JP5419022B2

JP5419022B2 - アンヒドロ糖の製造方法

Info

Publication number: JP5419022B2
Application number: JP2011126486A
Authority: JP
Inventors: 晴生加我; 正勝三浦; 敦鳴海; 憲司高橋; 敏文佐藤; 豊次覚知
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2024-07-13
Also published as: JP2011173924A

Description

本発明は、ヘキソサンを含む原料からのアンヒドロ糖の製造方法に関する。さらに詳しく言えば、ヘキソサンを含む粉末状の原料を高沸点有機溶媒中で、常圧下、高温に加熱するアンヒドロ糖の製造方法に関する。

アンヒドロ糖は、糖分子内の２個の水酸基の間で脱水反応が起こり、酸素を含む複素環が形成された無水糖である。アンヒドロ糖としては、グルコース、マンノース、ガラクトースの、それぞれの無水物であるレボグルコサン、マンノサン、ガラクトサン等が挙げられる。

これらアンヒドロ糖の中でも、レボグルコサンは、近年抗癌剤や抗ＨＩＶ剤の原料や生分解性高分子の原料などとして有用であり、マンノサンやガラクトサンと共に光学異性体分割剤や多分岐多糖の出発原料としても有用であることが知られ、様々な分野で注目されている。

また、環境や資源について広く関心が持たれている昨今、バイオマス資源に多く含まれるセルロース等の有効利用が課題になっているが、アンヒドロ糖がバイオマス資源中のセルロース等から生成できることから、その製造方法については多くの研究が行われている。

従来のアンヒドロ糖（レボグルコサン）の製造方法としては、（１）セルロース成分を含む原料を有機溶媒と共に耐圧容器に入れ２５０〜３５０℃に加熱する熱分解法（特開平２−１０１０９３号公報；特許文献１）、（２）超臨界アセトンを耐圧容器に圧送しながらセルロースを２５０〜３４０℃で１０時間加熱する熱分解法（J. Anal. Appl. Pyrolysis (1991), 19, p.119-129；非特許文献１）、及び（３）ヘキソースからなる多糖類を主として含む原料をスルホランとともに耐圧容器に入れ、３００℃以上の温度で熱分解する方法（特開２００３−３４２２８９号公報（特許文献２）；J. Anal. Appl. Pyrolysis (2003), 70, p.303-313（非特許文献２））が開示されている。

しかし、上記（１）〜（３）の従来技術では、原料のセルロース成分が有機溶媒中に均一に分散していないため実験の再現性やスケールアップが困難であるばかりか、反応系が高圧であるため安全で簡便な製造方法ではない。また、従来技術（３）は、特許文献２と非特許文献２が同一研究者によるものであり、同じ条件での実験結果に基づいていると考えられるが、非特許文献２ではレボグルコサンの最大収率が３６％であるのに対して、特許文献２では９０％以上の高収率で得られると記載されており、疑問がある（後述の比較例参照）。さらにスルホランなどの非プロトン性の高沸点有機溶媒を用いているが、これら高沸点有機溶媒からレボグルコサンを単離精製する方法が開示されていないため実用化に問題がある。

（４）非特許文献３（J. Wood Sci. (2001), 47, p.502-506）に、セルロース成分にマイクロ波を照射するマイクロ波熱分解法が開示されている。しかし、その操作が煩雑であり、純度の高いセルロースを用いてもレボグルコサンの最大収率は１２％程度であり、気体、液体（木酢液および木タール）のほかに固体（炭化物）が多量に生成してしまう。したがって、複雑な成分からなる木タール中からレボグルコサンを分離するためには多大な労力と時間を要する。

特開平２−１０１０９３号公報特開２００３−３４２２８９号公報 J. Anal. Appl. Pyrolysis (1991), 19, p.119-129 J. Anal. Appl. Pyrolysis (2003), 70, p.303-313 J. Wood Sci. (2001), 47, p.502-506

以上のように、従来のアンヒドロ糖（レボグルコサン）の製造方法は、収率が低いこと、あるいは精製方法が確立されていないこと等の解決すべき課題が多々あり実用化には至っていないのが現状であり、安全かつ簡便で、高収率でアンヒドロ糖が得られる製造方法の確立が望まれている。
したがって本発明の課題は、ヘキソサンを含むバイオマス資源から常圧下で安全かつ簡便にアンヒドロ糖を製造する方法を提供することにある。

