天然に生産されるセルロースが一般に結晶として存在することは良く知られ、古くは1913年に西川・小野らがX線繊維回折を発表している。一旦溶媒に溶解し再生したセルロースの多くや、12%以上の水酸化ナトリウム水溶液などアルカリに膨潤し水洗・乾燥したセルロースも結晶性だが、その構造は天然のセルロースIと異なる結晶形セルロースIIとなる。-1,4結合によりグルコース残基が分子軸周りに180゜回転しながらつながるセルロース分子のおよその形状とその配置はすでに1920年代に、X線構造解析により明らかにされた。1970年代にはコンピュータによる系統的な検討によりセルロースIは分子鎖の還元末端が常に一方向を向く平行構造をとり、セルロースIIはこれが交互に反対側を向く逆平行鎖構造であると結論された。一方セルロースはグルコース残基当たり3つの水酸基をもつことから、その物性発現には水素結合が重要な役割を担っている。赤外線吸収スペクトル測定やX線構造解析によりその結合様式の解明が試みられてきたが、これを確定する十分なデータは得られていない。中性子線は水素との相互作用が強いため水素結合の構造解析に適している。1990年代からは繊維状の試料に対しても中性子線による構造解析が行われるようになってきた。そこで本研究では水素結合様式を含めた構造解析の精密化のため、新たな試料調整法を開発しX線回折および赤外線吸収(IR)スペクトルのデータ精度を高めるとともに、中性子線繊維回折を用いて水素結合に関わる水素の位置を検討した。またマーセル化はアルカリ膨潤により繊維としての形態を保ちながらセルロースIからセルロースIIに変態することから、平行鎖/逆平行鎖構造の当否や変態の機構が問題とされてきた。その解明のため本研究では膨潤に伴う形態変化の再検討、X線回折により膨潤-再生過程の分子秩序の変化を追い、結晶変態の駆動力を提案した。

　高結晶性セルロースを含むシオグサの細胞壁を用いてセルロース微結晶の一軸配向試料の調整法を確立した。シオグサセルロースを常法で精製後、60%硫酸で加水分解して得られた微結晶分散液をバイアル瓶に入れた。このバイアル瓶を水平に保ち、かつその中心を軸に回転させることにより分散液と瓶の壁面の間に剪断流動を発生させたところ、数時間後に瓶の表面に白いゲル状物の堆積が観測された。ゲル状物質をエタノールで洗浄して乾かすことによって一軸に配向したフィルムが得られた。またバイアル瓶を回転させる時間や分散液の固形分濃度を変化させることによってフィルムの厚さを調整することができた。

　上の方法で得られる試料は一般的に高度に配向した繊維軸以外の結晶軸も緩やかな配向性を持つ。このような二軸配向性試料から得られる回折データは3次元的性格をもち、通常の繊維回折より情報に富むが、そこから正確に各回折強度を抽出する方法は確立していない。限られたコンピュータ資源で高分解能の3次元X線データを解析する方法を検討した。

　上の方法で得られた配向フィルムを0.1Nの水酸化ナトリウム重水溶液に浸漬し、耐圧容器中210℃で30分間熱処理したところ、結晶内の水酸基が全て重水素化された。IRスペクトルの-OH伸縮振動が微細構造を保存したまま-OD伸縮振動の領域に移動すること、X線回折パターンが影響を受けないことから、この処理により結晶性や配向性を損なうことなく重水素化できることが分かった。またより高温ではセルロースに転移するセルロースもこの条件では完全に結晶形が保存されていた。

　上の方法で厚さ1m程度に調整したシオグサ(Cladophora wrightiana)およびホヤ(Halocynthia roretzi)由来の高結晶性セルロースIとその重水素化試料、およびセルロースIから超臨界アンモニア処理により結晶性を損なわずに得られるセルロースIIIと重アンモニア処理によるセルロースIIIの重水素化試料について偏光赤外線吸収スペクトル測定を行い検討した。これまでCH₂の対称および逆対称伸縮と考えられていたバンドは重水素化によって大きくシフトしたため、改めて検討し直したところ、繊維軸に直行する2869cm^-1と繊維軸となす角の小さい2969cm^-1が対称および逆対称伸縮バンドと考えられた。この2色比からセルロースIにおいてO6が理想的なtgからずれていることが示された。セルロースとのスペクトルの間ではOH伸縮振動、CH伸縮振動および700cm^-1以下の低エネルギー領域全体に渡ってピーク位置の違いが確認できた。4000から400cm^-1の測定領域内のほとんどのバンドは水素の振動とカップルしており重水素化によりシフトするが、シフトしない1162cm^-1および1057cm^-1は重水素化により変化せず、それぞれO1およびO5を挟む純粋なCOC逆対称伸縮であることが確認できた。OH伸縮振動のピーク幅は、同様の結晶性でも結晶形およびバンドによって異なることから、緩和過程を反映したものと考えられる。セルロースIはすべてのOH伸縮バンドがほぼ同じピーク幅をもつのが特徴的である。

