Substitute of modified starch in the papermaking

【発明の詳細な説明】 製紙における改変澱粉の代用品 発明の分野 本発明は、製紙の分野に関する。 詳細には、本発明は、製紙における改変澱粉に代わる供給源を提供する。 発明の背景 澱粉が成分として用いられる製紙において３つの主要な段階が存在する。 第１ 段階は、セルロース線維が澱粉とスラリー中で混合され、そしてスラリーがワイヤーベルト上へ狭い開口部を通って押し出される「ウェットエンド(wet end)」 である。 水は、形成されたシートがベルトの長さを移動する際に、迅速に除去される。 代表的には、ベルト上の５〜15メートルの距離の後、シート自体の重量を支え得るように、シートはそれから十分な水分を除去されている。 シートは、多数のホイルおよびロールを通って移動し、ここでさらに水が除去される。 これは約11％の水分まで乾燥される。 澱粉を含む製紙の第２段階は、「糊づけ工程」である。 ここで、紙は糊づけプレスを通過し、ここで澱粉スラリーがシートに塗布される。 シートは、再び一連のホイルおよびロールを通過する。 シートはローラーで乾燥され、そして最終産物としてプレス機から取り外され得る。 第３工程は、紙を澱粉と熱可塑性分子との混合物でコーティングすることを含む。 特定のラインについては、これは糊づけ工程の後に生じる。 新生のロールがまた取り出され得、そしてコーティングのために別のプレス機上へ再び取り付けられ得る。 代表的なコーティングデバイスは紙の幅を移動する２つの刃を有する。 これらの刃は、コーティング材料を２つのローリングドラムに塗布する。 紙は、ドラムとコーティング材料（澱粉および熱可塑性成分を含む）との間を通過し、紙の上のドラムから離れる。 紙がドラムから離れた後、紙は多くの乾燥機を通過する。 紙が乾燥したら、２つのドラム（１つは、高密度の線維で作られ、そしてもう一方は加熱された鋼鉄ドラムである）を含む「ソフトカレンダー(soft cale ndar)」上を通過する。 ２つのドラムと加熱された鋼鉄ドラムとの間を紙が通過することによって、十分に加熱してコーティング剤混合物の熱可塑性成分を融解し、紙上にしっかりした光沢仕上げを提供する。 上記のプロセスにおいて代表的に使用されるセルロースの木材パルプ線維は天然において陰イオン性である。 陽イオン性澱粉の「ウェットエンド」スラリーへの添加は、塩架橋を介するパルプ線維の架橋により接着剤として作用する。 従って、架橋した重合体ネットワークが作製され、これは澱粉およびセルロース線維を含む。 代表的には、「ウェットエンド」において用いられる陽イオン性澱粉は、３価アミンまたは４価アミンである。 これらのアミノ基は、湿式粉砕器(wet m iller)により澱粉に添加される。 表面の糊づけ用の澱粉は、シートが「ウェットエンド」から離れた後にシートに対し強度および滑らかな仕上げの両方を与えるために使用される。 そのような澱粉はまた、種々のコーティングを受け入れるようにシートを調製する。 より安価なグレードの紙の製造において、および繊維板の製造においては、糊づけ用澱粉は非改変トウモロコシ澱粉として単純に使用される。 高いグレードの紙については、化学的に改変された澱粉が使用される。 これは、紙への滑らかで一様な高い質の表面の塗布のために重要である。 澱粉は、劣化、すなわち、別のゼラチン様澱粉スラリーにおいて高次構造（ヘリックスおよび結晶化の両方）を再形成する傾向がある。 高品質の紙上での劣化した澱粉の析出は、紙上に局部的な不一致を生じ、そしてそれは容認できない。 さらに、糊づけプレス機中の劣化した澱粉は、装置を清浄するためにラインを止めることを必要とし得る。 糊づけの塗布のために最も頻繁に使用される澱粉は、例えばヒドロキシエチル澱粉のような共有結合した中性の添加物を有する澱粉である。 これは、湿式粉砕プラントで単離された後、エチレンオキシドと澱粉との反応により調製される。 ヒドロキシエチル（または類似の）添加物の機能は、その化学的性質とは無関係である；むしろ、それは立体障害を提供するように作用し、それによって高次構造の形成を阻害する。 この立体障害は、劣化を減少させるために重要である。 添加物により与えられる周期的な隆起は、劣化を導く高次構造の形成を崩壊する。 速度は、製紙において最も重要な事項である。 プレス速度を制限することによって、澱粉を均一にする。 プレスは、しばしばその全能力の速度より下で行われる。 この適用に依存して、澱粉スラリーは３〜15％（通常は５〜６％）の間の固体である。 固体の増加は、製造されている紙シートから取り除かれるべき水の量の減少を必然的に生じる。 このことは、プレス機を高速で作動させることを可能にする。 ヒドロキシエチル化澱粉はまた、温度の低下または濃度の増加に伴って、高次構造を形成する。 