(57)【要約】      （修正有）【課題】エネルギー消費が少なく、耐薬品性の設備を要せず、かつ副産物が少ない、セルロースの糖化の前処理方法、及び、グルコースの生成割合が高い、セルロースの糖化方法の提供。【解決手段】セルロース及び水を含む水性溶液を液中プラズマで処理する工程を含む、セルロースの処理方法。当該水性溶液が、ブレンステッド酸等の電解質を更に含み、液中プラズマによりＨラジカルが水性溶液中に発生する、当該セルロースの処理方法により、液中プラズマで処理されたセルロースを生成する工程、及び、液中プラズマで処理されたセルロースを水熱処理する工程を含む、セルロースの糖化方法。【選択図】図４Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース及び水を含む水性溶液を液中プラズマで処理する工程を含む、セルロースの処理方法。
【請求項２】
前記水性溶液が、電解質を更に含む、請求項１に記載のセルロースの処理方法。
【請求項３】
前記電解質が、ブレンステッド酸である、請求項２に記載のセルロースの処理方法。
【請求項４】
前記液中プラズマにより、Ｈラジカルが前記水性溶液中に発生する、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のセルロースの処理方法。
【請求項５】
前記液中プラズマで処理されたセルロースのＯＨ結合を示す赤外線吸収スペクトルのピークの位置が、前記液中プラズマで処理されていないセルロースのＯＨ結合を示す赤外線吸収スペクトルのピークの位置よりも、高波数側に位置する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のセルロースの処理方法。
【請求項６】
前記液中プラズマで処理されたセルロースのＯＨ結合を示す赤外線吸収スペクトルのピークの位置が、前記液中プラズマで処理されていないセルロースのＯＨ結合を示す赤外線吸収スペクトルのピークの位置よりも、３０ｃｍ−１〜１５０ｃｍ−１高波数側に位置する、請求項５に記載のセルロースの処理方法。
【請求項７】
前記赤外線吸収スペクトルが、フーリエ変換赤外分光光度計を用いて得られる、請求項５又は請求項６に記載のセルロースの処理方法。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のセルロースの処理方法により、液中プラズマで処理されたセルロースを生成する工程、及び、
前記液中プラズマで処理されたセルロースを水熱処理する工程、を含む、セルロースの糖化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、セルロースの処理方法、及びセルロースの糖化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止を促進させるために、二酸化炭素排出量の削減や循環型社会の構築という観点から、石油代替となるバイオエタノールを生産するための技術開発が活発に行われている。既存のバイオエタノールの生産では、糖含有量や糖化の容易さの観点から、サトウキビやトウモロコシなどの食料系バイオマスが主に原料として利用されている。しかし、世界的な食料不足が問題となりつつあるため、食物と競合しない非食料系及び廃棄物系バイオマスなどのバイオマス（以下、「セルロース系バイオマス」ともいう。）の利用が望まれている。
セルロース系バイオマスからバイオエタノールを生産するには、前処理、糖化、発酵、蒸留精製の工程が必要である。セルロース系バイオマス中のセルロース繊維は、強固な結晶構造を有するため、糖化する際にはセルロースの結晶性を低下させ、糖化を容易にするための前処理が重要である。このセルロースの糖化の前処理としては、水熱処理（亜臨界水処理を含む）、濃硫酸処理、希硫酸処理、及び物理的粉砕処理などが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２２９８２１号公報
【特許文献２】特開２００１−２０５０７０号公報
【特許文献３】特開２００６−１３６２６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のセルロースの糖化の前処理の一つである濃硫酸処理は、既に確立された技術であるが、中和時に発生する石膏の処理、硫酸の腐食性に対する耐薬品性プラントの必要性、硫酸回収時の消費エネルギーが大きいことなどが問題になっていた。希硫酸処理も、硫酸中和による石膏発生の問題や耐薬品性プラントの必要性が同様に存在する。
水熱処理（オートクレーブ等の装置による高圧水蒸気処理や、亜臨界水処理）、及び物理的粉砕処理（ボールミル処理など）では、エネルギーの消費が大きく、前処理のコストが高くなるという問題を抱えている。
また、上記のような従来の前処理をした後にセルロースを糖化させると、バイオエタノールの生成に必要なグルコース以外の糖（例えば、マルトース、キシロースなど）が高い割合で生成することから、セルロースの糖化におけるグルコースの生成割合の低さが問題となっていた。
【０００５】
上記に鑑み、本発明の一実施形態が解決しようとする課題は、エネルギー消費が少なく、耐薬品性の設備を要せず、かつ副産物が少ない、セルロースの糖化の前処理方法を提供することにある。
また、本発明の他の実施形態が解決しようとする課題は、グルコースの生成割合が高い、セルロースの糖化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
＜１＞  セルロース及び水を含む水性溶液を液中プラズマで処理する工程を含む、セルロースの処理方法。
＜２＞  前記水性溶液が、電解質を更に含む、＜１＞に記載のセルロースの処理方法。
＜３＞  前記電解質が、ブレンステッド酸である、＜２＞に記載のセルロースの処理方法。
＜４＞  前記液中プラズマにより、Ｈラジカルが前記水性溶液中に発生する、＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載のセルロースの処理方法。
＜５＞  前記液中プラズマで処理されたセルロースのＯＨ結合を示す赤外線吸収スペクトルのピークの位置が、前記液中プラズマで処理されていないセルロースのＯＨ結合を示す赤外線吸収スペクトルのピークの位置よりも、高波数側に位置する、＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載のセルロースの処理方法。
＜６＞  前記液中プラズマで処理されたセルロースのＯＨ結合を示す赤外線吸収スペクトルのピークの位置が、前記液中プラズマで処理されていないセルロースのＯＨ結合を示す赤外線吸収スペクトルのピークの位置よりも、３０ｃｍ−１〜１５０ｃｍ−１高波数側に位置する、＜５＞に記載のセルロースの処理方法。
＜７＞  前記赤外線吸収スペクトルが、フーリエ変換赤外分光光度計を用いて得られる、＜５＞又は＜６＞に記載のセルロースの処理方法。
＜８＞  ＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載のセルロースの処理方法により、液中プラズマで処理されたセルロースを生成する工程、及び、前記液中プラズマで処理されたセルロースを水熱処理する工程、を含む、セルロースの糖化方法。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、エネルギー消費が少なく、耐薬品性の設備を要せず、かつ副産物が少ない、セルロースの糖化の前処理方法が提供される。
