修士論文 スイートソルガムを原料とした エタノール生産に関する研究

修士論文

スイートソルガムを原料とした エタノール生産に関する研究

弘 前 大 学 大 学 院 教 育 学 研 究 科 教 科 教 育 専 攻 理 科 教 育 専 修

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目 次

第 1 章 緒 論 ････････････････････････････････････････････････････････1 第 2 章 先 行 研 究 調 査

第 1節 作 地 面 積 に 対 す る 収 穫 量 ･･････････････････････････････････5 第 2節 ス イ ー ト ソ ル ガ ム 全 草 を 利 用 す る ア ル コ ー ル 発 酵 ････････････8 第 3 章 ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 成 分 組 成 分 析

第 1節 植 物 繊 維 組 成 の 分 画 ･････････････････････････････････････10 第 2節 結 果 と 考 察 ･････････････････････････････････････････････20 第 4 章 ア ル コ ー ル 発 酵 に 用 い る 酵 母 の 選 定

第 1節 ア ル コ ー ル 発 酵 と 酵 母 ･･･････････････････････････････････25 第 2節 酵 母 の 選 定 ･････････････････････････････････････････････27 第 3節 結 果 と 考 察 ･････････････････････････････････････････････28 第 5 章 糖 化 に 用 い る 酵 素 の 選 定

第 1節 糖 化 酵 素 ･･･････････････････････････････････････････････35 第 2節 酵 素 の 選 定 ･････････････････････････････････････････････36 第 3節 結 果 と 考 察 ･････････････････････････････････････････････38 第 6 章 ス イ ー ト ソ ル ガ ム を 用 い た ア ル コ ー ル 発 酵

第 1節 原 料 と 方 法 ･････････････････････････････････････････････46 第 2節 結 果 ･･･････････････････････････････････････････････････51 第 3節 考 察 ･･･････････････････････････････････････････････････75 第 7 章 総 括 ･･･････････････････････････････････････････････････････79 実 験 項 ･････････････････････････････････････････････････････････････81 参 考 文 献 ･･･････････････････････････････････････････････････････････86 謝 辞 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････88

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第 1 章 緒 論

エ ネ ル ギ ー は 、 ど の よ う な 種 類 に 変 換 さ れ て も 総 量 は 増 減 せ ず 、 一 定 不 変 で あ り 保 存 さ れ る ¹⁾と い う エ ネ ル ギ ー 保 存 の 法 則 が あ る よ う に 、 宇 宙 全 体 で 見 る と エ ネ ル ギ ー は 一 定 に 保 た れ て い る 。 し か し 現 代 に お い て 、 我 々 が 消 費 す る エ ネ ル ギ ー に 対 し 利 用 で き る エ ネ ル ギ ー が 不 足 し て い る こ と か ら 、 エ ネ ル ギ ー 不 足 と し て 捉 え ら れ 社 会 問 題 に な っ て い る 。 そ の 背 景 の 下 、 石 油 や 石 炭 な ど の 枯 渇 性 エ ネ ル ギ ー 資 源 の 代 わ り と な り 得 る も の の 1つ と し て 、 ト ウ モ ロ コ シ や サ ト ウ キ ビ 、 生 ゴ ミ 、 家 畜 の 排 泄 物 な ど の バ イ オ マ ス 資 源 が 注 目 さ れ て い る 。 そ れ か ら 生 み 出 さ れ る エ ネ ル ギ ー を バ イ オ マ ス エ ネ ル ギ ー と い い 、 原 料 を 適 切 に 管 理 ・ 処 理 す る こ と で 永 続 的 に 作 り 続 け る こ と が 出 来 る た め 再 生 可 能 な エ ネ ル ギ ー と さ れ て い る 。 先 ほ ど 挙 げ た バ イ オ マ ス 資 源 の 他 に 、 薪 な ど も バ イ オ マ ス 資 源 に 含 ま れ る 。 そ れ ら は 古 く か ら 燃 料 と し て 使 わ れ て い た が 、 石 油 な ど 化 石 燃 料 の 普 及 に よ り 次 第 に 衰 退 し て い く こ と と な っ た 。し か し 化 石 燃 料 の 使 用 は 、 大 昔 に 地 中 奥 深 く で 固 定 さ れ た 炭 素 を 使 用 す る こ と に な る た め 、 現 代 と い う 短 い 期 間 に 限 っ て み る と 、 大 気 中 の 二 酸 化 炭 素 量 を 増 加 さ せ て し ま う 結 果 と な っ た 。 従 っ て 二 酸 化 炭 素 の 排 出 が 少 な い エ ネ ル ギ ー の 変 換 方 法 が 考 え 出 さ れ る よ う に な り 、 そ の 中 で バ イ オ マ ス 資 源 は 見 直 さ れ て き た と 考 え ら れ る 。 ま た バ イ オ マ ス 資 源 を 原 料 と し て 変 換 さ れ た エ ネ ル ギ ー は 、 燃 焼 し て も 生 じ た 二 酸 化 炭 素 の 量 は そ の バ イ オ マ ス が 取 り 入 れ た 量 と 同 じ と 考 え ら れ る た め 、 大 気 中 の 二 酸 化 炭 素 量 を 増 や す こ と は な い と 言 わ れ て い る ²⁾。 こ の よ う な 点 で も カ ー ボ ン ニ ュ ー ト ラ ル で あ る エ ネ ル ギ ー の 生 産 と し て 地 球 温 暖 化 対 策 に 期 待 さ れ て い る 。

バ イ オ マ ス エ ネ ル ギ ー の 種 類 に つ い て は 、 植 物 油 か ら 作 ら れ る バ イ オ デ ィ ー ゼ ル 油 、 生 ゴ ミ や 家 畜 の 排 泄 物 を 発 酵 さ せ て 作 る バ イ オ ガ ス 、 ト ウ モ ロ コ シ や サ ト ウ キ ビ を ア ル コ ー ル 発 酵 さ せ て 得 ら れ る バ イ オ エ タ ノ ー ル な ど が あ る ^{2 )}。 し か し バ イ オ デ ィ ー ゼ ル は オ イ ル パ ー ム を 原 料 と す る と 石 油 換 算 で 3.71 t/ha

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生 産 で き る と い う 例 が あ る が 、 製 造 工 程 で 搾 油 す る 必 要 が あ り 、 そ の 工 程 に お け る 効 率 を こ れ 以 上 に 上 げ る こ と は 見 込 め な い と さ れ て い る ²⁾。 生 ゴ ミ に 関 し て は 、 ま ず 生 じ る 生 ゴ ミ を 全 て 回 収 す る こ と は 出 来 な い 。 ま た エ ネ ル ギ ー の 原 料 と し て 回 収 し 再 利 用 す る と 考 え た と き 、 生 ゴ ミ の 中 か ら 穀 物 を 例 に 挙 げ る と 穀 類 1 t か ら 得 ら れ る エ ネ ル ギ ー 量 は 約 360 万 kcal で あ り 、 こ れ は 石 油 1 t か ら 得 ら れ る エ ネ ル ギ ー1000 万 t の 約 36%程 度 に 過 ぎ な い ²⁾。 こ れ を エ ネ ル ギ ー に 変 換 す る 過 程 で は ロ ス も 生 じ る た め 、 エ ネ ル ギ ー 問 題 を 解 決 す る た め に は 期 待 が 小 さ い と さ れ て い る ²⁾。 家 畜 の 排 泄 物 に よ る バ イ オ ガ ス の 生 産 で は 、 供 給 さ れ る 餌 に 含 ま れ る エ ネ ル ギ ー の 多 く が 家 畜 に 吸 収 さ れ て し ま う た め 、 結 果 的 に 得 ら れ る エ ネ ル ギ ー は あ ま り 多 く な く 、 社 会 の エ ネ ル ギ ー の 不 足 を 補 う こ と は 不 可 能 と 言 わ れ て い る ²⁾。 バ イ オ エ タ ノ ー ル の 生 産 で は 、 海 外 に お い て サ ト ウ キ ビ や ト ウ モ ロ コ シ が 用 い ら れ 行 わ れ て い る 。 ブ ラ ジ ル で は サ ト ウ キ ビ の 絞 り 汁 を 直 接 ア ル コ ー ル 発 酵 さ せ て バ イ オ エ タ ノ ー ル を 製 造 し て お り 、 そ の ま ま で は エ タ ノ ー ル の 濃 度 が 10%程 度 と 低 い た め バ イ オ 燃 料 と し て 利 用 す る に あ た り 蒸 留 精 製 し て 濃 度 を 99.5%以 上 に 濃 縮 し て い る ³⁾。 そ の 年 間 生 産 量 は 1200 万 t、 石 油 に 換 算 す る と 800 万 t に 達 し て い る ³⁾。 ア メ リ カ で は 、 ト ウ モ ロ コ シ の 実 の 部 分 で あ る 種 子 を 原 料 と し て バ イ オ エ タ ノ ー ル の 生 産 を 行 っ て お り 、 生 産 量 は 1995 年 の 時 点 で 全 エ タ ノ ー ル 生 産 量 550 万 kL の 80%に 当 た る 450 万 kL が 燃 料 用 に 使 用 さ れ て い る ⁴⁾。 こ れ は ガ ソ リ ン 消 費 量 の 1%を バ イ オ エ タ ノ ー ル に よ り 代 替 し た と さ れ て い る ⁴⁾。 そ し て ト ウ モ ロ コ シ の 実 以 外 の 部 分 で あ る 葉 や 茎 の 糖 化 も 検 討 さ れ て い る 。 し か し サ ト ウ キ ビ を 始 め ト ウ モ ロ コ シ な ど は 食 料 ・ 飼 料 と の 競 合 が 問 題 化 し て き て い る ⁴⁾。

