(57)【要約】      （修正有）【課題】  リグニンを含むリグノセルロースの糖化方法を提供する。【解決手段】リグニン、ヘミセルロース及びセルロースよりなるリグノセルロースを含む水懸濁液にオゾンを吹き込みリグニンを分解し、次に、該水懸濁液を濾過して得られたホロセルロースのうちヘミセルロースを加熱水で可溶化させ、該加熱水を濾過してセルロースを取り出し、その後、該セルロースを加熱水に可溶化させ、酵素により加水分解してセロオリゴ糖及び／又はグリコースを得るリグノセルロースの糖化方法。  そして、リグニン、ヘミセルロース及びセルロースよりなるリグノセルロースを含む水懸濁液にオゾンガスを吹き込みリグニンを分解し、次に、該水懸濁液を濾過して得られたホロセルロースのうちヘミセルロースを加熱水で可溶化させ、該加熱水を濾過してセルロースを除去し、その後、該ヘミセルロースを酵素により加水分解してキシロオリゴ糖及び／又はキシロースを得ることからなる。【選択図】  図２
2006141244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リグニン、ヘミセルロース及びセルロースよりなるリグノセルロースを酵素を使って分解し糖化する方法であって、酵素を使って分解する前段階で、オゾン処理を行ってリグニンを分解させることを特徴とするリグノセルロースの糖化方法。
【請求項２】
リグニン、ヘミセルロース及びセルロースよりなるリグノセルロースを含む水懸濁液にオゾンガスを吹き込みリグニンを分解し、次に、該水懸濁液を濾過して得られたホロセルロースのうちヘミセルロースを加熱水で可溶化させ、該加熱水を濾過してセルロースを取り出し、その後、該セルロースを加熱水に可溶化させ、酵素により加水分解してセロオリゴ糖及び／又はグリコースを得ることを特徴とするリグノセルロースの糖化方法。
【請求項３】
リグニン、ヘミセルロース及びセルロースよりなるリグノセルロースを含む水懸濁液にオゾンガスを吹き込みリグニンを分解し、次に、該水懸濁液を濾過して得られたホロセルロースのうちヘミセルロースを加熱水で可溶化させ、該加熱水を濾過してセルロースを除去し、その後、該ヘミセルロースを酵素により加水分解してキシロオリゴ糖及び／又はキシロースを得ることを特徴とするリグノセルロースの糖化方法。
【請求項４】
ヘミセルロースを可溶化させるための加熱温度は１４０℃〜２００℃であることを特徴とする請求項２又は３記載のリグノセルロースの糖化方法。
【請求項５】
セルロースを可溶化させたるための加熱水の温度は１９０℃〜２５０℃以上であることを特徴とする請求項２記載のリグノセルロースの糖化方法。
【請求項６】
ヘミセルロースを加水分解するための酵素としてキシラナーゼを使用することを特徴とする請求項２記載のリグノセルロースの糖化方法。
【請求項７】
セルロースを加水分解するための酵素としてセルラーゼを使用することを特徴とする請求項２記載のリグノセルロースの糖化方法。
【請求項８】
上記請求項１〜７のいづれか１項記載の糖化方法によって製造された糖。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リグノセルロースの酵素処理による糖化方法に関し、更に詳しくは、リグニン、ヘミセルロース及びセルロースよりなるリグノセルロースを酵素を使って分解する前段階でオゾン処理を行うリグノセルロースの糖化方法に関し、またその糖化方法によって得られた糖に関する。
【背景技術】
【０００２】
木材チップ、木粉、稲ワラ、モミ殻等のいわゆるバイオマスを有効利用する技術が開発されてきている。
バイオマスは廃材として存在するため極めて安価であり、しかも、リグニン、ヘミセルロース、セルロース等を含んでいることから、これらの成分を出発原料として種々の物質が生産されるようになっている。
中でも、ここのところアルコール発酵技術の需要にともない、バイオマスから特に糖（例えば、キシロオリゴ糖、セロオリゴ糖、キシロース、グリコース等）を製造する技術の開発が着目されてきている。
