水熱処理によるペクチンからの フェルラ酸基を有す...
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出 願 番 号： 特願2011-034120
発明の名称： フェルラ酸基を有するアラビノオリゴ糖およびガラクトオリゴ糖
並びにその製造方法
発 明 者 ： 佐藤伸明・高野陽平・天野良彦・槇島聡 （信州大学、他）
出 願 人 ： 国立大学法人 信州大学
水熱処理によるペクチンからのフェルラ酸基を有するオリゴ糖の製造
信州大学 工学部 物質工学科佐藤 伸明
セルロース系バイオマスに高圧水熱反応と酵素反応を複合的に作用させるハイブリッドリアクターを開発、この技術を産業利用レベルの水準に引き上げ、非可食性のバイオマス原料からβ結合を持つ機能性糖質素材を生産したい。
非可食部
可食部
砂糖、デンプン
ヘミセルロースペクチン、セルロース
酵素反応/精製工程など（糖化・異性化・転移・縮合）
機能性糖質素材（オリゴ糖など）
⇒実用化は一部のみ
農作物など
⇒多様な製品の商業生産
穀物/果実/野菜
植物体(葉/茎/殻)・加工残渣
問題点：・原料が特殊（固体、難分解性）・生産コスト高（前処理/酵素/副産物など）
研究の背景
•水熱処理によるキノコ廃培地からのキシロオリゴ糖製造技術
製造技術の実用化に向けて
•バイオマス処理用の連続式水熱反応装置の開発
対象：キノコ廃培地、コーンコブ、稲わら、バガス、大豆皮、ビート繊維など
仕様： 流量： 20 kg/hr温度： 230 ℃、圧力： 3 MPa
植物細胞壁由来糖質の回収( オリゴ糖、多糖など）
技術開発の経緯
適用バイオマスの拡大 連続式水熱反応装置
コーンコブ（粉末）
大豆皮
稲わら（粉末）
ビートファイバー（粉末） リンゴ搾汁残渣
バガス
これまでの運転実績 連続式水熱反応装置
原料バイオマス前処理 スラリー濃度 結果 備考
使用済み培地(コーンコブ主体・エノキタケ栽培)
混合・湿式粉砕12 wt%
- 15.7 wt% ◎
連続６時間以上の安定運転
(実績多数、トラブルなし)
使用済み培地(オガ屑主体・エノキタケ栽培)
混合・湿式粉砕 7.7 wt% △１時間後に運転中止
（製品排出部の閉塞トラブル）
コーンコブ乾式粉砕
混合・湿式粉砕
12 wt%
- 13.5 wt%◎
連続６時間以上の安定運転
(実績多数、トラブルなし)
稲わら乾式粉砕
混合・湿式粉砕
12 wt%
- 14.2 wt% ○
連続２時間の安定運転
(トラブルなし)
バガス乾式粉砕
混合・湿式粉砕8 wt% △
1時間弱の断続的な運転
(操作ミスによる動作不良)
大豆皮 混合・湿式粉砕11 wt%
- 12 wt% ◎
連続6時間の安定運転
(実績多数、トラブルなし)
ビートファイバー(粉末製品)
(混合のみ)10 wt%
- 12 wt%○
連続２時間の安定運転
(トラブルなし)
リンゴ搾汁残渣 混合・湿式粉砕 10 wt% ○連続３時間の安定運転
(トラブルなし)
適切な前処理により様々なバイオマス原料に適用可能
「ビートファイバー」とは
搾り粕（ビートパルプ）
砂糖 甜菜
従来の利用方法
◆日本国内・砂糖の生産量
年間 約83万 t-dry
・ビートパルプの排出量（推計）年間 約304万 t-wet
水熱処理
◆全世界・砂糖の生産量
年間 約1.5億 t-dry
・ビートパルプの排出量（推計）年間 約2億2000万 t-wet
ビートファイバー 農業廃棄物
・家畜飼料・ペットフード原料・食品添加物・サプリメント
非可食性のバイオマス原料から機能性糖質素材を製造する
混合
不溶性残渣
ビートファイバー
・日本甜菜製糖株式会社製
固形分濃度10wt%になるよう・3.89g・35mL Dist水
超音波洗浄器により脱気↓
全窒素0.1MPaで置換↓
ソルトバスにより昇温
反応条件160，170，180，190，200℃
5，10，15min
