高井陸雄, 小嶋秩夫, Felix Franks 糖, アミノ酸水溶液の

Japanese　Sooiety
Japanese
Society　for
for Cryobiology
Cryobiology
and
Cryotechnology
and
Cryoteohnology
Drying〕，Vo1．39，31 〜35，1993．
Journal
of Freezing
and
凍結及び乾燥研究会会誌〔Japanese
糖
アミノ酸水溶液の組成とガラス転移温度
，
＊
Biopreservation
東京水産大学食品生産学科， Pafra　Ltd．
鈴木徹
高井陸雄
，
小嶋秩夫
，
Felix Franks
，
＊
Effectof Glycineon GlassTransitionTemperature of SucroseSolution
．
Toru SUZUKI ，
Rikuo TAKAI
，Tsuneo KOZIMA
and Technology
POPartment げ Food　Science
，乃細 0 ひ漉
勿
・
4 −57Konan
，ル∫inato翩，7「o 為yo ヱ08
ation
P 勿癖 oπ，Cα粥 6畷 98，（）B44GG
，BioPresen
POfra五彦d．
，
The　liquid−sol 三d　thermal equilibrium
and
・g ヱycine nlixture
sucrose
∫々θ卿
罵
U．
K
for
the　glass　transition　behaviour
glycine　solution
and
investigated
by
were
躍
げ
硲
＊
串
Felix　FRANKS
and
DSC ．For glycine solutions
using
the　glass
of glycine
，but instead，itwas found that a eutectic mixture
and
lce isformed during freezing．On reheating
the eutectic mixtures
the crysta 艮form of glycine
’
changed
from β type to type．
on DSC heating curves ，
For sucrose 一
glycine blends，a typical glass transition was recognized
transition
was
not
observed
，
decreased　as the weight
effects
that　glycille
α
the transition
temperature
and
at all
ratio
increased．
This shows
of glycine
These
results ，
concerning
．
glassy　sucrose as a　plasticizer
on
the　relation
betweenthe glasstransitiontemperature and the weight fraction
of glycine
，could be represented
・
by a semi empirical
equation
．
It
was
to
figure
a
ternary
state
diagram by the combination
of three binarystate
posSible
and
diagrarns
，sucrose −glycine，sucrose −water
glycine −water ．
Although the ternary state
diagram isnot
comple
，itcould predic亡 the beha▽iourdurlngfreezingof the temary
亡e
1．緒
っ
て
達成
状態に転移する傾向がある1）．い
の
中に化学物質や，生体成分が閉じこめられると，ガ
ラス状態の中の物質移動が極端に遅
溶液では緩慢な冷却速度で凍結した場合にもガラス転
ダ
移が起
る
とが認識されるようにな
っ
た
．水
溶液
の
ガラス転移は溶質濃度に依存し，濃度が高いほどガラ
転移温度が高くなる．したが
ス
では
凍結濃縮の進行に
と
っ
て水溶液の
もない残存溶液
凍結過程
のガラス転移
温度は徐々に上昇する．このため，残存溶液は過冷却
第39 回凍結及び乾燥研究会研究報告 4 ．
ガ
，
ロ
る．また
この
い
ため
，年
の
オー
ようにしてできた低
よって除去すれば，残存物のガラス転移温度はさらに
上昇し，室温でもガラス状態となることもあり得る．
すなわちこれが凍結乾燥の原理
うにな
こ
っ
う
い
係）を加
できる
であると考えられるよ
た 2）
