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JP6560301B2 - 微生物によるラッカーゼ生産の促進方法 - Google Patents

微生物によるラッカーゼ生産の促進方法 Download PDF

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Description

本発明は微生物によるラッカーゼ生産の促進方法に関し、微生物発酵の分野に属する。
ラッカーゼ(ベンゼンジオール:酸素酸化還元酵素,EC 1.10.3.2)は自然界に広く分布する銅含有ポリフェノールオキシダーゼであり、フェノール、芳香族アミンなどの多種の有機基質の酸化反応を直接触媒することができる。ラッカーゼは多種の基質に対して一電子酸化を行うことができ、パルプ化製紙、排水処理、有機合成などの多くの業界で将来的に応用が期待されている。
自然界で糸状菌、特に担子菌類と子嚢菌類は主なラッカーゼ合成菌類であるが、担子菌類と子嚢菌類のラッカーゼ生産量が低く、成長産業の需要を満たすことができない。担子菌類と子嚢菌類の発酵法によるラッカーゼ合成のレベルは菌種、栄養源、培養条件と関係がある以外に、いくつかの促進因子の影響を受ける。そのうち銅イオンは、ラッカーゼの活性中心の組成成分であり、ラッカーゼ合成の効果的な促進因子でもある。また、いくつかの小分子芳香族化合物は構造がリグニン構成単位と類似するため、ラッカーゼ合成の促進因子とすることができ、例えばグアイアコール、レスベラトロール、バニリン及び桂皮酸などが研究ではラッカーゼの歩留まりの向上に広く用いられている。しかしながら、既存の効果的な促進因子は、一般的に価格が高いため、ラッカーゼ生産コストがある程度上昇する。また、銅イオンと芳香族化合物が添加されると環境が汚染されるので、発酵が終了した後に、発酵液を解毒処理する必要があり、ラッカーゼ産業化に適用しにくい。したがって、経済的で、安全で、効果的な新たな促進因子を探求、発見することは、ラッカーゼ生産を促進する方向性として重要であり、微生物発酵によるラッカーゼ生産の実用化と工業化にとっても新しい可能性と活力をもたらす。
本発明の目的はまず微生物によるラッカーゼ生産の促進剤を提供することである。
本発明の目的はまず微生物によるラッカーゼ生産の促進剤を提供することである。
前記促進剤の有効成分はカロテノイドである。それはカロテノイドの一種又は複数種の組み合わせを含む。
前記微生物は主にラッカーゼ生産の糸状菌を含む。
本発明の実施形態において、前記促進剤の有効成分はβ-カロテン及び/又はリコピンである。
本発明の実施形態において、前記糸状菌はあぎタケ、カワラタケ、ヒラタケ、レイシを含むが、これらに限定されない。
本発明の実施形態において、前記促進剤はカロテノイド、カロテノイド生産の微生物又はカロテノイド含有の抽出物であってもよい。
本発明はさらに微生物によるラッカーゼ生産の促進方法を提供し、微生物によるラッカーゼ生産の過程において前記微生物によるラッカーゼ生産の促進剤を添加する。
本発明の実施形態において、前記微生物は主にラッカーゼ生産の糸状菌を含む。
本発明の実施形態において、前記糸状菌はあぎタケ(Pleurotus ferulae)、カワラタケ(Trametes versicolor)、ヒラタケ(Pleurotus ostreatus)、レイシ(Ganoderma Lucidum)を含むが、これらに限定されない。
本発明の実施形態において、前記微生物によるラッカーゼ生産の促進剤の添加形態はカロテノイド化合物又はカロテノイド含有の混合物であってもよく、添加量と添加時間は微生物によるラッカーゼ生産の状況に応じて調整又は選択することができる。前記カロテノイド含有の混合物はカロテノイド生産の活性微生物又は不活化菌体、又はカロテノイド含有の抽出物などであってもよい。前記カロテノイド生産の活性微生物はロドトルラ・ムチラギノーザ(Rhodotorula mucilaginosa)、ファフィア・ロドチーマ(Phaffiarhodozyma)、スポリディオボラス・パラロゼウス(Sporidiobolus pararoseus)、ロドトルラ・グルチニス(Rhodotorula glutinis)を含むが、これらに限定されない。