また、本開示によれば、グルコースの生成割合が高い、セルロースの糖化方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】０．３Ｍ塩酸水溶液を用いたセルロース懸濁液における、液中プラズマ処理後のラジカルの存在量を示すスペクトルデータである。
【図１Ｂ】０．３Ｍ水酸化ナトリウムを用いたセルロース懸濁液における、液中プラズマ処理後のラジカルの存在量を示すスペクトルデータである。
【図２Ａ】塩酸水溶液を用いたセルロース懸濁液を液中プラズマ処理した後のラジカルの割合を示すグラフである。
【図２Ｂ】水酸化ナトリウム水溶液を用いたセルロース懸濁液を液中プラズマ処理した後のラジカルの割合を示すグラフである。
【図２Ｃ】液中プラズマ処理後のラジカルの割合とｐＨとの関係を示すグラフである。
【図３Ａ】液中プラズマ処理を行う前のセルロースを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した画像を示す写真である。
【図３Ｂ】対照水溶液（純水）中で液中プラズマ処理行った後のセルロースをＳＥＭで観察した画像を示す写真である。
【図３Ｃ】０．１Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理行った後のセルロースをＳＥＭで観察した画像を示す写真である。
【図３Ｄ】０．３Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理行った後のセルロースをＳＥＭで観察した画像を示す写真である。
【図３Ｅ】０．５Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理行った後のセルロースをＳＥＭで観察した画像を示す写真である。
【図４Ａ】未処理の微結晶セルロース（ＭＣＣ；Ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、及びボールミル処理したセルロース（４８時間）について、フーリエ変換赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）により測定された赤外線吸収スペクトルである。
【図４Ｂ】未処理の微結晶セルロース、及び塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、ＦＴ−ＩＲにより測定された赤外線吸収スペクトルである。
【図４Ｃ】未処理の微結晶セルロース、及びクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、ＦＴ−ＩＲにより測定された赤外線吸収スペクトルである。
【図４Ｄ】未処理の微結晶セルロース、及び水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、ＦＴ−ＩＲにより測定された赤外線吸収スペクトルである。
【図５Ａ】触媒のみ、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを２４時間の水熱処理に供した後に生成された糖類の生成量を示すグラフである。
【図５Ｂ】触媒のみ、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを４８時間の水熱処理に供した後に生成された糖類の生成量を示すグラフである。
【図６】未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを処理時間を変更して水熱処理した後に生成されたグルコースの生成量を示すグラフである。
【図７Ａ】未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、２４時間水熱処理した後の各糖類への転換率を示すグラフである。
【図７Ｂ】未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、４８時間水熱処理した後の各糖類への転換率を示すグラフである。
【図７Ｃ】未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、４８時間水熱処理した後の各糖類の生成割合を示すグラフである。
【図８Ａ】未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍのクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、４８時間水熱処理した後の各糖類への転換率を示すグラフである。
【図８Ｂ】未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍのクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、４８時間水熱処理した後の各糖類の生成割合を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示において、「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を意味する。本開示に段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において、「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
本開示において、「質量％」と「重量％」とは同義であり、「質量部」と「重量部」とは同義である。
【００１０】
＜セルロースの処理方法＞
本開示のセルロースの処理方法は、セルロース及び水を含む水性溶液を液中プラズマで処理する工程を含む。
セルロース系バイオマスからバイオエタノールを生産するには、前処理、糖化、発酵、蒸留精製の工程が必要であるが、セルロース系バイオマス中のセルロース繊維は、強固な結晶構造を有するため、糖化する際にはセルロースの結晶性を低下させ、糖化を容易にするための前処理が重要である。従来、セルロースの糖化の前処理としては、水熱処理、亜臨界水処理、濃硫酸法、希硫酸処理及び物理的粉砕処理などが知られていたものの、いずれも、エネルギーの消費が大きいという問題があり、また硫酸を用いる場合には、硫酸の腐食性に対する耐薬品性プラントが必要であり、石膏などの副生成物が生じることも問題となっていた。
これに対し、本開示は、セルロース及び水を含む水性溶液を液中プラズマで処理することにより、エネルギー消費が少なく、耐薬品性の設備を要せず、かつ副生成物が少ない、セルロースの糖化の前処理の方法を提供することができる。その理由は、以下のように推察される。すなわち、セルロース及び水を含む水性溶液を液中プラズマで処理することにより、水性溶液中にＨラジカル（水素ラジカル）が発生し、Ｈラジカルがセルロースにおける分子内及び分子間の水素結合における酸素原子に作用して、水素結合の結合力を弱めることにより、セルロースの結晶率を低下させると考えられる。また、Ｈラジカルがセルロースの結晶率を低下させることから石膏のような副産物は生じず、硫酸を用いる前処理で必要な耐薬品性の設備が不要となる。更に、本開示のプラズマ処理は、室温及び大気圧条件下で行うことができ、時間も数十分程度で十分にセルロースの糖化の前処理効果を得られることから、高温及び高圧で長時間の条件を要する従来法に比べて、非常に小さいエネルギーでセルロースの糖化の前処理を行うことができると考えられる。
【００１１】
（水性溶液）
水性溶液は、セルロース及び水を含み、必要に応じて電解質を含んでもよい。
