JP2011062196A - 単糖類、二糖類、及び／又はオリゴ糖の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】糖の過分解を抑えつつも効率よく多糖類から単糖類、二糖類、及び／又はオリゴ糖を製造することのできる方法の提供。
【解決手段】多糖類を炭素数６〜１２の脂肪酸の存在下で加熱処理する単糖類、二糖類、及び／又はオリゴ糖の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、多糖類、特にバイオマスから単糖類、二糖類、及び／又はオリゴ糖（以下、総称して「分解糖」ともいう）を製造する方法に関する。

近年、化石資源に代えてセルロース系、デンプン系、或いは糖質系のバイオマスからエタノールや乳酸等の有用物質を製造する技術の開発が望まれている。とりわけ、非食糧資源であるセルロース系バイオマスを有効利用する技術への関心が高まっている。
バイオマスからのエタノール等の製造は、バイオマスを糖化工程において糖に分解した後、これを発酵工程においてエタノール等に変換することにより行うことができる。糖化は、硫酸等を用いる酸糖化と酵素糖化に大別される。

酵素糖化は、酸糖化に比して緩和な条件で加水分解でき、また糖化率が高い等の利点があるが、特にセルロース系バイオマスを利用する場合、酵素を作用させ易くするため、予めバイオマスを前処理する必要がある。この前処理方法としては、硫酸法、有機溶媒法、水熱処理等が検討されている。
例えば、リグノセルロース系バイオマス、弱酸及び水を含む原料混合物を加温及び加圧条件下で処理し、単糖類に分解する方法（特許文献１）；高温・高圧条件下、オレイン酸を添加した水中でセルロースを処理し、オリゴ糖、セロビオース、グルコース及びフルクトースを得る方法（非特許文献１）等が報告されている。

一方、超臨界流体又は亜臨界流体を用いた分解処理方法が提案され、例えば、超臨界状態又は亜臨界状態の水を用いて天然又は合成高分子化合物を加水分解及び／又は熱分解する方法（特許文献２）；非水溶系溶剤と水の混合物を用い、非水溶系溶剤と水の両方又は一方が超臨界状態又は亜臨界状態で、木質系廃材の粉砕粉末を分解処理する方法（特許文献３）等が報告されている。

特開２００９−２２２３９号公報 特開平５−３１０００号公報 特開２００７−３１３４７６号公報

化学工学会第７４年会講演要旨集Ｍ１２３（２００９）

従来の超臨界状態又は亜臨界状態の水等を用いる方法や、酵素糖化の前処理工程で弱酸やオレイン酸を用いる方法では、生成した糖が過分解されてしまい、全体として糖の生成量が少なくなる場合があることが判明した。特に、糖の過分解により生成するヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）は、発酵工程において糖からエタノール等への発酵を阻害することがあるため、その生成を抑制することはエタノ−ル等有用物質製造全般の効率化に重要である。また、酵素糖化の前処理工程で弱酸を添加する場合は、弱酸は水溶性であるため処理後に除去が困難で中和作業も必要になり、操作が煩雑になる。
一方で、酵素糖化の前処理条件が緩やか過ぎると、加水分解が十分に進まないという問題がある。

従って、本発明の課題は、糖の過分解を抑えつつも効率よく多糖類から分解糖を製造することのできる方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討したところ、多糖類を炭素数６〜１２の脂肪酸及び水の存在下で加熱処理することにより、糖の過分解を抑えつつも、効率良く分解糖を製造できることを見出した。

すなわち、本発明は、多糖類を炭素数６〜１２の脂肪酸及び水の存在下、１４０〜３００℃の加熱処理を行う単糖類、二糖類、及び／又はオリゴ糖の製造方法を提供するものである。

本発明によれば、糖の過分解を抑えつつ、分解糖を効率良く製造することができる。本発明方法は、多糖類を含むバイオマスにも適用可能であり、バイオマスからのエタノ−ル等有用物質の製造を高効率化する技術として期待できる。

