し た 。 デ キ ス ト ラ ンゲ ル 中 の 水 へ の ジ メ チ ル ア ミ ノ ア ゾ ベ

食物学会誌・第40号 2

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ビフェニルの糖溶液への溶解度2) DMABを水から Sephadex中の水へ移す 際の熱力学的パラメーター (200 C)19) ナフタレン， 表2 ベンゼン， ジメチルアミノアゾベンゼン (DMAB)の デキストランゲ、ノレ中に含まれる水への溶解 度19) 1-オクタノー)1/， 図

1

表

1

Seuhade デキスト ;1FO _;1HO _;1

S0

epnaaex ，:::;ン濃度 一 (グレード)(Lloom

)

1

(kcaljmol)(kcaljmol) (e. u.) 溶解度 (mg/gH20) 200 C 400 C デ キ ス ト ラ ン 濃 度 (g/100ml) Sephadex (グレード〉 23 27 4.1 6.2 2.58 1. 57 59.3 41.0 G-10 G-15 18 4.9 0.42 27.1 G-25 ンゼンの溶解度を表

1

に示す。デキストランゲルであ るSephadexG-10， G-15，および G-25は膨潤時のグ ルコース残基濃度がそれぞれ59必， 41%，および27% 乙れらの膨潤したゲノレ中には多量の疎水性色 18.69 4.15 0.50 0.17 0.18 0.14 0.14 11. 88 2.09 0.29 0.14 0.13 0.14 0.14 59.3 41. 0 27.1 9.5 5.6 3.9 G-10 G-15 G-25 G-50 G-100 G-200 H20 であり，

昭和60年11月(1985年) - 3ー 表3 アルコーノレの SephadexG-10に対する分配係数 (Kav)211 AIcohol Hexanol Heptanol Octanol 200 C L 57 2.24 3.23 0.1M NaCl 300 C

L

75 2.58 3.77 400_C 2.05 3.04 4.65 表4 SDSの SephadexG-10に対する分配 係数 (Kav)仰 Kav solvent 250 C 350 C H20 n.d. 2.0 O.OlM NaCl 6.6 7.1 0.05M NaCl 9.5 10.6 O.lM NaCl 11. 3 12.6 0.2M NaCl 13.5 15.0 素(ジメチノレアミノアゾベンゼン (DMAB)，アゾベン ゼン (AB))が溶解する山。 DMABを水からゲ、ノレ中の 水へ移すときの自由エネルギ一変化.1Ft(200 )は，表2 K示すように，デキストラン濃度の増加にともない著 しく減少している。との移行過程のエンタルピ一変化 (.1HO )

，

エントロピ一変化(.1S O )はどのゲノレについて も.1HO_>O，_.1

s

o_)>O となり，との移行はエントロビー 駆動過程であるととがわかる。とれはゲルのグノレコー ス残基と DMABとの聞の疎水性相互作用の存在を示 唆しているものである。 そのほか， ラウリノレ硫酸ナトリウム (SDS)や脂肪 族アルコールもデキストランゲノレに吸着される21，23)。 疎水位相互作用が強められると考えられている食塩水 溶液中では，脂肪族アノレコールのSephadexG-10 (デ キストランゲノレ)に対する分配係数(K.ω)は，表3に 示すように，疎水性相互作用が弱められる50%メタノ 表5 オクタノーノレの糖溶液中への溶解度 (mg/g

H

20)22) solvent 250 C 400 C 2M NaCl 0.138 0.140 50箔 グノレコース 0.134 0.145 507ぢ マノレトース 0.213 0.287 507ぢ マノレトトリオース 0.314 0.388 40% デキストラン 0.212 0.320 1 M NaCl 2 M NaCl 50~ぢメタノール 200_C nd 2. 98 4.88 200 C 3.34 5.51 9.60 200 C 0.24 0，22 0.22 -)レ中でのそれよりも大きな値を与える。また温度の 増加にともない Kavも大きくなる200乙れらはいわゆ る疎水結合クロマトグラフィーの要件である27)0 SDS の Sephadexゲノレへの溶解も同様の傾向を示し卸(表 4)，いずれの場合もこれらの疎水性溶質の水からゲノレ 中への移行はエントロビー駆動であり，グノレコース残 基と溶質問の疎水性相互作用の存在を示唆している。 濃 厚 な 糖 溶 液 中 に お け る 疎 水 性 溶 質 の 溶 解 高濃度デキストランゲノレ (SephadexG-10)では， 膨潤時においてクツレコース残基濃度が60~ぢ前後になる ことから，濃厚な糖溶液中においても疎水性溶質の溶 解度を高める効果(正の共溶媒効果)がみられるはず である。表