．
っ
た系
の
挙動は従来から使われてきた固液平
衡図にガラス転移曲線
Glasstransition，Glycine，Sucrose；
ース〕
スク
ラス転移，グリシン
：
ーで安定に保たれ
たんガラス状態
っ
温でガラス状態にあるものから水分を低温乾燥などに
Key Words
〔
，
ス
されるものと考えられていたが，糖や高分子などの水
こ
あるいは過飽和状態から溶質の析出を見ずに直接ガラ
言
ガラス転移は従来，液体の急速な冷却によ
こ
system
組成
（
とガラス転移温度との関
えたいわゆる状態図によって読みとることが
・．（細胞や食
1 2）
品素材の）凍結や乾燥に対する保
一 31 一
一
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Japanese
Society　for
for Cryobiology
Cryobiology
and
Cryotechnology
and
Cryoteohnology
護物質として糖類がよく使われることから糖類
2成分系
糖類
に
ー
よる保護作用がガラス転移と密接に関係するこ
とが明らかにされ
の
．
，凍結，乾燥時の
3）
状態図は盛んに研究され
の
一水
つ
つ
o
ある．
o
，実際の凍結保存や
凍結乾燥に供
され
る系は複合成分系であることが多く，凍結，乾燥時の
津
Q
鼠
患
o
挙動はより複雑ある．GIycine は糖類とともに凍結
保護物質としてよく用いられるが，glycine 溶液の凍
で
い
ての
報告は，ごくわずかしか見
．また glycine が sucrose ・
水の系に加えら
れた場合，糖溶液のガラス転移にどのような影響を及
ぼすかについてはほとんどわか
ていない．そこで
−
glycine一
sucrose
本研究では，DSC
を使
て，
水系，
られな
い 4｝
っ
っ
glycine 系の温度による状態変化を把握することを試
．また多成分系の
みた
，
で
＝
しかしながら
結挙動や溶解度につ
on
式の適用につ
も検討を加えた．
て
い
ガラス転移温度を決める半経験
250
260 270
280　290　300
°］
Temperature　［K
−time curves of frozen
Fig．
L DSC heating
power
glycine　solutions ．
Cooling　and heating
−1 ．Sample weight
rate
5
．
O
degree
rnin
8 −17
mg ．E g lineshows the estimated eutectic
temperature ．Reproduced from neference
7．
た．
領域のカープにもガラス転移は認められなか
ー
1 の 0．
9％溶液のカブには共晶混合物の融
また Fig ．
：
．
2 ．実験方法
；
っ
Sigma analyt ・
icalgrade をそのまままた水は蒸留水を使用した．
DSC には PerkinElmer DSC −2 を使用し，全実験を
本実験に用
glycine た
い
，
は
，
通
sucrose
じて
5deg ／ min
冷却，昇温速度は
に固定
した
．
．
た
い
，数種
DSC
濃度に調整した溶液をDSC
の
にセ
トした．これを 23GK
ッ
温する過程を
低温側
の
では
DSC
で
パ
ン
に
封入し，
に
見られ
糖類の
氷の融解を示す大
，
．こ
た
が起こ
低
い
こ
さず共晶点で
ているのか，
あ
いはガ
る・
検出できなか
っ
たのかは重
っ
ため
の
溶液と凍結挙動
なるものと考えられる．Glycine 溶液で
おいてガラス転移を起
a．
濃度 20wt ％以下の試料は常温で十分溶解するた
め
きな
ピーク
glycine 水溶液
一水」系の試料の測定方法は以下の 2 通りの
「Glycine
方法を用
解と見られる小さな独立ピ〒クが
は
ことか
がか
ら
なり異
凍結過程に
glycine の
析出
ラス転移点がかなり
要なポイ
ン
トでは
まで冷却し，再び昇
追跡した．
b ．濃度 20wt ％以上の高濃度試料は常温で溶解しな
ため
い
DSC
，
合し，サ
セ
の
ッ
スペ
トした
パ
ン
ン
シ
の
．こ
をい
glycine
内で glycine
と水を数種の比
ョ
ン
状態で密封した
パ
ン
を
DSC
もの
に
内で始め加熱し，内部
たん溶解させた後 230K
っ
を
率で混
DSC
ー
．
O
まで冷却し
at 正
on
℃
ロ
Φ
た．この試料を再加熱する際の過程を DSC で調べた．
「Sucrose
DSC
パ
ン
・glycine」系で
内で種々
の
はそれぞれの結晶粉
末を
津
O
【
創
臼
幽
割合で混合し密封する事で組成
，
7 の組成の試料を DSC 内で加熱
