はじめに

本連載第1回では，天然に多量にあるD-グルコースを出発原料とし，希少糖を含む炭素数6の単糖（ヘキソース：鏡像体を考慮しなければ計12種）のすべてを生産するための設計図であるイズモリング（Izumoring）について紹介し，遊離の単糖間の異性化や単糖と糖アルコール間の酸化還元を触媒する希少糖生産に用いられる各種酵素に関して解説した．そして希少糖研究の今後の課題として，実験室レベルでの希少糖生産から産業化につながる大規模生産へのシフトに必要な技術開発と，生産した各種希少糖をさまざまな用途（食品・医薬品・農業資材など）に利用する開発研究の促進が指摘されたが，これらの応用研究を進展させるには，希少糖の理化学的性質を理解しておくことが必須である．そこで本稿では，天然に多くある単糖の分子構造や物性にも言及しながら，2000年代以降に明らかにされた希少糖の基本物性を天然糖と対比して紹介したい．現時点で大規模生産が展望されている希少糖は，D-フルクトースの3位のエピ化で得られるD-プシコースと，D-プシコースをアルドースに変換したD-アロースなので（図1図1■各種ヘキソースの分子構造（フィッシャー投影式で表記）と，異性化による天然糖からの希少糖生産経路参照），これら2種の希少ヘキソースに焦点を当てて解説する．なお，物質の物性は分子構造を基本として解釈されるが，遊離の単糖は多様な分子構造を取りうるため（コラム参照），まずは研究対象の単糖がどのような構造にあるかを明らかにし，その分子構造を踏まえて物性を考察することが重要である．以下本稿では，結晶状態での単糖の分子構造について述べ，次に単糖の水への溶解性と溶解に伴う分子構造変化にかかわる性質（変旋光挙動など）について記す．

図1■各種ヘキソースの分子構造（フィッシャー投影式で表記）と，異性化による天然糖からの希少糖生産経路

各種ヘキソースの結晶構造

1. 希少ヘキソース

2000年代初頭時にケンブリッジ結晶構造データベース（CSD）に登録されていたヘキソースの単結晶構造は，アルドースではグルコース，マンノース，アロース，タロース，ガラクトースの5種，ケトースではフルクトース，ソルボース，タガトースの3種であった．そこでわれわれはいまだ知られていないヘキソースの結晶構造を明らかにすべく，大量生産が可能となったD-プシコースの単結晶を作成してX線構造解析を行い，2006年に開催された第3回国際希少糖学会でその結果を公表した（図2図2■D-プシコースの結晶構造（分子内および分子間水素結合とb軸方向から見た図）および表1表1■各種単糖の結晶構造参照）⁽¹⁾1) K. Fukada, T. Ishii, K. Tanaka, M. Yamaji, Y. Yamaoka, K. Kobashi & K. Izumori: Bull. Chem. Soc. Jpn., 83, 1193 (2010).．図2図2■D-プシコースの結晶構造（分子内および分子間水素結合とb軸方向から見た図）に示すように，結晶中のプシコースはβ-ピラノース（1C型）構造をとり，単位格子のac面上にピラノース環が綺麗に並ぶことが確認された．また，β-ピラノース（1C型）構造のD-プシコースの3位と5位の水酸基は共にアキシャル配置で，水酸基間で水素結合（左上図中の破線）を形成していた．さらにピラノース環内を含めてプシコース分子中の酸素原子はすべて水素結合（右上図中の赤線）に関与しており，結晶全体に水素結合のネットワークが張り巡らされていることが明らかとなった．天然糖のフルクトースも結晶内でβ-ピラノース（1C型）構造をとり，分子間の水素結合ネットワークを形成するが，プシコースのような分子内水素結合やピラノース環内酸素が関与する水素結合は見られない⁽²⁾2) J. A. Kanters, G. Roelofsen, B. P. Alblas & I. Meinders: Acta Crystallogr. B, 33, 665 (1977).．

