JP6735857B2 - エタノール及び発酵させた基質の固体変換生成物を同時に生成するための縦型栓流プロセス - Google Patents

エタノール及び発酵させた基質の固体変換生成物を同時に生成するための縦型栓流プロセス Download PDF

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Description

本発明は、重力によって輸送が仲介される縦型の非撹拌式密閉槽内で、基質の価値のある固体変換生成物及び粗エタノールを、連続栓流プロセスによって同時に生成するための固体基質インキュベーション方法に関する。
更に、本発明は、該方法によって得ることができる生成物並びにそれらの使用に関する。
主に食物若しくは飼料として、又は食物若しくは飼料中の成分として使用することができるバイオ製品が必要とされている。かかる製品における基本構成成分は、タンパク質、脂肪、及び炭水化物である。かかる製品に適したバイオマスは、脂肪種子、穀類、及び莢豆等の含油作物である。穀類は、例えばコムギでは乾物に基づいて最大15%のタンパク質含有量を有し、莢豆は、例えばダイズでは乾物に基づいて最大40%のタンパク質含有量を有する。
豆類並びに莢豆の果実及び種子にとりわけ関する一般的問題は、スタキオース及びラフィノース等の難消化性オリゴ糖の含有量であり、これらは、結腸内で発酵したときに鼓腸及び下痢を引き起こす。
持続可能なエネルギー源の開発が同様に必要とされており、バイオエタノールは、例えば輸送用の燃料として、魅力のあるエネルギー源である。したがって、バイオエタノールを低コストで生成することができるプロセスが必要とされている。
当技術分野で公知の低コストの方法は、低含水量で行われる固体基質発酵又は固相発酵(SSF)プロセスである。該プロセスは、湿った固体の基質に適切な微小生物を接種し、温度制御された条件下で一定時間放置して発酵させることからなる。
通常、基質は、平床上で撹拌せずに回分式でインキュベートされる。このプロセスの一例は、麹プロセスとして公知である。回分プロセスは、撹拌手段を使用しても行われる。
連続SSFプロセスも文献に記載されており、それは、次のバイオリアクター、すなわち、撹拌槽、回転ドラム、及び管状流れ反応器を使用するものである。管状流れ反応器の一例は、スクリューコンベヤー型である。
参照として本明細書に組み込まれるWO2006/102907A1は、嫌気的条件下で、80%を超えない含水量でインキュベートし、続いて閉鎖系内でインキュベートすることによって、酵母及び豆類のタンパク質性部分に由来するタンパク質生成物を調製する方法を開示している。
参照として本明細書に組み込まれるWO2013050456は、粗エタノール及び固体生成物を同時に生成するための方法を開示している。その生成は、1つ又は複数の相互接続されたスクリューコンベヤーにおいて回分プロセス又は連続プロセスとして行われる。
US4735724は、非混合塔型嫌気性消化槽、及びメタン産生菌によって供給材料の生分解性部分を消化するためのプロセスを開示している。該方法は、液体が塔の中域又は下域から上部へと引き抜かれることを特徴とする。
EP2453004B1は、密閉槽内で有機材料を嫌気的発酵させ、槽内では重力の作用で上から下に原料供給するための方法を開示している。該方法は、生成ガスの圧力の増大とその生成ガスの圧力の急激な緩和とが交互に行われることによって発酵塊が撹拌されることを特徴とする。
WO2006/102907A1 WO2013050456 US4735724 EP2453004B1
「Physical and Chemical Characteristics of Oils, Fats and Waxes」、AOCS、1996年 「Lipid Glossary 2」、F.D. Gunstone、The Oily Press、2004年
本発明の目的は、粗バイオエタノールを生成し、同時に価値のある固体変換生成物を生成するための代替方法を提供することである。
別の目的は、先行技術の設計物より大きいがより単純な反応器設計で行うことができる方法を提供することである。
更なる目的は、バイオマスの混合物、特にダイズ若しくはナタネ又はそれらの混合物をベースとするバイオマスを処理するための代替方法を提供することである。
これらの目的は、本発明の方法で満たされる。
したがって、本発明の一態様において、本発明は、基質の固体変換生成物及び粗エタノールを同時に生成するための方法であって、
・ ダイズ、ナタネ、又はそれらの混合物に由来するタンパク質性物質を、場合によってソラマメ、エンドウマメ、ヒマワリ種子、ルピナス、穀類、及び/又は草類に由来するタンパク質性物質と更に混合して含む、粉砕された又はフレーク状のバイオマスから、基質を調製する工程、
・ 前記基質を1:1〜10,000:1の乾物比で生酵母と混合し、得られた混合物における湿潤かさ密度の乾燥かさ密度に対する比が0.60〜1.45となる量の水を添加する工程、
・ 前記混合物を約20〜60℃の温度で1〜48時間インキュベートする工程、並びに
・ 粗エタノール及び湿潤固体変換生成物を前記混合物から分離する工程
を含み、
前記インキュベーションが、前記混合物及び添加剤用の入口手段並びに前記固体変換生成物及び粗エタノール用の出口手段を有する縦型の非撹拌式密閉槽内で、連続栓流プロセスとして行われること
を更に含む、方法に関する。
バイオマスを処理するための本発明の方法は、インキュベーション中にバイオマスを輸送する/移すために重力を使用する。輸送に重力を使用することは、一般に簡単明瞭であるが、それは、本発明の栓流プロセスの場合のような特定の目的では、反応条件を注意深く選択することが必要とされる。