図１は、加熱処理を行う流通式反応器の一例を示す図である。

本発明で用いられる多糖類としては、例えば、セルロース、ヘミセルロース、キシログルカン、ペクチン、澱粉、マンナン、グルコマンナン、ガラクトマンナン、キチン、キトサン、イヌリン、アルギン酸、寒天、フコイダン、ラミナリン、β−グルカン、プルラン等の天然多糖又はこれらの誘導体が挙げられる。これらは単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。なかでも、安価かつ分解後の発酵生産により有用物質に変換可能である点から、セルロース、ヘミセルロース、キチン、キトサンが好ましく、特にセルロース、ヘミセルロースが好ましい。本発明で用いられる多糖類の分子量は、特に限定されないが、一般的には１，０００以上５，０００，０００以下であることが好ましい。

また、本発明における多糖類として、前記多糖類を含む原料、例えば、バイオマスを用いることもできる。バイオマスとは、生物由来の有機資源で、化石資源を除いたものである。バイオマスとしては、セルロース系、デンプン系、或いは糖質系のバイオマスが挙げられ、これらは単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
なかでも、資源の有効活用の点から、セルロースを含有するセルロース系バイオマスを用いることが好ましい。

セルロース系バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを主成分とするものであり、例えば、綿、木材系パルプ、ケナフ、麻、小径木、間伐材、おが屑、木屑、古紙、新聞紙、包装紙、ティッシュペーパー、トイレットペーパー、ダンボール等の木質系；バガス、スイッチグラス、エレファントグラス、稲ワラ、ムギワラ等の草木系のバイオマスが挙げられる。また、デンプン系バイオマスとしては、例えば、米、麦、トウモロコシ、イモ等が挙げられ、糖質系バイオマスとしては、サトウキビ、テンサイ、海藻、エビ殻、カニ殻等の糖質系バイオマスが挙げられる。

多糖類としてバイオマスを用いる場合は、加熱処理に先立って乾燥、粉砕、細断等の前処理を施すのが分解率向上の点から好ましい。例えば、乾燥は通気式バンド乾燥機、棚段式熱風乾燥機等を用いることができる。粉砕、細断は、例えば公知の回転ボールミル、遊星型ボールミル、ディスクミル、ロッドミル等を用いることができる。

多糖類を加熱処理する方法としては、特に制限されず、公知の方法を適用できる。例えば、回分法、半回分法、流通式反応方法等が挙げられる。なかでも、流通式反応方法は、反応時間の制御が容易である点で好ましい。

本発明において、多糖類の加熱処理は、炭素数６〜１２の脂肪酸及び水の存在下で行われる。
ここで、炭素数６〜１２の脂肪酸としては、直鎖又は分岐鎖状の飽和又は不飽和の脂肪酸が挙げられる。特に、糖の過分解を抑制する点、及び分解率向上の点から、炭素数６〜１２の飽和脂肪酸が好ましく、炭素数６〜１０の飽和脂肪酸がより好ましい。
脂肪酸は、具体的には、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ラウリン酸等が挙げられる。なかでも、カプリル酸が好ましい。炭素数が６以上の脂肪酸は水溶性が低いため、反応液からの分離が容易であり、他方、炭素数が１２以下の脂肪酸を用いることで糖の収率を向上させることができ、また融点が比較的低いため取り扱いが容易となる。

加熱処理に用いる炭素数６〜１２の脂肪酸の使用量は、糖の過分解を抑制する点、及び分解率向上の点から、水に対する質量比として０．０１〜０．５が好ましく、更に０．０２〜０．４、特に０．０５〜０．３が好ましい。

また、加熱処理の際に用いる水は、高温高圧状態下にある水であれば特に制限されず、水としては、水道水、蒸留水、イオン交換水、精製水が例示される。
加熱処理を流通式反応方法で行う場合、多糖類は水に分散してスラリー状にしてから用いるのが好ましい。水スラリー中の多糖類の含有量は、流動性の点から、１〜２００ｇ／Ｌ、更に５〜１５０ｇ／Ｌ、特に８〜１００ｇ／Ｌとするのが好ましい。
また、加熱処理を回分法で行う場合は、水スラリー中の多糖類の含有量は、１〜４００ｇ／Ｌ、更に５〜３００ｇ／Ｌ、特に８〜２００ｇ／Ｌとするのが好ましい。

