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あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2016

研究論文

バイオマス資源の複合利用に関する研究
伊 藤 雅 子 ＊ 1、 森 川

豊＊1

Research for Multiple Utilization of Biomass
Masako ITO *1 and Yutaka MORIKAWA *1
Industrial Research Center *1
愛知県の未利用バイオマスであるトマトの葉・茎の抽出液をエタノールなどのエネルギー原料に、残渣を樹脂コンポジットの原料に各々複合利用するための技術開発を行った。本開発には、酵素処理及びアルカ リ 処 理 を 基 に 、 湿 式 粉 砕 技 術 1)を 併 用 す る 新 規 な 方 法 に つ い て 検 討 し た 。 湿 式 粉 砕 の 併 用 に よ り 、 抽 出
液中に糖の量が増加した。糖の抽出量は、酵素処理と湿式粉砕の併用した場合が最も多かった 。また、残渣は、アルカリ処理と湿式粉砕を併用した場合にファイバー化が認められ、目視で白色となった。白色化により、バイオマスを樹脂コンポジットする際に課題となっていた加熱による着色が、白色となったことで抑えられる可能性が示唆された。

１．はじめにを懸濁後、糖分析に供した。

廃棄物の利用促進、地球温暖化対策、石油資源枯渇

2.2 トマトの葉・茎の酵素処理などの環境問題への関心の高まりから、バイオマスの利トマトの葉・茎を 5％（w/w）の割合で水に懸濁した用に関するニーズが高まっている。バイオマス資源は大液を、オートクレーブ滅菌した。酵素（ヘミセルラーゼ）

気中の二酸化炭素を増加させないカーボンニュートラルはマッキルベン緩衝液（pH5.0）に溶解し、フィルターな資源と考えられており、バイオマス資源の利活用に関滅菌し、酵素液とした。試料 1g に対し酵素 20mg の割する技術開発は、二酸化炭素削減や地球温暖化防止など合となるように、オートクレーブ後の懸濁液に酵素液をの環境問題に貢献できる。バイオマスは、燃料への直接添加し、50℃で、66 時間、酵素糖化を行い、糖分析に利用、生物学的変換によるエネルギー利用、化成品原料供した。未処理の試料は、トマトの葉・茎を懸濁後、への利用など、様々な利用方法がある。しかし、マテリ200rpm、常温で、30 分振とう後、糖分析に供した。なアルとしての単独利用、あるいはエネルギーとしての単お、湿式粉砕と酵素糖化を併用した場合は、酵素糖化後独利用だけではコスト面での課題が多いため、複合的なに湿式粉砕を行った。

用途開拓によりバイオマス資源の全量を有効活用し、複2.3 トマトの葉・茎のアルカリ処理数の製品を製造するなど、バイオマスの利用価値を高め

0.1~4.4N の水酸化ナトリウム溶液に、トマトの葉・る技術開発が重要となっている。そこで、本研究では、

茎 を 5 ％ （ w/w ） と な る よ う に 懸 濁 し た 。 60 ℃ 、バイオマス資源の成分を複合利用することに着目し、エ180rpm で一定時間振とう後にサンプリングし、糖分析タノールなどのエネルギー原料と樹脂コンポジットの原に供した。トマトの葉・茎を水に懸濁した液を対象とし料とに利用するための技術開発を行った。バイオマス資た。なお、湿式粉砕とアルカリ処理を併用した場合は、源として、愛知県で未利用資源となっているトマトのアルカリ処理後に湿式粉砕を行った。

葉・茎を使用した。

2.4 分析
トマトの葉・茎の成分は既報 2)に従って測定した。各

２．実験方法2.1 トマトの葉・茎の湿式粉砕
トマトの葉・茎を、5％（w/w）の割合で懸濁した液

処理後の液の一部を 3,000rpm で 5 分遠心した後の上清を糖の分析に供した。フェノール硫酸法で測定した全糖量を糖の抽出量とした。試料の形態観察には、走査型電を、湿式微粒化装置（吉田機械興業㈱製、ナノヴェータ子顕微鏡（日本電子製、JSM-6510）を用いた。

®）を用いて、常温及び 180℃で粉砕した。粉砕は 5 回

2.5 トマトの葉・茎抽出成分の抗菌試験

または 30 回行った。未処理の試料は、トマトの葉・茎＊1 産業技術センター 環境材料室

トマトの葉・茎 2g をエタノールベンゼン混液（エタ41
ノール：ベンゼン=1:2）150mL で抽出し、溶媒を除去後の形状には大きな変化は見られなかったが、湿式粉砕後後に 5％エタノールに溶解して試験液とした。 JIS Lは塊が砕かれ、部分的にファイバー化が認められた（図 1）。

