砂糖の製造方法

本発明は、砂糖の製造方法に関し、さらに詳しくは、効率よく砂糖及びエタノールを製造する方法に関する。

植物由来の燃料用エタノールは炭酸ガス増加を防ぐガソリン代替液体燃料として期待されている。 植物由来の糖液から砂糖とエタノールの両方を製造する場合、まず糖液から砂糖を製造し、砂糖製造後の糖液を微生物で発酵させてエタノールを製造する方法がとられてきた（例えば、特開２００４−３２１１７４号公報参照）。

上記の方法においては、糖液から砂糖を製造するために結晶化処理が必要となるが、結晶化処理には高い糖濃度が必要であり、そのため糖液を加熱し水分を蒸発させ、濃縮することが行われていた。 一方、発酵においては高い糖濃度や加熱濃縮により高くなった糖液中の塩濃度が阻害要因となるため、砂糖製造後の糖蜜からエタノールを製造するためには希釈等の処理が必要であった。 また発酵液を再び加熱しエタノールを蒸留により抽出するため、上記方法は、エネルギー的に無駄が多い方法であった。 また砂糖の結晶化処理では、蔗糖以外の砂糖原料にならない糖分も含めた全糖分に対して、砂糖原料となる蔗糖分が高い、いわゆる純糖率の高い糖液でなければ砂糖結晶の収率低下などの問題が起こるため、純糖率の低い時期、品種等では砂糖が生産できない問題があった。
本発明は、効率よく砂糖を製造し、同時に効率よくエタノールを製造する方法を提供することを目的とする。

本発明は、蔗糖分解酵素を有さない微生物で植物由来の糖液を発酵させる前処理工程と、発酵させた糖液から砂糖を製造する工程とを有することを特徴とする砂糖の製造方法を提供する。 また、本発明は、蔗糖分解酵素阻害剤の存在下で、植物由来の糖液を微生物で発酵させる前処理工程と、発酵させた糖液から砂糖を製造する工程とを有することを特徴とする砂糖の製造方法を提供する。

本発明の方法によれば、糖濃度及び塩濃度がともに低い糖液で発酵を行うため、効率よくエタノールを製造することができる。

実施例１で用いたプロセスのフロー図である。

実施例１のプロセスの物質収支を示す図である。

実施例２のプロセスの物質収支を示す図である。

実施例３のプロセスの物質収支を示す図である。

蔗糖分解酵素を有さない酵母および蔗糖分解酵素遺伝子を破壊した酵母を用いたサトウキビ搾汁の発酵試験の結果を示す図である。

蔗糖分解酵素阻害剤を用いたサトウキビ搾汁の発酵試験の結果を示す図である。

本発明の砂糖の製造方法は、蔗糖分解酵素を有さない微生物で植物由来の糖液を発酵させる前処理工程又は蔗糖分解酵素阻害剤の存在下で、植物由来の糖液を微生物で発酵させる前処理工程を有する。 このような条件で糖液を発酵させることにより、蔗糖は分解されず、グルコースやフルクトースなどの転化糖のみからエタノールなどが生成される。 その結果、糖液中の蔗糖の割合が高くなり、砂糖の結晶化効率を向上させることができる。 また、従来の方法では、蔗糖以外の糖分が多い低純糖率原料（品種及び収穫時期に起因する）では、結晶化が難しいという問題があったが、本発明の砂糖の製造方法では、蔗糖以外の糖分が発酵により消費され、純糖率が高まるため、低純糖率の原料でも結晶化ができる。 したがって、利用できるサトウキビ品種の幅が増え、収穫時期の拡張も可能になる。 また、従来の方法では、製糖時に窒素と糖分が結合して糖蜜の着色が起こり、これは排水着色問題に繋がっていたが、本発明の砂糖の製造方法では、発酵により窒素が消費され、糖蜜の着色が軽減される。 また、従来の方法では、製糖後の高濃度の糖分をすべてエタノールに変換させるため製造時間が長く（約４８〜７２時間）、塩濃縮による発酵阻害も起こるが、本発明の砂糖の製造方法では、低濃度の糖分を発酵させるため、塩濃縮もなく短時間で発酵が終了し、製造時間が大幅に短縮できる。

植物としては、サトウキビ、テンサイなどの糖分を蓄積する植物が挙げられる。 好ましくは、サトウキビである。
植物由来の糖液を準備する工程は、当業者に公知の方法、例えば圧搾工程により行うことができる。 具体的には、刈り取ったサトウキビの蔗茎部をカッターで１５〜３０ｃｍに切断し、シュレッダーで細かく砕き、ロールミルで糖汁を搾り出す。 糖分の搾出率をよくするために最終ロールに注水して９５〜９７％の糖分を搾り出す。 次いで、石灰混和槽において、石灰を添加して不純物を凝集沈殿させた後、オリバーフィルターで沈殿物と清澄液を分離し、清澄液を蒸発濃縮する。 得られる糖液には、主にスクロース、グルコース、フルクトースなどが含まれる。