nt・
溶解させ，すぐに 230K まで冷却後昇温する過程を調
べた，
側
O
を調整した．その
3 ．結
Glycine一
水］系
［
ッ
400
Temperature　『K ］
果と考察
Fig．1 と 2 はそれぞれ glycine
の希薄溶液と濃厚溶液の
DSC 昇温曲線を示す。ガ
ラス転移点は DSC 昇温カーブにおいて熱容量のス
テ
300 350
250
：
プ状の上昇から検出される
1）
が
，ど
ちらの濃度
Fig ．2 ．
Second
DSC heating　power −time　curves of
concentrated glycine　solutions ．
Cooling
−1 ．
rate ：5 ．
Sam −
O　degree・
min
and heating
45−80 mg ，Redrawn ，
with
from
reference
7
．
，
ple weight
ations
：
alter
・
一 32 一
一
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Cryoteohnology
fioe
．
9500
◇ ◇
◇
eutectic
Experimentttl
Q く） a O O
O
α）
莓
豊 300
＿＿＿− −＿＿一
一
＿＿、
＿− ＿＿．
岳
』
ー
◇ ◇
◇
婁欄
．
Temp ．
o
唱
8
200
酢
lec
2 0 ．
6 0 ．
8 1．
o
o．
o o ．
4 0 ．
WATER
GLYCINE
一
GIycine
Weight
Fraction
［］
Fig ．3．
Phase diagram of the glycine−water
systemL
◇ and
O
O
配
駑
binary
temperatures
from
ref
もピークの
において
度
268 ．
5K ）と一致して
（
Ewg
では共晶が
ークと重な
ピ
存在す
るが
，
arterations
そ
，
の
た．
っ
立ち上がり温度
ピ’クの立
い
融解
ることか
ピ
ち上がり
ら，高濃
ークは水
の
融解
りあっていると考えられる．
パ
を考慮す
解し
，
い
て
T
ると理
．す
解
される
T
なわち
でβ 一
glyci欺e の溶解が起き，
T
，
，
では
一
glycine の
α
結晶化が起
と解釈できる．そして最終的に
［
0
帖
°］
Fig．4 ．
Typical
DSC heating ’
power −time curves of
−
a ）first
the binary sucrose
glycine blends．（
，
heating scan of the　crystal
mixture
4 ％ wt ）
。Heating rate
（glycine　3．
−
1
・
O　degree min ．θ indicates　the　glass
5．
transition　point and E gs the eutectic point
こ
で共晶が融
、
それにひき続
の
ているも．
っ
T4 では
−glycine system ．Redrawn ，with
7．
alterations ，from ref ．
．
の溶解が起こると考えられる．この T4 は明らかに濃
of sucrose
度の増加と共に高温側にシフトする傾向が認められ
さらに，Figi　2　に見られるように高濃度の試料の
DSC カーブは 2ZOK 以上の海度域でかなり複雑な
ターンを示した．これは glycineが結晶多形 5｝であるこ
と
400
b）
（
second
低温側）が 0 ．
9 ％溶液の共晶融解
（
温度
variouS
．7 ．
あるが，本実験からは明らかにできなか
また，どの濃度
at
．
Redrawn ，
with
concentration
350
TemperatUre　［K
temperatures of glycine　and the
dissolution
euteCtiC
300
are the　expermental
α
・glycine
た
3 に示すが，共晶点濃度
関係を整理して Fig ．
．この
はかなり低濃度にあり， glycine の濃度にしておよそ
10wt ％付近にあるもの
glycine
「Sucrose −glycLne 」系
ことから
の
ス転移
ガラ．
水溶液を凍結する場合，
前に共晶が生成され易い
てい
と見なせる．こ
も
を起こす
．
ことが推察される
：結
晶粉末の混合物を昇温し
くと，いずれの組成でも
Fig．
4 （
a ）と類似の
カ
ー
360
冨
］
魁
Φ
」
340
ゴ
θ
僑
320
」
qd
目
←
300
口
O
お
踊
口
280
邸
」
←
の
毋
邸
【
｛
260
）
0SUCROSEo ，