そ こ で 本 研 究 で は 、 ス イ ー ト ソ ル ガ ム と い う 植 物 を 用 い た バ イ オ エ タ ノ ー ル の 生 産 を 考 え た 。 ス イ ー ト ソ ル ガ ム と は 大 型 の イ ネ 科 の 植 物 で 、 茎 に は 糖 を 含 ん で い る 。 ま た 比 較 的 寒 冷 な 地 域 で も 育 つ こ と が 出 来 る た め 、 日 本 の 東 北 地 方 に お い て も 栽 培 可 能 な 草 本 で あ る ³⁾。 ま た 一 般 的 な 草 本 や 木 本 よ り 生 長 速 度 が

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速 い と い う 特 徴 を 持 つ た め 、 単 位 面 積 当 た り の エ ネ ル ギ ー 収 穫 も 良 好 で あ る 。 植 物 の 種 類 や 土 地 の 緯 度 に よ っ て 生 産 速 度 は 異 な る が 、木 本 類 は1日 1～5 g/m² で あ る の に 対 し 、 ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 場 合 は 年 間 平 均 で 1日 15～20 g/m²を 生 産 す る こ と が で き 、こ れ は 太 陽 電 池 の 効 率 の 4 分 の 1か ら 2 分 の 1で エ ネ ル ギ ー を 蓄 え ら れ る こ と に な る ³⁾。 ま た 日 本 で は 食 料 と の 競 合 も な い た め 、 そ の 生 産 に 関 し て は 危 惧 す る こ と は 無 い 。 こ れ ら の 観 点 か ら 、 バ イ オ マ ス エ ネ ル ギ ー の 原 料 と し て ス イ ー ト ソ ル ガ ム に 注 目 し 研 究 を 進 め た 。

ス イ ー ト ソ ル ガ ム を 用 い た ア ル コ ー ル 発 酵 に 関 す る 研 究 は 、茨 城 県 や 長 野 県 、 沖 縄 県 な ど で 行 わ れ て い る 。 青 森 県 で は 、 筆 者 が 調 べ た 限 り は そ の よ う な 研 究 は さ れ て い な か っ た も の の 、 青 森 県 に お け る ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 栽 培 に 関 し て は 事 業 が 実 際 に 行 っ た と い う 報 告 が 僅 か に 見 ら れ た た め 、 栽 培 は 可 能 で あ る 。 し か し 単 位 面 積 当 た り の 収 穫 量 な ど 定 量 的 な デ ー タ の 詳 細 は 見 ら れ な か っ た 。 そ れ に 加 え て 寒 冷 で あ る 青 森 県 で 栽 培 し た ス イ ー ト ソ ル ガ ム を 用 い て 、 実 際 に

図 1 弘 前 大 学 の 所 有 す る 千 年 農 場 に て 栽 培 さ れ た ス イ ー ト ソ ル ガ ム (2012 年 10月)

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ア ル コ ー ル 発 酵 さ せ バ イ オ マ ス エ ネ ル ギ ー を 得 た と い う 報 告 は 、 筆 者 の 知 る 限 り な い 。

ま た 先 行 研 究 で は 、 ス イ ー ト ソ ル ガ ム を ア ル コ ー ル 発 酵 の 原 料 と す る と き に は 搾 汁 が 主 に 用 い ら れ 、 搾 り か す は 燃 料 や 家 畜 の 飼 料 と さ れ て い る 。 し か し 搾 り か す に も 糖 は 含 ま れ て お り 、 さ ら に 糖 化 す る こ と で ア ル コ ー ル 発 酵 に 用 い る こ と の で き る デ ン プ ン や セ ル ロ ー ス な ど を 含 ん で い る 。 こ れ ら も 原 料 と し て 使 用 す る こ と で よ り 多 く の ア ル コ ー ル が 得 ら れ る と 期 待 さ れ る が 、 一 般 的 に は 行 わ れ て い な い 。 デ ン プ ン や セ ル ロ ー ス も 原 料 と し た と き の エ ネ ル ギ ー の 収 率 は ど れ 程 の も の な の か 。 そ こ で 搾 汁 の 他 に 穂 や 茎 、 葉 を 含 め た ス イ ー ト ソ ル ガ ム 全 草 を ア ル コ ー ル 発 酵 の 原 料 と し て 用 い る こ と で 、 搾 汁 の み を 使 用 し た 場 合 よ り ど の 程 度 多 く の エ タ ノ ー ル が 得 ら れ 、 最 終 的 な エ ネ ル ギ ー の 収 量 は い か な る も の な の か 検 討 を 行 う 必 要 が あ る と 考 え た 。 よ っ て ス イ ー ト ソ ル ガ ム を 実 際 に 栽 培 し 、 全 草 を ア ル コ ー ル 発 酵 の 原 料 と し た 場 合 の 、 エ ネ ル ギ ー 収 量 を 検 討 す る こ と を 目 的 と し て 研 究 を 進 め た 。

本 論 文 で は 第 2章 で 先 行 研 究 に つ い て 紹 介 し 、第 3 章 に ア ル コ ー ル 発 酵 を 行 う 上 で の 基 礎 デ ー タ と な る ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 成 分 組 成 分 析 、第 4章 で は ア ル コ ー ル 発 酵 に 用 い る 酵 母 の 選 定 、 第 5章 で は 糖 化 に 用 い る 酵 素 の 選 定 、第 6章 で ア ル コ ー ル 発 酵 に 用 い る ス イ ー ト ソ ル ガ ム 全 草 試 料 の 成 分 組 成 分 析 と ア ル コ ー ル 発 酵 に つ い て 述 べ て い く 。

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第 2 章 先 行 研 究 調 査

第 1 節 作 地 面 積 に 対 す る 収 穫 量

こ こ で い く つ か の 先 行 研 究 に つ い て 表 と と も に 紹 介 す る 。

表 1 先 行 研 究 に お け る ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 収 量 と エ タ ノ ー ル 収 量

先 行 研 究

ス イ ー ト ソ ル ガ ム 収 量[t/ha]

エ タ ノ ー ル 収 量 [L/ha]

NPO 亜 熱 帯 バ イ オ マ ス 利 用

研 究 セ ン タ ー(沖 縄 県) 52 2400

琉 球 大 学(沖 縄 県) 139 －

長 野 県 農 政 部(長 野 県) 49.1^ⅰ) 3280^ⅱ)

カ リ フ ォ ル ニ ア 46.6 3523^ⅲ)

ⅰ)糖 収 量 5.9 t/ha よ り 換 算 し た 値

ⅱ)糖 収 量 よ り 算 出 し た 理 論 値

ⅲ) ス イ ー ト ソ ル ガ ム 収 量 よ り 試 算 し た 理 論 値

表 1 は 沖 縄 県 の NPO 亜 熱 帯 バ イ オ マ ス 利 用 研 究 セ ン タ ー と 琉 球 大 学 、 長 野 県 の 長 野 県 農 政 部 、 そ し て カ リ フ ォ ル ニ ア で の 先 行 研 究 に お け る 1 ha 当 た り の ス イ ー ト ソ ル ガ ム 収 量[t]と エ タ ノ ー ル 収 量[L]を 示 し て い る 。NPO の 事 業 で は 独 自 に 研 究 を 行 っ た 結 果 の エ タ ノ ー ル 収 量 で あ る 。 琉 球 大 学 で は ス イ ー ト ソ ル ガ ム 収 量 の み の デ ー タ で あ る 。 長 野 県 農 政 部 で は 5.9 t/haの 糖 収 量 の 報 告 が あ り 、 標 準 的 な ス イ ー ト ソ ル ガ ム 全 草 中 で は 重 量 比 で 糖 は 12%を 占 め る た め 、 こ れ を 用 い て ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 収 量 に 換 算 し た 。ま た ⅱ)の エ タ ノ ー ル の 収 量 は 、 ア ル コ ー ル 発 酵 に よ り 重 量 比 で 糖 の 約 半 量 が エ タ ノ ー ル と 変 換 さ れ る こ と