セルロース及び水を含む水性溶液は、液中プラズマで処理されることにより、ラジカルを発生する。液中プラズマで処理されることにより水性溶液中に発生するラジカルには、水に由来するＨラジカル、Ｏラジカル（酸素ラジカル）、及びＯＨラジカル（ヒドロキシルラジカル）が含まれる。特に、液中プラズマで処理されることにより水性溶液中に発生するラジカルにＨラジカルが含まれることは、セルロースにおける分子内及び分子間の水素結合を弱める観点から好ましい。
また、水性溶液が電解質を含む場合、液中プラズマで処理されることにより発生するラジカルには、電解質に由来するラジカルも含まれる。電解質に由来するラジカルは、Ｈラジカルであることが好ましい。Ｈラジカルが多くなると、セルロースにおける分子内及び分子間の水素結合を弱める度合が高くなるため、好ましい。
【００１２】
−セルロース−
水性溶液は、セルロースを含む。
セルロースは、特に制限されず、セルロースを含む任意の植物、微生物等に由来してよい。セルロースは、食料系バイオマス（例えば、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイ、コムギ、オオムギ、イネ、エンバクなど）、非食料系バイオマス（例えば、間伐材などの木、非食用の草、農作物の非食用部、稲藁、麦藁、籾殻、バガスなど）、及び廃棄物系バイオマス（例えば、廃木材、廃紙など）などに由来することができるが、食料との競合の観点から、非食料系バイオマス及び廃棄物系バイオマスなどのセルロース系バイオマス由来であることが好ましい。
セルロースは、食料系バイオマス、非食料系バイオマス、及び廃棄物系バイオマスから公知の方法で精製された、精製セルロースであってよい。精製セルロースは、市販品であってもよい。
【００１３】
セルロースの含有量は、水性溶液１００質量部に対し、０．０１質量部〜１０質量部が好ましく、０．１質量部〜５質量部がより好ましく、０．５質量部〜１質量部が更に好ましい。セルロースの含有量が上記範囲であることにより、液中プラズマ処理を効率的に行うことができる。
【００１４】
−水−
水性溶液は、水を含む。水は、純水であることが好ましい。
水性溶液は、水性溶液の水溶性を妨げない範囲で、水以外の極性溶媒を含むことができる。そのような極性溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールなどが挙げられる。極性溶媒の含有量は、水性溶媒１００質量部に対し、０質量部〜１００質量部が好ましく、５質量部〜３０質量部がより好ましい。
【００１５】
−電解質−
水性溶液は、電解質を含んでもよい。電解質は、１種のみであってよく、２種以上であってもよい。
電解質は、水に溶解する物質であれば特に制限されず、例えば、酸、塩基、又は塩であってよい。
【００１６】
好ましくは、電解質は、水に溶解してプロトンを生じるブレンステッド酸である。水性溶液にブレンステッド酸が溶解してプロトンの濃度が高くなると、液中プラズマ処理した場合に生じるＨラジカルが多くなり、セルロースにおける分子内及び分子間の水素結合を弱める度合が高くなるため、好ましい。
【００１７】
好ましくは、ブレンステッド酸は、無機酸、スルホン酸、又はカルボン酸である。より好ましくは、ブレンステッド酸は、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、ギ酸、酢酸、クロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グリコール酸、乳酸、リンゴ酸、又はクエン酸であり、塩酸又はクエン酸が更に好ましい。
【００１８】
電解質の濃度は、特に制限されないが、０．０１Ｍ〜１．０Ｍが好ましく、０．０５Ｍ〜０．５Ｍがより好ましい。電解質の濃度が上記範囲であることにより、液中プラズマ処理によって好ましい量のラジカル（特にＨラジカル）を発生させることができる。また、電解質の濃度が１．０Ｍ以下であることにより、耐薬品性の設備を必要とせずに、セルロースの前処理を行うことができる。
【００１９】
（液中プラズマ）
本開示において、液中プラズマとは、水性溶液中で発生されるプラズマをいう。「液中プラズマ」の用語には、ソリューションプラズマ、及び液体プラズマなどの用語も含まれる。
液中プラズマ処理とは、溶液中で対向するように配置された２つの電極の間に電圧を印加することにより、２つの電極間にプラズマを発生させる処理をいう。電極に電圧が印加されることにより、電極周辺は加熱され、気泡を生じる。この気泡中で絶縁破壊が発生し、亜臨界状態を含む溶液に取り囲まれた空間でプラズマが発生し、高エネルギー状態の閉鎖系環境が生じる。この閉鎖系環境において、気相、液相、亜臨界相、及びそれらの界面で様々な化学反応が促進されることにより、水性溶液に含まれる水及び電解質に由来するラジカルを効率的に発生させることができる。
【００２０】
液体プラズマ処理に使用する電源としては、パルス電圧を印加できるパルス電源が好ましい。パルス電源を用いることにより、溶液の過熱及び電極の劣化を抑制することができる。
液体プラズマ処理に使用する電極としては、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）等が好ましい。
【００２１】
液体プラズマ処理における周波数は、１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚが好ましく、５ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚがより好ましく、１５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚが更に好ましい。
液体プラズマ処理におけるパルス幅は、０．０５μｓ〜４０μｓが好ましく、０．１μｓ〜１０μｓがより好ましく、０．５μｓ〜３μｓが更に好ましい。
液体プラズマ処理における電極間距離は、０．０１ｍｍ〜２０ｍｍが好ましく、０．１ｍｍ〜５ｍｍがより好ましく、０．５ｍｍ〜２ｍｍが更に好ましい。
液体プラズマ処理における周波数、パルス幅、及び電極間距離が上記範囲であることにより、水性溶液に含まれる水及び電解質に由来するラジカルを効率的に発生させることができる。
【００２２】
（液中プラズマで処理されたセルロースの回収）
液中プラズマで処理されたセルロースは、制限なく、公知の方法により回収することができる。例えば、濾紙又はフィルターなどを用いた濾過、遠心分離などにより、液中プラズマで処理されたセルロースを回収することができる。回収されたセルロースは、水性溶液を含む湿潤又は半乾燥状態であってよく、又は乾燥状態であってもよい。
回収されたセルロースは、公知の方法で洗浄してもよい。
【００２３】
（セルロースにおける化学結合の測定）
セルロースにおける化学結合は、フーリエ変換赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）で測定される。好ましくは、ＦＴ−ＩＲには、フーリエ変換赤外分光光度計が用いられる。
セルロースの化学結合の状態は、被検体のセルロース：ＫＢｒ＝１：１００（質量比）となるよう試料を調製し、フーリエ変換赤外分光光度計（例えば、株式会社島津製作所製、ＩＲ  Ｐｒｅｓｔｉｇｅ２）を用いて上記試料について得られた赤外線吸収スペクトルに基づいて解析する。赤外線吸収スペクトルは、４０００ｃｍ−１〜４００ｃｍ−１の範囲にわたり４ｃｍ−１の解像度で得ることができる。
【００２４】