【０００３】
例えばリグノセルロースを糖化する方法としては、無水酢酸や濃硫酸を使った化学的方法があるが、乾燥工程が必要であり、且つセルロースの加水分解が激しく行われるために反応系の設備が複雑となる。
また設備全体として酸による腐食が起き易く、また硫酸回収にも余分なコストが発生する。
更にまた、生成された糖の収率も低いものとなっている。
一方、このような欠点を解消するため、緩和な条件で加水分解を行うことができる酵素学的方法が発案されている。
【０００４】
この方法は、酵素（例えばセルラーゼ）を使って加水分解するものであり、装置的にも耐圧性、耐酸性を有する反応容器を必要としないだけでなく、環境汚染も少ない。
【０００５】
しかも、前記の化学的方法より収率が高いことも利点である。
このような酵素を使った糖化方法としては、例えば、特許文献１，特許文献２等が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−９５５９４号公報
【特許文献２】特開平８−３０８５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、一般に、バイオマスを原料としたリグノセルロースは、リグニン、ヘミセルロース、及びセルロースを含んでおり、このリグニンが糖化の大きな障害となっている。
すなわち、リグノセルロースは、リグニンによりヘミセルロース及びセルロースが糊着された状態で固まっており、このリグニンの存在のために、ヘミセルロース及びセルロースの加水分解の効率が大きく低下し糖化率が極めて低いものとなるのである。
さらに、多くのバイオマスは100 ％以上の含水率を持つ湿潤状態で供給されるため、乾燥工程を必要としない処理法の開発が求められている。
本発明はかかる技術的背景をもとになされた。
すなわち、本発明は、リグニンを含むリグノセルロースの糖化を効率よく行える糖化方法を提供するものである。
またその糖化方法によって得られた糖を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記問題的について鋭意研究を行った結果、ヘミセルロース及びセルロースの糖化を水熱処理で行う場合に、それを固めているリグニンを、まず、オゾンにより分解することにより、このような問題点を解決できることも見出した。
【０００８】
すなわち本発明は、（１）、リグニン、ヘミセルロース及びセルロースよりなるリグノセルロースを酵素を使って分解し糖化する方法であって、酵素を使って分解する前段階で、オゾン処理を行ってリグニンを分解させることを特徴とするリグノセルロースの糖化方法に存する。
【０００９】
また、本発明は、（２）、リグニン、ヘミセルロース及びセルロースよりなるリグノセルロースを含む水懸濁液にオゾンガスを吹き込みリグニンを分解し、次に、該水懸濁液を濾過して得られたホロセルロースのうちヘミセルロースを加熱水で可溶化させ、該加熱水を濾過してセルロースを取り出し、その後、該セルロースを加熱水に可溶化させ、酵素により加水分解してセロオリゴ糖及び／又はグリコースを得ることを特徴とするリグノセルロースの糖化方法に存する。
【００１０】
また、本発明は、（３）、リグニン、ヘミセルロース及びセルロースよりなるリグノセルロースを含む水懸濁液にオゾンガスを吹き込みリグニンを分解し、次に、該水懸濁液を濾過して得られたホロセルロースのうちヘミセルロースを加熱水で可溶化させ、該加熱水を濾過してセルロースを除去し、その後、該ヘミセルロースを酵素により加水分解してキシロオリゴ糖及び／又はキシロースを得ることを特徴とするリグノセルロースの糖化方法に存する。
【００１１】
また、本発明は、（４）、ヘミセルロースを可溶化させるための加熱  温度は１４０〜２００℃であることを特徴とする上記２又は３記載のリグノセルロースの糖化方法に存する。
【００１２】