本発明者らは、前記問題点を改善すべく鋭意研究を重ねた結果、ヘキソサンを含む粉末状の原料を高沸点有機溶媒中で均一な懸濁状態に保ちながら、常圧下で１９０℃から３００℃の温度で加熱して生成するアンヒドロ糖を反応系から単離精製することにより良好な収率でアンヒドロ糖が得られること見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は下記１〜１０のアンヒドロ糖の製造方法に関する。
１．ヘキソサンまたはヘキソサンを含む原料を高沸点有機溶媒中で均一に懸濁させ、常圧下、１９０〜３００℃の温度に加熱し、生成する下記式（１）

で示されるアンヒドロ糖を含む反応混合物から、カラムクロマトグラフィーにより単離精製することを特徴とするアンヒドロ糖の製造方法。
２．粉末状の原料を使用する前記１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
３．高沸点有機溶媒が、沸点１９０℃以上の非プロトン性有機溶媒である前記１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
４．高沸点有機溶媒が、プロピレンカーボネート、テトラメチレンスルホン（スルホラン）、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチル酢酸エステル、トリエチレングリコールビス（２−エチルヘキサン酸）エステル、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン（ＤＭＩ）、ニトロトルエン類、ニトロキシレン類、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、クレゾール類、エチルフェノール類、エチレングリコール、グリセリン、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、トリジエチレングリコールモノエチルエーテルから選択される少なくとも一種である前記３に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
５．高沸点有機溶媒が、テトラメチレンスルホン（スルホラン）の単独溶媒、またはテトラメチレンスルホン（スルホラン）にプロピレンカーボネートあるいはテトラエチレングリコールジメチルエーテルを加えた混合溶媒である前記４に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
６．ヘキソサンが、デンプン、セルロース、デキストラン、グリコーゲン、マンナン、ガラクタン、グルコマンナン、ガラクトマンナン、アラビノガラクタン、ヘミセルロースから選ばれる前記１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
７．ヘキソサンがデンプンである前記６に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
８．ヘキソサンを含む原料が、パルプ、古紙、藁、木材、穀類及びバガスから選ばれる前記１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
９．加熱方法が、油浴、砂浴、金属あるいは金属塩浴、流動層、電気炉またはマイクロ波照射である前記１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
１０．加熱方法がマイクロ波照射である前記９に記載のアンヒドロ糖の製造方法。

本発明の製造方法によれば、二酸化炭素や低級炭化炭素などの熱分解ガス及びタール状の炭化物などの生成が少なく、常圧下で原料中のヘキソサンを解重合してアンヒドロ糖を得ることができる。常圧下で実施できるため製造装置が簡略化できるだけでなく、安全かつ簡便に操作ができる。生成したアンヒドロ糖を含む反応混合物は抽出操作などを要することなく、直接シリカゲルクロマトグラフィーにかけて高沸点溶媒及びアンヒドロ糖のいずれもそれぞれの溶出画分からの溶離液を減圧留去するだけで容易に回収、精製できる。従って、抗癌剤や抗ＨＩＶ剤の原料、生分解性高分子、光学異性体分割剤や多分岐多糖などとして有用なアンヒドロ糖を安価に供給できる。

本発明ではヘキソサンを含むバイオマス資源原料を微粉末状態として、常圧下で高沸点有機溶媒中に均一に懸濁させ、加熱して解重合反応に付すことにより多糖のモノマー単位であるアンヒドロ糖を生成させる。ここでいうアンヒドロ糖は、下記式（Ｉ）

で示されるレボグルコサン、マンノサン、ガラクトサン等の無水糖である。

本発明で使用する原料はヘキソサンまたはヘキソサンを含む物質である。ヘキソサンとしては、デンプン、セルロース、デキストラン、グリコーゲン、マンナン、ガラクタン、グルコマンナン、ガラクトマンナン、アラビノガラクタン、ヘミセルロース等が挙げら、中でもホモ多糖純度の高いデンプン、セルロース、デキストラン、グリコーゲン、マンナン、ガラクタンなどが好ましく、特にデンプン、セルロース、マンナンが好ましい。

