WO2025005202A1

WO2025005202A1 - 草本に含まれるリグニンの抽出方法、並びに、分離された草本由来のリグニンを含む組成物及びその製造方法

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Publication number: WO2025005202A1
Application number: PCT/JP2024/023431
Authority: WO
Inventors: 傑伊藤; 山本夏実久住; 幸枝永井; 健二松浦; 雄希三高
Original assignee: Kyoto University; Mitsui DM Sugar Co Ltd
Current assignee: Kyoto University; Mitsui DM Sugar Co Ltd
Priority date: 2023-06-27
Filing date: 2024-06-27
Publication date: 2025-01-02
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: JP7698853B2; JPWO2025005202A1

Abstract

食材性のシロアリに草本を摂食させることを含む、草本に含まれるリグニンの抽出方法。

Description

草本に含まれるリグニンの抽出方法、並びに、分離された草本由来のリグニンを含む組成物及びその製造方法

　本発明は、草本に含まれるリグニンの抽出方法、並びに、分離された草本由来のリグニンを含む組成物及びその製造方法に関する。

　リグニンは、モノリグノールと呼ばれるリグニンモノマーが酵素により酸化重合した高分子化合物であり、植物の植物体細胞壁を構成する主要成分の一つである。リグニンは、再生可能な資源として注目されているものの、植物細胞壁中で、多糖類（セルロース、ヘミセルロース）と共に強固に複合材料を形成しているため、植物に含まれるリグニンの分離は困難である（非特許文献１、２）。

　草本に含まれるリグニンを分離（抽出）する方法としては、これまでに、紙パルプ製造の際に排出される黒液を用いる方法（特許文献１）、リグノセルロース原料を酵素により糖化処理した後、特定の溶媒中で加熱処理して、リグニン分解物を得ることを含む方法（特許文献２）等が見いだされている。

特開２０１２－２１４４３２号公報特開２０１５－６９９８号公報

ネットワークポリマー、３１巻、５号、ｐ．２１３－２２３、２０１０生存圏研究、第１３号、ｐ．１０－１８、２０１７

　本発明者らは、食材性のシロアリに草本を摂食させることができること、及び、草本を食材性のシロアリに摂食させることを含む方法によって草本に含まれるリグニンを抽出できることを見出した。本発明は、この新規な知見に基づくものであり、草本に含まれるリグニンの抽出方法、並びに分離された草本由来のリグニンを含む組成物及びその製造方法を提供することを目的とする。

　本発明の一側面は、食材性のシロアリに草本を摂食させることを含む、草本に含まれるリグニンの抽出方法に関する。

　本発明者らの検討によって、食材性のシロアリに草本を摂食させることができることが明らかとなった。そして、食材性のシロアリに草本を摂食させることにより、当該シロアリの排泄物（糞）としてリグニンを濃縮分離できることが見出された。このように、食材性のシロアリに草本を摂食させることを含む方法によって、草本に含まれるリグニンを抽出することができる。

　本発明の別の一側面は、食材性のシロアリに草本を摂食させることを含む、分離された草本由来のリグニンを含む組成物の製造方法に関する。

　また、本発明の更に別の一側面は、分離された草本由来のリグニンを含む組成物に関する。

　本発明によれば、草本に含まれるリグニンの抽出方法、並びに、分離された草本由来のリグニンを含む組成物及びその製造方法を提供することができる。

人工餌によるオオシロアリの飼育実験の結果を示すグラフである。

　以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

　本明細書において、リグニンが「分離された」とは、草本等の植物におけるリグニンとは異なる状態にあることを意味する。より具体的には、リグニンは、植物中では、多糖類（セルロース、ヘミセルロース）と共に強固に複合化しているところ、リグニンが少なくとも部分的にそれらの多糖類から分離されているとき、「分離された」リグニンという。

　一実施形態に係る草本に含まれるリグニンの抽出方法は、食材性のシロアリに草本を摂食させることを含む。

　食材性のシロアリは、木本を主な食物とするシロアリであり、草本を摂食することは知られていない。しかし、本発明者らの検討によって、食材性のシロアリに草本を摂食させることが可能であることが明らかとなった。シロアリは、多糖類とリグニンとの複合体における多糖類を分解・吸収することができ、その結果分離された草本由来のリグニンを排泄物（糞）として排泄する。そのため、食材性のシロアリに草本を摂食させることによって、草本において、多糖類との複合体として含まれるリグニンを、食材性のシロアリの排泄物中に抽出することができる。

