JP2981837B2 - バクテリアセルロース離解物の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自励式超音波粉砕
機を用いることを特徴とする、セルロース性物質（以
下、「バクテリアセルロース」又は「ＢＣ」という。）
離解物の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＢＣ（バクテリアセルロース）は可食性
であり無味無臭であるため、食品分野で利用されるほ
か、水系分散性に優れているので食品、化粧品又は塗料
等の粒度の保持、食品原料生地の強化、水分の保持、食
品安定性向上、低カロリー添加物又は乳化安定化助剤と
しての産業上利用価値がある。ＢＣは木材パルプ等から
製造されるセルロースに較べ、フィブリルの断片幅が２
ケタ程度も小さいことを特徴とする。従って、ＢＣの離
解物はフィブリルのかかる構造的物理的特徴に基づき高
分子、特に水系高分子用補強剤として各種の産業用用途
がある。このようなバクテリアセルロース性離解物を紙
状または固型状に固化した物質は高い引張弾性率を示す
のでフィブリルの構造的特徴に基づくすぐれた機械特性
が期待され、各種産業用素材としての応用がある。

【０００３】一般に、バクテリアセルロースの離解現象
は、機械的外力等によってセルロース内部に発生した応
力が、これを変形・破壊することによる現象と考えられ
る。従って、バクテリアセルロースの離解処理は、バク
テリアセルロースに機械的外力を与えることにより行な
われる。ここでいう機械的外力とは、例えば、引っ張
り、曲げ、圧縮、ねじり、衝撃及び剪断等の応力が挙げ
られるが、一般的には圧縮、衝撃及び剪断応力が主体で
ある。従って、従来、これら機械的外力をバクテリアセ
ルロースに与える離解処理は、例えば、ミキサー、ポリ
トロン又は電気振動式超音波発振機等を使用して行なわ
れている。ミキサーによる離解処理においては、機械的
外力は攪拌羽根とバクテリアセルロースが衝突すること
による衝撃力と、媒体の速度差によるズレ現象によって
発生する剪断力が主体となる。ポリトロンによる離解処
理においては、機械的外力はバクテリアセルロースが外
歯と内歯に挟まることによる圧縮力、高速に回転する歯
とバクテリアセルロースが衝突することによる衝撃力、
静止している外歯と高速に回転する内歯の隙間に存在す
る媒体に発生する剪断応力が主体となる。超音波粉砕機
による離解においては、機械的外力は超音波発振部の発
振により媒体中にキャビテーション（空洞現象）が連続
的に発生し、局部的に生じる著しい剪断応力が主体とな
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に、印
刷用紙及び筆記用紙等の各種用途に使用される紙には、
透明度の向上、平滑性の向上及び増加、白色度の向上、
紙ぐせの改良、繊維分の節減等を目的として、填料が含
まれている。これらの填料等の微細成分は、湿式抄紙法
によって紙を生産する際に、脱水に伴って流出する傾向
が強く、紙中に留まり難いという問題があった。この問
題を解決する方法として、通気攪拌バクテリアセルロー
スを用いた填料歩留り向上剤が提案されている（特願平
６−９６６１４号）。しかしながら、このようなバクテ
リアセルロース離解物を含有する抄紙原料は、抄紙工程
における濾水性が劣るため、かかる抄紙工程における生
産性が悪化するという欠点があった。一方、特願平５−
２６４８３１に開示されている様に、ＢＣの各種特性は
離解処理の方法や条件によって多様に変化する。そこ
で、上記の欠点を解決するために、従来とは異なる離解
処理の方法が必要とされていた。本発明者等は、今回、
特に自励式超音波粉砕機を用いてＢＣの離解処理を行な
うことにより、上記の問題点を解決し、各種機械的特性
及びその他物性に優れたバクテリアセルロース離解物が
得られることを見出し、本発明を完成させた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、自励式
超音波粉砕機を用いて離解処理を行なうことを特徴とす
る、バクテリアセルロース離解物の製造方法に係わるも
のである。自励式超音波粉砕機はソノレータとも呼ばれ
ている装置であり、乳化分散、攪拌混合等にすでに市販
されて用いられているものである。その作動原理は以下
の通りである。処理液がポンプによって加圧され、楕円
型状ノズルから高速ジェット流となって噴射される。一
方、此のノズルから僅かな間隙を隔って発振ブレードが
設置されて居り、噴射流はブレードに激突しブレードの
超音波域の自励発振を引き起こす。このため処理液中に
キャビテーション（空洞現象）が連続的に発生し、局部
的に著しい圧力差を生じそのエネルギーが直接的に処理
液に作用し高度の乳化、分散を可能とする。この装置の
特徴としては、連続処理が可能なこと、再現性が良いこ
と、運転操作が極めて簡単であること及び工業的規模で
の大量処理（スケールアップ）が可能なこと等を挙げる
ことができる。本発明に於いて、この自励式超音波粉砕
機を用いてバクテリアセルロースの離解処理を行なうこ
とによって、例えば、従来の電気振動式超音波発振機等
を使用して離解処理した場合と比較して、従来からの優
れた填料歩留まり特性を維持しつつ、かつ濾水度の低下
が抑制された、製紙特性の優れたバクテリアセルロース
離解物が得られるのである。尚、本発明に於ける離解処
理は、水及び溶媒等に、塩化カルシウム、塩化ナトリウ
ム等の電解質、顔料、活性炭微粒子等の無機化合物、サ
イズ剤、歩留り剤、蛍光剤、防カビ剤、帯電防止剤、ラ
テックス、油脂等の有機化合物を予め混合するか、又は
添加するなどして実施しても良い。既に記載したよう
に、本発明で用いる自励式超音波粉砕機は乳化分散及び
攪拌混合等の作用にも優れたものであるため、本発明方
法の離解処理に際しては、バクテリアセルロースの離解
とあわせて添加・混合された前記各種物質の乳化分散等
を効果的に行うことが出来る。