また、本発明で使用するヘキソサンを含む原料として、ヘキソサンが含まれていれば特に限定されるものではなく、パルプ、古紙、藁、木材、米・蕎麦等の穀類、及びバガス等が挙げられる。タンパク質、脂質やリグニン、インク等が含まれていてもよく、これらヘキソサンを含むバイオマスなど生物資源全般が使用できる。
これらのヘキソサンまたはヘキソサンを含む原料の中でも、粉末状の市販品が入手可能なデンプン、セルロース、米粉、小麦粉、ソバ粉、鋸屑が好ましく、特にデンプンが好ましい。

本発明では上記ヘキソサンまたはヘキソサンを含む原料は微粉末状として使用することが必須である。これは本発明の製造方法の反応系では、原料自体は使用する高沸点有機溶媒には不溶解性で、高沸点有機溶媒中で高温に加熱して解重合で生成するアンヒドロ糖が溶媒中に溶解していくため、原料を微粉末として、高温の有機溶媒との接触面積を高めて熱伝達効率を高めることにより迅速な解重合が達成できるからである。
原料微粉末の大きさ（平均粒径）は５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、特に好ましくは１００μｍ以下である。上述の微粉末状の市販品が入手可能なデンプン、セルロース、マンナン等の平均粒径は１０〜１００μｍ程度であり、これら市販品はそのまま本発明に好ましく使用できる。

本発明では、常圧下で１９０〜３００℃の温度に加熱して解重合反応を行うために高沸点有機溶媒を使用する。解重合反応を促進するには非プロトン性の高沸点有機溶媒が好ましい。非プロトン性高沸点有機溶媒は、沸点が１９０℃以上であれば特に限定されない。

非プロトン性高沸点有機溶媒の例としては、プロピレンカーボネート、テトラメチレンスルホン（スルホラン）、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチル酢酸エステル、トリエチレングリコールビス（２−エチルヘキサン酸）エステル、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン（ＤＭＩ）、ニトロトルエン類、ニトロキシレン類、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）等が挙げられる。

これらの非プロトン性高沸点有機溶媒は単独で用いてもよいし、２種類以上の混合溶媒として用いられてもよい。また、非プロトン性高沸点有機溶媒に対して少量のクレゾール類、エチルフェノール類、エチレングリコール、グリセリン、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、トリジエチレングリコールモノエチルエーテルなどのプロトン性の高沸点有機溶媒を混合して用いてもよい。

特に好ましい非プロトン性高沸点有機溶媒は、テトラメチレンスルホン（スルホラン）単独、及びテトラメチレンスルホン（スルホラン）にプロピレンカーボネートまたはテトラエチレングリコールジメチルエーテルを加えた混合溶媒である。プロピレンカーボネート／スルホラン系及びテトラエチレングリコールジメチルエーテル／スルホラン系混合溶媒の割合は特に限定されないが、プロピレンカーボネート／スルホランは１／３〜３／１、テトラエチレングリコールジメチルエーテル／スルホランは１／３〜１／１の割合で混合することが好ましい。

本発明において、原料と高沸点有機溶媒との割合は、ヘキソサンまたはヘキソサンを含む原料１質量部に対して、高沸点有機溶媒を５〜２００質量部、好ましくは１０〜１２０質量部である。

本発明の製造方法はヘキソサンまたはヘキソサンを含む微粉末原料を非プロトン性高沸点有機溶媒中で加熱する反応は、常圧下において実施できる。反応温度及び加熱時間は、ヘキソサン含有が原料及び高沸点有機溶媒の種類および仕込濃度等によって変わるが、反応温度は、通常１９０〜３００℃、好ましくは２２０〜２９０℃である。１９０℃より低い温度では解重合が進行せず。３００℃より高い温度では副生成物（二酸化炭素、低級炭化炭素等の熱分解ガス及びタール状の炭化物等）が多量に生成し目的物の分離精製が難しくなる。加熱時間は、反応系でアンヒドロ糖の生成が最大になる時間であり、使用する原料、溶媒および加熱温度により異なるが、１〜３０分間、好ましくは２〜１０分間程度である。加熱時間が長すぎると原料および生成したアンヒドロ糖の過分解反応が進行し、目的物の収率は低下する。

本発明において加熱する操作は、原料が溶媒に溶解しない反応系であるため、微粉末原料を混合（撹拌）して均一な懸濁状態に維持しながら反応させることが重要である。撹拌機等を用いて機械的に撹拌しながら行うことが好ましい。

