JP2017502701A - 農業廃棄物からのオリゴ糖の分画方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、農業廃棄物から得られるホロセルロースを、商業的応用に適したアラビノキシロオリゴ糖、キシロオリゴ糖、およびセロオリゴ糖へと分画するための、連続的かつ費用効率的な化学酵素的方法を提供する。この方法は、制御された条件でホロセルロースを水性媒体と混合して、可溶性アラビノキシロオリゴ糖と不溶性固形物画分とを含む水性抽出物を得ること；制御された条件で固形物画分をアルカリ水溶液で処理して可溶性キシロオリゴ糖とセルロース残渣とを得ることを含む。セルロース残渣は酸水溶液に懸濁され、制御された条件で酵素で処理されて可溶性セロオリゴ糖を生じる。この方法から得られるアラビノキシロオリゴ糖、キシロオリゴ糖、およびセロオリゴ糖は４より大きい重合度を有する。

Description

本発明は、農業廃棄物から、オリゴ糖を、商業的応用に適したアラビノキシロオリゴ糖、キシロオリゴ糖、およびセロオリゴ糖へと分画するための、連続的、効率的、かつ安価な化学酵素的連続プロセスに関する。

オリゴ糖は、食品添加物および栄養サプリメントとして広く使われる重合体性炭水化物の重要な一群を形成する。オリゴ糖は、単量体糖ユニットが重合度２〜１０でグリコシド結合によって連結されたもので構成される。オリゴ糖は、酸または酵素によって、対応する単量体糖成分へと容易に加水分解される。オリゴ糖はいくつかの健康上の有益性を提供するため、食品添加物として有用である。オリゴ糖の生理化学的および生理学的特性は、産生されるオリゴ糖混合物によって異なる。重合度３〜１０を有するオリゴ糖はプレバイオティクスであり、カロリー値が低く、可溶性食物繊維として使用される。

オリゴ糖は、非酵素的方法または酵素的方法のどちらかによって製造される。非酵素的方法は、天然資源からのオリゴ糖の抽出、ならびに、単糖類または二糖類を出発材料として用いた化学合成が関わるものである。酵素的方法は、グリコシダーゼおよびグリコトランスフェラーゼを触媒として用いたオリゴ糖の合成、ならびに、多糖類からオリゴ糖への酵素的加水分解が関わるものである。

農業廃棄物からオリゴ糖を産出することは、通常は動物用飼料として使用される殻、糠、穀皮、外皮、穂軸、および油料種子ひき割り粉のような農業廃棄物の活用につながる。これらの廃棄物は、タンパク質、植物性化学物質、およびリグニンと共に、主としてセルロースおよびヘミセルロースを含む。これらの構成成分はすべて複雑な重合体性マトリックス中に配置され、そのため、加水分解のために多糖類にアクセスすることが妨げられる。しかしながら、熱化学的処理によって、取扱い可能なバイオマスが提供され、このバイオマスを制御された酵素的加水分解にさらに供すると、所望の特性のオリゴ糖の高収量を達成する一助となる。容易に入手可能な農業廃棄物からの生理活性オリゴ糖の産出は、農産業に有望な利益をもたらす。

先行技術は、バイオマスからオリゴ糖を製造するための様々な方法を提供している。これらの方法には、バイオマスをオリゴ糖に分解するために微生物細胞または酵素のどちらかを使用することが関わる。しかしながら、先行技術に記述された方法は、オリゴ糖の製造のために特異的酵素を必要とする。先行技術に記述された方法は、下流において精製のための操作を要するオリゴ糖混合物を産出し、そのため製造コストを高めている。

米国特許第５２４６８４０号は、グリコシダーゼおよびグリコトランスフェラーゼを触媒として用いることによるオリゴ糖の合成方法を開示している。オリゴ糖の合成は、グリコシダーゼ触媒によるより短いオリゴ糖の合成を、グリコトランスフェラーゼ触媒によるより高度なオリゴ糖の合成と組み合わせることにより達成された。

米国特許第４６７７１９８号は、バイオマスからオリゴ糖含有産物を調製するためのプロセスを開示しており、これは、塩酸を使用してバイオマスを容易に発酵可能なオリゴ糖含有産物へと部分的加水分解することと酸の容易な回収とを提供するものである。これらのオリゴ糖は、エタノール等の製品の調製のための発酵にさらに供された。

