JP2011200214A - 茸の廃床とセルロース・ヘミセルロース・リグニンの糖化処理剤および糖化方法。 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は安価な設備を用い、環境と安全性に考慮したセルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有物質および茸の廃床粉砕微粉を過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液により、単糖類のグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、マンノース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、フルクトース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、キシロース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）を短時間で製造する糖化処理剤および糖化方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、オルトリン酸溶液に過酸化水素を用い、強酸性領域において、酸化・分解活性の触媒効力が高いパイナップル酵素を併用することにより、比較的低い温度で容易にリグニン含有物質である茸の廃床等草木樹を粉砕微粉化させた後、酸化してリン酸エステルを生成した後、これを加水分解して単糖類のグルコース、マンノース、フルクトース、キシロース等を生成する、糖化処理剤および糖化方法である。
【選択図】図４
【解決手段】 本発明は、オルトリン酸溶液に過酸化水素を用い、強酸性領域において、酸化・分解活性の触媒効力が高いパイナップル酵素を併用することにより、比較的低い温度で容易にリグニン含有物質である茸の廃床等草木樹を粉砕微粉化させた後、酸化してリン酸エステルを生成した後、これを加水分解して単糖類のグルコース、マンノース、フルクトース、キシロース等を生成する、糖化処理剤および糖化方法である。
【選択図】図４
Description
本発明は、茸の廃床に含有するセルロースおよびヘミセルロース、リグニンをオルトリン酸と過酸化水素、パイナップル酵素との混合溶液により、酸化リン酸エステル化と加水分解を同時併行的に処理する糖化処理剤および糖化方法に関する。詳しくは、糖化方法によって得られる単糖類の生成経路に関するものである。
舞茸やえのき茸等、茸栽培後の廃床に含まれる大鋸屑には、大量に含まれるリグノセルロースの構成成分としてセルロース、ヘミセルロース、リグニンを含んでいます。そして、木質系リグノセルロース構造性多糖のセルロースは４０〜５０％、ヘミセルロースは１５〜２０％、芳香族化合物の重合体である難分解性リグニンは２０〜２５％から構成される生体高分子の高次網目構造を形成した無定型結合体である。その構造は複雑であるが、有望な木質系バイオマス資源である。リグニンはフェニルプロパノイドを起源とするフェニルプロパンが複数縮合化合物の誘導体であり、ポリフェノールの一種である。その構造は現在、解明されていない。茸の廃床に使用された大鋸屑にあっても、このように生体高分子構造を形成しているため、大鋸屑のセルロース成分は比較的容易に単分子化されるが、リグニン成分は分解することが極めて困難で、リグニンの分解技術は現在でも取り残された多くの課題がある。
セルロース系物質に二酸化チタンを添加したリン酸溶液に紫外線を照射する単糖類製造方法が［特許文献１］に開示されている。また、セルロースを２５０℃以上の高温熱水に過酸化水素やオゾンを用いて処理した後、酵素を添加する糖化方法が［特許文献２］［特許文献３］に開示されている。
更に、リグニン系物質を食塩または塩素もしくは次亜塩素酸を含む無機酸を電気分解するリグニン物質の分解方法が［特許文献４］に開示されている。
つづいてリン酸エステル製造方法が、［特許参考文献、特開２００７−１９５４０１号公報］に挙げられている。
セルロース系物質に二酸化チタンを添加したリン酸溶液に紫外線を照射する単糖類製造方法が［特許文献１］に開示されている。また、セルロースを２５０℃以上の高温熱水に過酸化水素やオゾンを用いて処理した後、酵素を添加する糖化方法が［特許文献２］［特許文献３］に開示されている。
更に、リグニン系物質を食塩または塩素もしくは次亜塩素酸を含む無機酸を電気分解するリグニン物質の分解方法が［特許文献４］に開示されている。
つづいてリン酸エステル製造方法が、［特許参考文献、特開２００７−１９５４０１号公報］に挙げられている。
特開２００７−１９５４０１号公報
また、キノコ廃菌床の高効率糖化発光技術の開発について、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合機構、平成２１年度（平成２２年２月１１日）、バイオマスエネルギー関連事業報告会において［参考文献］に報告されている。
しかしながら、前記［特許文献１］に記載する方法は、セルロースを二酸化チタン含有リン酸溶液中で、紫外線照射して二酸化チタンの光触媒活性により生成した活性酸素の酸化作用をセルロースの分解に応用したもので、紫外線照射装置を要する設備負担が増大する課題がある。
また、［特許文献２］［特許文献３］に記載の方法は、高圧装置容器の中で高温２４５℃下の亜臨界領域で過酸化水素水やオゾンを含有するリン酸アルミニウム熱水を用いたセルロースとリグニンの糖化方法で、高温高圧下における臨界状態の酸化加水分解反応を用いたもので、高圧装置作製に多大なるコストを必要とする他、過臨界状態となり酸化が進み過ぎるため、グルコース製造量が制限される。また安全性と高コストという課題があることに着目すべきである。
更に、上記［特許文献４］に記載の方法は、食塩水の電気分解装置により次亜塩素酸生成による酸化加水分解反応を用いたもので、電極板にセルロース等の 夾雑物が付着する為、分解効率の低下、次亜塩素酸とともに有害な塩素ガス対策など、環境問題が高コストとなる欠点がある。
これら従来技術には、セルロースおよびリグニン含有物質のリン酸エステル生成の後、単糖類の製造方法および製造される単糖類の組成分の生成経路に関し、開示した記述を示しものは全く見あたらない。
また、［特許参考文献］に記載する糖類のリン酸エステル製造方法は、ＰＨ３〜６制限領域で、酸性フォスファターゼとして、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓカビ、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ酵母、Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ細菌等々に由来する存在が必要である。