加熱処理の温度としては、糖の過分解を抑制する点、及び分解率向上の点から、１４０〜３００℃であり、１６０〜２５０℃が好ましく、特に１８０〜２３０℃が好ましい。加熱の手段は、例えば、水蒸気、電気が挙げられる。

また、加熱処理時の圧力は、水の飽和蒸気圧以上に設定するのが好ましく、０．３〜１０ＭＰａ、更に０．９〜８ＭＰａ、特に１．３〜６ＭＰａ、殊更２〜６ＭＰａが好ましい。加圧に用いられるガスは、例えば、不活性ガス、水蒸気、窒素ガス、ヘリウムガス等が挙げられる。ガスを用いず、背圧弁により調整しても良い。

加熱処理の時間（平均滞留時間）は、反応方法や多糖類の種類によって異なるが、分解率及び生産効率の点から、例えば、流通式反応方法で行う場合、スラリーが設定温度に達してから０．５〜３０分が好ましく、更に１〜１５分、特に１〜８分が好ましい。
加熱処理の時間（平均滞留時間）は、反応器の高温高圧部の体積をスラリーの供給速度で割ることにより算出される。

加熱処理後、反応液を１００℃以下、好ましくは６０℃以下に冷却してもよく、さらに分解糖を含む溶液と脂肪酸を分離してもよい。分解糖を含む溶液と脂肪酸とを分離する方法としては、特に制限されず、例えば遠心分離やデカンテーションにより行うことができる。回収した脂肪酸は、再利用してもよい。

かくして、加熱処理により得られる単糖類としては、例えば、グルコース、フルクトース、マンノース、ガラクトース、キシロース、アラビノース等が挙げられる。また、二糖類としては、セロビオース、マルトース、ジ−Ｎ−アセチルキトビオース等が挙げられ、オリゴ糖としては３〜１０の単糖単位を有するものが挙げられ、例えば、セロトリオース、セロテトラオース、セロペンタオース、セロヘキサオース、マルトトリオース、マルトテトラオース、マルトペンタオース、マルトヘキサオース、トリ−Ｎ−アセチルキトトリオース、テトラ−Ｎ−アセチルキトテトラオース、ペンタ−Ｎ−アセチルキトペンタオース、ヘキサ−Ｎ−アセチルキトヘキサオース等が挙げられる。

本発明の製造方法に用いられる流通式反応器の一例を図１に示す。流通式反応器は、多糖類を含む水スラリー槽（１１）、水スラリー供給タンク（１３）、脂肪酸供給槽（２１）、加熱炉（３２）を備えた反応器（３１）、冷却器（４１）、フィルター（５１）、反応液回収タンク（６１）から構成されている。なお、反応器（３１）、には、圧力計、温度計が備え付けられており、例えば、背圧弁により加熱処理時の圧力を調整する。

先ず、水スラリー供給タンク（１３）に、供給ポンプ（１２）を用いて多糖類を含む水スラリー槽（１１）から水スラリーが供給される。次いで、加熱炉（３２）により所定の温度・圧力に加圧加熱された反応器（３１）へ水スラリーが供給され、脂肪酸供給槽（２１）から供給ポンプ（２２）を用いて供給された脂肪酸の存在下、高温高圧状態で水スラリー中の多糖類が加水分解される。
水スラリー供給タンク（１３）から供給される水スラリーの流速は、反応器の体積によって異なるが、例えば、反応器体積が１００ｍＬの場合、３．３〜２００ｍＬ／分が好ましく、特に６．７〜１００ｍＬ／分が好ましい。
また、脂肪酸供給槽（２１）から供給される脂肪酸の流速は、０．０３〜１００ｍＬ／分が好ましく、特に０．１５〜６０ｍＬ／分が好ましい。

