JP4818482B2

JP4818482B2 - 穀物由来糖化液の製造方法

Info

Publication number: JP4818482B2
Application number: JP2011507215A
Authority: JP
Inventors: 正幸遠山; 一栄高岡
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: WO2010113949A1; JPWO2010113949A1

Description

本発明は、連続エタノール生産に適した穀物の糖化液の製造方法に関する。

地球温暖化防止策の一環として、又は、限りある化石燃料への依存低下の一助として、バイオ燃料、特にバイオエタノールへの関心が高まっている。

エタノールを燃料とする車が開発されたことや、原料となるトウモロコシやサトウキビの価格高騰等の現象は記憶に新しいところである。

その一方で、米、玄米、小麦等の穀物は、アルコール飲料の発酵素材としてはなじみの深い素材であるが、トウモロコシやサトウキビに比べ価格が高い点、タンパク質及び脂質の含量が高い点、加熱すると澱粉が糊化する点等から、工業的なエタノール生産の原料としての活用は遅れていた。

通常、穀物由来のエタノール製造工程は、酵素等を用いて原料に含まれる澱粉をグルコース等の糖質に加水分解する糖化工程と、微生物によってグルコースからエタノールを生産する発酵工程から成る。

しかし、上記エタノール製造工程によりエタノールを製造しても回収効率が悪く、本発明者は鋭意検討の結果、この原因を糖化工程に見出した。

つまり、穀物由来の澱粉を、そのまま糖化工程に供し、糖化酵素を作用させても十分な糖化が起こらない。

これは、天然の澱粉がβ澱粉と呼ばれる状態をとっていることに起因するものであり、かかるβ澱粉においては、澱粉分子の分子内及び分子間における糖鎖間に形成された水素結合により、結晶構造が形成されている。

このβ澱粉は、立体障害等の原因により、糖化酵素による分解作用を受け難い。

一方、結晶構造が崩壊し、澱粉分子の各枝が水中に広がった状態の澱粉は、α澱粉と呼ばれ、β澱粉をα澱粉に状態変化せしめることは、澱粉のα化と呼ばれる。

かかるα澱粉においては、澱粉糖鎖の糖鎖間における水素結合部分に水分子が入り込んでいるため、結晶構造が緩み、糖鎖運動の自由度が増すため、糖化酵素が好適に作用することができる。

そこで、本発明者は、糖化工程に供する前に、原料に含まれる澱粉をα化するための前処理工程を設けることを検討し、これまでに、特許文献１に示される方法を開示した。

これは、上記前処理工程として、原料と水を所定の比で混合した後、高温、高圧下において酸処理する方法であり、この発明によれば、得られる糖化液の糖濃度は飛躍的に向上した。

しかし、特許文献１による糖化液に限らず、公知の糖化工程を経て得られる糖化液は、これを発酵工程に供するにあたり、窒素源及びリン源などを含有する発酵副原料を別途添加して、微生物の発酵に必要な成分を補わない限りは、十分な発酵性能が引き出されないという問題があった。

また、従来の前処理工程又は糖化工程においては、高温、高圧処理が用いられるため、耐熱、耐圧容器が必要になり、更に、酸（又はアルカリ）処理は、その後、中和処理が必要であり、高コスト、低効率な問題もあった。

さらに、これらの処理は、澱粉に対して過度に作用し、糖化や発酵に不適な変性状態を形成する場合があるため、制御が困難であった。

特開２００８−２３７０５５号公報

そこで、本発明の課題は、発酵副原料の添加を必要としない、低コスト、高効率な連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法を提供することにある。

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

請求項１記載の発明は、穀物に含まれる澱粉を糖化する糖化工程を有する連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法において、澱粉の糖化を阻害する糖化阻害因子を発酵副原料に転化する糖化阻害因子転化処理を、糖化工程の前に行うことを特徴とする連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法。

請求項２記載の発明は、前記発酵副原料が、窒素源及びリン源を提供する原料であることを特徴とする請求項１記載の連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法である。

請求項３記載の発明は、前記穀物が、米、玄米、小麦の少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法である。

請求項４記載の発明は、前記穀物が、粉末化した穀物粉であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法である。

本発明によれば、発酵副原料の添加を必要としない、低コスト、高効率な連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法を提供することができる。