通常、含水量が増加すると、インキュベーション混合物は、空隙容量の低減によって緊密になる傾向があるので、輸送挙動は悪影響を受ける。ある含水量に達すると、混合物は、重力による輸送が停止する程緊密になる。材料が反応器の壁に固着し、均一な栓流が乱されることとなり、結果的にバイオマスの保持時間が不均一となる。
更に、インキュベーションが、重力作用下の場合にあり得る高圧で行われるならば、以下の反応:
バイオマス+酵母→固体変換生成物+EtOH+CO2
は、減速する傾向がある。
インキュベーション混合物の重力による輸送に関連する問題に対する本発明による解決策は、特許請求の範囲に規定する通りの密閉槽をインキュベーションに利用することであり、これにおいて、材料の流れを高流動性及び均一に保つことができるので、栓流条件が実現され、維持される。流れの速度は、入口及び出口手段によって、並びに槽の寸法(幅の高さに対する比)によって制御される。
更に、本発明による解決策は、粒子表面上の水分活性が反応プロセスに十分であるように、インキュベーション混合物中の含水量のバランスを確保しなければならない。これは、基質の湿潤かさ密度の乾燥かさ密度に対する比を、請求項1に規定される通りのある限度内に低く保つことによって実現される。これらの条件下で、混合物は易流動性粉末として機能する。
より具体的には、本発明の発明者らは、湿潤かさ密度の乾燥かさ密度に対する比が0.60〜1.45である基質/バイオマスを使用することによって、必要な均一プロセスを実現できることを見出した。栓流プロセスのための本発明の縦型設計物と組み合わせると、均一な栓流を確保し、変換生成物に同じ処理時間を保証することが可能である。最後に、本発明の方法は、撹拌せずに実施される。これは、適用された微生物を懸濁状態に保つために撹拌機からの撹拌を必要とする工業的エタノール生成の先行技術の方法とは逆である。
縦型設計物は、単一の生成ラインでのその容量が大きいために、横型設計物より投資金額が安価である。それは、機械的動作が少ないために維持費も安価である。非撹拌式槽の使用により、運転費の低減に更に貢献する。
この方法によって、生成された粗エタノールの98質量%超を回収することができる。エタノールの収率は、基質混合物中の炭水化物の含有量及び発酵性糖への転化率に依存する。脱脂ダイズをベースにすると、4〜5質量%のエタノールを生じることが可能であり、それに対してコムギではおよそ20質量%を得ることができる。
本発明は、第2の態様において、本発明による方法によって得ることができ、前記バイオマスの前記酵母とのインキュベーションによって生じる少量の不純物、例えば、他のアルコール及びエーテルを更に含む、粗エタノールを提供する。
第3の態様において、本発明は、乾物に基づいて約25〜90質量%の量のタンパク質、及び場合によって乾物に基づいて約0.05〜30質量%の量のグリセリドを含む、本発明による方法によって得ることができる、基質の固体変換生成物を提供する。
本発明は、第4の態様において、ヒト及び/若しくは動物の消費のための、又は食品若しくは飼料製品に使用するための成分としての、又は化粧料若しくは医薬品若しくは栄養補助食品の成分としての、本発明の固体変換生成物の使用を提供する。
第5の態様において、本発明は、1質量%〜99質量%の本発明による固体変換生成物を含有する、食品、飼料製品、化粧料、若しくは医薬品、又は栄養補助食品を提供する。
図1は、インキュベーション時間の関数としての温度及び圧力の増加を示す。 図2は、インキュベーション時間の関数としての大気圧での試験中の温度展開を示す。 図3は、ダイズかす及びナタネかす並びにそれらの混合物についての密度比(湿潤かさ密度/乾燥かさ密度)対水分をグラフで示す。
定義
本発明に関して、以下の用語は、説明の他の箇所で定義されていない限り、以下を含むことを意味する。
「約」、「あたり」、「およそ」、又は「約(〜)」という用語は、例えば、当技術分野でよく見られる測定の不確実性を示すことを意味しており、それは、例えば、+/-1、2、5、10、20、又は更には50%程度の大きさであり得る。
「含む」という用語は、述べられた部分、工程、特徴、組成物、化学物質、又は成分の存在を特定すると解釈されるべきであるが、1つ又は複数の追加の部分、工程、特徴、組成物、化学物質、又は成分の存在を排除するものではない。よって、例えば、ある化合物を含む組成物は、追加の化合物等を含んでもよい。
栓流プロセス:
このタイプの連続プロセスでは、反応混合物は、例えば、逆混合が制限された管状又は多角体の反応器を通して流れる。この流れは、反応混合物の組成が反応器の軸方向に沿って変化する層流であるか、又は均一なマスフローである。
バイオマス:
光合成によって生成されるような生物学的材料であって、工業生産において原材料として使用できるものを含む。これに関して、バイオマスは、種子、穀類、豆類、草類の形態の植物、例えば、マメ及びエンドウマメ等、並びにそれらの混合物、特に莢豆の果実及び種子を指す。更に、豆類を含むバイオマスは、タンパク質含有量及び組成から特に妥当である。
インキュベーション:
基質上の微小生物の培養物を特定の目的のためにインキュベートするプロセスであり、例えば、アルコールを生成するために炭水化物上で酵母をインキュベートすることである。
基質の固体変換生成物:
一般に、微小生物とのインキュベーションによるバイオマスの処理は、以下の4つのタイプに分類することができる。
・ バイオマスの生成- 細胞物質
・ 細胞外成分の生成- 化合物、代謝生成物、酵素
・ 細胞内成分の生成- 酵素等
・ 基質の変換生成物- 変換された基質が生成物である