6 か ら 算 出 し た 理 論 値 で あ る 。

NPO 亜 熱 帯 バ イ オ マ ス 利 用 研 究 セ ン タ ー に よ る H22 年 度 沖 縄 バ イ オ マ ス 資 源 活 用 促 進 事 業 報 告 書 で は 、植 え 付 け は 3~5 月 頃 に 播 種 で 行 い 、栽 植 密 度 は 畝 間 60cm、 株 間 30cm 程 度 を 目 安 と し 、 施 肥 は 種 苗 会 社 が 推 奨 す る 窒 素 成 分 が 合 計 で 15kg/10aと な る よ う に 栽 培 を 行 っ た 。そ の 結 果 平 成 20 年 の 栽 培 試 験 で は 、平 均 し て 52 t/ha と い う 結 果 が 得 ら れ て い る 。ま た 、平 成 18 年 に は 琉 球 大 学 に お い て 一 期 作 で 139 t/ha と い う 報 告 例 が あ る 。ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 収 穫 量 に つ い て は エ ネ ル ギ ー 作 物 の 事 典 に よ る と 20～130 t/haと い う 報 告 が あ る が 、 NPO亜 熱 帯 バ イ オ マ ス 利 用 研 究 セ ン タ ー の 事 業 で は こ れ ら の 結 果 を 踏 ま え 、そ の 平 均 的 な 単 収 を 60 t/ha と し て い る 。 ま た ス イ ー ト ソ ル ガ ム か ら 得 ら れ る エ タ ノ ー ル に つ い て は エ ネ ル ギ ー 作 物 の 事 典 に よ る と 6000 L/ha と い う 報 告 が あ り 、 そ の 事 業 で は ソ ル ガ ム 茎 の 搾 汁 率 を 50%、 ソ ル ガ ム 搾 汁 液 の 糖 含 有 率 を 14%、糖 か ら の エ タ ノ ー ル 生 成 比 率 を 50%、発 酵 歩 合 を 90%と し 、ソ ル ガ ム 茎 1 t当 た り の エ タ ノ ー ル 生 成 量 を 31.5 kg(40 L)と 推 定 し た 。こ れ は 茎 単 収 で 60 t/haの 場 合 、エ タ ノ ー ル 単 収 は 2400 L/ha を 意 味 し て い る 。同 事 業 に よ る ア ル コ ー ル 発 酵 と 蒸 留 の 試 験 で は 、Brix13.3 の ソ ル ガ ム 搾 汁 液 1 tあ た り64.7 L の エ タ ノ ー ル が 得 ら れ た と い う 報 告 が あ る ⁵⁾。

長 野 県 農 政 部 農 業 技 術 課 で は 、 甘 味 ソ ル ゴ ー と ス ー パ ー シ ュ ガ ー ソ ル ゴ ー の 2 品 種 の 搾 汁 を 用 い た 発 酵 試 験 を 行 っ た 報 告 が あ る 。 こ こ で は 搾 汁 作 業 に お い て 、 茎 を 搾 汁 し た あ と バ ガ ス に 温 水 を 加 え て さ ら に 搾 汁 す る 工 程 を 2回 繰 り 返 す 方 法 を と っ て お り 、 こ の 操 作 に よ り 搾 汁 効 率 は 100%に な る と し て い る 。 ま た 品 種 比 較 試 験 の 結 果 、 甘 味 ソ ル ゴ ー で の 糖 収 量 は 平 均 5.9 t/haで あ り 、 岩 手 県 醸 造 食 品 試 験 場 報 告 24.に 基 づ き エ タ ノ ー ル 発 酵 収 率 を 85%と し て 試 算 す る と エ タ ノ ー ル 生 産 量 は 3280 L/ha と 試 算 し て い る ⁶⁾。

ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 生 長 に お い て 、 緯 度 が 日 本 と 近 い 値 に 位 置 す る ア メ リ カ の カ リ フ ォ ル ニ ア 地 方 で の 例 が あ る 。 そ れ に よ る と 成 長 速 度 は 12.8 g/(m²･日)

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で あ り 、1 ha 当 た り 年 間 46.6 t の 収 穫 と な る ³⁾。糖 分 の み を ア ル コ ー ル 発 酵 の 原 料 と し て 用 い る と す る と 、そ の う ち の 約 12%で あ る 5.6 tが 発 酵 に 使 わ れ る 。 こ れ で 得 ら れ る エ タ ノ ー ル は 2.8 t で あ り 、石 油 換 算 で は 1.8 t と い う 報 告 が あ る ³⁾。

ス イ ー ト ソ ル ガ ム は 、 日 本 に お い て 搾 汁 を 主 に 発 酵 の 原 料 と し て 使 用 さ れ て お り 、 そ の 効 率 を 上 げ る 研 究 が 進 め ら れ て い る 。 し か し 茎 や 葉 は 糖 化 し 発 酵 さ せ る よ り も 、 飼 料 と し て 使 う と い う 傾 向 に あ る と 見 受 け ら れ る 。

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第 2 節 ス イ ー ト ソ ル ガ ム 全 草 を 利 用 す る ア ル コ ー ル 発 酵

本 研 究 で は 、 ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 全 草 を 用 い て ア ル コ ー ル 発 酵 を 行 う 。 一 般 的 に は 糖 を 得 た 後 に 燃 料 や 家 畜 の 飼 料 に さ れ て し ま う 搾 り か す だ が 、 そ れ に は 搾 り き れ ず に 残 っ た 糖 類 の 他 に 、 穂 や 茎 、 葉 な ど に 由 来 す る デ ン プ ン や セ ル ロ ー ス が 含 ま れ て い る 。 そ れ ら を 糖 化 す る こ と で ア ル コ ー ル 発 酵 に 利 用 で き る よ う に な り 、 よ り 多 く の エ タ ノ ー ル を 得 ら れ る よ う に な る 。

セ ル ロ ー ス を 原 料 と す る ア ル コ ー ル 発 酵 は 、 食 料 と 競 合 し な い も の を 原 料 と す る と い う 観 点 の 下 、 様 々 な 技 術 開 発 が 行 わ れ て い る 。 例 を 紹 介 す る と 、 糖 化 と ア ル コ ー ル 発 酵 に よ り エ タ ノ ー ル を 得 る 原 料 と し て 最 も 注 目 さ れ て い る 熱 帯 牧 草 の ス イ ッ チ グ ラ ス と い う 植 物 が あ る ⁴⁾。こ の 乾 草 を 16 t/haで 生 産 し 乾 草 1 t か ら 300 L の エ タ ノ ー ル が 生 産 さ れ る と 仮 定 す る と 、 原 料 価 格 か ら 試 算 し た エ タ ノ ー ル 3.8L(1ガ ロ ン)当 た り の 生 産 コ ス ト は 、ト ウ モ ロ コ シ の 70セ ン ト~1 ド ル 21 セ ン ト に 対 し 、 ス イ ッ チ グ ラ ス は 51~89セ ン ト と 低 い と い う 試 算 が あ る ⁷⁾。ま た ア メ リ カ で は か つ て 飼 料 生 産 の た め 利 用 さ れ た 3300 万 ha は 、穀 物 生 産 に 影 響 せ ず バ イ オ マ ス の 原 料 を 生 産 す る 場 と し て 利 用 可 能 と し て い る 。 こ こ で ス イ ッ チ グ ラ ス を 栽 培 す る と 5 億 2000 万 t の バ イ オ マ ス が 生 産 で き る と い わ れ て い る 。 ス イ ッ チ グ ラ ス 栽 培 は 穀 物 生 産 よ り も 環 境 保 全 に 適 す る 利 点 も あ る と い わ れ て い る が 、 現 時 点 で は 実 用 可 能 な 規 模 の エ タ ノ ー ル 生 産 設 備 は 存 在 し な い ⁴⁾。

セ ル ロ ー ス の 原 料 と し て は 他 に も 稲 わ ら や 麦 わ ら な ど の 草 本 系 や 木 材 な ど が 挙 げ ら れ る が 、 ア ル コ ー ル 発 酵 を 行 う た め に は 、 そ れ ら に 含 ま れ る セ ル ロ ー ス や ヘ ミ セ ル ロ ー ス を 分 離 し 、 糖 化 す る 必 要 が あ り 、 さ ら に 前 処 理 の 工 程 が 必 要 と な る 。 製 造 工 程 が

図 2 稲 わ ら の ペ レ ッ ト 化 ⁸⁾

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増 え る と コ ス ト や 製 造 の た め の エ ネ ル ギ ー も 増 え る こ と に な る ⁹⁾が 、 ど の 原 料 を 用 い た に せ よ 最 終 的 な エ ネ ル ギ ー 収 量 が 問 わ れ る 。

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第 3 章 ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 成 分 組 成

第 1 節 植 物 繊 維 組 成 の 分 画 ¹⁰⁾

ス イ ー ト ソ ル ガ ム を 原 料 と し て 用 い る に あ た り 、 そ の 成 分 組 成 分 析 を 行 っ た 。 こ の 実 験 で 用 い た ス イ ー ト ソ ル ガ ム は 弘 前 大 学 千 年 農 場 に て 栽 培 し た 高 糖 分 ソ ル ゴ ー で 、 種 か ら 育 て 2011 年 10月 に 収 穫 し た も の で あ る 。平 均 的 な 情 報 を 得 る た め 、 様 々 な サ イ ズ の も の

