Thermal reactivity of hemicellulose and cellulose in cedar and beech wood cell walls

Hemicellulose and other minor saccharide reactivity in wood cell walls

図3は熱処理した木材の比較である。ブナとスギを220-380℃（10℃/分）で処理した。 ブナ材の変色は240 °Cで始まり，褐色に変化し，温度が上がるとさらに濃くなった。 逆に、スギ材の変色は320〜340 ℃の高温域で発生した。 このように、変色という点では、ブナ材はスギ材よりも反応性が高いことがわかる。 これらの結果は，以下の段落で述べる木材成分の熱分解反応性の違いに由来すると思われる。

窒素気流（100 mL/min）下、各種温度（10℃/min、保持期間なし）で熱分解を行ったaスギ材およびbブナ材の外観写真

熱処理木材中の加水分解性糖含量の推移をFig.3に示す。 4にアラビノース，グルコース，ガラクトース，マンノース，キシロース，4-O-MeGlcAの6つの糖成分に着目して示した。 加水分解性糖質は、無処理木材からの収量に対する回収率で示した（100%で正規化）。 グルコース以外の糖は，安定な結晶性セルロースを加水分解するような厳しい加水分解条件を与えるとヘミセルロースやペクチン由来の糖が不安定になるため，酸性メタノール分解で得られる対応するメチルグリコシドとして求めた

Table 1は，スギとブナの未処理木材から求めた糖組成を示したものです。 これらの糖の起源については、熱分解の結果を比較する前に、文献に基づいて議論する必要があります。 グルコースの大部分はセルロースに由来するが、グルコースはグルコマンナンの構成要素でもある。 スギ材とブナ材のキシロースとマンノース含量の違いは、広葉樹と針葉樹のヘミセルロースのよく知られた組成の違いによって説明できる。広葉樹はキシランと微量のグルコマンナン、針葉樹はグルコマンナンが主でキシランが少量であるのが普通である。 したがって、マンノースとキシロースの収率の変化は、木材熱分解中のグルコマンナンとキシランの分解をそれぞれ直接的に示している。 グルコースの回収率の減少はブナではセルロース分解に関連しているが，スギではグルコマンナン分解の寄与を考慮する必要がある。

スギ、ブナ材ともにキシランには酸性糖成分として 4-O-MeGlcA があり、酸および塩基（ウロン酸金属として）触媒として機能すると期待されており、この単位は木材細胞壁成分の分解を促進する可能性が示唆された。 本論文では、特に細胞壁におけるこの促進効果の有効性について考察する。 一般に、4-O-MeGlcA含有量は針葉樹よりも広葉樹で多く、ブナ（20 g/kg）およびスギ（9 g/kg）で認められたように、表1.2225>

アラビノースおよびガラクトースの起源はより複雑である。 アラビノースは針葉樹キシランの成分であるが、広葉樹キシランの成分ではない。 しかし、ガラクトースは両種の木材のグルコマンナン鎖に結合している。 これらの微糖については、アラビノースとガラクトースを主糖とする一次細胞壁中のペクチン含量を無視することはできない。

図4において、グルコースユニットの分解は両木材とも最高温度領域で観察され、安定性の高いセルロースの分解と一致する。 逆にキシロースとマンノース単位が分解する温度領域は異なり，スギではキシロースとマンノース単位は同程度の温度で分解するが，ブナ材の熱分解ではマンノース単位はキシロースに比べてかなり低い温度で分解している。 両木材のキシロースユニットは同程度の温度で分解し，スギのマンノースユニットも分解することが観察された。

図4に示したスギおよびブナ材のヘミセルロース中の糖単位の熱分解反応性を，図5に示した単離キシランおよびグルコマンナンのものと比較し，細胞壁マトリックスの影響を明らかにした。 単離したヘミセルロースの結果は破線で示した。 ウロン酸部位の大部分がNa塩として存在する市販のブナ材キシランを、脱塩（遊離カルボキシル）試料とともに単離キシランとして用い、本研究で用いたのと同様の手順で熱分解反応性を評価した ……この結果、ブナ材キシランの熱分解反応性を評価した結果、ブナ材キシランの熱分解反応性を評価することができた。 前報の針葉樹および広葉樹10種の分析データから、キシラン中の遊離カルボキシル基4-O-MeGlcA基の多くはアルカリおよびアルカリ土類金属陽イオンと塩を形成するが、一部は後述のようにリグニンとのエステル結合形成に関与していることが示唆された。

熱分解温度が回収率に及ぼす影響：a xylose, b 4-O-MeGlcA, c mannose, d arabinose and e galactose in Japanese beech (black circle) and Japanese Cedar (white circle) woods, comparison with isolated xylan (white pointing-up triangle)（ブナの白丸とスギの白い三角形。 白丸：Na+塩、黒丸：遊離カルボキシル）および単離グルコマンナン（x）と比較した。 熱分解条件：加熱速度(10 ℃/min)/窒素流量(100 mL/min)/保持時間なし

