JP2007217386A - アンヒドロ糖の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単糖、少糖あるいはこれらの配糖体、多糖およびこれらの混合物などから安全、簡便かつ高収率でアンヒドロ糖を製造する方法を提供する。
【解決手段】単糖、少糖あるいはこれらの配糖体、多糖およびこれらの混合物の中から選ばれる少なくとも１種類の水溶性糖化合物を原料とし、触媒などの添加物を一切加えることなく、糖化合物の水溶液だけを加熱することを特徴とする下記一般式（１）、一般式（２）および／または一般式（３）で示されるアンヒドロ糖の製造方法。

【選択図】なし

Description

本発明は、単糖、少糖あるいはこれらの配糖体、多糖およびこれらの混合物の中から選ばれる少なくとも１種類の水溶性糖化合物を含む原料を、触媒などの添加物を一切加えることなく、糖化合物を含む水溶液だけを加熱し、水蒸気状態で反応させることを特徴とするアンヒドロ糖の製造方法に関する。

６単糖由来のアンヒドロ糖としては、それぞれグルコース、マンノース、ガラクトースなどの無水物であるレボグルコサン、マンノサン、ガラクトサンなど一般式（１）で示される１，６−アンヒドロヘキソピラノース、一般式（２）で示される１，６−アンヒドロヘキソフラノースなどがある。
リボース、キシロースなどペントース由来のアンヒドロ糖としては、一般式（３）で示される１，４−アンヒドロペントピラノース等が挙げられる。

アンヒドロ糖は、生分解性を有するバイオプラスチック、バイオ接着剤などの化学原料、抗癌剤や抗ＨＩＶ剤の原料、光学異性体分割剤、また、多分岐多糖を基盤物質とする糖由来の安全な医療材料など種々の機能性高分子材料として有用であることが知られ、様々な分野で注目されている。

従来、レボグルコサンの製造方法としては、（１）セルロース成分を含む原料を有機溶媒と共に耐圧容器に入れ２５０〜３５０℃に加熱する熱分解法（特開平２−１０１０９３号公報；特許文献１)、（２）超臨界アセトンを耐圧容器に圧送しながらセルロースを２５０〜３４０℃で１０時間かける熱分解法（J. Anal. Appl. Pyrolysis(1991), 19, 119〜129；非特許文献１)、（３）ヘキソースからなる多糖類を主として含む原料をスルホランとともに耐圧容器に入れ、３００℃以上の温度で熱分解する方法（特開２００３−３４２２８９号公報；特許文献２、J. Anal. Appl. Pyrolysis(2003), 70, 303〜313；非特許文献２）、および（４）セルロース成分にマイクロ波を照射するマイクロ波熱分解法（J. Wood Sci. (2001), 47, 502〜506；非特許文献３）が知られている。

しかし、これら従来のアンヒドロ糖の製造方法には、収率が低い、あるいは精製方法が確立されていない等の解決すべき課題が多々あり、実用化には至っていないのが現状である。従って、安全かつ簡便に、高収率でアンヒドロ糖が得られる製造方法の確立が望まれている。

特開平２−１０１０９３号公報 特開２００３−３４２２８９号公報 Ｊ．Ａｎａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ（１９９１），１９，１１９〜１２９ Ｊ．Ａｎａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ（２００３），７０，３０３〜３１３ Ｊ．Ｗｏｏｄ Ｓｃｉ．（２００１），４７，５０２〜５０６

本発明の課題は、単糖、単糖を構成成分として含む少糖あるいはこれらの配糖体、多糖などの原料化合物から、よりマイルドな条件で安全、簡便かつ高収率でアンヒドロ糖を製造する方法を提供することにある。

本発明者らは、前記問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、単糖、少糖あるいはこれらの配糖体、多糖およびこれらの混合物の中から選ばれる少なくとも１種類の水溶性糖化合物を原料とし、触媒などの添加物を一切加えることなく、原料の水溶液だけを水蒸気状態で反応させることによりアンヒドロ糖が良好な収率で生成することを見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は下記のアンヒドロ糖の製造方法を提供する。
［１］単糖、少糖あるいはこれらの配糖体、多糖およびこれらの混合物の中から選ばれる少なくとも１種類の水溶性糖化合物を含む原料の水溶液を加熱し、水蒸気状態で反応させることを特徴とする下記一般式（１）、一般式（２）および／または一般式（３）