を 合 計 10本 選 別 し た 。そ し て 1 本 当 た り の 質 量 を 記 録 し 、穂 と 葉 、茎 に 分 け 、 茎 は 適 当 な 大 き さ に 切 断 し 搾 汁 器 に か け て 搾 汁 を 得 た 。10本 全 て の 処 理 が 終 わ っ た 後 、10本 分 の 穂 、葉 、茎 の 搾 り か す で あ る バ ガ ス 、搾 汁 の 質 量 を 各 々 量 っ た 。 搾 汁 に つ い て は 糖 組 成 の 分 析 と 糖 度 の 測 定 を 行 っ た 。 穂 、 葉 、 茎 は 真 空 乾 燥 し て ビ ニ ー ル 袋 に 入 れ 1℃ で 保 存 し 、 搾 汁 は 二 重 に し た ジ ッ プ ロ ッ ク に 入 れ て 冷 凍 保 存 し た 。 分 析 に 使 用 す る と き は 、 穂 、 葉 、 茎 を 適 量 取 り 、 フ ー ド プ ロ セ ッ サ ー に て 細 か く 粉 砕 し 用 い た 。

今 回 の 植 物 繊 維 組 成 の 分 画 で は 、 固 形 試 料 中 の 脂 質 や 水 に 可 溶 な 成 分 で あ る 糖 類・水 溶 性 ヘ ミ セ ル ロ ー ス 、デ ン プ ン 、ペ ク チ ン 、水 不 溶 性 ヘ ミ セ ル ロ ー ス 、 セ ル ロ ー ス 、 リ グ ニ ン 、 灰 分 の 分 画 を 行 っ た 。 ス イ ー ト ソ ル ガ ム 本 体 を 用 い た ア ル コ ー ル 発 酵 に お い て 、デ ン プ ン や セ ル ロ ー ス の 糖 化 も 行 う 予 定 で あ る た め 、 こ の 分 析 で 得 ら れ る デ ン プ ン と セ ル ロ ー ス の 量 が 重 要 と な る 。

こ の 実 験 は 上 記 処 理 を 行 っ た 穂 と 葉 、茎 の 試 料 そ れ ぞ れ 1つ ず つ を 1連 と し 、 全 て 4連 で 行 っ た 。

図 3 粉 砕 し た 試 料(左 か ら 穂 、 葉 、 茎)

11 3-1-1 乾 物 重 量 測 定 法

ま ず は 使 用 す る 試 料 の 乾 物 重 量 測 定 を 行 っ た 。

穂 ・ 葉 ・ 茎 を 搾 っ た バ ガ ス の 試 料 は 真 空 乾 燥 す る こ と に よ り 、 試 料 を 乾 物 と し た 。 穂 と 葉 、 搾 汁 し た 茎 を 適 量 取 り 、 真 空 乾 燥 の 前 後 の 質 量 を 量 り 水 分 含 量 と 固 形 分 重 量 を 求 め 、 乾 物 試 料 を 得 た 。

ま た 6 章 に お い て ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 品 種 別 に お け る 成 分 分 析 を 行 う 際 は 、 105℃ の オ ー ブ ン で 3時 間 お き 、 加 熱 前 と 加 熱 後 の 質 量 の 差 か ら 求 め た 。

図 4 オ ー ブ ン で 乾 燥 さ せ て い る 様 子

12 3-1-2 脂 質 抽 出 法

脂 質 抽 出 に お い て 、 本 実 験 で は ソ ッ ク ス レ ー 法 を 用 い た 。 沸 騰 石 を 1粒 入 れ た 専 用 の ガ ラ ス 容 器 に 針 金 で で き た 固 定 器 具 を 入 れ 円 筒 濾 紙 を 固 定 し 、 そ こ に 乾 物 試 料 を 入 れ た 。 そ し て 全 体 の 質 量 を 量 っ て 記 録 し 、 適 当 な 大 き さ に し た 脱 脂 綿 を 円 筒 濾 紙 に フ タ を す る よ う に 2回 軽 く 詰 め た 。 こ の と き 脱 脂 綿 は 軍 手 を 着 用 し て 切 り 離 し 、 ピ ン セ ッ ト を 使 っ て 詰 め る こ と が 望 ま し い 。 用 意 が で き た ら ジ エ チ ル エ ー テ ル を 140mL 程 度 一 気 に 流 し 込 ん で 迅 速 脂 肪 抽 出 装 置 に 設 置 し 、 ド ラ フ ト で 換 気 し な が ら 抽 出 を 開 始 し た 。 こ の 実 験 で は 2 時 間 半 で 脂 質 が 抽 出 さ れ 、 円 筒 濾 紙 の 中 の 試 料 か ら ガ ラ ス 製 の 容 器 の 方 へ 脂 質 が 移 動 す る 。 抽 出 終 了 後 、80℃ で 30 分 置 き ジ エ チ ル エ ー テ ル を 蒸 発 さ せ た 。 そ し て 100℃ の オ ー ブ ン で 1 時 間 乾 燥 さ せ 、デ シ ゲ ー タ ー 内 で 1時 間 以 上 放 冷 し た あ と 質 量 を 量 っ た 。 こ の 値 と 空 の ガ ラ ス 容 器 と の 質 量 の 差 が 抽 出 し た 脂 質 の 量 で あ る 。 脂 質 の 抽 出 が 終 わ っ た 試 料 は サ ン プ ル 瓶 に 移 し て 保 存 し た 。

図 5 迅 速 脂 肪 抽 出 装 置 に て 脂 質 を 抽 出 し て い る 様 子

13 3-1-3 水 に 可 溶 な 成 分 の 抽 出 法

脂 質 抽 出 の 次 は 、 水 に 可 溶 な 成 分 の 抽 出 を 行 っ た 。 脱 脂 し た 試 料 を 1 g 量 り 取 り 、質 量 を 量 っ た 100 mL 三 角 フ ラ ス コ に 入 れ た 。こ れ に 蒸 留 水 を 30 mL 加 え 栓 を し 、振 と う 機 に 設 置 し て 約 130 rpm に な る よ う に 設 定 し 室 温 で 4 時 間 振 と う 抽 出 を 行 っ た 。 そ の 間 に 繊 維 抽 出 装 置 で 用 い る ガ ラ ス る つ ぼ P2(フ ィ ル タ ー 孔 径 40~60 μm)を 秤 量 し て 記 録 し て お く 。4時 間 の 振 と う 抽 出 を し た あ と 、 繊 維 抽 出 装 置 に ガ ラ ス る つ ぼ を 設 置 し 試 料 を 濾 別 し 水 洗 い し た 。 そ し て 試 料 が 入 っ た ガ ラ ス る つ ぼ を 105℃ の オ ー ブ ン で 2 時 間 乾 燥 さ せ 、 水 に 可 溶 な 成 分 が 抽 出 さ れ た 試 料 の 乾 物 重 量 を 得 た 。 こ の と き 脂 質 抽 出 し た と き の 乾 物 重 量 と の 差 が 水 に 可 溶 な 成 分 の 質 量 で あ る 。

図 6 振 と う 抽 出 し て い る 様 子 図 7 水 洗 い し て い る 様 子

14 3-1-4 デ ン プ ン の 抽 出 法

水 に 可 溶 な 成 分 を 抽 出 後 、 デ ン プ ン の 抽 出 を 行 っ た 。 こ こ で は 0.2 M 酢 酸 緩 衝 溶 液 を 用 い る た め 、 あ ら か じ め 調 製 し て 用 い た 。

ま ず 50 mL ビ ー カ ー に 水 に 可 溶 な 成 分 を 除 去 し た 試 料 が 入 っ た ガ ラ ス る つ ぼ を 入 れ 、50 mL の 0.2 M酢 酸 緩 衝

溶 液 を ガ ラ ス る つ ぼ の 中 の 試 料 が 浸 か る よ う

に 入 れ た 。 次 に ガ ラ ス る つ ぼ と ビ ー カ ー の 上 部 を ア ル ミ 箔 で し っ か り と 覆 い 、 オ ー ト ク レ ー ブ で 滅 菌 し た 。 以 下 断 り が な い 限 り オ ー ト ク レ ー ブ の 操 作 は 121℃20 分 の 処 理 と す る 。 こ の 間 に ア ミ ラ ー ゼ 系 酵 素 剤 で あ る 0.001 g/mL グ ル ク SB G 酢 酸 緩 衝 溶 液 を 調 製 し 、 オ ー ト ク レ ー ブ し 終 わ っ た 試 料 が 冷 め た あ と 2.5 mL 加 え た 。 こ の 濃 度 は 試 料 固 形 分 の 0.1%と し て い る 。 本 来 な ら ば 乾 物 量 に 20 mL を か け た 量 の 緩 衝 溶 液 を 加 え る が 、 別 の 実 験 方 法 を と り 50 mL 加 え る こ と と し た た め 、そ の 中 で 酵 素 剤 の 濃 度 が 0.001 g/mLと な る よ う に し た 。 オ ー ト ク レ ー ブ に て 少 し の 減 水 が 考 え ら れ る が 、こ こ で 酵 素 を 溶 か し た 2.5 mL の 緩 衝 溶 液 を 加 え 、 ま た 酵 素 の 濃 度 は 低 く な け れ ば 良 い と 考 え た た め 、 こ の よ う な 操 作 を し て 実 験 を 進 め た 。 酵 素 剤 を 加 え た ガ ラ ス る つ ぼ に ビ ー カ ー ご と フ タ を し 、55℃ で 18 時 間 静 地 反 応 さ せ た 。 反 応 後 ア ル ミ 箔 を 外 し ビ ー カ ー か ら ガ ラ ス る つ ぼ を 取 り 出 し て 、 繊 維 抽 出 装 置 で 水 洗 い し 105℃ の オ ー ブ ン で 2 時 間 乾 燥 さ せ 乾 物 重 量 を 求 め た 。 水 に 可 溶 な 成 分 を 除 去 し た と き の 乾 物 重 量 と こ の と き の 乾 物 重 量 の 差 が 、 抽 出 さ れ た デ ン プ ン の 量 で あ る 。

