JP2018000114A - セルロース及びリグニンを含む材料からの単糖又はオリゴ糖の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 セルロース及びリグニンを含む材料から効率的に単糖又はオリゴ糖を製造する手段を提供する。
【解決手段】 セルロース及びリグニンを含む材料を、酸水溶液と接触させ、単糖又はオリゴ糖を生成させる工程、及び高温条件下で、単糖又はオリゴ糖を含む液体を固形物と分離する工程を含むことを特徴とする単糖又はオリゴ糖の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、セルロース及びリグニンを含む材料からの単糖又はオリゴ糖の製造方法に関する。本発明の方法により製造される単糖はバイオエタノールをはじめ有用化学品の原料として利用でき、オリゴ糖は健康食品として利用できる。

植物を構成するセルロース、デンプンなどの多糖類を加水分解し、酵母等で発酵可能な単糖類を得ることは、近年、クリーン燃料「バイオエタノール」を得るために必要不可欠な技術として注目されている。また多糖類の加水分解反応は単糖類に限らず、化学的あるいは栄養学的に有用な物質を得る方法として重要である。また水に不溶のセルロース等を加水分解して水溶性の物質に変えることは、化学的あるいは栄養学的に有用な物質を得る手段として重要であるのみならず、水溶性とすることにより酵素糖化による単糖類の生成が容易となり、その後発酵などにより「バイオエタノール」の製造が可能となるなど、産業上利用価値が高い。従来この加水分解反応では、硫酸を触媒とした「濃硫酸法」と「希硫酸法」のいずれかが使われている（非特許文献１）。「濃硫酸法」では濃硫酸中で多糖類が加水分解されるが、反応によって生成した単糖類や水溶性の加水分解物等の生成物と硫酸を分離するのに多大なエネルギーが必要となる。一方、100℃以上で希硫酸を用いる「希硫酸法」では、生成した単糖類や水溶性の加水分解物等の生成物と硫酸との分離にだけでなく、反応自体にも大きなエネルギーが必要とされる。また、酵素を用いてセルロース類を分解する方法が研究されているが、高価な酵素を使うあるいは加水分解活性が低いなどの問題がある（非特許文献２）。

バイオニクス 2006年 2月号 26ページ〜33ページ Cellul Chem Technol vol26,p3-10

セルロースを加水分解し、糖類を得る方法は、以前から数多く知られていたが、いずれも上記したような問題を有していた。また、これらの問題に加え、得られる糖類の収率も必ずしも高いものではなかった。その上、分解生成物が容易に変性または二次分解を起こし、ギ酸、レブリン酸、ヒドロキシメチルフルフラール（HMF）などの糖の過分解物質が生じやすく、更なる糖収率の低下と共にHMFは、エタノール発酵において発酵阻害物質として働くためエタノール発酵を行う前にHMFを除去する余分か操作が必要になる。

発酵阻害物質の問題は、酵素を用いてセルロース類を分解する方法においても問題である。酵素分解自体では発酵阻害物質を生成することはないが、酵素分解成績を高めるためには、セルロースの結晶構造を緩める高温による水熱処理等の前処理が必要になる。この水熱処理で発酵阻害物質が生成する。発酵阻害物質の生成を抑えるため水熱処理条件を弱めると、セルロースの結晶は緩まず酵素分解が十分に進まない。この前処理条件と酵素分解成績は、trade-offの関係になっており、糖製造コスト削減の妨害になっている。

本発明は、このような従来法の問題を解決するためになされたものであり、セルロース及びリグニンを含む材料から効率的に単糖又はオリゴ糖を製造する手段を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、セルロース及びリグニンを含む材料を、酸水溶液と接触させ、単糖又はオリゴ糖を生成させた後、高温条件下で、単糖又はオリゴ糖を含む液体を固形物と分離することにより、ギ酸、レブリン酸、ヒドロHMFなどの糖の過分解物質の生成を抑え、単糖又はオリゴ糖の収率が著しく向上することを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、以下の（１）〜（６）を提供する。
（１）セルロース及びリグニンを含む材料を、酸水溶液と接触させ、単糖又はオリゴ糖を生成させる工程、及び高温条件下で、単糖又はオリゴ糖を含む液体を固形物と分離する工程を含むことを特徴とする単糖又はオリゴ糖の製造方法。

