JP5880827B2 - Method for producing cellulose nanofiber - Google Patents

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Description

本発明は、セルロースナノ繊維の製造方法に関し、更に詳しくは、酵素反応効率に優れると共に、アスペクト比及び結晶化度を容易に調節することができるセルロースナノ繊維の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing cellulose nanofibers, and more particularly to a method for producing cellulose nanofibers that are excellent in enzyme reaction efficiency and can easily adjust the aspect ratio and crystallinity.

一般に、木質バイオマス資源から取り出されるセルロースナノ繊維は、セルロース分子が数十本集まってできる最少単位の集合体であるセルロースエレメンタリフィブリル、その集合体である直径15〜30nmのセルロースミクロフィブリル、及び、セルロースの硫酸加水分解等で得られる高結晶性セルロースナノクリスタルの3種類に大別できる。
これらのセルロースナノ繊維は、近年、高機能高分子複合材料の強化材、透明材料、メンブレインフィルター等の様々な分野で注目を浴びている。
In general, cellulose nanofibers extracted from woody biomass resources are cellulose elementary fibrils that are aggregates of a minimum unit of dozens of cellulose molecules, cellulose microfibrils having a diameter of 15 to 30 nm, and aggregates thereof. It can be roughly classified into three types of highly crystalline cellulose nanocrystals obtained by sulfuric acid hydrolysis of cellulose.
In recent years, these cellulose nanofibers have attracted attention in various fields such as reinforcing materials for high-performance polymer composite materials, transparent materials, and membrane filters.

セルロースナノ繊維の製造方法としては、酵素作用促進処理と物理的破壊処理とを複合することによって、セルロースミクロフィブリルの凝集体又はセルロースミクロフィブリルそのものの非晶部分にエンドグルカナーゼを作用させ、セルロースナノ繊維を得る方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。   As a method for producing cellulose nanofibers, by combining an enzyme action promoting treatment and a physical destruction treatment, an endoglucanase is allowed to act on an aggregate of cellulose microfibrils or an amorphous part of cellulose microfibril itself, thereby producing cellulose nanofibers. Is known (see, for example, Patent Document 1).

ところで、近年、セルロースナノ繊維の応用分野が拡大するに従って、様々なアスペクト比及び結晶化度を有するセルロースナノ繊維が求められている。なお、本明細書において、アスペクト比とは、「セルロースナノ繊維の断面の直径/セルロースナノ繊維の長さ」を意味する。   By the way, in recent years, cellulose nanofibers having various aspect ratios and crystallinity levels have been demanded as the application fields of cellulose nanofibers have expanded. In the present specification, the aspect ratio means “diameter of cross section of cellulose nanofiber / length of cellulose nanofiber”.

例えば、繊維強化プラスチック(FRP)の製造において、繊維のマット(不織布)を作り熱硬化性樹脂を含沈させ、熱圧硬化させる方法では、アスペクト比が大きいセルロースナノ繊維を用いることで、繊維同士の物理的相互作用(例えば水素結合)を強くなり、物性を向上させることができる。
ところが、熱可塑性高分子にセルロースナノ繊維を複合する方法、特に、エクストルーダーやニーダーを用いる混練の際には、アスペクト比が大きいセルロースナノ繊維は、絡み合いや混練中の凝集が起こり、分散性が低下するので、アスペクト比が調節されたセルロースナノ繊維が求められている。
For example, in the production of fiber reinforced plastic (FRP), in a method of making a mat (nonwoven fabric) of fibers and precipitating a thermosetting resin, followed by heat pressure curing, cellulose nanofibers having a large aspect ratio are used. Thus, the physical interaction (for example, hydrogen bonding) can be strengthened and the physical properties can be improved.
However, in the method of compounding cellulose nanofibers with a thermoplastic polymer, especially when kneading using an extruder or kneader, cellulose nanofibers with a large aspect ratio are entangled and aggregated during kneading, resulting in dispersibility. Therefore, there is a need for cellulose nanofibers with controlled aspect ratios.

ちなみに、木質バイオマスからなるセルロースナノクリスタルは、高い結晶性を示し、強い強度特性を示す利点があり、一般に、直径が4〜6nmで、長さが100〜300nmであるので、アスペクト比が非常に小さくなる。
ところが、セルロースナノクリスタルを製造する際には、強い酸触媒を必要とし、また用いた強酸の回収や除去に非常にコストがかかるという欠点もある。なお、酸触媒を使わないで酵素を使った方法は、環境に易しい方法といえる。
By the way, cellulose nanocrystals made of woody biomass have the advantage of exhibiting high crystallinity and strong strength characteristics. Generally, the diameter is 4 to 6 nm and the length is 100 to 300 nm, so the aspect ratio is very high. Get smaller.
However, when cellulose nanocrystals are produced, there is a drawback that a strong acid catalyst is required and that the recovery and removal of the used strong acid is very costly. In addition, it can be said that the method using an enzyme without using an acid catalyst is an environment-friendly method.

特開2008−150719号公報JP 2008-150719 A

しかしながら、上記特許文献1記載のセルロースナノ繊維の製造方法を含む従来のセルロースナノ繊維の製造方法においては、アスペクト比及び結晶化度を調節することが困難である。
セルロースナノ繊維のアスペクト比及び結晶化度の調節は非常に重要な研究課題であり、そのアスペクト比及び結晶化度を調節されたセルロースナノ繊維の開発が要求されている。
However, in the conventional method for producing cellulose nanofibers including the method for producing cellulose nanofibers described in Patent Document 1, it is difficult to adjust the aspect ratio and the crystallinity.
Adjustment of the aspect ratio and crystallinity of cellulose nanofibers is a very important research subject, and the development of cellulose nanofibers with controlled aspect ratio and crystallinity is required.

また、セルロース系バイオマスの分解反応は、主に糸状菌由来の常温性セルラーゼ群(最適反応温度50℃位)を用いた酵素が一般的であるが、産業的に使用している反応機の場合は、長時間の分解反応中の雑菌汚染及び酵素の大量消費等の問題があり、高効率分解反応が実現されていない。   Cellulosic biomass decomposition reaction is generally an enzyme using a normal temperature cellulase group (optimum reaction temperature of about 50 ° C) derived from filamentous fungi, but in the case of an industrially used reactor However, there are problems such as contamination of bacteria during a long-time decomposition reaction and mass consumption of enzymes, and a high-efficiency decomposition reaction has not been realized.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、酵素反応効率に優れると共に、アスペクト比及び結晶化度を容易に調節することができるセルロースナノ繊維の製造方法を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the manufacturing method of the cellulose nanofiber which can adjust an aspect ratio and a crystallinity easily while being excellent in enzyme reaction efficiency. .