　従来、草本に含まれるリグニンを分離するためには、草本を酸又はアルカリによって高温高圧処理し、分解されたリグニンを酸又はアルカリの液体中に抽出する方法が用いられている。このような方法で回収されるリグニンは、少なくとも高温又は高圧の状態で、酸又はアルカリに溶解するものであり、分解及び低分子化が進んだものである。

　一方で、本実施形態に係る方法では、シロアリが、草本中のリグニンと多糖類との複合体における多糖類を選択的に消費することによってリグニンが分離される。そのため、本実施形態に係る方法によれば、分解が進まず、化学変性が少ない状態でリグニンを抽出することができる。

　また、本実施形態に係る方法では、シロアリが有する消化機能が用いられ、高温高圧処理を必要としないため、低コストかつ低エネルギーでリグニンを抽出することができる。

　食材性のシロアリに草本を摂食させることは、草本を含む餌（以下、単に「餌」ともいう。）を食材性のシロアリに摂食させることを含んでいてよい。

　草本は、単子葉類に属する草本であってよい。単子葉類に属する草本の例としては、イネ目に属する草本が挙げられる。イネ目に属する草本の例としては、イネ科、イグサ科、カヤツリグサ科、及びガマ科の草本が挙げられる。イネ科の草本の例としては、イネ属、スズメノチャヒキ属、コメガヤ属、カラスムギ属、コバンソウ属、カモガヤ属、コムギ属、ヨシ属、ジュズダマ属、チガヤ属、ススキ属、サトウキビ属、チゴザサ属、オオムギ属、トウモロコシ属、ヒエ属、スズメノヒエ属、オヒシバ属、メヒシバ属、エノコログサ属、ウシクサ属、スズメガヤ属、モロコシ属、キビ属などの草本があげられる。イネ属の草本の例としては、イネが挙げられる。スズメノチャヒキ属の草本の例としては、イヌムギが挙げられる。コメガヤ属の草本の例としては、コメガヤが挙げられる。カラスムギ属の草本の例としては、カラスムギが挙げられる。コバンソウ属の草本の例としては、コバンソウが挙げられる。カモガヤ属の草本の例としては、カモガヤが挙げられる。コムギ属の草本の例としては、コムギが挙げられる。ヨシ属の草本の例としては、ヨシが挙げられる。ジュズダマ属の草本の例としては、ハトムギが挙げられる。チガヤ属の草本の例としては、チガヤが挙げられる。ススキ属の草本の例としては、ススキが挙げられる。サトウキビ属の草本の例としては、サトウキビが挙げられる。チゴザサ属の草本の例としては、チゴザサが挙げられる。オオムギ属の草本の例としては、オオムギが挙げられる。トウモロコシ属の草本の例としては、トウモロコシが挙げられる。サトウキビは、バガス（サトウキビの搾りかす）であってもよい。

　餌は、草本からなっていてよく、草本以外の成分を含んでいてもよい。餌に含まれる草本の含有量は、餌の全体積を基準として、３０体積％以上、４０体積％以上、又は４５体積％以上であってよく、１００体積％以下であってよい。

　餌は、木本を含んでいてよい。木本の例としては、スギ、ヒノキ、マツなどの針葉樹、および、コナラ、クヌギ、ミズナラなどの広葉樹が挙げられる。

　餌に含まれる木本の含有量は、餌の全体積を基準として、１体積％以上、又は５体積％以上であってよく、８０体積％以下、６０体積％以下、又は５５体積％以下であってよい。

　餌は、草本及び木本以外のその他の成分を含んでいてもよい。その他の成分の例としては、おから、カニ殻、エビ殻、蟻土、廃菌床、及び竹粉末が挙げられる。

　餌に含まれる草本及び木本以外のその他の成分の含有量は、餌の全体積を基準として、０．１体積％以上であってよく、１０体積％以下、又は５体積％以下であってよい。

　餌の水分含量は、餌の全質量を基準として、１０質量％以上、又は３０質量％以上であってよく、９０質量％以下、又は８０質量％以下であってよい。

　餌は、例えば、草本と、必要に応じて草本以外の成分と、を含む原料を、圧縮成形することによって作製することができる。圧縮成形は、例えば、原料を鋳型に入れ、卓上プレス機を用いて加圧することによって行うことができる。