反応器（３１）から出た高温の反応液は冷却器（４１）にて迅速に冷却される。流通式の場合、反応器出口から吐出される反応液の流速はスラリー供給流速と脂肪酸供給流速の和になる。
次いで、反応液をフィルター（５１）に通し、未反応の多糖類を分離し、分解糖を反応液回収タンク（６１）に得る。

得られる分解糖は、グルコースに代表される単糖類に富むものが好ましい。分解糖中のグルコース等の単糖類濃度は好ましくは６０〜９９質量％、より好ましくは６５〜９９質量％、さらに好ましくは７０〜９９質量％である。
また、分解糖を含む反応液は、ＨＭＦ含有量が少なく、単糖類／ＨＭＦ質量比が５以上、さらに５〜１０００、さらに８〜２００、特に１０〜２００、殊更１２〜２００であるのが好ましい。

得られる分解糖は、通常行われているセルラーゼ等を用いた酵素糖化に用いることができる。さらに、これら分解糖を糖源として、微生物発酵を行ったり、化学変換したりすることにより、エタノール、ポリ乳酸、アミノ酸、キシリトールやエリスリトール等の有用物質を製造することができる。単糖類／ＨＭＦ質量比が５以上である分解糖含有組成物は、特にこれらの有用物質製造に有用である。

＜単糖類濃度、二糖類濃度及びオリゴ糖濃度の測定＞
日立製作所製高速液体クロマトグラフを用い、昭和電工製カラムＡｓａｈｉｐａｋ ＮＨ２Ｐ−５０ ４Ｅ （４．５ｍｍφ×２５０ｍ）を装着し、カラム温度２０℃でグラジエント法により行った。移動相Ａ液はアセトニトリル、Ｂ液は３０％メタノール水とし、１．００ｍＬ／分で送液した。グラジエント条件は以下のとおりである。
時間（分） Ａ液（％） Ｂ液（％）
０ ２０ ８０
４５ ５０ ５０
４５．１ ２０ ８０
５５ ２０ ８０
試料注入量は５μＬ、検出はＥＳＡ Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅｓ社製コロナＣＡＤ検出器を用いた。

＜ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）濃度の測定＞
日立製作所製高速液体クロマトグラフを用い、ジーエルサイエンス社製カラムＩｎｅｒｔｓｉｌ ＯＤＳ−３ （３．０ｍｍφ×１５０ｍ）を装着し、カラム温度４０℃でグラジエント法により行った。移動相Ａ液はアセトニトリル、Ｂ液は水とし、０．４０ｍＬ／分で送液した。グラジエント条件は以下のとおりである。
時間（分） Ａ液（％） Ｂ液（％）
０ １０ ９０
１０ １０ ９０
３０ ９０ １０
４０ ９０ １０
４０．１ １０ ９０
６０ １０ １０
試料注入量は１０μＬ、検出は波長２７５ｎｍの吸光度により定量した。

実施例１
図１に示した流通式反応器を用いて加熱処理を行った。
微結晶粉末セルロース（シグマアルドリッチ）を蒸留水に１．１１ｗｔ％で分散し、水スラリー供給タンク内で均一攪拌した。内容積１００ｍＬのステンレス製流通式反応器（日東高圧社製）に、セルロースの水スラリーとカプリル酸（和光純薬工業、密度０．９１ｇ／ｍＬ（２０℃））をそれぞれ、流速４５ｍＬ／分と５ｍＬ／分で供給し、２２０℃で反応を行った（平均滞留時間２分）。圧力は出口バルブにより３ＭＰａに調整した。反応器出口から反応液を流速５０ｍＬ／分で抜き出し、室温（２５℃）まで冷却してタンクに回収した。反応液は同体積のヘキサンで３回洗浄して脂肪酸を除去した後、単糖類（グルコース）濃度、二糖類（セロビオース）濃度、オリゴ糖（セロトリオース）濃度及びＨＭＦ濃度をそれぞれ測定した。結果を表１に示す。

