In this study, the SEC-MALS (size-exclusion chromatography equipped with a multi-angle light scattering detector) method was applied to various cellulosic polysaccharides, and their molecular properties, i.e. molecular mass (M), molecular mass distribution, molecular conformation and chain stiffness (or the Kuhn segment length: lK) were evaluated (chapter 2 and 3).

　Along this procedure, some kinds of intermolecular structures (e.g. aggregates, insoluble residues and branching/cross-linking structures) were found for some cases, then their causes, origins, growth/dissolution conditions and other properties were studied (chapter 4, 5 and 6).

　In chapter 2, the lithium chloride/1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (LiCl/DMI) solvent system was adopted as a mobile phase of SEC analysis of cellulose, and validity of the method was examined using MALS and (13)C-NMR analysis. The results indicate that (1) 8% LiCl/DMI is a true solvent for cellulose; (2) no aggregates exist in the LiCl/DMI solutions of the cellulose samples used; (3) cellulose molecules dissolving in 1% LiCl/DMI are separated orderly depending on their M or radii of gyration (Rg) by the SEC system; (4) cellulose molecules once dissolved in LiCl/DMI keep their M and molecularly-dispersed state for a long time (6 months or longer).

　In chapter 3, the SEC-MALS-QELS (quasi-elastic light scattering) method was applied to cellulose and cellulose tricarbanilate (CTC) samples using LiCl/amide solvents and THF as the mobile phases. CTC was used as a reference because its solution behavior and molecular properties had been thoroughly characterized. Molecular conformations of cellulose and CTC in the solvents were then compared and discussed on the basis of the relationships between Rg, the hydrodynamic radii (Rh; obtained by QELS) and degrees of polymerization (DP) or the contour lengths (L). The Benoit-Doty theory for wormlike polymer chains was applied to the Rg vs. L data, and the theoretical curves with the lK of around 18 nm were found to fit the data of both cellulose and CTC molecules in the solvents. This indicates that cellulose and CTC molecules have conformations essentially identical to each other, regardless of the kinds of substituents, solvents or dissolution mechanisms, and thus the dominant factor determining the molecular conformations of cellulosic polysaccharides in their dilute solutions is the characteristics of the main chains consisting of β-1,4-glucoside linkages.

In chapter 4, the SEC-MALS method was applied to chitosan samples having different average M and degree of N-acetylation (FA) values. The influence of these parameters on dispersion states of chitosan molecules in aqueous media was preliminarily examined by conformation analysis. It was shown that even a slight amount of residual N-acetyl groups (as low as 2% FA) caused the presence of aggregates, which gave critical effects on the data for the conformation analysis. Such aggregates could not be removed by common techniques such as preparative centrifugation (7740G, 10 min), microfiltration (0.1 μm) or lowering ionic strength of the solution. On the other hand, completely deacetylated samples had no such structures, and gave consistent data regardless of their M values. Therefore, complete deacetylation is highly recommended in advance of the conformation analysis of chitosan, although some depolymerization is unavoidable during the repeated deacetylation treatments.

In chapter 5, various cellulose and wood pulp samples including softwood kraft pulp (SKP) were dissolved in 8% LiCl/DMI and 8% LiCl/N,N-dimethylacetamide (LiCl/DMAc), and the obtained solutions were subjected to SEC-MALS. Although SKP was not completely soluble in 8% LiCl/DMAc, 8% LiCl/DMI gave a clear solution of SKP without centrifugation. Moreover, conformation analysis of them revealed that some compact structures like branches or cross-linkages other than molecularly-dispersed cellulose were present in the high M fraction of SKP dissolved in 1% LiCl/DMI. Since no such structure was found in the soluble fraction of SKP in 8% LiCl/DMAc, the insoluble fraction of SKP in 8% LiCl/DMAc exactly contributes to the branching and cross-linking structures in LiCl/DMI. Bleaching or removal of residual lignin did not affect these structures, while they were lost by acidic treatments or mannanase treatments. Thus, the key factor of the structure was found to be glucomannan in softwood.

In chapter 6, various wood pulp samples including SKP and softwood holocellulose were dissolved in 8% LiCl/DMI, and the obtained solutions were analyzed by means of a size exclusion chromatograph attached with photodiode array and multi-angle laser light scattering detectors (SEC-PDA-MALS) using 1% LiCl/DMI as a mobile phase to collect information concerning DP, DP distributions, distributions of residual lignin and their UV-VIS absorption patterns. Changes in DP of SKP during the conventional bleaching sequence were evaluated as well as those of the residual lignin present in there. About half of the residual lignin in softwood unbleached and bleached kraft pulps was present in the high-DP polysaccharide fractions, which occupied approximately 90% of the pulps. Some characteristic differences in the UV-VIS absorption pattern were observed between kraft pulps bleached at oxygen and chlorine stages. DP, DP distribution of polysaccharides and distribution of residual lignin were clearly different between softwood unbleached kraft pulp, softwood unbleached sulfite pulp, softwood holocellulose and hardwood unbleached kraft pulp. The UV-VIS absorption patterns due to the residual lignin were also different between these pulp and holocellulose samples.