　シオグサとホヤ、およびほぼ純粋なセルロースからなるGlaucocystis nostochinearumの細胞壁由来の一軸配向セルロース試料から1Åまでの高分解能X線回折データを0.72Åの高輝度X線とイメージングプレートを用いて測定した。中性子線回折は原子炉型中性子線施設の単結晶構造解析用ビームラインで1.33Åに単色化した熱中性子線と位置感度検出器を用いて測定した。これまで構造解析に使われていた回折データは2.5Å程度までであったが、これにより1Åまで拡張することができ、回折強度データの数も従来の40程度から一桁増やすことができた。X線データからLAISプログラムにより分子鎖骨格を精密化したのち、骨格のモデルから得られる位相と中性子線回折強度から得られる振幅を用いてフーリエ合成を行い水素結合に関わる水素を可視化した。

　精製した亜麻繊維束を0℃下、3.0NのNaOH/H₂OないしNaOD/D₂O溶液でくり返し膨潤および水洗(H₂OないしD₂O)を行い、水洗時に適度な緊張力を掛けることにより高結晶性・高配向度のセルロースIIおよびその重水素化試料を得た。この2つの試料についてセルロースIと同様に中性子線繊維回折図を測定し、Fourier合成によって水素の位置を可視化するとともに、その座標を精密化し、セルロースIIの結晶構造および水素結合様式を明らかにした。

　ラミーは単純で通直な繊維構造を持つにも関わらず、単繊維は外的な拘束力がない条件ではアルカリ膨潤によってねじれ、形態が大きく変化することが確認された。繊維のねじれはラミ一繊維が3゜程度のミクロフィブリル傾角をもつこと、アルカリ膨潤により分子鎖に直行する方向に最大30倍程度まで拡大することから幾何的に説明できた。一方、2N(8%)の水酸化ナトリウム水溶液では温度を下げていくと0℃付近で劇的に収縮が始まり、繊維軸方向に50%程度まで収縮するが、結晶の配向度はそれほど変化しない。この繊維の収縮の始まる温度は水酸化ナトリウムの濃度が高くなるほど高温側に移行した。また繊維の収縮が起きる温度は結晶の崩壊する温度と一致することから、繊維の収縮は、結晶状態から解放されたセルロース分子が一時的にゴム弾性を示すために生じるものと考えられた。これはマーセル化において分子鎖が孤立に近い状態を経ることを示唆している。

　アルカリ膨潤状態においてセルロースはアルカリとの複合結晶をつくることが古くから知られている。このアルカリセルロース結晶の生成過程およびそこからセルロースIIへ再生する過程をX線回折により追跡したところ、膨潤初期のアルカリ濃度等の条件により繊維周期が10ÅのNa-セルロースIまたは15ÅのNa-セルロースIIが生じ、これらの結晶形は一旦形成した後は周囲のアルカリ濃度を変化させても相互に転移しないことが明かとなった。このことはアルカリセルロース結晶においても分子が動力学的に束縛されていることを示す。またアルカリ濃度を下げてゆくと室温で約1N、0℃では約0.5Nでアルカリ結晶の回折が消え、4.3Åの赤道回折のみを与えた。水洗に従って他の回折ピークに先行してこの4.3Åのピークの強度が上がるのが観測された。43Åはピラノース環が重なる距離に相当することから、上の結果はセルロースIIの再生において疎水的なピラノース面のスタッキングが先行することを示す。さらにこのセルロース分子の表面形状を検討したところ、この疎水的スタッキングは逆平行鎖に配置した場合のみCH同士の衝突を回避し得ることから、平行鎖から逆平行鎖への駆動力として疎水的な結合の安定性が大きく寄与していることが示された。