グルコマンナンは、ホロセルロースからキシランを予備抽出した残滓を水酸化ナトリウム (24%) とホウ酸 (5%) 水溶液で抽出するといった既報の手順に従ってスギ材の分離を行った。 しかし、その手順では、樹脂を用いても単離されたグルコマンナンからホウ酸の混入物を除去することができないと結論づけられた。

両木材のキシロース単位の分解温度は、分離キシランと比較して高温にシフトしており、両木材の細胞壁中のキシランが著しく安定化されていることが示唆された。 さらに，上述のスギ材のグルコマンナンと同様の反応性を示すことが確認された。 4-O-MeGlcAユニットも両木材で安定化されているが、観察された安定性はスギとブナで異なっている。 これらの結果は、キシラン鎖に結合した4-O-MeGlcAユニットが木材細胞壁中で制限されており、4-O-MeGlcAがキシラン分解の酸および塩基触媒として適切に機能しないことを示唆している。 現在、木材の熱分解においてキシランはグルコマンナンよりも反応性が高いと考えられているため、今回の発見は木材熱分解分野の研究グループに新たな知見を提供するものである。

マンノース単位の反応性はスギ材とブナ材で逆の傾向を示した。スギ材のマンノース単位はコンニャクグルコマンナンよりわずかに高い温度で分解し、ブナ材はグルコマンナン含有量が比較的少ないがマンノース単位は著しく低い温度で分解した。 これらの結果は，スギ材とブナ材の細胞壁マトリックスにおいて，グルコマンナンが存在する環境が異なることを示唆している。 ブナ材のグルコマンナンの反応性が高まった理由として、後述するように、ブナ材の細胞壁中のグルコマンナン近傍で4-O-MeGlcA基が酸／塩基触媒として作用している可能性が考えられる。

ブナ材のアラビノースおよびガラクトース単位はスギ材のそれよりも低温で分解される。 ブナ材のガラクトース単位の反応性がスギ材より大きいのは，両材ともグルコマンナンのマイナー成分であるガラクトースの反応性がスギ材より大きいためであると考えられる。 とはいえ，これらのマイナーな糖単位の反応性については，ペクチンの寄与も考慮しなければならない。 ブナ材の変色は、スギ材と比較してより低い温度240 °Cで始まったが（Fig. 3）、これはグルコマンナンとともにアラビノースおよびガラクトース単位の反応性がより高いことと関係していると思われる。

セルロースの反応性とTG/DTG曲線の割り当て

図6は、上記の熱分解実験に用いた、同じ加熱速度（10℃/分）でブナとスギ材について測定したTG/DTGプロファイルを、セルロースとヘミセルロースの分解挙動とともに示したもので、木材中の含有量を基準にwt%として表し、加水分解性糖の収量からほぼ推定したものである。 熱分解木材中のキシランおよびグルコマンナン含量は、原木材中のそれぞれの含量に、メタノール分解によって得られたメチルキシロシドおよびメチルマンノシドの回収率を乗じて算出した。 セルロース含量は，グルコマンナン中のグルコースとマンノース単位の反応性が同様であると仮定し，加水分解で得られたグルコース収量からグルコマンナンからの収量を差し引くことで求めた。 TG/DTG曲線は木材多糖類の分解よりもやや高い温度で現れるが、データセットの比較はTG/DTG曲線の割り当てに有用である。

Thermogravimetric (TG)/Derivative TG profiles showing the recovery of cellulose, xylan and glucomannan from.を参照。 aスギおよびブナ材（グルコース収率を決定するためにセルロース由来のグルコースのみをカウント）

ブナのDTG曲線にはピークとともに肩がはっきりと観察されるが、スギのDTG曲線は1つの幅広いピークのみを示している。 このような違いは，広葉樹に多く含まれるキシランの反応性に由来すると考えられてきた。 しかし，今回の検討により，ブナ中のグルコマンナンはキシランよりも著しく反応性が高いことが明らかになり，ブナのDTG曲線の肩はヘミセルロースの反応性とは無関係であることが示唆された

これとは逆に，セルロースの分解挙動はスギとブナの木材で異なっている。 ブナ中のセルロースは〜320℃まで安定であり，キシランやグルコマンナンはほとんど分解する。 このように，ブナ材の細胞壁ではセルロースの熱劣化はヘミセルロースの劣化とは無関係に起こる。 逆に、スギ材のセルロースは通常、キシランやグルコマンナンの分解と一緒に分解される。 その結果，図6に示すように，スギのセルロースとヘミセルロースの分解の温度範囲が重なることで，一つの幅広いDTGピークが生じる。

