JP2010032274A - Separation and quantification method of neutral sugar contained in biomass - Google Patents

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禮一郎 阪本
Takao Fujimoto
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an analyzing method for separating and quantifying five kinds of neutral sugars contained in cellulosic biomass in a high yield with good reproducibility. <P>SOLUTION: The analyzing method includes the process for performing primary hydrolysis solubilizing a sample by the acid treatment of hardly decomposable cellulosic biomass and the secondary hydrolysis of monosaccharide to oligosaccharide, the process for neutralizing an acid treatment solution to add internal standard sugar, the process for perfectly monosaccharifying the remaining oligosaccharide by enzyme, and the sugar measuring process for separating and quantifying the obtained sugar solution. By combining these processes, five kinds of neutral sugars contained in the cellulosic biomass can be separated and quantified in a high yield with good reproducibility. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、セルロース系バイオマスに含まれるバイオエタノールやバイオリファイナリーの原料となる多糖の組成を測定する方法に関する。   The present invention relates to a method for measuring the composition of a polysaccharide used as a raw material for bioethanol and biorefinery contained in cellulosic biomass.

バイオマスが化石燃料の代替、炭酸ガス排出の抑制、地球温暖化の防止などに役立つとして注目されている。特に、ガソリンなどの輸送用燃料の代替として、バイオエタノールの生産が急激に拡大している。しかしながら現在、バイオエタノールの原料となるバイオマスは、サトウキビやトウモロコシなどの糖液や澱粉が主流となっており、食料、穀物の高騰の原因とされている。そこで、食料との競合を避ける意味から、セルロース系バイオマスの利活用が求められている。このような状況にも関わらず、現状では、セルロース系バイオマスからのバイオエタノール生産は困難を極めている。その原因として、セルロース系バイオマスに含まれる多糖の加水分解が容易ではなく、リグニンなどが糖化反応やアルコール発酵を阻害するなどの悪影響を与えていると言われている。   Biomass is attracting attention as a substitute for fossil fuels, reducing carbon dioxide emissions, and preventing global warming. In particular, bioethanol production is rapidly expanding as an alternative to gasoline and other transportation fuels. However, at present, biomass, which is a raw material for bioethanol, is mainly sugar solution and starch such as sugar cane and corn, which is a cause of soaring food and grains. Therefore, utilization of cellulosic biomass is required in order to avoid competition with food. Despite this situation, at present, bioethanol production from cellulosic biomass is extremely difficult. The cause is said to be that hydrolysis of polysaccharides contained in cellulosic biomass is not easy, and lignin and the like have adverse effects such as inhibiting saccharification and alcohol fermentation.

セルロース系バイオマスは、糖質系や澱粉系バイオマスと異なり、より複雑な細胞壁多糖を形成している。その構成成分の中で酸性糖などの糖はエタノールへの変換が困難であり、利用可能な糖類は、グルコース、キシロース、マンノース、アラビノース、ガラクトースの5つの中性糖である。この中でも、キシロースのエタノールへの変換は、技術的に可能であっても、工業的に可能な領域に達しておらず、キシロースの利用率を向上させる研究開発が世界的に進められている。また、アラビノースも現状では、利用困難な糖である。   Cellulosic biomass, unlike carbohydrate and starch biomass, forms more complex cell wall polysaccharides. Among the constituent components, sugars such as acidic sugar are difficult to convert to ethanol, and available sugars are five neutral sugars of glucose, xylose, mannose, arabinose, and galactose. Among these, even if technically possible, the conversion of xylose to ethanol has not reached the industrially feasible range, and research and development for improving the utilization rate of xylose is underway worldwide. Arabinose is also a sugar that is difficult to use at present.

しかも、利用可能な糖類は全て単糖にする必要がある。澱粉の場合、グルコース以外のマルトースやマルトトリオースのようなオリゴ糖も酵母で利用されるが、細胞壁多糖はβ結合の多糖であり、二糖類といえども、酵母は利用できない。これらの観点から、発明者の一人(阪本禮一郎)は、パルプを各種セルラーゼで処理して得られる糖液に、さらにAspergillus aculeatus の培養液から得られるセルラーゼ系酵素群(アクセラーゼ)を作用させることにより、酵素糖化液に含まれるオリゴ糖を単糖化することに成功している(非特許文献1)。これにより、各種セルラーゼで処理された糖化液の、より正確な利用可能糖量を把握することができることを見出している。 Moreover, all available sugars need to be monosaccharides. In the case of starch, oligosaccharides such as maltose and maltotriose other than glucose are also used in yeast, but cell wall polysaccharides are β-linked polysaccharides, and even disaccharides cannot be used in yeast. From these viewpoints, one of the inventors (Shinichiro Sakamoto) allowed the cellulase enzyme group (accelase) obtained from the culture solution of Aspergillus aculeatus to act on the sugar solution obtained by treating pulp with various cellulases. Thus, the oligosaccharide contained in the enzyme saccharified solution has been successfully saccharified (Non-patent Document 1). As a result, it has been found that a more accurate available sugar amount of a saccharified solution treated with various cellulases can be grasped.

しかしながら、バイオマスを直接、酵素処理によって完全に単糖まで加水分解することは困難である。なぜなら、バイオマスを構成する代表的三成分であるセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの内、リグニンは酵素分解されず、しかも、多糖加水分解酵素の作用を阻害する。細胞壁は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンの多層構造により成り立っており、セルロース、ヘミセルロースに密着しているリグニンを除去しなければ、多糖加水分解酵素はセルロース、ヘミセルロースに作用できない。さらに、脱リグニン処理したバイオマスには、多糖加水分解酵素に対する阻害物質の生成することが知られている。従って、現状では、セルロース系バイオマスを脱リグニンしないで直接、多糖加水分解酵素で加水分解することはきわめて困難である。また、脱リグニンしたバイオマスであっても、多糖加水分解酵素で単糖にまで完全分解することは、ほとんど成功していない。セルロース系バイオマスの糖分析においても、脱リグニンしたパルプを酵素処理して得られた糖化液にはオリゴ糖が含まれており、これらを完全分解するため、糖化液をトリフルオロ酢酸(TFA)で処理している(非特許文献2)。   However, it is difficult to hydrolyze biomass directly to monosaccharides by enzymatic treatment. This is because lignin is not enzymatically decomposed among cellulose, hemicellulose and lignin, which are typical three components constituting biomass, and inhibits the action of polysaccharide hydrolase. The cell wall is composed of a multilayer structure of cellulose, hemicellulose, and lignin, and the polysaccharide hydrolase cannot act on cellulose and hemicellulose unless lignin that is in close contact with cellulose and hemicellulose is removed. Furthermore, it is known that a delignified biomass produces an inhibitor for polysaccharide hydrolase. Therefore, at present, it is extremely difficult to hydrolyze cellulosic biomass directly with a polysaccharide hydrolase without delignification. Further, even delignified biomass has hardly been successfully decomposed to monosaccharides by polysaccharide hydrolase. In sugar analysis of cellulosic biomass, the saccharified solution obtained by enzymatic treatment of delignified pulp contains oligosaccharides. To completely decompose these, the saccharified solution is trifluoroacetic acid (TFA). (Non-patent document 2).