　食材性のシロアリは、木本を主な食物とするシロアリであり、下等シロアリであってよく、高等シロアリであってもよい。下等シロアリの例としては、オオシロアリ科、ムカシシロアリ科、シュウカクシロアリ科、レイビシロアリ科、ノコギリシロアリ科、及びミゾガラシロアリ科のシロアリが挙げられる。オオシロアリ科のシロアリの例としては、オオシロアリ、及びネバダオオシロアリが挙げられる。ムカシシロアリ科のシロアリの例としては、ムカシシロアリが挙げられる。レイビシロアリ科のシロアリの例としては、アメリカカンザイシロアリ、及びダイコクシロアリが挙げられる。ノコギリシロアリ科のシロアリの例としては、ノコギリシロアリが挙げられる。ミゾガラシロアリ科のシロアリの例としては、ヤマトシロアリ、及びイエシロアリが挙げられる。

　オオシロアリは腐朽した木材を好み、自然界では降水量の多い深い森林内にしか生息しておらず、木造の建築物などを加害することがきわめて少ない。その上、体サイズが大きく、個体あたりの摂食量も多い。そのため、オオシロアリは、一実施形態における食材性のシロアリとして特に適している。オオシロアリを用いる場合、人工管理下で羽アリの生産を完全に抑制できるため、飼育環境からの羽アリの逃亡が起きないという利点もある。

　高等シロアリの例としては、シロアリ科のシロアリが挙げられる。シロアリ科のシロアリの例としては、タイワンシロアリ、及びタカサゴシロアリが挙げられる。

　一実施形態に係る草本に含まれるリグニンの抽出方法は、食材性のシロアリの排泄物を回収することを更に含んでいてよい。食材性のシロアリの排泄物を回収することは、例えば、食材性のシロアリが形成した蟻土を回収することによって実施することができる。

　上述のとおり、草本を摂食した食材性のシロアリの排泄物（糞）には、分離された草本由来のリグニンが含まれる。つまり、上記方法によって、分離された草本由来のリグニンを含む組成物を製造することができる。よって、上記方法は、分離された草本由来のリグニンを含む組成物の製造方法と捉えることもできる。当該方法における具体的な態様等として、上述した各態様を特に制限なく適用することができる。

　本発明の別の一実施形態は、分離された草本由来のリグニンを含む組成物である。このような組成物は、例えば、上記製造方法によって製造することができる。組成物は、草本を摂食した食材性のシロアリの排泄物を含んでいてよい。食材性のシロアリの具体例は、上述したとおりである。組成物は、例えば、草本を摂食した下等シロアリの排泄物を含んでいてよい。下等シロアリは、腸内共生生物としてバクテリア及び原生生物を有する。一方で、高等シロアリは、腸内共生生物として原生生物を有さない。そのため、下等シロアリの排泄物と、高等シロアリの排泄物とは、特に腸内共生生物に由来する構成成分（ＤＮＡ等）の点で相違する。

　分離された草本由来のリグニンは、酸又はアルカリを用いた高温高圧処理を経る方法によって得られるリグニンとは異なり、草本におけるリグニンからの分解及び低分子化が抑制されており、低変性のものである。

　組成物に含まれる分離されたリグニンの重量平均分子量（Ｍｗ）は、１８０００以上、１９０００以上、２００００以上、２１０００以上、２２０００以上、２３０００以上、２４０００以上、２６０００以上、２８０００以上、３００００以上、３２０００以上、３４０００以上、３６０００以上、３８０００以上、４００００以上、４００００超、４１０００以上、４２０００以上、４３０００以上、４４０００以上、４５０００以上、４６０００以上、４７０００以上、４８０００以上、４９０００以上、又は５００００以上であってよく、１０００００以下、９００００以下、又は８００００以下であってよい。本明細書において、組成物に含まれる分離されたリグニンのＭｗは、ゲル浸透クロマトグラフィーによって、標準物質としてポリエチレングリコール標準及びポリエチレンオキシド標準を用いて求められる値を意味する。組成物に含まれる分離された草本由来のリグニンの重量平均分子量（Ｍｗ）は、組成物に含まれる分離されたリグニンの重量平均分子量（Ｍｗ）として上述した数値範囲内であってよい。

