非晶質アミロースデンプンにおける水分吸着の予測およびその影響

要約

• 湿潤および乾燥状態の非晶質アミロースポリマーの両方について、ガラス転移温度（Tg）などの主要な物理的特性を正確に予測した
• デンプンポリマーにおけるTgおよび水拡散に対する水分含有量の影響を調査することにより、水の吸収と輸送を効果的にモデル化した
• OPLS3e力場は、非晶質デンプンモデルに対して高い精度を示した
• 水とアミロースの相互作用に関する詳細な研究、および複合デンプン配合における成分の影響に関するさらなる研究が提案されている

課題

非晶質デンプンは、熱可塑性樹脂や食品のカプセル化用途において非常に有望であるため、その機能性を解明することは、さまざまな産業分野の研究開発者にとって最優先課題となっています。デンプンの機能性の鍵となるのは、水とデンプン粒子との相互作用です。これまで、デンプンの微細構造やその基盤となるナノ構造の解明に焦点を当てた研究が数多く行われてきましたが、天然および非晶質のデンプン粒子の分子構造を実験的に詳細に解明することは困難です。その結果、次のような状況が生じています：

• 高解像度かつ原子レベルの構造解析が行われていないこと
• 非晶質デンプンの形態学的および熱物理的特性の欠如
• 溶媒中における非晶質デンプンの動的性質の欠如

アプローチ

Schrödinger の科学者たちは、分子シミュレーション技術、具体的には分子動力学（MD）シミュレーションを用いて、これらの課題の解決を目指した。1 すべてのモデルおよびシミュレーションは、Schrödinger のMaterials Science Suiteを使用して実施された。これらの手法により、所定の温度および相対湿度条件下での吸水量が予測されたほか、デンプンポリマーマトリックス内での水分の移動を追跡することも可能となった。

結果

分子動力学（MD）シミュレーションにより、溶液中およびバルク状態におけるアミロース分子に関する理解が大幅に向上し（phase ）、Tgなどの重要な物理的性質の迅速な予測が可能となった。

• この結果は、水分含有量が非晶質デンプンに及ぼす可塑化効果を示している。水分含有量に対する予測されたガラス転移温度（Tg）の低下傾向は、実験結果と一致しており、これまで測定が困難であった非晶質デンプンの乾燥状態におけるTgを予測することを可能にする。
• グランドカノニカル・モンテカルロ（GCMC）と分子動力学（MD）を組み合わせたシミュレーションを用いて、水分吸着等温線およびその温度依存性を予測した。水輸送に関する濃度依存の活性化エネルギーは、これまでの実験結果と定量的に一致している。
• 最新のOPLS3e力場とウェルテンパード・メタダイナミクスを用いることで、溶液中の挙動に加え、非晶質デンプンポリマーの動的特性や立体構造についても、極めて正確な予測が可能となった。

次は？

• 今後の研究では、水とアミロースの相互作用や、デンプン配合物によく使用される他の成分（例えば、アミロース分子と結合することが知られている乳化剤など）の影響について、さらに詳細に検討することができるだろう。
• 今後の研究では、複雑な非晶質および／または半結晶性のデンプン配合物の形態、ならびにその形態が輸送特性や熱機械的特性にどのように影響するかを解明することが可能である。