（２）高温が、50〜160℃であることを特徴とする（１）に記載の単糖又はオリゴ糖の製造方法。

（３）単糖又はオリゴ糖が、グルコース、ガラクトース、マンノース、又はセロビオースであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の単糖又はオリゴ糖の製造方法。

（４）単糖又はオリゴ糖が、グルコースであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の単糖又はオリゴ糖の製造方法。

（５）酸水溶液が、有機酸水溶液であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の単糖又はオリゴ糖の製造方法。

（６）酸水溶液が、クエン酸水溶液であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の単糖又はオリゴ糖の製造方法。

本発明により、ギ酸、レブリン酸、HMFなどの糖の過分解物質の生成を抑え、グルコースなどの単糖やセロビオースなどのオリゴ糖を効率的に製造することが可能になる。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明の単糖又はオリゴ糖の製造方法は、セルロース及びリグニンを含む材料を、酸水溶液と接触させ、単糖又はオリゴ糖を生成させる工程、及び高温条件下で、単糖又はオリゴ糖を含む液体を固形物と分離する工程を含むことを特徴とするものである。

セルロース及びリグニンを含む材料としては、例えば、一般にリグノセルロース系バイオマスと呼ばれるバイオマスを使用することができる。セルロース及びリグニンを含む材料は、セルロースとリグニンを含めばよく、また、セルロースやリグニン以外の成分を含んでもよい。セルロースとリグニン以外の成分としては、例えば、ヘミセルロース、デンプン、ペクチンなどを挙げることができる。

セルロース及びリグニンを含む材料の具体例としては、木材質（廃材、おがくず、おがこを含む）、古紙、稲藁、麦藁、籾殻、竹、バガス、とうもろこし穂軸、サゴヤシ残渣（デンプン搾りかす）、リンター、綿、パルプなどを挙げることができる。

セルロース及びリグニンを含む材料は何ら処理することなくそのまま酸水溶液と接触させてもよいが、材料によっては粉砕処理を行い、微細粒子にしてもよい。粉砕処理は自動乳鉢、ボールミル、ハンマリング、裁断のような公知の機械的粉砕手法を用いることができる。微細粒子の粒径は特に限定されないが、平均粒子径が0.1μm〜30mmであることが好ましい。

酸は、セルロースを加水分解できるものであればどのようなものでもよく、有機酸、無機酸のいずれでもよい。有機酸の具体例としては、クエン酸、ギ酸、酢酸、シュウ酸、コハク酸、グルコール酸、乳酸、ケイ皮酸、ガラクツロン酸などを挙げることができ、無機酸の具体例としては、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸などを挙げることができる。

後述する実施例には、糖収率の向上は、クエン酸を用いた場合しか示されていないが、以下の理由から、クエン酸以外の酸を用いた場合にも同様の効果は得られると考えられる。実施例の表１に示すように、杉おがこや籾殻を原料とした場合、20℃まで冷却して分離操作を行うとグルコース収率が低下するが、結晶性セルロースを原料とした場合には、このような収率の低下はみられない。杉おがこや籾殻と結晶性セルロースとの違いは、前者がセルロースの他にリグニンを含むのに対し、後者はセルロースのみからなる点である。このことから、収率の低下は、リグニンの存在、より具体的には、リングニンがグルコースを吸着したことが原因であると考えられる。リグニンが吸着性に富む物質であることも、この考えを支持する。以上のことから、糖の収率向上という効果は、セルロースの加水分解反応そのものから生じるものではなく、反応終了後の分離操作によって生じるものである。従って、加水分解反応に使用される酸がどのようなものであっても、加水分解反応終了後にリグニンと糖が存在する限り、糖の収率向上という効果は得られると考えられる。

酸を利用してセルロースから単糖やオリゴ糖を生成させる反応については、非常に多くの文献において報告されているので、当業者はそれらの文献を参考にこの反応の各条件、例えば、酸水溶液の濃度、反応温度、反応時間、セルロース及びリグニンを含む材料と酸の比などを適切なものに設定することができる。

