JP6597311B2 - 糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法 - Google Patents
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Description
[1]以下の工程(1)〜(3)を含む糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法。
工程(1):セルロース含有バイオマスを糸状菌由来セルラーゼで加水分解する工程。
工程(2):工程(1)の加水分解物を固液分離し、溶液成分を限外ろ過膜に通じてろ過し、非透過液としてセルラーゼを回収し、透過液として糖液を回収する工程。
工程(3):工程(2)の回収セルラーゼをキシラン含有原料に作用させ、生成したキシロオリゴ糖を回収する工程。
[2]糸状菌由来セルラーゼがトリコデルマ・リーセイ(Trichoderma reesei)由来セルラーゼである、[1]に記載の糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法。
[3]工程(2)において、工程(1)の加水分解物の電気伝導率が16mS/cm未満である、[1]または[2]に記載の糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法。
[4]工程(2)の回収セルラーゼのβ−キシロシダーゼ活性が、工程(1)で使用した糸状菌由来セルラーゼの5%未満である、[1]から[3]のいずれかに記載の糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法。
[5]工程(2)の回収セルラーゼが少なくともキシラナーゼを含む、[1]から[4]のいずれかに記載の糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法。
[6]工程(1)がセルロース含有バイオマスの前処理物を糸状菌由来セルラーゼで加水分解する工程である、[1]から[5]のいずれかに記載の糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法。
[7]工程(1)がセルロース含有バイオマスの前処理物に含まれる固形物を水で洗浄して得られるものに糸状菌由来セルラーゼで加水分解する工程である、[6]に記載の糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法。
[8]キシラン含有原料がセルロース含有バイオマスの前処理物である、[1]から[7]のいずれかに記載の糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法。
[9]キシラン含有原料がセルロース含有バイオマスの前処理物を固液分離して得られる溶液成分である、[8]に記載の糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法。
[10]キシラン含有原料がセルロース含有バイオマスの前処理物を固液分離して得られる固形分である、[8]に記載の糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法。
[11]前記工程(1)〜(3)を含むプロセスを繰り返す糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法であって、工程(3)で得られた加水分解残さを後段のプロセスの工程(1)のセルロース含有バイオマスの一部または全部として使用する、[10]に記載の方法。
本発明で用いるセルロース含有バイオマスは、セルロース成分を含む生物資源を指す。セルロースは、植物細胞壁の主成分のひとつであり、β−1,4−結合したグルコースの重合体である。セルロース成分を含む生物資源に特に制限はなく、種子植物、シダ植物、コケ植物、藻類、水草などの他、廃建材なども用いることができる。種子植物は、裸子植物と被子植物に分類されるが、どちらも好ましく用いることができる。裸子植物の具体例としては、スギ、マツなどが挙げられる。被子植物は単子葉植物と双子葉植物に分類されるが、どちらも好ましくも用いることができ、単子葉植物の具体例としては、バガス、スイッチグラス、ネピアグラス、エリアンサス、コーンストーバー、コーンコブ、稲わら、麦わら、竹、ササなどが挙げられ、双子葉植物の具体例としては、ビートパルプ、ユーカリ、ナラ、シラカバ、ポプラ、ヒノキなどが挙げられる。
