研 究 ノート

酵素糖化に及ぼす
湿式ジェットミル粉砕時の pH の効果
阿 部 祥 忠 ＊ 1、 森 川 豊 ＊ １ 、 伊 藤 雅 子 ＊ 1、 楳 田 慎 一 ＊ 2

Effect of Wet-milling pH Conditions on Enzymatic Saccharification
Yoshitada ABE, Yutaka MORIKAWA, Masako ITOU and Shinichi UMEDA
Research and Development Division ,AITEC* 1 、 Ｙ oshida Kikai Co. Ltd* 2

食糧と競合することのないセルロース系バイオマス資源からバイオエタノールを高効率かつ低コストに生産することを目的に、高温高圧処理及び粉砕を連続に行う新規な装置を用い、トマトの葉茎の処理試験を 行 っ た 。 本 研 究 で は 、 酵 素 糖 化 率 の 向 上 を 目 指 し 、 リ グ ニ ン を 含 む ト マ ト の 葉 茎 の 混 濁 液 の pH が 、 湿式 処 理 に 及 ぼ す 影 響 を 検 討 し た 。 ト マ ト の 葉 茎 の 混 濁 媒 と し て 、 イ オ ン 交 換 水 、 pH 5 及 び 12 の 緩 衝 液 を用 い て 湿 式 処 理 を 行 っ た と こ ろ 、pH 5 の 緩 衝 液 を 用 い た 混 濁 液 の 処 理 後 の 酵 素 糖 化 率 は 、室 温 及 び 180℃
処理ともに、イオン交換水使用時より増加することが分かった。

１．はじめにセルロース系バイオマス試料は、トマトの葉茎を乾式食糧と競合することのないセルロース系バイオマス資粉砕後篩い分けし、100 μm の篩目下の試料を用いた。

源は、大気中の二酸化炭素量増加を招くことのない、いセルロース糖化用酵素には、セルラーゼ A「アマノ」3、わゆるカーボンニュートラルな資源であり、有効活用技セルラーゼＴ「アマノ」4、及びヘミセルラーゼ「アマ術の開発が強く望まれている。

ノ」90 （全て、天野エンザイム㈱製） を用いた。

セルロース系バイオマス資源からバイオ燃料やバイオ

2.2 粉砕及び加熱高圧処理プラスチックの原料となるグルコースを製造するために高圧湿式粉砕が可能なナノマイザー (吉田機械興業

は、粗粉砕、微粉砕、リグニン除去・加圧加熱処理など㈱製) に加熱装置を取り付けて、室温及び 180℃の加熱の前処理工程、及び酵素糖化工程など非常に多くの工程条件下で試験を行った。重量比で 1%になるように試料を必要とする。一般に、セルロースは酵素糖化効率が低を、イオン交換水、リン酸 Na 緩衝液(pH 5)及び水酸化いことから、前処理に多くのエネルギー投入が必要となNa 緩衝液(pH 12)にそれぞれ混濁し、試験に供した。

り、高額な酵素を多く使用している。

ポンプの試料送り速度を調整し、処理圧力が 180 MPa

我々は、これら問題を解決するために、セルロース系バイオマス資源の粉砕工程と高温高圧処理工程を連続化
1)の条件下で、5 回処理を行った。
2.3 酵素糖化する湿式処理装置の開発を行った 。開発装置は連続化粉砕処理を行っていない未処理の試料、及び粉砕処理による前処理の効率化が可能なうえに、処理したセルロ後の試料 100 ml を三角フラスコに投入し、1N の HClース系バイオマス資源の酵素糖化性を向上させた。本研で pH 5 に調整後、121℃で 15 分間殺菌処理した。冷却究では、開発装置による処理効率をさらに向上させるこ

後、三角フラスコに酵素を無菌的に投入し、50℃の環境とを目的として、セルロース系バイオマス資源として、下において 180 rpm で 72 時間振とうし反応させた。酵

