2017 Fiscal Year Annual Research Report
Studies on structure and properties of xylan which is a bottleneck on enzymatic saccharification of woody biomass
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16H04949
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鮫島 正浩 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (30162530)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 木質バイオマス / セルロース / ヘミセルロース / キシラン / リグニン / 酵素糖化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
セルロース系バイオマスの酵素糖化においては、従来、セルラーゼによる結晶性セルロースの分解が遅いことが問題と考えられてきたが、最近の申請者らの研究では、シラカンバ材由来の木質バイオマスではキシランの一部が結晶性セルロースの中に取り込まれており、これが結晶性セルロースの酵素糖化の効率化にとってボトルネックとなっていることが示唆されている。本研究では、広葉樹材由来の木質バイオマス中に存在する難分解性キシランの構造的な特徴と結晶性セルロースとの複合化状態を明らかにし、その上で、このキシラン-セルロース複合体の効率的な分解に必要な酵素の特定を行い、これらの酵素の組み合わせの最適化により木質バイオマスの効率的な酵素糖化システムを構築することを研究の目的とする。
平成29年度では、市販酵素剤ならびに市販および自ら作製したモノコンポーネント酵素を組み合わせたヘミセルラーゼ剤およびヘミセルラーゼ＋セルラーゼ剤を用いて、アンモニア処理を施したシラカンバ材由来の木質バイオマスをはじめ、合計６種類の広葉樹材由来のアンモニア処理木質バイオマス対して二段階の酵素糖化を行い、得られた生成単糖の収量ならびにその構成について分析を行った。
その結果に基づき、酵素糖化によるグルコースやキシロース等の単糖収率について評価を行うと、化学分析によるバイオマス構成成分としてのキシラン/リグニン比（X/L比）の高いシラカンバ、ヤナギ、ブナ等の樹種では効率的に酵素糖化が進行し、高い単糖収率が得られ、一方、X/L比の低いアカシア、ユーカリ、ポプラ等の樹種では酵素糖化は効率的に進行しないことが明らかとなった。また、両者においては、ヘミセルラーゼ剤だけで分解できる易酵素分解性キシランとヘミセルラーゼ＋セルラーゼ剤でないと分解できない難酵素分解性キシランの量比と構造的特徴に大きな差異があることが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
アンモニア前処理を行った６種の広葉樹由来木質バイオマスに対して酵素糖化実験を実施し、得られたグルコース、キシロース、さらにグルクロン酸の単糖収率について評価を行った。その結果、化学分析によるバイオマス構成成分としてのキシラン/リグニン比（X/L比）の高いシラカンバ、ヤナギ、ブナ等の樹種では効率的に酵素糖化が進行し、高い単糖収率が得られ、一方、X/L比の低いアカシア、ユーカリ、ポプラ等の樹種では酵素糖化は効率的に進行しないことを明らかにした。また、両者においては、ヘミセルラーゼ剤だけで分解できる易酵素分解性キシランとヘミセルラーゼ＋セルラーゼ剤でないと分解できない難酵素分解性キシランの量比に大きな差異があることを明らかにした。
さらに、酵素糖化において単糖収率が著しく高かったシラカンバ由来のアンモニア処理木質バイオマスでは、難酵素分解性キシランに対して易酵素分解性キシランでのグルクロン酸残基の置換度が著しく低い特徴を有することを明らかにした。これに対して、易酵素分解性キシラン量が低いアカシア、ユーカリ、ポプラ等では易酵素分解性キシランよりも難酵素分解性キシランでのグルクロン酸残基の置換度が低い逆の傾向が認められ、特にアカシアでは置換度が著しく低いことを明らかにした。これらの樹種では、酵素糖化によりセルロース由来のグルコース収量も低いことから、グルクロン酸残基による置換度が低いキシランがセルロースと複合体を形成した場合、酵素糖化の効率化が妨げられる可能性が示唆された。
以上のように、平成29年度では、当初に計画していた実験を実施し、十分な研究成果を上げることが出来た。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度の研究成果により、キシラン構造の中でのグルクロン酸残基の置換度とその存在形態が広葉樹由来の木質バイオマス酵素糖化の効率化に大きな影響を及ぼすことが示された。一方、アンモニア処理バイオマスの場合、処理後もリグニンが固体としてバイオマス中にほぼ全量残るため、リグニンが酵素糖化の効率化に与える影響についても大きいと考えられた。このようなことから、リグニンの存在の影響を排除するため、脱リグニン処理を行ったバイオマスについて酵素糖化実験を行う必要性があると判断した。そこで、平成30年度においては、当初は計画に入れていなかった亜塩素酸ナトリウム処理（Wise処理）を施した木質バイオマス調製し、これに対して同様の酵素糖化実験を行うこととした。
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