5

に示されているように，クツレコース，マ ノレトース，マノレトトリオース，デキストランのすべて の糖が正の共溶媒効果を示す22)。オクタノーノレを水 (2 M NaCl)から糖溶液(2MNaCl)へ移すときのエネノレ ギ一変化は，すべての糖について.1HO >O

，

.1So )>であ り，デキストランゲノレの場合と同じくエントロピー駆 動過程である。この溶媒効果も糖と疎水性溶質との間 の疎水性相互作用に基づくと考えられるが，高濃度の 糖によって起る水の構造変化によるものと説明するこ ともでき，疎水性相互作用の存在を決定づけるもので はない。そ乙で別の角度から，すなわち単糖類の共溶 媒効果，糖のポリスチレンゲノレに対する吸着，および 糖を水からプタノーノレへ移す際のトランスファー自由 エネノレギーの測定などから糖の疎水性を検討してみる 乙とにする。 糖 の 共 溶 媒 効 果 疎水性溶質の水溶液中での溶解度ζi及ぼす糖の効果 について，熱力学的パラメーターおよび糖一炭化水素 聞の相互作用に基づく結合定数を基に，検討してみる。 図

1

からわかるように，ペントース (D-アラビノー ス， Dーキシロース， D-リボース)，へキソース (Dーグ

食物学会誌・第40号 - 4

圏

、

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，

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式(7)のプロット2) f:ピフェニJレの糖溶液中での活量係数 So:糖 濃 度 図

2

らかではないが，トオクタノーノレとベンゼンのそれに おいて溶解度の低下〈負の共溶媒効果)がみられる。 乙の負の共溶媒効果は糖の水和による水の活性低下に よるものであるがm，糖濃度が増加すれば，との効果 は正の共溶媒効果によって相殺される泊。 また図1から明らかなように，溶解度曲線の特徴と して著しい溶質依存性があげられる。ピフェニルと1ー オクタノ-)レはほぼ等しいモル容積を持つにもかかわ らず，全く異った溶解度曲線を示す。とれは.tJ

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よ り.tJ

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認

tの違いが共溶媒効果に大きく影響するとと を示している。図

1

の溶質による溶解度曲線の違いは， 糖と疎水性溶質との相互作用の強さの違いを表わし， それは1-オクタノーJレくベンゼンくナフタレンくビフ ェニノレの順に大きくなる。との結果から，糖と炭化水 素との疎水性相互作用は，芳香族の方が大きく，分極 率が大きいほど強められるととがわかる。 Van der Waals力を通して疎水性相互作用が効果的 に形成されるためには，糖と炭化水素の聞の水が排除 ノレコース， D-ガラクトース， D-マンノース)は，水溶 液中でナフタレンやピフェニノレの溶解度を高める効果 (正の共溶媒効果)を示すへ Roseman と Jencks28_{)によれば，共溶媒効果やトラ} ンスファー自由エネルギ一変化 (.tJFt)は， 溶質が溶 媒に穴をあけるときの自由エネノレギー差 (.tJ

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，

溶 質と溶媒の疎水性相互作用のエネノレギー差 (.tJF

お

t) および溶質と溶媒の極性基間相互作用のエネノレギー差 (.tJF~nt) の和として表わすことができるという。すな わち ) 4BA ， e ・ 、 Roseman と Jencks加は，疎水性溶質の溶解について は，最初の2つの項，.tJFcav+ .tJF~ず，によって決まり，