現在、木材やパルプの多糖成分を測定する方法として、Tappi Standard 法(非特許文献3)が知られており、活用されている。この方法は、乾燥した木粉やパルプに72%濃硫酸を添加し、溶解して一次加水分解した後、酸濃度を下げてから100℃以上の温度で二次加水分解する方法である。得られた糖液を中和して、構成糖をガスクロマトグラフ法や高速液体クロマトグラフ法で測定している。本測定法は、紙パルプ先進国である欧米で開発された方法であって、主に針葉樹を原料とするバイオマスの糖組成分析に有用である。   Currently, the Tappi Standard method (Non-patent Document 3) is known and used as a method for measuring polysaccharide components in wood and pulp. This method is a method in which 72% concentrated sulfuric acid is added to a dried wood flour or pulp, dissolved and subjected to primary hydrolysis, and then subjected to secondary hydrolysis at a temperature of 100 ° C. or higher after lowering the acid concentration. The obtained sugar solution is neutralized, and the constituent sugars are measured by gas chromatography or high performance liquid chromatography. This measurement method is a method developed in Europe and the United States, which is an advanced country of pulp and paper, and is useful for analyzing the sugar composition of biomass mainly made from conifers.

その理由は、針葉樹に含まれるヘミセルロースには過分解を受けやすい五炭糖が少ないことによる。硫酸による加水分解では、セルロースよりヘミセルロースの方が加水分解されやすく、先に単糖が生成する。生成したキシロースは60℃以上の温度で過分解を起こすことが知られている。従って、セルロースが単糖にまで完全分解される時には、ヘミセルロースに含まれるキシロースなどの五炭糖は過分解を受けて失われる。過分解を受ける五炭糖の少ない分だけ、針葉樹の硫酸加水分解による糖の損失は少なくなる。針葉樹の糖組成分析においても、Tappi Standard 法は少量含まれるキシロースの収率が低く測定される欠点がある。   The reason for this is that hemicellulose contained in conifers has few pentose sugars that are susceptible to hyperlysis. In hydrolysis with sulfuric acid, hemicellulose is more easily hydrolyzed than cellulose, and monosaccharides are generated first. The produced xylose is known to cause excessive decomposition at a temperature of 60 ° C. or higher. Therefore, when cellulose is completely decomposed into monosaccharides, pentoses such as xylose contained in hemicellulose are lost due to excessive decomposition. The less pentose sugar that undergoes hyperlysis, the less sugar loss due to sulfuric acid hydrolysis of conifers. Even in the analysis of sugar composition in conifers, the Tappi Standard method has a drawback that the yield of xylose contained in a small amount is measured low.

日本や温暖な地域では、パルプ原料として針葉樹より広葉樹の方が多く利用されている。広葉樹はヘミセルロースを多く含み、その主成分はキシロースである。さらに、草本類にもキシロースを主な成分とするヘミセルロースが多く含まれている。これら広葉樹や草本類の糖組成を正確に分析することが困難である。特に、Tappi Standard 法の条件では、セルロースを構成するグルコース量を正確に測定する条件では、ヘミセルロースを構成するキシロースが過分解される欠点が指摘されている。   In Japan and temperate areas, hardwoods are more often used as pulp raw materials than conifers. Hardwood contains a lot of hemicellulose, the main component of which is xylose. Furthermore, herbs also contain a large amount of hemicellulose whose main component is xylose. It is difficult to accurately analyze the sugar composition of these hardwoods and herbs. In particular, under the conditions of the Tappi Standard method, it has been pointed out that the xylose constituting hemicellulose is excessively decomposed under the conditions for accurately measuring the amount of glucose constituting cellulose.

Konno,M.Sakamoto,R.Kamaya,Y.:”Quantitative analysis of pulp-derived soluble oligosaccharides by an enzymatic-HPLC method”,J. Ferment. Bioeng.,Vol. 82,No. 6,pp. 607-609 (1996)Konno, M. Sakamoto, R. Kamaya, Y .: “Quantitative analysis of pulp-derived soluble oligosaccharides by an enzymatic-HPLC method”, J. Ferment. Bioeng., Vol. 82, No. 6, pp. 607-609 (1996) Syverud, K., Moe, S.T., Minja, R.J.A. (1999): "Carbohydrate analysis of pulps using enzymatic hydrolysis and High Pressure Liquid Chromatography", 10th International Symposium on Wood and Pulping Chemistry Vol. 2, pp. 232-237Syverud, K., Moe, S.T., Minja, R.J.A. (1999): "Carbohydrate analysis of pulps using laboratory hydrolysis and High Pressure Liquid Chromatography", 10th International Symposium on Wood and Pulping Chemistry Vol. 2, pp. 232-237 TAPPI Test Method T249 cm-85:“Carbohydrate composition of extractive-free wood and wood pulp by gas-liquid chromatography” in Tappi Test Methods,Atlanta,GA:Technical Association of the Pulp and Paper Industry.TAPPI Test Method T249 cm-85: “Carbohydrate composition of extractive-free wood and wood pulp by gas-liquid chromatography” in Tappi Test Methods, Atlanta, GA: Technical Association of the Pulp and Paper Industry. Sakamoto,R.,Arai,M.,Murao,S.: Agric. Biol. Chem.,49,1283 (1985)Sakamoto, R., Arai, M., Murao, S .: Agric. Biol. Chem., 49,1283 (1985) 阪本禮一郎、林裕隆、森山康司、荒井基夫、村尾澤夫「Aspergillus aculeatusの粗酵素によるセルロース性物質の分解」:醗酵工学,60,333 (1982)Shinichiro Sakamoto, Hirotaka Hayashi, Koji Moriyama, Motoo Arai, Sawao Murao “Degradation of cellulosic substances by crude enzymes of Aspergillus aculeatus”: Fermentation Engineering, 60, 333 (1982) Suzuki,M.,Sakamoto,R ,Aoyagi,T.: Tappi J.,78(7),174 (1995)Suzuki, M., Sakamoto, R, Aoyagi, T .: Tappi J., 78 (7), 174 (1995)

本発明の目的は、過分解を受けやすいキシロースを含むセルロース系バイオマスの糖組成を正確に分析することにある。従来は(1)酸加水分解法では、キシロースが過分解したり、オリゴ糖が残存する。(2)酵素加水分解法では、キシロースの過分解が起こらず、未処理のバイオマスには適用が不可である。以上の通り従来の方法にはそれぞれ一長一短があり、必ずしも満足のいくものではない。しかしセルロース系バイオマス利用を進めるにあたり糖組成分析の重要性は高まっており、正確且つ簡便な方法の開発が焦眉の急となっている。   An object of the present invention is to accurately analyze the sugar composition of cellulosic biomass containing xylose that is susceptible to hyperlysis. Conventionally, (1) in the acid hydrolysis method, xylose is excessively decomposed or oligosaccharide remains. (2) In the enzyme hydrolysis method, xylose is not excessively decomposed and cannot be applied to untreated biomass. As described above, the conventional methods have merits and demerits, and are not always satisfactory. However, the importance of sugar composition analysis is increasing in promoting the use of cellulosic biomass, and the development of accurate and simple methods has become urgent.