本発明は、澱粉の糖化を阻害する糖化阻害因子を発酵副原料に転化する糖化阻害因子転化処理を、糖化工程の前に行うことを特徴とする。

糖化工程とは、澱粉をグルコースなどの、発酵微生物（例えば、酵母）が利用可能な糖に変換する工程であり、糖化行程の前とは、例えば液化や加水分解を行う前処理工程である。

本発明の糖化阻害因子転化処理は、糖化工程の前の前処理工程において行うことと、前処理工程のさらに前に行うことを含み、液化工程において糖化阻害因子転化処理を行うことが好ましい。

本発明において、液化工程などの前処理工程が終了した後、糖化工程において、糖化阻害因子転化処理を施しても、糖化阻害因子、特にタンパク質の分解が進行しないため、上述した糖化阻害因子転化処理による効果が得られない。

本発明による、連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法は、第一に、穀物に含まれる澱粉を、効率的にα化し、更に、効率的に糖化するために、該澱粉を取り巻く糖化阻害因子を糖化阻害因子転化処理により取り除く。

前記糖化阻害因子としては、タンパク質、脂質、リグノセルロース等が例示できる。

これら糖化阻害因子は、穀物中において澱粉の周囲に存在し、α化に必要とされる水や、糖化を行う糖化酵素に対して立体障害として作用し、澱粉の糖化を阻害する。

糖化阻害因子を取り除く糖化阻害因子転化処理としては、酵素処理、酸処理、薬品処理、高温処理、加圧処理等が挙げられるが、本発明においては酵素処理を用いることが好ましい。酵素処理は、穏やかな反応条件においても十分な効果を示し、また基質特異性により糖化阻害因子のみに作用するので、澱粉を糖化や発酵に不適に変性せしめる等の弊害もない。

このように糖化阻害因子を取り除くことによって、澱粉のα化が効率的に進行し、糖化酵素は立体障害に阻害されることなく、α澱粉に効率的に変換することができる。この結果として、高い糖濃度の糖化液を得ることができる。

本発明に用いられる穀物は、穀物であれば限定されないが、糖化阻害因子であるタンパク質及び脂質の含量が高く、リグノセルロース含量が低い穀物が好ましく、特に、米、玄米、小麦等が好適である。また、これら穀物は、切断、粉砕されて適当な大きさの粉末又はチップ状とされることが好ましい。さらに、これら穀物は、それぞれ単独で用いても、混合して用いてもよい。

従来の当業者の認識からすれば、糖化阻害因子の含量の低い穀物が、糖化液の製造に好適に用いることができると考えるはずである。

しかし、上記の通り、糖化阻害因子（タンパク質及び脂質）の含量が高い穀物を好適に用いるのは、本発明において、糖化阻害因子転化処理は、糖化阻害因子を、単に除去するだけでなく、発酵副原料に転化する作用を有するためである。

本明細書中、発酵副原料とは、微生物発酵において発酵原料である糖以外に必要となる原料を言い、例えば、窒素源及びリン源を提供する原料が挙げられる。

従来法によって得られた糖化液を発酵工程に供する場合は、発酵副原料を別途添加する必要があった。これは、微生物の発酵に必要な成分が、元原料に含まれていないか、又は、含まれていても微生物が利用できる状態ではない等の理由による。

本発明における糖化阻害因子転化処理は、例えば、微生物が利用し難いタンパク質及び脂質を分解してペプチド、アミノ酸及び脂肪酸等を生成する。これらは、適度に低分子化され微生物に利用され易い状態にあり、且つ、窒素やリンを豊富に含むことから、発酵副原料として好適である。

以上のように、本発明によって得られる糖化液は、発酵原料である糖及び発酵副原料である窒素源及びリン源を、共に豊富に含むため、発酵工程において、発酵副原料を別途添加する必要なく、十分な発酵性能を引き出すことができる。

そのため、本発明による穀物由来糖化液の製造方法は、連続エタノール生産に好適に用いることができる。

本発明において、連続エタノール生産というのは、発酵工程に糖化液を連続的に供給しながら、一方で、生成されたエタノールを連続的に取り出すものを指す。

本発明における糖化阻害因子転化処理は、前述のように、酵素処理であることが好ましく、特に、タンパク質分解酵素であるプロテアーゼ、脂質分解酵素であるリパーゼによる酵素処理が好適である。