本発明に関して、基質の固体変換生成物は、選択されたバイオマスを生酵母及び場合によって酵素とインキュベートすることから得られる生成物を指す。
かさ密度:
粉末の密度は、固定容積の粉末を計量カップに入れて質量を決定するか、又は測定した容積の粉末の質量を決定することによって決定する。この試験によって以下の特徴を決定することができる。
かさ密度(盛込密度としても知られる)=質量/非タップ乾燥容積(単位:g/mL又はkg/m3);
湿潤かさ密度(総密度としても知られる)=総質量(Ms+Ml)のその総容積に対する比;
Ms=固体の質量、及びMl=液体の質量。
通常、かさ密度は、国際規格ISO 697及びISO 60に従って決定されるが、本発明に関して、物質の性質のためにこれは適用できなかった。使用した個々の方法については、実施例で説明する。
オリゴ糖及び多糖:
オリゴ糖は、成分の単量体糖を少なくとも2つ含有するサッカリド重合体である。多糖は、成分の単量体糖を多く含有するサッカリド重合体であり、複合炭水化物としても知られる。例として、デンプン等の貯蔵多糖、及びセルロース等の構造多糖が挙げられる。
炭水化物:
単糖、二糖、オリゴ糖、及び多糖を含む。
タンパク質性材料:
1本又は複数の鎖に配置されたアミノ酸から作製されたタンパク質を相当な含有量で有する有機化合物を含む。およそ50個までのアミノ酸の鎖長では、その化合物はペプチドと呼ばれ、それより高分子量では、その有機化合物はポリペプチド又はタンパク質と呼ばれる。
脂肪:
脂肪酸とグリセロールとの間のエステルを含む。グリセロールの1分子は、1、2、及び3個の脂肪酸分子とエステル化して、モノグリセリド、ジグリセリド、又はトリグリセリドをそれぞれ生じることができる。通常、脂肪は、主にトリグリセリド及び少量のレシチン、ステロール等からなる。脂肪が室温で液体ならば、それは、通常、油と呼ばれる。これに関する油、脂肪、及び関連する生成物については、「Physical and Chemical Characteristics of Oils, Fats and Waxes」、AOCS、1996年、並びに「Lipid Glossary 2」、F.D. Gunstone、The Oily Press、2004年を参照されたい。
グリセリド:
モノ-、ジ-、及びトリグリセリドを含む。
加工助剤:
1.酵素
酵素は、触媒として機能する能力を有する極めて大きい部類のタンパク質物質である。一般に、それらは6つの部類に分類され、本発明の範囲内である主な部類は、官能基を転移させるトランスフェラーゼ、又は様々な結合を加水分解するヒドロラーゼであり得る。典型的な例は、プロテアーゼ、ペプチダーゼ、(α-)ガラクトシダーゼ、アミラーゼ、グルカナーゼ、ペクチナーゼ、ヘミセルラーゼ、フィターゼ、リパーゼ、ホスホリパーゼ、トランスフェラーゼ、及びオキシドレダクターゼを含むことができる。
2.植物成分及び有機加工剤
これに関して重要である機能特性の幾つかは、抗酸化作用、抗菌作用、湿潤性、及び酵素活性の刺激である。
植物をベースとする成分の一覧は膨大であるが、最も重要なものは以下である:ローズマリー、タイム、オレガノ、フラボノイド、フェノール酸、サポニン、並びに可溶性炭水化物を調節するためのホップからのα-及びβ-酸、例えば、α-ルプル酸(α-lupulic acid)。
更に、pH値、保存性、及びキレート化特性を調整するための有機酸、例えば、ソルビン酸、プロピオン酸、乳酸、クエン酸、及びアスコルビン酸、並びにそれらの塩は、この加工助剤の群の一部である。
3.無機加工剤
処理中の細菌の攻撃に対して保存することができる無機組成物、例えば重亜硫酸ナトリウム等、最終生成物中の凝固防止剤及び流動性向上剤、例えばケイ酸アルミニウムカリウム等を含む。
無機酸、例えば塩酸を含む。
加工食品:
乳製品、加工肉製品、スイーツ、デザート、アイスクリームデザート、缶詰製品、凍結乾燥食品、ドレッシング、スープ、即席食品、パン、ケーキ等を含む。
加工飼料製品:
子ブタ、子ウシ、家禽、毛皮を持つ動物、ヒツジ、ネコ、イヌ、魚、及び甲殻類等の動物用のすぐ使用できる飼料を含む。
医薬品:
疾患又は状態の症状を治癒させる及び/又は緩和することが意図される、1種又は複数の生物学的に活性な成分を含有する、典型的には錠剤の形態又は粒状の形態の製品を含む。医薬品は、薬学的に許容される賦形剤及び/又は担体を更に含む。本明細書に開示する固体バイオ生成物は、錠剤又は粒状の薬学的に許容される成分として使用するのに極めて良く適している。
化粧料:
個人衛生並びにコンディショナー及び浴剤等の外観の向上が意図される製品を含む。
本発明の方法の第1の実施形態において、バイオマスの少なくとも20質量%、例えば、少なくとも30質量%、少なくとも40質量%、少なくとも50質量%、少なくとも60質量%、少なくとも70質量%、少なくとも80質量%、又は少なくとも90質量%が、脱脂ダイズフレークに由来するタンパク質性物質を含む。ダイズフレークはまた、脱皮したものであってもよい。
本発明の方法の第2の実施形態において、バイオマスの少なくとも20質量%、例えば、少なくとも30質量%、少なくとも40質量%、少なくとも50質量%、少なくとも60質量%、少なくとも70質量%、少なくとも80質量%、又は少なくとも90質量%が、脱脂ナタネに由来するタンパク質性物質を含む。