日本国公開特許公報第２００８−１３６３７６号は、コムギ／コメの糠から酸性キシロオリゴ糖を製造するための方法を記述している。この方法においては、コムギ糠またはコメ糠を、１００〜１５０℃の温度においてｐＨ範囲１．０〜４．０の酸性条件下またはｐＨ範囲９．０〜１３．０のアルカリ条件下で熱水処理した後、イオン交換処理をすることによって酸性キシロオリゴ糖が得られた。この方法は重合度２〜５を有する酸性キシロオリゴ糖を産出する。

欧州特許第１３０４４１２号は、酵素を使用してリグノセルロース性パルプからキシロオリゴ糖を製造する方法を開示しており、この方法は、ヘミセルラーゼを使用したリグノセルロース性パルプの酵素的加水分解の後に膜分離を行って、高濃度のキシロオリゴ糖・リグニン混合物を有する非透過性画分を得ることを含み、この混合物はさらに処理されてキシロオリゴ糖が回収された。

米国特許第４９０８３１１号はセルロース系物質からのセロオリゴ糖のための酵素による方法を開示している。Ｃｅｌｌｖｉｂｒｉｏ（セルビブリオ）属に属する微生物により産生されるセルラーゼがセルロース物質を酵素分解するための触媒として使用された。酵素的加水分解と膜濾過反応器の組合せが阻害物質の除去およびセロオリゴ糖の蓄積を助ける。

米国特許第７９４７６５６号は、セルロース材料を酵素的に分解することによりセロオリゴ糖を製造する方法を記述している。この方法は、７００以下の平均重合度および１００以下の平均粒径を有するセルロース系材料を、セルラーゼを使用して分解してセロオリゴ糖を選択的に産生することからなる。

米国特許出願公報第２０１１／００２０４９８号は、エンドキシラナーゼを使用して小麦ふすまから（アラビノ）キシランオリゴ糖を調製する方法を開示している。さらなるプロセスは、脱デンプン処理、脱タンパク質処理、それに続いて、Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｓｕｂｌｉｌｉｓ由来エンドキシラナーゼを用いた酵素的加水分解を含む。（アラビノ）キシランオリゴ糖の精製はイオン交換クロマトグラフィーを用いて行われた。この方法は、４〜１０の平均重合度、０．１５〜０．３５の平均アラビノース置換度であり、良好な感覚刺激（ｏｒｇａｎｏｌｅｐｔｉｃ）特性および色特性を有する（アラビノ）キシランオリゴ糖を産生した。

米国特許出願公報第２０１０／００２１９７５号は、調理プロセス後に得られるパルプの冷苛性抽出によるキシロオリゴ糖の製造方法を記述している。この方法は、キシランを冷苛性抽出した後に膜分離プロセスを行って富キシラン残余物を得ることが関わるものである。このキシラン画分は、キシランをキシロオリゴ糖に転換するためにハイドロ熱分解および酵素的加水分解によりさらに処理される。

米国特許出願公報第２００９／００６２２３２号は、植物材料から高純度キシロオリゴ糖を調製する方法を記述しており、この方法は、植物材料をアルカリ処理、圧力・熱処理した後に固液分離を行うことを含む。固形残余物はキシラナーゼを用いた酵素的加水分解にさらに付された。粗製糖類抽出物を濃縮した後に脱塩および活性炭処理を行って、ＵＶ吸収物質と着色不純物を含まない高純度キシロオリゴ糖組成物を産生した。

米国特許出願公報第２０１１／０２４４０７３号は、アラビノキシランおよびアラビノキシロオリゴ糖を調製する方法を記述している。水溶性アラビノキシランを調製する過程は、熱安定性アミラーゼの存在下で非水抽出性アラビノキシランを熱水処理し、続けて７０℃に冷ました後に７０／３０（ｖ／ｖ）のエタノール／水最終濃度となるようにエタノールを加えることを含む。

米国特許第５６３３０３２号は、穀類抽出物を調製する方法を記述している。この方法では、製粉過程から得られた穀類ふすま材料を７０〜８０℃の温度にてアルカリ処理に付した後に固液分離を行った。不溶性残余物を再び７０〜８０℃にてアルカリ性過酸化水素で処理した後に固液分離を行った。それから可溶性画分は噴霧乾燥され、接着剤および増粘剤として使用された。