酸水溶液の濃度は、上述したように、公知文献に基づき、使用する酸の種類などに応じて適宜決めることができる。具体的な酸水溶液濃度は、例えば、クエン酸を使用するのであれば１〜１５wt％が好ましく、３〜１０wt％がより好ましく、酢酸を使用するのであれば０．１〜１５wt％が好ましく、１〜５wt％がより好ましい。

反応温度も、公知文献に基づき、使用する酸の種類などに応じて適宜決めることができる。また、一般に反応温度が高いと相対的に単糖が多く生成し、低いと相対的にオリゴ糖が多く生成するので、反応温度は、製造しようとする糖の種類も考慮して設定するのが好ましい。更に、温度が高いと使用する酸が分解してしまうことがあるので、反応温度は酸の分解が生じない範囲内に設定することが好ましい。具体的な反応温度は、120〜170℃が好ましく、140〜160℃がより好ましい。

反応時間も、公知文献に基づき、使用する酸の種類などに応じて適宜決めることができる。また、一般に反応時間が長いと相対的に単糖が多く生成し、短いと相対的にオリゴ糖が多く生成するので、反応時間は、製造しようとする糖の種類も考慮して設定するのが好ましい。

セルロース及びリグニンを含む材料と酸の比も、公知文献に基づき、使用する酸やセルロース及びリグニンを含む材料の種類などに応じて適宜決めることができる。具体的な比率（質量比）は、０．５：１０〜４：１０（セルロース及びリグニンを含む材料：酸）が好ましく、１：１０〜３：１０がより好ましい。

反応は、常圧下で行うことができるが、加圧下で行ってもよい。また、反応は、撹拌条件下で行ってもよい。

単糖は、セルロース及びリグニンを含む材料の加水分解によって生じるものであればどのようなものでもよい。単糖の具体例としては、グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトース、キシロース、アラビノースなどを挙げることができる。これらの中では、グルコース、ガラクトース、マンノースが好ましく、グルコースがより好ましい。

オリゴ糖は、セルロース及びリグニンを含む材料の加水分解によって生じるものであればどのようなものでもよい。ここで、「オリゴ糖」とは、２〜１０個程度の単糖が結合した糖をいう。オリゴ糖の具体例としては、セロビオース、マルトース、ジ-N-アセチルキトビオース、セロトリオース、セロテトラオース、セロペンタオース、セロヘキサオース、マルトトリオース、マルトテトラオース、マルトペンタオース、マルトヘキサオース、トリ-N-アセチルキトトリオース、テトラ-N-アセチルキトテトラオース、ペンタ-N-アセチルキトペンタオース、ヘキサ-N-アセチルキトヘキサオースなどを挙げることができる。これらの中では、セロビオースが好ましい。

セルロース及びリグニンを含む材料と酸水溶液との接触は、セルロース及びリグニンを含む材料が加水分解し得る方法であればどのような方法で行ってもよく、例えば、酸水溶液にセルロース及びリグニンを含む材料を添加するような方法で行うことができる。

高温条件における温度は、リグニンによる単糖やオリゴ糖の吸着を妨げることができる温度であれば特に限定されない。このような温度は、分離操作時の温度を複数設定して糖の生成を行い、各温度における糖の収率を調べ、その結果に基づいて決めることができる。高温条件の具体的な温度は、上述しように、リグニンによる単糖やオリゴ糖の吸着を妨げることができる温度であれば特に限定されないが、50〜160℃が好ましく、80〜160℃がより好ましい。

セルロース及びリグニンを含む材料と酸水溶液との反応は、通常、高温条件下で行うので、液体と固形物の分離を反応終了後直ちに行えば特に加熱等の処理を行わなくても、高温条件下で分離操作を行うことができる。但し、高温条件を維持するため、分離操作を加熱条件下又は保温条件下で行ってもよい。

液体と固形物との分離は、単糖又はオリゴ糖を含む液体と主にリグニンからなる固形物とを分離できる方法であればどのような方法で行ってもよく、液体と固形物との分離に常用されている方法によって行うことができる。具体的には、合成繊維のろ布、多孔質セラミックス、多孔質金属をフィルターとして用いた濾過、遠心分離などの方法によって行うことができる。液体と固形物との分離はいつ行ってもよいが、セルロース及びリグニンを含む材料と酸水溶液との反応が終了した直後に行うことが好ましい。これは、前記反応は通常高温条件下で行われるので、この反応終了直後に分離操作を行えば、特に加熱処理などをしなくても、高温条件下で分離操作を行うことができるからである。