蔗糖分解酵素を有さない微生物としては、サッカロマイセス ダイレネンシス（Saccharomyces dairenensis）NBRC 0211、サッカロマイセス トランスバーレンシス（Saccharomyces transvaalensis）NBRC 1625、サッカロマイセス ロシニー（Saccharomyces rosinii）NBRC 10008、チゴサッカロマイセス ビスポラス（Zygosaccharomyces bisporus）NBRC 1131などが挙げられる。 また、蔗糖分解酵素を有す微生物においても、微生物の持つ6種類の蔗糖分解酵素遺伝子（SUC1、SUC2、SUC3、SUC4、SUC6、SUC7）のすべて、もしくは一部を遺伝子操作によって破壊した菌株を用いることもできる。
蔗糖分解酵素阻害剤としては、銀イオン、銅イオン、水銀イオン、鉛イオン、メチル-α-D-グルコピラノシド、ＰＣＭＢ（p-chloromercuribenzoate）、グルコシル-D-プシコースなどが挙げられる。
発酵は、当業者に公知の方法により行うことができ、例えば発酵微生物と糖液を所定の割合で添加し発酵させる回分式、発酵微生物を固定化後、糖液を連続供給して発酵させる連続式などが挙げられる。

本発明の砂糖の製造方法は、次いで発酵させた糖液から砂糖を製造する工程を有する。 発酵させた糖液からの砂糖の製造は、当業者に公知の方法により行うことができ、例えば砂糖を結晶化することなどが挙げられる。 具体的には、発酵させた糖液を少量ずつ（０．５〜１ｋｌ）吸引減圧下で加熱濃縮を繰り返し、一定の大きさ以上の砂糖結晶を取り出し、次いで遠心分離機で砂糖結晶と糖液とに分離する。

本発明の砂糖の製造方法においては、発酵させた糖液から砂糖を製造する前に、発酵させた糖液からエタノールを回収する工程を有してもよい。 発酵させた糖液からのエタノールの回収は、当業者に公知の方法により行うことができ、例えば蒸留によりエタノールを分離することが挙げられる。 蒸留によるエタノール分離を行えば、同時に糖液が濃縮されるため、砂糖製造において、改めて加熱濃縮を行う必要が無く、時間及びエネルギーともに節約することができる。

（実施例１ サトウキビを原料とし、蔗糖分解酵素を有さない酵母を使った場合のプロセス実証）
（１）圧搾工程 収穫後のサトウキビ（ＮｉＦ８）の蔗茎部３２００ｇをシュレッダーで裁断後、４重ロールミルで圧搾し、搾汁３１１４ｍＬ（搾汁重量＝３３４８ｇ、蔗糖含有量＝５６３ｇ、転化糖含有量＝６５ｇ、純糖率＝７９．４％）を得た。
（２）清澄化・発酵工程 搾汁を５Ｌジャーファーメンターに移し、搾汁重量に対して０．０５重量％の消石灰Ｃａ（ＯＨ） ₂を添加し、ｐＨ調整と不純物の凝集をさせた。 そこに蔗糖分解酵素を有さない酵母Saccharomyces dairenensis（NBRC 0211）を乾燥重量で０．３ｇ植菌し、嫌気条件下、３０℃で３時間、エタノール発酵させた。 酵母は予めＹＭ培地で前培養しておいたものを用いた。 発酵終了後、酵母及び凝集した不純物をフィルターろ過し、発酵液３０８０ｍＬ（搾汁重量＝３２８８ｇ、エタノール濃度１．１７vol％、蔗糖含有量＝５５８ｇ、転化糖含有量＝０ｇ）を分離した。
（３）エタノール蒸留・糖液濃縮工程 発酵液を減圧下で加熱し、蒸発したエタノール２８．６ｇを冷却回収した後、引き続き水２１９３ｍＬを蒸発させ、濃縮糖液８３７ｍＬ（糖液重量＝１０６６ｇ、蔗糖含有量＝５５８ｇ、転化糖含有量＝０ｇ、純糖率＝９３．８％）を得た。
（４）結晶化工程 糖液の１／２を引き抜き、更に減圧下で加熱し、蔗糖の過飽和度１．２まで濃縮した後、砂糖の種結晶（粒径２５０μｍ）５０ｇを添加し、残りの濃縮糖液を少量ずつ添加しながら、約３時間結晶化させた。
（５）粗糖・糖蜜分離工程 結晶化させた砂糖及び糖蜜の混合物を、５０〜１００μｍメッシュの濾布を用いた有孔壁型遠心分離機にて３０００ｒｐｍ２０分間遠心分離し、砂糖３７１ｇ（蔗糖回収率＝６５．９％：種結晶添加分抜き）と糖蜜２３４ｇ（蔗糖含有量＝１５１ｇ、転化糖含有量＝０ｇ、純糖率＝８７．４％）に分離した。
生産プロセスのフロー図を図１に、物質収支の結果を図２に示す。