本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意検討したところ、通常行われる酵素反応は40〜50℃であるが、50℃よりも高温で酵素反応を行うことを考えた。そして、耐熱性セルラーゼを選定し、その耐熱性セルラーゼを用いて、セルロースミクロフィブリルを、高温で加熱分解し、さらに、その時の加熱温度、加熱時間及び酵素濃度を調節することによって、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   The present inventors have intensively studied to solve the above-mentioned problems. As a result, the enzyme reaction that is normally performed is 40 to 50 ° C., but it has been considered to perform the enzyme reaction at a temperature higher than 50 ° C. Then, by selecting a thermostable cellulase, using the thermostable cellulase, cellulose microfibrils are thermally decomposed at high temperature, and further, the heating temperature, heating time and enzyme concentration at that time are adjusted to solve the above-mentioned problems. The present inventors have found that the present invention can be accomplished and have completed the present invention.

本発明は、(1)予め、アルカリ触媒又は酸触媒存在下、バイオマスに酸化剤を加え、加熱撹拌することにより該バイオマスを脆弱化した後、該バイオマスに粉砕用媒体を共存させ、ボールミル又はディスクミルにより機械的に粉砕し、セルロースミクロフィブリルとする脆弱化工程と、該セルロースミクロフィブリルを、セロビオヒドロラーゼが混合された耐熱性セルラーゼで加熱分解する加熱分解工程と、を備え、粉砕用媒体が、水と、低分子化合物、高分子化合物又は脂肪酸類とを混合したものであり、耐熱性セルラーゼが、80℃以上で熱処理した後、精製した耐熱性エンドグルカナーゼと、80℃以上で熱処理した後、精製した耐熱性β−グルコシダーゼとからなるものであり、耐熱性エンドグルカナーゼが、セルロースミクロフィブリルの非晶部分を選択的に分解するものであり、耐熱性エンドグルカナーゼの酵素濃度が、基質1Mに対して、0.01〜10mMであり、耐熱性エンドグルカナーゼと、耐熱性β−グルコシダーゼとの配合割合が、20:0.1〜1であり、加熱分解工程における加熱温度が80℃〜105℃であり、加熱分解工程における加熱時間が0.1〜72時間であるセルロースナノ繊維の製造方法に存する。 In the present invention, (1) in advance, an oxidant is added to biomass in the presence of an alkali catalyst or an acid catalyst, and the biomass is weakened by heating and stirring. mechanically pulverized by the mill, the weakening process of the cellulose microfibrils, the cellulose microfibrils, comprising a heating decomposing thermal decomposition process of a heat-resistant cellulase cellobiohydrolase are mixed, and grinding media , Water and a mixture of a low molecular weight compound, a high molecular compound or fatty acids, after heat-resistant cellulase is heat-treated at 80 ° C. or higher, and after heat treatment at 80 ° C. or higher with purified heat-resistant endoglucanase , which consist of a purified thermostable β- glucosidase, heat resistance endoglucanase, cellulose micro-off Is intended to selectively degrade the amorphous portion of the Brill, the enzyme concentration of the heat-resistant endoglucanase, with respect to the substrate 1M, is 0.01 to 10 mM, and heat resistance endoglucanase, and heat resistance β- glucosidase Of the cellulose nanofiber is 20: 0.1 to 1, the heating temperature in the thermal decomposition step is 80 ° C. to 105 ° C., and the heating time in the thermal decomposition step is 0.1 to 72 hours. Lies in the way.

本発明は、(2)セルロースナノ繊維のアスペクト比が4〜1000であり且つ結晶化度が5〜90%である上記(1)記載のセルロースナノ繊維の製造方法に存する。 The present invention resides in (2) the method for producing cellulose nanofibers according to (1) above , wherein the aspect ratio of the cellulose nanofibers is 4 to 1000 and the crystallinity is 5 to 90% .

本発明のセルロースナノ繊維の製造方法によれば、バイオマスを、所定のアスペクト比及び結晶化度を有するセルロースナノ繊維とすることができる。すなわち、上記セルロースナノ繊維の製造方法においては、セルロースミクロフィブリルを、耐熱性セルラーゼで、50℃よりも高温で加熱分解する加熱分解工程を経ることにより、酵素反応効率を向上させることができる。   According to the method for producing cellulose nanofibers of the present invention, biomass can be made into cellulose nanofibers having a predetermined aspect ratio and crystallinity. That is, in the method for producing cellulose nanofibers, the enzymatic reaction efficiency can be improved by performing a thermal decomposition step of thermally decomposing cellulose microfibrils with a heat-resistant cellulase at a temperature higher than 50 ° C.

また、加熱分解工程において、加熱温度、加熱時間及び酵素濃度を調節することによって、高い精度でアスペクト比及び結晶化度を調節することができる。ちなみに、機械的な粉砕では、セルロースナノ繊維の長さをミクロンレベルで調節することが限界であるが、本発明においては、セルロースナノ繊維の長さをナノレベルで調節することが可能となる。特に、加熱温度は、80℃以上とすることが好ましい。   In the thermolysis step, the aspect ratio and the crystallinity can be adjusted with high accuracy by adjusting the heating temperature, heating time and enzyme concentration. Incidentally, in mechanical pulverization, it is the limit to adjust the length of the cellulose nanofibers at the micron level, but in the present invention, the length of the cellulose nanofibers can be adjusted at the nano level. In particular, the heating temperature is preferably 80 ° C. or higher.

上記セルロースナノ繊維の製造方法においては、耐熱性セルラーゼが、80℃以上で熱処理した後、精製した耐熱性エンドグルカナーゼと、80℃以上で熱処理した後、精製した耐熱性β−グルコシダーゼとからなるものである場合、耐熱性エンドグルカナーゼがセルロースミクロフィブリルの非晶部分を選択的に分解し、耐熱性β−グルコシダーゼが耐熱性エンドグルカナーゼの活性を阻害する副生成物のセロビオースを分解するので、酵素反応効率が極めて向上する。 In the method for producing cellulose nanofibers, the thermostable cellulase comprises a heat-resistant endoglucanase purified after heat treatment at 80 ° C. or higher, and a heat-resistant β- glucosidase purified after heat treatment at 80 ° C. or higher. , The thermostable endoglucanase selectively degrades the amorphous part of cellulose microfibrils, and the thermostable β- glucosidase degrades cellobiose, a by-product that inhibits the activity of thermostable endoglucanase. Efficiency is greatly improved.

上記セルロースナノ繊維の製造方法においては、耐熱性エンドグルカナーゼと、耐熱性β−グルコシダーゼとの配合割合が、20:0.1〜1である場合、耐熱性β−グルコシダーゼによる分解と、耐熱性エンドグルカナーゼによる分解とがバランス良く行われる。 In the manufacturing method of the said cellulose nanofiber, when the mixture ratio of heat resistant endoglucanase and heat resistant beta- glucosidase is 20: 0.1-1, decomposition | disassembly by heat resistant beta- glucosidase, and heat resistant end Degradation by glucanase is performed in a well-balanced manner.