紙の表面での高次構造の形成が必須である。 シートへの塗布の後、澱粉はこれらの高次構造のいくらかを再形成し、そして構造的強度を与え、 インクおよび色素の受け入れを促進する均一な表面を作製する。 しかし、高次構造は、スラリーにでも塗布デバイスについても形成するべきではない。 なぜなら、これは、劣化した澱粉を清浄するために生産ラインを停止する必要があるからである。 ヒドロキシエチル基の機能は、劣化が生じる時の澱粉の温度をより低くし、そして／またはその濃度を上昇させることである。 処理ラインはすでに澱粉スラリーの特定の温度について最適化されているので、劣化の傾向の減少は、スラリー中のより高い炭水化物含量を可能にする。 コーティングプロセスにおいて紙シートに塗布される混合物は、ヒドロキシメチル化澱粉および熱可塑性分子を含む。 使用される最も一般的な熱可塑性分子は、スチレンブタジエンのようなラテックスである。 ヒドロキシエチル澱粉の機能は、上記のとおりである。 熱可塑性分子の機能は、紙の上に高級な光沢仕上げを形成することである。 これは、インクおよび色素を取り込む増大した能力を生じ、そして一般的には印刷シートの分解性を改善する。 上記に基づいて、製紙において、改変澱粉と機能的に類似である改変された澱粉代用物の必要性が存在する。 さらに、劣化の傾向がより少ない改変澱粉の代用物を提供する必要がある。 さらに、現在の方法より早く、そしてプレス機がそれらの全能力のスピードにより近く作動することが可能である、紙の製造の方法を提供する必要がある。 さらに、環境に優しく、そして化学的処理を必要とする投入材料を含まない紙を製造する方法を提供する必要がある。 従って、本発明の目的は、製紙において使用される場合、劣化の傾向が少ない改変澱粉の代用物を提供することである。 本発明のさらなる目的は、現存の方法より迅速であり、そしてより効率的な紙を製造する方法を提供することである。 本発明のさらなる目的は、澱粉が必要とする高価な化学的改変を必要としない、製紙における澱粉の代用物を提供することである。 本発明のさらなる目的は、現存の方法より環境に優しい紙を製造するための方法を提供することである。 本発明のさらなる目的は、製紙の間のコーティング工程において現在使用されている熱可塑性分子の代用物を提供することである。 発明の要旨 本発明は、製紙において改変澱粉および／またはラテックスの代用物として使用され得るグルカンを提供する。 本発明のグルカンは、Streptococcus mutans種のグルコシルトランスフェラーゼＤ（「GTF D」）酵素により産生され、そして製紙において現在使用されている改変澱粉と機能的に類似である。 本発明のグルカンはまた、製紙のコーティング工程において現在使用されている熱可塑性分子に対して類似の物理的特性を示す。 本発明はまた、生物学的に産生される投入材料である、本発明のグルカンを利用する紙の製造の方法を提供する。 従って、本方法は、化学的排液を産生する投入材料を必要とする現在の方法より対費用効果が高く、そして環境に優しい。 発明の詳細な説明 本明細書中で使用される場合、「グルカン」は、α(1→3)、α(1→6)である結合、および分枝α(1→3,6)を有するグルコースポリマーを意味する。 本明細書中で使用される場合、「アミロプラスト」は、植物貯蔵組織中の澱粉蓄積細胞小器官を意味する。 本明細書中で使用される場合、「液胞」は、液胞膜により制限される細胞性区画を意味する。 Streptococcus mutansは、口腔内に内在し、歯のエナメル質にコロニーを形成する種である。 例えば、Kuramitsu，「Characterization of Extracellular Gl ucosyl Transferase Activity of Streptococcus-mutans.」Infect． Immum;第12( 4)巻;738-749頁;（1975）;およびYamashitaら，「Role of the Streptococcus-Mu tans-gtf Genes in Caries Induction in the Specific-Pathogen-Free RatMode l」Infect． Immun.;第61(9)巻;3811-3817頁;(1993)を参照のこと；共に、本明細書中にその全体が参考として援用される。 Streptococcus mutans種は、食用スクロースを利用して種々の細胞外デキストランを作製するグルコシルトランスフェラーゼＤ(「GTF D」)酵素を分泌する。 