また、［非参考文献］による報告予稿集の記載によれば、舞茸廃菌床の排出量６３，０００トン／年間であり、えのき茸等の茸の廃床の国内総排出量は７０，０００トン／年間と推定され、微生物対応の為、エタノール発酵までに２カ月間以上の保管期間が必要および装置の大型化による設備費の増大、リグニンの糖化が困難等々大きな課題がある。
本発明は、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理について、過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合液により、グルコースリン酸エステル生成と同時併行的に加水分解により、グルコース、キシロース、マンノース、フルクトースを生成する糖化方法としては基本的に異なる。
また、［特許文献２］［特許文献３］に記載の方法は、高圧装置容器の中で高温２４５℃下の亜臨界領域で過酸化水素水やオゾンを含有するリン酸アルミニウム熱水を用いたセルロースとリグニンの糖化方法で、高温高圧下における臨界状態の酸化加水分解反応を用いたもので、高圧装置作製に多大なるコストを必要とする他、過臨界状態となり酸化が進み過ぎるため、グルコース製造量が制限される。また安全性と高コストという課題があることに着目すべきである。
更に、上記［特許文献４］に記載の方法は、食塩水の電気分解装置により次亜塩素酸生成による酸化加水分解反応を用いたもので、電極板にセルロース等の 夾雑物が付着する為、分解効率の低下、次亜塩素酸とともに有害な塩素ガス対策など、環境問題が高コストとなる欠点がある。
これら従来技術には、セルロースおよびリグニン含有物質のリン酸エステル生成の後、単糖類の製造方法および製造される単糖類の組成分の生成経路に関し、開示した記述を示しものは全く見あたらない。
また、［特許参考文献］に記載する糖類のリン酸エステル製造方法は、ＰＨ３〜６制限領域で、酸性フォスファターゼとして、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓカビ、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ酵母、Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ細菌等々に由来する存在が必要である。
また、［非参考文献］による報告予稿集の記載によれば、舞茸廃菌床の排出量６３，０００トン／年間であり、えのき茸等の茸の廃床の国内総排出量は７０，０００トン／年間と推定され、微生物対応の為、エタノール発酵までに２カ月間以上の保管期間が必要および装置の大型化による設備費の増大、リグニンの糖化が困難等々大きな課題がある。
本発明は、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理について、過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合液により、グルコースリン酸エステル生成と同時併行的に加水分解により、グルコース、キシロース、マンノース、フルクトースを生成する糖化方法としては基本的に異なる。
本発明の課題の達成に向けて更なる検討を行うため、これまで難分解性ハロゲンの湿式分解方法にオルトリン酸溶液と過酸化水素およびパイナップル酵素作用による酸化加水分解反応、特願２００９−１６８２３６および特願２００８−２９３８８８に提案した技術を応用し、リグニン含有舞茸、えのき茸の廃床粉砕微粉の溶解を試したところ、溶液中にグルコース、キシロース、マンノース、フルクトース等が生成することがわかった。
本発明は、舞茸、えのき茸粉砕微粉を糖化処理する際、過酸化水素含有リン酸溶液に舞茸およびえのき茸粉砕微粉を投入して、攪拌中、激しくガス発砲することは、酸化反応によって炭酸ガス（ＣＯ２）が発生しているものではないかと推測し、発砲ガス中の炭酸ガス（ＣＯ２）を北川式ガス検知管により測定したところ、微量の炭酸ガスを含有することを検知し確認した。また、処理後液中の糖度を糖度計で測定したところ高い糖濃度の測定値を得た。糖度計は、株式会社アタゴ社、型式Ｎ３（Ｂｒｉｘ５８〜９０％）を用いた。
本発明は、舞茸、えのき茸粉砕微粉を糖化処理する際、過酸化水素含有リン酸溶液に舞茸およびえのき茸粉砕微粉を投入して、攪拌中、激しくガス発砲することは、酸化反応によって炭酸ガス（ＣＯ２）が発生しているものではないかと推測し、発砲ガス中の炭酸ガス（ＣＯ２）を北川式ガス検知管により測定したところ、微量の炭酸ガスを含有することを検知し確認した。また、処理後液中の糖度を糖度計で測定したところ高い糖濃度の測定値を得た。糖度計は、株式会社アタゴ社、型式Ｎ３（Ｂｒｉｘ５８〜９０％）を用いた。
本発明は、安価な設備を用い、環境と安全性に考慮したセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンを過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素の混合溶液により酸化リン酸エステル化・加水分解して、単糖類のグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、マンノース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、フルクトース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、キシロース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）を生成する糖化処理剤および糖化方法。並びに、糖化方法によって得られる単糖類の生成経路について提供するものである。
本発明は、上記問題について鋭意検討した結果、過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液によってセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンを糖化処理する際、定温下において過酸化水素とパイナップル酵素による酸化とリン酸によるリン酸エステルを生成の後、該リン酸エステルがパイナップル酵素により加水分解して単糖類のグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、マンノース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、フルクトース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、キシロース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）等を得る生成経路を見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、以下の通りの構成から成り立っている。