赤外線吸収スペクトルで観測される吸収帯の位置は、赤外線により励起される分子又は結晶に含まれる原子団（官能基）の振動数に対応する。また、そのような振動数は、原子団のまわりの化学構造の違いにより、特定の変化をすることが知られている。それゆえ、赤外線吸収スペクトルで観測される吸収帯、及びその吸収帯で最も赤外線の吸収が多い振動数（ピーク）を調べることにより、当該分子又は結晶に含まれる原子団を特定するとともに、その原子団のまわりの化学構造を調べることができる。特に、ＯＨ基を表す吸収帯の位置は、分子内及び分子間の水素結合の変化に影響されることが知られており、ＯＨ基を表す吸収帯のピークの位置が通常よりも高波数側に位置することは、分子内及び分子間の水素結合が弱いことを示すことが知られている。
【００２５】
一実施態様において、本開示のセルロースの処理方法は、セルロースの結晶性を低下させ、糖化を容易にするための前処理に関する。それゆえ、セルロースの結晶性の結晶性に関与する水素結合を形成するＯＨ基の赤外線吸収スペクトルに着目する。
【００２６】
未処理のセルロースにおいて、ＯＨ基を表す赤外線吸収スペクトルのピークは、典型的には、３２００ｃｍ−１〜３４００ｃｍ−１に存在する。ここで、赤外線吸収スペクトルのピークの位置が高波数側に位置することは、セルロースにおける分子内及び分子間の水素結合が弱くなっていることを示す。
【００２７】
好ましくは、液中プラズマで処理されたセルロースのＯＨ結合を示す赤外線吸収スペクトルのピークは、液中プラズマで処理されていないセルロースのＯＨ結合を示す赤外線吸収スペクトルのピークよりも、高波数側に位置する。これは、液中プラズマで処理されたセルロースでは、未処理のセルロースよりも、分子内及び分子間の水素結合が弱まっていることを示し、セルロースの糖化の前処理としての効果が高いことを示すため、好ましい。
【００２８】
より具体的には、液中プラズマで処理されたセルロースのＯＨ結合を示す赤外線吸収スペクトルのピークは、液中プラズマで処理されていないセルロースのＯＨ結合を示す赤外線吸収スペクトルのピークよりも、３０ｃｍ−１〜１５０ｃｍ−１高波数側に位置することが好ましく、４０ｃｍ−１〜１５０ｃｍ−１高波数側に位置することがより好ましく、６５ｃｍ−１〜１５０ｃｍ−１高波数側に位置することが更に好ましく、１００ｃｍ−１〜１５０ｃｍ−１高波数側に位置することが最も好ましい。これは、液中プラズマで処理されたセルロースでは、未処理のセルロースよりも、分子内及び分子間の水素結合が弱くなっていることを示し、セルロースの糖化の前処理としての効果が高いことを示すため、好ましい。
【００２９】
＜セルロースの糖化方法＞
本開示のセルロースの糖化方法は、本開示のセルロースの処理方法により、液中プラズマで処理されたセルロースを生成する工程（工程Ａ）、及び、前記液中プラズマで処理されたセルロースを水熱処理する工程（工程Ｂ）を含む。
「セルロースの糖化」とは、セルロースを水熱処理することにより、当該セルロースを加水分解して糖を生成することをいう。
【００３０】
（工程Ａ）
本開示のセルロースの糖化方法は、本開示のセルロースの処理方法により、液中プラズマで処理されたセルロースを生成する工程（工程Ａ）を含む。工程Ａにおける「セルロースの処理方法」は、前掲の「＜セルロースの処理方法＞」に記載した通りである。
工程Ａでは、セルロース及び水を含む水性溶液を液中プラズマで処理する工程を含むことにより、当該水性溶液中にはＨラジカルなどのラジカルが発生する。特に、Ｈラジカルは、セルロースの分子内及び分子間の水素結合における酸素原子に作用することにより、水素結合を弱め、セルロースの結晶率を低下させることにより、セルロースの糖化を促進することができると考えられる。
また、詳細な理由は不明であるが、Ｈラジカルは、セルロースに存在する酸素原子のうち、β−１，４グリコシド結合部分の酸素原子に優先的に結合する傾向がある。このため、工程Ａを含むセルロースの糖化方法によりセルロースが糖化されると、グルコースの生成量及び生成割合が高まると考えられる。
【００３１】
（液中プラズマで処理されたセルロースを回収する工程）
本開示のセルロースの糖化方法は、液中プラズマで処理されたセルロースを回収する工程を含むことができる。液中プラズマで処理されたセルロースの回収は、制限なく、公知の方法により行うことができる。例えば、濾紙又はフィルターなどを用いた濾過、遠心分離などにより、液中プラズマで処理されたセルロースを回収することができる。回収されたセルロースは、水性溶液を含む湿潤又は半乾燥状態であってよく、又は乾燥状態であってもよい。
回収されたセルロースは、公知の方法で洗浄してもよい。
【００３２】
（工程Ｂ）
本開示のセルロースの糖化方法は、液中プラズマで処理されたセルロースを水熱処理する工程（工程Ｂ）を含む。
【００３３】
−水熱処理−
水熱処理は、液中プラズマで処理されたセルロースを水性媒体に懸濁させ、以下に示すような温度等の条件下で処理することにより、当該セルロースを加水分解して糖を生成する処理である。水熱処理は、例えば、オートクレーブ（高圧蒸気滅菌器）を用いて行うことができる。
水熱処理の回数は、特に制限されず、１回であってよく、２回以上であってもよい。水熱処理を２回以上行う場合、第１の水熱処理と、その後の水熱処理とは、異なる条件で行うことができる。
【００３４】
水熱処理において、液中プラズマで処理されたセルロースは、水性媒体に懸濁される。液中プラズマで処理されたセルロースの含有量は、水性媒体１００質量部に対し、０．０１質量部〜１０質量部が好ましく、０．１質量部〜５質量部がより好ましく、０．５質量部〜１質量部が更に好ましい。
水性媒体は、水を含み、水は、純水であることが好ましい。水性媒体は、水熱処理を妨げない範囲で、水以外の極性溶媒を含むことができる。そのような極性溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールなどが挙げられる。極性溶媒の含有量は、水性溶媒１００質量部に対し、０質量部〜１００質量部が好ましく、５質量部〜３０質量部がより好ましい。
【００３５】
水熱処理においては、液中プラズマで処理されたセルロースからグルコースへの糖化を促進させるために、触媒を用いることが好ましい。触媒は、−ＳＯ３Ｈ基を有する触媒であることが好ましい。触媒は、耐熱性の固体触媒であることが好ましい。固体触媒としては、市販品を用いることができ、例えば、オルガノ株式会社製のアンバーリスト１５（ＤＲＹ又はＪＷＥＴ）、１６ＷＥＴ、３１ＷＥＴ、及び３５ＷＥＴなどを好ましく用いることができる。
触媒の含有量は、水性媒体１００質量部に対し、０．０２質量部〜２０質量部が好ましく、０．２質量部〜１０質量部がより好ましく、１質量部〜２質量部が更に好ましい。
【００３６】
水熱処理において、温度は、１００℃〜１８０℃が好ましく、１２０℃〜１５０℃がより好ましい。
水熱処理の時間は、３時間〜４８時間が好ましく、６時間〜３６時間がより好ましい。
水熱処理において、圧力は、０．０１ＭＰａ〜１０ＭＰａが好ましく、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａがより好ましい。
【実施例】
【００３７】
以下、本開示を実施例により更に具体的に説明するが、本開示はその主旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は質量基準である。
【００３８】
＜実施例１＞
（液中プラズマ処理）
内径４３ｍｍ、高さ７５ｍｍのグラスビーカー（１００ｍＬ）の２つの対極側から、円錐形のシリコンプラグを備えた１対のタングステン電極（直径１ｍｍ）を挿入した。２つの電極間の距離は、０．５ｍｍとした。なお、上記電極を備える容器は、以下「液中プラズマ反応容器」ともいう。
【００３９】