図 8 デ ン プ ン 抽 出 操 作

15 3-1-5 ペ ク チ ン の 抽 出 法

デ ン プ ン 抽 出 の 次 は ペ ク チ ン の 抽 出 を 行 っ た 。 こ の 実 験 で は 0.25%シ ュ ウ 酸 ア ン モ ニ ウ ム を 使 う た め 、 必 要 量 調 製 し て 用 い た 。

始 め に デ ン プ ン を 抽 出 し た 試 料 が 入 っ た ガ ラ ス る つ ぼ を 繊 維 抽 出 装 置 に 設 置 し 、0.25%シ ュ ウ 酸 ア ン モ ニ ウ ム を 20 mL 入 れ た 。 装 置 の ヒ ー タ ー を 、 試 料 が 軽 く 沸 騰 す る 程 度 に 合 わ せ 、少 し 攪 拌 し な が ら 3時 間 置 い て ペ ク チ ン を 抽 出 し た 。 抽 出 後 廃 液 し 水 洗 い し て 、 残 っ た 試 料 を 105℃ の オ ー ブ ン で 2 時 間 乾 燥 さ せ 、 乾 物 重 量 を 得 た 。 こ の 乾 物 重 量 と デ ン プ ン を 抽 出 し た と き の 乾 物 重 量 と の 差 が ペ ク チ ン の 量 と な る 。

図 9 攪 拌 し な が ら 煮 沸 抽 出 し て い る 様 子

16 3-1-6 水 不 溶 性 ヘ ミ セ ル ロ ー ス の 抽 出 法

次 に 水 不 溶 性 セ ル ロ ー ス の 抽 出 を 行 っ た 。 こ こ で は 5%(v/v)硫 酸 を 用 い る た め 、 あ ら か じ め 調 製 し て 用 い た 。

ま ず デ ン プ ン 抽 出 を 行 っ た 試 料 が 入 っ て い る ガ ラ ス る つ ぼ を 繊 維 抽 出 装 置 に 設 置 し 、5%(v/v)硫 酸 を 20 mL 程 度 加 え 、7 分 煮 沸 し た 。 煮 沸 後 は 廃 液 し 水 洗 い し て 105℃ の オ ー ブ ン で 2時 間 乾 燥 さ せ 、 乾 物 重 量 を 求 め た 。 こ の 乾 物 重 量 と ペ ク チ ン 抽 出 後 の 重 量 と の 差 が 、 水 不 溶 性 ヘ ミ セ ル ロ ー ス の 量 と な る 。

図 10 5%(v/v)硫 酸 を 加 え 煮 沸 し て い る 様 子

17 3-1-7 セ ル ロ ー ス の 抽 出 法

続 い て セ ル ロ ー ス の 抽 出 を 行 っ た 。 こ の 実 験 で は 72%(w/w)硫 酸 を 用 い る た め 、 あ ら か じ め 調 製 し て 用 い た 。

始 め に 水 不 溶 性 ヘ ミ セ ル ロ ー ス を 抽 出 し た 試 料 が 入 っ た ガ ラ ス る つ ぼ を 50 mLビ ー カ ー に 入 れ 、試 料 が 浸 か る 程 度 に 72%(w/w)硫 酸 を 加 え た 。1つ の 試 料 に つ き 約 30 mL で あ る 。 こ れ を フ タ の 付 い た 容 器 に 入 れ フ タ を し 、2~4℃ の 冷 蔵 庫 に 入 れ て 72 時 間 静 置 さ せ た 。 抽 出 後 ガ ラ ス る つ ぼ を 繊 維 抽 出 装 置 に 設 置 す る が 、 こ の と き 手 袋 を 着 用 し て ガ ラ ス る つ ぼ を 持 ち 、 ガ ラ ス る つ ぼ の 側 面 に 付 い て い る 硫 酸 を 水 で 洗 い 流 し て か ら 設 置 す る 。 そ し て 廃 液 し 水 洗 い し て 、 105℃ の オ ー ブ ン で 2 時 間 乾 燥 さ せ 乾 物 重 量 を 得 た 。 こ の 値 と 水 不 溶 性 ヘ ミ セ ル ロ ー ス を 抽 出 し た と き の 乾 物 重 量 と の 差 が セ ル ロ ー ス の 量 で あ る 。

図 11 硫 酸 に 浸 け て 容 器 に 入 れ た 試 料

18 3-1-8 リ グ ニ ン の 抽 出 法 と 灰 分 の 測 定 法

最 後 に リ グ ニ ン の 抽 出 を 行 っ た 。 セ ル ロ ー ス を 抽 出 し た 試 料 が 入 っ て い る ガ ラ ス る つ ぼ を 電 気 炉 へ 入 れ 、500℃ で 23 時 間 加 熱 し た 。加 熱 後 電 気 炉 の 中 で 十 分 に 温 度 が 下 が っ た あ と 、 取 り 出 し て 乾 物 重 量 を 得 た 。 こ の 値 と セ ル ロ ー ス 抽 出 後 の 乾 物 重 量 と の 差 が リ グ ニ ン の 量 で あ る 。 ま た 、 ガ ラ ス る つ ぼ に 残 っ た 試 料 の 量 が 灰 分 の 質 量 と な る 。

以 上 で 植 物 繊 維 組 成 の 分 画 が 全 て 終 了 し た 。

図 12 加 熱 後 の 電 気 炉 内 の 試 料

19 3-1-9 搾 汁 の 成 分 組 成 分 析

搾 汁 は 培 地 や ア ル コ ー ル 発 酵 に 用 い る た め 、そ の 成 分 組 成 を 知 る 必 要 が あ る 。 よ っ て 搾 汁 機 で 搾 汁 を 得 た あ と 簡 易 糖 度 計 に よ り 糖 度 の 測 定 し 、 搾 汁 の 成 分 組 成 分 析 を 行 っ た 。

図 13 茎 を 搾 っ て い る 様 子 図 14 得 ら れ た 搾 汁

ま ず は 搾 汁 を 希 釈 し た 。 予 備 実 験 の 結 果 を 基 に 200倍 に 希 釈 し て 2 mL の 試 料 を 得 た 。そ れ を 2.5 mL の シ リ ン ジ に 入 れ 、フ ィ ル タ ー 孔 径 0.45 μm の メ ン ブ ラ ン フ ィ ル タ ー で 濾 過 し な が ら バ イ ア ル へ 注 入 し た 。 こ れ を 用 い て 液 体 ク ロ マ ト グ ラ フ ィ ー に よ り 糖 組 成 の 分 析 を 行 っ た 。

本 実 験 で 使 用 し た 液 体 ク ロ マ ト グ ラ フ ィ ー の 測 定 条 件 を 以 下 に 示 す 。

・ 測 定 方 式 ： イ オ ン ク ロ マ ト グ ラ フ － 電 気 化 学 検 出 法

・ カ ラ ム ：PCI-520 糖 分 析 カ ラ ム (陰 イ オ ン 交 換 カ ラ ム)

・ 溶 離 液 ：0.2 mol/L水 酸 化 ナ ト リ ウ ム 水 溶 液

・ 流 量 ：0.7 mL/min

・ 温 度 ： 約 40℃

・ モ ー ド ： 糖 類(グ ル コ ー ス 、 フ ル ク ト ー ス 、 ス ク ロ ー ス の 検 出)

図 15 使 用 し た 液 体 ク ロ マ ト グ ラ フ

20 第 2 節 結 果 と 考 察

ス イ ー ト ソ ル ガ ム 各 部 分 の 繊 維 組 成 の 分 析 結 果 を 表 と 共 に 示 す 。 ま ず は 穂 の 分 析 結 果 で あ る 。

表 2 穂 の 繊 維 組 成 分 析 結 果

試 料

水 分 量 [%]

脂 質 [%]

水 可 溶 成 分[%]

デ ン プ ン [%]

ペ ク チ ン+水 不 溶 性 ヘ ミ セ ル ロ ー ス[%]

セ ル ロ ー ス[%]

リ グ ニ ン [%]

灰 分 [%]