本発明の実施形態において、係る菌類はいずれも本分野の通常の菌類である。菌の培養方法はいずれも本分野の通常の培養方法であってもよい。
本発明の実施形態において、カロテノイドの添加量は0.1−30mg/Lであり、添加方法は一定量のカロテノイドを秤量してアセトンに溶解し、溶液は有機濾過膜により除菌し、得られた無菌溶液は減圧ロータリーエバポレーターで乾燥させ、続いて上記物質を滅菌された植物油に溶解し、それぞれ油溶性物質を微生物によるラッカーゼ生産の発酵培地に添加する。
前記カロテノイド含有の混合物はカロテノイド生産の活性微生物又は不活化菌体、又はカロテノイド含有の抽出物であってもよい。
本発明の実施形態において、カロテノイド生産の活性微生物の添加は、カロテノイド生産の微生物を培養し、ラッカーゼ生産の微生物の発酵過程において、適量の微生物の菌体を添加し、一定の時間共培養することである。
本発明の実施形態において、カロテノイド生産の不活化菌体の添加は、培養されたカロテノイド生産の微生物を70℃で1時間水浴させ、ラッカーゼ生産の微生物の発酵過程において、適量の不活化菌体を添加し、一定の時間共培養を続けることである。
本発明の実施形態において、カロテノイド含有の抽出物の添加は、菌体を収集し、凍結・融解を繰り返して菌体を破砕させ、続いて70℃で1時間熱処理し、遠心分離後に上澄みを除去し、続いて沈殿物に一定の体積の植物油を添加し、軽く振盪して1時間抽出し、すなわち油抽出物を得て、上記操作過程において、油抽出物の無菌を保証し、油抽出物を発酵体系に加えて一定の時間発酵し続けることである。
本発明の利点は以下のとおりである:
1.添加形態は多様性がある。すなわち直接カロテノイドを添加し、またカロテノイド含有の抽出物又はカロテノイド生産の微生物を添加してもよいし、処理されたカロテノイド生産の微生物を添加してもよい。
2.作用範囲が広い。添加する物質は多種の微生物によるラッカーゼ生産に対していずれも促進作用がある。
3.促進作用が顕著である。本発明により、カロテノイド又はカロテノイド生産の酵母の添加により、いずれもあぎタケのラッカーゼ生産の活性を2倍以上高め、他の高等真菌のラッカーゼ生産の活性を12倍高めることができることが発見された。
ラッカーゼ活性の測定方法:
ABTSを基質とし、880μLの0.1mol・L−1の酢酸−酢酸ナトリウムの緩衝液(pH4.5)、100μLの最終濃度が1mmol・L−1のABTS基質と20μLの一定の倍数に希釈した粗酵素液(その最終吸光度を0.2−0.8の間にしなければならない)を含む1mL反応系において、30℃で5min反応した後に420nmでその吸光度を測定する(熱不活化の酵素液をブランクとする)。
ラッカーゼの酵素活性の定義:
上記反応条件と反応系で、1分間あたり1μmolのABTSの酸化に必要な酵素の量を1ユニットの酵素活性単位(U)として定義した。
酵素活性は以下の式により計算される:
Figure 0006560301
−ブランクの吸光度;
−反応後の吸光度;
t−反応時間;
ε−ABTSのモル吸光係数であり、3.6×10L・mol−1・cm−1である。
β-カロテンの測定方法:
(1)標準溶液の調製:
2mgのβ−カロテン又はリコピン標準製品を正確に秤量し、クロロホルムを用いて10mLの褐色メスフラスコに定容し、−20摂氏で日陰で保存して使用に備える。
(2)サンプルの調製:
a 発酵溶液中のβ−カロテン又はリコピン含有量の測定:80mLの発酵液を取り、80mLのクロロホルムを加えて15分間振盪抽出し、分離後にクロロホルム溶液を減圧ロータリーエバポレーターで10mLまで濃縮させ、β−カロテン又はリコピン含有のクロロホルム抽出液に調製する;
b ロドトルラ・ムチラギノーザ中のβ−カロテン含有量の測定:ロドトルラ・ムチラギノーザ菌体を凍結乾燥させた後に、1gの菌体を秤量してモルタルで十分に粉砕し、5mLのEPチューブに移行し、2mLのクロロホルムを加えて15min振盪抽出し、遠心分離後に上澄みを取りクロロホルムを用いて10mLに定容し、β−カロテン含有のクロロホルム抽出液に調製する;