細胞壁の超構造の影響

リグニンとのエステル化により，木材細胞壁における4-O-MeGlcAの触媒作用が有効でないことが一部説明できるかもしれない。 針葉樹および広葉樹の細胞壁には3種類のリグニン-糖質複合体（LCC）結合、4-O-MeGlcAとのC-エステル、ベンジルエーテルおよびフェニルグリコシド（図7）が報告されている。 このエステル形成により、4-O-MeGlcA部位の一部はヘミセルロースやセルロースの酸/塩基触媒として不活性化される。 エステル化率は現在のところ明らかではないが、陽イオン交換能や細胞壁内のアルカリ金属およびアルカリ土類金属陽イオンの分布から、フリーの4-O-MeGlcA部位が木材細胞壁内に存在することが示唆されている。 したがって、細胞壁中の4-O-MeGlcA部位の一部は、リグニンとのエステル結合が形成されなくても、効果がないことがわかる。 7

3種類のリグニン-糖質複合体結合

アセチル基はブナのキシランとスギのグルコマンナンに付着しているが、図5の分離ヘミセルロースにはアセチル基が含まれていない。 このようなアセチル基は、木材細胞壁中のキシランやグルコマンナンの反応性に影響を与える可能性がある。 しかし，両木材のキシランは類似の反応性を示したので，このことは重要ではない。

キシランとグルコマンナンは通常リグニンとのLCC結合の形成に関与し，ヘミセルロースとリグニンは化学結合を形成して近接して存在していることが分かる。 この仮説は、木材細胞壁のマトリックスと熱分解反応性のさらなる調査によって確認される必要があるが、木材細胞壁のマトリックスにおけるこれらの構造は、4-O-MeGlcA部位の移動性を制限している可能性がある。 ブナ材のグルコマンナンの反応性が高いことは、この仮説で説明できる。グルコマンナンはブナ材細胞壁の4-O-MeGlcAの近傍に存在するが、キシランのキシロース主鎖を4-O-MeGlcAで攻撃することは不可能である。 これらの結果は、木材の解剖学者や熱分解分野の研究者にとって大きな関心事となろう。

セルロースの熱分解反応性は、その結晶性によって本質的に決定される。 ナノ結晶（断面数十nm）を構成する分子は安定であるため、熱分解は表面分子から開始される . 分解に先立ち、セルロースを活性化する「誘導期」が観察され、これが「活性セルロース」形成の概念につながった . また、セルロースの活性化中の還元末端が、熱変色や重量減少の挙動に関与していることも示唆されている。 このように，セルロースの反応性を決定する際には，図8に示すようにセルロース結晶面およびヘミセルロース-リグニンマトリックス界面が重要な役割を果たし，スギとブナ材で異なることが示唆された。 ヘミセルロースの分解はスギのセルロースの表面分子を活性化させるが，ブナではこのような現象は見られない。 8

木材細胞壁におけるセルロースとヘミセルロースの集合体は、木材解剖学の分野で大きな関心を集めており、図に示すように針葉樹と広葉樹で異なる配置が提案されている。 9. 針葉樹の細胞壁では、グルコマンナンがセルロースと強く結合していることが報告されている。 ÅkerholmとSalménは，FT-IRスペクトロメトリーを用いた動的力学解析の結果に基づいて，キシランはセルロースと力学的相互作用を示さないが，ノルウェートウヒ（Picea abies）の木材繊維ではセルロースとグルコマンナンが密接に結合していることを報告した。 熊谷と遠藤は、針葉樹のスギと広葉樹のユーカリから調製したリグノセルロースナノファイバーの酵素加水分解におけるセルラーゼの作用を、水晶振動子マイクロバランスで調べた。 この報告では、セルラーゼがセルロースに結合するためにはマンナナーゼ処理によるグルコマンナンの除去が必要であることから、スギのセルロースはグルコマンナンに覆われていると結論付けている。 針葉樹のグルコマンナンで被覆されたセルロースの間にはキシランとリグニンが存在すると考えられる（Fig.9a）.

針葉樹と広葉樹のセルロース，ヘミセルロース，リグニンの細胞壁配置案の模式図

逆に． 広葉樹の細胞壁の場合、Dammströmはアスペン（Populus tremula）の動的FT-IR分析データを報告し、針葉樹の場合のグルコマンナンではなく、キシランがセルロースに強く結合していることを示唆した。 セルロースミクロフィブリルのヘリコイド配列は、キシランの負電荷を持つ4-O-MeGlcA部位がセルロースミクロフィブリルの表面に付着して、ミクロフィブリル間の空間を維持し、コレステロール性メソ相を形成しているためであると考えられている。 しかし、溶液中のキシランは3重らせんのスクリュー構造をとっており、2重構造をとるセルロースとキシランの結合を妨げていることから、論争が続いている。 Simmonsらは、固体NMRによって、キシランがセルロースと結合することを明確に証明した。溶液中で3重らせんスクリューを示すキシランは、2重らせんスクリューに平らになってセルロースと密接に結合する。 これらの観察は、理論計算によっても裏付けられている。 これらのことから、図9bに示すように広葉樹の細胞壁ではグルコマンナンの代わりにキシランがセルロースミクロフィブリルと結合することがわかった。

スギとブナ材のセルロース反応性は、集合体の違いによって異なる影響を受けていると考えられるが、詳しいメカニズムの解明はこれまで十分になされていない。 従って、木材の解剖学的な更なる情報が必要である

。