MTt

からの寄与は小さいとしている。彼らは，ほと んどすべての有機物質が示す共溶媒効果は主として (.tJFωP十.tJF

お

t)を有利にする乙とによって溶解度を 高めることであるとしている。 .dFt=.tJF

ω+dF;3t+dFTt

される必要がある。つまり，炭化水素が糖の CH基 ナフタレンとビフェニルの溶解度曲線においては明

昭和60年11月 (1985年) - 5ー 表6 1ーオクタノーノレと芳香族炭化水素の糖溶液中 (1rnolal)への溶解度 (S:rnoles/kg H20

，

250 C)2) Sugar 1_(SX10-0ctano3₎ l 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 『 ← ー 一 一 一 一 D-Glucose 2.89 α-Methyl-D-glucoside 3.85 s-Methyl-D-glucoside 3.63 D -Galactose 2.94 D-Fucose nd α-Methyl-D-galactoside 3.66 s-Methyl-D-galactoside 3.38 D-Ribose 3.61 2-Deoxy-D-ribose 4.43 H20 3.83 が局在している疎水的な面へ容易に近づけるように， 糖分子の相互作用サイトの周辺の水は構造的にルーズ でなければならない。従って OH-OCH3 や OH-H の置換は，正の共溶媒効果を高める乙とが予想される が，実際，表

6

からわかるように，実験結果は予想通 りであった。 マノレトデキストリンのアルカノールや芳香族炭化水 素の水溶解に対する共溶媒効果は，重合度の増加とと もに大きくなるあ加。マノレトースとマJレトトリオース のグルコース残基当りの水和数はグノレコースのそれと ほぼ等しいのでm，グノレコース残基濃度が等しいマノレ トデキストリン溶液の間では，大きな fJpcavの差は ないであろう。それにもかかわらず，グノレコース残基 当りのマノレトデキストリンの正の共溶媒効果は重合度 の増加lとともない，協調的に大きくなる〈表7)。との 効果は，マノレトデキストリンが湾曲することによって， シクロデキストリン環の内面に類似した CH 基が局 在する疎水性の面を形成し，そ乙で炭化水素と結合す る乙とを示唆している430 糖 - 炭 化 水 素 聞 の 疎 水 性 相 互 作 用 の 強 さ これまでの結果から， fJpcavと

d

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;

2

t

はfJPtの重 要な要素であり， fJPt Iと協調的に寄与するが，共溶媒 効果 (fJPt)はfJp

む

tによって決まるというととがわ かった。また，グルコース，ガラクトース，マノレトー スの水和状態に大きな差はないので仙31〉，とれらの糖 の fJFcavにも大きな違いはない。しかし， 3つの糖は それぞれ異った共溶媒効果を示すととからも2，〉

dFW

がfJFcavよりも重要であるととがわかる。 各糖の正の共溶媒効果が主として，糖(S)と炭化水 Benzene _{Na(Sph×th1 alene B(Sip×h1en05y) l} (SX102_{) 04)} 一 一 一 一 ー 一 一 一 一 品 2.08 2.81 5.33 2.53 3.97 7.81 2.88 4.24 7.98 2.10 3.22 5.64 2.03 4.07 7.03 2.41 4.42 7.88 2.47 5.57 9.75 2.32 3.78 6.59 2.86 4.94 10. 12 2.25 2.60 4.94 素

(

B

)

との相互作用に基づき，かつSとBとの聞に複 合体の化学量論的形成を仮定するならば，その結合定 数を推定することが可能である。今，糖は透過させない が水と炭化水素は透過させる透析膜内の糖と炭化水素 が，外液の飽和炭化水素溶液と平衡状態にある平衡透 析系を仮定してみる。平衡系は次のように表わされる。 B +νS=BSν ( 2 ) ここでνは炭化水素1モルに結合する糖の数である。 νが大きく変動しないとすれば却，みかけの結合定数 (KaPP)は次式lとより与えられる。 Kapp=

_

l

型企

L

-- [B][S]~ (3) ととで， [B]， [S]， [BS~] は平衡時のそれぞ、れのモノレ濃 度を表わす。 [B]=C(Co:外液の炭化水素のモノレ溶解 度)であるから， [BSν]=C-CO となる。乙とで Cは 透析膜内の糖溶液中の炭化水素のモル溶解度を表わす。 従って，式(3)は次のようになる。

C

1 C 1 十 KaPP[S]~ (4) 飽和水溶液中での炭化水素の活量係数は 1とみなせる ので叩，糖溶液中の炭化水素の活量係数(f)は次のよ 表7 ナフタレンのマノレトデキストリン (0.55M グルコース残基濃度)への溶解度(S:moles /kg H20