本発明者らは、多糖を完全に単糖化する糖化法を開発すべく種々検討を加えた。まず、硫酸加水分解の利点を活用して、バイオマスを可溶化する一次加水分解と低分子化する二次加水分解の組み合わせにより、キシロースが最大収量となる条件を設定した。さらに、酸加水分解の後に酸糖化液を中和処理してから単糖生成力に優れたセルラーゼ系酵素群を含む酵素液で処理する条件を検討した。その結果、未処理のバイオマスであってもバイオマスを可溶化してキシロースの過分解を防ぎながら、未分解で残るセロオリゴ糖などのオリゴ糖を完全に単糖にまで分解する条件を見出した。すなわち、主たる構成糖であるグルコースとキシロースの収量を共に最大とする処理条件の得られることを見出した。これにより、セルロース系バイオマスを構成するグルコース、キシロース、マンノース、アラビノース、ガラクトースの5つの中性糖をより正確に分析する測定法を完成させることができた。   The present inventors have made various studies in order to develop a saccharification method for completely saccharifying a polysaccharide. First, by utilizing the advantage of sulfuric acid hydrolysis, conditions were set for maximum yield of xylose by combining primary hydrolysis solubilizing biomass and secondary hydrolysis reducing molecular weight. Furthermore, after acid hydrolysis, the acid saccharified solution was neutralized, and then the conditions for treatment with an enzyme solution containing a cellulase enzyme group excellent in monosaccharide production ability were examined. As a result, the present inventors have found a condition under which an oligosaccharide such as cellooligosaccharide remaining undecomposed can be completely decomposed into a monosaccharide while solubilizing the biomass to prevent excessive decomposition of xylose even with untreated biomass. That is, it has been found that treatment conditions that maximize both the yields of glucose and xylose, which are the main constituent sugars, can be obtained. Thereby, the measuring method which analyzes more accurately five neutral sugars of glucose, xylose, mannose, arabinose, and galactose which comprise cellulosic biomass was able to be completed.

本発明は、以下のセルロース系バイオマスの糖組成分析法によって構成される。   The present invention is constituted by the following sugar composition analysis method for cellulosic biomass.

(1)以下の(A)から(D)の分析操作工程を含む、セルロース系バイオマスに含まれる5つの中性糖(グルコース、キシロース、マンノース、アラビノース、ガラクトース)を分離定量する方法。
(A) 試料として粉砕及び/又は磨砕したバイオマスの一定量を濃硫酸で処理して溶解し、希釈してから100℃以上の高温で加水分解を行う酸処理工程。
(B) 得られた酸加水分解液をpH3〜5に中和してから、内部標準とする糖類を一定量加える中和処理工程。
(C) 中和されたオリゴ糖を含む酸糖化液に単糖生成力に優れた酵素を加えて、単糖に変換する酵素処理工程。
(D) 高速液体クロマトグラフィによって、5つの中性糖を分離定量する糖測定工程。
(1) A method for separating and quantifying five neutral sugars (glucose, xylose, mannose, arabinose, galactose) contained in cellulosic biomass, including the following analytical operation steps (A) to (D).
(A) An acid treatment step in which a certain amount of biomass pulverized and / or ground as a sample is treated with concentrated sulfuric acid, dissolved, diluted, and then hydrolyzed at a high temperature of 100 ° C. or higher.
(B) A neutralization treatment step of neutralizing the obtained acid hydrolyzed solution to pH 3 to 5 and then adding a certain amount of saccharide as an internal standard.
(C) An enzyme treatment step in which an enzyme excellent in monosaccharide production ability is added to an acid saccharified solution containing a neutralized oligosaccharide to convert it into a monosaccharide.
(D) A sugar measurement step of separating and quantifying five neutral sugars by high performance liquid chromatography.

(2)試料となるバイオマスが、100μm以下の粒度にまで粉砕されている、前記(1)のバイオマスに含まれる中性糖の分離定量法。   (2) The method for separating and quantifying neutral sugars contained in the biomass of (1), wherein the biomass as a sample is ground to a particle size of 100 μm or less.

(3)工程(A)において、試料の水分を調整し、凍結してから濃硫酸を添加し、磨砕しながら溶解する、前記(1)〜(2)のバイオマスに含まれる中性糖の分離定量法。   (3) In step (A), the water content of the sample is adjusted, frozen, concentrated sulfuric acid is added, and the neutral sugar contained in the biomass (1) to (2) is dissolved while grinding. Separation quantification method.

(4)工程(B)において、内部標準として、デオキシグルコース、イノシトール、メチルグルコース及びフコースから選択される1種類以上を用いる、前記(1)〜(3)のバイオマスに含まれる中性糖の分離定量法。   (4) Separation of neutral sugars contained in biomass of (1) to (3) above, wherein at least one selected from deoxyglucose, inositol, methylglucose and fucose is used as an internal standard in step (B) Quantitative method.

(5)工程(C)において、少なくともAspergillus aculeatusに由来する酵素を含んだ酵素を用いる、前記(1)〜(4)のいずれか1項記載のバイオマスに含まれる中性糖の分離定量法。 (5) The method for separating and quantifying neutral sugars contained in biomass according to any one of (1) to (4), wherein an enzyme containing at least an enzyme derived from Aspergillus aculeatus is used in step (C).

(6)工程(D)において、加水分解された5つの中性糖の分析に、糖分析用イオンクロマトグラフィを用いる、前記(1)〜(5)のいずれか1項記載のバイオマスに含まれる中性糖の分離定量法。   (6) In the step (D), the medium contained in the biomass according to any one of (1) to (5) above, wherein ion chromatography for sugar analysis is used for analysis of five hydrolyzed neutral sugars Separation and quantification method of sex sugar.

(7)前記(1)〜(6)のいずれか1項記載のバイオマス中性糖の分離定量法を用いて得られた糖量に基づいて、セルロース系バイオマスのバイオエタノールやバイオリファイナリーにおける製品の対糖収率を求める方法。   (7) Based on the amount of sugar obtained by using the method for separating and quantifying biomass neutral sugar according to any one of (1) to (6) above, the product of the cellulosic biomass in bioethanol or biorefinery A method for determining the yield to sugar.

本発明の糖分析法は、セルロース系バイオマスを構成する5つの中性糖(グルコース、キシロース、マンノース、アラビノース、ガラクトース)をより正確に測定する方法である。本発明の測定法により、セルロース系バイオマスを原料として、バイオエタノールの生産やバイオリファイナリーによる化学製品の生産において、より精度の高い対糖収率を求めることができる。   The sugar analysis method of the present invention is a method for more accurately measuring five neutral sugars (glucose, xylose, mannose, arabinose, galactose) constituting cellulosic biomass. With the measurement method of the present invention, it is possible to obtain a sugar yield with higher accuracy in the production of bioethanol or biorefinery using cellulosic biomass as a raw material.

これにより、セルロース系バイオマスの利活用技術の開発に重要な指標としての糖組成を正確に把握することが可能となり、技術開発及び生産の効率向上などに活用され得る。また、実生産の工程管理においても極めて有用な技術となり得る。   This makes it possible to accurately grasp the sugar composition as an important index for the development of utilization technology of cellulosic biomass, and can be utilized for technological development and improvement of production efficiency. In addition, it can be an extremely useful technique in process management of actual production.

本測定法により、各種のセルロース系バイオマスに含まれる多糖を加水分解して得られる5つの中性糖(グルコース、キシロース、マンノース、アラビノース、ガラクトース)を、高い収率で、より正確に分離定量することができる。これによりバイオマスの利活用に役立つ糖組成情報を提供することが可能となり、各種バイオマスから得られるエタノールなど生産物の限界収率を求めることができる。   By this measurement method, five neutral sugars (glucose, xylose, mannose, arabinose, galactose) obtained by hydrolyzing polysaccharides contained in various cellulosic biomass are more accurately separated and quantified with high yield. be able to. This makes it possible to provide sugar composition information useful for the utilization of biomass, and to determine the critical yield of products such as ethanol obtained from various biomass.

以下、本発明について詳細に説明する。本発明の糖組成分析法は、セルロース系バイオマスを試料とし、その利活用に重要な意味を持つ5つの中性糖(グルコース、キシロース、マンノース、アラビノース、ガラクトース)を正確に分離定量する測定法である。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. The sugar composition analysis method of the present invention is a measurement method that accurately separates and quantifies five neutral sugars (glucose, xylose, mannose, arabinose, galactose) that are important for the utilization of cellulosic biomass as a sample. is there.