で示されるアンヒドロ糖の製造方法。
［２］水溶性糖化合物が、グルコース、マンノース、ガラクトース、グロース、アロース、アルトロース、イドース、タロース、リボース、キシロース、アラビノース、及びリキソースから選ばれる単糖、スクロース、マルトース、イソマルトース、セロビオース、トレハロース、トレハルロース、パラチノース、ニゲロース、ラクトース、ラクチュロース、グリコシルスクロース、ラクトスクロース、パノース、ラフィノース、シクロデキストリン類およびその誘導体、分岐シクロデキストリン類、シクロデキストラン、マルトオリゴ糖、イソマルトオリゴ糖、セロオリゴ糖、ガラクトオリゴ糖、マンノオリゴ糖、キシロオリゴ糖、フラクトオリゴ糖、パラチノースオリゴ糖、ニゲロオリゴ糖、ゲンチオオリゴ糖及び大豆オリゴ糖から選ばれる少糖、および可溶性デンプン、プルラン、アラビアガム、デキストラン、デキストリンおよびグルコマンナンから選ばれる多糖から選ばれる少なくとも１種類の水溶性糖化合物である前記１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
［３］水溶性糖化合物を含む原料が、蜂蜜、糖蜜、廃糖蜜、水飴、黒糖製品及びメープルシロップから選択される前記１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
［４］加熱温度が１００〜４６０℃の範囲である前記１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
［５］加熱した流通式反応器に水溶性糖化合物を含む原料の水溶液を連続的に供給して水蒸気状態で反応させ、反応混合物を冷却及び回収する前記１に記載のアンヒドロ糖を連続して製造する方法。
［６］予熱した原料水溶液を流通式反応器に供給する前記５に記載のアンヒドロ糖を連続して製造する方法。

本発明によれば、二酸化炭素や低級炭化水素などの熱分解ガス、タールおよび炭化物などの生成が極めて少なく、原料の脱水反応や解重合反応によりアンヒドロ糖を簡便かつ高収率で得ることができる。低加圧下から軽い減圧下でも実施できるため製造装置を簡略化できるだけでなく、安全かつ簡便に操作することが可能である。
従って、生分解性を有するバイオプラスチック、バイオ接着剤などの化学原料、抗癌剤や抗ＨＩＶ剤の原料、光学異性体分割剤、多分岐多糖を基盤物質とする糖由来の安全な医療材料など種々の機能性高分子材料として有用なアンヒドロ糖を安価に供給できる。

本発明では、単糖、少糖あるいはこれらの配糖体、多糖の中から少なくとも１種類の水溶性糖化合物を含む原料を、触媒などの添加物を一切加えることなく、糖化合物を含む水溶液だけを加熱し、水蒸気状態で反応させてアンヒドロ糖を生成させる。

本発明におけるアンヒドロ糖とは、下記一般式（１）で示されるレボグルコサン、マンノサン、ガラクトサンなどの１，６−アンヒドロヘキソピラノース、下記一般式（２）で示される１，６−アンヒドロヘキソフラノース、および／または下記一般式（３）で示される１，４−アンヒドロペントピラノース等のアンヒドロ糖である。

本発明では、少なくとも１種類の水溶性糖化合物を原料とする。水溶性糖化合物は、水に可溶で、少なくとも分子中に単糖単位を含む限り、特に制限されない。水溶性糖化合物としては、水溶性の単糖、少糖あるいはこれらの配糖体、多糖が挙げられる。
単糖としては、例えばグルコース、マンノース、ガラクトース、グロース、アロース、アルトロース、イドース、タロース、リボース、キシロース、アラビノース、リキソース等が挙げられる。
少糖としては、前記単糖１０個以下を構成成分として含むもの、例えばスクロース、マルトース、イソマルトース、セロビオース、トレハロース、トレハルロース、パラチノース、ニゲロース、ラクトース、ラクチュロース、グリコシルスクロース、ラクトスクロース、パノース、ラフィノース、シクロデキストリン類およびその誘導体、分岐シクロデキストリン類、シクロデキストラン、マルトオリゴ糖（グルコースがα−１，４結合した少糖の総称）、イソマルトオリゴ糖（グルコースがα−１，６結合した少糖の総称）、セロオリゴ糖（グルコースがβ−１，４結合した少糖の総称）、ガラクトオリゴ糖、マンノオリゴ糖、キシロオリゴ糖、フラクトオリゴ糖、パラチノースオリゴ糖、ニゲロオリゴ糖、ゲンチオオリゴ糖及び大豆オリゴ糖など単糖が２〜１０個結合した少糖類が挙げられる。
単糖または少糖の配糖体としては、フェニルグルコピラノシド類、アルブチン、カルミン酸、エスクリン、ヘリシン、フロリジン、サリシン、ストロファンチン、アミグダリン、グリシルリジン、ヘスペリジン、ルチン等が挙げられる。
多糖としては、可溶性デンプン、プルラン、アラビアガム、デキストラン、デキストリンおよびグルコマンナンなどが挙げられる。
中でもグルコース、マンノース、ガラクトース、スクロース、マルトース、イソマルトース、セロビオース、トレハロース、マルトオリゴ糖、イソマルトオリゴ糖、可溶性デンプンが特に好ましい。