米国特許出願公報第２０１２／０２３１１４７号は、穀物産物の自己加水分解によるキシロオリゴ糖の産生に関するものである。この方法では、分離されたトウモロコシ繊維は蒸留所からのものであり、この可溶物含有乾燥穀（ＤＤＧＳ）は１４０〜２２０℃の範囲内の温度における脱イオン水を用いて自己加水分解に付され、キシロオリゴ糖、単糖類、および酸を含有する抽出物を生じた。この抽出物は酸を用いてさらに加水分解されて単糖類を形成した。

米国特許出願公報第２０１２／０２３２２６４号は、バイオマス処理のための二工程プロセスを記述している。プロセスの第１工程は、１００〜２００℃の温度における加圧水でバイオマスを処理して、キシロオリゴ糖としてヘミセルロースを放出させることが関わる。第２工程では、不溶性残余物を再び２００〜３００℃の温度における加圧水で処理してセロオリゴ糖を得た。このようにして得られたキシロオリゴ糖およびセロオリゴ糖は固体酸触媒を使用してさらに加水分解し、それぞれキシロースおよびグルコースを生じさせた。

米国特許出願公報第２０１２／０１１５１９２号は、多工程多酵素系を用いてバイオマスから発酵性糖質を産生する方法を提供している。この方法では、最初にバイオマスを、１〜２０ｂａｒの圧力のもと５０〜２００℃の範囲の温度にて５％〜１０％（ｗ／ｖ）のアルカリで処理して、セルロース残渣を残しながらヘミセルロースを除去した。さらに、ヘミセルロースはエタノール溶媒を加えることによって沈殿させた。このようにして、沈殿したヘミセルロースとセルロースとを、キシラナーゼおよびセルラーゼ調製物を使用して酵素的に加水分解し、発酵性糖質を産生した。

上述した方法は、酵素的方法および化学的方法を使用してバイオマスからキシロオリゴ糖またはセロオリゴ糖のいずれかを産生するものである。酵素的方法は、例えばアミラーゼ、グルコアミラーゼ、プロテアーゼ、プルナーゼ、およびリパーゼのような細胞壁改変酵素でバイオマスを処理してデンプンおよび非炭水化物成分を取り除くことが関わる。その後、バイオマスに含まれた炭水化物成分は、キシラナーゼまたはセルラーゼのどちらかを使用して加水分解され、それぞれキシロオリゴ糖またはセロオリゴ糖を産生する。先行技術に記述された二工程プロセスは、多糖類抽出のための化学的前処理をした後に特定の酵素を使用してそれをオリゴ糖に加水分解することを要するため、全般的な製造コストが上昇する。

本発明は、オリゴ糖を分画するための方法に関し、この方法は、農業廃棄物から産出されるホロセルロースを、制御された条件において水性媒体に供し、可溶性のアラビノキシロオリゴ糖および不溶性固形物画分で構成される水性抽出物を得ることを含む。水性抽出物から回収される不溶性固形物画分をその後、１００〜１５０℃の範囲の温度において０．２〜２．５Ｍのモル濃度のアルカリ性溶液と２０〜４０分間反応器中で混合し、ヘミセルロース抽出物を得る。このヘミセルロース抽出物を濾過して、濾液としてキシロオリゴ糖を、残渣としてセルロースを得る。セルロース残渣をｐＨ５．０の酵素溶液で２時間処理して、セルロースをセロオリゴ糖へと加水分解する。
本発明の１つの課題は、４より大きい重合度を有する可溶性アラビノキシロオリゴ糖、可溶性キシロオリゴ糖、および可溶性セロオリゴ糖を得るための方法を提供することである。

本発明は、農業廃棄物からオリゴ糖を分画するための方法を提供し、この方法は、農業廃棄物から得られるホロセルロースを、１００〜１４０℃の範囲の温度における水で３０分間処理して、アラビノキシロオリゴ糖を含有する水性抽出物を得ることを含む。

本発明の別の課題は、アラビノキシラナーゼおよびキシラナーゼのような酵素を用いない熱アルカリ性プロセスを使用して水不溶性固形物画分からキシロオリゴ糖を産出するための方法を提供することである。