水熱処理サンプル
ろ液
ガラス繊維ろ紙（ADVANTEC， GS-25 ）吸引ろ過
可溶化液サンプル
・可溶化率・ pH ，Brix糖度
・分子量分布・単糖、オリゴ糖濃度・遊離、糖結合型フェルラ酸濃度
実験方法：バッチ式反応装置によるビートファイバーの水熱処理
3.93.8 3.8 3.8 3.7 3.73.9
3.7 3.7 3.7 3.6 3.6 3.6 3.6 3.5
0
2
4
6
8
0
10
20
30
40
50
60
70
5 10 15 5 10 15 5 10 15 5 10 15 5 10 15
160℃ 170℃ 180℃ 190℃ 200℃
可溶化率
pH
Brix
反応時間[min]
可溶化率は54.0％～59.6%pHおよびBrix糖度は反応時間の増加に伴い低下
可溶
化率
[wt%
]
pH
Bri
x[%
]
反応温度[℃]
実験結果：可溶化率・Brix・pHの変化
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
5 10 15 5 10 15 5 10 15 5 10 15 5 10 15
160℃ 170℃ 180℃ 190℃ 200℃
単糖
オリゴ糖
オリゴ糖積算濃度は170℃，5minで最大
反応時間[min]
反応温度[℃]
可溶
化液
中の
積算
糖濃
度[ｗ
ｔ%]
実験結果：可溶化液に回収される糖質
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
5 10 15 0 5 8 10 15 5 10 15 5 10 15 5 10 15
160 170 180 190 200
酢酸濃度
[wt%]
Frufral濃度
[wt%]
5-HMF濃度
[wt%]
Fru濃度
[wt%]
Gla濃度
[wt%]
Xyl濃度
[wt%]
Glu濃度
[wt%]
Ara濃度
[wt%]
℃
反応温度[℃]
反応時間[min]
オリ
ゴ糖
積算
濃度
[ｗｔ%
]
実験結果：可溶化液中に含まれるオリゴ糖の組成
アラビノースおよびガラクトースを含むオリゴ糖が生成
セルロース
ペクチン
Luc Saulnier and Jean-Francois Thibault
J Sci Food Agric 79:396.402 (1999)
D-ガラクツロン酸
ラムノース
ガラクトース
L-アラビノース
フェルラ酸 メチル基 アセチル基
グルコース
α-(1→4)
β-(1→4)
α-(1→5)
α-(1→2)
1→3
(1→2)
6
2(5)
4 4
β-(1→4)
ビートパルプの組成セルロース
ビートファイバーの植物細胞壁の構造
ラムノガラクツロナンⅠ
D-ガラクツロン酸
ラムノース
ガラクトース
L-アラビノース
フェルラ酸
メチル基 アセチル基
グルコース
β-(1→4)
α-(1→5)
α-(1→2)
1→3
(1→2)
6
2(5)
4 4
ラムノガラクツロナンⅠの側鎖が加水分解しアラビノオリゴ糖およびガラクトオリゴ糖が生成
ホモガラクツロナン
・ホモガラクツロナンが分解し高分子可溶化画分が生成
水熱処理によるペクチン由来オリゴ糖の可溶化
フェルラ酸基を保持した状態で可溶化できる？
実験結果：水熱処理によるフェルラ酸の可溶化挙動
可溶化液のフェルラ酸の大部分は糖結合型である→ フェルラ酸基を有するオリゴ糖として回収できる
・オリゴ糖収率は170℃，5minで最大
・170℃，5minでのオリゴ糖組成はアラビノオリゴ糖および ガラクトオリゴ糖が99％を占める
上段：乾燥重量ビートファイバー基準(wt% )
下段：理論収率(%)
その他：Glu，Xyl，Fru
反応温度[℃]
反応時間[min]
Totalオリゴ糖
Ara Gal その他Total単糖
Ara Gal その他
21.1 14.2 6.8 0.1 5.6 2.5 0.6 2.5