本発明の方法の第3の実施形態において、バイオマスは、5質量%〜95質量%の量の脱脂ダイズフレークに由来するタンパク質性物質を、95質量%〜5質量%の量の脱脂ナタネに由来するタンパク質性物質と混合して含み、場合によって100質量%のタンパク質性物質の総量を構成する量のソラマメ、エンドウマメ、ヒマワリ種子、及び/又は穀類に由来するタンパク質性物質と更に混合して含む。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、タンパク質性物質を含むバイオマスは、オリゴ糖及び/若しくは多糖を更に含んでもよく、並びに/又は、例えば含油植物の種子からの油脂を更に含む。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、基質の固体変換生成物は、前記バイオマスに由来するタンパク質性物質、オリゴ糖、及び/又は多糖の変換の生成物であってもよく、例えば、ダイズ、エンドウマメ、ルピナス、ヒマワリ等の豆類、及び/又はコムギ、若しくはトウモロコシ等の穀類、又は含油植物、例えばナタネの種子からの変換の生成物であってもよい。
上の実施形態のいずれかにおいて、バイオマスの生酵母に対する乾物比は、約1:1〜約10000:1、例えば、約2:1〜約8000、例えば、3:1、5:1、10:1、15:1、20:1、30:1、50:1、70:1、75:1、85:1、100:1、200:1、300:1、500:1、1000:1、2000:1、3000:1、4000:1、5000:1、又は7000:1である。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、基質における湿潤かさ密度の乾燥かさ密度に対する比が約0.60〜1.45、例えば、約0.65〜約1.40、例えば、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.00、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、又は1.35となる量で、水が基質に添加される。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、バイオマスの少なくとも40質量%、例えば、少なくとも50質量%、少なくとも60質量%、少なくとも70質量%、少なくとも80質量%、又は少なくとも90質量%が、脱脂ナタネに由来するタンパク質性物質を含んでもよく、その一方で、湿潤かさ密度の乾燥かさ密度に対する比が約0.65〜約1.10、例えば、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.00、又は1.05となる量で、水が基質に添加されてもよい。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、前記酵母は、使用済み醸造用酵母、及び使用済み蒸留酒用酵母、及びワイン製造からの使用済み酵母、パン酵母を含めたサッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)株、並びにC5糖を発酵させる酵母株の中から選択されてもよい。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、酵素、植物成分、並びに有機及び無機加工剤から選択される1種又は複数の加工助剤が、インキュベーションの前又は間に基質に添加されてもよい。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、前記密閉インキュベーション槽の充填度は一定に保たれてもよい。これによって、均一な流れがもたらされることになる。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、α-ガラクトシダーゼが、インキュベーションの前又は間に基質に添加されてもよく、例えば、酵素製品1g当たり約5,000ユニットのα-ガラクトシダーゼ活性を有するα-ガラクトシダーゼ製剤が、基質の乾物の約0.001質量%〜約1質量%の量、例えば、0.005質量%、0.01質量%、0.015質量%、0.02質量%、0.03質量%、0.05質量%、0.1質量%、0.5質量%、又は0.75質量%の量で添加される。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、インキュベーションは、嫌気的条件下で実行することができる。嫌気的条件は、本発明によって促進される。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、インキュベーション混合物における含水量は、35質量%〜70質量%、例えば、40質量%、45質量%、50質量%、55質量%、60質量%、又は65質量%であってもよい。よって、初期混合物における含水量は、通常、70質量%を超えず、それは、例えば、40%から65%まで、45%から60%まで、48%から52%まで、又は50%から55%まで変動してもよく、例えば、49、50、51、52、53、又は54%であってもよい。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、混合物は、20〜60℃で1〜48時間、例えば、20〜60℃若しくは25〜60℃若しくは30〜50℃若しくは30〜40℃で1〜42時間、又はここで述べた温度間隔の1つで2〜36時間、又はここで述べた温度間隔の1つで3〜24時間、又はここで述べた温度間隔の1つで5〜18時間、又はここで述べた温度間隔の1つで8〜15時間、又はここで述べた温度間隔の1つで10〜12時間、インキュベートされる。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、基質の固体変換生成物は乾燥されてもよく、場合によって続いて粉砕されてもよい。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、基質混合物は、酵母、抗栄養性因子、及び酵素が部分的に又は全部使用される場合、所望であれば、それらを失活させるのに十分な時間及び温度でインキュベートされてもよい。