また、本発明で使用する少なくとも１種類の水溶性糖化合物を含む原料は、水溶性の単糖、少糖あるいはこれらの配糖体、多糖が含まれていれば特に限定されるものではなく、また、グアーガム、ローカストビーンガム、カラギーナン、ペクチン、アルギン酸など上記単糖を構成成分として含まない水溶性の多糖、ゼラチン、コラーゲンなどのタンパク質、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどの半合成高分子、さらに、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、カルボキシビニルポリマーなど水溶性の合成高分子等が混在していてもよい。さらには、原料に水分あるいは触媒となり得る酸や塩基などが含まれていてもよい。

水溶性糖化合物を含む原料としては、蜂蜜、糖蜜、廃糖蜜、水飴、黒糖製品、マルトオリゴ糖、イソマルトオリゴ糖など種々のオリゴ糖類、メープルシロップなどのシロップ類、ビートやサトウキビ、キャベツやジャガイモなどの野菜や根菜類、ブドウやミカンなどの果物、各種穀類、トウモロコシ、豆類の搾汁液などが挙げられる。さらに、酒類やジュースなど種々の飲料、ベーカリー製品、洋菓子、和菓子、ジャム、デザートなど、水溶性糖化合物を含む原料から構成される種々の飲食料品も適用できる。

本発明のアンヒドロ糖の製造方法においては、水溶性糖化合物を原料に用い、糖化合物を含む水溶液だけを加熱し、水蒸気状態で反応させることを特徴とする。触媒などの添加物を一切加える必要がないため、反応混合物からの触媒の除去や残留する触媒のことなどを考慮する必要がない。

本発明における原料の水溶液中の水溶性糖化合物の濃度は、特に限定されるものではないが、0.1〜１０質量％の範囲が好ましい。

本発明のアンヒドロ糖の製造方法において、水溶性糖化合物を含む水溶液を加熱し水蒸気状態にして行なう反応の条件として、反応時の圧力は、０．０１ＭＰａ以上５ＭＰａ未満の範囲において好ましく実施でき、さらに好ましくは０．０５〜２ＭＰａであり、特に好ましくは大気圧（約０．１ＭＰａ）付近である。

反応温度および加熱時間は、水溶性の糖類を含む原料および仕込み濃度等によっても異なるが、反応温度は、好ましくは１００℃以上、より好ましくは１４０℃以上、さらに好ましくは２００℃以上である。１００℃より低い温度では脱水反応や解重合反応が十分に進行しない。反応温度の上限は特に制限はないが、温度が高くなればタールおよび炭化物の生成促進にもつながり目的物の分離精製が難しくなるほか、非経済的であるため、好ましくは４６０℃以下、より好ましくは４００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以下とする。

反応時間は、水蒸気状態の水に水溶性の糖類がさらされる時間であり、反応温度、水溶性の糖類を含む原料および仕込み濃度等により異なるが、５秒以下で行う。好ましくは0.01〜0.5秒程度である。反応時間が短すぎると未反応の原料が多く残り、長すぎると原料及び生成したアンヒドロ糖の過分解反応あるいは重合反応が進行し、目的物の収率は低下する。
反応時間の調整は、例えば反応器に送り込む水溶液の量により行なうことができる。