また、本発明は、（５）、セルロースを可溶化させたるための加熱水の温度は１９０℃〜２５０℃であることを特徴とする上記２記載のリグノセルロースの糖化方法に存する。
【００１３】
また、本発明は、（６）、ヘミセルロースを加水分解するための酵素としてキシラナーゼを使用することを特徴とする上記２記載のリグノセルロースの糖化方法に存する。
【００１４】
また、本発明は、（７）、セルロースを加水分解するための酵素としてセルラーゼを使用することを特徴とする上記２記載のリグノセルロースの糖化方法に存する。
【００１５】
また、本発明は、（８）、上記１〜７のいづれか１記載の糖化方法によって製造された糖。
【００１６】
なお、本発明の目的に沿ったものであれば、上記（１）から（８）を適宜組み合わせた構成も採用可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、リグニン、ヘミセルロース及びセルロースよりなるリグノセルロースを酵素を使って分解する前段階で、オゾン処理を行ってリグニンを分解させるために、ヘミセルロース及びセルロースの加水分解が効率良く行われ、糖の収率も大きく向上する。
具体的には、オゾン処理を行うことで、オゾン処理を行わない場合に比べて、ヘミセルロースやセルロースを可溶化するための熱処理温度が低くなり熱効率も良くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、リグニン、ヘミセルロース及びセルロースよりなるリグノセルロースを酵素を使って分解し糖化する方法において、酵素を使って分解する前段階で、オゾン処理を行ってリグニンを分解させることが大きな特徴である。
図１はオゾン処理を示した工程図であり、また図２は熱水処理及び糖化を示す工程図である。
【００１９】
〔オゾン処理〕
リグノセルロースは、ヘミセルロース及びセルロースがリグニンにより固化状態となっているものであり、この状態では、水熱処理（水による加熱処理）でヘミセルロースやセルロースを可溶化させようとしても効率が悪い。
そのため、水による加熱処理の前に温度熱、このリグニンをオゾン処理して分解する。
具体的には、先ず、リグノセルロースを粉末化したものに水を加えて攪拌すると固形分を含む水懸濁液ができる。
【００２０】
この水懸濁液をオゾン処理するのであるが、具体的には、例えば、容器内の水懸濁液にオゾンを吹き込んで固形分のリグノセルロースに含まれるリグニンを分解させる。
リグニンは室温で一定時間、オゾン処理を行うことによって酸化分解し、没食子酸、シュウ酸、酢酸、ギ酸等の有機酸に分解され、この有機酸は、水に溶解した状態となる。
【００２１】
この水懸濁液の中には有機酸と固形分のホロセルロース（ヘミセルロース及びセルロース）が含まれていることとなる。
このような水懸濁液から有機酸とホロセルロースとを分離するために、水懸濁液を濾過して固形分であるホロセルロースを取り出す。
残った液は有機酸溶液となり、他に有効利用することができる。
濾過して取り出したホロセルロースは水洗い後、湿潤状態のまま、あるいは、乾燥させてもよい。
【００２２】
〔セルロースの糖化方法〕
（ヘミセルロースの可溶化）
オゾン処理工程を経てリグニンが除去されたホロセルロースを、今度は加熱水によって処理しホロセルロースのうちのヘミセルロースを可溶化させる（熱水処理）。
通常、この加熱水の加熱温度は、ヘミセルロースを主に可溶化させる観点から、１４０℃〜２００℃が好ましい。
セルロースは溶けてなく固形物のままであるため、濾過してヘミセルロースから分離させて、濾過物として取り出す。
【００２３】
（セルロースの可溶化）
取り出したセルロースを加熱水によって可溶化させる（熱水処理）。
この場合、加熱水の加熱温度は、セルロースを可溶化させる観点から、１９０℃〜２５０℃が好ましい。
【００２４】
（セルロースの糖化）
加熱水に可溶化したセルロースを酵素によって加水分解させて、セロオリゴ糖及び／又はグリコースを得る。