，

250C)2) Maltodextrin SX104 _{お1altodextrin S X 10}4 Glucose 2.61 お1altotetraose 3.47 恥1altose 3.05 恥1altopentaose 3. 59 乱1altotriose 3.30 恥1altohexaose 3. 77 H20 2.58

6 -表8 糖ービフェニルについての相互作用パラ メータ_2) Sugar ν KaPPX10 (M-1) G1ucos巴

。

。

Ga1actose 0.9 0.82 おfannose 1.0 0.94 Xy10se 1.1 1. 00 Arabinose 1.0 1.13 Ribose 1.3 2.86 ν:ビフェニノレに結合した糖分子の数， Kapp;みかけの結合定数 うに書ける。 I=CO/C 式(4)と式(5)より次式が得られる。 (5) (1一刀グ=KaPρ[S]ν (6) (1一刀グは炭化水素を水から糖溶液へ移すときの炭化 水素の活量係数の相対的な減少を表わす。との系にお いて，加えられた糖の濃度[So]は炭化水素のそれ[C] より十分に大きいので，[S]は [So]で置き換えるこ とができる。即ち，式(6)は次のように書ける。 1n[//(1-1)]=ln(l/ KaPP)一ν1n[So] (7) これから求められる相互作用のパラメーター (KaPP とν)の値は，定量的なものではないが，多くの有用 な情報を与える21，2ヘ各糖の共溶媒効果を比較するた めに，水から糖溶液へ移すとき最も大きく活量係数が 減少するビフェニjレについて，各糖との相互作用のパ ラメーターを求めてみることにする。単糖類の 1n[//(1 -/)]と ln[So]のフ。ロットを図2に示す(グルコースの /は 1以上であるため

1

/

(

1

-

/

)

値が求められないので 除外した)。図

2

から求められたKaPPとνの値を表

8

にまとめた。表

8

からわかるように，どの糖もビフェ ニノレと 1対 1の複合体を形成し，その結合定数はクソレ コース〈ガラクトース<マンノース<キシロースくア ラビノース〈リボースの順に大きくなる。乙の KaPP の違いはおそらく，糖分子の CH の密度および局在 表面積の違いを表わすものと考えられる。 糖 分 子 の 相 互 作 用 サ イ ト 1モルの溶質を水から糖溶液へ移すときの自由エネ ノレギ一変化は式(8)から計算できる。 LJFt=RT1nl (8) その結果を表9に示した。 2つの溶質についてのLJFt 食物学会誌・第40号 表

9

ナフタレンとビフェニJレを水から糖溶液へ 移す際の自由エネルギー (caljmo1e)2) Sugar (M) N aphthalene Bipheny1 100 C 250 C 100 C 250_C Glucose (3.0) 81 -3 1~2 __.._O Ga1actose (1. 6) -92 -118 -29 -72 恥1annose (3.0) -76 -135 -124 -172 Arabinose (2. 7) -120 -152 -162 -178 Xy10se (3.6) -144 -157 -205 -215 Ribose (3.5) -439 -526 -530 -612 の温度依存性は負であり，乙れは水から糖溶液への移 行が吸熱過程であり，従ってエントロビー支配である ことを示す。とれらの熱力学的パラメーターは， い わゆる「アイスパーグ

J

理論によって説明するととも できる3付加。一方， Howarth37)は 13Cの緩和時間の 測定より，水が溶質の疎水性部分の動きを制限する特 異的な性質を持っていること，そして溶解のエントロ ピ一変化の大部分はその動きの制限によって説明でき るととを示した。 Rosemanと Jencks却によれば，水 の中のし1かなる有機物質の存在も水素結合の数を減少 させるという。その考えにしたがえば，移行の正のエ ントロピーは，糖溶液中の水の自由度が純水よりも大 きい乙とに起因するといえる。糖一芳香族炭化水素の 疎水性相互作用からの負のエントロピー寄与もあるが， それは比較的小さいと考えられる。大きなアニオンと 非イオン性溶質との相互作用において示唆されている ように路抑，糖一芳香族炭化水素の相互作用は，糖の水 和と糖一芳香族炭化水素の相互作用との白!由エネノレギ ーの差によってもたらされるものであろう。すなわち， 糖と芳香族炭化水素聞の疎水性相互作用は，糖一芳香 族炭化水素の相互作用の強さだけに依るのではなく， 糖と水の水素結合が弱いことにも依存する。すなわち， 糖の効果は， cavity形成の自由エネノレギー (LJFcav)の 減少と Van der Waals 力を通して起こる溶質一溶媒 聞の疎水性相互作用の促進をもたらす加。とれは，ほ とんどすべての有機物質がLJFcavと

d

F

;