本発明の課題の１つは、セルロース残渣の制御された酵素的加水分解により、４より大きい重合度を有する可溶性セロオリゴ糖を製造することである。

従って本発明は、農業廃棄物から得られるホロセルロースを水、アルカリ、および酵素で段階的に処理して、可溶性のアラビノキシロオリゴ糖、キシロオリゴ糖、およびセロオリゴ糖をそれぞれ含有する別々の産物ストリーム（流れ）を生じさせることを提供する。本発明は、全ての化学的抽出がより穏和な条件で行われるため、費用効率が高い。本方法は異なるオリゴ糖を含有する別々の産物ストリームを生じるため、本発明はオリゴ糖の精製のための追加工程の必要性も省ける。

下記の図面との関係で本発明をさらに説明する。

図１は、農業廃棄物から調製されたホロセルロースからのオリゴ糖の産出の概略図を提供する。ホロセルロースは１００〜１４０℃の温度における水で反応器１において２０〜４０分間処理され、水性抽出物を形成する。この水性抽出物はそれから固液分離に付されて、アラビノキシロオリゴ糖を含有する可溶性画分１および不溶性固形物画分を産生する。反応器１から得られるこの不溶性固形物画分は、反応器２において、１００〜１５０℃の温度にて０．２〜２．５Ｍの範囲のモル濃度のアルカリ溶液に供され、続いて固液分離に付されて、キシロオリゴ糖を含有する可溶性画分２およびセルロース性の不溶性残渣が得られる。このセルロース残渣は、反応器３において、ｐＨ５．０の酸性化水中で４５〜５５℃の範囲内の温度にて２時間、制御された酵素的加水分解に付され、セロオリゴ糖を産出する。

定義：

本明細書において使用される「ホロセルロース」という用語は、リグノセルロース性材料のアルカリ前処理から得られる炭水化物画分を表し、これは、糖（グルコース）から形成されたありふれた構成要素あって最も豊富なバイオポリマーであるセルロース、およびヘミセルロースを含むものである。

本明細書において使用される「水性抽出物」という用語は、制御された条件においてホロセルロースを水性媒体と混合するプロセスにより得られる抽出物を表す。

本明細書において使用される「不溶性固形物画分」という用語は、上記水性抽出物の濾過により得られる画分を表す。

本明細書において使用される「ヘミセルロース抽出物」という用語は、不溶性固形物画分がアルカリ溶液で処理される抽出プロセスにより得られる抽出物を表す。

本発明は、農業廃棄物由来のオリゴ糖のための分画方法に関する。本発明はまた、農業廃棄物から得られるホロセルロースの段階的な化学・酵素的処理を提供して、アラビノキシロオリゴ糖、キシロオリゴ糖、およびセロオリゴ糖を別々の産物ストリームにおいて産出し、これらは商業的適用性を有する製品へとさらに変換することができる。記述される方法は、オリゴ糖の産生のための所要時間の点で高い効率を提供する。穏和な反応条件および酵素のよりよい活用により、本発明は、先行技術に記載された方法よりも経済的に有益となっている。

本発明は、例えば温度、ｐＨ、接触時間、その他のパラメータのような制御された条件において農業廃棄物由来オリゴ糖を分画する方法を提供して、段階的に分画されたオリゴ糖を獲得するものである。

本発明の別の課題は、可溶性のアラビノキシロオリゴ糖、キシロオリゴ糖、およびセロオリゴ糖を含有する別々の産物ストリームを生じさせるための、ホロセルロースの段階的処理を提供することである。

本発明の別の課題は、所望の産物を得るための精製プロセスの必要性を省きながらより穏和な条件を有する、費用効率の高い方法を提供することである。

本発明のさらに別の課題は、ヘミセルロースおよびセルロースの加水分解のための、はるかにクリーンでエネルギー消費の低い方法を提供することであり、これは、より優れた品質および高い収量でのオリゴ糖の分画をもたらす。

本発明に従って、水処理を使用してホロセルロースからアラビノキシロオリゴ糖を得ることができる。本発明の一実施形態では、水を伴うホロセルロースの固・液比は、スラリーを形成する１：１０（ｗ／ｖ）の比率である。その後、このスラリーが、制御された条件において加水分解に付される。