図2■D-プシコースの結晶構造（分子内および分子間水素結合とb軸方向から見た図）

表1■各種単糖の結晶構造
単糖の種類		結晶の空間群	結晶中の単糖分子の構造	単位格子中の糖分子数	文献
希少糖	D-プシコース	P2₁2₁2₁	β-ピラノース（1C型）	4	（1）
	D-アルトロース	P3₂	β-ピラノース（C1型）	3	（3）
	D-グロース	P2₁2₁2₁	β-ピラノース（C1型）	4	（4）
	D-アロースForm I	P2₁2₁2₁	β-ピラノース（C1型）	4	（5）
	D-アロースForm II	P6₂	β-ピラノース（C1型）	6	（6）
	D-アロース二水和物	P2₁2₁2₁	β-ピラノース（C1型）	4	（7）
天然糖	D-フルクトース	P2₁2₁2₁	β-ピラノース（1C型）	4	（2）
	D-グルコースα型	P2₁2₁2₁	α-ピラノース（C1型）	4	（8）
	D-グルコース β型	P2₁2₁2₁	β-ピラノース（C1型）	4	（9）
	D-グルコース一水和物	P2₁	α-ピラノース（C1型）	2	（10）
デオキシ希少糖	6-デオキシ-L-プシコース	P2₁2₁2₁	α-フラノース（³T₄ or E₄型）	4	（11）
デオキシ希少糖	6-デオキシ-L-ソルボース	P2₁2₁2₁	α-フラノース（₃T⁴型）	4	（12）,（13）

後にわれわれはD-アルトロース（分子構造は図1図1■各種ヘキソースの分子構造（フィッシャー投影式で表記）と，異性化による天然糖からの希少糖生産経路参照）およびD-グロース（D-アロースの4位エピマー）の単結晶も作成し，それぞれのX線構造解析の結果を報告した^(3,4)3) Y. Watanabe, H. Yoshida, K. Takeda, T. Ishii & S. Kamitori: Acta Crystallogr. Sect. E Struct. Rep. Online, 65, o280 (2009).4) T. Ishii, S. Ohga, K. Fukada, K. Morimoto & G. Sakane: Acta Crystallogr. Sect. E Struct. Rep. Online, 70, o569 (2014).．D-アルトロースとD-グロースは共に結晶中でβ-ピラノース（C1型）構造をとるが，空間群と単位格子中の分子数は異なっていた（表1表1■各種単糖の結晶構造参照）．以上により，現時点で結晶構造が報告されていないヘキソースはイドースのみとなっている（ただし既報のマンノースの結晶構造データは分解能が低いので高精度での再測定が望まれる）．

2. D-アロースの結晶多形

一般的に有機化合物の結晶化では溶液から結晶を析出させることが多い．X線構造解析用の試料も，冷却や溶媒蒸発で過飽和状態になった溶液から析出した単結晶が使われるが，単糖の結晶化では溶媒の種類や溶液濃度，結晶析出の際の温度や溶媒の蒸発速度などに依存して異なる構造の結晶が生成したり，水和物などの溶媒分子を取り込んだ結晶が得られたりすることが知られている．ここではD-アロースがつくる3種の結晶について紹介する．

D-アロースのX線結晶構造解析は1984年には報告されていた⁽⁵⁾5) L. M. J. Kroon-Batenburg, P. van der Sluis & J. A. Kanters: Acta Crystallogr. C, 40, 1863 (1984).．ところが，D-アロース水溶液にエタノールを添加して得られた結晶の構造はこれとは異なり，この結晶を不安定型（Form II，融点128°C），既報の結晶形を安定型（Form I，融点は141°C）とする報告が2004年に出された⁽⁶⁾6) P. A. Bonnet, J. van de Streek, A. V. Trask, W. D. S. Motherwell & W. Jones: CrystEngComm, 6, 535 (2004).．一方われわれは，D-アロース水溶液を徐々に冷却するとアロース1分子当たり2個の水分子を含む水和物が析出することを見いだし，その結晶構造を明らかにした（図3図3■D-アロースがつくる3種類の結晶の構造および表1表1■各種単糖の結晶構造参照）⁽⁷⁾7) T. Kozakai, K. Fukada, R. Kuwatori, T. Ishii, T. Senoo & K. Izumori: Bull. Chem. Soc. Jpn., 88, 465 (2015).．図3図3■D-アロースがつくる3種類の結晶の構造を見ると，安定型（Form I）と水和物の結晶では，アロース分子が形成したβ-ピラノース環がbc面上に並び，1位と4位の水酸基が分子間で交互に水素結合していることがわかる．不安定型（Form II）ではc軸方向に1位と4位の水酸基間の水素結合が存在する．水和物中の水分子（結晶水）に注目すると，互いに水素結合で結びついたアロース分子の層間に水分子が配置されており，安定型（Form I）結晶内のアロース分子間相互作用の弱い部分に入り込んだものとして解釈できる．これらの結晶水はa軸方向に互いに水素結合し，無限に連なる水素結合鎖を形成している．このように遊離のヘキソース分子がさまざまな結晶形を取りうる理由としては，溶液中で互変異体の平衡混合物として存在して分子構造の揺らぎが大きいことや，水酸基を多くもつので水素結合しやすい溶媒分子を取り込む可能性が高いことが挙げられる．天然糖のD-グルコースでも複数の結晶形が知られており，それらの構造もわかっている⁽^8～10)8) G. M. Brown & H. A. Levy: Acta Crystallogr. B, 35, 656 (1979).10) E. Hough, S. Neidle, D. Rogers & P. G. H. Troughton: Acta Crystallogr. B, 29, 365 (1973).（表1表1■各種単糖の結晶構造参照）．なお，アロース2水和物は常温で容易に水分子が揮散して無水物に変化するのに対し，グルコースの水和物（1水和物）を無水物にするには加温して真空ポンプで乾燥処理することを要する⁽⁷⁾7) T. Kozakai, K. Fukada, R. Kuwatori, T. Ishii, T. Senoo & K. Izumori: Bull. Chem. Soc. Jpn., 88, 465 (2015).．