1

52.8

1.6 10.5 9.3 7.6 11.2 5.5 0.5

2 1.4 11.9 12.0 8.0 14.3 5.4 0.4

3 2.7 11.2 4.4 13.2 7.5 14.0 0.6

4 1.8 10.2 11.5 9.5 13.5 6.2 0.7

平 均 52.8 1.6 11.0 10.9 8.4 13.0 5.7 0.6

表 2は 穂 の 組 成 に つ い て 分 析 し た 結 果 を 重 量 比 で 示 し て い る 。試 料 3 の 黒 い 部 分 は 他 の 試 料 と 比 較 し 値 が 大 き く ず れ て い る た め 平 均 を 計 算 す る 際 に は 加 味 し て い な い 。

穂 の 固 形 分 中 に は デ ン プ ン が 多 く 含 ま れ て い る と 予 想 さ れ た が 、 こ の 分 析 に お い て デ ン プ ン は 穂 の 10.9%を 占 め て い る こ と が 分 か っ た 。 ま た そ れ 以 上 に セ ル ロ ー ス も 13.0%と デ ン プ ン よ り も 多 く 含 ま れ て い る と い う 結 果 と な っ た 。 そ し て 糖 類 を 含 む 水 に 可 溶 な 成 分 も 11.0%含 ん で い る こ と が 確 認 で き た 。

21 次 に 葉 の 分 析 結 果 を 示 す 。

表 3 葉 の 繊 維 組 成 分 析 結 果

試 料

水 分 量 [%]

脂 質 [%]

水 可 溶 成 分[%]

デ ン プ ン [%]

ペ ク チ ン+水 不 溶 性 ヘ ミ セ ル ロ ー ス[%]

セ ル ロ ー ス[%]

リ グ ニ ン [%]

灰 分 [%]

1

69.1

1.9 16.1 1.1 8.4 11.7 5.8 1.5

2 1.4 16.4 2.7 10.4 14.8 6.7 1.5

3 3.4 13.1 -4.0 15.0 18.6 7.6 1.5

4 1.7 2.9 2.2 23.56 14.4 7.6 1.6

平 均 69.1 1.7 15.2 2.0 11.3 13.7 6.9 1.5

表 3は 葉 の 組 成 を 分 析 し た 結 果 を 重 量 比 で 示 し た も の で あ る 。 表 の 黒 い 部 分 は 他 の 試 料 の 結 果 と 比 較 し 差 が 大 き い 場 合 や 、 実 験 結 果 に お い て 算 出 し た 結 果 が マ イ ナ ス に な っ て し ま っ た も の で あ り 、 平 均 を 出 す 際 に は 考 慮 し て い な い 。 固 形 分 中 の 成 分 を 見 る と 、 葉 は 糖 類 を 含 む 水 に 可 溶 な 成 分 を 15.2%と 多 く 含 ん で い た 。 そ れ に 次 い で セ ル ロ ー ス も 13.7%と 多 く 含 ま れ て い た 。

22

最 後 に 搾 汁 し た 茎 の バ ガ ス の 分 析 結 果 を 表 で 示 す 。

表 4 茎(バ ガ ス)の 繊 維 組 成 分 析 結 果

試 料

水 分 量 [%]

脂 質 [%]

水 可 溶 成 分[%]

デ ン プ ン [%]

ペ ク チ ン+水 不 溶 性 ヘ ミ セ ル ロ ー ス[%]

セ ル ロ ー ス[%]

リ グ ニ ン [%]

灰 分 [%]

1

59.4

0.5 21.7 1.4 4.5 11.8 5.1 0.0

2 -0.3 21.5 -3.9 13.2 2.9 18.5 0.0

3 0.5 10.1 11.8 6.5 16.2 6.6 0.0

4 0.3 5.0 -22.2 46.9 2.4 19.5 0.1

平 均 59.4 0.4 17.8 1.4 8.1 8.4 12.4 0.0

表 4は 搾 汁 し た 茎 の バ ガ ス の 組 成 を 分 析 し た 結 果 を 重 量 比 で 示 し た も の で あ る 。 表 の 黒 い 部 分 は 穂 や 葉 と 同 様 に 他 の 試 料 と 比 較 し て 値 に 差 が あ る も の や 含 有 量 を 算 出 し た 時 に マ イ ナ ス の 値 に な っ て し ま っ た も の で あ り 、 平 均 を 出 す 際 に は 加 味 し て い な い 。デ ン プ ン に つ い て は 4検 体 の う ち 試 料 2 と 試 料 4 で マ イ ナ ス の 値 と な っ て し ま い 、 ま た 試 料 3に お い て は 茎 が 穂 の よ う に デ ン プ ン を 含 ん で い る と は 考 え に く い た め 、 そ の 値 は 結 果 と し て 用 い な い こ と と し た 。 搾 汁 し た 茎 の 固 形 分 中 の 組 成 で は 、 糖 を 含 む 水 に 可 溶 な 成 分 が 17.8%と 多 く 含 ま れ て い た 。 ま た セ ル ロ ー ス は 比 較 的 多 く 含 ま れ て い た 。

次 の ペ ー ジ に 穂 、 葉 、 茎 の 各 部 分 の 結 果 を 成 分 別 に 棒 グ ラ フ で 表 し た も の を 示 す 。

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図 16 穂 、 葉 、 茎(バ ガ ス)の 固 形 分 中 に 含 ま れ 成 分 別 の 比 率

こ の グ ラ フ は 穂 と 葉 、 搾 汁 し た 茎 の 水 分 量 と 固 形 成 分 の 組 成 の 重 量 比 を 、 成 分 別 に 示 し た も の で あ る 。

ア ル コ ー ル 発 酵 に 重 要 な 固 形 分 中 の 成 分 の 含 有 比 率 を 比 較 す る と 、 糖 を 含 む 水 に 可 溶 な 成 分 は 穂 と 葉 、 茎 が 共 通 し て 比 較 的 多 く 含 ん で い る と 考 え ら れ る 。 デ ン プ ン は 穂 に 多 く 含 ま れ て い た が 、 こ の グ ラ フ に よ り 葉 や 茎 と 比 較 し て そ の 含 有 量 は 大 き く 抜 き ん で て い る 。 セ ル ロ ー ス は 茎 に 多 く 含 ま れ て い る と 考 え て い た が 、 そ れ 以 上 に 穂 や 葉 に も 多 く 含 ま れ て い る と い う 結 果 が 得 ら れ た 。 糖 類 は そ の ま ま ア ル コ ー ル 発 酵 に 使 わ れ 、 デ ン プ ン や セ ル ロ ー ス は 酵 素 に よ り 糖 化 す る こ と で ア ル コ ー ル 発 酵 に 用 い る こ と が で き る 。 よ っ て セ ル ロ ー ス を 含 ん で い る ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 各 部 分 、 ま た 穂 に は デ ン プ ン も 多 く 含 ま れ る た め 、 こ れ ら を 酵 素 で 糖 化 す る こ と に よ っ て ア ル コ ー ル 発 酵 に お け る エ タ ノ ー ル の 収 量

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を 上 げ る こ と が で き る と 考 え ら れ る 。 一 般 的 に は 搾 汁 が ア ル コ ー ル 発 酵 の 原 料 と し て 用 い ら れ て い る が 、 穂 や 葉 、 茎 な ど も 同 じ く 原 料 と す る こ と に よ っ て 、 今 ま で よ り も 多 く の エ タ ノ ー ル が 得 ら れ る と 期 待 で き る 。

次 に 糖 組 成 の 分 析 結 果 を 示 す 。

表 5 高 糖 分 ソ ル ゴ ー の 搾 汁 1 L 当 た り の 糖 組 成 と Brix%

品 種 Glu[g/L] Fru[g/L] Suc[g/L] 合 計[g/L] 糖 度%

高 糖 分 ソ ル ゴ ー 27.2 25.2 103.4 155.8 15.6

表 5 は サ ン プ ル と し て 合 計 10 本 選 ん だ ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 搾 汁 1 L に 含 ま れ る グ ル コ ー ス と フ ル ク ト ー ス 、 ス ク ロ ー ス の 量 、 そ し て 簡 易 糖 度 計 に よ る 糖 度 を 示 し て い る 。

ア ル コ ー ル 発 酵 に つ い て は 次 の 章 で 詳 し く 述 べ る が 、 ア ル コ ー ル 発 酵 の 反 応 式 を 基 に し た 重 量 比 で は 、 発 酵 に 使 わ れ る 糖 の 約 半 分 が エ タ ノ ー ル と し て 生 成 さ れ る 。 よ っ て こ の 搾 汁 全 て が 発 酵 に 用 い ら れ た と す る と 得 ら れ る エ タ ノ ー ル の 量 は 約 79 g、 体 積 に 換 算 す る と 約 100 mL の 理 論 値 と な る 。

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第 4 章 ア ル コ ー ル 発 酵 に 用 い る 酵 母 の 選 定

第 1 節 ア ル コ ー ル 発 酵 と 酵 母

発 酵 と は 、 微 生 物 の 嫌 気 的 な 代 謝 に よ り 糖 質 を 分 解 し エ ネ ル ギ ー を 得 る た め の 過 程 で あ る 。 そ の 種 類 は ア ル コ ー ル 発 酵(エ タ ノ ー ル 発 酵)の 他 に 、 乳 酸 発 酵 や ア セ ト ン ・ ブ タ ノ ー ル 発 酵 な ど が あ る ⁴⁾。 微 生 物 の 働 き で 起 こ る 同 じ よ う な 現 象 と し て 腐 敗 が あ る が 、 人 間 に と っ て 有 用 な も の を 生 成 す る 働 き を 発 酵 、 有 害 物 質 を 生 成 す る 働 き を 腐 敗 と し て 使 い 分 け ら れ て い る 。