例えば、Kametakaら、「Purification an d Characterization of Glucosyltransferase from Streptococcus-mutans OMZ1 76 with Chromatofocusing,」Microbios;第51(206)巻;29-36頁;(1978)、およびH ondaら，「Nucleotide Sequence of the Streptococcus mutans gtfD Gene Encod ing the Glycosyltransferase-S Enzyme,」J.Gen.Microbial.;第136巻，2099-210 5頁;(1990)を参照のこと；両方が本明細書中に参考として援用される。 可溶性グルカンおよび不溶性グルカンの両方が合成され、原因であるタンパク質が単離され、そして特徴付けられている。 例えば、Aokiら，「Cloning of a S treptococcus-mutans Glucosyltransferase Gene Coding for Insoluble Glucan Synthesis．Infect．Immun.;第53(3)巻;587-594頁;(1986);Shimamuraら，「Ide ntification of Amino Acid Residues in Streptococcus Mutans Glucosyltrans ferases Influencing the Structure of the Glucan Produced,」 J． Bacterio l.第176(16)巻;4845-50頁;(1994)；および、Kametakaら:「Purification and Ch aracterization of Glucosyltransferase from Streptococcus-:mutans OMZ176 with Chromatofocusing,」Microbios;第51(206)巻;29-36頁;（1987）を参照のこと；両方は本明細書中に参考として援用される。 関連するタンパク質は大きく(約155kDa)、そしてスクロースのグルコシル部分の、α(1→3)結合およびα(1→6)結合を介するアクセプターグルカンへの基の転移を触媒する。 例えば、Wenhamら，「Regulation of Glucosyl Transferase and Fructosyl Transferase Synthesis by Continuous Cultures of Streptococcus- mutans,」J． Gen． Microbiol． ;第114巻(第１部):117-124頁;（1979）；Fuら，「 Maltodextrin Acceptor Reactions of Streptococcus-mutans 6715 glucosyltra nsferases,」Carbohydr． Res.;第217;巻;210-211頁;（1991）;およびBhattachar jeeら，「Formation of Alpha‐(1→6)，Alpha-(1→3)，and Alpha(1→2)Glycos idic Linkages by Dextransucrase from Streptococcus Sanguis in Acceptor-D ependent Reactions,」Carbohydr.Res.;第242巻;191-201;(1993)を参照のこと； 全ては本明細書中にその全体が参考として援用される。 グルカン合成に関連する遺伝子が単離され、そして配列決定されている。 Shim amuraら、上記に引用、および、Russelら，「Expression of a Gene for Glucan- binding Protein from Streptococcus-mutans in Escherichia-coli」 J． Gen． M icrobiol． ;第131(2)巻;295-300頁;(1985);Russellら，「Characterization of Glucosyltransferase Expressed from a Streptococcus-Sobrinus Gene Cloned in Escherichia-coli,」J． Gen． Microbiol.;第133(4)巻;935-944頁；(1987);Sh imamuraら，「Identification of Amino Acid Residues in Streptococcus Muta ns Glucosyltransferases Influencing the Structure of the Glucan Product, 」J． of Bacteriol.第176(16)巻;4845-4850頁;（1994）；およびShirozaら，「Se quence Analysis of the GTF D Gene from Streptococcus mutans,」J． Bacterio l.;第169(9);4263-4270頁;(1987):を参照のこと;全ては本明細書中にその全体が参考として援用される。 