図3■D-アロースがつくる3種類の結晶の構造

3. デオキシ希少糖

本連載第1回では，天然に存在するL-ラムノース（6-デオキシ-L-マンノース）などのデオキシ単糖を原料とすることでさまざまなデオキシ希少糖の生産が可能となっていることが述べられた．ここではプシコースの6位の水酸基から酸素を取り除いた6-デオキシ-L-プシコースのX線構造解析の結果を紹介する．

一般に遊離のケトヘキソース分子は，5位もしくは6位の水酸基がカルボニル基との分子内環化に関与しフラノース環もしくはピラノース環を形成して構造安定化することが知られている．ただしこれまで報告されてきたケトヘキソースの結晶内での分子構造はすべてピラノースであった．われわれは，ピラノース環を形成するのに必要な酸素分子を取り除いた6-デオキシ-L-プシコースではフラノース環が³T₄もしくはE₄構造をとって結晶化していることを確かめた（図4図4■6-デオキシ-L-プシコースの結晶構造（a軸方向から見た図）参照：融点76°C）⁽¹¹⁾11) A. Yoshihara, T. Ishii, T. Kamakura, H. Taguchi & K. Fukada: Acta Crystallogr. Sect. E Struct. Rep. Online, 71, o993 (2015).．分子中の酸素原子はすべて水素結合に関与して結晶構造を安定化しているが，6位デオキシ化前に比べて融点が約30°Cも低くなることが特徴的である（ほかの位置の水酸基をデオキシ化してもこれほどの融点低下は見られない）．なお，6位がデオキシ化されたケトースがフラノース環を形成して結晶となることは，ソルボース（プシコースの4位エピマー）でも報告されている⁽^{12, 13)}12) P. Swaminathan, L. Anderson & M. Sundaralingam: Carbohydr. Res., 75, 1 (1979).13) S. T. Rao, P. Swaminathan & M. Sundaralingam: Carbohydr. Res., 89, 151 (1981).（表1表1■各種単糖の結晶構造参照）．

図4■6-デオキシ-L-プシコースの結晶構造（a軸方向から見た図）

水溶液中でのヘキソース分子

1. 水との二成分系相図

異性化酵素を用いた希少糖生産で得られる生成物は，未反応の原料単糖と目的とする希少糖が混合した水溶液である．ここから純粋な希少糖を取り出すにはクロマト分離と晶析操作を要し，これらの操作を最適化するには溶液状態の希少糖に対する各種データの整備が重要となる．以下には，溶液からの結晶化において最も基本となる溶解度について記す．

D-グルコースやD-フルクトースの水への溶解度は古くから測定され⁽^{14, 15)}14) F. E. Young: J. Phys. Chem., 61, 616 (1957).15) F. E. Young, F. T. Jones & H. J. Lewis: J. Phys. Chem., 56, 1093 (1952).，0°C以下の低温・低濃度域での氷点と合わせて二成分相図としてまとめられている⁽¹⁶⁾16) L. Ben Gaïda, C. G. Dussap & J. B. Gros: Food Chem., 96, 387 (2006).．一方，希少糖の溶解度は比較的最近明らかにされた⁽^{1, 7)}1) K. Fukada, T. Ishii, K. Tanaka, M. Yamaji, Y. Yamaoka, K. Kobashi & K. Izumori: Bull. Chem. Soc. Jpn., 83, 1193 (2010).7) T. Kozakai, K. Fukada, R. Kuwatori, T. Ishii, T. Senoo & K. Izumori: Bull. Chem. Soc. Jpn., 88, 465 (2015).．図5図5■各種ヘキソースと水との二成分系の相図には4種類のヘキソースの水との二成分系相図を示した．これらの図において水溶液（一相）と固体ヘキソース共存域との境界が溶解度曲線，氷と水溶液の共存域との境界が氷点の組成依存性を表している．プシコース以外の相図では，ある温度以下になると水溶液と平衡に共存する固相が無水物から水和物に変わるため溶解度曲線に折れ曲がり点がある（図中矢印）．この温度以下での溶解度は実線で示されるが，無水物を水に溶解した場合は破線で示す濃度までの過飽和状態にすることができる（D-フルクトースには1/2-水和物と2水和物の2種類があるため2本の破線が示されている）．これらの相図に基づいて，それぞれのヘキソースを結晶化する際の溶液濃度と温度が設定される．たとえばD-アロースの場合は60 wt％以上の糖液を40°C以上に加温して調製し，これを徐冷して2水和物の結晶を析出させ高純度の粉末試料としている．