【０００６】本発明におけるバクテリアセルロースの生
産に使用されるセルロース生産菌は、例えば、ＢＰＲ２
００１株に代表されるアセトバクター・キシリナム・サ
ブスピーシーズ・シュクロファーメンタンス（Acetobac
ter xylinum subsp. sucrofermentans）、アセトバクタ
ー・キシリナム（Acetobacter xylinum ）ＡＴＣＣ２３
７６８、アセトバクター・キシリナムＡＴＣＣ２３７６
９、アセトバクター・パスツリアヌス（A. pasteurianu
s ）ＡＴＣＣ１０２４５、アセトバクター・キシリナム
ＡＴＣＣ１４８５１、アセトバクター・キシリナムＡＴ
ＣＣ１１１４２及びアセトバクター・キシリナムＡＴＣ
Ｃ１０８２１等の酢酸菌（アセトバクター属）、その他
に、アグロバクテリウム属、リゾビウム属、サルシナ
属、シュードモナス属、アクロモバクター属、アルカリ
ゲネス属、アエロバクター属、アゾトバクター属及びズ
ーグレア属並びにそれらをＮＴＧ（ニトロソグアニジ
ン）等を用いる公知の方法によって変異処理することに
より創製される各種変異株である。尚、ＢＰＲ２００１
株は、平成５年２月２４日に通商産業省工業技術院生命
工学工業技術研究所特許微生物寄託センターに寄託され
（受託番号ＦＥＲＭ Ｐ−１３４６６）、その後１９９
４年２月７日付で特許手続上の寄託の国際的承認に関す
るブダペスト条約に基づく寄託（受託番号ＦＥＲＭ Ｂ
Ｐ−４５４５）に移管されている。