工程(1)で得られた加水分解物を固液分離して得られる溶液成分には糸状菌由来セルラーゼ成分および糖成分が含まれ、これらは限外ろ過膜を用いたろ過によって分離することができる。
前述のとおり、工程(2)の回収セルラーゼは工程(1)で使用した糸状菌由来セルラーゼに比べそのβ−キシロシダーゼ活性が低減されており、キシラン含有原料からのキシロオリゴ糖の製造に好ましく使用できる。
トリコデルマ属微生物由来セルラーゼは以下の方法で調製した。
コーンスティープリカー5%(w/v)、グルコース2%(w/v)、酒石酸アンモニウム0.37%(w/v)、硫酸アンモニウム0.14%(w/v)、リン酸二水素カリウム0.14%(w/v)、塩化カルシウム二水和物0.03%(w/v)、硫酸マグネシウム七水和物0.03%(w/v)、塩化亜鉛0.02%(w/v)、塩化鉄(III)六水和物0.01%(w/v)、硫酸銅(II)五水和物0.004%(w/v)、塩化マンガン四水和物0.0008%(w/v)、ホウ酸0.0006%(w/v)、七モリブデン酸六アンモニウム四水和物0.026%(w/v)となるようRO水に溶解し、100mLを500mL容バッフル付き三角フラスコに入れ121℃で15分間オートクレーブ滅菌した。放冷後、これとは別にそれぞれ121℃で15分間オートクレーブ滅菌したPE−MとTween80をそれぞれ0.01%(w/v)となるよう添加した。この前培養培地にトリコデルマ・リーセイQM9414を1×105個/mLになるよう植菌し、28℃、180rpmにて72時間振とう培養し、前培養液とした(振とう装置:TAITEC製 BIO−SHAKER BR−40LF)。
コーンスティープリカー5%(w/v)、グルコース2%(w/v)、セルロース(アビセル)10%(w/v)、酒石酸アンモニウム0.37%(w/v)、硫酸アンモニウム0.14%(w/v)、リン酸二水素カリウム0.2%(w/v)、塩化カルシウム二水和物0.03%(w/v)、硫酸マグネシウム七水和物0.03%(w/v)、塩化亜鉛0.02%(w/v)、塩化鉄(III)六水和物0.01%(w/v)、硫酸銅(II)五水和物0.004%(w/v)、塩化マンガン四水和物0.0008%(w/v)、ホウ酸0.006%(w/v)、七モリブデン酸六アンモニウム四水和物0.0026%(w/v)となるよう蒸留水に溶解し、2.5Lを5L容ジャーファーメンター(ABLE製 DPC−2A)に入れ、121℃で15分間オートクレーブ滅菌した。放冷後、これとは別にそれぞれ121℃で15分間オートクレーブ滅菌したPE−MとTween80をそれぞれ0.01%(w/v)となるよう添加し、前記の方法にて得た前培養液を250mL接種した。その後、28℃、300rpm、通気量1vvmにて87時間培養を行った。得られた培養液を遠心分離し、培養上清を粗酵素液として使用した。なお、後述の参考例2に従って培養上清のタンパク質濃度を測定したところ、10g/Lであった。
タンパク質濃度は、市販のタンパク質濃度測定試薬(Quick Start Bradfordプロテインアッセイ、Bio−Rad製)を使用した。室温に戻したタンパク質濃度測定試薬250μLに希釈したセルラーゼ溶液を5μL添加し、室温で5分間静置後の595nmにおける吸光度をマイクロプレートリーダー(Multiskan GO、サーモサイエンティフィック製)で測定した。牛血清アルブミン水溶液を標準液とし、検量線に照らし合わせてセルラーゼ溶液のタンパク質濃度を算出した。
糖液に含まれるグルコース、キシロース、キシロビオースおよびキシロトリオース濃度は、下記に示すHPLC条件で、標品との比較により定量した。
カラム:AQUITY UPLC BEH Amide(Waters製)
移動相A:80%アセトニトリル+0.1%TFA
移動相B:30%アセトニトリル+0.1%TFA
流速:0.12mL/min
10分間で移動相Bの割合が0から40%に達するように徐々に上昇させ、10.01分で再び移動相Aのみとし、20分まで分析を行った。