67.7 132.8 0.0 12.0 2.9 11.816.6 10.7 5.9 0.0 7.8 4.2 0.9 2.7
50.8 116.6 0.0 20.0 4.4 13.013.0 7.0 5.9 0.0 13.2 8.6 1.6 2.9
33.5 116.6 0.0 41.2 7.8 13.7
170
5
10
15
実験結果： 水熱処理によるペクチン由来オリゴ糖の収率
アラビノオリゴ糖は高いビフィズス菌選択性を持つ
Ｌ−アラビノース含量 ｗｔ％ビートパルプ １２〜１８みかんジュース粕 ３〜１０アップルファイバー ４〜７落花生粕 ５
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 アラビナン フルクトオリゴ糖 キシロオリゴ糖
Bifidobacterium adorescentis ++ ± + ++ ++ ++ ++ ++ - ++ ++
bifidum - - - - - - n.d. n.d. - - -infantis - - - - - - n.d. n.d. - ++ ±longum ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ -breve - - - - - - n.d. n.d. - + ±
Bacteroides distasonis - - - - - - n.d. n.d. - ± ±fragilis - - - - - - n.d. n.d. - + -thetaiotaomicron- - - - - - n.d. n.d. - - -vulgatus ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ +
Klebsiella pneumoniae ++ ± - - - - n.d. n.d. - + +
Bacteria
Table．2 in vitro での腸内細菌の利用
Yasuo Suzuki，et al.
Engei Gakkai zasshi
Vol.73 ,
No.6(2004)pp.574-579
より改変
アラビノオリゴ糖について
・ポリフェノールの一種・米、小麦、野菜類、柑橘類などの植物の細胞壁や種子にエステルや配糖体として存在・抗酸化剤として作用
フェルラ酸含有量の比較（100ｇ中）ビートパルプ：約800mg
ホウレンソウ：約380mg
トウモロコシ： 約300ｍｇタケノコ： 約250ｍｇ
フェルラ酸は水および油への溶解度が低いために現在一部の利用にとどまっている
酵素処理による水溶性あるいは脂溶性エステル誘導体合成による溶解度の向上
フェルラ酸について
ビート
パルプ多糖類
オリゴ糖
単糖
フェルロイルオリゴ糖
・アルカリ、有機溶媒による抽出
・希酸による加水分解・酵素処理
・希酸による加水分解・酵素処理
従来の技術
・飽和蒸気圧に圧力を加えた液体状態の熱水・蒸発潜熱を必要としないため昇温速度が速い・水のイオン積は温度に依存 → 加水分解能をもつ
水熱処理
・水のみを用いる安全性・処理速度が非常に高速・低コスト化が可能
・酵素処理
水熱処理によるフェルラ酸基を有するオリゴ糖の製造技術
可溶化液
従来技術との相違
本技術の利点および課題
利点：○水を使用するのみ（薬品や酵素が不要）
○ビートパルプやリンゴ搾汁滓など食品副産物を原料
○実用処理装置の開発に着手
欠点：○高圧処理装置（初期投資）がコスト髙
○熱エネルギーを消費する
課題：○不純物除去・精製方法が未確立 → 研究開発中
○フェルラ酸基を有するオリゴ糖の効能 → 研究途上
想定される用途
○ペクチンを含む食品加工残渣から機能性糖質を生産する技術
⇒甜菜糖、果実飲料など搾り滓が利用可能
○ジュース、ジャムなど果実（ペクチンを含む）の新しい加工技術
⇒水熱処理工程によりペクチン由来の機能性糖質を抽出、付加価値を訴求した製品作り