【０００７】ＮＴＧ等の変異剤を用いての化学的変異処
理方法には、例えば、Bio Factors,Vol. l, p.297−302
(1988)及び J. Gen. Microbiol, Vol. 135, p.2917−2
929(1989) 等に記載されているものがある。従って、当
業者であればこれら公知の方法に基づき本発明で用いる
変異株を得ることができる。また、本発明で用いる変異
株は他の変異方法、例えば放射線照射等によっても得る
ことができる。培養に用いる培地の組成物中、炭素源と
してはシュクロース、グルコース、フラクトース、マン
ニトール、ソルビトール、ガラクトース、マルトース、
エリスリット、グリセリン、エチレングリコール、エタ
ノール等を単独或いは併用して使用することができる。
更にはこれらのものを含有する澱粉水解物、シトラスモ
ラセス、ビートモラセス、ビート搾汁、サトウキビ搾
汁、柑橘類を始めとする果汁等をシュクロースに加えて
使用することもできる。 また、窒素源としては硫酸ア
ンモニウム、塩化アンモニウム、リン酸アンモニウム等
のアンモニウム塩、硝酸塩、尿素等有機或いは無機の窒
素源を使用することができ、或いはＢａｃｔｏ−Ｐｅｐ
ｔｏｎｅ、Ｂａｃｔｏ−Ｓｏｙｔｏｎｅ、Ｙｅａｓｔ−
Ｅｘｔｒａｃｔ、豆濃などの含窒素天然栄養源を使用し
てもよい。有機微量栄養素としてアミノ酸、ビタミン、
脂肪酸、核酸、２，７，９−トリカルボキシ−１Ｈピロ
ロ〔２，３，５〕−キノリン−４，５−ジオン、亜硫酸
パルプ廃液、リグニンスルホン酸等を添加してもよい。

【０００８】生育にアミノ酸等を要求する栄養要求性変
異株を使用する場合には、要求される栄養素を補添する
ことが必要である。無機塩類としてはリン酸塩、マグネ
シウム塩、カルシウム塩、鉄塩、マンガン塩、コバルト
塩、モリブデン酸塩、赤血塩、キレート金属類等が使用
される。更に、イノシトール、フィチン酸、ピロロキノ
リンキノン（ＰＱＱ）（特公平５−１７１８号公報；高
井光男，紙パ技協誌，第４２巻，第３号，第２３７〜２
４４頁）、カルボン酸又はその塩（特願平５−１９１４
６７号）、インベルターゼ（特願平５−３３１４９１
号）及びメチオニン（特願平５−３３５７６４号）等の
セルロース生成促進因子を適宜培地中に添加することも
できる。例えば、酢酸菌を生産菌として用いる場合に
は、培養のｐＨは３ないし７に、好ましくは５付近に制
御する。培養温度は１０〜４０℃、好ましくは２５〜３
５℃の範囲で行う。培養装置に供給する酸素濃度は１〜
１００％、望ましくは２１〜８０％であれば良い。これ
ら培地中の各成分の組成割合及び培地に対する菌体の接
種等は培養方法に応じて当業者が適宜選択し得るもので
ある。バクテリアセルロースは、従来より、微生物を培
養する培養形式として公知の形式、即ち、静置、振盪も
しくは通気攪拌培養等、また、培養操作法として公知
の、いわゆる回分発酵法、流加回分発酵法、反復回分発
酵法及び連続発酵法等によって製造することができる。
この中でも、通気攪拌培養が好ましい。尚、攪拌手段と
しては、例えばインペラー（攪拌羽根）、エアーリフト
発酵槽、発酵ブロスのポンプ駆動循環、及びこれら手段
の組合せ等が使用されている。

【０００９】尚、攪拌培養とは、培養液を攪拌しながら
行なう培養法であり、当該攪拌培養中に受ける攪拌作用
によって、バクテリアセルロースの構造が、例えば、結
晶化指数が低下して非晶部が増すように変化する。攪拌
手段としては、例えばインペラー、エアーリフト発酵
槽、発酵ブロスのポンプ駆動循環、及びこれら手段の組
合せ等を使用することができる。培養操作法としては、
いわゆる回分発酵法、流加回分発酵法、反復回分発酵法
及び連続発酵法等がある。更に、本出願人名義の特願平
６−１９２２８７号に記載された培養装置と分離装置の
間で菌体を含む培養液を循環させるセルロース性物質の
製造方法であって、該分離装置に於いて、生産物である
セルロース性物質を菌体及び培養液から分離することを
特徴とする前記方法や、同じく、本出願人名義の特願平
６−１９２２８８号に記載されたセルロース生産菌を培
養してセルロース性物質を製造する方法であって、培養
期間中、培養系からの培養液の引き抜き及び該引き抜き
量とほぼ等容量の新たな培養液の供給を連続的に行なう
ことによって、培養中の培養液に於けるセルロース性物
質の濃度を低く維持することを特徴とする前記製造方法
がある。