試料として利用されるセルロース系バイオマスとは、木本類や草本類が含まれる。すなわち、セルロース、ヘミセルロース、リグニンの三成分を含むバイオマスであれば、種類に関係なく分析試料として用いることができる。もちろん、セルロース系バイオマスに、澱粉など他の多糖が混在する試料でも測定は可能である。その場合、澱粉とセルロースを分離定量することもできる。   Cellulose biomass used as a sample includes woody plants and herbs. That is, any biomass containing three components of cellulose, hemicellulose, and lignin can be used as an analysis sample regardless of the type. Of course, measurement is possible even in a sample in which other polysaccharides such as starch are mixed in cellulosic biomass. In that case, starch and cellulose can be separated and quantified.

前処理していないセルロース系バイオマスの粗試料の形態は、分析精度に大きい影響を与える。可能な限り、細かく裁断された試料が好ましい。分析精度を高めるため、乾燥した試料の場合、100μm以下に粉砕された試料を用いることが推奨される。さらに、可能であれば50μm以下の粒度に粉砕された試料が好ましい。湿潤な試料であっても、凍結処理してから濃硫酸を添加して温度上昇を抑制しつつ試料を溶解することが可能である。   The form of the crude sample of cellulosic biomass that has not been pretreated has a great influence on the analysis accuracy. Samples that are cut as finely as possible are preferred. In order to improve the analysis accuracy, it is recommended to use a sample pulverized to 100 μm or less in the case of a dried sample. Furthermore, if possible, a sample ground to a particle size of 50 μm or less is preferable. Even a wet sample can be dissolved by freezing and then adding concentrated sulfuric acid to suppress the temperature rise.

試料の硫酸による溶解(一次加水分解)を促進する手段として、磨砕が効果的である。特に、粉砕することで大きく損失するなど試料を粉砕することが困難な試料や、細かくできない湿潤な試料を溶解するには、硫酸を添加してから磨砕によって磨り潰すことが必要となる。もちろん、乾燥試料を粉砕したものでも、硫酸添加後に磨砕することにより、試料の溶解が大きく促進され、糖測定の収率向上、再現精度の向上が図れる。   Grinding is effective as a means of promoting dissolution of the sample with sulfuric acid (primary hydrolysis). In particular, in order to dissolve a sample that is difficult to pulverize, such as a large loss due to pulverization, or a wet sample that cannot be finely divided, it is necessary to add sulfuric acid and then grind by grinding. Of course, even if the dried sample is pulverized, by grinding after adding sulfuric acid, dissolution of the sample is greatly promoted, and the yield of sugar measurement can be improved and the reproduction accuracy can be improved.

セルロース系バイオマスを前処理した試料は、如何なる前処理であっても分析可能である。むしろ、バイオマスの前処理は、加水分解を容易にするための処理法であって、本糖分析法においては、分析操作が容易となったり、分析精度や再現性が向上する場合が多い。アルカリ処理したバイオマスも、必要であれば硫酸の添加量を増して溶解処理することができる。使用する硫酸の量は試料に対して大量であり、多くの場合、硫酸の添加量を増す必要性は少ない。また、硫酸やアルカリなどの量が多くなり、中和後の塩類濃度が高くなっても、本分析法では糖分析感度が高いことにより、酵素処理に影響を与えることは、ほとんどない。もちろん、塩濃度は低いほうが好ましい。   A sample pretreated with cellulosic biomass can be analyzed by any pretreatment. Rather, the pretreatment of biomass is a treatment method for facilitating hydrolysis, and in this sugar analysis method, analysis operations are often facilitated, and analysis accuracy and reproducibility are often improved. The alkali-treated biomass can be dissolved by increasing the amount of sulfuric acid added if necessary. The amount of sulfuric acid used is large relative to the sample, and in many cases there is little need to increase the amount of sulfuric acid added. Moreover, even if the amount of sulfuric acid or alkali increases and the salt concentration after neutralization increases, this analysis method has little influence on the enzyme treatment due to the high sugar analysis sensitivity. Of course, a lower salt concentration is preferred.

バイオマス試料の採取量は限定されないが、量が多いと分析操作を煩雑にすることとなり、乾燥重量で100mg程度(mg単位で計測)を目安としている。これより多い試料では、硫酸による二次加水分解の液量が100mLを越えることとなり、容量の大きい耐圧ガラス容器が必要となり、磨砕する試料では、磨り潰す時間を多く要する。試料の量が10mg以下(0.1mg単位で計測)のように少ない場合、分析精度と再現性に問題が生じる。重量を正確に測定することが必要となり、湿潤な試料では困難となる場合がある。   The collection amount of the biomass sample is not limited, but if the amount is large, the analysis operation becomes complicated, and the dry weight is about 100 mg (measured in mg) as a guide. If the sample is larger than this, the amount of secondary hydrolysis with sulfuric acid exceeds 100 mL, and a pressure-resistant glass container having a large capacity is required, and the sample to be ground requires much time for grinding. When the amount of the sample is as small as 10 mg or less (measured in units of 0.1 mg), a problem occurs in analysis accuracy and reproducibility. It is necessary to accurately measure the weight, which may be difficult with wet samples.

硫酸の添加量は試料に含まれる水分を含めて硫酸濃度が70〜77%の範囲となるように調整する。硫酸の濃度は、試料の種類や水分含量、保存状態などにより、適正な濃度が微妙に異なる。しかし、70%より低い硫酸濃度では、試料の溶解が不充分となり、正確な測定が困難となる。また、硫酸濃度を77%以上に設定すると、糖の過分解が生じて糖化液の着色が著しくなり、正確な測定が困難となる。硫酸による試料の溶解は、通常、室温で行うが、必要に応じて40〜50℃に加温することができる。ただし、60℃以上に加温すれば、糖の過分解が生じるため、好ましくない。   The amount of sulfuric acid added is adjusted so that the sulfuric acid concentration is in the range of 70 to 77%, including the moisture contained in the sample. The concentration of sulfuric acid varies slightly depending on the type of sample, moisture content, storage conditions, and the like. However, when the sulfuric acid concentration is lower than 70%, the sample is not sufficiently dissolved, and accurate measurement becomes difficult. On the other hand, when the sulfuric acid concentration is set to 77% or more, the sugar is excessively decomposed and the saccharified solution is remarkably colored, making accurate measurement difficult. Dissolution of the sample with sulfuric acid is usually performed at room temperature, but can be heated to 40 to 50 ° C. as necessary. However, heating to 60 ° C. or higher is not preferable because excessive decomposition of sugar occurs.

硫酸による二次加水分解の条件は、一次加水分解と同様に、試料の種類や水分含量、保存状態などにより、微妙に異なる。一次加水分解で溶解された試料は、洗浄液と共に耐圧ガラス容器に移される。多くの場合は、硫酸濃度として、4.0〜4.5%、加熱温度120℃(オートクレーブ加圧)、加熱時間10〜25分の条件で最適な処理が得られる。これらの条件に限定されず、硫酸濃度、加熱温度、加熱時間を選定して、最適に条件を設定することもできる。   The conditions for secondary hydrolysis with sulfuric acid differ slightly depending on the type of sample, moisture content, storage conditions, etc., as in primary hydrolysis. The sample dissolved by the primary hydrolysis is transferred to the pressure resistant glass container together with the cleaning liquid. In many cases, optimum treatment can be obtained under the conditions of a sulfuric acid concentration of 4.0 to 4.5%, a heating temperature of 120 ° C. (autoclave pressurization), and a heating time of 10 to 25 minutes. Without being limited to these conditions, the conditions can also be set optimally by selecting the sulfuric acid concentration, the heating temperature, and the heating time.