本 実 験 で 扱 う ア ル コ ー ル 発 酵 は 、 そ の 反 応 式 は 次 の よ う に 表 さ れ 、1 mol の グ ル コ ー ス か ら 2 mol の エ タ ノ ー ル と 二 酸 化 炭 素 が 生 成 さ れ る こ と が 分 か る 。

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

重 量 比 100 g 51 g 49 g

ま た 重 量 比 で は グ ル コ ー ス 100 g か ら エ タ ノ ー ル 51 g、 二 酸 化 炭 素 49 g が 得 ら れ る 。 エ タ ノ ー ル の 重 量 は グ ル コ ー ス の 重 量 の 半 分 に 減 少 す る が 、 グ ル コ ー ス の 持 つ エ ネ ル ギ ー の 約 91%が 生 成 す る エ タ ノ ー ル に 保 存 さ れ る ⁴⁾。

こ の ア ル コ ー ル 発 酵 に 用 い ら れ る 微 生 物 は Saccharomyces cerevisiae と 呼 ば れ る 酵 母 が 主 流 で あ り 、 エ タ ノ ー ル の 発 酵 能 力 が 強 く 、 エ タ ノ ー ル に 対 す る 耐 性 も 強 い ⁴⁾。発 酵 で き る 糖 の 種 類 は グ ル コ ー ス 、マ ル ト ー ス 、フ ル ク ト ー ス 、 ス ク ロ ー ス な ど の ヘ キ ソ ー ス の 単 糖 類 、 二 糖 類 で あ る ⁴⁾。

今 回 発 酵 に 用 い る 酵 母 と し て 、青 森 県 産 業 技 術 セ ン タ ー 弘 前 地 域 研 究 所 に あ る 48種 類 の 酵 母 を 選 定 の 対 象 と し た 。 次 に 選 定 に 用 い た 酵 母 を 挙 げ る 。

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K701⑬ ロ 号 酵 母 （3711－268)⑱ ラ ル バ ン/71B ト マ ト K601⑮ イ 号 酵 母 （3703－7） ⑭ ラ ル バ ン/Wadenswil カ シ ス 1 Y-19 ハ 号 酵 母 （3703－109） ⑭ ラ ル バ ン/CY 3099 カ シ ス 2

K40 ま ほ ろ ば ラ ル バ ン/ECC 1118 AP-1

K1501 wine2254 s3(し ょ う ち ゅ う) AP-2 K1601⑭ Mauri/SW s2(し ょ う ち ゅ う) AP-3

K15⑩ Mauri/350 GM AP-4

K14⑩ Mauri/EP2 AK59 AP-5

K1401⑭ Mauri/SAUVIGNON L3 KTB26 AP-6

K11⑪ Mauri/PRIMEUR K86 A3703

K10⑮ Mauri/522 yaf1 ⑭ A4004

K901⑮ Mauri/B K1101 TCR7

こ れ ら の 酵 母 は 弘 前 地 域 研 究 所 の 保 有 菌 株 か ら 実 際 の 酒 造 に 使 わ れ て い る 実 用 株 や 古 く か ら あ る 実 用 株 、 果 実 な ど か ら 釣 菌 し た オ リ ジ ナ ル 菌 株 で あ る 。 wine2254 は I4 発 酵 研 究 所 の ワ イ ン 用 酵 母 で あ り 、研 究 な ど に 使 わ れ る 。Mauri は Mauri 社 製 、ラ ル バ ン は ラ ル バ ン 社 製 の ワ イ ン 用 乾 燥 酵 母 で あ る 。し ょ う ち ゅ う は 日 本 醸 造 酵 母 の 焼 酎 用 酵 母 で あ る 。 ト マ ト は 弘 前 実 業 高 校 が 所 有 す る 酵 母 で 、 使 い 道 は ま だ 決 ま っ て い な い 。A3703、A4004 は 青 森 県 が 所 有 す る 清 酒 用 酵 母 で あ る 。

実 用 株 は エ タ ノ ー ル 生 産 の 実 績 が あ り 、性 質 が 判 っ て い る た め 入 手 し や す い 。 古 く か ら あ る 菌 株 は ス イ ー ト ソ ル ガ ム を ア ル コ ー ル 発 酵 の 原 料 と し て 用 い た と き 、 発 酵 が 良 い の で は な い か と い う 期 待 を 込 め て 試 す こ と に し た 。 オ リ ジ ナ ル 菌 株 は 、 上 手 く 使 う こ と が で き れ ば オ ン リ ー ワ ン 技 術 と し て 知 財 化 が で き る 。 そ し て こ れ ら の 菌 は 全 て 安 全 で あ る こ と が 判 っ て い る 。 以 上 の 理 由 に よ り こ れ ら の 菌 株 か ら 選 定 す る こ と と し た 。

27 第 2 節 酵 母 の 選 定 法 ¹¹⁾

酵 母 の 選 定 を 行 う に あ た り 、 培 地 は ス イ ー ト ソ ル ガ ム 搾 汁 を 用 い た 。 ま ず 搾 汁 を 5000 rpmで 10 分 間 遠 心 分 離 機 に か け 沈 殿 物 を 取 り 除 い た 。そ の 上 清 を 試 薬 ビ ン に 移 し て フ タ を し 、 さ ら に ア ル ミ ホ イ ル で 上 か ら 覆 い オ ー ト ク レ ー ブ に か け た 。 そ し て 熱 が 取 れ た ら 再 び 同 じ 条 件 で 遠 心 分 離 し 沈 殿 物 を 取 り 除 い て 、 同 様 に 上 清 を オ ー ト ク レ ー ブ に か け た 。 こ れ を 培 地 と し て 使 用 し た 。

酵 母 を 培 養 す る 容 器 に は 8×12セ ル の マ イ ク ロ プ レ ー ト を 用 い 、1 セ ル 当 た り 200 μLの 培 地 を 入 れ 、こ れ に ス ラ ン ト で 培 養 さ れ て い る 酵 母 48 株 を 植 菌 し 、30℃ の イ ン キ ュ ベ ー タ ー 内 で 48時 間 静 置 培 養 し た 。そ の 後 同 じ プ レ ー ト の 残 り の セ ル に 新 し い 培 地 を 用 意 し て そ れ ぞ れ の 菌 を 一 爪 楊 枝 量 移 植 し 、

こ の と き の 酵 母 の 増 殖 の 様 子 か ら 結 果 を 得 た 。 酵 母 は マ イ ク ロ プ レ ー ト リ ー ダ ー(Multickan JX)に よ り O.D.630 で 吸 光 度 を 測 定 し 、菌 体 濃 度 を 求 め る こ と に よ り 増 殖 の 観 察 を 行 っ た 。 菌 体 濃 度 は 、 得 ら れ た 吸 光 度 の 値 の 指 数 を と る こ と で 求 め ら れ る 。 増 殖 が 良 か っ た 酵 母 を 培 地 と の 相 性 が 良 い も の と し て 12 株 を 選 定 し 、 さ ら に 絞 り 込 み を 続 け た 。

図 17 酵 母 の 培 養 試 験

28 第 3 節 結 果 と 考 察

ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 搾 汁 か ら 調 製 し た 培 地 を 用 い 、 発 酵 に 使 用 す る 酵 母 48 株 を 培 養 し て 絞 込 み を 行 っ た 結 果 を 以 下 の 表 と グ ラ フ に 示 す 。

表 6 培 養 し た 48 株 の 時 間 経 過 に お け る 菌 体 濃 度[×10⁸ cells/mL]

時 間[hr] 0 26 35 48

K701⑬ 0.119 0.208 1.056 2.558 K601⑮ 0.122 0.133 0.625 2.267 Y-19 0.113 0.111 0.193 0.699 K40 0.107 0.115 0.388 2.179 K1501 0.110 0.120 0.407 2.552 K1601⑭ 0.117 0.136 0.709 2.552 K15⑩ 0.116 0.143 0.611 2.033 K14⑩ 0.129 0.162 1.035 3.417 K1401⑭ 0.119 0.142 0.808 2.931 K11⑪ 0.109 0.122 0.425 2.173 K10⑮ 0.113 0.150 0.901 3.134 K901⑮ 0.112 0.122 0.519 2.695 ロ 号 酵 母 （3711－268)⑱ 0.107 0.113 0.226 1.183 イ 号 酵 母 （3703－7） ⑭ 0.107 0.107 0.112 0.169 ハ 号 酵 母（3703－109）⑭ 0.119 0.145 0.767 2.490