本発明に用いられるプロテアーゼとしては、タンパク質を分解できる酵素であれば何れでもよく、エキソペプチダーゼ、エンドペプチダーゼ、プロテイナーゼ、ペプチダーゼ等が例示できる。

また、本発明において、プロテアーゼは、数種のプロテアーゼを組み合わせて用いてもよい。

本発明に用いられるリパーゼとしては、脂質を分解できる酵素であれば何れでもよく、例えば、リン脂質を分解するホスホリパーゼを用いることも好ましい。

また、本発明において、リパーゼは、数種のリパーゼを組み合わせて用いてもよい。

本発明において、米、玄米、小麦等の穀物は、リグノセルロース含量が低いので、リグノセルロース分解酵素を用いず、プロテアーゼ及びリパーゼを穏やかな温度条件（５０℃前後）で作用させるだけで、糖化阻害因子を十分に除去できる。

さらに、本発明においては、プロテアーゼ及びリパーゼによる酵素処理に加えて、リグノセルロース分解酵素を併用してもよい。

しかし、リグノセルロース含量が高い穀物の場合は、リグノセルロースが澱粉を強固に覆っているため、リグノセルロース分解酵素を含む酵素を用いて酵素処理を行っても糖化阻害因子の除去が不十分な場合が多く、さらに、リグノセルロースの分解によって、発酵原料である糖は得られても、発酵副原料である窒素源やリン源は得られないため、本発明の適用は困難である。

本発明において、糖化阻害因子転化処理は、澱粉を糖化する糖化工程の前に前処理として行ってもよいし、糖化工程と同時に行ってもよい。また、糖化工程の前に行った糖化阻害因子転化処理を、糖化工程において継続して行ってもよい。例えば、澱粉にプロテアーゼ及びリパーゼを作用させた後に、アミラーゼを作用させてもよいし、澱粉に、プロテアーゼ、リパーゼ及びアミラーゼを同時に作用させて、α化された澱粉を随時、糖化するように構成してもよい。

また、前処理として行った糖化阻害因子転化処理を、糖化工程に移行する前に終了させてもよい。糖化阻害因子転化処理が酵素処理であれば、酵素の失活温度まで昇温することにより容易に処理を終了することができる。

次に、本発明による穀物由来糖化液の製造方法の一例を説明する。

まず、本発明の前処理では、容器に、原料となる穀物粉、水及び糖化阻害因子転化手段であるプロテアーゼ及びリパーゼを所定の混合比で導入して混合、攪拌し、これを所定時間４５〜５５℃の範囲に保つ。

穀物粉と水の混合比（重量比）は、１：１．５〜２．５であることが好ましく、より好ましくは１：１．２〜２．２である。混合比（重量比）が１：２．５より越えると、酵素反応効果が低下するので好ましくなく、また１：１．５より小さいと得られる糖化液の濃度が低下するので好ましくない。

また、穀物粉とプロテアーゼ及びリパーゼの混合比（重量比）は、穀物粉とプロテアーゼが１：０．０００４〜０．００１、穀物粉とリパーゼが１：０．０００４〜０．００１であることが好ましく、より好ましくは、穀物粉とプロテアーゼが１：０．０００６〜０．０００８、穀物粉とリパーゼが１：０．０００６〜０．０００８である。プロテアーゼ及びリパーゼは、上記混合比よりも更に低い混合量でもよい。４５〜５５℃の範囲の温度を保ったまま２時間放置して、糖化阻害因子の転化（タンパク質及び脂質の分解）、及び澱粉のα化を行う。次いで、アミラーゼを添加した後、２時間程度放置して、α澱粉をグルコースに分解する。

以下、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。

（実施例１）
小麦粉３００ｇ、プロテアーゼ（プロテアーゼＮ「アマノ」）０．２ｇ、リパーゼ（ワコー）０．２ｇ及び水６００ｇを容器に入れ、攪拌した後、５０℃において３０分間加熱した。なお、小麦粉：プロテアーゼ：リパーゼ：水の重量比は１：０．０００７：０．０００７：２である。

糖化阻害因子転化処理が終了して得られた液に、原料小麦粉に対して０．０５ｗｔ％の液化酵素（アミラーゼＲＧ−ＩＩＧ）を添加した。

５０℃、２００ｒｐｍにて攪拌しながら、２０時間保持した後、１００℃において３０分間加熱して酵素を失活させた。

攪拌翼、蓋を取り外し、無菌状態で６０〜６５℃まで冷却し、糖化酵素（グルクザイムＡＦ−６（アマノ））を原料小麦粉に対して０．０７ｗｔ％添加し、５８℃、２００ｒｐｍにて攪拌しながら、２０時間保持した。