【００１０】前記攪拌培養を行なうための槽としては、
例えば、ジャーファーメンター及びタンク等の攪拌槽が
使用可能であるがこの限りではない。本発明でいう通気
攪拌培養においては、攪拌と同時に、必要に応じて、通
気を行なっても良い。ここでいう通気とは、例えば空気
等の酸素を含有するガス、並びに例えばアルゴン及び窒
素等の酸素を含有しないガスのいずれを通気しても良
く、これらガスは培養系の条件に合わせて当業者により
適宜、選択されよう。例えば、嫌気性の微生物の場合
は、不活性ガスを通気をすれば、その気泡によって培養
液を攪拌することができる。好気性の微生物の場合に
は、酸素を含有するガスを通気することで微生物の成育
に必要な酸素を供給すると同時に、培養液を攪拌するこ
とができる。

【００１１】攪拌培養により得たバクテリアセルロース
を遠心分離法又は濾過法等により培養液から分離する。
バクテリアセルロースは菌体と一緒に回収してもよく、
さらに本物質中に含まれる菌体を含むセルロース性物質
以外の不純物を取り除く処理を施すことが出来る。不純
物を取り除くためには、水洗、加圧脱水、希酸洗浄、ア
ルカリ洗浄、次亜塩素酸ソーダ及び過酸化水素などの漂
白剤による処理、リゾチームなどの菌体溶解酵素による
処理、ラウリル硫酸ソーダ、デオキシコール酸などの界
面活性剤による処理、常温から２００℃の範囲の加熱洗
浄などを単独及び併用して行い、セルロース性物質から
不純物をほぼ完全に除去することができる。このように
して得られた本発明でいうセルロース性物質とは、セル
ロース及び、セルロースを主鎖としたヘテロ多糖を含む
もの及びβ−１，３、β−１，２等のグルカンを含むも
のである。ヘテロ多糖の場合のセルロース以外の構成成
分はマンノース、フラクトース、ガラクトース、キシロ
ース、アラビノース、ラムノース、グルクロン酸等の六
炭糖、五炭糖及び有機酸等である。なおこれ等の多糖が
単一物質である場合もあるし２種以上の多糖が水素結合
等により混在してもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の最良の実施の形態
を示す実施例により、本発明をより詳細に説明するが、
これらの実施例は本発明を何等限定するものではない。

【００１３】

【実施例】

実施例１バクテリアセルロース離解物の製造 （１） グリセロールストックよりＣＳＬ−Ｆｒｕ培地
１００mlを仕込んだ７５０ml容ルーフラスコにＢＰＲ２
００１株を１％植菌し２８℃で３日間静置培養した。培
養後ルーフラスコをよく振って菌体をセルロース膜より
はがした後、菌液１２．５mlを１１２．５mlの培地を含
む５００mlフラスコに植菌し、２８℃、１８０rpm 、３
日間培養した。培養物をブレンダーにより無菌的に離解
し、その６０mlを５４０mlのＣＳＬ−Ｆｒｕ培地を仕込
んだ１１ジャーに植菌し、ｐＨをＮＨ₃ ガスおよび１規
定Ｈ₂ ＳＯ₄ で４．９〜５．１に制御しながら、溶存酸
素量（ＤＯ）が３．０％以上になるように回転数を自動
制御しながら、メイン培養を行った。終了後、得られた
培養液を酢酸緩衝液で約５倍に希釈した後、遠心分離し
沈殿物を回収した。沈殿を蒸留水で最初の培養液量の約
８倍に希釈後、８０℃、２０分間加熱し、加熱後遠心分
離により沈殿物を回収した。沈殿物を同じく８倍量の
０．１Ｎ ＮａＯＨに懸濁し８０℃、２０分間加熱する
ことにより溶菌し、溶菌後遠心分離により沈殿物を回収
した。この後、さらに８倍量の蒸留水に沈殿を懸濁し８
０℃、２０分間加熱し、加熱後遠心分離し沈殿物を回収
することによりセルロースの洗浄を行った。同様の洗浄
を３回行うことにより精製ＢＣを得た。尚、以上の実施
例で用いたＣＳＬ−Ｆｒｕの組成は以下に示すとおりで
ある。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】 ビタミン混合液 化合物 ｍｇ／Ｌ イノシトール ２００ ナイアシン ４０ ピリドキシンＨＣｌ ４０ チアミンＨＣｌ ４０ パントテン酸カルシウム ２０ リボフラビン ２０ ｐ−アミノ安息香酸 ２０ 葉 酸 ０．２ ビオチン ０．２