検出方法:ELSD(蒸発光散乱検出器)
温度:55℃。
β−キシロシダーゼ活性として、4−ニトロフェニル−β−D−キシロピラノシド(pNP−Xyl)の分解活性を測定した。1.1mMの基質を含む55mM酢酸緩衝液(pH5.0) 0.9mLに酵素液を0.1mL加え、30℃で30分間正確に反応させた(基質の終濃度1mM、緩衝液の終濃度50mM)後、0.1mLの2M炭酸ナトリウム水溶液を添加して反応を停止させ、405nmにおける吸光度を測定した(ODtest)。ブランクとして、基質溶液に2M炭酸ナトリウム水溶液、酵素液の順に添加したものについても同様に405nmにおける吸光度を測定した(ODblank)。上記反応系で1分間に1μmolの4−ニトロフェノールを生成する酵素量を1Uと定義し、活性値(U/mL)を下記式に従って算出した。なお、上記反応系における4−ニトロフェノールのミリモル分子吸光係数は17.2L/mmol/cmである。
β−キシロシダーゼ活性(U/mL)={(ODtest−ODblank)×1.1(mL)×酵素希釈倍率}/{17.2×30(分間)×0.1(mL)}。
セルロース含有バイオマスとしてナラ、バガス、シラカバの3種類の前処理物を使用した。ナラはパルプ化したもの(兵庫パルプ)をナラ前処理物1として使用した。バガスおよびシラカバはそれぞれ以下に示す手順で前処理し、バガス前処理物1〜4、シラカバ前処理物1〜3として使用した。
バガスをスラリー化(固形分濃度30重量%)し、200℃、10分間処理した。水熱処理終了後は固液分離を行い、固形物を十分に洗浄したものをバガス前処理物1、溶液をバガス前処理物2とした。
バガスの固形物1gあたり100mgの水酸化ナトリウムを添加した固形分濃度30重量%のスラリーを180℃、10分間処理した。アルカリ処理終了後は固液分離を行い、固形物を十分に洗浄したものをバガス前処理物3、溶液をバガス前処理物4とした。
シラカバチップのスラリー(固形分濃度30重量%)を150℃で4時間処理した。水熱処理終了後は固液分離を行い、固形分を十分に洗浄したものをシラカバ前処理物1、溶液をシラカバ前処理物2とした。
前項(3)で得たシラカバ前処理物2と等量の冷アセトンを添加し、氷上で5分間撹拌後、室温で静置した。1時間後にろ過を行い、得られた固形物を乾燥させシラカバ前処理物3とした。
[工程1:セルロース含有バイオマスの加水分解]
セルロース含有バイオマスとして、ナラ前処理物、バガス前処理物1、バガス前処理物3のいずれかを使用した。50mL容遠沈管にそれぞれの前処理物を絶乾重量で1gとり、RO水を加えてスラリーを調製した。なお、含水率は赤外線水分計(ケツト科学研究所製 FD−720)を用い、サンプルを105℃で乾燥させることにより測定した。希硫酸を添加してスラリーのpHをpH4.7〜5.3の範囲内に調製し、参考例1に従い調製したトリコデルマ属微生物由来セルラーゼ(タンパク質濃度:10g/L)1.0mLと、アスペルギルス・ニガー由来β−グルコシダーゼ(Megazyme製 E−BGLUC、タンパク質濃度:1.1g/L)を0.45mL添加した。最後に総重量が10gとなるようRO水を加えて固形物終濃度を10重量%とし、50℃で24時間、ハイブリダイゼーションローテーターを用いて回転混和した(日伸理化株式会社製 SN−06BN)。
加水分解物を遠心分離(8,000G、10分間)にて固液分離し、溶液成分と加水分解残さを得た。回収した溶液成分をポアサイズ0.2μmの精密ろ過膜(25mm GD/Xシリンジフィルター 材質:PVDF、GEヘルスケア・ジャパン製)に通じて微粒子を除いた後、分画分子量10,000の限外ろ過膜(VIVASPIN Turbo15 材質:PES、Sartorius stedim biotech製)を用いてろ過した。非透過側を回収セルラーゼ液として回収し、透過側を糖液として回収した。糖液については、参考例3に従って糖濃度を測定した。回収セルラーゼ液については、参考例4に従ってβ−キシロシダーゼ活性測定を行った。糖液の糖濃度を表1に、回収セルラーゼ液のβ−キシロシダーゼ活性を表2に示す。