3

t

を有利に することによって疎水性溶質の溶解を高めるという Rosemanと Jencks28_{)の説明に適合する。したがって} 糖分子の表面周辺では，水の構造性が純水に比べて増 すのではなく，むしろ糖の疎水性面周辺で非常にノレー ズになるために，炭化水素は糖に接近しやすくなり， また疎水性溶質を収容する cavity の形成も促進され ると考えられる。しかし一般的には，糖はリボースな どを除いて抑， 水の構造形成を促すと考えられてお

昭和60年11月(1985年) り39N45〉，水和の程度は O H基の配向に依存するとい われている39.品 45)。 いわゆる「特異的水和モデ、jレJ39l によれば，ピラノース環の equatorialの OH基の方 向は水の氷様構造に適合するので，周囲の水の構造を 協調的に強めるとしている。しかし17_{0NMRでは，} クツレコース，ガラクトース，マンノースの水和状態の 大きな差は検出されなかったω。乙れら3つのヘキソ ースの共溶媒効果の違いは，いわゆる「特異的水和モ デル」のみでは説明できない。加えて，糖の構造形成 効果については反論もあり46N48}，最近宮嶋ら29.抑は単 糖類とオリゴ糖の水和状態が「特異的水和モデル」に 適合しないととを指摘している。糖は多くの CH 基 を持っているので，糖分子の周辺の水構造を O H基 の寄与のみでもって説明する乙とは不可能であるo糖 の CH 基の配向は，分子内の水和殻の相互作用を通 して周囲の水の構造に影響を与えるので50-54)，O H基 の配向と同様に重要である。さらに糖濃度が高くなる につれて，糖分子閣の水和殻の重なりによって水の構 造は乱れてくると予想される。 以上をまとめると，糖の共溶媒効果は主に，糖と疎 水性溶質との疎水性相互作用によって決まり，それは 糖分子の CH 基が局在する疎水的な面で起とると推 定される。 糖 と ポ リ ス チ レ ン ゲ ル と の 疎 水 性 相 互 作 用 糖の疎水性は種々の炭化水素の水溶解度を高める共 - 7ー 溶媒効果の中にみられるが，別の方向からの実験結果 を検討してみよう。 ことでは糖をポリスチレンゲノレ

(Bio-Beads S恥1:-4，Bio-Rad Labs.， Richmond， CA. U.S.A)のような疎水性ゲノレのカラムに流したときの いくつかの特徴的な現象をもとに糖の疎水性について 検討してみる。 糖のポリスチレンゲノレへの吸着の大きさのめやすと してととで用いた分配係数 (K，仰)は

Kav=(V

o-

V

o

)

/

V

g (9) によって計算される問。とこでんは溶出容積

，

Vg とVoはそれぞれゲノレ容積とカラムの voidvolumeを 表わす。いろいろな条件下で得られた K仰 を 表10に 示す。各単糖はポリスチレンゲノレに対して明らかに異 った

K

a

v

を持つヘ

K

a

v

は， 水の構造を促進するこ とによって疎水性相互作用を強めるととが知られてい るNaCl溶液中では大きくなり，疎水性相互作用を弱 める水構造破壊性のイオンである SCN-56.571の存在 下では小さくなる。 2 MLiSCN中では単糖類間の差 はなくなり，

K

ーの値も小さくなる。これは疎水結合 が SCN-の存在下では切断または弱められるととと 一致する問。各糖のポリスチレンゲノレに対する個有の

K

a

v

は，ポリスチレンゲノレとの相互作用がそれぞれ異 なるととを示している。との系では，大きな網目のポ リスチレンゲノレ(40A)が用いられているので，分配係 数

K

a

v

は立体排除と疎水性相互作用の組み合わされ た効果によって決定される。単糖類の分子の大きさは 表10 単糖類とマノレトデキストリンのポリスチレンゲノレに対する分配係数