2
0，4
o，6
Weight Fraction ［−
o．
8
1．
OGLYCINE
1
Fig．5 ．Glasstransition temperature θ versus weight fraction of glycine to sucrose ．
line
shows the　calculat βd data　by Eq ．
．．Redrawn ，
with alterations ，
1）
Solid
（
from
ref
．
7，
／
一 33 一
一
NNII-Electronic
工工 Eleotronio
Library Service
Library
Japanese　Sooiety
Japanese
Society　for
for Cryobiology
Cryobiology
and
Cryotechnology
and
Cryoteohnology
T・
9
0
とガラス転移温度は急激に下降することがわかる．す
glycine は
なわち
ZOO
200
」
ρ
O
T
塑剤
」
O
山
5に
．また Fig．
示
した実線は多成分系のガラス転移温度をその組成から
6
推算する半経験式（1 ＞，による計算結果である．
loo
100
n n
！
θ ＝　［Σ Xi △
θ
∈
り
θ 90
←
対して水と同じように可
に
．
コ
憾
sucrose
作用していることになる
として
0
温度， △Cp
一100
一loo
の
と
，
、
］
，
変化である．これらの
glycine
の
転移点に
は純成分のガラス
ーの
ラメーク
パ
283K
おける
熱容量
うち sucrose
度は実験結果の外挿からそ
ガラス転移温
れぞれ 343K 及び
Glycine
Sllcro
CPi］　（1 ）・
成分 i のガラス転移
Cp 【θ ／ Σ Xi △
i 1　i 1
ただし Xt はモル分率
θ【は純
，sucrose の熱容量
K ・nlol ）と決めら
（
と求められ
変化も実験結果の外挿から 167J／
glycine 比が高くな
れた．しかし glycine の △ Cp は，
ると非常に小さくなる傾向があり，求めることが困難
Water
であ
Fig．6． Estimatedstate diagram of the sucrose
temary system ．△ data
−glycine−water
obtained
：
in this study ．Tms，T
Tmg　are the　melt
sucrose
，and
mw
temperatures of pure
glycine
．
E
E ．
anCl
，
g．
alld
，
water
，
亡
，
聒
四
’
鍬
翩
跚
δ
四
．7．
ref
ブが得られた
．それ
ら昇温
められず，共晶融解と見なせる
ピークとそれにつづ
ー
ピ
に対
クが観測された．これ．
な小さな
温カープ
では
組成割合
によらず
ラス転移は認
．その結果 glycine の
時，（1）
式が実験結果を非常に
た．
た
低温側
ス
ヘ
glycine
シフ
トする傾
転移温度 θ と glycine
の
あ
っ
の
値は sucrose
．したが
っ
て
の
実験結果にも矛盾す
K ・mol ）とい
△ Cp ＝ 438J／（
以上の結果と sucrose
− glycine 一水の 3 成分系の
ることで，sucrose
の
所
概要が
かめる．
Fig．
6に
つ
も多々あるが
成分
うしの
ど
一水の状態図2 ）を組み合わせ
結果を示す．不明な箇
，3 成分溶液の
ガラス転移温度は各 2
ガラス
転移線 3 本によっ
て
囲まれ
れる．
図中 P 点にある溶液を冷却すると，固液平衡面上の
点
Q に到り
比
を一定に保
，
に
氷の生成にともな
っ
た
まま溶質が濃縮されて行き，共晶線
到達する．しかしこ
こでは
sucrose
の量的な比で
で
，glycine
して
い
，
混入する
転移面と交わり，残存溶液がガラ
と sucrose
量が増える
と
G
要
点は低
い
決まる点
温度にシフト
約
Glycine水溶液は糖類の
共晶点
G 点は初期水分含量
くことが定性的に理解できる．
5 はそのガラ
．Fig．
glycine が
の
ス
溶液の
は析出せず，さらに濃縮
凍結の場合と同じく sucrose
G 点でガラ
て glycine ／ sucrose
っ
関係なく，glycine
に
たおそ
らく下に凸な 3 角曲面によって表されるものと考えら
に
ッ
状態図
その
し，溶解冷却後の再昇
た
い
1｝
難く，（
式の適用を検討する必要があろう．
の
られる
う値は
単純に glycine のガラス転移による熱量変化とはい
状態になることが読める．こ
Fig ．
4 （
b ）に見
っ
167J／（
mo1 ）
K・