c 共培養体系中のβ−カロテン含有量の測定:150mLの発酵液を取り、遠心分離後に上澄みを除去し、菌体を沈殿させて十分に粉砕した後に80mLのクロロホルムを加えて15分間振盪抽出し、分離後にクロロホルム溶液を減圧ロータリーエバポレーターで10mLまで濃縮させ、β−カロテン含有のクロロホルム抽出液に調製する。
(3)LC−MS検出を行う。
クロマトグラフ条件:Waters Acquity UPLC BEH C18カラム(2.1mmx100mm)を用いて分離させ、Waters Acquity PDAで検出する。移動相:A相:10/90のアセトニトリル/イソプロパノール;B相:アセトニトリル。カラム温度は45oCであり、流動速度は0.3mL・mL−1であり、サンプル注入量は2μLである。質量スペクトル条件:使用する機器はWATERS MALDI SYNAPT Q−TOF MSである;イオン化形態:ESI+;キャピラリー電圧:3.5kV、錐穴電圧:30V;脱溶媒ガス温度:400oC;脱溶媒ガス流量700L・Hr−1;衝突エネルギー:66eV;質量範囲:100−1500;検出電圧1800V。
(4)β−カロテン含有量は以下の式により計算される:
Figure 0006560301
m:10mlサンプル中のβ−カロテン又はリコピン含有量(mg)
:標準サンプル注入体積中のβ−カロテン含有量又はリコピン(mg)
:サンプル秤量質量(mg)
:標準ピーク面積
:サンプルピーク面積
:サンプル注入質量(μl)
:サンプル注入体積(ml)
実施例1:β−カロテンとリコピンの添加による、あぎタケによるラッカーゼ生産の活性の向上
ふすま基本培地(g・L−1):グルコース20、トウモロコシ粉末10、ふすま粉末10、KSO0.1742、初期pH=9.0、あぎタケの種子培養と液体発酵培養に用いられた。
あぎタケの種子培養:2枚の0.5cmの菌株を取り、80mLの種子培地に接種し、150r・min−1で、25℃で7d培養した。
あぎタケの発酵培養:150mLのふすま基本培地に3%(体積分率)の種子培地を加え、150r・min−1で、25℃で7d培養した。
それぞれ4mLのβ−カロテンと4mLのリコピンを取ってそれぞれ30mLのアセトンに溶解し、溶液は0.22ミクロンの有機濾過膜で滅菌し、無菌溶液を得て滅菌した50mLの遠心分離管に移行し、滅菌シーリングフィルムでノズルを密閉し、減圧ロータリーエバポレーターで乾燥させた。上記物質を滅菌した1.0mLの植物油に入れ、それぞれ1mLの油溶性物質をあぎタケの2日発酵した培地に加えて5日発酵し続けた。発酵過程に発酵液中のβ−カロテン、リコピンの含有量を測定した。その結果、発酵初期及び1、2、3、4日間発酵した後のβ−カロテンの含有量はそれぞれ25.37mg/L、13.13mg/L、6.90mg/L、1.66mg/L、0mg/Lであり、リコピンの含有量はそれぞれ24.83mg/L、3.22mg/L、1.59mg/L、0.31mg/L、0mg/Lであった。
対照グループと比べ、実施例1の方法を用いて、β−カロテンを添加したラッカーゼ生産の酵素活性が7600U・L−1まで高まり、対照グループの2.1倍であった;リコピンを添加したラッカーゼ生産の酵素活性が7000U・L−1まで高まった。
実施例2:β−カロテン生産における、ロドトルラ・ムチラギノーザの添加による、あぎタケによるラッカーゼ生産の活性の向上
YPD液体培地(g・L−1):ペプトン20、酵母エキス10、グルコース20、pHが自然で、ロドトルラ・ムチラギノーザ種子培養に用いられた。
ロドトルラ・ムチラギノーザ種子培養:接種ループを用いて適量のロドトルラ・ムチラギノーザを取り、80mLのYPD液体培地に接種し、200r・min−1で、30℃で48時間培養した。
あぎタケは実施例1の培養方法を用いた。
あぎタケとロドトルラ・ムチラギノーザの共培養:あぎタケの48時間単独培養後に、3%(体積分率)のロドトルラ・ムチラギノーザ種子を接種し、5日培養し続けた。対照グループにロドトルラ・ムチラギノーザを添加せず、発酵が終了した後に、それぞれ酵素活性を測定した。発酵過程に共培養体系(発酵液と菌体)中のβ−カロテンを測定した。その結果、共培養1、3、5、日間のβ−カロテンの含有量はそれぞれ0.0015mg/L、0.0040mg/L、0.013mg/Lであった。