(

K

a

v

，250 C)4l

K

a

t

乱1onosaccharide

H20 2 M NaCl 4 M NaCl 2 M NaSCN 2 M LiSCN Galactose 0.55 0.61 0.67 0.54 0.51 Glucose 0.56 0.62 0.69 0.54 0.52 Mannose 0.62 0.68 0.74 0.57 0.55 Fucose 0.90 1.33 2.00 nd nd Arabinose 0.68 O. 74 0.80 0.60 0.60 Xylose 0.68 0.74 0.80 0.58 0.57 Ribose O. 75 0.88 1.07 0.74 0.63 Deoxyribose 1.07 1.47 nd nd 0.82 Maltodextrin H20 0.1 M NaCl 2 M NaCl 2 M LiSCN Glucose 0.55 0.55 0.62 0.52 恥1altose 0.67 0.67 0.85 0.52 Maltotriose 0.91 0.94 1.33 0.50 Maltotetraose 1.01 nd nd nd 恥1altopentaose 1.45 nd 3.04 0.52 Maltohexaose 1.85 nd nd nd

- 8ー ほとんど同じだから，立体排除効果はすべての糖につ いてほぼ等しいと考えられるので， 糖の個有の Kav は，大部分，ポリスチレンゲJレとの疎水性相互作用の 強きが異なることに起因する。これは，分子の立体配 座に依存する糖の CH-表面積の違いを反映している ものであろう。とれはマノレトデキストリンとポリスチ レン聞の疎水怯相互作用がマjレトデキストリンの分子 量が増すにつれて著しく強められるとととも一致す る。即ち，マノレトデキストリンがシクロデキストリン cavityの内面に似た CHの局在した面を作り，そ乙で ポリスチレンと強く相互作用する乙とを示している。 マノレトデキストリンに対する塩効果の傾向は，単糖 類ーポリスチレンゲ、ノレ系についてのそれと非常によく 類似している。 Bio-Beads SM-4 (ポリスチレンゲ、jレ)と水溶媒と の聞の糖のみかけの分配係数(Kav)は立体排除効果に より支配される分配に加えて，糖 (S)と Bio-Beads (B)の聞のはやい吸着平衡によって決まると考えられ る。すなわち， S十B=SB UO) BとSBの活量係数は等しいと仮定できるから59〉，吸 着の平衡定数 (Kad)は次式によって与えられる。 Knd= _ _{一 一 一}[~~]

…

[S] [B] ) 1 1 ( こζで[B]と[SB]は糖が接近しうるゲ、ル相中の空ま たはS によって占められたサイトのモノレ濃度を表し， [S]はゲノレ中の遊離型の糖濃度 (molesjLiter)を表わ す。 [B]+[SB]=[Bo] (独立かつ同等な結合サイトの 全濃度〉であるから，[SB]は次のように書ける。 _ Kad[S][Bo] [SB]=~一一一一

ω

1

+

Kad[S] 分配係数(Kav)はKav=([SB]+[S])j[S]oxによって定 義されるから ([S]exは平衡時の外液の遊離型の糖濃 度)，式U~から次式が得られる。 食物学会誌・第40号

Kav=-.LR(~主主d[~L 十 1)

_{[S]ox ¥ l+K} ad[S]， -J U3) [S]j[S]ex=K~v (吸着のない糖の分配係数)であるか ら，Kad[S]<lとなる糖濃度の低いととろでは式<<3)は 次のように書ける。 Kntl= _

~

_

{竺竺三

1

!

_

;v

，

一

[Bo]¥ K;v J

。

。

事実，との系では，糖濃度0.05-1%の範囲ではKavは 濃度に依存しない。吸着の標準自由エネノレギーは次式 によって与えられる。 r 1

，

Kn，，-K':...¥寸 iJF~ J = -R T ln 1一 三 一l一三二一一一竺I1 a -.- ---L[Bo] ¥ Kゐ

I

J

(15) したがって ln[(Kav-Kゐ)jK~o] の項は糖ーポリスチ レンゲJレ相互作用の強さを定量的に表わすζとになる。 単糖類の Kavのうち最小値である 2 MLiSCN中で のガラクトースの Kav(0.51)注をKふとして， 4 M NaCI中の単糖類についてこのパラメーターを計算し， その結果を表