（１）セルロースおよびリグニン含有物質である茸の廃床粉砕微粉を過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液に投入攪拌しつつ、定温範囲下で酸化リン酸エステル化・加水分解するセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理剤および糖化方法である。
（２）過酸化水素含有リン酸溶液が、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）２０〜８０％、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）０．１〜５％からなる（１）に記載するセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理剤である。
（３）パイナップル酵素がパイナップル皮果汁液の主成分であるグルコースリン酸ハイドロゲナーゼ、トレハローズリン酸シンテクターゼ、トレハローズフォスファターゼ、β−マンシターゼ、等を含む酸化触媒および加水分解触媒である（１）、（２）に記載するセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理剤である。
（４）セルロースを過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液に投入攪拌しつつ、定温範囲下で酸化リン酸エステル化反応により、リン酸グルコースエステルを生成した後、該リン酸グルコースエステルを加水分解して、グルコースを得る（１）、（２）、（３）に記載するセルロースの糖化処理剤を用いる糖化方法である。
（５）リグニンを過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液を投入攪拌しつつ、定温範囲下で酸化リン酸エステル化反応により、リン酸エステルを生成した後、グルコース、フルクトース、マンノースおよびキシロース等の単糖類を得る（１）、（２）、（３）、（４）に記載する糖化処理剤を用いる糖化処理方法である。
（６）リグニン含有物質２０重量部、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）１％含有オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４・７５％）溶液４０重量部〜６０重量部、パイナップル酵素０．５〜５重量部を混合、攪拌しつつ定温３５〜５５℃に加温、酸化リン酸エステル化・加水分解して、グルコース、フルクトース、マンノース、キシロース等の単糖類を得ることを特徴とする（１）、（２）、（３）、（４）、（５）に記載するセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理剤および糖化方法である。
（１）セルロースおよびリグニン含有物質である茸の廃床粉砕微粉を過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液に投入攪拌しつつ、定温範囲下で酸化リン酸エステル化・加水分解するセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理剤および糖化方法である。
（２）過酸化水素含有リン酸溶液が、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）２０〜８０％、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）０．１〜５％からなる（１）に記載するセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理剤である。
（３）パイナップル酵素がパイナップル皮果汁液の主成分であるグルコースリン酸ハイドロゲナーゼ、トレハローズリン酸シンテクターゼ、トレハローズフォスファターゼ、β−マンシターゼ、等を含む酸化触媒および加水分解触媒である（１）、（２）に記載するセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理剤である。
（４）セルロースを過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液に投入攪拌しつつ、定温範囲下で酸化リン酸エステル化反応により、リン酸グルコースエステルを生成した後、該リン酸グルコースエステルを加水分解して、グルコースを得る（１）、（２）、（３）に記載するセルロースの糖化処理剤を用いる糖化方法である。
（５）リグニンを過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液を投入攪拌しつつ、定温範囲下で酸化リン酸エステル化反応により、リン酸エステルを生成した後、グルコース、フルクトース、マンノースおよびキシロース等の単糖類を得る（１）、（２）、（３）、（４）に記載する糖化処理剤を用いる糖化処理方法である。
（６）リグニン含有物質２０重量部、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）１％含有オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４・７５％）溶液４０重量部〜６０重量部、パイナップル酵素０．５〜５重量部を混合、攪拌しつつ定温３５〜５５℃に加温、酸化リン酸エステル化・加水分解して、グルコース、フルクトース、マンノース、キシロース等の単糖類を得ることを特徴とする（１）、（２）、（３）、（４）、（５）に記載するセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理剤および糖化方法である。
本発明は、定温範囲下において、過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液を用いて、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有物質である茸の廃床を高圧装置や微生物を用いることなく、開放状態で酸化リン酸エステル化・加水分解して単糖類を製造する糖化処理剤および糖化方法によりグルコース、マンノース、フルクトースおよびキシロース等の製造を、設備費用が少なく、しかも省エネルギーで安心・安全・短時間でセルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有物質を容易に単糖化するアルコール中間体原料となり、エタノールの製造を可能にする効果があり、且つ、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニンからの単糖類生成経路を明確にし、開示することにより、茸の廃床から良質な木質バイオマスとして新エネルギー産業への貢献は極めて多大となる。