（実施例２ サトウキビを原料とし、蔗糖分解酵素遺伝子破壊株を使った場合のプロセス実証）
（１）圧搾工程 収穫後のサトウキビ（ＮｉＦ８）の蔗茎部３２００ｇをシュレッダーで裁断後、４重ロールミルで圧搾し、搾汁３０００ｍＬ（搾汁重量＝３２６４ｇ、蔗糖含有量＝５４６ｇ、転化糖含有量＝６０ｇ、純糖率＝７８．９％）を得た。
（２）清澄化・発酵工程 搾汁を５Ｌジャーファーメンターに移し、搾汁重量に対して０．０５重量％の消石灰Ｃａ（ＯＨ） ₂を添加し、ｐＨ調整と不純物の凝集をさせた。 そこに蔗糖分解酵素遺伝子SUC2を破壊した酵母菌株Saccharomyces cervisiae BY4742を乾燥重量で０．３ｇ植菌し、嫌気条件下、３０℃で３時間、エタノール発酵させた。 破壊株は予めＹＭ培地で前培養しておいたものを用いた。 発酵終了後、酵母及び凝集した不純物をフィルターろ過し、発酵液２９８６ｍＬ（搾汁重量＝３１８０ｇ、エタノール濃度１．３８vol％、蔗糖含有量＝５４６ｇ、転化糖含有量＝０ｇ）を分離した。
（３）エタノール蒸留・糖液濃縮工程 発酵液を減圧下で加熱し、蒸発したエタノール３２．８ｇを冷却回収した後、引き続き水２０８３ｍＬを蒸発させ、濃縮糖液８６０ｍＬ（糖液重量＝１０６５ｇ、蔗糖含有量＝５４６ｇ、転化糖含有量＝０ｇ、純糖率＝８７．１％）を得た。
（４）結晶化工程 糖液の１／２を引き抜き、更に減圧下で加熱し、蔗糖の過飽和度１．２まで濃縮した後、砂糖の種結晶（粒径２５０μｍ）５０ｇを添加し、残りの濃縮糖液を少量ずつ添加しながら、約３時間結晶化させた。
（５）粗糖・糖蜜分離工程 結晶化させた砂糖及び糖蜜の混合物を、５０〜１００μｍメッシュの濾布を用いた有孔壁型遠心分離機にて３０００ｒｐｍ２０分間遠心分離し、砂糖３５１ｇ（蔗糖回収率＝６４．３％：種結晶添加分抜き）と糖蜜２３９ｇ（蔗糖含有量＝１２３ｇ、転化糖含有量＝２３ｇ、純糖率＝６５．８％）に分離した。
物質収支の結果を図３に示す。

（実施例３ サトウキビを原料とし、蔗糖分解酵素阻害剤を使った場合のプロセス実証）（１）圧搾工程 収穫後のサトウキビ（ＮｉＦ８）の蔗茎部３０００ｇをシュレッダーで裁断後、４重ロールミルで圧搾し、搾汁２８６８ｍＬ（搾汁重量＝３１２０ｇ、蔗糖含有量＝５２４ｇ、転化糖含有量＝６１ｇ、純糖率＝７８．３％）を得た。
（２）清澄化・発酵工程 搾汁を５Ｌジャーファーメンターに移し、搾汁重量に対して０．０５重量％の消石灰Ｃａ（ＯＨ） ₂を添加し、ｐＨ調整と不純物の凝集をさせた。 そこに蔗糖分解酵素阻害剤であるメチル-α-D-グルコピラノシドを濃度６０ｍＭとなるように添加した後、蔗糖分解酵素を有する酵母Saccharomyces cervisiae（Taiken396株）を乾燥重量で０．６ｇ植菌し、嫌気条件下、３０℃で６時間、エタノール発酵させた。 酵母は予めＹＭ培地で前培養しておいたものを用いた。 発酵終了後、酵母及び凝集した不純物をフィルターろ過し、発酵液２８７０ｍＬ（搾汁重量＝３０６４ｇ、エタノール濃度６．２０vol％、蔗糖含有量＝２５２ｇ、転化糖含有量＝０ｇ）を分離した。
（３）エタノール蒸留・糖液濃縮工程 発酵液を減圧下で加熱し、蒸発したエタノール１５０ｇを冷却回収した後、引き続き水２４９４ｍＬを蒸発させ、濃縮糖液３３０ｍＬ（糖液重量＝４２０ｇ、蔗糖含有量＝２５２ｇ、転化糖含有量＝０ｇ、純糖率＝９４．０％）を得た。
（４）結晶化工程 糖液の１／２を引き抜き、更に減圧下で加熱し、蔗糖の過飽和度１．２まで濃縮した後、砂糖の種結晶（粒径２５０μｍ）５０ｇを添加し、残りの濃縮糖液を少量ずつ添加しながら、約３時間結晶化させた。
（５）粗糖・糖蜜分離工程 結晶化させた砂糖及び糖蜜の混合物を、５０〜１００μｍメッシュの濾布を用いた有孔壁型遠心分離機にて３０００ｒｐｍ２０分間遠心分離し、砂糖２０３ｇ（蔗糖回収率＝２９．２％：種結晶添加分抜き）と糖蜜１５１ｇ（蔗糖含有量＝８８ｇ、転化糖含有量＝０ｇ、純糖率＝８１．０％）に分離した。
物質収支の結果を図４に示す。