【００１６】

【表３】塩類混合液 クエン酸鉄アンモニウム １．５ｇ／ｌ 塩化カルシウム １．５ｇ／ｌ モリブデン酸アンモニウム ０．１ｇ／ｌ 硫酸亜鉛７水塩 ０．２ｇ／ｌ 硫酸マンガン４水塩 ０．１ｇ／ｌ 硫酸銅５水塩 ２ｍｇ／ｌ

【００１７】（２） 得られた精製ＢＣを以下の条件で
離解処理にかけた。 本発明 ソノレーター（SONIC 社製）：離解処理濃度（ＢＣ乾燥
重量／容量）０．２％、液温２５℃、流量６Ｌ／分、圧
５０kg／cm² 、通し回数１、２又は３回とした。音圧が
最大となるように、背圧バルブとブレード位置を調製し
た。 比較例 電気振動式超音波破砕機 SONIFIER450（BRANSON 社
製）：離解処理濃度（ＢＣ乾燥重量／容量）０．２％、
液容量５００cc、液温２５℃、処理時間３分とした。

【００１８】評価法： 填料歩留まり： 上述の方法で調整して得られたバクテリアセルロース離
解物とＪＩＳ−Ｐ−８２０９に準拠して離解したＬＢＫ
Ｐを重量比で５：９５に混合したパルプ１００部に対
し、軽質炭酸カルシウム１００部、陽性澱粉１部を添加
し、この紙料を用いて、ＴＡＰＰＩ標準法Ｔ２６１に準
拠して、スクリーン通過分より填料歩留まりを求めた。
尚、填料分の定量はＴＡＰＰＩ標準法Ｔ２６９に準拠
し、４００℃、８時間で灰化して行った。 濾水度： 上述の方法で調整して得られたバクテリアセルロース離
解物とＪＩＳ−Ｐ−８２０９に準拠して離解したＬＢＫ
Ｐを重量比で５：９５に混合し、ＪＩＳ−Ｐ−８１２１
に準拠して、カナダ式標準型濾水度（ＣＳＦ）を測定し
た。 粘度： 上述の方法で調整して得られたバクテリアセルロース離
解物の粘度測定は、次のようにして行なった。すなわ
ち、Ｒｈｅｏｍｅｔｒｉｃｓ社製動的液体粘弾性測定装
置「ＦＬＵＩＤＳ ＳＰＥＣＴＲＯＭＥＴＥＲ ＲＦＳ
ＩＩ」を使用し、直径５ｃｍの平行回転円板の間に濃
度０．１％のバクテリアセルロース離解物を２ｍｌはさ
み、温度３０℃で角速度１０ｒａｄ／ｓ、歪み１０％
（振幅０．０４ｒａｄに相当）における複素粘性率の絶
対値（以下、単に「粘度」とする）を測定した。

【００１９】

【表４】結果 ： 填料歩留まり（％） ＣＳＦ（cc) 粘度（ポイズ） 実施例；１回通し ５８．０ ３４０ ７．７ ２回通し ５９．２ ３５０ １３．６ ３回通し ５６．５ ３５０ １０．２ 比較例 ５７．５ ２９０ ──

【００２０】

【発明の効果】以上の記載から、本発明方法で製造され
たバクテリアセルロース離解物は、製紙特性、増粘
の効果等に大変優れたものであることが判明した。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 扇谷 浩 神奈川県川崎市高津区坂戸３丁目２番１ 号 株式会社バイオポリマー・リサーチ 内 (72)発明者 森永 康 神奈川県川崎市高津区坂戸３丁目２番１ 号 株式会社バイオポリマー・リサーチ 内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C08B 37/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自励式超音波粉砕機を用いて離解処理を
   行なうことを特徴とする、バクテリアセルロース離解物
   の製造方法。
2. 【請求項２】 バクテリアセルロースが通気攪拌培養で
   得られたものである、請求項１記載のバクテリアセルロ
   ース離解物の製造方法。