の
ス
重量分率との関係をプロ
トしたものであるが， SUCrose
△Cp
よく表せることがわか
Egs で示されるよう
く Sucrose の融解の
の重量比が大きくなるにっれて
向が
の
っ
が進み
ような θ点で典型的なガラス転移が認められた．また
この θ点は
をパラメーターと
fittingを行
△Cp が 438J／（
K ・mol ）の
Esw − Et
カーブにはガ
の △
して，実験結果に最もよく合うように
る
E
and E　ge　were reliably
point．
establ 至shed in　this　study ，
but　other
eutectic points　are uncertain ．
the　glass　transition
θ，
θ and θg indicate
A
temperatures of the pure　materials ．
between
the
is　the　intercept
point θ
lineof T 一E and the θ
extrapolation
一
transition
Iine．
And also a θ
giass
point
’
．
between the　extrapo
θ 蝕
gis the　intercept
lation　line　of Tm ガ E wg and the θガ亀
Iine．
Reproduced from
glass　transition
eutectic
Cp
glycine
ため
と比較しても大きく，また前述
points　of
is　the　ternary
eutectic
E
，
the　binary　systems
．その
しかし，こ
跚
Egs　are the　respective
た
っ
が
浅く凍結時に
溶液と異なり，平衡図上で
ガラス
転移しづらい
ことがわ
一 34 一
一
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工工 Eleotronio
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Library
Japanese　Sooiety
Japanese
Society　for
for Cryobiology
Cryobiology
and
Cryotechnology
and
Cryoteohnology
か
っ
た．また凍結した
glycine 水溶液
を解凍していく
過程で， glycine の結晶形は β 型から α 型に転移して
くことが
DSC
水を含まな
カ
い
ーブか
sucrose
・glycine
の
．
混合系では
献
L ．Slade In “
Water and Food
” T ．M ．Hardman ed ，Elsevier ．
Quality
，
，，
，p
1989）．
71　（
−
2 ） Franks ，
F ．Cryo Letters，
11，93　（1990）．
P．
R ．
Parket
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3 ） Orford，
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Research
196
11
1990
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Soc ．
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7 ） Suzuki，
」．
in　press（
1993）．
aday Trans ．
，
H ．
and
1 ）Levine ，
メル
程度のスピードで冷却した場
5deg／ min
ト状態から
ら読み取られた
文
い
：
：
合にもガラス転移する
ガラス転移温度は
ことがわか
glycine の量が
降下することから，glycine は
っ
た
．また
その際，
増えるにしたが
sucrose
のガラス
っ
て
状態
に対して可塑剤として作用すると考えられる．
本実験で得られたデータと
合わせ glycine − sucrose
相を描くと，
3 成分
溶液
sucrose
溶液
・水の 3 成分系
の
ガラス
の
状態図を
の状
態図の様
：
，
動を定性的に説明できることがわかった．
た
凍結挙
，
転移を含め
：
，
：
，
：
一 35 一
一
NNII-Electronic
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Library Service
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