1902「繊維製品の抗菌性試験」に従い、ハロー法で黄樹脂コンポジット原料として抽出残渣を活用するには、色ぶどう球菌に対する抗菌試験（定性試験）を行った。

湿式粉砕は必要な工程であると考えられた。

試験菌は、JIS L 1902 に規定されている黄色ぶどう球3.4 アルカリ処理による糖抽出の効果菌の類縁菌（ Staphylococcus epidermidis NBRC12993）を用いた。

残渣分のファイバー化を促進させるため、化学処理について検討した。バイオマス資源の成分分析に用いられるアルカリ（水酸化ナトリウム）処理について検討
0.1N、0.5N、1.0N、2.0N、4.4N の濃度に調製した水酸

３．実験結果及び考察
3.1 湿式粉砕による糖抽出の効果

化ナトリウム溶液にトマトの葉・茎を懸濁し、加温して糖の抽糖抽出技術として、湿式粉砕の効果について検討した。
湿式粉砕は 5 回行った。乾燥試料 1g から抽出された糖の出を行った。表 1 に 22.7 時間振とう後の試料の全糖量を示す。

量は未処理 20.8mg、常温処理が 42.5mg、180℃処理が60.2mg となった。湿式粉砕は糖の抽出を促進し、高温で処理する程、糖の抽出量は増加した。
3.2 酵素処理及び酵素処理と湿式粉砕の併用の効果

表１ アルカリ溶液で抽出した際の全糖水酸化ナトリウ
ムの濃度（N)

0.0

0.10.5

全糖量（㎎・g-d.w.）

15.8

90.9

82.5 110.9 121.4 117.8

1.02.04.4

酵素処理及び湿式粉砕との併用による糖の抽出効果について検討した。乾燥試料 1g から抽出された糖の量は、酵素今回検討した水酸化ナトリウム溶液の中で最も濃度の低い糖化前が 39.3mg、酵素糖化後が 133.2mg となった。この0.1N は、0N（対象）と比較して、糖の抽出量が約 6 倍増加糖化後の試料を、3 回湿式粉砕した。糖の抽出量は、常温した。バイオマス資源の成分分析においては 4.4N を使処理後は 182.0mg、180℃処理後は 134.8mg となった。酵用するが、0.1N の濃度で十分に糖の抽出が行われてい素処理で糖の抽出は増加し、酵素処理と湿式粉砕の併用でたことから、0.1N として以後の試験を行った。

最も糖の抽出量が多くなった。トマトの葉・茎のホロセルロー

3.5 アルカリ溶液で湿式粉砕した際の糖抽出効果

スの割合は 51.7%であることから、最大でホロセルロースの約トマトの葉・茎のアルカリ溶液下での湿式粉砕を行35％にあたる糖を抽出できた。180℃処理での糖の抽出量

い、糖の抽出効果について確認した。0.1N 水酸化ナトが、常温処理と比較して少ないのは、酵素糖化により抽出さリウム溶液にトマトの葉・茎を懸濁し、振とうせず湿式れた糖、主に単糖や少糖類が、加熱により過分解されたこと粉砕する試験（サンプル名：アルカリ）と 60℃で 23 時が原因と考えられた。酵素処理と湿式粉砕を併用する場合

間振とう後に湿式粉砕する試験（サンプル名：アルカリは、常温で粉砕することが重要であることがわかった。

前処理）を行った。対象として、トマトの葉・茎の水懸3.3 酵素処理及び湿式粉砕後の残渣の電子顕微鏡観察濁液についても、懸濁後、すぐに湿式粉砕する試験（サ処理後の残渣を電子顕微鏡で観察した結果、酵素処理

ンプル名：水）を行った。湿式粉砕は常温で行った。試験後の糖抽出量を図２に示す。

50μm
酵素処理前

50μm
酵素処理後

50μm
酵素処理と湿式粉砕の併用後
図１ 各処理後の試料の電子顕微鏡写真

全糖量（mg/g-d.w.)