ま ほ ろ ば 0.138 0.177 1.064 2.874

Mauri/SW 0.214 0.475 2.033 3.494 wine2254 0.178 0.325 2.063 3.717

29

s3(し ょ う ち ゅ う) 0.124 0.200 1.452 2.846 s2(し ょ う ち ゅ う) 0.174 0.378 1.697 3.188 Mauri/350 0.178 0.348 1.603 3.284 Mauri/EP2 0.146 0.356 1.676 3.065 Mauri/SAUVIGNON L3 0.222 0.652 2.387 3.895 Mauri/PRIMEUR 0.149 0.286 2.068 4.093 Mauri/522 0.205 0.421 2.502 3.236 Mauri/B 0.315 0.481 2.163 3.383 ラ ル バ ン/７ １B 0.314 0.754 2.013 2.695 ラ ル バ ン/Wadenswil 0.489 0.611 2.089 2.902 ラ ル バ ン/CY 3099 0.345 0.928 2.312 3.468 ラ ル バ ン/ECC 1118 0.179 0.168 1.427 2.874

GM 0.127 0.221 1.212 3.358

AK59 0.164 0.274 1.533 3.383 KTB26 0.137 0.199 1.246 3.065 A3703 0.278 0.468 2.136 3.572 A4004 0.153 0.360 1.796 3.653 K86 0.107 0.107 0.144 0.379 yaf1 ⑭ 0.107 0.107 0.108 0.110 K1101 0.166 0.255 1.355 2.874 TCR7 0.139 0.144 1.032 2.584

ト マ ト 0.221 0.709 2.104 2.783

カ シ ス 1 0.107 0.107 0.107 0.107

カ シ ス 2 0.107 0.107 0.107 0.110

AP-1 0.107 0.107 0.107 0.110

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AP-2 0.107 0.107 0.110 0.111 AP-3 0.107 0.107 0.107 0.108 AP-4 0.107 0.107 0.107 0.109 AP-5 0.107 0.107 0.107 0.110 AP-6 0.107 0.107 0.107 0.111

こ の 表 は 培 養 し た 48 株 の 酵 母 の 植 菌 後 を 0 時 間 と し て 26 時 間 後 、35時 間 後 、48 時 間 後 の 菌 体 濃 度 を 表 し て い る 。

続 け て 次 の ペ ー ジ に こ の 値 を 用 い て 増 殖 曲 線 と し た グ ラ フ を 示 す 。

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図 18 培 養 し た 48株 の 時 間 経 過 に お け る 菌 体 濃 度 の 変 化

こ れ は 酵 母 を 培 養 し て か ら 26時 間 後 、35時 間 後 、48時 間 後 に マ イ ク ロ プ レ ー ト リ ー ダ ー に よ り 読 み と っ た 吸 光 度 を 基 に 、 酵 母 の 菌 体 濃 度 を 算 出 し グ ラ フ に し た も の で あ る 。 酵 母 の 増 殖 が 速 か っ た も の 、 最 終 的 に 多 く 増 殖 し た も の を

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目 安 に 、 こ の 中 か ら 12株 に 絞 り 込 ん だ 。O.D.630で 3.0~3.5×10⁸ cells/mL と 計 算 さ れ る 菌 体 濃 度 は 、 経 験 的 に 知 ら れ て い る 酵 母 濃 度 の 最 大 で あ る と い わ れ て い る 。よ っ て 24~48時 間 で そ の 濃 度 に 達 す る 酵 母 は 、そ の 培 地 に 適 し た 酵 母 と 判 断 さ れ る 。従 っ て48株 か ら 12株 へ の 絞 り 込 み は 48時 間 の 培 養 で 行 っ た 。 次 に 12 株 か ら 選 定 を 行 っ た 。12 株 か ら の 絞 り 込 み は 、 酵 母 が 培 地 の 環 境 に 適 応 し て い る 時 間 で あ る ラ グ フ ェ イ ズ が 短 い も の を 選 ぶ た め 、24 時 間 の 培 養 で 行 っ た 。 そ の 結 果 を 次 に 示 す 。

表 7 12株 に 選 定 し た 時 の 時 間 経 過 に お け る 酵 母 の 菌 体 濃 度[×10⁸ cells/mL]

時 間[hr] 0 16 18 20 22 24

Mauri/SW 0.151 0.637 0.837 1.522 2.762 3.662 wine2254 0.147 0.390 0.877 1.564 2.668 3.434 s2(し ょ う ち ゅ う) 0.147 0.187 0.313 0.565 1.322 1.623 Mauri/SAUVIGNON L3 0.147 0.442 1.038 1.935 3.358 4.795 Mauri/PRIMEUR 0.149 0.184 0.262 0.475 1.071 1.902 Mauri/522 0.148 0.488 1.123 2.250 3.763 4.783 Mauri/B 0.147 0.235 0.387 0.663 1.309 2.028 ラ ル バ ン/Wadenswil 0.147 0.273 0.540 1.183 1.619 2.471 ラ ル バ ン/CY 3099 0.146 0.374 0.837 1.545 2.695 3.434 A3703 0.147 0.349 0.814 1.420 2.715 4.113 A4004 0.147 0.213 0.427 0.826 1.685 2.623

ト マ ト 0.147 0.839 1.660 2.742 4.113 4.927

表 7 は 選 定 し た 12 株 の 時 間 経 過 に お け る 吸 光 度 か ら 菌 体 濃 度 を 算 出 し た も の で あ る 。 こ れ を 増 殖 曲 線 と し て 次 の ペ ー ジ に 表 す 。

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図 19 12 株 に 選 定 し た 時 の 酵 母 の 菌 体 濃 度

こ の グ ラ フ は 、12 株 の 酵 母 を 24 時 間 培 養 し た 時 の 植 菌 直 後 と 16 時 間 後 か ら 24 時 間 後 ま で 2 時 間 お き に 測 定 し た 時 間 経 過 に お け る 菌 体 濃 度 を 示 し て い る 。

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こ れ ら の 結 果 よ り 、 ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 搾 汁 で 調 製 し た 培 地 と 相 性 が 良 い も の は ト マ ト 酵 母 と 考 え ら れ る 。 し か し こ の 酵 母 は 弘 前 地 域 研 究 所 の 所 有 で は な く 、 ま た 広 く 知 ら れ て お ら ず 、 産 業 的 に 適 し て い な い と 判 断 し た た め 、 本 実 験 で は こ の 酵 母 は 用 い な い こ と と し た 。 ト マ ト の 次 に 増 殖 が 良 か っ た も の は Mauri/SAUVIGNON L3、続 い て Mauri/522と な っ た 。こ の 2 種 類 の 酵 母 の 増 殖 は ほ と ん ど 差 が な か っ た が 、 途 中 経 過 を み る と 後 者 の 方 が 時 間 経 過 に お け る 酵 母 の 増 殖 が 良 く 、 ラ グ フ ェ イ ズ が 短 い た め 、 ア ル コ ー ル 発 酵 に 用 い る 酵 母 は Mauri/522に 決 定 し た 。

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第 5 章 糖 化 に 用 い る 酵 素 の 選 定

第 1 節 糖 化 酵 素

ス イ ー ト ソ ル ガ ム の 搾 汁 だ け で は な く 全 草 を ア ル コ ー ル 発 酵 の 原 料 と す る た め 、 デ ン プ ン や セ ル ロ ー ス を 酵 素 に よ り 糖 化 し ア ル コ ー ル 発 酵 に 使 用 で き る よ う に す る 必 要 が あ る 。 従 っ て デ ン プ ン と セ ル ロ ー ス を 糖 化 す る た め に 、 使 用 す る ア ミ ラ ー ゼ 系 酵 素 と セ ル ラ ー ゼ 系 酵 素 の 選 定 を 行 っ た 。 ま た 、 キ シ ラ ナ ー ゼ に よ る 糖 化 も 試 み た 。キ シ ラ ナ ー ゼ は セ ル ラ ー ゼ 系 酵 素 と 組 み 合 わ せ る こ と で 、 2 種 類 の 酵 素 の 組 み 合 わ せ で あ り な が ら 、 セ ル ラ ー ゼ や ア ミ ラ ー ゼ 、 ま た ペ ク チ ナ ー ゼ と い っ た 酵 素 3 種 類 以 上 の 組 み 合 わ せ と 同 程 度 の 糖 化 が 見 ら れ た ¹³⁾ と い う 結 果 が あ る こ と か ら 、 酵 素 の 選 定 の 対 象 に し た 。

ア ミ ラ ー ゼ 系 酵 素 は 2種 類 、セ ル ラ ー ゼ 系 酵 素 は 3種 類 の 酵 素 を 候 補 に 挙 げ 、 こ れ ら の 中 か ら 1種 類 ず つ 選 び 、 そ し て 糖 化 が 良 か っ た も の を 組 み 合 わ せ て 使 用 し 選 定 し た 。 ア ミ ラ ー ゼ 系 酵 素 に は グ ル ク SB G と ス ミ チ ー ム 、 セ ル ラ ー ゼ 系 酵 素 に は ア サ ヒ セ ル ラ ー ゼ 、セ ル ラ ー ゼ TP5-協 和 、ア ク レ モ セ ル ラ ー ゼ KM を 使 用 し た 。 キ シ ラ ナ ー ゼ に は キ シ ラ ナ ー ゼ コ ン ク を 用 い た 。