キシラン含有原料としてバガス前処理物2を10mL、シラカバ前処理物2を10mL、バガス前処理物3あるいはシラカバ前処理物3のスラリー10g(固形物濃度10重量%、希硫酸にてpH5に調整)をそれぞれ50mL容遠沈管にとり、RO水1.0mLまたは参考例1に従って調製したトリコデルマ属微生物由来セルラーゼ1.0mLを添加した。50℃で6時間、回転混和した後に遠心分離(8,000G、10分間)し、参考例3に従って上清の糖濃度を分析した。
トリコデルマ属微生物由来セルラーゼの代わりに参考例6に従って得た回収セルラーゼの全量を用いる他は比較例1と同様に加水分解を実施した。比較例1および実施例1の糖濃度を表3に示す。イネ科植物であるバガス、広葉樹であるシラカバのいずれに由来するキシラン含有原料を用いた場合にも、回収セルラーゼを作用させることにより、トリコデルマ属微生物由来セルラーゼを作用させた場合よりも多くのキシロオリゴ糖が生成した。
セルロース含有バイオマスとしてナラ前処理物を使用し、参考例6と同様の方法で加水分解および回収セルラーゼを調製した。ただし、加水分解反応において塩化ナトリウムを添加して異なる電気伝導率の加水分解物を得た。
実施例2で得られた回収セルラーゼを用い、バガス前処理物2の加水分解を実施例1と同様の方法で実施した。上清の糖濃度を表5に示す。
Claims (12)
- 以下の工程(1)〜(3)を含むキシロオリゴ糖の製造方法。
工程(1):セルロース含有バイオマスを、トリコデルマ属微生物由来であってキシラナーゼ活性およびβ−キシロシダーゼ活性を有するセルラーゼにより加水分解する工程。
工程(2):工程(1)の加水分解物を固液分離し、溶液成分を限外ろ過膜に通じてろ過し、非透過液としてセルラーゼを回収する工程。
工程(3):工程(1)とは独立した工程であって、工程(2)の回収セルラーゼをキシラン含有原料に作用させ、生成したキシロオリゴ糖を回収する工程。 - 前記セルラーゼがトリコデルマ・リーセイ(Trichoderma reesei)由来セルラーゼである、請求項1に記載のキシロオリゴ糖の製造方法。
- 工程(2)において、工程(1)の加水分解物の電気伝導率が16mS/cm未満である、請求項1または2に記載のキシロオリゴ糖の製造方法。
- 工程(2)の回収セルラーゼのβ−キシロシダーゼ活性が、工程(1)で使用した前記セルラーゼの5%未満である、請求項1から3のいずれかに記載のキシロオリゴ糖の製造方法。
- 工程(2)の回収セルラーゼが少なくともキシラナーゼを含む、請求項1から4のいずれかに記載のキシロオリゴ糖の製造方法。
- 工程(1)がセルロース含有バイオマスの前処理物を前記セルラーゼで加水分解する工程である、請求項1から5のいずれかに記載のキシロオリゴ糖の製造方法。
- 工程(1)がセルロース含有バイオマスの前処理物に含まれる固形物を水で洗浄して得られるものを前記セルラーゼで加水分解する工程である、請求項6に記載のキシロオリゴ糖の製造方法。
- キシラン含有原料がセルロース含有バイオマスの前処理物である、請求項1から7のいずれかに記載のキシロオリゴ糖の製造方法。
- キシラン含有原料がセルロース含有バイオマスの前処理物を固液分離して得られる溶液成分である、請求項8に記載のキシロオリゴ糖の製造方法。
- キシラン含有原料がセルロース含有バイオマスの前処理物を固液分離して得られる固形分である、請求項8に記載のキシロオリゴ糖の製造方法。
- 前記工程(1)〜(3)を含むプロセスを繰り返すキシロオリゴ糖の製造方法であって、工程(3)で得られた加水分解残さを後段のプロセスの工程(1)のセルロース含有バイオマスの一部または全部として使用する、請求項10に記載の方法。
- 以下の工程(1)〜(3)を含む糖液およびキシロオリゴ糖の製造方法。
工程(1):セルロース含有バイオマスを、トリコデルマ属微生物由来であってキシラナーゼ活性およびβ−キシロシダーゼ活性を有するセルラーゼにより加水分解する工程。
工程(2):工程(1)の加水分解物を固液分離し、溶液成分を限外ろ過膜に通じてろ過し、非透過液としてセルラーゼを回収し、透過液として糖液を回収する工程。
工程(3):工程(1)とは独立した工程であって、工程(2)の回収セルラーゼをキシラン含有原料に作用させ、生成したキシロオリゴ糖を回収する工程。
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