液中プラズマ反応容器に、水溶液（各１００ｍｌ）を入れ、セルロース源として０．５ｇの微結晶セルロース粉末（和光純薬工業株式会社製、０３６−２２２５）をスターラーで撹拌して懸濁させることにより、セルロース懸濁液を調製した。水溶液としては、以下の水溶液を選択して用いた。
−水溶液−
塩酸水溶液：０．１Ｍ塩酸水溶液、０．３Ｍ塩酸水溶液、及び０．５Ｍ塩酸水溶液
クエン酸水溶液：０．１Ｍクエン酸水溶液、０．３Ｍクエン酸水溶液、及び０．５Ｍクエン酸水溶液
アンモニア水溶液：０．１Ｍアンモニア水溶液、０．３Ｍアンモニア水溶液、及び０．５Ｍアンモニア水溶液
水酸化ナトリウム水溶液：０．１Ｍ水酸化ナトリウム水溶液、０．３Ｍ水酸化ナトリウム水溶液、及び０．５Ｍ水酸化ナトリウム水溶液
対照水溶液：純水
【００４０】
上記各セルロース懸濁液について、液中プラズマ処理を行った。液中プラズマ処理は、双極電極を用いて、一次電圧を１００Ｖ、二次電圧を１ｋＶ、パルス幅を０．５μｓ、パルス周波数を３０ｋＨｚとして、室温、大気圧条件下で３０分間、プラズマを発生させることにより行った。
【００４１】
プラズマ処理したセルロース懸濁液は、懸濁液の状態で、又はプラズマ処理したセルロースを濾過により回収して、以下の実施例で用いた。
【００４２】
（ラジカルの測定）
ラジカルの測定は、発光分光分析により行った。発光分光分析装置としては、Ａｖａｎｔｅｓ社製ＡｖａＳｐｅｃ−３６４８を用い、測定波長２００ｎｍ〜１１００ｎｍ、積分時間１００ｍｓ、及び解像度２０ｎｍで測定した。
【００４３】
図１Ａには、０．３Ｍ塩酸水溶液を用いたセルロース懸濁液における、液中プラズマ処理後のラジカルの存在量を示す。図１Ａ中、４本のグラフは、液中プラズマ処理開始直後（０ｍｉｎ）、液中プラズマ処理開始後１０分（１０ｍｉｎ）、液中プラズマ処理開始後２０分（２０ｍｉｎ）、液中プラズマ処理開始後３０分（３０ｍｉｎ）の結果を示す。この結果から、０．３Ｍ塩酸水溶液を液中プラズマ処理することで、Ｈラジカル（Ｈα及びＨβ）が大量に生成することが示された。
【００４４】
図１Ｂには、０．３Ｍ水酸化ナトリウムを用いたセルロース懸濁液における、液中プラズマ処理後のラジカルの存在量を示す。図１Ｂ中、４本のグラフは、液中プラズマ処理開始直後（０ｍｉｎ）、液中プラズマ処理開始後１０分（１０ｍｉｎ）、液中プラズマ処理開始後２０分（２０ｍｉｎ）、液中プラズマ処理開始後３０分（３０ｍｉｎ）の結果を示す。この結果から、０．３Ｍ水酸化ナトリウムを液中プラズマ処理することで、Ｎａラジカル（Ｎａ）が大量に生成することが示された。また、Ｈラジカルの生成量は、０．３Ｍ塩酸水溶液を用いた場合よりも、少ないことが示された。
【００４５】
（ラジカルの生成割合）
図２Ａは、塩酸水溶液を用いたセルロース懸濁液を液中プラズマ処理した後のラジカルの割合を示す。この結果から、電解質として塩酸を用いた場合には、Ｈラジカル（Ｈα）の割合が５０％以上と高く、かつ塩酸の濃度依存的にＨラジカルの割合が増加することが示された。
図２Ｂは、水酸化ナトリウム水溶液を用いたセルロース懸濁液を液中プラズマ処理した後のラジカルの割合を示す。この結果から、電解質として水酸化ナトリウムを用いた場合には、Ｎａラジカル（Ｎａ）の割合が高く、かつ水酸化ナトリウムの濃度依存的にＮａラジカルの割合が増加することが示された。
【００４６】
図２Ｃには、液中プラズマ処理後のラジカルの割合とｐＨとの関係を示している。図２Ｃにおいて、塩酸水溶液又はクエン酸水溶液のセルロース懸濁液を液中プラズマ処理した場合（ｐＨ０付近〜ｐＨ２．５付近）には、アンモニア水溶液又は水酸化ナトリウム水溶液のセルロース懸濁液を液中プラズマ処理した場合（ｐＨ１１付近〜ｐＨ１４付近）よりも、Ｈラジカルの生成割合が多いことが示された。対照である純水（ｐＨ７）を液中プラズマ処理した場合のＨラジカルの生成量は、塩酸水溶液又はクエン酸水溶液を用いた場合とアンモニア水溶液又は水酸化ナトリウム水溶液を用いた場合との中間程度であった。
【００４７】
（セルロースの形態）
走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、液中プラズマ処理を行う前後のセルロースの形態を観察した。ＳＥＭには、ショットキー電界放出形走査電子顕微鏡（日本電子株式会社製、ＪＳＭ−７６１０Ｆ）を用い、加速電圧を１５ｋＶとして観察した。
図３Ａ〜図３Ｅには、液中プラズマ処理を行う前のセルロース（図３Ａ）、対照水溶液（純水）中で液中プラズマ処理行った後のセルロース（図３Ｂ）、０．１Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理行った後のセルロース（図３Ｃ）、０．３Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理行った後のセルロース（図３Ｄ）、及び０．５Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理行った後のセルロース（図３Ｅ）をそれぞれＳＥＭで観察した画像が示されている。
【００４８】
図３Ａ及び図３Ｂの結果から、液中プラズマ処理により、セルロースがわずかに微細化していることが示された。
また、図３Ｂ〜図３Ｅの結果から、塩酸の濃度が高くなるにつれて、セルロースの微細化の度合が高まることが示された。
【００４９】
（セルロースの結晶率）
塩酸水溶液又はクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロース、水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロース、及びボールミル処理したセルロースのそれぞれの結晶率をＸ線回折（ＸＲＤ）により測定した。
【００５０】
−ボールミル処理−
ボールミル処理は、小型ボールミル架台（株式会社アサヒ理化製作所製、ＡＶ−１型）
に、微結晶セルロース粉末（和光純薬工業株式会社製、０３６−２２２５）１０ｇ、及びアルミナボール（株式会社ニッカトー製、型番ＨＤ−１０、直径１０ｍｍ）１ｋｇを入れ、振動回転数６５０ｒｐｍ、処理時間を１２時間、２４時間、及び４８時間とした。
【００５１】
−ＸＲＤ−
ＸＲＤには、試料水平型多目的Ｘ線回折装置（株式会社リガク製、Ｕｌｔｉｍａ  ＩＶ）を用い、４０ｋＶ及び４０ｍＡ（１．６ｋＷ）で操作したＣｕＫα放射線（λ＝０．１５４１８ｎｍ）を用いた。上記Ｘ線回折装置は、２θの範囲を５°〜６０°とし、スキャン幅を１スキャンあたり０．０３°としてセットした。
【００５２】
−結晶率−
結晶率は、以下の式により求めることができる。
結晶率＝（Ｉ１０１＋Ｉ１０１’＋Ｉ００２＋Ｉ１３１）／（Ｉ１０１＋Ｉ１０１’＋Ｉ００２＋Ｉ１３１＋Ｉａｍ）    （１）
上記式（１）中、Ｉ１０１、Ｉ１０１’、Ｉ００２、Ｉ１３１、及びＩａｍは、それぞれ、１４．６°（１０１）、１６．５°（１０１’）、２２．６°（００２）、３４．８°（１３１）、及び１８°（アモルファス相の散乱のバックグラウンド）における回折の散乱面積である。
【００５３】
塩酸水溶液又はクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロース、水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロース、並びにボールミル処理したセルロースのそれぞれの結晶率を下記表１に示す。
【００５４】
【表１】
2019001959.tif 000003
【００５５】
表１の結果から、ボールミル処理したセルロースは、１２時間から４８時間にかけて、経時的に結晶率が低下していることが示された。