一般に、生酵母、抗栄養性因子、及び酵素を失活させるのに、時間を短くすれば適用される温度は高くなり、それに対して時間を長くすれば適用される温度は低くなる。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、非撹拌式密閉インキュベーション槽は、縦型の細長い円筒形又は多角形タイプのものであり得る。このタイプを使用する利点は、それが場所を取らないこと、また非撹拌型であるために装置を混合するための運転費及び維持費が不要となることである。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、前記非撹拌型密閉インキュベーション槽の上部の面積は、下部の面積より小さくてもよく、すなわち槽は円錐形であってもよい。これの利点は、スリップ効果が増大するので、流動性が低減したバイオマスを使用できることである。
本発明の実施形態のいずれかにおいて、非撹拌型密閉インキュベーション槽は、断熱マット又は保温用ディンプルジャケット、及びインキュベーション槽内部温度を制御する手段を有していてもよい。
本発明の方法によって、エタノールは、真空及び/又は水蒸気の注入等の従来の方法によって基質混合物から分離することができ、生成された粗エタノールの98質量%超を回収することができる。エタノールの収率は、インキュベーション混合物中の炭水化物の含有量及び発酵性糖への転化率に依存する。脱脂ダイズをベースにすると、4〜5質量%のエタノールを生じることが可能であり、それに対してコムギではおよそ20質量%を得ることができる。
よって、本発明は、その第2の態様において、本発明による方法によって得ることができ、前記バイオマスのインキュベーションによって生じる少量の副生成物、例えば、他のアルコール及びエーテルを更に含む、粗エタノールを提供する。
本発明の基質の固体変換生成物の第1の実施形態において、それは15質量%、13質量%、10質量%、6質量%、4質量%、又は2質量%以下の含水量まで乾燥されており、場合によって粉砕されている形態である。
本発明の固体生成物の任意の実施形態において、それは、前記バイオマスに由来するタンパク質性物質、オリゴ糖及び/又は多糖の変換の生成物であり得る。固体変換生成物は、低減した含有量の抗栄養性因子、例えば、トリプシン抑制物質、抗原、鼓腸を生じるオリゴ糖(例えば、スタキオース及びラフィノース)、フィチン酸、及びレシチンを有することとなる。
本発明の固体生成物の実施形態のいずれかにおいて、それは、乾物の質量で少なくとも40%のダイズ由来タンパク質性物質を含んでもよい。
本発明の固体生成物の実施形態のいずれかにおいて、それは、乾物の質量で少なくとも40%のナタネ由来タンパク質性物質を含んでもよい。
本発明の固体生成物の実施形態のいずれかにおいて、それは、ダイズ、ナタネ、若しくはヒマワリ、又はそれらの混合物の植物部位に由来するタンパク質を、乾物に基づいて30〜65質量%の量で含んでもよい。
本発明の固体生成物の実施形態のいずれかにおいて、それは、3質量%以下、例えば、2質量%以下、1質量%以下、0.5質量%以下、又は0.4質量%以下の総量のラフィノース、スタキオース、及びベルバスコースを含んでもよい。
本発明の固体生成物の実施形態のいずれかにおいて、それは、コハク酸、酢酸、及びそれらの混合物から選択される有機酸を0.01質量%〜0.5質量%の量で含んでもよい。
最後に、本発明は、1質量%〜99質量%の本発明による固体変換生成物を含有する、食品、飼料製品、化粧料、若しくは医薬品、又は栄養補助食品に関する。
(実施例1)
豆類からの多糖及びタンパク質を含むバイオマスの開放及び密閉回分槽での比較インキュベーション
以下において、ダイズをベースとするバイオマスの大気圧及び高圧でのインキュベーションを比較する。
1.1 基質混合物:
10kgの脱皮、脱脂、及び脱溶媒ダイズフレークを3kgの酵母のスラリー(乾物10%)と混合し、混合物中の乾物含有量が51質量%となる量の水を添加した。基質混合物の湿潤かさ密度/乾燥かさ密度比は0.832であった。
1.2 インキュベーション槽:
温度計及び圧力計のプローブを備えた40リットルの断熱オートクレーブを開放及び密閉回分槽として使用した。
この槽におよそ15kgの基質混合物を充填し、大気圧での試験のために開放したままにした。圧力下でのインキュベーションのために閉じたとき、蓋は、6.0barで開くように設定された圧力調整器を有するバルブを有していた。
1.3 結果:
図1は、インキュベーション時間の関数としての温度及び圧力の増加を示す。
図2は、インキュベーション時間の関数としての大気圧での試験中の温度展開を示す。
6時間のインキュベーション後のオリゴ糖の低減を以下の表に示す。
この結果から、圧力下でインキュベートすることが可能であり、同時に、正しい水分条件、すなわち湿潤かさ密度/乾燥かさ密度比を選択することによって、大気圧で得ることができるものと同様のオリゴ糖含有量の低減が得られることを推論することができる。
(実施例2)
様々なバイオマスをベースとする好ましい基質の湿潤かさ密度/乾燥かさ密度比
2.1 検査に使用するバイオマス:
ダイズ
使用したダイズは、脱脂ダイズかすであった。
トウモロコシ
使用したトウモロコシは、全粒トウモロコシをハンマーミルで3.5mmの篩を通して挽いたものであった。
コムギ
使用したコムギは、全粒小麦をハンマーミルで3.5mmの篩を通して挽いたものであった。
ヒマワリ
使用したヒマワリは、脱脂ヒマワリペレットをブレンダー内で挽いたものであった。
ナタネ