実施例２
反応温度を２００℃、セルロースの水スラリーとカプリル酸の流速をそれぞれ２２．５ｍＬ／分と２．５ｍＬ／分とした以外は実施例１と同様にして反応液を得た。

実施例３
セルロースの水スラリーの濃度を１．２５ｗｔ％、流速を４０ｍＬ／分、カプリル酸の流速を１０ｍＬ／分とした以外は実施例１と同様にして反応液を得た。

比較例１
脂肪酸を供給せずに、セルロースの水スラリーの濃度を１．００ｗｔ％、流速を５０ｍＬ／分とした以外は実施例１と同様にして反応液を得た。

比較例２
カプリル酸の代わりにオレイン酸（密度０．９０ｇ／ｍＬ（２０℃））を用いた以外は実施例１と同様にして反応液を得た。

表１から明らかなように、セルロースを炭素数６〜１２の脂肪酸及び水の存在下で加熱処理した実施例１−３ではいずれもグルコース、セロビオース及びセロトリオースの生成量が多く、一方でグルコース生成量に対するＨＭＦの生成量を抑えることができた。これに対し、脂肪酸を供給しなかった比較例１では、グルコース、セロビオース及びセロトリオースの生成量は少なかった。また、オレイン酸を供給した比較例２では、脂肪酸無添加の比較例１に比べグルコース、セロビオース及びセロトリオースの生成量がやや増加したものの、グルコース生成量に対するＨＭＦ生成量は多いという結果であった。

実施例４
微結晶粉末セルロース（シグマアルドリッチ）１０ｇと水９０ｇを混合した。この水スラリーとカプリル酸（和光純薬工業、密度０．９１ｇ／ｍＬ（２０℃））９ｇをバッチ式水熱処理装置（日東高圧製Ｓｔａｒｔ２００Ｎｅｗ Ｑｕｉｃｋ、容積１８０ｍＬ）に入れ、上部空間を窒素置換し、攪拌しながら加熱した。昇温速度は３．４℃／分とした。１８０℃に到達後、室温まで冷却した。スラリー温度が１８０℃であった時間は３分であった。反応液を同体積のヘキサンで３回洗浄して脂肪酸を除去した後、単糖類（グルコース）濃度、二糖類（セロビオース）濃度、オリゴ糖（セロトリオース）濃度及びＨＭＦ濃度をそれぞれ測定した。結果を表２に示す。

比較例３
カプリル酸を添加しなかった以外は実施例４と同様にして反応液を得た。

表２から明らかなように、セルロースを炭素数８の脂肪酸及び水の存在下で加熱処理した実施例４ではグルコース、セロビオース及びセロトリオースの生成量が多く、一方でグルコース生成量に対するＨＭＦの生成量を低く抑えることができた。これに対し、脂肪酸を添加しなかった比較例３では、グルコース、セロビオース及びセロトリオースの生成量は少なく、グルコース生成量に対するＨＭＦ生成量は多いという結果であった。

多糖類を含む水スラリー槽（１１）
供給ポンプ（１２）
水スラリー供給タンク（１３）
脂肪酸供給槽（２１）
供給ポンプ（２２）
反応器（３１）
加熱炉（３２）
冷却器（４１）
フィルター（５１）
反応液回収タンク（６１）

Claims (6)

1. 多糖類を、炭素数６〜１２の脂肪酸及び水の存在下、１４０〜３００℃の加熱処理を行う、単糖類、二糖類、及び／又はオリゴ糖の製造方法。
2. 水に対する炭素数６〜１２の脂肪酸の質量比が０．０１〜０．５である請求項１記載の単糖類、二糖類、及び／又はオリゴ糖の製造方法。
3. 加熱処理を水の飽和蒸気圧以上の圧力で行う、請求項１又は２記載の単糖類、二糖類、及び／又はオリゴ糖の製造方法。
4. 加熱処理を０．３〜１０ＭＰａの圧力で行う、請求項１〜３のいずれか１項に記載の単糖類、二糖類、及び／又はオリゴ糖の製造方法。
5. 多糖類としてセルロース含有バイオマスを用いる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の単糖類、二糖類、及び／又はオリゴ糖の製造方法。
6. 単糖類／ＨＭＦ質量比が５以上である、単糖類、二糖類、及び／又はオリゴ糖含有組成物。

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