本発明の方法で使用する反応装置は、上記の条件で反応できるものであれば特に限定されるものではなく、連続式反応装置でも回分式反応装置でもよい。本発明の反応は常圧下で実施されるため、耐圧容器の必要はなく、１９０℃以上の反応温度に耐え得るものであればよい。

本発明の製造方法を実施する加熱方法は、一般的な加熱方法でよく、油浴、砂浴、金属あるいは金属塩浴、流動層、電気炉またはマイクロ波照射などを用いることができるが、分子振動により反応混合物自体を加熱でき、反応液の温度上昇を速やかに進行させ加熱設定温度までの到達時間を短縮する等の点からマイクロ波加熱方式が好ましい。

本発明においては、生成したアンヒドロ糖の分離精製方法は、特に限定されないが、本発明のアンヒドロ糖の製造方法では反応混合物を直接シリカゲルクロマトグラフィー等のカラムクロマトグラフィーにかけて、アンヒドロ糖の溶出画分の溶離液を留去することにより精製することができる。用いる展開溶媒としては、酢酸エチル、メタノール、ヘキサン等が好ましく、これらを適宜混合させて極性を調整し、高沸点有機溶媒及び目的物すなわちアンヒドロ糖を溶出させて分離する。例えば、スルホラン中からレボグルコサンを精製する場合、酢酸エチル／ヘキサン混合展開溶媒（１／１）でスルホランを溶出させ、その後酢酸エチル／メタノール混合展開溶媒（２０／１）でレボグルコサンを溶出させて、展開溶媒を除去することにより目的物のレボグルコサンが高純度で得られる。

以下、本発明を実施例および従来技術（３）で挙げた特許文献２に開示された実施例を追実験した比較例を挙げて本発明を詳述するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

比較例：
特許文献２（特開２００３−３４２２８９）の記載に準じて、セルロース（アビセルＰＨ，旭化成(株)製）１５０ｍｇとスルホラン（アルドリッチ社製）５ｍＬを反応管に封入し３３０℃で２分間加熱した。十分に冷却後、反応混合物の一部をトリメチルシリル化しガスクロマトグラフを用いてアンヒドロ糖（レボグルコサン）の収率を測定した。この操作を５回繰り返したところレボグルコサンの収率は、２８％、３５％、２２％、２０％、３１％となりデータにばらつきがみられ、平均収率は２７％であった。また、溶媒の量を同一として原料の仕込量を２倍の３００ｍｇにしたところ、レボグルコサンの収率は１８％と大きく減少した。このようなデータのばらつき及び原料の仕込割合の増加によるレボグルコサンの収率の減少は、原料が有機溶媒中で均一に懸濁していないためと推定される。

実施例１：
三口フラスコに撹拌子、デンプン（トウモロコシ由来，和光純薬工業(株)製，平均粒径：１０μｍ）２４００ｍｇおよびスルホラン（アルドリッチ社製）２０ｍＬを加え、フラスコを温度制御可能なマイクロ波照射装置（２４５０ＭＨｚ，３００Ｗ）の所定の場所に置いた。熱電対および冷却管をフラスコにセットし撹拌を始め、設定温度を２４０℃とし５分間マイクロ波を照射し、放冷した。設定温度になるまで２分を要した。アンヒドロ糖（レボグルコサン）の収率は、反応混合物の一部をトリメチルシリル化しガスクロマトグラフを用いて分析したところ４１％であった。反応混合物を直接、シリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した（シリカゲル：６０ｍＬ）。酢酸エチル／ヘキサン（１／１）でスルホランを溶出させ、続いて酢酸エチル／メタノール（２０／１）でレボグルコサンを溶出させた。溶媒を減圧留去して、レボグルコサンの結晶９３３ｍｇを得た（収率３９％）。また、スルホランの溶出画分から酢酸エチル及びヘキサンを減圧留去するとスルホランが回収された。

実施例２：
三口フラスコに撹拌子、デンプン（トウモロコシ由来，和光純薬工業(株)製，平均粒径：１０μｍ）２００ｍｇ、プロピレンカーボネート（アルドリッチ社製）５ｍＬおよびスルホラン（アルドリッチ社製）１５ｍＬを加え、実施例１と同様の操作により、設定温度を２６０℃とし４分間マイクロ波を照射し、放冷した。設定温度になるまで２分を要した。アンヒドロ糖（レボグルコサン）の収率はガスクロマトグラフを用いて分析したところ６９％であった。