実施例2の方法を用いると、対照グループのラッカーゼ活性は3500U・L−1のみであり、ロドトルラ・ムチラギノーザを添加した実験グループのラッカーゼ活性は7630U・L−1に達した。
実施例3:β−カロテン生産における、ファフィア・ロドチーマ、スポリディオボラス・パラロゼウス、ロドトルラ・グルチニスの添加による、あぎタケによるラッカーゼ生産の活性の向上
あぎタケは実施例1の培養方法を用いた。
ファフィア・ロドチーマ、スポリディオボラス・パラロゼウス、ロドトルラ・グルチニスは実施例2におけるロドトルラ・ムチラギノーザの培養方法を採用した。
あぎタケとファフィア・ロドチーマ、スポリディオボラス・パラロゼウス、ロドトルラ・グルチニスの共培養は実施例2におけるあぎタケとロドトルラ・ムチラギノーザの共培養方法を用いた。
そのうち実験グループの酵母接種量はそれぞれ1.25mL、2.5mL、5mLと10mLであり、対照グループはいずれの酵母も添加しなかった。
あぎタケ単独培養の2日目に2.5mLのファフィア・ロドチーマ酵母種子液を加えて5日培養し続けた後では、ラッカーゼ酵素活性は単独培養の約2倍であった。
あぎタケとスポリディオボラス・パラロゼウスの共培養では、スポリディオボラス・パラロゼウスの接種量が2.5mL、5mLと10mLのときに、あぎタケによるラッカーゼ生産に対して顕著な促進作用を有し、かつ接種量が2.5mLのときに、ラッカーゼ生産の酵素活性が最も高く、10000U・L−1に達し、かつこの条件の共培養過程中の1、3、5日目のβ−カロテンの含有量はそれぞれ0.027mg/L、0.036mg/L、0.040mg/Lであった。
あぎタケとロドトルラ・グルチニスの共培養では、酵母接種量が1.25mLのときに、酵素活性が最も高く、約7161U・L−1であった。そのうち対照グループの酵素活性は約3700U・L−1であった。
実施例4:熱処理ロドトルラ・ムチラギノーザを添加したときの、あぎタケによるラッカーゼ生産の活性に対する影響
実施例1の方法であぎタケを培養した。
実施例2の方法でロドトルラ・ムチラギノーザを培養した。得られたロドトルラ・ムチラギノーザ菌体をそれぞれ55℃、60℃、65℃と70℃で1時間水浴処理し、高温滅菌グループはロドトルラ・ムチラギノーザ菌体を121℃で20min滅菌した。対照グループ1にロドトルラ・ムチラギノーザを添加せず、対照グループ2に処理されないロドトルラ・ムチラギノーザを添加した。平板塗布の方式で異なる熱処理温度の効果を観測した。55℃で1時間熱処理した後に、ロドトルラ・ムチラギノーザのコロニー数が50%以上低下し、かつ温度の上昇に伴い、コロニー数が迅速に低下し、70℃で1時間熱処理と高温滅菌処理は、いずれもすべてのロドトルラ・ムチラギノーザ細胞を殺すことができた。
あぎタケ培養の48時間後にそれぞれ熱処理と高温で不活化された湿重量1.5g、3.0g、4.5g、6.0gの酵母菌体を加え、5日培養し続けた後に酵素活性を測定した。55−70℃で熱処理したロドトルラ・ムチラギノーザはいずれもあぎタケによるラッカーゼ生産の活性を高め、そのうち70℃で熱処理した不活化ロドトルラ・ムチラギノーザの添加はラッカーゼの酵素活性を高めることができた。また、酵母添加量の増加に伴ってラッカーゼの酵素活性が徐々に高まり、添加量が6gのときの酵素活性レベルは処理されないロドトルラ・ムチラギノーザ(活性酵母の接種量が3%)を添加したときに相当し、7260U・L−1に達した。
同様に高温で不活化された菌体をあぎタケ発酵培地に加えたところ、ラッカーゼの酵素活性はほぼ変化せず、ロドトルラ・ムチラギノーザを添加しないグループの酵素活性とほぼ同じであった。高温滅菌によりβ−カロテンを破壊している可能性が認められた。
実施例5:β−カロテンの抽出物を添加したときの、あぎタケによるラッカーゼ生産の活性に対する影響
実施例1の方法であぎタケを培養した。
実施例2の方法でロドトルラ・ムチラギノーザを培養した。
無菌条件で4g(湿重量)のロドトルラ・ムチラギノーザ菌体を収集し、等量の滅菌水を加えて繰り返し凍結融解し、菌体を粉砕させ、続いて70℃で1時間熱処理した。遠心分離後に上澄みを除去し、沈殿物に一定の体積の滅菌植物油を加え、穏やかに振盪して1時間抽出し、すなわちロドトルラ・ムチラギノーザの油抽出物を得た。抽出物を2日目発酵したあぎタケ発酵培地に加え、5日培養し続けた後に酵素活性を測定した。対照グループに等量の植物油を加えた。