更に、単糖類化処理液から、分離した再生オルトリン酸の再利用が可能となり、製造コスト低減効果は多大となる。
更に、単糖類化処理液から、分離した再生オルトリン酸の再利用が可能となり、製造コスト低減効果は多大となる。
以上の説明からなるように、本発明にあたっては次に列挙する効果が得られる。
（１）（［請求項１］の構成要件）とで構成されているので、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有物質を過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液により、茸の廃床の木質を酸化リン酸エステル化・加水分解することができる。
したがって、過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液によりヘミセルロース、セルロースおよびリグニンの単糖類の糖化処理ができる。
（１）（［請求項１］の構成要件）とで構成されているので、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有物質を過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液により、茸の廃床の木質を酸化リン酸エステル化・加水分解することができる。
したがって、過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液によりヘミセルロース、セルロースおよびリグニンの単糖類の糖化処理ができる。
（２）（［請求項２］の構成要件）とで構成されているので、前記（１）によってヘミセルロース、セルロース、リグニンの糖化処理ができる。
（３）（［請求項３］の構成要件）とで構成されているので、前記（１）〜（２）の加水分解酵素であり、糖化処理の促進効果が得られる。
（４）（［請求項４］の構成要件）とで構成されているので、前記（１）〜（３）の方法によって得られたリン酸エステルを加水分解してキシロースを得られる。
（５）（［請求項５］の構成要件）とで構成されているので、前記（１）〜（３）によって、Ｄ−グルコース、Ｄ−マンノース、Ｄ−フルクトース、Ｄ−キシロースの混合処理液が得られる。
（６）（［請求項６］の構成要件）とで構成されているので、前記（１）〜（３）によってリン酸グルコースエステルを加水分解して、グルコースが得られる。
（７）（［請求項７］の構成要件）とで構成されているので、前記（１）〜（６）によってグルコース、マンノース、フルクトース、キシロース等の単糖類が得られる。
本発明は、上記した構成からなるセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理剤および糖化方法を実施する際、最も好ましい実施形態を詳しく説明する。
本発明は、セルロース、ヘミセルロース含有物質およびリグニン含有物質であれば、舞茸、えのき茸等の茸の廃床、大鋸屑、森林の間伐材、穀物類の、米、麦、トウモロコシ、豆、その他の殻類、製紙、稲藁、籾殻、樹木の枝葉、根、雑草類等を用いることができる。（接着剤および表面樹脂塗料を使用した合板等の糖化処理は二次処理に費用が掛るため困難である。）
本発明は、セルロース、ヘミセルロース含有物質およびリグニン含有物質であれば、舞茸、えのき茸等の茸の廃床、大鋸屑、森林の間伐材、穀物類の、米、麦、トウモロコシ、豆、その他の殻類、製紙、稲藁、籾殻、樹木の枝葉、根、雑草類等を用いることができる。（接着剤および表面樹脂塗料を使用した合板等の糖化処理は二次処理に費用が掛るため困難である。）
上記のセルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有植物体および茸の廃床は、気流打解方式粉砕機により微粉砕されるが、酸化リン酸エステル化・加水分解反応が５０℃以下の加温でスムーズに進行させるために、本発明に於いては、微粉砕に際し、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有植物体および茸の廃床にアルカリ物質の貝殻焼成微粉末を混合して、同時粉砕することにより、アルカリ処理亀裂表面となって貝殻焼成微粉末を添加したセルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有植物粉砕微粉となる。また粉砕の際、粉砕機内部の磁器部より発生する遠赤外線照射により５０℃に加温しつつ粉砕したセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンは分解効率が向上する。
本発明は、上記セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有物質の他、試薬、セルロース（関東化学株式会社製：ＣＡＳ Ｎｏ，９００４３５−７）および試薬 リグニン（関東化学株式会社製：ＣＡＳ，Ｎｏ，９００５５３−２）を用い、糖化処理によって生成する単糖類とその生成経路を明らかにする。
全ての草木樹植物は、セルロース、ヘミセルロースと共にリグニンが含有している。リグニンは、光合成による一次代謝により炭酸同化され、更なる二次代謝を受けることで合成されるフェニルプロパノイドのうちコニフェニルアルコール（Ｃ１０Ｈ１２Ｏ３）、シナピルアルコール（Ｃ１１Ｈ１４Ｏ４）、ρ−クマリルアルコール（Ｃ９Ｈ１０Ｏ２）という３種類のリグニンモノマーが高度に重合し、高度網目構造を形成した巨大な高分子体を成している。その構造は複雑であることが知られている。
リン酸溶液中に、酸化剤として過酸化水素を含有する溶液で、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有植物体および茸の廃床の酸化リン酸エステル化・加水分解糖化（単糖類を生成する）技術は、従来技術には見あたらない。且つ、単糖類の生成経路を明確にしたのは、発明者による全く新規な知見である。
本発明の過酸化水素含有リン酸溶液は、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有植物粉砕微粉の生体高分子の高次網目構造物質を過酸化水素とパイナップル酵素による酸化とオルトリン酸による加水分解を同時併行させることによって、過酸化水素を微少量用いても、これまでの難分解性リグニンを極めて短時間のうちに、単分子化することが可能である。