糖濃度が３００ｇ／Ｌ（グルコース換算）の小麦由来糖化液を得た。

グルコース濃度の測定は高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣＬＣ−８０１０東ソー製）により行った。

得られた小麦由来糖化液を発酵槽に供給し、発酵副原料を添加せず、エタノールの連続生産を行った。

上記試験を複数回行った結果、エタノール濃度が１００〜１５０ｇ／Ｌの発酵液が得られた。

（比較例１）
小麦粉３００ｇ、水６００ｇ（小麦粉：水＝１：２［重量比］）を容器に入れ、攪拌した後、小麦粉液をＨＣｌ（６ｍｏｌ／Ｌ）にてｐＨを２．０に調整し、オートクレーブで１２１℃、２０分加熱した。

反応終了後、液中澱粉が再びβ化しないように５０℃前後に温度を保持した状態で以下の処理を行った。

小麦粉液の全容量が減少していた場合はイオン交換水を補充した。

ＮａＯＨ水溶液（１０ｍｏｌ／Ｌ）により、小麦粉液のｐＨを５．８に調整した。

液化酵素（アミラーゼＲＧ−ＩＩＧ）を原料小麦粉に対して０．０５ｗｔ％添加し、液化を行った。

攪拌翼、蓋（ともに滅菌済み）をセットし、加熱器に乗せ、攪拌機と攪拌翼の棒を固定し、熱電対をセットした後、データロガーの電源を入れ、温度測定しながら、２００ｒｐｍにて攪拌しながら、９５〜１００℃まで加熱して、６０分間保持し、糖化酵素を失活させた。

攪拌翼、蓋を取り外し、無菌状態で６０〜６５℃まで冷却し、ｐＨをＨＣｌにて４．５に調整して、糖化酵素（グルクザイムＡＦ−６（アマノ））、プロテアーゼＮ「アマノ」、リパーゼ「ワコー」をそれぞれ原料小麦粉に対して０．０７ｗｔ％添加し、５８℃、２００ｒｐｍにて攪拌しながら、２０時間保持した。

得られた小麦由来糖化液を、実施例１と同じ発酵槽に供給し、発酵副原料を添加せず、エタノールの連続生産を行った。

上記試験を複数回行った結果、エタノール濃度が２０〜５０ｇ／Ｌの発酵液が得られた。

（比較例２）
比較例１で得られた小麦由来糖化液を、実施例１と同じ発酵槽に供給し、発酵副原料としてコーンスティープリカー（ＣＳＬ）１％溶液を添加して、エタノールの連続生産を行った。

＜評価＞
比較例１では、グルコース換算で３００ｇ／Ｌの糖化液が得られたが、得られた発酵液のエタノール濃度は２０〜５０ｇ／Ｌと少なかった。酵母による発酵がうまくおこなわれなかったと考えられる。

比較例２は、比較例１と同様に得た糖液に、発酵副原料（ＣＳＬ）を添加して発酵工程に供したものである。この場合は、エタノール濃度が１００〜１５０ｇ／Ｌの発酵液が得られた。すなわち発酵副原料を添加したことにより、酵母による発酵がうまく行われたと考えられる。

実施例１で得られた糖化液は、発酵副原料を添加していないが、比較例２と同じくエタノール濃度が１００〜１５０ｇ／Ｌの発酵液が得られた。糖化阻害因子転化処理を行ったことにより、窒素源及びリン源が供給されたので、発酵副原料の添加がなくても発酵がうまく行われたと考えられる。

Claims

穀物に含まれる澱粉を糖化する糖化工程を有する連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法において、
澱粉の糖化を阻害する糖化阻害因子であるタンパク質及び脂質をプロテアーゼ及びリパーゼによる酵素処理によって発酵副原料に転化する糖化阻害因子転化処理を、糖化工程の前に行うことを特徴とする連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法。
前記発酵副原料が、窒素源及びリン源を提供する原料であることを特徴とする請求項１記載の連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法。
前記穀物が、米、玄米、小麦の少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法。
前記穀物が、粉末化した穀物粉であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の連続エタノール生産に適した穀物由来糖化液の製造方法。