上記セルロースナノ繊維の製造方法においては、脆弱化工程が、バイオマスをミルにより機械的に粉砕して、セルロースミクロフィブリルとする工程である場合、又は、バイオマスを酸化剤及び水熱処理により脆弱化し、ミルにより機械的に粉砕して、セルロースミクロフィブリルとする工程である場合、天然のバイオマスから比較的簡単な工程でセルロースナノ繊維を製造することが可能となる。   In the method for producing cellulose nanofibers, when the weakening step is a step of mechanically pulverizing biomass with a mill to form cellulose microfibrils, or the biomass is weakened by an oxidizing agent and hydrothermal treatment, In the case of the process of mechanically pulverizing to make cellulose microfibril, cellulose nanofibers can be produced from natural biomass by a relatively simple process.

図1は、本実施形態に係るセルロースナノ繊維の製造方法における各工程を示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart showing each step in the method for producing cellulose nanofibers according to this embodiment. 図2は、実施例1で得られたセルロースミクロフィブリルAの原子間力顕微鏡像の写真である。2 is a photograph of an atomic force microscope image of cellulose microfibril A obtained in Example 1. FIG. 図3は、実施例2で得られたセルロースミクロフィブリルBの原子間力顕微鏡像の写真である。FIG. 3 is a photograph of an atomic force microscope image of cellulose microfibril B obtained in Example 2. 図4は、実施例3で得られたセルロースナノ繊維Cの原子間力顕微鏡像の写真である。4 is a photograph of an atomic force microscope image of cellulose nanofiber C obtained in Example 3. FIG. 図5は、ブランクとして0時間経過のサンプルと、実施例の評価1で得られた1.0,2.7,17.5時間経過後のサンプル(セルロースナノ繊維)の原子間力顕微鏡像の写真である。FIG. 5 shows an atomic force microscope image of a sample after 0 hours as a blank and samples (cellulose nanofibers) after 1.0, 2.7, and 17.5 hours obtained in Evaluation 1 of the examples. It is a photograph.

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係るセルロースナノ繊維の製造方法における各工程を示すフローチャートである。
図1に示すように、本実施形態に係るセルロースナノ繊維の製造方法は、バイオマスを粉砕し、セルロースミクロフィブリルとする脆弱化工程S1と、該セルロースミクロフィブリルを耐熱性セルラーゼで加熱分解する加熱分解工程S2と、を備える。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as necessary.
FIG. 1 is a flowchart showing each step in the method for producing cellulose nanofibers according to this embodiment.
As shown in FIG. 1, the method for producing cellulose nanofibers according to the present embodiment includes a weakening step S1 for pulverizing biomass to make cellulose microfibrils, and thermal decomposition for thermally decomposing the cellulose microfibrils with a heat-resistant cellulase. Step S2.

本実施形態に係るセルロースナノ繊維の製造方法によれば、バイオマスから所定のアスペクト比及び結晶化度を有するセルロースナノ繊維を効率良く製造することができる。
以下、各工程について更に詳細に説明する。
According to the method for producing cellulose nanofibers according to the present embodiment, cellulose nanofibers having a predetermined aspect ratio and crystallinity can be efficiently produced from biomass.
Hereinafter, each step will be described in more detail.

(脆弱化工程)
脆弱化工程S1は、バイオマスを機械的に粉砕する工程である。脆弱化工程S1により、バイオマスは、セルロースミクロフィブリルとなる。
(Vulnerability process)
The weakening step S1 is a step of mechanically pulverizing the biomass. By the weakening step S1, the biomass becomes cellulose microfibril.

上記バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含む天然物であり、セルロースがリグニン及びヘミセルロースに強固に結びついた三次元ネットワーク階層構造を有している。
かかるバイオマスとしては、一般に、木材、草木、農産物、綿花等の植物から得られる木質バイオマスや生物が産生するバクテリアセルロース等が挙げられる。
The biomass is a natural product containing cellulose, hemicellulose, and lignin, and has a three-dimensional network hierarchical structure in which cellulose is firmly bound to lignin and hemicellulose.
Such biomass generally includes woody biomass obtained from plants such as wood, vegetation, agricultural products, and cotton, and bacterial cellulose produced by living organisms.

バイオマスの大きさは、5cm角以下であることが好ましい。この場合、脆弱化工程S1において、粉砕しやすくなる。なお、バイオマスが5cmを超える場合は、予備的に機械粉砕する予備脆弱化工程を施すことが好ましい。   The size of the biomass is preferably 5 cm square or less. In this case, it becomes easy to grind in weakening process S1. In addition, when biomass exceeds 5 cm, it is preferable to perform the preliminary weakening process which carries out a mechanical grinding | pulverization preliminary.

脆弱化工程S1における粉砕の方法は、特に限定されず、媒体(以下便宜的に「粉砕用媒体」という。)を共存させてせん断力をバイオマスに印可できる方法が好ましい。
例えば、ボールミル(振動ボールミル、回転ボールミル、遊星型ボールミル)、ロッドミル、ビーズミル、ディスクミル、カッターミル、ハンマーミル、インペラーミル、エクストルーダー、ミキサー(高速回転羽根型ミキサー、ホモミキサー)、ホモジナイザー(高圧ホモジナイザー、機械式ホモジナイザー、超音波ホモジナイザー)等が挙げられる。
The pulverization method in the weakening step S1 is not particularly limited, and a method in which a medium (hereinafter referred to as “a pulverization medium” for convenience) can coexist and a shear force can be applied to the biomass is preferable.
For example, ball mill (vibrating ball mill, rotating ball mill, planetary ball mill), rod mill, bead mill, disc mill, cutter mill, hammer mill, impeller mill, extruder, mixer (high-speed rotary blade mixer, homomixer), homogenizer (high pressure homogenizer) , Mechanical homogenizer, ultrasonic homogenizer) and the like.

これらの中でも、粉砕は、ボールミル、ロッドミル、ビーズミル、ディスクミル又はカッターミル等のミルにより施されることが好ましく、ボールミル又はディスクミルにより施されることが更に好ましい。特に、ボールミルを用いる場合、結晶性を低下させることができるので、得られるセルロースナノ繊維の結晶性が低くなり(非晶性が高くなり)、その結果、酵素分解効率が向上するという利点がある。   Among these, the pulverization is preferably performed by a mill such as a ball mill, a rod mill, a bead mill, a disk mill, or a cutter mill, and more preferably performed by a ball mill or a disk mill. In particular, when a ball mill is used, the crystallinity can be lowered, so that the obtained cellulose nanofibers have a low crystallinity (higher amorphousness), and as a result, there is an advantage that the enzymatic decomposition efficiency is improved. .

脆弱化工程S1において用いられる粉砕用媒体としては、特に限定されないが、水、低分子化合物、高分子化合物又は脂肪酸類等が好適に用いられる。これらは1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を混合して用いてもよい。
これらの中でも、粉砕用媒体は、水と、低分子化合物、高分子化合物又は脂肪酸類とを混合して用いることが好ましい。
Although it does not specifically limit as a grinding medium used in embrittlement process S1, Water, a low molecular compound, a high molecular compound, fatty acids, etc. are used suitably. These may be used alone or in combination of two or more.
Among these, the pulverizing medium is preferably used by mixing water with a low molecular compound, a high molecular compound, or a fatty acid.