本発明の一実施形態では、ホロセルロースの加水分解は、１００〜１４０℃の範囲内の温度で２０〜４０分間行われ得、好ましくは３０分間行われて、水性抽出物が得られる。固液分離を行って、水性抽出物からアラビノキシロオリゴ糖を含有する可溶性画分を回収し、固形物画分が後に残る。

本発明に従うと、キシロオリゴ糖を単離するためのプロセスは、水処理から得られた固形物画分を熱アルカリ性処理すること、続いて、固液分離を行って、キシロオリゴ糖を含有するヘミセルロース抽出物を産出することを含む。

本発明の実施形態の１つは、ヘミセルロース抽出物を得るためのプロセスを提供し、このプロセスは、水性抽出物から得られた固形物画分を、反応器中で２０〜４０分間、好ましくは３０分間、１００〜１５０℃の範囲の温度において、０．２〜２．５Ｍの濃度を有するアルカリ溶液で処理する／アルカリ溶液と混合することを含む、

本発明の一実施形態では、上記アルカリは、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｈ_２Ｏ_２、およびＬｉＯＨからなる群から選択される。

本発明に従うと、農業廃棄物からのオリゴ糖を分画するためのプロセスは、不溶性のセルロースを可溶性のヘミセルロース抽出物から濾過によって分離することを含む。その後、不溶性セルロース残渣を水に懸濁し、酸を用いてスラリーのｐＨを４．５〜５．５に調節する。

本発明の別の一実施形態では、セルローススラリーの酸性ｐＨは、酸を用いることにより調節され、前記酸は、Ｈ_２ＳＯ_４、ＨＮＯ_３、ＨＣｌ、およびＣＨ_３ＣＯＯＨからなる群から選択される。

本発明に従うと、不溶性固形物画分の熱アルカリ性処理後に得られるセルロースの加水分解は、制御された条件下で酵素を使用することによって行われる。

本発明の一実施形態では、セルロース加水分解のために使用される酵素は、エンドグルカナーゼ、エンドキシラナーゼ、マンナナーゼ、およびガラクタナーゼからなる群から選択され、好ましくはエンドグルカナーゼである。

本発明のさらに別の一実施形態では、エンドグルカナーゼは、セルロース１グラム当たり１０〜１００ＦＰＵの範囲の濃度、好ましくは４０ＦＰＵの濃度において、上記プロセスに使用される。

本発明の最も好ましい実施形態では、セルロースからセロオリゴ糖への変換のためのセルロースの酵素的加水分解は、４５〜５５℃の範囲内の温度かつ４．５〜５．５の範囲内のｐＨにおいて２時間行われ、その後濾過が行われ得る。セルロース残渣は４０〜６０℃の範囲内の温度において乾燥される。

本発明は、他のバイオマス成分からオリゴ糖を実質的に純粋な形態で単離することを可能にする。本発明のもう１つの利点は、明確な分子量分布を有し水溶性やアルカリ溶解性のような既知の特性を有する高分子多糖類を産生するために利用し得ることである。本発明の方法により産生されるオリゴ糖は、食品、餌、医薬成分またはポリマー成分として利用することができる。アラビノキシランの単離のために穏和な熱化学的方法を使用することで、農業廃棄物材料から、より高い分子サイズの成分が無傷で単離されることが保証される。本発明は、４より大きい重合度を有する可溶性アラビノキシロオリゴ糖、可溶性キシロオリゴ糖、および可溶性セロオリゴ糖を製造することを可能にする。この方法は、アラビノキシロオリゴ糖およびキシロオリゴ糖の産生のために純粋な酵素調製物（アラビノキシラナーゼ、エンドキシラナーゼ）を必要としないため、運用コストも低い。現製造スキームは、ホロセルロースからの複数産物回収を確保し、そのことによって、農業廃棄物の全般的な経済的価値を上昇させる。農業廃棄物のフェノール類その他の成分の価値を高めることを狙った方法の組合せは、農業加工産業にとって大きな商業的価値を有し得る。
以下の実施例は、本発明の例示として提供されるものであって、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