本発明の酸化リン酸エステル化反応と加水分解反応について説明する。
酸化リン酸エステル化反応は、微粉砕されたセルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有植物体を過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合液を、３０℃〜５０℃加温、攪拌することにより、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有植物体は、炭酸ガスを発生することを確認していることから、酸化とリン酸エステル化反応が同時併行的に行われ、単糖類のリン酸エステルと炭酸ガスと水を生成することが考えられる。
酸化リン酸エステル化反応式を［化１］式（１）、（２）に示す。
酸化リン酸エステル化反応は、微粉砕されたセルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有植物体を過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合液を、３０℃〜５０℃加温、攪拌することにより、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有植物体は、炭酸ガスを発生することを確認していることから、酸化とリン酸エステル化反応が同時併行的に行われ、単糖類のリン酸エステルと炭酸ガスと水を生成することが考えられる。
酸化リン酸エステル化反応式を［化１］式（１）、（２）に示す。
リグニン含有組成中のコニフェリルアルコール（Ｃ１０Ｈ１２Ｏ３）の酸化リン酸エステル生成について、［化１］式（１）構造式（２）に示す。
リン酸エステルの加水分解反応により生成されたリン酸エステルは、パイナップル酵素触媒の加水分解反応により、単糖類のグルコースとリン酸、フルクトースとリン酸を生成する。反応式を［化２］、式（３）、（４）に示す。
分解処理後液から分離したグルコースは、アルコール発酵原料となり、回収されたリン酸は再利用される。
リグニン成分シナピルアルコール（Ｃ１１Ｈ１４Ｏ４）およびρ−クマリルアルコール（Ｃ９Ｈ１０Ｏ２）の酸化リン酸エステル生成反応について、上記反応と同様に炭酸ガスが発生しリン酸エステルを生成する。反応式を［化３］式（５）、（６）、（７）に示す。
リグニン成分シナピルアルコール（Ｃ１１Ｈ１４Ｏ４）およびρ−クマリルアルコール（Ｃ９Ｈ１０Ｏ２）の酸化リン酸エステル生成反応について、上記反応と同様に炭酸ガスが発生しリン酸エステルを生成する。反応式を［化３］式（５）、（６）、（７）に示す。
マンノースリン酸エステル（Ｃ６Ｈ１３Ｏ９Ｐ）の加水分解反応によるマンノース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）生成とリン酸（Ｈ３ＰＯ４）生成およびフルクトース−６−リン酸エステル（Ｃ６Ｈ１３Ｏ９Ｐ）の加水分解反応によるフルクトース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、キシロースリン酸エステル（Ｃ５Ｈ１１Ｏ８Ｐ）の加水分解反応によるキシロース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）とリン酸（Ｈ３ＰＯ４）を生成する。反応式を［化４］式（８）、（９）（１０）に示す。
上記反応式［化１］［化２］［化３］［化４］に示した如く、リグニン成分のコニフェリルアルコール（Ｃ１０Ｈ１２Ｏ３）はグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）を生成、シナピルアルコール（Ｃ１１Ｈ１４Ｏ３）はマンノース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）およびフルクトースを（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）生成、ρ−クマリルアルコール（Ｃ９Ｈ１０Ｏ２）はキシロース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）を生成するとともに炭酸ガス（ＣＯ２）生成することの経路を明らかにすることができた。
即ち、本発明は、試薬リグニン（関東化学株式会社製：ＣＡＳ Ｎｏ，９００５５３−２）から単糖類のグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、マンノース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、キシロース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）が主成分として生成することを明らかにした。
過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）は、パイナップル酵素の酸化触媒作用を得て、理論的必要量の約１０〜５０分の１程度でも効果は向上する。
即ち、本発明は、試薬リグニン（関東化学株式会社製：ＣＡＳ Ｎｏ，９００５５３−２）から単糖類のグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、マンノース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、キシロース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）が主成分として生成することを明らかにした。
過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）は、パイナップル酵素の酸化触媒作用を得て、理論的必要量の約１０〜５０分の１程度でも効果は向上する。
本発明者は、［図１］の装置を用い、供試料として試薬リグニン（関東化学株式会社製：ＣＡＳ Ｎｏ，９００５５３−２）と過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素の混合液を投入し攪拌しつつ、発生する炭酸ガスをガス検知管（光明理化学株式会社製、北川式ガス検知管、型式１２６Ｂ）により、上記反応式の炭酸ガス発生を確認した。
本発明の過酸化水素含有リン酸溶液は、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）２０〜８０％、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）０．１〜５％が好適である。
オルトリン酸２０％以下、過酸化水素０．１％以下では、酸化リン酸エステル化反応は長時間（５時間以上）を要する。