愛知県において、特に多い農業系廃棄物であるトマトの素量は、試料 1 g あたり各 20 mg とした。

葉茎を用い、湿式処理時において、pH が酵素糖化率に2.4 分析与える影響を検討した。

ホロセルロースの定量は、試料を酢酸溶液中で亜塩素酸漂白して得られた固形分の重量で求めた。試料のα-２．実験方法

セルロースの定量は、ホロセルロースをさらに水酸化ナ

2.1 試料及び試薬＊

1 基盤技術部（現工業技術部

トリウムを用いてアルカリ処理し、ガラスフィルタで濾環境材料室）＊

2 吉田機械興業㈱過回収した固形分の重量で求めた。ヘミセルロースを除また、電子顕微鏡（SEM）を用いて、分解率が大きく

きグルコースの定量分析は、グルコースＣⅡテストワコ

向上した、pH 5 の混濁液を 180℃処理した試料の観察をー（和光純薬㈱製）を用いて行った。糖化後の全糖の定行ったところ、処理前の形状がブロック状であったのに量分析は、フェノール硫酸法を用いて行った。平均粒子

対し、処理後については、試料が裂け、板状になってい径の測定については、BECKMAN COULTER（株）のることが確認された。（図２）。

粒度分布測定装置を用いた。
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３．実験結果及び考察
3.1 トマト葉茎の成分分析クトを作成できません。 エラー! 編集中のフィールドコードからは、オブジェクトを作成できません。

試験に使用したトマトの葉茎の成分分析結果を、表１に示す。トマトの葉茎は、リグニン量が少なく 10.7%で

図２

湿式処理前後のトマトの茎の SEM 像（左：処理前、右：pH 5 混濁液, 180℃処理後）あった。また、灰分量は、25.9%と非常に多かった。水
耕栽培用の肥料が、灰分量に影響していると考えられる。

さらに、平均粒子径については、未処理の試料と比較すると、pH 5 で処理した場合に大きく減少した。
（表２）。

表１
成分
水分
灰分
リグニン
ホロセルロース
α-セルロースタンパク質

トマトの葉茎の成分
成分割合 (%)
8.7
25.9
10.7
46.8
22.7
14.1

3.2 トマト葉茎の連続加熱加圧処理
トマトの葉茎を、イオン交換水、pH 5 の緩衝液及びpH 12 の緩衝液に、1% (w/w）で混濁させた試料を、それぞれ室温及び 180℃にて連続処理した。各々、処理前

pH 5 では、細かく粉砕されることで、比表面積が増加し、分解率の増加につながったと考えられる。pH 5 の処理では、試料の酸分解が起こった可能性が示唆される。
表２

湿式処理前後の粒子径RUN
未処理
イオン交換水 室温
pH 5 室温
pH 12 室温
イオン交換水 180℃
pH 5 180℃
pH 12 180℃

平均粒子径 (μm)
125
50.6
48.1
92.0
60.8
34.4
91.7

は水に対して沈降したが、処理後の試料は処理温度に関４.結び

わらず水への分散性が向上し沈降しにくくなった。
処理後の試料を酵素加水分解し、溶液中のグルコース共同開発した連続処理装置で処理したトマトの葉茎のや全糖の分析結果及びトマトの葉茎の成分分析結果を基分解（酵素糖化）率は、処理温度と共に混濁液の pH のに、ホロセルロースやα-セルロースの分解率を算出した。

影響を受けることが示された。特に、pH 5 の緩衝液を使未処理の場合に比べ、処理後の試料の分解率は向上した。

用して処理を行った場合、ホロセルロース分解率及びαpH 5 で処理した場合、イオン交換水で処理した場合に比-セルロース分解率共に向上することが分かった。酸性

べ、グルコース量及び全糖量共に増加し、ホロセルロー側の pH で高温高圧処理を行うことで、より粉砕が促進

ス分解率及びα-セルロース分解率共に向上した（図１）。

され、比表面積が増加し、分解率が増加した可能性が示唆される。また、粉砕後に pH の調整なしに酵素糖化を行うことが可能であるため、コストの低減化が期待でき室温処理

50180℃処理る。

分解率 [%]

40
α-セルロース分解率 [%]30

文献1) 阿部祥忠 :化学工学会第 42 回秋季大会要旨集, (2010)

ホロセルロース分解率 [%]
20100
未処理

図１

イオン pH 5 pH 12 イオン
pH 5 pH 12
交換水交換水

様々な条件で処理したトマトの葉茎の分解率