　リグニンは、モノグリノール（ｐ－ヒドロキシケイ皮アルコール類縁体）をモノマー単位として含む重合体である。モノグリノールには、コニフェリルアルコール、シナピルアルコール、及びｐ－クマリルアルコールの３種類があり、各モノリグノールに由来するリグニンの芳香核単位を、順に、グアイアシル核（Ｇ核）、シリンギル核（Ｓ核）、及びｐ－ヒドロキシフェニル核（Ｈ核）と称する（非特許文献１）。また、リグニンは、モノマー単位として、ｐ－クマール酸エステル化物（例えば、コニフェリルアルコールのｐ－クマール酸エステル化物、シナピルアルコールのｐ－クマール酸エステル化物等）及びトリシンの少なくとも一方を含むことがある（非特許文献２）。

　植物に含まれるリグニンの構造は植物によって異なる（非特許文献２）。例えば、針葉樹に含まれるリグニンはコニフェリルアルコールをモノマー単位として含み、広葉樹に含まれるリグニンはコニフェリルアルコール及びシナピルアルコールをモノマー単位として含む。また、イネ科植物等の単子葉類に属する植物に含まれるリグニンはコニフェリルアルコール、シナピルアルコール、ｐ－クマール酸エステル化物及びトリシンをモノマー単位として含む。

　組成物において、酸可溶性リグニンの含有量に対する酸不溶性リグニンの含有量の質量比（酸不溶性リグニンの含有量／酸可溶性リグニンの含有量）は、１／１以上、５／１以上、１０／１以上、１２／１以上、又は１５／１以上であってよく、５０／１以下、４０／１以下、３０／１以下、又は２０／１以下であってよい。本明細書において、酸可溶性リグニンの含有量及び酸不溶性リグニンの含有量は、Ｋｌａｓｏｎ法により、乾燥質量として求められる値を意味し、より詳細には、実施例に記載の方法により測定される値を意味する。

　組成物において、酸不溶性リグニンの含有量（乾燥質量）は、組成物の全質量（乾燥質量）を基準として、２０質量％以上、３０質量％以上、４０質量％以上、又は４３質量％以上であってよく、１００質量％以下、９０質量％以下、又は８０質量％以下であってよい。

　組成物において、酸可溶性リグニンの含有量（乾燥質量）は、組成物の全質量（乾燥質量）を基準として、１質量％以上、１．５質量％以上、２質量％以上、又は２．３質量％以上であってよく、５０質量％以下、３０質量％以下、又は１０質量％以下であってよい。

　組成物において、アルコール・ベンゼン可溶分の含有量（乾燥質量）は、組成物の全質量（乾燥質量）を基準として、１質量％以上、１．５質量％以上、２質量％以上、又は２．３質量％以上であってよく、１０質量％以下、５質量％以下、又は３質量％以下であってよい。本明細書において、アルコール・ベンゼン可溶分の含有量は、ＪＡＰＡＮ　ＴＡＰＰＩ　紙パルプ試験方法　Ｎｏ．６３：２０００に準拠して求められる値を意味する。

　デタージェント法で測定される、組成物におけるリグニンの含有量（乾燥質量）は、組成物の全質量（乾燥質量）を基準として、３６質量％以上、４０質量％以上、４４質量％以上、又は４８質量％以上であってよく、１００質量％以下、又は９５質量％以下であってよい。

　デタージェント法で測定される、組成物におけるセルロースの含有量（乾燥質量）は、組成物の全質量（乾燥質量）を基準として、１質量％以上、５質量％以上、１０質量％以上、又は２０質量％以上であってよく、４０質量％以下、３０質量％以下、又は２５質量％以下であってよい。

　デタージェント法で測定される、組成物におけるヘミセルロースの含有量（乾燥質量）は、組成物の全質量（乾燥質量）を基準として、１質量％以上、３質量％以上、５質量％以上、又は７質量％以上であってよく、２０質量％以下、１５質量％以下、又は１１質量％以下であってよい。