二次加水分解が終了した試料の耐圧ガラス容器は水冷により、40℃以下にまで冷却されてから、中和操作に移る。中和はNaOH溶液で行われる。次の酵素処理工程で、糖化液は酢酸緩衝液が使用されるため、NaOHを添加する前に、酢酸ナトリウム溶液を加えて、0.1M濃度に調製することが好ましい。次いで、NaOH溶液を加えて、糖化液をpH 4〜5に調整する。   The pressure-resistant glass container of the sample after the secondary hydrolysis is cooled to 40 ° C. or less by water cooling, and then the neutralization operation is started. Neutralization is performed with NaOH solution. In the next enzyme treatment step, an acetic acid buffer solution is used as the saccharified solution. Therefore, it is preferable to add a sodium acetate solution to adjust the concentration to 0.1 M before adding NaOH. Subsequently, NaOH solution is added and saccharified liquid is adjusted to pH 4-5.

中和した酸糖化液に、内部標準とする糖液を添加し、全量の重量をmg単位で計測する。内部標準に用いる糖は、デオキシグルコース、イノシトール、メチルグルコース、フコースなどの中から選択される。必要に応じて、2種類以上の内部標準を使用することができる。内部標準の糖液をこの時点で加えることにより、この操作以後の操作における測定の変動要因の影響を最小限とすることが可能となる。   Add the sugar solution as the internal standard to the neutralized acid saccharified solution, and measure the total weight in mg. The sugar used for the internal standard is selected from deoxyglucose, inositol, methylglucose, fucose and the like. If necessary, two or more types of internal standards can be used. By adding the internal standard sugar solution at this point, it becomes possible to minimize the influence of measurement variation factors in the operation after this operation.

中和され、内部標準を添加された酸糖化液には、セルロース由来のセロオリゴ糖などのオリゴ糖が含まれている。ヘミセルロース由来のキシロオリゴ糖が残存する条件もあり得る。従って、これらのオリゴ糖を単糖にまで分解しなければ、糖分析が複雑となり、分析が困難となる。そこで、単糖生成力の優れたセルラーゼ系酵素が必要となる。セルラーゼ力価が強いだけでなく、ヘミセルラーゼの分解力が強く、全てを単糖にまで分解できる酵素群が必要である。   The acid saccharified solution that has been neutralized and to which an internal standard has been added contains oligosaccharides such as cellooligosaccharides derived from cellulose. There may also be conditions where xylooligosaccharides derived from hemicellulose remain. Therefore, unless these oligosaccharides are decomposed into monosaccharides, sugar analysis becomes complicated and analysis becomes difficult. Therefore, a cellulase enzyme having an excellent monosaccharide-producing ability is required. There is a need for an enzyme group that not only has a strong cellulase titer, but also has a strong ability to decompose hemicellulase and can decompose all of them into monosaccharides.

セルラーゼ系酵素群の中で、単糖生成力に優れた酵素としては、Aspergillus属の酵素群がよく知られている。中でも、最も優れた単糖生成力を有する酵素としては、A. aculeatus No.F-50 の培養液から得られた粗酵素(アクセラーゼ)が最も推奨される。アクセラーゼに含まれる酵素群の中には、糖転移反応を生じないで、セロオリゴ糖に最も強い活性を有する Cellooligo-glucosidaseが含まれている(非特許文献4)。しかも、広葉樹由来の漂白パルプやアルカリ前処理稲ワラから8%の糖液が得られ、生成糖はペーパー・クロマトグラフィによってオリゴ糖の検出されないことが示されている(非特許文献5)。 Among the cellulase group enzymes, the enzyme group belonging to the genus Aspergillus is well known as an enzyme excellent in monosaccharide production ability. Among them, as the enzyme having the most excellent monosaccharide-producing ability, a crude enzyme (accelase) obtained from a culture solution of A. aculeatus No. F-50 is most recommended. Celluligo-glucosidase that has the strongest activity on cellooligosaccharide without causing a transglycosylation reaction is included in the enzyme group included in the accelerator (Non-patent Document 4). Moreover, 8% sugar solution is obtained from bleached pulp derived from hardwood and alkali pretreated rice straw, and it has been shown that oligosaccharides are not detected by paper chromatography (Non-patent Document 5).

酵素処理に使用される酵素群はセルロース由来のオリゴ糖だけでなく、キシランなどのヘミセルロース由来のオリゴ糖をも単糖にまで加水分解する酵素が必要である。従って、単独の微生物由来のセルラーゼ系酵素群だけでは、単糖化処理が困難となる可能性がある。このような場合でも、起源の異なる微生物由来のセルラーゼ系酵素群や単独酵素を組み合わせて使用することも可能である。例えば、アクセラーゼに Trichoderma 属由来の酵素群を組み合わせると、酵素添加量が少なくても、単糖化の反応が速やかに進んだり、分解限度が高くなったりすることがある。 The enzyme group used for the enzyme treatment requires not only cellulose-derived oligosaccharides but also enzymes that hydrolyze hemicellulose-derived oligosaccharides such as xylan to monosaccharides. Therefore, the monosaccharification treatment may be difficult with only a group of cellulase enzymes derived from a single microorganism. Even in such a case, it is also possible to use a combination of cellulase enzymes derived from microorganisms having different origins or single enzymes. For example, when an enzyme group derived from the genus Trichoderma is combined with an accelerator, the saccharification reaction may proceed rapidly or the decomposition limit may increase even if the amount of enzyme added is small.

酵素処理の条件は、原料であるバイオマスの種類や水分含量、保存状態、前処理の有無、酸処理の条件などによって、大きく異なる。また、添加する酵素の力価や単糖生成力によっても処理条件が異なる。一例として、アクセラーゼを使用した場合には、1mgの単糖を含む糖化液に対して、酵素添加量は1mg以下であり、好ましくは10〜50μgである。その他の処理条件として、pH 4.5、処理温度 45℃、処理時間 1〜12時間の範囲が設定されている。   The conditions for enzyme treatment vary greatly depending on the type and moisture content of the raw material biomass, the storage state, the presence or absence of pretreatment, the conditions for acid treatment, and the like. Further, the treatment conditions vary depending on the titer of the enzyme to be added and the monosaccharide production ability. As an example, when an accelerator is used, the amount of enzyme added is 1 mg or less, preferably 10 to 50 μg, based on a saccharified solution containing 1 mg of monosaccharide. As other processing conditions, pH 4.5, processing temperature 45 ° C., and processing time 1 to 12 hours are set.

酵素処理工程を経た糖化液は、適宜希釈されて常法どおり、高速液体クロマトグラフィで糖を分離定量する。発明者の一人が設定している糖分析用イオンクロマトグラフィを用いて15分間隔で試料糖液を分析する方法が公開されている(非特許文献6)。測定の条件は、分析装置、分離カラムなどの種類により、条件が異なる。   The saccharified solution that has undergone the enzyme treatment step is appropriately diluted and separated and quantified by high performance liquid chromatography as usual. A method for analyzing a sample sugar solution at intervals of 15 minutes using ion chromatography for sugar analysis set by one of the inventors has been disclosed (Non-Patent Document 6). The measurement conditions vary depending on the type of analyzer and separation column.

本発明の方法で得られたバイオマスの糖組成は、Tappi Standard法に比べて、キシロース含量が高く検出され、各種のセルロース系バイオマスの糖組成分析に利用できる。特に、広葉樹や草本類のように、キシロース含量の高いバイオマスの糖分析に優れた性能を発揮する。もちろん、キシロース含量の少ない針葉樹の糖組成分析も、より正確な測定値を提供することができる。   The sugar composition of the biomass obtained by the method of the present invention has a higher xylose content than that of the Tappi Standard method, and can be used for analyzing the sugar composition of various cellulosic biomass. In particular, it exhibits excellent performance in sugar analysis of biomass with high xylose content, such as hardwoods and herbs. Of course, the sugar composition analysis of conifers with low xylose content can also provide more accurate measurements.