本発明の最適な過酸化水素含有リン酸溶液は、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４・７５％）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）２．５％含有し、且つ、パイナップル酵素１％含有する混合用液を用いることにより短時間（２時間以内）で、酸化リン酸エステル化・加水分解反応は完了する。
過酸化水素含有リン酸溶液のオルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）８０％以上、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）５％以上を用いての難分解性リグニン含有植物粉砕微粉の糖化は、酸化分解反応が極めて激しく、攪拌中に溶液の黒変が起きる。
オルトリン酸２０％以下、過酸化水素０．１％以下では、酸化リン酸エステル化反応は長時間（５時間以上）を要する。
本発明の最適な過酸化水素含有リン酸溶液は、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４・７５％）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）２．５％含有し、且つ、パイナップル酵素１％含有する混合用液を用いることにより短時間（２時間以内）で、酸化リン酸エステル化・加水分解反応は完了する。
過酸化水素含有リン酸溶液のオルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）８０％以上、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）５％以上を用いての難分解性リグニン含有植物粉砕微粉の糖化は、酸化分解反応が極めて激しく、攪拌中に溶液の黒変が起きる。
次に、本発明のパイナップル酵素の主成分含有組成について説明する。
パイナップル酵素は、パイナップル皮果汁中に含有することは公知である。パイナップル酵素中にはセルロース分解酵素の他、蛋白質およびアミノ酸分子分解酵素、各種有機酸分解酵素等３０種以上の酵素成分が含まれている。パイナップル酵素は、脱水素（酸化）脱炭酸、脱アミン等の酵素を含んでおり、これらの複合作用により、セルロース、ヘミセルロースやリグニンとの間において、酸化触媒として機能し、酸化リン酸エステル化・加水分解することが考えられる。この中で、セルロース分解酵素は５種類の主要な酵素が含まれることがわかっている。
パイナップル酵素は、パイナップル皮果汁中に含有することは公知である。パイナップル酵素中にはセルロース分解酵素の他、蛋白質およびアミノ酸分子分解酵素、各種有機酸分解酵素等３０種以上の酵素成分が含まれている。パイナップル酵素は、脱水素（酸化）脱炭酸、脱アミン等の酵素を含んでおり、これらの複合作用により、セルロース、ヘミセルロースやリグニンとの間において、酸化触媒として機能し、酸化リン酸エステル化・加水分解することが考えられる。この中で、セルロース分解酵素は５種類の主要な酵素が含まれることがわかっている。
［表１］にパイナップル酵素の主要な成分を示す。
＊パイナップル酵素は腐敗しやすいため、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ３ＰＯ４を少量添加し酸性溶
本発明は、リグニン含有植物である茸廃床粉砕微粉（３００μｍ）に、過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合液を投入し、混合攪拌することにより容易に単分子化して、単糖類のグルコース、キシロース、マンノース、フルクトース等を得ることができるが、パイナップル酵素を添加しない過酸化水素含有リン酸溶液単独の場合は、単分子化して単糖類を得ることに長時間が必要である。パイナップル酵素の酸化、加水分解作用については複雑であるが、パイナップル酵素を用いることにより、効果は極度に向上する実績がある。
本発明のパイナップル酵素が酸化加水分解反応の促進効果としては、リグニンの成分であるコニフェリルアルコール（Ｃ１０Ｈ１２Ｏ３）等から糖誘導体のリン酸エステル（Ｃ６Ｈ１３Ｏ９Ｐ）等の酸化と加水分解反応の際、触媒作用に働くため重要な役割がある。
本発明に於いては、パイナップル酵素は酸化と加水分解反応の触媒として働くため、極めて少量であっても、その効果は多大である。
本発明の酸化加水分解反応促進効果としての好適なパイナップル酵素の添加量は、リグニン含有植物および茸廃床粉砕微粉１００重量部に対し０．５〜５重量部が好ましい。最も好ましい添加量は１．０％である。
パイナップル酵素添加量が０．１％以下の場合、酸化加水分解反応による単糖類のグルコース、キシロース、マンノース、フルクトース等の生成量が低下し、且つ、反応時間を長時間行っても生成量は向上しない。
本発明を、更に詳しく実施例および図に基づき説明する。
本発明に於いては、パイナップル酵素は酸化と加水分解反応の触媒として働くため、極めて少量であっても、その効果は多大である。
本発明の酸化加水分解反応促進効果としての好適なパイナップル酵素の添加量は、リグニン含有植物および茸廃床粉砕微粉１００重量部に対し０．５〜５重量部が好ましい。最も好ましい添加量は１．０％である。
パイナップル酵素添加量が０．１％以下の場合、酸化加水分解反応による単糖類のグルコース、キシロース、マンノース、フルクトース等の生成量が低下し、且つ、反応時間を長時間行っても生成量は向上しない。
本発明を、更に詳しく実施例および図に基づき説明する。
［図１］の糖度処理装置を用い、試薬リグニン（関東化学株式会社製：ＣＡＳ Ｎｏ，９００５５３−２）２．５ｇ、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４，７５％）（下関三井化学社製）２０ｍｌ、試薬過酸化水素１級（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）（関東化学（株））１．５ｍｌ、パイナップル酵素１．０ｍｌをガラスビーカーに投入、ゴム栓で密封した。マグネットスターラーで攪拌しつつ、４０℃に加温、３時間でＮ２ガスを流して、炭酸ガス（ＣＯ２）を石灰乳（Ｃａ（ＯＨ）２溶液）で捕集し、糖化処理を行った。
糖化処理後、炉別、固液分離し、糖化処理液１８．７ｍｌ、乾燥残渣０．０８ｇ（水分１０％含有）を得た。糖処理後の糖成分の分析を行った。
糖化処理液中の糖成分分析は、静岡大学工学部の島津製作所製、型式ＬＣ−１０ＡＤｖを用いた。（以下同じ）。
糖化処理後、炉別、固液分離し、糖化処理液１８．７ｍｌ、乾燥残渣０．０８ｇ（水分１０％含有）を得た。糖処理後の糖成分の分析を行った。