低分子化合物としては、アルコール類、エーテル類、ケトン類、スルホキシド類、アミド類、アミン類、芳香族類、モルフォリン類、イオン性液体等が挙げられ、高分子化合物としては、アルコール系高分子類、エーテル系高分子類、アミド系高分子類、アミン系高分子類、芳香族系高分子類等が挙げられ、脂肪酸類としては、飽和脂肪酸類、不飽和脂肪酸類等が挙げられる。なお、このとき上記低分子化合物、高分子化合物及び脂肪酸類は水溶性であることが好ましい。   Examples of the low molecular weight compound include alcohols, ethers, ketones, sulfoxides, amides, amines, aromatics, morpholines, ionic liquids, and the like. , Ether polymers, amide polymers, amine polymers, aromatic polymers, and the like, and examples of fatty acids include saturated fatty acids and unsaturated fatty acids. At this time, the low molecular weight compound, the high molecular weight compound and the fatty acids are preferably water-soluble.

本実施形態に係るセルロースナノ繊維の製造方法においては、脆弱化工程S1を経ることにより後述する加熱分解工程S2において、天然のバイオマスから比較的簡単な工程でアスペクト比及び結晶化度を調節したセルロースナノ繊維を製造することが可能となる。   In the method for producing cellulose nanofibers according to the present embodiment, cellulose whose aspect ratio and crystallinity are adjusted in a relatively simple process from natural biomass in the thermal decomposition process S2 described later by passing through the weakening process S1. Nanofibers can be produced.

(加熱分解工程)
加熱分解工程S2は、脆弱化工程S1で得られたセルロースミクロフィブリルを耐熱性セルラーゼで加熱分解する工程である。
(Thermal decomposition process)
The thermal decomposition step S2 is a step in which the cellulose microfibril obtained in the weakening step S1 is thermally decomposed with a heat-resistant cellulase.

ここで、耐熱性セルラーゼは、耐熱性を有し、50℃よりも高温の反応条件で反応活性を示すセルラーゼであり、一般的なセルラーゼとは異なる性質を有する。
具体的には、耐熱性セルラーゼは、耐熱性エンドグルカナーゼ及び耐熱性β−グルコシダーゼからなる。これらの酵素は、耐熱性であるので、50℃よりも高温で反応させることができる。これにより、酵素反応効率が向上する。
Here, the thermostable cellulase is a cellulase having heat resistance and exhibiting reaction activity under reaction conditions higher than 50 ° C., and has a property different from general cellulase.
Specifically, thermostable cellulase consists of thermostable endoglucanase and thermostable β- glucosidase. Since these enzymes are heat resistant, they can be reacted at temperatures higher than 50 ° C. Thereby, enzyme reaction efficiency improves.

上記耐熱性エンドグルカナーゼ(EGPh)は、エンドグルカナーゼを発現させた後、80℃以上で熱処理し、硫安分画、遠心分離、カラムクロマトグラフィー等で精製することにより得られる。
上記耐熱性β−グルコシダーゼ(BGL)は、β−グルコシダーゼを発現させた後、80℃以上で熱処理し、硫安分画、遠心分離、およびカラムクロマトグラフィー等で精製することにより得られる。
The thermostable endoglucanase (EGPh) is obtained by expressing endoglucanase, heat-treating at 80 ° C. or higher, and purifying by ammonium sulfate fractionation, centrifugation, column chromatography, or the like.
The heat-resistant β- glucosidase (BGL) is obtained by expressing β- glucosidase, heat-treating at 80 ° C. or higher, and purifying with ammonium sulfate fractionation, centrifugation, column chromatography, or the like.

耐熱性エンドグルカナーゼは、セルロースの非結晶の領域に活性があり、結晶の領域には活性が無いことが特徴である。すなわち、耐熱性エンドグルカナーゼは、セルロースミクロフィブリルの非晶部分を選択的に分解することができる。これにより、結晶性の高いセルロースナノ繊維を得ることが可能となる。
また、耐熱性エンドグルカナーゼは、耐熱性アーキアPyrococcus horikoshii 由来であり、セルロースをセロビオースに分解する。なお、エンドグルカナーゼの副生成物であるセロビオースは、耐熱性エンドグルカナーゼによる酵素反応を阻害する作用がある。
A thermostable endoglucanase is characterized by being active in the amorphous region of cellulose and inactive in the crystalline region. That is, the thermostable endoglucanase can selectively decompose the amorphous part of cellulose microfibrils. Thereby, it becomes possible to obtain a cellulose nanofiber with high crystallinity.
In addition, thermostable endoglucanase is derived from thermostable archaea Pyrococcus horikoshii, which decomposes cellulose into cellobiose. Cellobiose, which is a by-product of endoglucanase, has an action of inhibiting the enzyme reaction by heat-resistant endoglucanase.

耐熱性β−グルコシダーゼは、2−7糖のセロオリゴ糖を基質として、グルコースを遊離するが、結晶性セルロースは反応しないことが特徴である。これにより、結晶性の高いセルロースナノ繊維を得ることが可能となる。
また、耐熱性β−グルコシダーゼは、耐熱性アーキアPyrococcus furiosus由来であり、上記セロビオースを分解する。
したがって、セルロースナノ繊維の製造方法においては、耐熱性エンドグルカナーゼがセルロースミクロフィブリルの非晶部分を選択的に分解し、耐熱性β−グルコシダーゼが耐熱性エンドグルカナーゼの活性を阻害する副生成物のセロビオースを分解するので、酵素反応効率が極めて向上することになる。
Thermostable β- glucosidase is characterized in that it uses 2-7 sugar cellooligosaccharide as a substrate to release glucose, but crystalline cellulose does not react. Thereby, it becomes possible to obtain a cellulose nanofiber with high crystallinity.
In addition, thermostable β- glucosidase is derived from thermostable archaea Pyrococcus furiosus and degrades the cellobiose.
Therefore, in the method for producing cellulose nanofibers, the thermostable endoglucanase selectively decomposes the amorphous part of cellulose microfibrils, and the thermostable β- glucosidase inhibits the activity of the thermostable endoglucanase by cellobiose. As a result, the enzyme reaction efficiency is greatly improved.