　デタージェント法で測定される、組成物におけるセルロースの含有量（乾燥質量）に対するリグニンの含有量（乾燥質量）の質量比（リグニンの含有量／セルロースの含有量）は、０．５以上、１以上、１．５以上、又は２以上であってよく、５０以下、３０以下、１０以下、５以下、又は３以下であってよい。

　デタージェント法で測定される、組成物におけるヘミセルロースの含有量（乾燥質量）に対するリグニンの含有量（乾燥質量）の質量比（リグニンの含有量／ヘミセルロースの含有量）は、１以上、２以上、３以上、４以上、４．５以上、又は５以上であってよく、５０以下、３０以下、２０以下、１０以下、又は５．５以下であってよい。

　一般に、リグニンを含む組成物は、リグニンを含む植物に対して、アルカリによる化学的処理、又は、爆砕処理及び水熱処理等の物理的処理を行うことによって得られる。これらの場合、化学的処理又は物理的処理の際に水分が添加されるため、得られる組成物は多くの水分を含むものとなる。一方で、一実施形態に係る組成物は、上述のとおり、水分を添加しない方法で得ることができる。そのため、一実施形態に係る組成物は、水分含量が比較的少ないものであり得る。一実施形態に係る組成物は、固形物であってもよい。

　以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。

＜人工餌の作製＞
　人工餌の材料として、以下を用意した。
・バガス
・スギ粉末
・おから

（餌Ａ）
　卓上プレス機及び鋳型を用いて、バガスを圧縮成形し、ブロック状の餌Ａを作製した。餌Ａの水分含量は、餌Ａの全質量を基準として、３０～７０質量％であった。

（餌Ｂ）
　卓上プレス機及び鋳型を用いて、バガス及びスギ粉末の混合物を圧縮成形し、ブロック状の餌Ｂを作製した。バガス及びスギ粉末の混合体積比は、バガス：スギ粉末＝１：１であった。餌Ｂの水分含量は、餌Ｂの全質量を基準として、３０～７０質量％であった。

（餌Ｃ）
　卓上プレス機及び鋳型を用いて、バガス、スギ粉末、及びおからの混合物を圧縮成形し、ブロック状の餌Ｃを作製した。バガス、スギ粉末、及びおからの混合体積比は、バガス：スギ粉末：おから（体積比）＝１：１：０．１であった。餌Ｃの水分含量は、餌Ｃの全質量を基準として、３０～７０質量％であった。

＜人工餌によるオオシロアリの飼育実験＞
　餌Ａ～Ｃのそれぞれに、オオシロアリのコロニーを移植し、室温（２５℃）で４週間飼育した。その後、オオシロアリ及び蟻土（固形物）をそれぞれ回収した。

＜蟻土の成分分析＞
　以下のとおり、餌Ａを用いた系において回収された蟻土の成分分析を行った。なお、蟻土は、オオシロアリの糞を含む。

（酸不溶性リグニン）
　酸分解－重量法（Ｋｌａｓｏｎ法）により、蟻土における酸不溶性リグニンの含有量を求めた。その結果、酸不溶性リグニンの含有量（乾燥質量）は、蟻土の全量（乾燥質量）を基準として４４．９質量％であった。なお、本分析方法による定量下限値は、乾燥質量で０．１質量％であった。

（酸可溶性リグニン）
　酸分解－吸光光度法（Ｋｌａｓｏｎ法）により、蟻土における酸可溶性リグニンの含有量を求めた。その結果、酸可溶性リグニンの含有量（乾燥質量）は、蟻土の全量（乾燥質量）を基準として２．６質量％であった。なお、本分析方法による定量下限値は、乾燥質量で０．２質量％であった。

（アルコール・ベンゼン可溶分）
　ＪＡＰＡＮ　ＴＡＰＰＩ　紙パルプ試験方法　Ｎｏ．６３：２０００に準拠してアルコール・ベンゼン可溶分を求めた。その結果、アルコール・ベンゼン可溶分（乾燥質量）は、蟻土の全量（乾燥質量）を基準として２．４質量％であった。なお、本分析方法による定量下限値は、乾燥質量で０．１質量％であった。