1

1

に示した。(注:2M LiSCN中で疎水 性相互作用が完全になくなるとは限らないので，この 値を Kみとするのは厳密には正しくない。)このパラ メータに基づく糖の疎水性は， ガラクトース<グノレコースくマンノース<{(アラビ ノース，キシロース)<{リボース<フコースくデオ キシリボース のj慣に大きくなる。 糖の疎水性の指標としての ln [(Kav-K~v)/K，ム]と他の疎水性のパラメータを比較 してみよう。 疎水性の指標として一般に用いられているトランス ファー自由エネノレギー，iJFt(水→ブタノーノレ)を糖に 適用してみる。 iJFtは次式によって与えられる。 iJFt=灯 ln

~w +

R T ln_l'rl.>_ U6) A b Yb 乙乙で，X:ωとXbはそれぞれ糖の水と1-ブタノール へのモル分率溶解度，仰と γbは水とプタノール中で 表

1

1

糖 の 疎 水 性 の 序 列

Monosaccharide ln[(Kav-KO av)j KO ao]4) -8(LlFt)(caljmole)4) lndex A65) lndex C6S)

Galactose -1.15

。

28.9 14.3 Glucose -1. 04 460 27.9 14.5 民1annose -0.80 1060 29.0 15.1 Arabinose

一

0.56 1240 32.1 14.9 Xylose -0.56 1310 31. 5 15.3 Ribose 0.09 1950 33.5 17.5 Fucose 1. 07 1830 Deoxyribose >1.07 2750 43.1 21. 7

昭和60年11月(1985年) の糖の活量係数を表わす。 γbは 1とみなせるので， 式加)の活量係数の項はRTln仰によって置き換えると とができる。したがって γ却が，いくつかのへキソー スについてそうであるように船，糖の間で大きく違わ ないとすれば， 各糖の LJFtの差，たとえば最も疎水 性が弱いと思われるガラクトースとの差

，

8(LJFt)= (LJFt)s -(LJFt)galを近似することはできる。すなわち， 8(LJFt)=RT [ln (XwjXb)SUg-In (XwjXb)Ual]

ω

8(LJFt)はガラクトースのLJFtを0とした場合の他の糖 の LJFtの相対的な値を示すことになる。仰式の妥当 性を確認するために， γ聞が報告されている 3つのヘ キソースについて抑 8(LJFt)を計算した。その結果は， マンノース(-1. 5 kcaljmol)くグルコース (-0.3kcal jmol)くガラクトース (0kcaljmol)であり，これらは 式聞により計算された 8(LJFt)に基づく順序に一致し た。 LJFtを指標とした場合，糖の疎水性は，ガラクト ースくグノレコース〈マンノース<アラビノース<キシ ロース〈フコース<リボース〈デオキシリボースの!慣 に強くなる。表11からわかるように， 2つのパラメー ター， 即ちIn[(Kav-K，ゐ)jKゐ]と， 8(LJFt)に基づく 糖の疎水性の順序は，フコースとリボースが逆転して いるのを除き，一致している。ヘキソースではマンノ ース，ペントースではリボースの疎水性が特に強く， またガラクトースとフコース， リボースとデオキシリ ボースの比較から， OHをHで置換することによって 疎水性が著しく強くなることがわかる。この2つのパ ラメータを基に，最も妥当な疎水性の順序は ガラクトース<グルコースくマンノース<(アラビ ノース，キシロース)<(リボース，フコース)<デ オキシリボース であると結論できる。 糖 の 疎 水 性 の 決 定 因 子 オクタデ、ンルシリカのような疎水性物質を固定相に 用いた HPLCでの溶質の保持時間は溶質と固定相の 疎水性リガンドとの間の疎水性相互作用の大きさによ って決まる60)。したがってアミノ酸は疎水性の強さに したがって溶出される。 Horvathら61.62)は，疎水性物 質を固定相に用いた液クロでの溶出因子(めについ て， SinanogluとAbdulnur63_{.ω によって展開された} 疎溶媒性理論に基づき，定量的な式を誘導した。彼ら は類似物質については， 必はU8)式によって与えられる ととを示した。 ln k=const.十B'LJA U8) 9 -乙とでん=ゆK(ゆ=固定相と移動相の容積比，K =吸着 の平衡定数)， const.とB'は (B'には溶媒の表面張力 が含まれているが)類似した溶質については一定の値 をとる。 LJAは溶質と疎水性リガンドとが接する表面 積であり，溶質の炭化水素の局在する面積に比例する。 厳密な類似性から，単糖類の In[(Kav-K~v)l K引 に， ついても同じ式が書ける。 ln [(Kav-K