（１）アラビノキシロオリゴ糖の調製
農業廃棄物から得られたホロセルロース１００ｇを秤量し、１：１０の比率で水と混合した。このスラリーを反応器に充填し、温度１２０℃において３０分間、加水分解を行った。それから水性抽出物を、ナイロンメッシュを用いた固液分離に付し、アラビノキシロオリゴ糖濾液と不溶性固形物画分とを得た。濾液をさらに溶媒沈殿に付し、純粋なアラビノキシロオリゴ糖を得た。不溶性固形物画分は５０℃にて乾燥させた。不溶性固形物画分の重量：５３ｇ、アラビノキシロオリゴ糖の重量：４０ｇ。

（２）キシロオリゴ糖の調製
不溶性固形物画分５０ｇを０．５Ｍの水酸化ナトリウム溶液で１：１０の比率で１２０℃において３０分間処理し、ヘミセルロース抽出物を得た。それからヘミセルロース抽出物を、ナイロン布を通して濾過し、キシロオリゴ糖と不溶性セルロース残渣とを分離した。溶媒沈殿により純粋なキシロオリゴ糖を回収した。キシロオリゴ糖の重量：１８グラム；残渣の重量：２５ｇ。

（３）セロオリゴ糖の調製
不溶性セルロース残渣１０ｇを水と１：１０の比率で混合してセルローススラリーを作り、ＨＣｌを加えることによりそのスラリーのｐＨを４．８に調節した。セルロース１グラム当たり４０ＦＰＵのセルラーゼを酸性化水中で溶液化し、それからセルローススラリー中に加えた。５０℃にて２時間、酵素加水分解を行った。それから、セロオリゴ糖を含有する酵素加水分解物を濾過により分離した。セロオリゴ糖の重量：２．６ｇ。

Claims (9)

1. ホロセルロースから異なるオリゴ糖を分画する連続的方法あって、
   ａ）ホロセルロースを、１００〜１４０℃の範囲の温度にて２０〜４０分間、好ましくは３０分間、水性媒体と混合して、可溶性アラビノキシロオリゴ糖と不溶性固形物画分とを含有する水性抽出物を得る工程；
   ｂ）工程ａ）から得られた前記固形物画分を、１００〜１５０℃の範囲内の温度にて２０〜４０分間、好ましくは３０分間、アルカリ水溶液で処理して、可溶性キシロオリゴ糖とセルロース残渣とを含むヘミセルロース抽出物を得る工程；
   ｃ）工程ｂ）から得られた前記セルロース残渣を酸水溶液に懸濁して、セルローススラリーを得る工程；および
   ｄ）工程ｃ）から得られた前記セルローススラリーを、４５〜５５℃の範囲内に制御された温度で２時間に渡って酵素で処理して、可溶性セロオリゴ糖を含有するセルロース抽出物を得る工程、
   を含む方法。
2. 前記ホロセルロースは、殻、糠、穀皮、外皮、穂軸、および油料種子ひき割り粉を含む農業廃棄物から得られる、請求項１に記載の方法。
3. 前記ホロセルロースは、１２０℃にて１：１０の比率において水性媒体と混合される、請求項１に記載の方法。
4. 前記ヘミセルロース抽出物は、前記固形物画分を１２０℃にてアルカリ性溶液で処理することにより得られる、請求項１に記載の方法。
5. 前記アルカリ溶液は、０．２Ｍ〜２．５Ｍの範囲内の濃度、最も好ましくは０．５Ｍの濃度を有する、請求項１および３に記載の方法。
6. 前記セルローススラリーを作るための、セルロースと水の比率が１：１０（ｗ／ｖ）である、請求項１に記載の方法。
7. 前記酵素は、エンドグルカナーゼ、エンドキシラナーゼ、マンナナーゼ、およびガラクタナーゼからなる群から選択され、最も好ましくはエンドグルカナーゼである、請求項１に記載の方法。
8. 前記方法において使用される前記エンドグルカナーゼは、セルロース１グラム当たり１０〜１００ＦＰＵの範囲内の濃度であり、最も好ましくはセルロース１グラム当たり４０ＦＰＵの濃度である、請求項６に記載の方法。
9. 前記方法により得られる前記可溶性アラビノキシロオリゴ糖、可溶性キシロオリゴ糖、および可溶性セロオリゴ糖は、４より大きい重合度を有する、請求項１に記載の方法。
   

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