120

粉砕なし

粉砕５回粉砕３０回

約4倍

80

約 2.4 倍

400
水

図２

アルカリ

各処理後の糖抽出量

アルカリ前処理42

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対象である水において、粉砕 30 回後の糖抽出量は未ファイバー化の促進にはアルカリ処理は有用であると考粉砕時の約 2.4 倍となった。同様に、アルカリにおいてえられた。30 回の粉砕ではさらにファイバー化が進んも、粉砕により糖の抽出量が増加し、粉砕 30 回後は未でいることを確認した（図は省略）。

粉砕時の約 4 倍となった。アルカリ条件下においても、

3.7 アルカリ処理及び湿式粉砕後の残渣の着色につい湿式粉砕は糖の抽出に効果が高いことがわかった。また、てアルカリ前処理は、60℃で 23 時間浸漬を行っており、処理後の残渣の写真を図４に示す。アルカリ及びア

未粉砕時の糖の抽出量が最も多い。しかし、粉砕後はアルカリ前処理の粉砕 5 回、粉砕 30 回の試料は、原材料ルカリの場合と同等であった。したがって、湿式粉砕をの持つ緑色がなく、目視で白色となっていた。アルカリ併用する場合は、アルカリ溶液に加温して浸漬する工程

処理と湿式粉砕により、糖以外の着色原因物質も除去では必要ないと判断できた。

きた可能性があると考えられた。これらの試料を 100℃

3.6 アルカリ処理及び湿式粉砕後の残渣の電子顕微鏡で加熱したところ、同様に加熱した原料と比較して明ら観察かに着色が抑えられた。これらの残渣を樹脂と混合したアルカリ条件下と水条件下における、粉砕なしと 5回粉砕後の電子顕微鏡写真を図３に示す。60℃で 23 時際には、樹脂の着色が抑えられる可能性があると考えられた。

間のアルカリ浸漬のみでは、形状にほとんど変化はなかった。湿式粉砕を行うことで、試料にファイバー化が認められ、酵素処理後に湿式粉砕を行った場合（図１）と比較して、よりファイバー化されていることがわかった。

粉砕なしアルカリ前処理

水アルカリ

図４

処理後の残渣

粉砕
５回

A．水粉
砕
30回50μm50μm

3.8 トマトの葉・茎有機溶媒抽出成分の抗菌試験

粉砕 5 回粉砕なし

トマトの葉・茎エタノールの燃料以外への利用法について

B．アルカリ検討した。抗菌剤としての利用について検討するため、トマトの葉・茎抽出液の抗菌性について検討した。試験菌を含む平板寒天培地に、直径 5mm の穴を開け、5％エタノール溶液及び試験液をそれぞれ 30μl ずつ添加し、30℃で培養した。結果を図５に示す。24 時間培養後に、試験液を添加し50μm50μmハロー）が形成された。5％エタノールを添加した穴の周りは、

粉砕 5 回

粉砕なし

た穴の周りには、菌の生育が阻止された透明の円（阻止円、48 時間培養後も阻止円は形成されなかった。トマトの葉・茎C．アルカリ前処理の有機溶媒抽出成分には黄色ぶどう球菌に対する抗菌活性があることがわかった。トマトの葉・茎から抽出され50μm50μm
粉砕なし

粉砕 5 回（60℃、23 時間浸漬後）
5％エタノール添加
図３

各処理後の試料の電子顕微鏡写真

図５

試験液添加

黄色ぶどう球菌に対する抗菌試験結果

43た糖液からエタノール発酵をする際は、同様の抗菌成分残渣のファイバー化が認められた。アルカリ処理なが含まれる可能性があると考えられた。

どの化学処理との併用により、ファイバー化が促進された。残渣のファイバー化には湿式粉砕が有効で４．結びあると考えられた。

バイオマス資源の複合利用を目的に、愛知県で未利(3)アルカリ処理と湿式粉砕後の残渣は、原材料の持つ用資源となっているトマトの葉・茎をエタノールなどの緑色がなく、目視で白色となった。また、加熱後もエネルギー原料と樹脂コンポジット原料とに利用するた明らかに着色が抑えられた。バイオマス資源と樹脂めの技術開発を行った。エネルギー原料となる糖の抽出の混合時に課題となっていた着色を抑える可能性のは、酵素処理及びアルカリ処理を基に、湿式粉砕技術をある、バイオマス由来の樹脂コンポジット原料を作併用する新規な方法について検討したところ、以下の結製できた。

果が明らかになった。
(1)湿式粉砕は糖の抽出を促進し、酵素処理単独及びア(4)トマトの葉・茎の有機溶媒抽出成分に黄色ブドウ球菌に対する抗菌活性が認められた。

ルカリ処理単独の場合より、酵素処理及びアルカリ文献処理に湿式粉砕を併用した場合の方が糖の抽出量が多かった。酵素処理に湿式粉砕を併用した場合が最1）特許第 5232976 号

も抽出量が多かった。

2）伊藤雅子，森川(2)酵素処理単独及びアルカリ処理単独では、抽出残渣の形状に変化はなかったが、湿式粉砕により糖抽出

豊：日本エネルギー学会第５回バイオマス科学会議発表論文集，96（2010），日本エネルギー学会