ここでセルロースを加水分解する酵素としては、セルラーゼ、グルコアミラーゼ、タンナーゼ、フィターゼ、プロテアーゼ、キチナーゼ等が、適宜、単数又は複数選択して採用される。
酵素による加水分解は、室温よりやや高い温度、例えば４０〜６０℃で行うことが好ましい。
【００２５】
〔ヘミセルロースの糖化方法〕
（ヘミセルロースの可溶化）
オゾン処理工程を経てリグニンを除去されたホロセルロースを、今度は加熱水によって処理しホロセルロースのうちのヘミセルロースを可溶化させる（熱水処理）。
この加熱水の加熱温度は、上述したようにヘミセルロースのみを可溶化させる観点から、１４０℃〜２００℃が好ましい。
セルロースは溶けておらず固形物のままであるため、濾過して分離し、取り出す。
【００２６】
（ヘミセルロースの糖化）
セルロースが除去されたヘミセルロース可溶化液を酵素によって加水分解させて、キシロオリゴ糖及び／又はキシロースを得る。
ここでヘミセルロースを加水分解する酵素としては、キシラナーゼ、ヘミセルラーゼ、セルラーゼ等が、適宜、単数又は複数選択して採用される。
酵素による加水分解は、上述したセルロースの場合と同じような室温よりやや高い温度、例えば４０〜６０℃で行うことが好ましい。
以下、実施例に基づいて本発明を説明するが、本発明は次に述べるような実施例にのみ限定されるものではない。
【００２７】
〔実施例１〕
ここではオゾン処理の有効性について実験した。
スギおが屑２．５ｇ（４塊）を用意し、それらをビーカ内で１リットルの水中で攪拌して個々の水懸濁液を作成した。
この水懸濁液にオゾン（具体的にはオゾンを含んだ酸素）を吹き込んで供給した。
オゾンの供給量は０．５リットル／分とした。
スギおが屑の主成分は、リグニン、ヘミセルロース及びセルロースよりなるリグノセルロースであり、このうちリグニンをオゾンにより酸化させて分解した。
このオゾン処理は、０時間、２時間、４時間（２回）、及び８時間と４つのケースで行った。
その際、水懸濁液に可溶化した全炭素量により残留固形物（リグニン、ヘミセルロース、セルロース）がこの順序で分解されていく状態が分かる。
【００２８】
図３は、その結果を示す。
反応時間（オゾン処理時間）、水懸濁液の全炭素量（ＴＣｏ）に対する可溶化した炭素量（ＴＣ）の割合、水懸濁液のｐＨ、及び残留固形分（重量％）を示した。
【００２９】
〔実施例２〕
（熱水処理）
実施例１のような実験によりオゾン処理を４時間行った水懸濁液を濾過乾燥させて固形分０．５ｇを作成した。
この固形分を熱水流通型反応装置（時間と共に装置内の反応容器の温度を上昇させることができる）によって分解を行った。
反応容器内の圧力は１０ＭＰａとした。
分解液の採取を１０分間隔で行い、それぞれ２０ｍＬの反応液を得た。
反応液についてはｐＨ、全炭素量を測定した。
【００３０】
図４はその結果を示す。
縦軸に加熱温度（反応温度）、水に可溶化した全炭素量（ｍｇ／２０ｍＬ）を、また横軸に反応時間（分）を示す。
【００３１】
（酵素による糖化処理）
ｐＨ及び全炭素量を測定した後の反応液に酵素としてセルラーゼ（ＨＢＩ社製セルロシンＴ２）を３ｍｇ／５ｍＬ添加して、５０℃で２０時間反応させた。
反応液中のグルコース量はグルコーステストワコー試薬（和光純薬工業製）によって測定した。
【００３２】
図５はその結果を示す。
縦軸にグルコース生成量（ｍｇ／２０ｍＬ）及びｐＨ、また横軸に反応時間（分）を示す。
【００３３】
〔比較例１〕
ここではオゾン処理を行わない場合について実験した。
【００３４】
（熱水処理）
スギおが屑の固形分０．５ｇを用意した。
この固形分を熱水流通型反応装置（時間と共に装置内の反応容器の温度を上昇させることができる）によって分解を行った。
反応容器内の圧力は１０ＭＰａとした。
分解液の採取を１０分間隔で行い、それぞれ２０ｍＬの反応液を得た。
反応液についてはｐＨ、全炭素量を測定した。
図６はその結果を示す。