3mLの植物油抽出物を加えた後、ラッカーゼの酵素活性が35%程度高まり、4850U・L−1に達した。
実施例6:β−カロテン生産のロドトルラ・ムチラギノーザを添加したときの、他の高等真菌ラッカーゼ生産に対する影響
カワラタ、ヒラタケとレイシなどの多く研究されたラッカーゼ生産が高い真菌を選択し、その培養過程にロドトルラ・ムチラギノーザを添加して共培養した。
実施例2の方法でロドトルラ・ムチラギノーザを培養した。
カワラタ、ヒラタケとレイシの培地及び培養方式は以下のとおりである:ふすま1%;トウモロコシ粉末1%;グルコース1%;MgSO・7HO 0.2%;KHPO 0.3%;カワラタ、ヒラタケとレイシの一段種子の成長時間はそれぞれ5日、6日、8日であり、真菌接種量は3%であり、培養体系は500mLのフラスコに液量150mLを入れた。同様に48時間培養後にロドトルラ・ムチラギノーザを接種し、酵母の接種量はそれぞれ0、1.5%、3%、6%であり、5日間共培養発酵した後にラッカーゼの酵素活性を測定した。
ロドトルラ・ムチラギノーザの添加はいずれもカワラタ、ヒラタケとレイシによるラッカーゼ生産の活性を高めることができた。ロドトルラ・ムチラギノーザを添加しない時に、カワラタによるラッカーゼ生産の酵素活性が1873U・L−1まで高く、添加量が6%時に3797U・L−1まで達することができた;ロドトルラ・ムチラギノーザの添加量が3%であるとき、ヒラタケによるラッカーゼ生産の酵素活性が1147U・L−1まで高くなり、添加しないときの約4倍であった;レイシがロドトルラ・ムチラギノーザを添加しないときのラッカーゼ生産の酵素活性は80.3U・L−1のみであり、ロドトルラ・ムチラギノーザ添加量の増加に伴い、ラッカーゼ生産の酵素活性も高まり、最も高い酵素活性は982.8U・L−1であり、添加しない時の約12倍であった。
以上は既に本発明の実施形態について説明し、当業者であれば様々な改良と変更を行うことができ、本発明の基本精神から逸脱するものではなく、例えば分子生物学的技術を用いて、β-カロテン又はリコピン生産の遺伝子組換え菌類を構築し、又は植物からβ-カロテン又はリコピン含有の物質などを抽出してあぎタケなどの高等真菌によるラッカーゼ生産の発酵過程に加え、ラッカーゼ生産活性を高める作用を果たすこともできる。したがって、これらの改良と変更の全てはいずれも本発明の保護範囲にある。
本発明の好ましい実施例が以上に公開されるが、本発明を限定するものではなく、当業者であれば、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を行うことができ、したがって本発明の保護範囲は添付の特許請求の範囲によって定義されるべきである。

Claims (2)

  1. ラッカーゼ生産性の糸状菌によるラッカーゼ生産の促進方法であって、
    ラッカーゼ生産性の糸状菌によるラッカーゼ生産の発酵過程において、カロテノイド生産性の微生物を添加することを含み、
    ラッカーゼ生産性の糸状菌とカロテノイド生産性の微生物との組み合わせが、以下である、促進方法:
    (1)あぎタケ(Pleurotus ferulae)とスポリディオボラス・パラロゼウス(Sporidiobolus pararoseus)との組み合わせ;
    (2)ヒラタケ(Pleurotus ostreatus)とロドトルラ・ムチラギノーザ(Rhodotorula mucilaginosa)との組み合わせ;または
    (3)レイシ(Ganoderma Lucidum)とロドトルラ・ムチラギノーザ(Rhodotorula mucilaginosa)との組み合わせ。
  2. カロテノイド生産性の微生物を培養すること、および、共培養のために、発酵過程においてカロテノイド生産性の微生物を添加することを含む、請求項記載の方法。
JP2017127848A 2016-06-30 2017-06-29 微生物によるラッカーゼ生産の促進方法 Expired - Fee Related JP6560301B2 (ja)

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