表１の結果から、純水中で液中プラズマ処理したセルロースは、未処理の微結晶セルロース（ＭＣＣ；Ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）よりも、結晶率が低下したことが示された。
表１の結果から、塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースは、塩酸の濃度依存的に、結晶率が低下したことが示された。
表１の結果から、クエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースは、クエン酸の濃度依存的に、結晶率が低下したことが示された。
表１の結果から、水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースは、水酸化ナトリウムの濃度依存的に、結晶率が低下したことが示された。
【００５６】
（セルロースにおける化学結合の測定）
未処理の微結晶セルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、ボールミル処理したセルロース（４８時間）、塩酸水溶液又はクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロース、のそれぞれの化学結合の状態をフーリエ変換赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）で測定した。
【００５７】
セルロースの化学結合の状態は、被検体のセルロース：ＫＢｒ＝１：１００（質量比）となるよう試料を調製し、フーリエ変換赤外分光光度計（株式会社島津製作所製、ＩＲ  Ｐｒｅｓｔｉｇｅ２１）を用いて上記試料について得られた赤外線吸収スペクトルに基づいて解析した。赤外線吸収スペクトルは、４０００ｃｍ−１〜４００ｃｍ−１の範囲にわたり４ｃｍ−１の解像度で得た。
【００５８】
その結果を図４Ａ〜図４Ｄに示す。
図４Ａには、未処理の微結晶セルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、及びボールミル処理したセルロース（４８時間）について、ＦＴ−ＩＲにより測定された赤外線吸収スペクトルを示す。
以下においては、セルロースにおける分子内及び分子間の水素結合の強さを測定する観点から、ＯＨ結合を示すピークの波数に着目した。
未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数（ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ）は、３２８２．８４ｃｍ−１であった。
【００５９】
また、ボールミル処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３２９７．４５ｃｍ−１であったことから、ボールミル処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置は、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置と差がほとんどなかった。それゆえ、未処理の微結晶セルロースと、ボールミル処理したセルロースとの間で、ＯＨ結合の状態に変化はほとんどなく、水素結合の強さも同程度であることが示された。
【００６０】
これに対し、純水中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３３０９．８５ｃｍ−１であったことから、純水中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置は、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置よりも、長波長側に位置していた。この結果から、純水中で液中プラズマ処理したセルロースにおいては、未処理の微結晶セルロースよりも、分子内及び分子間の水素結合が弱くなっていることが示された。
【００６１】
図４Ｂには、未処理の微結晶セルロース、並びに０．１Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロース、０．３Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロース、及び０．５Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、ＦＴ−ＩＲにより測定された赤外線吸収スペクトルを示す。
未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３２７３．２ｃｍ−１であった。
【００６２】
これに対し、０．１Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３３４８．４２ｃｍ−１であったことから、０．１Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置は、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置よりも、長波長側に位置していた。この結果から、０．１Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいては、未処理の微結晶セルロースよりも、分子内及び分子間の水素結合が弱くなっていることが示された。
【００６３】
また、０．３Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３３６３．８６ｃｍ−１であったことから、０．３Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置は、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置よりも、長波長側に位置していた。この結果から、０．３Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいては、未処理の微結晶セルロースよりも、分子内及び分子間の水素結合が弱くなっていることが示された。
【００６４】
また、０．５Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３３６０ｃｍ−１であったことから、０．５Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置は、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置よりも、長波長側に位置していた。この結果から、０．５Ｍ塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいては、未処理の微結晶セルロースよりも、分子内及び分子間の水素結合が弱くなっていることが示された。
【００６５】
図４Ｃには、未処理の微結晶セルロース、並びに０．１Ｍクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロース、０．３Ｍクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロース、及び０．５Ｍクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、ＦＴ−ＩＲにより測定された赤外線吸収スペクトルを示す。
未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３２８４．７７ｃｍ−１であった。
【００６６】