セルロース系バイオマスを構成する5つの中性糖、グルコース、キシロース、マンノース、アラビノース、ガラクトースを正確に測定することができれば、バイオマスから得られるバイオエタノールや化学品の生産の可能性が把握できることから、バイオマスの正確な評価が可能となる。また、バイオマスから効果的に生産物を得るための研究開発でも、構成糖の正確な分析が可能となれば、より的確な処理技術の開発が促進される。そしてまた、バイオマスからのバイオエタノールなどの実生産においても、正確な糖分析が工程管理を助けて、より効率の高い生産性を上げる技術の向上に役立つこととなる。   If we can accurately measure the five neutral sugars that make up cellulosic biomass, glucose, xylose, mannose, arabinose and galactose, we can understand the potential for bioethanol and chemicals produced from biomass. Can be accurately evaluated. Also, even in research and development for obtaining products effectively from biomass, if accurate analysis of constituent sugars becomes possible, development of more accurate treatment techniques will be promoted. Moreover, in actual production of bioethanol and the like from biomass, accurate sugar analysis helps process management and helps improve technology to increase productivity more efficiently.

このように、セルロース系バイオマスの糖組成を的確に測定する技術の確立は、バイオマスの利活用技術の開発と生産に大きく貢献するものと期待される。   Thus, the establishment of a technique for accurately measuring the sugar composition of cellulosic biomass is expected to contribute greatly to the development and production of biomass utilization technology.

以下、本発明の詳細について実施例を挙げて説明するが、本発明は下記の実施例により、その技術的範囲が限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and the detail of this invention is demonstrated, the technical scope of this invention is not limited by the following Example.

2007年に柏市で栽培された稲の稲ワラをカッターミル(増幸産業製、MKCM-5)とアトマイザー(増幸産業製、MKA-5J)を用いて、φ1.0mmの篩いを通過するまでに粉砕した。以下、稲ワラの粉砕物を試料という。ガラス製すり鉢(外径10.5cm)に、絶乾100mgの試料を採取し、水(全て純水を使用)を加えて最終重量を1gとして、すり鉢をポリ袋で包み封印した。これを冷凍庫で一晩凍結した。凍結した試料に素早く濃硫酸3gを降りかけ、ガラス製すり棒で5分間磨り潰した。引き続き50℃の恒温槽で保温しながら25分間磨り潰し、大きな粒子や繊維を溶解させ試料の可溶化を進めた。溶解後、試料液を100mL容の耐圧ガラス容器に移し、共洗いを繰り返し、洗浄液を含めて試料液を80gとした。これをオートクレーブで、121℃10分間処理し、酸による二次加水分解を行った。加熱終了後、速やかに耐圧ガラス容器を取り出し、最初、50℃の温水に漬けて冷却し、さらに水道水で室温まで冷却した。硫酸二次加水分解した試料糖液に、5NのNaOH溶液の適量と1Mの酢酸ナトリウム溶液5mLを用いて、pH4.5に中和した。中和後、内部標準として2%デオキシグルコース溶液1mlを添加し、mg単位で添加量を計測し、さらに全液量をmg単位で計測した。   The rice straw cultivated in Sakai City in 2007 was passed through a φ1.0 mm sieve using a cutter mill (Masuyuki Sangyo, MKCM-5) and an atomizer (Masuyuki Sangyo, MKA-5J). Crushed. Hereinafter, the ground rice straw is referred to as a sample. A completely dry 100 mg sample was collected in a glass mortar (outer diameter 10.5 cm), water (all using pure water) was added to a final weight of 1 g, and the mortar was wrapped in a plastic bag and sealed. This was frozen overnight in a freezer. 3 g of concentrated sulfuric acid was quickly dropped onto the frozen sample and ground with a glass grinder for 5 minutes. Subsequently, the sample was ground for 25 minutes while being kept in a constant temperature bath at 50 ° C. to dissolve the large particles and fibers, and the sample was solubilized. After dissolution, the sample solution was transferred to a 100 mL pressure-resistant glass container, and co-washing was repeated to make the sample solution 80 g including the washing solution. This was treated in an autoclave at 121 ° C. for 10 minutes to carry out secondary hydrolysis with acid. After the heating was completed, the pressure-resistant glass container was quickly taken out, first immersed in warm water at 50 ° C. and cooled, and further cooled to room temperature with tap water. The sample sugar solution subjected to secondary hydrolysis of sulfuric acid was neutralized to pH 4.5 using an appropriate amount of 5N NaOH solution and 5 mL of 1M sodium acetate solution. After neutralization, 1 ml of a 2% deoxyglucose solution was added as an internal standard, the amount added was measured in mg, and the total liquid volume was further measured in mg.

上記で調整した試料糖液150μLに1M酢酸緩衝液(pH4.5)100μLと酵素液(A.aculeatus由来)100μLを加えて、全量1000μLになるように加水した。これを45℃で一晩保温し、酵素加水分解反応を行った。 To 150 μL of the sample sugar solution prepared above, 100 μL of 1M acetate buffer (pH 4.5) and 100 μL of enzyme solution (derived from A. aculeatus ) were added, and water was added to a total volume of 1000 μL. This was kept at 45 ° C. overnight to carry out an enzymatic hydrolysis reaction.

酵素加水分解処理した試料を、1ml注射器に採取し0.45μmのフィルターで濾過し、これをイオンクロマトグラフィに供した。イオンクロマトグラフィ用送液ポンプ、コントローラー、電気化学電気伝導度検出器には、ダイオネックス社製のものを使用した。カラムはダイオネックス社製CarboPac PA1を用い、流速1ml/minでカラム温度室温にて行った。移動相には水を用い、洗浄液には0.3Nの水酸化ナトリウム水溶液、0.1Nの水酸化カリウム水溶液、0.25Nの炭酸ナトリウム水溶液を用いた。中性糖は、アラビノース、ガラクトース、グルコース、キシロース、マンノースの順序で分離されて溶出した。分析結果はダイオネックス社製ソフトのPeakNetを用いて解析した。得られた結果を表1に示す。   The enzyme hydrolyzed sample was collected in a 1 ml syringe and filtered through a 0.45 μm filter, which was subjected to ion chromatography. Dionex's pumps, controllers, and electrochemical conductivity detectors were used for ion chromatography. The column was CarboPac PA1 manufactured by Dionex, and the flow rate was 1 ml / min and the column temperature was room temperature. Water was used for the mobile phase, and 0.3N sodium hydroxide aqueous solution, 0.1N potassium hydroxide aqueous solution, and 0.25N sodium carbonate aqueous solution were used for the washing liquid. Neutral sugars were separated and eluted in the order of arabinose, galactose, glucose, xylose and mannose. The analysis results were analyzed using PeakNet, a software manufactured by Dionex. The obtained results are shown in Table 1.

Figure 2010032274
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糖含量の計算方法
糖組成からの糖含量の計算方法は、イオンクロマトグラフィの解析結果から、処理した試料中のアラビノース、ガラクトース、グルコース、キシロース、マンノースの算出量を求め、アラビノース量とキシロース量には0.88を、ガラクトース量とグルコース量とマンノース量には0.90を掛けて合計した数値を、試料重量で割算して、糖含量を計算した。
Method for calculating sugar content The method for calculating the sugar content from the sugar composition is to calculate the calculated amounts of arabinose, galactose, glucose, xylose and mannose in the treated sample from the analysis results of ion chromatography. The sugar content was calculated by dividing 0.88 by adding 0.90 to the amount of galactose, glucose and mannose multiplied by the sample weight.