耐熱性エンドグルカナーゼと、耐熱性β−グルコシダーゼとの配合割合は、20:0.1〜1であることが好ましい。耐熱性エンドグルカナーゼ20質量部に対し、耐熱性β−グルコシダーゼが0.1質量部未満であると、配合割合が上記範囲内にある場合と比較して、セロビオースを十分に分解できず、耐熱性エンドグルカナーゼの酵素反応効率が悪くなる場合があり、耐熱性エンドグルカナーゼ20質量部に対し、耐熱性β−グルコシダーゼが1質量部を超えると、耐熱性エンドグルカナーゼの酵素反応効率は略一定となり、向上しなくなる。 The blending ratio of the thermostable endoglucanase and the thermostable β- glucosidase is preferably 20: 0.1-1. When the thermostable β- glucosidase is less than 0.1 parts by mass with respect to 20 parts by mass of thermostable endoglucanase, cellobiose cannot be sufficiently decomposed compared to the case where the blending ratio is within the above range, and the heat resistance The enzyme reaction efficiency of endoglucanase may deteriorate, and when 20 parts by mass of thermostable endoglucanase exceeds 1 part by mass of thermostable β- glucosidase, the enzyme reaction efficiency of thermostable endoglucanase becomes substantially constant and improved. No longer.

加熱分解工程S2における加熱温度は、50℃よりも大きく、80℃以上であることが好ましく、80〜105℃であることがより好ましい。加熱温度を80℃以上とすることにより、より耐熱性に優れるセルロースナノ繊維が得られる。
また、加熱温度が80〜105℃である場合、加熱時間は、0.1〜72時間であることが好ましい。
さらに、これらの場合の耐熱性エンドグルカナーゼの酵素濃度は、基質1Mに対して、0.01〜10mMであることが好ましい。
The heating temperature in the thermal decomposition step S2 is higher than 50 ° C, preferably 80 ° C or higher, and more preferably 80 to 105 ° C. By setting the heating temperature to 80 ° C. or higher, cellulose nanofibers with better heat resistance can be obtained.
Moreover, when heating temperature is 80-105 degreeC, it is preferable that heating time is 0.1 to 72 hours.
Furthermore, the enzyme concentration of the thermostable endoglucanase in these cases is preferably 0.01 to 10 mM with respect to 1 M of the substrate.

また、セルロースナノ繊維の製造方法においては、加熱温度、加熱時間及び酵素濃度を調節することによってアスペクト比及び結晶化度の調節が可能となる。
例えば、加熱分解工程S2における加熱温度は、上述した加熱温度の範囲において、加熱温度を低くすることにより、セルロースナノ繊維の長さを大きくすることができ、加熱温度を高くすることにより、セルロースナノ繊維の長さを小さくすることができる。
加熱分解工程S2における加熱時間は、上述した加熱時間の範囲において、加熱時間を短くすることにより、セルロースナノ繊維の長さを大きくすることができ、加熱時間を長くすることにより、セルロースナノ繊維の長さを小さくすることができる。
加熱分解工程S2における耐熱性エンドグルカナーゼの酵素濃度は、上述した酵素濃度の範囲において、酵素濃度を低くすることにより、セルロースナノ繊維の長さを大きくすることができ、酵素濃度を高くすることにより、セルロースナノ繊維の長さを小さくすることができる。
In the method for producing cellulose nanofibers, the aspect ratio and crystallinity can be adjusted by adjusting the heating temperature, heating time and enzyme concentration.
For example, the heating temperature in the thermal decomposition step S2 can be increased by decreasing the heating temperature in the above-described heating temperature range, thereby increasing the length of the cellulose nanofibers. The length of the fiber can be reduced.
The heating time in the thermal decomposition step S2 can increase the length of the cellulose nanofiber by shortening the heating time in the above-described range of the heating time, and can increase the length of the cellulose nanofiber by increasing the heating time. The length can be reduced.
The enzyme concentration of the thermostable endoglucanase in the thermal decomposition step S2 can be increased by decreasing the enzyme concentration within the above enzyme concentration range, thereby increasing the length of the cellulose nanofibers, and increasing the enzyme concentration. The length of the cellulose nanofiber can be reduced.

本実施形態に係るセルロースナノ繊維の製造方法においては、加熱分解工程S2を経ることにより、酵素反応効率を向上させることができる。
また、加熱温度、加熱時間及び酵素濃度を調節することによって、セルロースナノ繊維の長さをナノレベルで変えることができるので、高い精度でアスペクト比を調節することができる。
In the method for producing cellulose nanofibers according to the present embodiment, the enzyme reaction efficiency can be improved through the thermal decomposition step S2.
In addition, the length of the cellulose nanofiber can be changed at the nano level by adjusting the heating temperature, the heating time, and the enzyme concentration, so that the aspect ratio can be adjusted with high accuracy.

得られるセルロースナノ繊維は、天然物であり、高分子からなる強化材、透明材料、メンブレインフィルター、コーティング剤等に利用できる。
また、これらの用途に用いられる場合、セルロースナノ繊維のアスペクト比は4〜1000であることが好ましく、結晶化度は5〜90%であることが好ましい。
The obtained cellulose nanofiber is a natural product and can be used for a reinforcing material composed of a polymer, a transparent material, a membrane filter, a coating agent, and the like.
Moreover, when using for these uses, it is preferable that the aspect-ratio of a cellulose nanofiber is 4-1000, and it is preferable that a crystallinity degree is 5-90%.

得られるセルロースナノ繊維は、無味、無臭、無毒性であり、且つ微細繊維状で舌触りに異物感を感じないので、食品に添加して用いることもできる。この場合、保水性、保油性、テクスチャー、形態安定性、又はダイエット性を付与することができる。   The obtained cellulose nanofibers are tasteless, odorless and nontoxic, and are fine fibers and do not feel a foreign body feeling on the tongue, so they can also be added to foods. In this case, water retention, oil retention, texture, form stability, or diet can be imparted.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。   The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment.

例えば、本実施形態に係るセルロースナノ繊維の製造方法においては、脆弱化工程S1が、バイオマスを機械的に粉砕する工程となっているが、予め、バイオマスを酸処理、アルカリ処理、水熱処理又は酸化剤処理等により脆弱化処理してもよい。すなわち、脆弱化工程は、バイオマスをこれらの処理により脆弱化した後、ミルにより機械的に粉砕して、セルロースミクロフィブリルとしてもよい。   For example, in the method for producing cellulose nanofibers according to the present embodiment, the weakening step S1 is a step of mechanically pulverizing the biomass, but the biomass is previously subjected to acid treatment, alkali treatment, hydrothermal treatment or oxidation. The weakening treatment may be performed by agent treatment or the like. That is, in the weakening step, the biomass may be weakened by these treatments and then mechanically pulverized by a mill to form cellulose microfibrils.

この場合、アルカリ触媒又は酸触媒存在下、バイオマスに酸化剤を加え、加熱撹拌することにより脆弱化され、バイオマスからリグニンが除去されたホロセルロースが得られる。該ホロセルロースが機械的に粉砕することにより、ホロセルロースミクロフィブリルが得られることになる。
アルカリ触媒としては、苛性ソーダー、炭酸ナトリウム等が好適に用いられる。
酸触媒としては、硫酸、各種有機酸等が好適に用いられる。
酸化剤としては、亜塩素酸ナトリウム、TEMPO酸化剤、オゾン等が好適に用いられる。
In this case, holocellulose which is weakened by adding an oxidizing agent to the biomass in the presence of an alkali catalyst or an acid catalyst and then stirred under heating to remove lignin from the biomass is obtained. By pulverizing the holocellulose mechanically, holocellulose microfibrils are obtained.
As the alkali catalyst, caustic soda, sodium carbonate and the like are preferably used.
As the acid catalyst, sulfuric acid, various organic acids and the like are preferably used.
As the oxidizing agent, sodium chlorite, TEMPO oxidizing agent, ozone and the like are preferably used.