固形物と分離した単糖又はオリゴ糖を含む液体は、公知の精製手段（例えば、クロマトグラフィーなど）で、精製してもよい。

本発明の単糖又はオリゴ糖の製造方法の利点は、ギ酸、レブリン酸、HMFなどの糖の過分解物質の生成を抑え、単糖又はオリゴ糖の収率を向上させ、これらを効率的に製造できるという点である。また、収率の向上は、液体と固形物の分離を高温条件下で行うという簡単な操作で達成できることも、本発明の利点である。更に、収率の向上は、加水分解反応そのものによってもたらされるものではなく、反応終了後の分離操作によってもたらされるものであると考えられるので、広範な加水分解反応に適用可能であるということも、本発明の利点である。

次に、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

反応容器としては、50ml×2のパイレックス製二股試験管を用いた。この二股試験管は、シリコンゴム製Oリング付きのねじ込み栓により加圧が可能である。

10％クエン酸水溶液水5gを二股試験管の片方（A側）に入れ、このクエン酸水溶液に指定量の原料を入れた。原料としては、杉おがこ又は籾殻を用い、これらは前処理せずそのまま使用した。また、比較のため、結晶性セルロース（MERK 102331 Cellulose microcrystalline）も原料として使用した。二股試験管を密栓し、指定した温度の油浴中に上記反応容器全体を浸漬することにより反応を行った。反応は2時間行い、反応中マグネチックスターラーによりA側の液体を600rpmで攪拌した。反応後、以下の分離操作１〜３のいずれかを行った。
分離操作１：20℃まで冷却した後、A側の液体を、GL Science GLクロマトディスク13A, 0.45μmによりろ過した。
分離操作２：100℃まで冷却した後、A側の液体を、100℃に加熱したGL Science GLクロマトディスク13A, 0.45μmによりろ過した。
分離操作３：反応温度でA側の液体の上澄みをもう片側（B側）に移し、ろ過せずに20℃まで冷却した。

分離操作後の液体中のグルコースを濃硫酸法により定量し、グルコース収率とグルコース濃度を求めた。この結果を表１に示す。

表１に示すように、原料として杉おがこ又は籾殻を用いたときは、20℃まで冷却して分離操作を行った場合（分離操作１）に比べ、100℃まで冷却又は反応温度で分離操作を行った場合には（分離操作２及び３）、グルコース収率が著しく高かった。

一方、結晶性セルロースを用いたときは、分離操作時の温度に関係なく、グルコース収率は高かった。このことは、20℃まで冷却して分離操作を行った場合に生じる収率の低下は、リグニンによるグルコースの吸着が原因であり、また、この収率の低下は分離操作を高温条件下で行うことにより、解消できることを示唆する。

本発明は、バイオエタノールをはじめ有用化学品の原料となるグルコースの製造に有用なので、バイオエタノール、バイオ化学品と関連する産業分野において利用可能である。

Claims (6)

1. セルロース及びリグニンを含む材料を、酸水溶液と接触させ、単糖又はオリゴ糖を生成させる工程、及び高温条件下で、単糖又はオリゴ糖を含む液体を固形物と分離する工程を含むことを特徴とする単糖又はオリゴ糖の製造方法。
2. 高温が、50〜160℃であることを特徴とする請求項１に記載の単糖又はオリゴ糖の製造方法。
3. 単糖又はオリゴ糖が、グルコース、ガラクトース、マンノース、又はセロビオースであることを特徴とする請求項１又は２に記載の単糖又はオリゴ糖の製造方法。
4. 単糖又はオリゴ糖が、グルコースであることを特徴とする請求項１又は２に記載の単糖又はオリゴ糖の製造方法。
5. 酸水溶液が、有機酸水溶液であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単糖又はオリゴ糖の製造方法。
6. 酸水溶液が、クエン酸水溶液であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単糖又はオリゴ糖の製造方法。