　本研究では、多角度光散乱検出器を付属させた溶出排除クロマログラフ(SEC-MALS)を用いて、起源あるいは単離精製過程の異なる様々なセルロース試料およびキトサンなどの多糖類の絶対分子量、分子量分布、分子鎖コンフォメーション、分子鎖の剛直性の指標であるKuhnセグメント長などを高分子溶液理論に基づいて詳細に検討した。

　SEC-MALS分析では、まず無色透明な溶媒に高分子を溶解させなければならない。これまでSEC分析用のセルロース溶剤として、塩化リチウム/N,N-ジメチルアセトアミド(LiCl/DMAc)系が知られていた。しかし、この溶媒は針葉樹由来のクラフトパルプ、ホヤセルロースなどは溶解できない。そこで、新たなセルロース溶剤として塩化リチウム/1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン(LiCl/DMI)を選択し、SEC-MALS分析への適用性を検討した。その結果、セルロースはLiCl/DMIに完全に溶解し、SEC分析の結果から各セルロース分子は排除体積に対応して適正にカラム分離されていた。また、一旦LiCl/DMIに溶解したセルロースは少なくとも6ヶ月間は安定であり、低分子化などの副反応はなくSEC-MALS分析に適していることが判明した。

　そこで、動的光散乱検出器(QELS)を付属させたSEC-MALS法を用いて、各種セルロースおよびセルロース誘導体類の分子鎖コンフォメーション解析を行った。MALS分析から得られるセルロース分子の慣性半径、QELSで得られる流体力学的半径およびセルロースの重合度から、Benoit-Dotyのミミズ鎖モデル理論を適用した。その結果、セルロース、セルロース誘導体ともにKuhnセグメント長は約20nmであった。従って、セルロース分子の溶液中でのコンフォメーション、分子鎖の屈曲性がβ-1,4グリコシド結合様式に支配されており、置換基の有無、用いる溶媒の種類などに依存しないことが明らかになった。

　続いて、セルロースと同じβ-1,4グリコシド結合を有するキトサンについて、N-アセチル化度と水系溶液中での分子鎖間相互作用についてSEC-MALSを用いて解析した。その結果、キトサン中に残存している僅かな量のN-アセチル基の存在によりキトサン分子鎖間の会合−凝集体形成が認められた。一方、完全にN-アセチル基を除去したキトサンを用いた場合には、会合-凝集体は全く形成せず、真の分子量、分子量分布などの情報が得られた。従って、SEC-MALS解析を用いる場合には、分子鎖構造の不均一性に配慮する必要がある。

　LiCl/DMIの特徴は、従来の溶剤では溶解することができない針葉樹クラフトパルプ系セルロースを溶解できることである。そこで、様々なセルロース試料のSEC-MALS分析を行った。その結果、針葉樹漂白クラフトパルプのみが他のセルロース試料(リンター、バクテリアセルロース、微結晶セルロース、広葉樹漂白クラフトパルプ、針葉樹漂白亜硫酸パルプなど)とは異なり、同じ慣性半径でも高密度のセルロース成分を含有していた。この異常な構造のセルロース分子鎖は、希酸処理あるいはマンナナーゼ処理で消失し、他のセルロース試料と同じ分子鎖コンフォメーションを示した。同じく異常なセルロース分子は、針葉樹未漂白クラフトパルプ、針葉樹ホロセルロースでも認められた。従って、針葉樹中のセルロースには、元々グルコマンナンの分岐構造が存在している部分があり、その分岐構造が希酸処理などで除去されることを見出した。

　製紙用あるいはセルロース誘導体用のセルロース系パルプの分子量および関連情報は、最終製品の物性・特性に影響する重要な因子である。そこで、LiCl/DMIに各漂白段階での針葉樹由来のクラフトパルプおよびホロセルロースを溶解させ、絶対分子量、分子量分布、分子鎖コンフォメーション、残存リグニン分布、残存リグニン量、各溶出部分での残存リグニンのUVスペクトルパターンを光ダイオード検出器(PDA)を付属させたSEC-MALS装置によって分析した。その結果、漂白処理が進むにつれて残存リグニンが減少し、パルプ全体の分子量も僅かに低下した。残存リグニンの約半分はパルプ中の高分子部分に存在しているのが特徴であり、この残存リグニンはパルプ中のセルロースとの化学結合の可能性を示した。一方、他のパルプ試料では、残存リグニンは主に低分子量部分に存在していた。

　以上のように、SEC-MALS-QELS-PDAを用いた本研究の結果は、セルロースの分子鎖コンフォメーションに関する新たな知見を見出し、特に針葉樹セルロースには分岐構造が存在しているという新事実を見出した。これまでの手法と異なり、溶液物性解析からセルロースの本質にアプローチできることを示した画期的な結果である。従って、審査員一同は、本論文が博士(農学)の学位論文として価値あるものと認めた。