本実施形態に係るセルロースナノ繊維の製造方法においては、加熱分解工程S2において、耐熱性エンドグルカナーゼ及び耐熱性β−グルコシダーゼを用いているが、必要に応じて、セロビオヒドロラーゼを混合して用いてもよい。ちなみに、セロビオヒドロラーゼの場合は特に結晶性セルロースに高い活性を示す。 In the method for producing cellulose nanofibers according to this embodiment, heat-resistant endoglucanase and heat-resistant β- glucosidase are used in the thermal decomposition step S2, but if necessary, cellobiohydrolase is mixed and used. Also good. Incidentally, cellobiohydrolase shows particularly high activity in crystalline cellulose.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

(耐熱性エンドグルカナーゼの製造)
エンドグルカナーゼの発現は、発現プラスミドベクターpET11と発現用大腸菌BL21(DE3)を用いた。そして、発現したエンドグルカナーゼを85℃で熱処理し、Hitrap Phenyl columnを用いて精製することにより、耐熱性エンドグルカナーゼ(酵素番号:EC 3.2.1.4、ファミリー5に属する)を得た。
(Production of thermostable endoglucanase)
For expression of endoglucanase, expression plasmid vector pET11 and E. coli BL21 (DE3) for expression were used. The expressed endoglucanase was heat-treated at 85 ° C. and purified using a Hitrap Phenyl column to obtain a thermostable endoglucanase (enzyme number: EC 3.2.1.4, belonging to family 5).

(耐熱性β−グルコシダーゼの製造)
β−グルコシダーゼの発現は、発現プラスミドベクターpET11と発現用大腸菌BL21(DE3)を用いた。そして、発現したβ−グルコシダーゼを85℃で熱処理し、Hitrap Phenyl columnを用いて精製することにより、耐熱性β−グルコシダーゼ(酵素番号:EC 3.2.1.21)を得た。
(Production of thermostable β- glucosidase)
Expression plasmid vector pET11 and E. coli BL21 (DE3) for expression were used for expression of β- glucosidase. The expressed β- glucosidase was heat-treated at 85 ° C. and purified using Hitrap Phenyl column to obtain heat-resistant β- glucosidase (enzyme number: EC 3.2.1.21).

(実施例1)
(セルロースミクロフィブリルAの製造)
木質バイオマスとして、5cm角のユーカリクラフトパルプを用いた。なお、広葉樹であるユーカリのクラフトパルプの成分分析をした結果、セルロース成分は0.2%、ヘミセルロースは22.3%、リグニンは10.3%であった。
ユーカリクラフトパルプを、ディスクミルを用いて機械的に粉砕した(脆弱化工程)。具体的には、ユーカリのクラフトパルプに水を加え、固形分濃度1%となるように水懸濁液とし、これに対してディスクミルを用いた機械的粉砕を10回行い、セルロースミクロフィブリルAとした。
Example 1
(Production of cellulose microfibril A)
As woody biomass, 5 cm square eucalyptus kraft pulp was used. As a result of component analysis of eucalyptus kraft pulp, which is a hardwood, the cellulose component was 0.2%, hemicellulose was 22.3%, and lignin was 10.3%.
Eucalyptus kraft pulp was mechanically pulverized using a disk mill (weakening process). Specifically, water is added to eucalyptus kraft pulp to form a water suspension so that the solid content concentration becomes 1%, and this is mechanically pulverized 10 times using a disk mill to obtain cellulose microfibril A. It was.

セルロースミクロフィブリルAの原子間力顕微鏡像を図2に示す。なお、原子間力顕微鏡観察においては、得られたセルロースミクロフィブリルAに固形分濃度0.05%となるように水を加え、これを、カチオン性ポリマーであるポリエチレンイミン(0.01
%水溶液)がコートされたゴルド表面にスピンコート(3000 rpm、1分)して薄膜を作り観察した。
セルロースミクロフィブリルAは、直径が5〜30nmであり、長さが1μm以上であったので、非常にアスペクト比が大きいことがわかった。
An atomic force microscope image of cellulose microfibril A is shown in FIG. In the atomic force microscope observation, water was added to the obtained cellulose microfibril A to a solid content concentration of 0.05%, and this was added to polyethyleneimine (0.01) which is a cationic polymer.
A thin film was formed and observed by spin coating (3000 rpm, 1 minute) on the surface of the gold plate coated with (% aqueous solution).
Cellulose microfibril A had a diameter of 5 to 30 nm and a length of 1 μm or more, and thus was found to have a very high aspect ratio.

(セルロースナノ繊維Aの製造)
セルロースミクロフィブリルAを、耐熱性セルラーゼで加熱分解した。具体的には、セルロースミクロフィブリルAに固形分濃度0.2%となるように水を加え、これに、0.1Mの酢酸緩衝液(pH5.5)を2mL加えた。そして、10μMの耐熱性エンドグルカナーゼと、0.2μMのβ−グルコシダーゼとをそれぞれ0.2mL加え、加熱温度を85℃として攪拌することにより(加熱分解工程)、セルロースミクロフィブリルAを加熱分解したセルロースナノ繊維Aを得た。なお、0.5,1.0,2.7,17.5時間経過後にそれぞれサンプリングした。
(Production of cellulose nanofiber A)
Cellulose microfibril A was thermally decomposed with heat-resistant cellulase. Specifically, water was added to cellulose microfibril A so that the solid content concentration was 0.2%, and 2 mL of 0.1 M acetate buffer (pH 5.5) was added thereto. Then, 0.2 mL each of 10 μM heat-resistant endoglucanase and 0.2 μM β- glucosidase were added and stirred at a heating temperature of 85 ° C. (thermal decomposition step), so that cellulose microfibril A was thermally decomposed. Nanofiber A was obtained. In addition, it sampled after 0.5, 1.0, 2.7, and 17.5 hours, respectively.