実施例３：
三口フラスコに撹拌子、セルロース（アビセルＰＨ−１０１，旭化成(株)製，平均粒径：４５μｍ）２００ｍｇ、テトラエチレングリコールジメチルエーテル（アルドリッチ社製）５ｍＬおよびスルホラン（アルドリッチ社製）１５ｍＬを加え、実施例１と同様の操作により、設定温度を２８０℃とし４分間マイクロ波を照射し、放冷した。設定温度になるまで２分を要した。アンヒドロ糖（レボグルコサン）の収率はガスクロマトグラフを用いて分析したところ５８％であった。

実施例４：
三口フラスコに撹拌子、セルロース（アビセルＰＨ−１０１，旭化成(株)製，平均粒径：４５μｍ）２００ｍｇ、スルホラン（アルドリッチ社製）２０ｍＬを加え、実施例１と同様の操作により、設定温度を２６０℃とし４分間マイクロ波を照射し、放冷した。設定温度になるまで２分を要した。アンヒドロ糖（レボグルコサン）の収率はガスクロマトグラフを用いて分析したところ３９％であった。

実施例５：
三口フラスコに撹拌子、マンナン（メガザイム社製，平均粒径：８０μｍ）２００ｍｇおよびスルホラン（アルドリッチ社製）２０ｍＬを加え、実施例１と同様の操作により、設定温度を２５５℃とし４分間マイクロ波を照射し、放冷した。設定温度になるまで１分５５秒を要した。アンヒドロ糖（マンノサン）の収率はガスクロマトグラフを用いて分析したところ４４％であった。

実施例６：
熱電対および冷却管を装備した三口フラスコに撹拌子、デンプン（トウモロコシ由来、和光純薬工業(株)製，平均粒径：１０μｍ）１２００ｍｇおよびスルホラン（アルドリッチ社製）１０ｍＬを加え、フラスコを所定温度にあらかじめ２４０℃に加熱した油浴に浸し８分間加熱した。設定温度になるまで４分を要した。反応後、油浴からフラスコを取り出し放冷した。アンヒドロ糖（レボグルコサン）の収率はガスクロマトグラフを用いて分析したところ２９％であった。

Claims

ヘキソサンまたはヘキソサンを含む原料を高沸点有機溶媒中で均一に懸濁させ、常圧下、１９０〜３００℃の温度に加熱し、生成する下記式（１）

で示されるアンヒドロ糖を含む反応混合物を直接カラムクロマトグラフィーにかけて高沸点有機溶媒を回収し、精製アンヒドロ糖を単離することを特徴とするアンヒドロ糖の製造方法。
粉末状の原料を使用する請求項１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
高沸点有機溶媒が、沸点１９０℃以上の非プロトン性有機溶媒である請求項１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
高沸点有機溶媒が、プロピレンカーボネート、テトラメチレンスルホン（スルホラン）、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチル酢酸エステル、トリエチレングリコールビス（２−エチルヘキサン酸）エステル、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン（ＤＭＩ）、ニトロトルエン類、ニトロキシレン類、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、クレゾール類、エチルフェノール類、エチレングリコール、グリセリン、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、トリジエチレングリコールモノエチルエーテルから選択される少なくとも一種である請求項３に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
高沸点有機溶媒が、テトラメチレンスルホン（スルホラン）の単独溶媒、またはテトラメチレンスルホン（スルホラン）にプロピレンカーボネートあるいはテトラエチレングリコールジメチルエーテルを加えた混合溶媒である請求項４に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
ヘキソサンが、デンプン、セルロース、デキストラン、グリコーゲン、マンナン、ガラクタン、グルコマンナン、ガラクトマンナン、アラビノガラクタン、ヘミセルロースから選ばれる請求項１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
ヘキソサンがデンプンである請求項６に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
ヘキソサンを含む原料が、パルプ、古紙、藁、木材、穀類及びバガスから選ばれる請求項１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
加熱方法が、油浴、砂浴、金属あるいは金属塩浴、流動層、電気炉またはマイクロ波照射である請求項１に記載のアンヒドロ糖の製造方法。
加熱方法がマイクロ波照射である請求項９に記載のアンヒドロ糖の製造方法。