これに対し、０．１Ｍクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３３５９．１８ｃｍ−１であったことから、０．１Ｍクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークは、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置よりも、長波長側に位置していた。この結果から、０．１Ｍクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいては、未処理の微結晶セルロースよりも、分子内及び分子間の水素結合が弱くなっていることが示された。
【００６７】
また、０．３Ｍクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３３６４．９６ｃｍ−１であったことから、０．３Ｍクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置は、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置よりも、長波長側に位置していた。この結果から、０．３Ｍクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいては、未処理の微結晶セルロースよりも、分子内及び分子間の水素結合が弱くなっていることが示された。
【００６８】
また、０．５Ｍクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３３６４．９６ｃｍ−１であったことから、０．５Ｍクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークは、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置よりも、長波長側に位置していた。この結果から、０．５Ｍクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいては、未処理の微結晶セルロースよりも、分子内及び分子間の水素結合が弱くなっていることが示された。
【００６９】
図４Ｄには、未処理の微結晶セルロース、並びに０．１Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロース、０．３Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロース、及び０．５Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、ＦＴ−ＩＲにより測定された赤外線吸収スペクトルを示す。
未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３２７７．０６ｃｍ−１であった。
【００７０】
これに対し、０．１Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３３３６．９９ｃｍ−１であったことから、０．１Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置は、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置よりも、長波長側に位置していた。この結果から、０．１Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいては、未処理の微結晶セルロースよりも、分子内及び分子間の水素結合が弱くなっていることが示された。
【００７１】
また、０．３Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３３２２．５３ｃｍ−１であったことから、０．３Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置は、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置よりも、長波長側に位置していた。この結果から、０．３Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいては、未処理の微結晶セルロースよりも、分子内及び分子間の水素結合が弱くなっていることが示された。
【００７２】
また、０．５Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数は、３３２３．４９ｃｍ−１であったことから、０．５Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置は、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの位置よりも、長波長側に位置していた。この結果から、０．５Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいては、未処理の微結晶セルロースよりも、分子内及び分子間の水素結合が弱くなっていることが示された。
【００７３】
図４Ａの結果から、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数に対する、純水中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数の差分は、２５ｃｍ−１程度であることが示された。
また、図４Ｂの結果から、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数に対する、塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数の差分は、７０ｃｍ−１〜９０ｃｍ−１程度であることが示された。
また、図４Ｃの結果から、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数に対する、クエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数の差分は、７５ｃｍ−１〜８０ｃｍ−１程度であることが示された。
また、図４Ｄの結果から、未処理の微結晶セルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数に対する、水酸化ナトリウム水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースにおいてＯＨ結合を示すピークの波数の差分は、４５ｃｍ−１〜６０ｃｍ−１程度であることが示された。
【００７４】
これらの結果から、塩酸、クエン酸、及び水酸化ナトリウムなどの電解質を溶解した水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースの方が、純水中で液中プラズマ処理したセルロースよりも、セルロースにおける分子内及び分子間の水素結合を弱める度合が高いことが示された。
さらに、塩酸水溶液やクエン酸水溶液などの酸性水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースの方が、水酸化ナトリウム水溶液などの塩基性水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースよりも、セルロースにおける分子内及び分子間の水素結合を弱める度合が更に高いことが示された。
【００７５】
＜実施例２＞