GTF D酵素により産生される種々のグルカンの構造は、任意の所定のグルカン中に存在するα(1→3)、α(1→6)、およびα(1→3,6)分枝の割合に関して全く不均一である。 トウモロコシのような植物への天然に存在するGTF DおよびGTF D変異タンパク質をコードする遺伝子の形質転換は、新規の組成物を有するアミロプラストおよび液胞を提供する。 アミロプラストおよび／または液胞に取り込まれたGTF D酵素活性は、同じアミロプラストおよび／または液胞中での澱粉およびグルカンの蓄積を導く。 劣化は、澱粉分子の一部が相互作用し、そして続いて鎖間ヘリックスまたは鎖内ヘリックスを形成する場合に生じる。 澱粉とグルカンとの混合物において、ヘリックス形成を導く澱粉−澱粉相互作用の頻度が減少される。 混合ポリマーから作製されるペーストは、結果として劣化する傾向がより少ない。 これは特に、澱粉の相対的な割合が減少される形質転換標的として予想される澱粉蓄積変異体において真実である。 トランスジェニックGTF D酵素によりトウモロコシアミロプラストおよび／または液胞中で産生されるグルカンは、澱粉が必要とするような化学的改変を伴わずに紙の処理において機能し得る。 結果的に、ポリマー溶液は、変化した流体学的特性を有し、そして澱粉と比べて劣化する傾向がより少ない。 グルカンは分枝状であり、そして不規則であり、そして同程度かまたは優れた効力を有する代用改変澱粉であり得る。 これらは、澱粉が必要とするようないかなる高価な化学的改変も必要としない。 コーティング塗布について、本発明のグルカンは上記の利点に加え、熱可塑性の特性を示す。 本発明によるグルカンの産生において有用な野生型GTFおよびその変異体は、 以下に提供される。 以下のコードが使用される： アミノ酸 １文字記号 アラニン Ａ アスパラギン Ｎ アスパラギン酸 Ｄ グルタミン Ｑ グルタミン酸 Ｅ イソロイシン Ｉ リジン Ｋ トレオニン Ｔ チロシン Ｙ バリン Ｖ 本発明のグルカンを産生するために使用した変異体GTF D酵素の同定に使用した命名法は、以下のようである： 数字は、ポリペプチド鎖中のアミノ酸の位置をいう；第１の文字は野生型酵素におけるアミノ酸をいう；第２の文字は変異酵素におけるアミノ酸をいう；および複数の変異を有する酵素は、/により分離されたそれぞれの変異を有している。 紙のコーティングのためのグルカンの産生に使用される変異GTF D酵素は、好ましくは、野生型酵素:T589D;T589E;N471D;N47lD/T589D;およびN471D/T589E;からなる群、より好ましくは、野生型;N471D;N47lD/T589D;およびN471D/T589E；からなる群、なおより好ましくは、野生型およびN471Dからなる群より選択される。 酵素の野生型が最も好ましい。 紙の糊づけのためのグルカンの産生に使用される変異GTF D酵素は、好ましくは、野生型酵素;T589D;T589E;N471D;N471D/T589D;およびN471D/T589E；からなる群、より好ましくは、野生型;N47lD;N471D/T589D;およびN471D/T589E；からなる群、なおより好ましくは、野生型およびN471Dからなる群より選択され、最も好ましくはN471Dである。 本発明のグルカンは、好ましくはトランスジェニックのトウモロコシ、ジャガイモ、キャッサバ、サツマイモ、ライムギ、オオムギ、コムギ、サトウモロコシ、カラスムギ、キビ、ライコムギ、サトウキビおよびイネにおいて産生される。 より好ましくは、本発明のグルカンは、トウモロコシ、ジャガイモ、サトウキビ、キャッサバまたはサツマイモにおいて産生される。 さらにより好ましくは、本発明のグルカンは、トウモロコシまたはジャガイモにおいて産生される。 最も好ましくは、本発明のグルカンはトウモロコシにおいて産生される。 本発明の非常に好ましい実施態様において、澱粉生合成を欠損したトウモロコシ株が、変異体GTF D遺伝子で形質転換される。 そのような株は、天然に存在するトウモロコシ変異体(すなわち、sh ₂ 、bt ₂ 、bt ₁ )か、または野生型トウモロコシと比較した場合、胚乳中に低い量の澱粉を蓄積するように操作されたトランス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl. ⁷識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ１２Ｎ 15/09 Ｃ１２Ｎ 15/00 Ａ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