ゐ

，)jKa"v]=吋 これは，糖の疎水性が糖と疎水性溶質との接触面積に 比例することを示している。おそらく LJAはCH基の 密度が相対的に高い特定の表面の面積によって決定さ れるだろう。実際 ~C ，マノレトデキストリンの分子量の 増加lとともなう Kavの増加は，全C H基の表面積よ りも C H基局在面が重要であるととを示唆している。 即ち， マノレトデキストリンはシクロデキストリン cavityの内面に似た大きなC H基局在面を持つことを 示している。単糖類においては， C H基局在面はH基 とOH基の立体配座(単糖の種類)によって決定され， したがって糖とポリスチレンゲ、ルとの疎水性相互作用 の強さ (Kad)は，それぞれ糖分子の C H基が局在す る疎水面の大きさに関係することが予想される。宮嶋 ら65)は水分子が接近できる糖分子表面の C H基局在 面が占める相対面積 (Indexc)および全C H基が占 める相対面積(IndexA)を計算した(表11)0 CH基 の占める相対面積と糖の疎水性の指標である Kavま たはトランスファー自由エネノレギ一変化との間には密 接な相関がある。吸着の自由エネルギ、ー(-RTlnKad) と宮嶋らの CH-Indexの聞には直線関係、が成立し， このことは，ある条件下でみられる糖の疎水的な挙動 が C H基の局在する面に依存することを決定的に裏 付けている。 お わ り に 糖とビフェニJレの結合定数 (Kad)，糖のポリスチレ ンゲjレに対する分配係数 (Kav)

，

糖を水から1-プタノ ールへ移すときのトランスファー自由エネノレギー (LJFt)に基づいて，糖の疎水性の序列が決定された。 また，これらの糖の疎水的な挙動は糖の C H基が局 在する疎水的な面で起とる疎水性溶質との疎水性相互 作用に起因することを示した。 との糖の疎水'性が持つ栄養学的意味について少しふ れておく。先にも述べたように，食物繊維は血中コレ ステローjレ上昇抑制作用，胆汁酸を吸着する作用を持 つ。その作用機序として食物繊維を構成する糖とコレ

一一10一 ス テ ロ ー ル,あ る い は胆 汁 酸 との 疎 水 性 相 互 作 用 が 考 え られ る 。 コ レ ス テ ロー ル 上 昇 抑 制 作 用 は,マ ンノ ー ス を 構 成 糖 と す る グ ア ー ガ ム67),コ ンニ ャ ク マ ンナ ン68),キ サ ン タ ン67)な ど が 強 い とい わ れ て い る 。 こ れ は マ ンノ ー ス が ヘ キ ソー ス の 中 で 最 も疎 水 性 が 強 く1∼4),コ レス テ ロー ル や 胆 汁 酸 の 吸 着 に適 して い る た め と 考 え られ,糖 の疎 水 性 面 の 関 与 を 強 く示 唆 して い る 。 ま たWellsとErshoff'1)は 食 物 繊 維 の 特 殊 な 高 分 子 構 造 が コ レス テ ロ ー ル 改 善 作 用 に 不 可 欠 の 条 件 で あ る こ とを,ペ クチ ンの構 成 糖 で あ る ガ ラク チ ュ ロ ン 酸 で は そ の作 用 が 失 わ れ て い る こ と か ら推 定 して い る 。 これ は マ ル トデ キ ス ト リンの 疎 水 性 が 重 合 度 と と も に 協 調 的 に大 き くな り,疎 水 性 溶 質 と 強 く相 互 作 用 す る こ と と も一 致 す る こ とで あ る 。 糖 と りわ け多 糖 類 の 疎 水 的 性 質 は 今 後,栄 養 学,食 品 学 に お け る 実 用 的 研 究 の 重 要 な ポ イ ン トに な る で あ ろ う。 文 献

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