使用したナタネは脱脂ナタネかすであった。
ソラマメ
使用したマメは、全粒ソラマメをブレンダー内で挽いたものであった。
エンドウ豆タンパク質
使用したエンドウ豆タンパク質は、エンドウ豆タンパク質濃縮物であった。
2.2 手順の説明
以下の表に示す量のバイオマス及び水を密閉容器内で10分間混合し、続いて50分間平衡化させた。
この後、材料を500mLの計量カップに注ぎ入れ、カップを秤量し、カップの風袋を差し引くことによってその質量を決定した。
かさ密度を質量/非タップ容積としてkg/m3で計算した。
使用した乾燥かさ密度は、水を添加せずに測定したバイオマスのかさ密度であった。
湿潤かさ密度は、水を添加したバイオマスのかさ密度であった。
その比は、乾燥かさ密度で除した湿潤かさ密度として計算した。
バイオマスの水分含有量は、一定の質量まで乾燥させることによって決定した。
水を添加した後、混合物中の水分は、計算によって決定した。
2.3 結果
100%のダイズ及び80%のダイズとの混合物についての結果を以下の表に示す。
トウモロコシ、ヒマワリ、及びナタネと60%及び40%のダイズとの混合物、並びに100%のナタネについての結果を以下の表に示す。
ダイズかす及びナタネかす並びにそれらの混合物についての密度比(湿潤かさ密度/乾燥かさ密度)対水分を、図3にグラフで示す。
(実施例3)
先行技術の方法対新技術の方法の実験室規模のインキュベーション試験
3.1 背景
以下の実験室規模のインキュベーション試験の背景は、WO2013050456に記載される通りの先行技術の方法(PAM)の条件及び本発明の方法(NTM)の条件を模倣することであった。
先行技術の方法(PAM)では、発生したCO2は自由に出入りして周囲に放出されるのに対して、本発明の新技術の方法(NTM)では、これはより制限されており、すなわち、CO2の分圧がより高い。
3.2 材料及び方法
3.2.1-材料
バイオマス:セクション2.1に記載する通りの、ダイズかす(SBM)、ナタネかす(RSM)、及びヒマワリ種子かす(SSM)。
水:通常の水道水
酵母:De Danske Gaerfabrikker社(Grena、DK)製のパン酵母
加工助剤:Bio-Cat社製のα-ガラクトシダーゼ(12,500U/g)
各インキュベーション混合物は、150gの乾物(DM)のバイオマス含有量、変動量の水、バイオマスの乾物の質量で0.4%の酵母、及びバイオマスの乾物の質量で0.12%のα-ガラクトシダーゼを有していた。
インキュベーション混合物の組成を以下の表に示す。
3.2.2-使用した実験法
インキュベーション槽:
PAM法には、半分充填し、アルミ箔で緩く閉じた円錐形のフラスコを使用した。NTM法には、手で圧搾して空気を除去し、CO2を逃がすことができるように紐で閉じた、強いプラスチック袋を使用した。
インキュベーション:
全ての試料は、サーモスタット付き水浴中32℃で16時間インキュベートした。
100℃に30分間加熱することによってインキュベーションを停止させたが、エタノール分析用試料だけは、凍結によってインキュベーションを停止させた。
分析法:
使用した分析法については、以下の個々の結果において言及される。
3.3 結果:
3.3.1-密度
かさ密度の決定は、ある量の材料(250〜460mL)を500mLのメスシリンダーに注ぎ入れ、シリンダーを穏やかに振盪する(タッピングしない)ことにより表面を平らに均した後で容積を読み取ることによって行った。これに続いて、材料の質量を決定した。
計算は、セクション2.2に説明する通りに行った。
結果を以下の表に示す。
コメント:
この結果から、PAM法によるインキュベーション後ではかさ密度が低減し、NTM法では密度が増加することが認められる。
袋を圧搾する影響を試験するために、4つの異なる基質をインキュベーションせずに処理した。4つの測定の結果は、増加の最大が60kg/m3であり、平均値が33.5kg/m3であった。したがって、密度の増加は明白な事実である。
3.3.2 タンパク質含有量
粗タンパク質含有量は、デュマ法に従って、換算係数として6.25を使用して決定した。
結果を以下の表に示す。
3.3.3 インキュベートした混合物中のアルコール含有量
エタノール含有量は、Eurofins社によって、内部コード-RTTEFを有する同社の方法に従って分析された。
結果を以下の表に示す。
コメント:
バイオマス群内での形成されたEtOHの順位から、NTM法によって、検出されるアルコールがPAM法より多いことが示される。
3.3.4 オリゴ糖
スタキオース及びラフィノースの含有量は、薄層クロマトグラフィーによって決定した。
固定相- Silica gel 60(Merck社1.05553.0001)
移動相- n-ブタノール120mL、ピリジン80mL、及び脱塩水60mL
スポットは、ジフェニルアミン8g、アセトン335mL、アニリン8mL、及びリン酸60mLからなる液体で可視化する。
糖濃度は、公知の標準物質と比較することによって決定した。
結果を以下の表に示す。
コメント:
2つの方法は等しく良好に行われ、水分含有量が45%より高ければ、測定されたオリゴ糖の低減は100%であった。
3.3.5 有機酸
コハク酸及び酢酸の含有量は、Eurofins社によって、内部コード-HEG12を有する同社の方法に従って分析された。
結果を以下の表に示す。
コメント:
バイオマス群内の順位から、PAM法はNTM法よりもコハク酸及び酢酸を多く生成することが示される。
3.4 結論:
得られた結果に基づくと、NTM法は、PAM法に基づく生成物よりもわずかに少ないタンパク質並びに少ないコハク酸及び酢酸を有する固体変換生成物を生成することがわかる。同時に、NTM法から得られるインキュベーション混合物中のアルコール含有量の方が高い。