(実施例2)
(セルロースミクロフィブリルBの製造)
木質バイオマスとして、針葉樹であるヒノキ木粉(0.2mm)を用いた。
まず、ヒノキ木粉を、亜塩素酸アトリウムにより脱リグニン(脆弱化)した。具体的には、ヒノキ木粉25gに、蒸留水750ml、亜塩素酸ナトリウム(酸化剤)7.5g及び酢酸(酸触媒)1.5mlを加えて、80〜90℃の湯浴中で攪拌しながら1時間加温した。その後、さらに、亜塩素酸ナトリウム7.5g、酢酸1.5mlを加えて反応を行い、この操作を5回繰り返した後、蒸留水3Lで洗浄し、ホロセルロースを得た。
そして、得られたホロセルロースを、ディスクミルを用いて機械的に粉砕した(脆弱化工程)。具体的には、ヒノキ木粉に水を加え、固形分濃度1%となるように水懸濁液とし、これに対してディスクミルを用いた機械的粉砕を2回行い、セルロースミクロフィブリルBとした。
(Example 2)
(Production of cellulose microfibril B)
As woody biomass, cypress wood powder (0.2 mm), which is a conifer, was used.
First, cypress wood flour was delignified (weakened) with atrium chlorite. Specifically, 750 ml of distilled water, 7.5 g of sodium chlorite (oxidizer) and 1.5 ml of acetic acid (acid catalyst) are added to 25 g of hinoki wood flour, and stirred in a hot water bath at 80 to 90 ° C. The mixture was warmed for 1 hour. Thereafter, 7.5 g of sodium chlorite and 1.5 ml of acetic acid were added to carry out the reaction, and this operation was repeated 5 times, followed by washing with 3 L of distilled water to obtain holocellulose.
And the obtained holocellulose was pulverized mechanically using a disk mill (weakening step). Specifically, water is added to cypress wood flour to form an aqueous suspension so that the solid content concentration becomes 1%, and this is mechanically pulverized twice using a disk mill to obtain cellulose microfibril B and did.

セルロースミクロフィブリルBの原子間力顕微鏡像を図3に示す。なお、原子間力顕微鏡観察においては、得られたセルロースミクロフィブリルBに固形分濃度0.05%となるように水を加え、これを、カチオン性ポリマーであるポリエチレンイミン(0.01
%水溶液)がコートされたゴルド表面にスピンコート(3000 rpm、1分)して薄膜を作り観察した。
セルロースミクロフィブリルBは、セルロースミクロフィブリルAと同様に、非常にアスペクト比が大きいことがわかった。
An atomic force microscope image of cellulose microfibril B is shown in FIG. In the atomic force microscope observation, water was added to the obtained cellulose microfibril B so as to have a solid content concentration of 0.05%, and this was added to polyethyleneimine (0.01) which is a cationic polymer.
A thin film was formed and observed by spin coating (3000 rpm, 1 minute) on the surface of the gold plate coated with (% aqueous solution).
Cellulose microfibril B was found to have a very large aspect ratio, like cellulose microfibril A.

(セルロースナノ繊維Bの製造)
セルロースミクロフィブリルBを、耐熱性セルラーゼで加熱分解した。具体的には、セルロースミクロフィブリルBに固形分濃度0.2%となるように水を加え、これに、0.1Mの酢酸緩衝液(pH5.5)を2mL加えた。そして、10μMの耐熱性エンドグルカナーゼと、0.2μMのβ−グルコシダーゼとをそれぞれ0.2mL加え、加熱温度を85℃として攪拌することにより(加熱分解工程)、セルロースミクロフィブリルBを加熱分解したセルロースナノ繊維Bを得た。なお、0.5,1.0,2.7,17.5時間経過後にそれぞれサンプリングした。
(Production of cellulose nanofiber B)
Cellulose microfibril B was pyrolyzed with heat-resistant cellulase. Specifically, water was added to cellulose microfibril B so as to have a solid content concentration of 0.2%, and 2 mL of 0.1 M acetate buffer (pH 5.5) was added thereto. Then, 0.2 mL each of 10 μM thermostable endoglucanase and 0.2 μM β- glucosidase were added and stirred at a heating temperature of 85 ° C. (thermal decomposition step), whereby cellulose microfibril B was thermally decomposed. Nanofiber B was obtained. In addition, it sampled after 0.5, 1.0, 2.7, and 17.5 hours, respectively.

(実施例3)
(セルロースミクロフィブリルCの製造)
木質バイオマスとして、サトウキビ残渣(バガス)1gを用いた。
まず、サトウキビ残渣を、遊星ボールミルを用いて機械的に粉砕した(脆弱化工程)。具体的には、サトウキビ残渣に水を加え、400rpmで2時間処理し、セルロースミクロフィブリルCとした。
(Example 3)
(Production of cellulose microfibril C)
As woody biomass, 1 g of sugarcane residue (bagasse) was used.
First, the sugarcane residue was mechanically pulverized using a planetary ball mill (weakening step). Specifically, water was added to the sugarcane residue and treated at 400 rpm for 2 hours to obtain cellulose microfibril C.

(セルロースナノ繊維Cの製造)
セルロースミクロフィブリルCを、耐熱性セルラーゼで加熱分解した。具体的には、セルロースミクロフィブリルC350mgに水を加え、これに、50mMのクエン酸緩衝液(citrate buffer、pH5.0)を加え、基質濃度を1%とした。そして、耐熱性エンドグルカナーゼ(345
UI/g of bagasse)を加え、加熱温度を85℃として72時間攪拌することにより(加熱分解工程)、セルロースミクロフィブリルCを加熱分解したセルロースナノ繊維Cを得た。なお、このときのグルコース生成量は33.42%であった。
セルロースナノ繊維Cの原子間力顕微鏡像を図4に示す。
図4に示すように、セルロースナノ繊維Cは、高結晶性セルロースナノクリスタルとなっていることが分かった。
(Production of cellulose nanofiber C)
Cellulose microfibril C was thermally decomposed with heat-resistant cellulase. Specifically, water was added to 350 mg of cellulose microfibril C, and 50 mM citrate buffer (pH 5.0) was added thereto to make the substrate concentration 1%. And thermostable endoglucanase (345
UI / g of bagase) was added, and the heating temperature was 85 ° C. and the mixture was stirred for 72 hours (thermal decomposition step) to obtain cellulose nanofiber C obtained by thermally decomposing cellulose microfibril C. In addition, the amount of glucose produced at this time was 33.42%.
An atomic force microscope image of the cellulose nanofiber C is shown in FIG.
As shown in FIG. 4, it was found that the cellulose nanofiber C is a highly crystalline cellulose nanocrystal.

(評価1)
セルロースナノ繊維の製造において、ブランクとして0時間経過のサンプルと、セルロースミクロフィブリルAを加熱分解して得られた1.0,2.7,17.5時間経過後のサンプル(セルロースナノ繊維)について、原子間力顕微鏡で観察した。得られた原子間力顕微鏡像の写真を図5に示す。なお、原子間力顕微鏡観察においては、サンプルに固形分濃度0.05%となるように水を加え、これを、カチオン性ポリマーであるポリエチレンイミン(0.01
%水溶液)がコートされたゴルド表面にスピンコート(3000 rpm、1分)して薄膜を作り観察した。また、図5の上下の原子間力顕微鏡写真は、同じサンプルの異なる箇所を観察したものである。
(Evaluation 1)
In the production of cellulose nanofibers, a sample after 0 hours as a blank and a sample (cellulose nanofibers) after 1.0, 2.7, and 17.5 hours obtained by thermally decomposing cellulose microfibril A Observed with an atomic force microscope. A photograph of the obtained atomic force microscope image is shown in FIG. In the atomic force microscope observation, water was added to the sample so that the solid content concentration was 0.05%, and this was added to polyethyleneimine (0.01) which is a cationic polymer.
A thin film was formed and observed by spin coating (3000 rpm, 1 minute) on the surface of the gold plate coated with (% aqueous solution). The upper and lower atomic force micrographs in FIG. 5 are obtained by observing different portions of the same sample.