糖化処理液中の糖成分分析は、静岡大学工学部の島津製作所製、型式ＬＣ−１０ＡＤｖを用いた。（以下同じ）。
結果を［表２］に示す。
［表２］より、試薬リグニンの殆どが酸化分解され単糖類のグルコース、キシロース、マンノース、フルクトース等が生成すると同時に、炭酸ガスが発生することがわかる。
［図１］の装置を用い、試薬リグニン（関東化学株式会社製：ＣＡＳ Ｎｏ，９００５５３−２）２．５ｇとオルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４，７５％）（下関三井化学社製）２０ｍｌをガラスビーカーに投入、ゴム栓で密封し、マグネットスターラーで攪拌、４０℃で３時間、Ｎ２ガスを流しつづけ石灰乳に吹き込んだ。石灰乳はわずかに懸濁した。炉別して、乾燥残渣２．０３ｇを得た。処理液の分析は省略。
［図１］の糖化処理装置を用い、試薬セルロース（関東化学株式会社製：ＣＡＳ Ｎｏ，９００４３５−７）２．５ｇ、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４，７５％）（下関三井化学社製）２０ｍｌ、過酸化水素１級（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）（関東化学株式会社製：３４．５％）１．０ｍｌをガラスビーカーに投入、ゴム栓で密封した。マグネットスターラーで攪拌しつつ、４０℃に加温２時間Ｎ２ガスを流入し糖化処理を行った。
糖化処理後、液を濾過し糖化処理液１９．５ｍｌを得た。残渣は秤量確認できなかった。結果を［表３］に示す。
［表−３］より、試薬セルロース（関東化学株式会社製：ＣＡＳ Ｎｏ，９００４３５−７）２．５ｇは、糖化処理液の糖成分分析の結果、グルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）８６ｇ／ｌ、マンノース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）５６ｇ／ｌを得た。キシロース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）、フルクトース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）成分は確認されなかった。また、炭酸ガス（ＣＯ２）捕集は確認されなかった。
［実施例１］に従い、［図１］の糖化処理装置（ゴム栓を外し）を用い、試薬リグニン（関東化学株式会社製：ＣＡＳ Ｎｏ，９００５５３−２）２．５ｇ、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）（下関三井化学社製）６０％、３０％、２０％各々２０ｍｌについて、試薬過酸化水素１級（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）（関東化学株式会社製）０．２ｍｌ、１．２ｍｌ、パイナップル酵素は１．０ｍｌ全て一律。ガラスビーカーに投入、マグネットスターラーで攪拌しつつ、４０℃に加温３時間攪拌し、糖化処理を個々のバッチ式で実施し、糖化処理後液の糖成分中のグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）生成量を分析した。（分析機関前記）。結果を［図２］にオルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）濃度と過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）添加量とグルコース生成量との関係を示す。
［図２］より、試薬リグニンの糖化処理剤は、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）濃度６０％と過酸化水素（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）添加量は０．２ｍｌで糖化率８５％（グルコース３６．２ｇ／ｌ）となり、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）添加量０．４ｍｌ添加で糖化率９０％以上（グルコース３８ｇ／ｌ）となる。また、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）２０％のとき過酸化水素（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）添加量１．２ｍｌ添加では糖化率４０％以下（グルコース１６．５ｇ／ｌ）となった。
これより、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）溶液濃度が３０％以上のとき過酸化水素（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）による糖化力がパイナップル酵素により促進され、糖化率が高くなることができる。
これより、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）溶液濃度が３０％以上のとき過酸化水素（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）による糖化力がパイナップル酵素により促進され、糖化率が高くなることができる。
［図１］を用い、茸廃床粉砕微粉２．５ｇ、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４，５０％）２０ｍｌ、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）１．０ｍｌ、パイナップル酵素１．０ｍｌを投入４０℃に加温して攪拌しつつ、糖化処理を２０分、４０分、６０分、９０分、１５０分バッチ毎に実施し、溶解残渣を計測して、溶解率を調べた。結果を［図３］に示す。
［図３］より、茸廃床粉砕微粉（３００μｍ）の糖化処理は、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４，５０％）２０ｍｌ、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）１．０ｍｌ、パイナップル酵素１．０ｍｌのとき、糖化処理時間６０分以内で茸廃床粉砕微粉は殆ど溶解することがわかる。尚、溶解後液、淡褐色透明液である。
［図１］の装置を用い、茸廃床粉砕微粉（３００μｍ）２．５ｇ、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４，６０％）２０ｍｌ、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）１．０ｍｌの過酸化水素含有リン酸溶液に、パイナップル酵素０．３，０．５、１．０，１．５，２．０ｍｌを添加し、それぞれバッチ毎に２時間攪拌し溶解率を調べた。結果を［図４］に示す。