図5■各種ヘキソースと水との二成分系の相図

2. ケトヘキソース鎖状体

結晶中のヘキソースは分子内環化したピラノース構造（6-デオキシケトヘキソースではフラノース構造）をとっていることを先に述べたが，水溶液中でも遊離のヘキソースの大部分は環化していることがわかっている．それ故ヘキソース水溶液が示す性質の多くは環状構造に基づいて解釈するのが適切である．しかし，複数ある環状体間の相互変換過程や単糖間の異性化反応，あるいはカルボニル基の関与で進む化学反応について考える際は環化していない鎖状体が重要と考えられる．ヘキソースでは一般にアルドースよりもケトースの方が水溶液中での鎖状体の存在比は高いが，それでも1％に満たない程度と知られている．以下にはそのようなケトヘキソース鎖状体に焦点を当てた研究の一端を紹介する．

環化した単糖は紫外光を吸収する官能基が無いため糖溶液の紫外線スペクトルに吸収ピークは存在しないと思われがちだが，高濃度のケトヘキソース溶液では鎖状体がもつカルボニル基による280 nm付近の吸収を検出できる⁽¹⁷⁾17) K. Fukada, M. Okamitsu & M. Sato: Chem. Lett., 41, 1686 (2012).（図6図6■各種ケトヘキソースおよびカルボニル化合物水溶液の吸収スペクトル）．ケトヘキソースをデオキシ化すると鎖状体の存在比が2％以上に増加し，より低濃度の水溶液でも吸収ピークが見られる⁽¹⁸⁾18) A. Yoshihara, M. Sato & K. Fukada: Chem. Lett., 45, 113 (2016).．各種ケトヘキソース水溶液の鎖状体濃度と吸光度の値からカルボニル基に対する吸光係数を求めたところ，フルクトースでは77，プシコースでは47（6-デオキシプシコースだと44 M⁻¹ cm⁻¹）となり，3位水酸基の立体配置の相違で大きな差が見られた⁽^{17, 18)}17) K. Fukada, M. Okamitsu & M. Sato: Chem. Lett., 41, 1686 (2012).18) A. Yoshihara, M. Sato & K. Fukada: Chem. Lett., 45, 113 (2016).．この原因は不明だが，ケトヘキソースの種類によって鎖状体の立体構造が異なっており，それが吸光係数に影響していると思われる．最後に，D-プシコース結晶を水に溶解した後の280 nm付近の吸収度の時間変化を，ナトリウムD線（589 nm）で見た変旋光挙動と共に示す⁽¹⁷⁾17) K. Fukada, M. Okamitsu & M. Sato: Chem. Lett., 41, 1686 (2012).（図7図7■D-プシコース結晶溶解後の変旋光と吸光度の時間変化）．結晶中でβ-ピラノース構造をとっていたプシコース分子が水溶液中で徐々に構造を変化させ，1,500秒後には平衡状態に到達していることがわかるが，鎖状体の存在量を反映する吸光度のほうが早く一定値になっている．今後は，鎖状体を経て進行する環状構造の変換について，速度論的解析を行う際にこれらのデータを活用していく．

図6■各種ケトヘキソースおよびカルボニル化合物水溶液の吸収スペクトル

図7■D-プシコース結晶溶解後の変旋光と吸光度の時間変化

今後の展望

本稿では希少糖を含む各種ヘキソース分子の結晶内での構造，水への溶解度，水溶液中での分子構造と鎖状体による紫外光吸収に関して紹介したが，ここで記したことは単糖の物性のごく僅かな一部に過ぎない．D-グルコースなどの通常の単糖に関するさまざまな物性データは膨大に蓄積されているが⁽¹⁹⁾19) R. N. Goldberg & Y. B. Tewari: J. Phys. Chem. Ref. Data, 18, 809 (1989).，それらに対応する希少糖の物性値の多くは未知のままである．希少糖生産技術の進展と並行して希少糖類の物性研究を進めていくことで，単糖が示す諸性質の全体像が明確になるものと期待している．