本発明の方法で使用する反応装置は、上記の条件で反応できるものであれば特に限定されるものではないが、流通式反応器を用い、この流通式反応器に上記の水溶性糖類を含む原料を連続的に供給するのが好ましい。本発明の反応は大気圧下でも実施できるため、耐圧容器の必要はなく、反応温度に耐えうるものであればよい。

流通式反応器を含む反応装置としては、例えば図１に概略を示すものが使用できる。
図示する装置は原料水溶液を収容するタンク（１）、反応器（３）、冷却器（８）及び回収器（１０）が接続されてなる。原料タンク（１）と反応器（３）の間にはポンプ（２）が設けられ、ポンプ（２）により所定量の原料水溶液が反応器（３）に連続的に導入される。反応器（３）には熱電対（６、７）及びヒーター（４、５）が設けられており、熱電対から得られる反応器内温度情報に基づきヒーター出力を制御し、反応器内を所定の温度に調整する。反応器（３）を経た反応混合物は、冷却器（８）で冷却し、回収器（１０）において回収する。冷却器（８）としては、例えば冷却液が流れる熱交換器が使用できる。ポンプ（２）と反応器（３）の間の流路には原料水溶液を予熱するための予熱器（１１）を設けてもよい。この予熱器により原料水溶液を１００℃未満に予熱することで、反応器（３）の中での温度のムラをなくすことができ、より均一な反応条件とすることが可能となる。予熱温度は８０℃以上が好ましく、９０℃以上がさらに好ましい。また、加圧下にて反応を行なう場合には、冷却器（８）と回収器（１０）の間に圧力調整弁（９）を設けることができ、減圧下にて行う場合には回収器（１０）の後にポンプを設けることができる（図示せず）。

本発明の製造方法によれば、反応温度、反応時間、圧力、原料、仕込み濃度などの反応条件を適切に選択することにより、アンヒドロ糖を５０％以上の高収率で得ることができる。

本発明の製造方法で生成するアンヒドロ糖の単離・精製は、特に限定されないが、例えば、反応混合物から水分を除去した後、反応混合物を直接シリカゲルカラムクロマトグラフィーにて分画し、アンヒドロ糖の溶出画分から溶出溶媒を留去することにより精製できる。反応混合物から水分を除去するためには、凍結乾燥あるいはエバポレータによる減圧濃縮で容易に行うことができる。シリカゲルカラムクロマトグラフィーに用いる溶出溶媒としては、酢酸エチル、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等が好ましく、これらを適宜混合させて極性を調整し、目的とするアンヒドロ糖を溶出させて分離する。例えば、酢酸エチル／メタノール混合溶媒（２０／１→１０／１）でアンヒドロ糖を溶出させ、溶出画分から溶出溶媒を留去することによりアンヒドロ糖が得られる。

以下、本発明を実施例により詳述するが、下記の実施例に限定されるものではない。なお、アンヒドロ糖の製造装置は図１に示す装置を用いた。

実施例１〜１１：
原料としてグルコース、スクロースおよびフジオリゴ＃４５０Ｐ（マルトオリゴ糖：グルコース1.0％、マルトース7.8％、マルトトリオース10.2％、マルトテトラオース50.5％、マルトペンタオース2.5％、グルコース単位６個以上の糖類28.0％）を用い、その水溶液を大気圧（0.1ＭＰａ）および低い加圧下に表１に示す条件下で反応させた。反応時間は、実施例１〜４および実施例８〜１１は0.13〜0.15秒、実施例５〜７は0.27〜0.30秒とした。反応生成物の分析は、ＧＰＣ分析（カラム：昭和電工(株)ＫＳ−８０１、検出器：示差屈折計）にて行った。

表１から、水蒸気中でグルコース、グルコースを構成成分として含むスクロースおよびマルトオリゴ糖を加熱することにより、グルコース分子が分子内で脱水反応を受けたりオリゴ糖が解重合反応を受け、アンヒドロ糖、すなわち、レボグルコサンおよび１，６−アンヒドログルコフラノースが高収率で製造できることがわかる。
特に１，６−アンヒドログルコフラノースは、従来の熱分解による方法ではほとんど得られていないが、本発明の方法を用いることで高い収率で得ることができる。