（実施例４ 蔗糖分解酵素を有さない酵母を使った場合のサトウキビ搾汁発酵試験）
蔗糖分解酵素を有さない酵母 S. dairenensis(NBRC 0211)、S. transvaalensis(NBRC 1625)、S. rosinii(NBRC 10008)、Z. bisporus(NBRC 1131)と、蔗糖分解酵素を有す酵母S. cervisiae BY4742の蔗糖分解酵素遺伝子を破壊した株(BY4742 SUC2-)をサトウキビ搾汁に植菌して、蔗糖を分解せずに転化糖のみをエタノールに変換するか確認するため、発酵試験を行なった。 比較対照のため、蔗糖分解酵素を有す酵母S. cervisiae（Taiken396株）も同様な発酵試験を行なった。
各菌株は、前々培養として５ｍＬのＹＭ培地で３０℃、２４時間振とう培養した後、前培養として３００ｍＬのＹＰＤ培地で３０℃、１２ｈ振とう培養したものを発酵に用いた。 前培養培地から遠心分離により酵母を回収し、発酵栓付き３００ｍＬ三角フラスコに入れた搾汁１００ｍＬ（搾汁中の蔗糖濃度は１２．０％、転化糖濃度は３．０％）に酵母を懸濁させて発酵させた。 発酵は３０℃，１２０ｒｐｍで振とうしながら行なった。 発酵に伴う糖濃度、エタノール濃度の経時変化を調査した結果を図５に示す。
一般的な酵母であるS. cervisiae（Taiken396株）では、蔗糖分解酵素の働きにより発酵開始から３時間目でほぼすべての蔗糖が転化糖に分解され、２４時間目ではすべての糖分がエタノールに変換された。
一方、蔗糖分解酵素を有さない４種類の酵母および蔗糖分解酵素遺伝子破壊株では、エタノール生成速度に差はあるものの、すべてにおいて蔗糖分解が見られず、転化糖のみがエタノールに変換されることを確認した。

（実施例５ 蔗糖分解酵素阻害剤を用いたサトウキビ搾汁の発酵試験）
蔗糖分解酵素を有す一般的な酵母S. cervisiae（Taiken396株）をサトウキビ搾汁に植菌して、蔗糖分解酵素阻害剤であるメチル-α-D-グルコピラノシドを濃度６０ｍＭとなるように添加し、発酵試験を行ない、蔗糖、転化糖、エタノール濃度の経時変化を調査した。 菌株は、前々培養として１０ｍＬのＹＭ培地で３０℃、２４時間振とう培養した後、前培養として５００ｍＬのＹＰＤ培地で３０℃、１２ｈ振とう培養したものを発酵に用いた。 発酵栓付き３００ｍＬ三角フラスコに搾汁１００ｍＬ（搾汁中の蔗糖濃度は１０．０％、転化糖濃度は３．０％）とメチル-α-D-グルコピラノシド６０ｍＭを入れ、そこに前培養培地から遠心分離により回収した酵母を添加し、発酵させた。 発酵は３０℃，１２０ｒｐｍで振とうしながら行なった。 発酵に伴う糖濃度、エタノール濃度の経時変化を調査した結果を図６に示す。
一般的な酵母であるS. cervisiae（Taiken396株）は、阻害剤が無い条件では蔗糖分解酵素の働きにより発酵開始６時間目でほぼすべての蔗糖が転化糖に分解され、エタノールに変換された。 蔗糖分解速度が，酵母の転化糖消費速度より速いため、転化糖が消費されて純糖率が高くなった時には蔗糖が完全に消費されており、発酵液から砂糖生産を行なうことは不可能であることが確認された。
一方、阻害剤がある条件では蔗糖分解速度が遅れ、発酵開始６時間目で約半分の蔗糖を残し、すべての転化糖がエタノールに変換された。 発酵開始８時間目での発酵液の純糖率は９４.０％と高く、砂糖の結晶化が容易にできる純糖率であった。