　また、餌Ａ～Ｃを用いた系のそれぞれについて、（ａ）ワーカー生存率、（ｂ）ワーカー１頭当たりの体重減少率、（ｃ）餌消費率、及び（ｄ）見かけの消化吸収率を調べた。算出式は以下のとおりである。
（ａ）ワーカー生存率（％）
　　＝１００×（飼育後に生存していたワーカーの数）／（飼育前のワーカーの数）
（ｂ）ワーカー１頭当たりの体重減少量（ｍｇ）
　　＝｛（飼育前の全ワーカーの体重の和（ｍｇ）／（飼育前のワーカーの数）｝－｛（飼育後の全ワーカーの体重の和（ｍｇ）／（飼育後のワーカーの数）｝
（ｃ）餌消費率（％）
　　＝１００×（餌の摂食量（乾燥質量　ｇ））／（飼育前の餌の量（乾燥質量　ｇ））
（ｄ）見かけの消化吸収率（ＡＤＣ）（％）
　　＝１００×｛（餌の摂食量（乾燥質量　ｇ））－（糞の重量（乾燥質量　ｇ））｝／（餌の摂食量（乾燥質量　ｇ））

　系ごとに、５つの試験区で上記飼育実験を行い、それぞれについて（ａ）～（ｄ）を算出し、（ａ）については一般化線形混合モデル（ＧＬＭＭ）、（ｂ）～（ｃ）については線形混合モデル（ＬＭＭ）により統計解析した後、Ｔｕｋｅｙ　ＨＳＤ　Ｔｅｓｔ（Ｐ＜０．０５）による事後検定を行った。結果を図１（ａ）～（ｄ）に示す。図１（ａ）～（ｄ）の各グラフにおいて、各データは、左から順に、餌Ａを用いた系、餌Ｂを用いた系、及び餌Ｃを用いた系の結果を表す。各データにはアルファベットが付与されているが、異なるアルファベットが付与されたデータ同士には有意差があると判断された。また、エラーバーは標準誤差を示す。

＜餌Ｄの作製＞
　バガス及びスギ粉末を混合し、スギ材をバガス及びスギ粉末混合物中に埋没させることによって、餌Ｄを作製した。バガス及びスギ粉末の混合体積比は、バガス：スギ粉末（体積比）＝１：１であった。また、スギ材は餌Ｄの全体積を基準として、２０～４０体積％であった。餌Ｄの水分含量は、餌Ｄの全質量を基準として、３０～７０質量％であった。

＜餌Ｄによるオオシロアリの飼育実験＞
　上記餌Ｄに、オオシロアリのコロニーを移植し、室温（２５℃）で４か月飼育した。その後、オオシロアリ及び蟻土（固形物）をそれぞれ回収した。

＜餌Ｄを用いた系において回収された蟻土の成分分析＞
　デタージェント法により、餌Ｄを用いた系において回収された蟻土におけるセルロース、ヘミセルロース、及びリグニンの含有量を求めた。なお、蟻土は、オオシロアリの糞を含む。その結果、蟻土の全量（乾燥質量）を基準として、セルロースの含有量（乾燥質量）は２２質量％であり、ヘミセルロースの含有量（乾燥質量）は９．６質量％であり、リグニンの含有量（乾燥質量）は４９質量％であった。なお、本分析方法による定量下限値は、乾燥質量で０．５質量％であった。一般に、植物におけるセルロースの含有量は４０～５０質量％であり、ヘミセルロースとリグニンの含有量はそれぞれ１５～３５質量％程度であるとされている（非特許文献２、RSC Adv., 12, 3946-3956, 2013.）。上記組成物においてはリグニンの含有比率が高く、リグニンが抽出されていることが確認された。

Claims

　食材性のシロアリに草本を摂食させることを含む、前記草本に含まれるリグニンの抽出方法。
　前記草本がイネ科の草本である、請求項１に記載の方法。
　食材性のシロアリに草本を摂食させることを含む、分離された草本由来のリグニンを含む組成物の製造方法。
　前記草本がイネ科の草本である、請求項３に記載の製造方法。
　分離された草本由来のリグニンを含む組成物。