実施例１２：
マンノース水溶液（0.4質量％）を原料として用い、大気圧下に反応温度２６０℃、反応時間0.13秒で反応させた。反応生成物のＧＰＣ分析により、アンヒドロ糖、すなわち、マンノサンおよび１，６−アンヒドロマンノフラノースをそれぞれ５３％および１９％の収率で得た。

実施例１３：
ガラクトース水溶液（0.4質量％）を原料として用い、大気圧下に反応温度２６０℃、反応時間0.13秒で反応させた。反応生成物のＧＣ分析（カラム：(株)島津製作所CBP10-S25-050、検出器：水素炎イオン化検出器）により、アンヒドロ糖、すなわち、ガラクトサンおよび１，６−アンヒドロガラクトフラノースをそれぞれ５９％および３６％の収率で得た。

実施例１４：
実施例１１で得た反応混合物１８０ｍＬを水温４０℃以下で減圧濃縮し、粗反応生成物１４６０ｍｇを得た。この粗反応生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した（シリカゲル、３０ｍＬ）。酢酸エチル／メタノール混合溶媒（２０／１→１０／１）でアンヒドロ糖（レボグルコサンをおよび１，６−アンヒドログルコフラノース）を溶出させた。溶出溶媒を減圧留去することによりアンヒドロ糖を１０５０ｍｇ得た（収率６５％）。このアンヒドロ糖をイソプロピルアルコール／酢酸エチル混合溶媒から再結晶することによりレボグルコサンの結晶を８２０ｍｇ（収率５１％）、母液２２０ｍｇ（レボグルコサン／１，６−アンヒドログルコフラノース＝１／２、収率１４％）を得た。

従って、本発明により、生分解性を有するバイオプラスチック、バイオ接着剤などの化学原料、抗癌剤や抗ＨＩＶ剤の原料、光学異性体分割剤、多分岐多糖を基盤物質とする糖由来の安全な医療材料など種々の機能性高分子材料として有用なアンヒドロ糖を安価に供給できる。

本発明の方法で用いることのできる反応装置の一例の概略図である。

符号の説明

１ 原料（水溶液）タンク
２ ポンプ
３ 反応器
４，５ ヒーター
６，７ 熱電対
８ 冷却器
９ 圧力調整弁
１０ 回収器
１１ 予熱器

Claims (6)

1. 単糖、少糖あるいはこれらの配糖体、多糖およびこれらの混合物の中から選ばれる少なくとも１種類の水溶性糖化合物を含む水溶液を加熱し、水蒸気状態で反応させることを特徴とする下記一般式（１）、一般式（２）および／または一般式（３）
   

   

   で示されるアンヒドロ糖の製造方法。
2. 水溶性糖化合物が、グルコース、マンノース、ガラクトース、グロース、アロース、アルトロース、イドース、タロース、リボース、キシロース、アラビノース、及びリキソースから選ばれる単糖、スクロース、マルトース、イソマルトース、セロビオース、トレハロース、トレハルロース、パラチノース、ニゲロース、ラクトース、ラクチュロース、グリコシルスクロース、ラクトスクロース、パノース、ラフィノース、シクロデキストリン類およびその誘導体、分岐シクロデキストリン類、シクロデキストラン、マルトオリゴ糖、イソマルトオリゴ糖、セロオリゴ糖、ガラクトオリゴ糖、マンノオリゴ糖、キシロオリゴ糖、フラクトオリゴ糖、パラチノースオリゴ糖、ニゲロオリゴ糖、ゲンチオオリゴ糖及び大豆オリゴから選ばれる少糖、および可溶性デンプン、プルラン、アラビアガム、デキストラン、デキストリンおよびグルコマンナンから選ばれる多糖から選ばれる少なくとも１種類の水溶性糖化合物である請求項１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
3. 水溶性糖化合物を含む原料が、蜂蜜、糖蜜、廃糖蜜、水飴、黒糖製品及びメープルシロップから選択される請求項１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
4. 加熱温度が１００〜４６０℃である請求項１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
5. 加熱した流通式反応器に水溶性糖化合物を含む原料の水溶液を連続的に供給して水蒸気状態で反応させ、反応混合物を冷却及び回収する請求項１に記載のアンヒドロ糖を連続して製造する方法。
6. 予熱した原料水溶液を流通式反応器に供給する請求項５に記載のアンヒドロ糖を連続して製造する方法。
   

Images