実施例２においては、実施例１に記載の方法で調製されたセルロースを試料として用いた。
【００７６】
（水熱処理）
水熱処理は、下記表２に記載の試料１００ｍｇ、及び固体触媒（アンバーリスト１５）２００ｍｇを１３．５ｍｌの純水中に入れ、１２０℃で１０時間〜４８時間処理することにより行った。
【００７７】
【表２】
2019001959.tif 000004
【００７８】
（糖類の生成量の測定）
糖類の生成量は、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）を用いて測定した。測定条件は、一般移動相は０．００５Ｎ硫酸、カラムの流量は０．６ｍＬ／分、温度は６０℃、測定時間は４５分である。
【００７９】
（セルロースの糖化）
図５Ａは、触媒のみ、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを２４時間の水熱処理に供した後に生成された糖類の生成量を示す。
０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合には、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、及び純水中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合よりも、糖類の生成量が多く、かつ生成した糖類におけるグルコースの割合が高い（グルコースの選択性が高い）ことが示された。
【００８０】
図５Ｂは、触媒のみ、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを４８時間の水熱処理に供した後に生成された糖類の生成量を示す。
０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合には、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、及び純水中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合よりも、糖類の生成量が多く、かつ生成した糖類におけるグルコースの割合が高い（グルコースの選択性が高い）ことが示された。
さらに、水熱処理を２４時間行った場合と比較した場合、水熱処理を４８時間行った場合には、グルコースの生成割合が更に高くなっている（グルコースの選択性が更に高い）ことが示された。
【００８１】
図６は、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを１０時間、２４時間、３２時間、４２時間、又は４８時間の水熱処理に供した後に生成されたグルコースの生成量を示す。
０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合には、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、及び純水中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合よりも、グルコースの生成量が多いことが示された。また、グルコースの生成量は、経時的に増加することが示された。更に、液中プラズマ処理したセルロースについては、塩酸の濃度依存的にグルコースの生成量が増加することが示された。
【００８２】
図７Ａは、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、２４時間水熱処理した後の各糖類への転換率を示すグラフである。
この結果、０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合には、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、及び純水中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合よりも、糖類への転換率が高いことが示された。
【００８３】
図７Ｂは、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、４８時間水熱処理した後の各糖類への転換率を示すグラフである。
この結果、０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合には、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、及び純水中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合よりも、糖類への転換率が高いことが示され、この転換率は、２４時間水熱処理した場合よりも更に高いことが示された。
【００８４】
図７Ｃは、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、純水中で液中プラズマ処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、４８時間水熱処理した後の各糖類の生成割合を示すグラフである。
この結果、純水中、又は０．１Ｍ、０．３Ｍ若しくは０．５Ｍの塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合には、未処理の微結晶セルロース、又はボールミル処理したセルロースを用いた場合よりも、グルコースの生成割合が高い（グルコースの選択性が高い）ことが示され、グルコースの生成割合は７０％以上であることが示された。
【００８５】
図８Ａは、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍのクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、４８時間水熱処理した後の各糖類への転換率を示すグラフである。
この結果、０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍのクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合には、未処理の微結晶セルロースを用いた場合よりも、糖類への転換率が高いことが示された。
【００８６】
図８Ｂは、未処理の微結晶セルロース、ボールミル処理したセルロース、並びに０．１Ｍ、０．３Ｍ及び０．５Ｍのクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースについて、４８時間水熱処理した後の各糖類の生成割合を示すグラフである。
この結果、０．１Ｍ、０．３Ｍ又は０．５Ｍのクエン酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合には、未処理の微結晶セルロースを用いた場合よりも、グルコースの生成割合が高い（グルコースの選択性が高い）ことが示された。このグルコースの生成割合は、塩酸水溶液中で液中プラズマ処理したセルロースを用いた場合の方が高いことが示された。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本開示は、セルロース系バイオマスからバイオエタノールを生成する際における、セルロースの前処理及び糖化に好ましく用いることができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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