(実施例4)
豆類からの多糖及びタンパク質を含むバイオマスの連続縦型インキュベーター内でのインキュベーション
以下では、縦型の非撹拌式密閉インキュベーター内での脱脂ダイズをベースとするバイオマスのインキュベーションを例示する。
4.1 インキュベーション混合物:
脱皮、脱脂、及び脱溶媒ダイズフレークと、酵母及び水のスラリーとの混合物を、混合物中の乾物含有量が45質量%となる量で連続的に調製した。
インキュベーション混合物の酵母の含有量は、全乾物に基づいて3.5質量%であった。インキュベーション混合物の湿潤かさ密度/乾燥かさ密度比は0.895であった。
4.2 インキュベーター:
使用したパイロットインキュベーターは、1.55mの内径及び4.75mの全高を有する、断熱された細長い円筒形のステンレス鋼製チューブであった。上部には、レベルを4.25mにするように入口及び分配システムを制御するための、並んだ3つの回転パドルタイプのレベルモニターがあった。これによって、インキュベーターを有効な動作量である8m3にする。
更に、インキュベーターは、入口並びに出口に温度プローブを備えていた。
4.3 試験手順:
インキュベーターにインキュベーション混合物を1時間当たり1000リットルの速度で充填した。8時間後にインキュベーターは動作レベルまで充填され、出口手段を定量充填のレベルを保つ速度に設定した。
試験運用の10時間後におよそ30リットルのアリコート容積を採取し、生蒸気を用いて100℃で25分間インキュベートし、粗エタノールを含む余剰蒸気を冷却用熱交換器に移送した。
続いて、バイオマスの湿潤固体変換生成物をフラッシュ乾燥させ、粉砕した。
全体的なインキュベーションパラメータは以下の通りであった。
インキュベーション時間- 8時間
入口温度- 25.2℃
出口温度- 32.3℃
4.4 結果:
分離した粗エタノール含有量は、バイオマス100kg当たり4.7kgの収率に相当した。バイオマスの固体変換生成物の粗タンパク質(N×6.25)総含有量は58.3%であった。乾燥させた生成物の含水量は5.4質量%であった。
更に、乾燥させた固体変換生成物中の抗栄養性因子は有意に低減した。
固体変換生成物は高栄養価で美味であり、よって幾つもの食品及び飼料製品又は栄養補助食品における成分として適切である。更に、それは、医薬品及び化粧料、例えば浴剤における賦形剤として使用することができる。
(実施例5)
豆類と穀類との混合物からの多糖及びタンパク質を含むバイオマスの連続縦型インキュベーター内でのインキュベーション
以下では、縦型の非撹拌式密閉インキュベーター内での脱脂ダイズとコムギとの混合物をベースとするバイオマスのインキュベーションを例示する。
5.1 インキュベーション混合物:
乾物の質量で10%の押し砕いたコムギと、乾物の質量で90%の脱皮、脱脂及び脱溶媒ダイズフレークと、酵母、酵素、及び水のスラリーとを含有する混合物を、混合物中の乾物含有量が40質量%となる量で連続的に調製した。インキュベーション混合物の酵母の含有量は全乾物に基づいて3質量%であり、Viscozyme Wheat、Spirizyme Fuel、及びLiquozyme(全てNovozymes社製)の含有量はコムギの乾物に基づいて0.4質量%であった。
インキュベーション混合物の湿潤かさ密度/乾燥かさ密度比は0.984であった。
5.2 インキュベーター:
インキュベーターは、実施例4に説明した通りであった。
5.3 試験手順:
このプロセスでは入口手段を500リットル/時の容積速度で運用するように設定したことを除いて、試験手順は実施例4に説明した通りであった。
全体的なインキュベーションパラメータは以下の通りであった:
インキュベーション時間- 16時間
入口温度- 25.1℃
出口温度- 33.1℃
5.4 結果:
分離した粗エタノール含有量は、バイオマス100kg当たり8.4kgの収率に相当した。バイオマスの固体変換生成物の粗タンパク質含有量(N×6.25)は59.4質量%であり、含水量は6.2質量%であった。

Claims (23)

  1. 基質の固体変換生成物及び粗エタノールを同時に生成する方法であって、
    ・ 粉砕された又はフレーク状のバイオマスから基質を調製する工程、
    ・ 前記基質を1:1〜10,000:1の乾物比で生酵母と混合し、得られた混合物における含水量が35質量%〜70質量%及び湿潤かさ密度の乾燥かさ密度に対する比が0.60〜1.45となる量の水を添加する工程、
    ・ 前記混合物を約20〜60℃の温度で1〜48時間インキュベートする工程、並びに
    ・ 粗エタノール及び湿潤固体変換生成物を前記混合物から分離する工程
    を含み、
    前記バイオマスが、ダイズ、ナタネ、又はそれらの混合物に由来するタンパク質性物質を含み、場合によってソラマメ、エンドウマメ、ヒマワリ種子、ルピナス、穀類、及び/又は草類に由来するタンパク質性物質を更に含むものであり、
    前記インキュベーションが、前記混合物及び添加剤用の入口手段並びに前記固体変換生成物及び粗エタノール用の出口手段を有する縦型の非撹拌式密閉インキュベーション槽内で、連続栓流プロセスとして行われること
    を更に含む、方法。
  2. 前記バイオマスの少なくとも20質量%が、脱脂ダイズフレークに由来するタンパク質性物質を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記バイオマスの少なくとも20質量%が、脱脂ナタネに由来するタンパク質性物質を含む、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記バイオマスの少なくとも30質量%、例えば、少なくとも40質量%、少なくとも50質量%、少なくとも60質量%、少なくとも70質量%、少なくとも80質量%、又は少なくとも90質量%が、脱脂ダイズフレークに由来するタンパク質性物質を含む、請求項1又は2に記載の方法。