比較例1Comparative Example 1

TAPPI STANDARD法による糖組成分析
絶乾で試料0.35gをコニカルガラス遠心管に採取し、これに3mlの72%硫酸を加え、撹拌棒を用いて十分に撹拌した。30℃の恒温槽を用い時々撹拌しながら1時間保持して溶解させた。中身を84mlの水でビーカーに完全に洗い出す。ビーカーに時計皿で蓋をしてオートクレーブに供し103kPaで1時間処理した。冷却後、1%イノシトール水溶液を10ml加え十分に混合した。飽和水酸化バリウム水溶液を用いてpH4.6に中和した。これを遠心分離して透明な上清を得た。TAPPI STANDARD法では、上清中の単糖を、糖アルコールに還元し、アセチル化してガスクロマトグラフィに供しているが、比較例1では実施例1と同様にイオンクロマトグラフィで糖組成分析を行った。また内部標準には、実施例1と同様にデオキシグルコースを用いた。得られた結果を表2に示す。
Analysis of sugar composition by TAPPI STANDARD method 0.35 g of sample was collected in a conical glass centrifuge tube by absolute drying, 3 ml of 72% sulfuric acid was added thereto, and the mixture was sufficiently stirred using a stir bar. Using a thermostatic bath at 30 ° C., the mixture was held for 1 hour with occasional stirring and dissolved. Wash out the contents thoroughly with 84 ml of water in a beaker. The beaker was covered with a watch glass and subjected to an autoclave and treated at 103 kPa for 1 hour. After cooling, 10 ml of 1% inositol aqueous solution was added and mixed well. Neutralized to pH 4.6 with saturated aqueous barium hydroxide. This was centrifuged to obtain a transparent supernatant. In the TAPPI STANDARD method, monosaccharides in the supernatant are reduced to sugar alcohol, acetylated and subjected to gas chromatography. In Comparative Example 1, the sugar composition was analyzed by ion chromatography in the same manner as in Example 1. In addition, deoxyglucose was used as an internal standard as in Example 1. The obtained results are shown in Table 2.

比較例2Comparative Example 2

酵素加水分解による糖組成分析
稲ワラ粉砕物0.1%懸濁液450μLに1.0M酢酸緩衝液(pH4.5)100μLと酵素液(A.aculeatus由来)100μLと水を加えて1mlにし、十分に混合してから45℃で一晩酵素加水分解を行った。反応液は実施例1と同様にイオンクロマトグラフィで糖組成分析を行った。また内部標準には、実施例1と同様にデオキシグルコースを用いた。得られた結果を表2に示す。
Sugar composition analysis by enzymatic hydrolysis Add 450 μL of 0.1% suspension of ground rice straw to 100 μL of 1.0 M acetate buffer (pH 4.5), 100 μL of enzyme solution (derived from A. aculeatus ) and water to make 1 ml. After thorough mixing, enzymatic hydrolysis was performed overnight at 45 ° C. The reaction solution was subjected to saccharide composition analysis by ion chromatography in the same manner as in Example 1. In addition, deoxyglucose was used as an internal standard as in Example 1. The obtained results are shown in Table 2.

Figure 2010032274
Figure 2010032274

表1に示すとおり、本発明方法を用いた実施例では、稲ワラ試料の糖含量が58.0%と算出された。しかし比較例1では、糖含量が54.7%であり、操作中のキシロース過分解による糖収量減が起こっていると考えられる。また比較例2では、糖含量が6.3%であり、試料の加水分解が殆ど進んでいないと考えられる。
以上の結果から、従来の方法ではセルロース系バイオマスを試料とした場合、正確な糖組成を測定することが難しいが、本発明の方法を用いることによって、より正確な糖組成を測定することが可能となる。
As shown in Table 1, in the examples using the method of the present invention, the sugar content of the rice straw sample was calculated to be 58.0%. However, in Comparative Example 1, the sugar content is 54.7%, and it is considered that the sugar yield is reduced due to the excessive decomposition of xylose during the operation. In Comparative Example 2, the sugar content is 6.3%, and it is considered that the sample is hardly hydrolyzed.
From the above results, it is difficult to measure an accurate sugar composition when cellulosic biomass is used as a sample in the conventional method, but it is possible to measure a more accurate sugar composition by using the method of the present invention. It becomes.

ガラス製すり鉢(外径 10.5cm)に試料 125mg(絶乾 104mg)を採取し、水(全て純水を使用) 950mgを添加してポリ袋に包み、冷蔵庫のフリーザーで一夜放置した。凍結した試料を取り出して、素早く濃硫酸 3.00gを試料に降りかけて、ガラス製すりこぎで試料を磨り潰した。50℃の恒温槽に、すり鉢を保持して加温しながら磨り潰した。加温して磨り潰す作業を30分程度行い、硫酸濃度74%による試料の可溶化を進めた。   A 125 mg sample (externally dry 104 mg) was collected in a glass mortar (outer diameter 10.5 cm), 950 mg of water (all using pure water) was added, wrapped in a plastic bag, and left overnight in a refrigerator freezer. The frozen sample was taken out, 3.00 g of concentrated sulfuric acid was quickly dropped onto the sample, and the sample was ground with a glass pestle. The mortar was held in a thermostatic bath at 50 ° C. and ground while heating. The work of heating and crushing was performed for about 30 minutes, and the solubilization of the sample with a sulfuric acid concentration of 74% was advanced.

粉体の稲ワラが溶解したら、水を加えて100mL容の耐圧ガラス容器に試料溶解液を移し、洗浄水で残液が残らないように注意深く洗いこんだ。洗浄水を含めて全量を70mLとし、硫酸濃度は4.2%であった。耐圧ガラス容器の蓋を確実に閉めてから、オートクレーブにかけて二次加水分解を行った。加熱条件は、121℃、15分とした。加熱終了後、速やかに耐圧ガラス容器を取り出し、最初、50℃の温水に漬けて冷却し、さらに水道水で室温まで冷却した。   When the powdery rice straw was dissolved, water was added, the sample solution was transferred to a pressure-resistant glass container of 100 mL, and washed carefully with washing water so that no residual liquid remained. The total volume including the wash water was 70 mL, and the sulfuric acid concentration was 4.2%. After the lid of the pressure-resistant glass container was securely closed, secondary hydrolysis was performed by autoclaving. The heating conditions were 121 ° C. and 15 minutes. After the heating was completed, the pressure-resistant glass container was quickly taken out, first immersed in warm water at 50 ° C. and cooled, and further cooled to room temperature with tap water.

硫酸二次加水分解した試料糖液に、1M 酢酸ナトリウム 5mLと適量の5N NaOHを添加して、pH 4.5 に調節した。これに、内部標準糖液として、2%のデオキシグルコースを1mL加えた。添加量は1,003mgであった。この時の全液量は90mLであり、液重量は90,062mgであった。   To the sample sugar solution subjected to secondary hydrolysis of sulfuric acid, 5 mL of 1M sodium acetate and an appropriate amount of 5N NaOH were added to adjust to pH 4.5. To this, 1 mL of 2% deoxyglucose was added as an internal standard sugar solution. The amount added was 1,003 mg. The total liquid volume at this time was 90 mL, and the liquid weight was 90,062 mg.