図5の1.0時間経過後の写真で認められるように、セルロースミクロフィブリルAの長い繊維が切断されている。また、2.7時間経過後では、大半の繊維の長さが1μm以下となっていることがわかった。さらに、17.5時間後には、殆どの繊維が、硫酸加水分解で得られる直径4〜10nm、長さ200nm前後のセルロースナノクリスタルまで分解が起こっていることがわかった。これらのことから、加熱温度、加熱時間又は酵素濃度を調節することによって、様々なアスペクト比を有するセルロースナノ繊維が調製可能であることが分かった。なお、図5の写真から、耐熱性エンドグルカナーゼは主に非晶領域を分解するが、セルロースナノ繊維からの高結晶性ナノクリスタルの調製も可能であることを示している。   As can be seen from the photograph after 1.0 hour in FIG. 5, long fibers of cellulose microfibril A are cut. Moreover, it turned out that the length of most fibers has become 1 micrometer or less after progress for 2.7 hours. Further, it was found that after 17.5 hours, most of the fibers were decomposed to cellulose nanocrystals having a diameter of 4 to 10 nm and a length of around 200 nm obtained by sulfuric acid hydrolysis. From these results, it was found that cellulose nanofibers having various aspect ratios can be prepared by adjusting the heating temperature, the heating time, or the enzyme concentration. In addition, although the thermostable endoglucanase mainly decomposes | disassembles an amorphous area | region from the photograph of FIG. 5, it has shown that the preparation of the highly crystalline nanocrystal from a cellulose nanofiber is also possible.

(評価2)
セルロースナノ繊維の製造において、セルロースミクロフィブリルA及びBをそれぞれ加熱分解して得られた0.5,1.0,2.7,17.5時間経過後のグルコースの定量を行った。その結果を表1に示す。
(Evaluation 2)
In the production of cellulose nanofibers, glucose after 0.5, 1.0, 2.7, and 17.5 hours obtained by thermally decomposing cellulose microfibrils A and B was measured. The results are shown in Table 1.

(表1)

Figure 0005880827
(Table 1)
Figure 0005880827

表1の結果より、加熱時間の経過と共に、グルコース生成量が増加しているので、酵素反応が促進されていることがわかった。   From the results in Table 1, it was found that the enzymatic reaction was promoted because the amount of glucose produced increased with the elapse of the heating time.

以上より、本発明のセルロースナノ繊維の製造方法によれば、酵素反応効率に優れると共に、アスペクト比及び結晶化度を容易に調節することができることが確認された。   From the above, according to the method for producing cellulose nanofibers of the present invention, it was confirmed that the enzyme reaction efficiency was excellent and the aspect ratio and crystallinity could be easily adjusted.

本発明のセルロースナノ繊維の製造方法により得られるセルロースナノ繊維は、高分子からなる強化材、透明材料、メンブレインフィルター等の様々な分野で用いることができる。
また、本発明のセルロースナノ繊維の製造方法によれば、用いられる分野のニーズにあわせたアスペクト比及び結晶化度を有するセルロースナノ繊維を提供することができる。
Cellulose nanofibers obtained by the method for producing cellulose nanofibers of the present invention can be used in various fields such as a polymer reinforcing material, a transparent material, and a membrane filter.
Moreover, according to the manufacturing method of the cellulose nanofiber of this invention, the cellulose nanofiber which has the aspect-ratio and the crystallinity degree according to the needs of the field | area used can be provided.

S1・・・脆弱化工程
S2・・・加熱分解工程
S1 ... Fragility process S2 ... Thermal decomposition process

Claims (2)

予め、アルカリ触媒又は酸触媒存在下、バイオマスに酸化剤を加え、加熱撹拌することにより該バイオマスを脆弱化した後、該バイオマスに粉砕用媒体を共存させ、ボールミル又はディスクミルにより機械的に粉砕し、セルロースミクロフィブリルとする脆弱化工程と、
該セルロースミクロフィブリルを、セロビオヒドロラーゼが混合された耐熱性セルラーゼで加熱分解する加熱分解工程と、
を備え、
前記粉砕用媒体が、水と、低分子化合物、高分子化合物又は脂肪酸類とを混合したものであり、
前記耐熱性セルラーゼが、80℃以上で熱処理した後、精製した耐熱性エンドグルカナーゼと、80℃以上で熱処理した後、精製した耐熱性β−グルコシダーゼとからなるものであり、
前記耐熱性エンドグルカナーゼが、前記セルロースミクロフィブリルの非晶部分を選択的に分解するものであり、
前記耐熱性エンドグルカナーゼの酵素濃度が、基質1Mに対して、0.01〜10mMであり、
前記耐熱性エンドグルカナーゼと、前記耐熱性β−グルコシダーゼとの配合割合が、20:0.1〜1であり、
前記加熱分解工程における加熱温度が80℃〜105℃であり、
前記加熱分解工程における加熱時間が0.1〜72時間であるセルロースナノ繊維の製造方法。
In advance, an oxidant is added to the biomass in the presence of an alkali catalyst or an acid catalyst, and the biomass is weakened by heating and stirring. Then, the biomass is made to coexist with the biomass and mechanically pulverized by a ball mill or a disk mill. , Embrittlement process to make cellulose microfibrils,
A thermal decomposition step of thermally decomposing the cellulose microfibrils with a thermostable cellulase mixed with cellobiohydrolase ;
With
The grinding medium is a mixture of water and a low molecular compound, a high molecular compound or fatty acids,
The thermostable cellulase comprises a heat-resistant endoglucanase purified after heat treatment at 80 ° C. or higher, and a heat-resistant β- glucosidase purified after heat treatment at 80 ° C. or higher,
The thermostable endoglucanase selectively decomposes the amorphous part of the cellulose microfibril,
The enzyme concentration of the thermostable endoglucanase is 0.01 to 10 mM with respect to the substrate 1M,
The blending ratio of the thermostable endoglucanase and the thermostable β- glucosidase is 20: 0.1-1;
The heating temperature in the thermal decomposition step is 80 ° C to 105 ° C,
The manufacturing method of the cellulose nanofiber whose heating time in the said thermal decomposition process is 0.1 to 72 hours.
前記セルロースナノ繊維のアスペクト比が4〜1000であり且つ結晶化度が5〜90%である請求項1記載のセルロースナノ繊維の製造方法。   The method for producing cellulose nanofiber according to claim 1, wherein the cellulose nanofiber has an aspect ratio of 4 to 1000 and a crystallinity of 5 to 90%.
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