  5. 前記バイオマスの少なくとも30質量%、例えば、少なくとも40質量%、少なくとも50質量%、少なくとも60質量%、少なくとも70質量%、少なくとも80質量%、又は少なくとも90質量%が、脱脂ナタネに由来するタンパク質性物質を含む、請求項1又は3に記載の方法。
  6. タンパク質性物質を含む前記バイオマスが、オリゴ糖及び/若しくは多糖を更に含み、並びに/又は、例えば含油植物の種子からの油脂を更に含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 基質の前記固体変換生成物が、前記バイオマスに由来するタンパク質性物質、オリゴ糖、及び/又は多糖の変換の生成物である、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. バイオマスの酵母に対する乾物比が、2:1〜5000:1、例えば、3:1、5:1、10:1、15:1、20:1、30:1、50:1、70:1、75:1、85:1、100:1、200:1、300:1、500:1、1000:1、2000:1、3000:1、又は4000:1である、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 基質における湿潤かさ密度の乾燥かさ密度に対する比が0.65〜1.40、例えば、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.00、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、又は1.35となる量で、水が前記基質に添加される、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 基質における湿潤かさ密度の乾燥かさ密度に対する比が0.65〜1.05、例えば、0.75〜1.00、例えば、0.80、0.85、0.90、又は0.95となる量で、水が前記基質に添加される、請求項1、3又は5のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記酵母が、使用済み醸造用酵母、及び使用済み蒸留酒用酵母、及びパン酵母、及びワイン製造からの使用済み酵母を含めたサッカロミセス・セレビシエ株、並びにC5糖を発酵させる酵母株の中から選択される、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 酵素、植物成分、並びに有機及び無機加工剤から選択される1種又は複数の加工助剤が、前記インキュベーションの前又は間に基質に添加される、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記密閉インキュベーション槽の充填度が一定に保たれる、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
  14. α-ガラクトシダーゼが、前記インキュベーションの前又は間に基質に添加される、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 酵素製品1g当たり約5,000ユニットのα-ガラクトシダーゼ活性を有するα-ガラクトシダーゼ製剤が、基質の乾物の約0.001質量%〜約1質量%の量、例えば、0.005質量%、0.01質量%、0.015質量%、0.02質量%、0.03質量%、0.05質量%、0.1質量%、0.5質量%、又は0.75質量%の量で添加される、請求項14に記載の方法。
  16. 前記インキュベーションが嫌気的条件下で実行される、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記混合物の含水量が、40質量%〜70質量%、例えば、40質量%、45質量%、50質量%、55質量%、60質量%、又は65質量%である、請求項1から16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 基質の固体変換生成物が乾燥される、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 基質の乾燥固体変換生成物が粉砕される、請求項18に記載の方法。
  20. 前記非撹拌式密閉インキュベーション槽が、縦型の細長い円筒形又は多角形タイプのものである、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
  21. 前記非撹拌式密閉インキュベーション槽の上部の面積が下部の面積より小さい、すなわち、槽が円錐形である、請求項1から20のいずれか一項に記載の方法。
  22. 前記非撹拌式密閉インキュベーション槽が、断熱マット又は保温用ディンプルジャケット、及び槽内部温度を制御する手段を有する、請求項1から21のいずれか一項に記載の方法。
  23. 生成された前記粗エタノールの少なくとも90質量%、例えば、少なくとも95質量%、例えば、少なくとも98質量%、又は99質量%が回収される、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
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