【００３５】
（酵素による糖化処理）
ｐＨ及び全炭素量を測定した後の反応液に酵素としてセルラーゼ（ＨＢＩ社製セルロシンＴ２）を３ｍｇ／５ｍＬ添加して、５０℃で２０時間反応させた。
反応液中のグルコース量はグルコーステストワコー装置（和光純薬工業製）によって測定した。
図７はその結果を示す。
【００３６】
〔実施例３〕
実施例１のような実験によりオゾン処理を行った個々の水懸濁液を濾過乾燥させて固形分１ｇを作成した。
これを４０ｍＬの加熱水（１５０℃）に４時間放置してヘミセルロースを可溶化させて上澄み液１０ｍＬを採取した。
この上澄み液１０ｍＬにキシラナーゼ（ＨＢＩ社製セルロシＨＣ１００）を３ｍｇ／５ｍＬ添加して、５０℃で２４時間反応させた。
反応液中の糖類の分析にはイオンクロマトグラフ（ＤＩＯＮＥＸ社製）を用いた。
また糖の濃度はピーク面積で代用した。
図８はその結果を示す。
【００３７】
〔評価〕
（実施例１における知見）
反応時間が２時間では、残留固形分が７０重量％に下がっていることから、２時間の反応でリグニン（通常、リグノセルロースの３０重量％を占める）が分解されていることが分かる。
オゾン耐久性は、リグニン、ヘミセルロース、セルロースの順序で順次強くなるものであるから、反応時間が４時間ではヘミセルロースの分解（セルロースも有機酸に分解）が始まっていることが確認できた。
このことから、反応時間は２時間程度で十分であることが分かる。
【００３８】
（実施例２における知見）
ヘミセルロースは、１４０℃から溶け始め１９０℃でほぼ全量可溶化し、一方、セルロースは、１９０℃で溶け始めて２２０℃でほぼ全量可溶化した。
また、２５０℃を越えるとヘミセルロース又はセルロースが過分解することが分かった。
なお、過分解した後は、例えばヒドロキシメチルフルフラールとなる。
【００３９】
（比較例１における知見）
ヘミセルロースは、１５０℃から溶け始め、１８０℃でほぼ全量可溶化し、一方、セルロースは２２５℃で溶け始めて、２５０℃でほぼ全量可溶化した。
【００４０】
（実施例３における知見）
オゾン処理を行った場合はオゾン処理を行わない場合と較べてキシロオリゴ糖の収率が大きいことが分かる。
特に、オゾン処理を２時間、行った場合は、効率的にキシロオリゴ糖を得ることができる。
【００４１】
（実施例２と比較例１との比較）
図４と図６との比較から、ヘミセルロースもセルロースも、オゾン処理を行った場合、可溶化のための熱処理温度は、オゾン処理を行わない場合と較べて低くなっている。
そのため、熱的にも効率良く可溶化でき、結果的に糖化が効率良く行われることが分かる。
図５と図７の比較から、グルコースの収率は、オゾン処理を行った場合、オゾン処理を行わない場合と較べて数倍の収率を発揮することが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１はオゾン処理を示した工程図である。
【図２】図２は、熱処理及び糖化を示す工程図である。
【図３】図３は、オゾン処理の時間を変えた場合の熱水処理の結果を示す。
【図４】図４は、オゾン処理を４時間行った場合の熱水処理の結果を示す。
【図５】図５は、オゾン処理を４時間行った場合の糖化処理の結果を示す。
【図６】図６は、オゾン処理を行わない場合の熱水処理の結果を示す。
【図７】図７は、オゾン処理を行わない場合の糖化処理の結果を示す。
【図８】図８は、オゾン処理の時間を変えた場合の熱水処理における糖化の結果を示す。
【図１】
2006141244.tif 000003
【図２】
2006141244.tif 000004
【図３】
2006141244.tif 000005
【図４】
2006141244.tif 000006
【図５】
2006141244.tif 000007
【図６】
2006141244.tif 000008
【図７】
2006141244.tif 000009
【図８】
2006141244.tif 000010