［図４］より、パイナップル酵素と溶解率との関係は、茸廃床粉砕微粉は、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）１．７３％含有オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４，７５％）２０ｍｌ溶液に、パイナップル酵素１．０ｍｌ以上添加することにより、攪拌時間２時間以内で溶解率９０％以上となることが分かる。
［図１］の装置を用い、茸廃床粉砕微粉と大鋸屑粉砕微粉（３００μｍ）を供試料として、各々２．５ｇと試薬、（関東化学株式会社製）過酸化水素（Ｈ２Ｏ２，３４．５％）０．５，１．０，１．５，２．０ｍｌ、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４，７５％）（下関三井化学（株）社製）２０ｍｌ、パイナップル酵素０．５，１．０ｍｌを各々に投入し、４０℃に加温して２時間攪拌して糖化処理を実施した。結果を［表３］に示す。
本発明は、高温で高圧装置を用いることなく、定温３５℃〜６０℃において、低設備費の開放容器を用いて、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有物質である茸の廃床粉砕微粉を過酸化水素含有リン酸溶液と少量のパイナップル酵素との混合液によって、開放状態で、酸化リン酸エステル化・加水分解して単糖類の製造が可能であり、省エネルギーで安心・安全、短時間でアルコール中間体の原料のグルコース、マンノース、フルクトース、キシロース等が低コストで産生が可能であり、茸の廃床より良質な木質バイオマス産生への利用の可能性は極めて高いといえる。
［図１］に基づく符号。
（１）ガラスビーカー
（２）ウォーターバス
（３）マグネットスターラー
（４）回転端子
（５）ＣＯ２捕集ビン
（６）ゴム密栓
（７）Ｃａ（ＯＨ）２溶解液
（８）Ｎ２ガス注入パイプ
（９）ＣＯ２＋Ｎ２吸引パイプ
（１０）供試料を投入した糖化処理液
（１１）セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有植物粉砕微粉
（１）ガラスビーカー
（２）ウォーターバス
（３）マグネットスターラー
（４）回転端子
（５）ＣＯ２捕集ビン
（６）ゴム密栓
（７）Ｃａ（ＯＨ）２溶解液
（８）Ｎ２ガス注入パイプ
（９）ＣＯ２＋Ｎ２吸引パイプ
（１０）供試料を投入した糖化処理液
（１１）セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有植物粉砕微粉
Claims (7)
- セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有物質の茸廃床粉砕微粉を過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液に投入攪拌しつつ、低温下で酸化リン酸エステル化・加水分解するセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの単糖類糖化処理剤および糖化方法。
- 過酸化水素含有リン酸溶液が、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）２０〜８０％、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）０．３〜５％からなる請求項１に記載するセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理剤。
- パイナップル酵素が、パイナップル皮果汁液である主要成分として、グルコースリン酸ハイドロゲナーゼ、トレハローズリン酸シンテクターゼ、トレハローズフォスフォアターゼ、β−マンシターゼを含む、加水分解触媒である請求項１〜２に記載するセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理剤。
- ヘミセルロースを過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液に投入攪拌しつつ、低温下で酸化リン酸エステルを生成した後、該リン酸エステルを加水分解してキシロールを得ることを特徴とする請求項１〜３に記載するヘミセルロースの糖化方法。
- リグニンを過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合液に投入攪拌しつつ、低温下で酸化リン酸エステルを生成した後、該リン酸エステルを加水分解して、Ｄ−グルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、Ｄ−マンノース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、Ｄ−フルクトース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）、Ｄ−キシロース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）等の混合処理液を得ることを特徴とする請求項１〜３に記載するリグニンの糖化方法。
- セルロースを過酸化水素含有リン酸溶液とパイナップル酵素との混合溶液に投入しつつ、低温下でリン酸グルコースエステルおよびフルクトース−６−リン酸エステルを生成した後、該リン酸グルコースエステルおよびフルクトース−６−リン酸エステルを加水分解して、グルコースおよびフルクトースを得ることを特徴とする請求項１〜３に記載するセルロースの糖化方法。
- リグニン含有物質２０重量部、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）１％含有オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４・７５％溶液）４０〜６０重量部、パイナップル酵素０．５〜５重量部を混合しつつ、低温３５℃〜５５℃に加温、酸化リン酸エステル化・加水分解処理して、グルコース、マンノース、フルクトース、キシロース等の単糖類を得ることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６に記載するセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの糖化処理剤および糖化方法。
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