次いで、中和して内部標準糖液を加えた糖液 70μLをエッペン・チューブに採取した。採取重量は78mgであり、これに0.1M 酢酸ナトリウム緩衝液 100μLとAspergillus aculeatus の粗酵素液 100μL(粗酵素 2mg含有)を添加し、全量を1mLとした。これを45℃の恒温槽に静置し、15時間放置した。   Next, 70 μL of a sugar solution neutralized and added with an internal standard sugar solution was collected in an Eppendorf tube. The collected weight was 78 mg, and 100 μL of 0.1 M sodium acetate buffer and 100 μL of Aspergillus aculeatus crude enzyme solution (containing 2 mg of crude enzyme) were added to make the total volume 1 mL. This was left still in a 45 degreeC thermostat, and was left for 15 hours.

酵素糖化反応終了液は、適宜希釈されて糖分析用イオンカラムクロマトグラフ装置(DIONEX社製)で分離定量された。使用したカラムはPA-1であり、溶出は水のみで1mL/minの速度で行われた。中性糖は、アラビノース、ガラクトース、グルコース、キシロース、マンノースの順序で分離されて溶出した。内部標準のデオキシグルコースはアラビノースより先に溶出した。   The enzyme saccharification reaction completion solution was appropriately diluted and separated and quantified with an ion column chromatograph for sugar analysis (manufactured by DIONEX). The column used was PA-1, and elution was performed with water alone at a rate of 1 mL / min. Neutral sugars were separated and eluted in the order of arabinose, galactose, glucose, xylose and mannose. The internal standard deoxyglucose eluted before arabinose.

溶出糖量の定量のため、別途、前記5種の中性糖を同じ条件で分離し、測定面積と各糖の重量が直線性に優れた標準曲線の得られる条件を設定した。さらに、内部標準のデオキシグルコースに対する各糖の一次回帰分析から換算係数を求めた。得られた各糖の換算係数と前記測定された面積から、試料稲ワラ粉体に含まれる中性糖の含量を算出した。アラビノース 3.7%、ガラクトース 0.3%、グルコース 46.5%、キシロース 21.6%、マンノース 1.7%と算出され、合計量は、73.7%となる。糖含量は65.9%となる。   Separately, the five neutral sugars were separated under the same conditions in order to quantify the amount of the eluted sugar, and the conditions under which a standard curve with excellent linearity in the measurement area and the weight of each sugar were set. Furthermore, the conversion coefficient was calculated | required from the linear regression analysis of each saccharide | sugar with respect to the internal standard deoxyglucose. The neutral sugar content contained in the sample rice straw powder was calculated from the conversion factor of each obtained sugar and the measured area. It is calculated as 3.7% arabinose, 0.3% galactose, 46.5% glucose, 21.6% xylose and 1.7% mannose, and the total amount is 73.7%. The sugar content is 65.9%.

本発明は、難分解性である故に糖組成を正確に分析することの困難なセルロース系バイオマスを構成する5種の中性糖を高い収率で再現性よく分離定量する分析法を提供するものである。セルロース系バイオマスの利活用が地球環境を守る上で重要性を増す中で、最も重要な利用可能性を示す中性糖の正確な分離定量法を得ることができた。これにより、セルロース系バイオマスの利用性を把握することが容易となり、利用法の開発に大きく貢献するだけでなく、実生産においても、バイオエタノールなどの収率向上に寄与する技術の開発に大いに貢献するものと期待される。   The present invention provides an analytical method for separating and quantifying five types of neutral sugars constituting cellulosic biomass, which is difficult to accurately analyze the sugar composition because of its poor degradability, with high yield. It is. As the use of cellulosic biomass has become increasingly important for protecting the global environment, we have obtained an accurate method for separating and quantifying neutral sugars, which shows the most important applicability. This makes it easier to understand the availability of cellulosic biomass and contributes greatly to the development of technologies that contribute not only to the development of utilization methods but also to the improvement of yields such as bioethanol in actual production. Expected to do.

Claims (7)

以下の(A)から(D)の分析操作工程を含む、セルロース系バイオマスに含まれる5つの中性糖(グルコース、キシロース、マンノース、アラビノース、ガラクトース)を分離定量する方法:
(A) 試料として粉砕及び/又は磨砕したバイオマスの一定量を濃硫酸で処理して溶解し、希釈してから100℃以上の高温で加水分解を行う酸処理工程;
(B) 得られた酸加水分解液をpH3〜5に中和してから、内部標準とする糖類を一定量加える中和処理工程;
(C) 中和されたオリゴ糖を含む酸糖化液に単糖生成力に優れた酵素を加えて、単糖に変換する酵素処理工程;
(D) 高速液体クロマトグラフィによって、5つの中性糖を分離定量する糖測定工程。
A method for separating and quantifying five neutral sugars (glucose, xylose, mannose, arabinose, galactose) contained in cellulosic biomass, including the following analytical operation steps (A) to (D):
(A) An acid treatment step in which a certain amount of pulverized and / or ground biomass as a sample is treated with concentrated sulfuric acid, dissolved, diluted, and then hydrolyzed at a high temperature of 100 ° C. or higher;
(B) A neutralization treatment step of neutralizing the obtained acid hydrolyzate to pH 3 to 5 and then adding a certain amount of sugar as an internal standard;
(C) an enzyme treatment step in which an enzyme having excellent monosaccharide production ability is added to an acid saccharified solution containing a neutralized oligosaccharide to convert it into a monosaccharide;
(D) A sugar measurement step of separating and quantifying five neutral sugars by high performance liquid chromatography.
試料となるバイオマスが、100μm以下の粒度にまで粉砕されている、請求項1記載のバイオマスに含まれる中性糖の分離定量法。   The method for separating and quantifying neutral sugars contained in biomass according to claim 1, wherein the biomass as a sample is ground to a particle size of 100 µm or less. 工程(A)において、試料の水分を調整し、凍結してから濃硫酸を添加し、磨砕しながら溶解する、請求項1又は2記載のバイオマスに含まれる中性糖の分離定量法。   The method for separating and quantifying neutral sugars contained in biomass according to claim 1 or 2, wherein in step (A), moisture of the sample is adjusted, frozen, concentrated sulfuric acid is added, and dissolution is performed while grinding. 工程(B)において、内部標準として、デオキシグルコース、イノシトール、メチルグルコース及びフコースから選択される1種類以上を用いる、請求項1〜3のいずれか1項記載のバイオマスに含まれる中性糖の分離定量法。   Separation of neutral sugars contained in biomass according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one selected from deoxyglucose, inositol, methylglucose and fucose is used as an internal standard in the step (B). Quantitative method. 工程(C)において、少なくともAspergillus aculeatusに由来する酵素を含んだ酵素を用いる、請求項1〜4のいずれか1項記載のバイオマスに含まれる中性糖の分離定量法。 The method for separating and quantifying neutral sugars contained in biomass according to any one of claims 1 to 4, wherein an enzyme containing at least an enzyme derived from Aspergillus aculeatus is used in step (C). 工程(D)において、加水分解された5つの中性糖の分析に、糖分析用イオンクロマトグラフィを用いる、請求項1〜6のいずれか1項記載のバイオマスに含まれる中性糖の分離定量法。   The method for separating and quantifying neutral sugars contained in biomass according to any one of claims 1 to 6, wherein ion chromatography for sugar analysis is used for analysis of five hydrolyzed neutral sugars in step (D). . 請求項1〜6のいずれか1項記載のバイオマス中性糖の分離定量法を用いて得られた糖量に基づいて、セルロース系バイオマスのバイオエタノールやバイオリファイナリーにおける製品の対糖収率を求める方法。   Based on the amount of sugar obtained by using the biomass neutral sugar separation and quantification method according to any one of claims 1 to 6, the yield of sugar in the product of cellulosic biomass in bioethanol or biorefinery is determined. Method.
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