| 研究課題/領域番号 |
21K05438
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| 研究機関 | 山口大学 |
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研究代表者 |
足立 収生 山口大学, その他部局等, 名誉教授 (20027189)
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| 研究分担者 |
赤壁 善彦 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (20274186)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| キーワード | 食料化のための蒟蒻芋の高次利用 / 蒟蒻マンナンの完全加水分解 / 細胞膜結合型マンノース異性化酵素 / 蒟蒻芋から果糖・ブドウ糖・液糖の製造 / 食料自給率向上への寄与 |
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| 研究実績の概要 |
これまで人が消化不能であった蒟蒻芋マンナンを蒟蒻芋麹によって、人が消化して高カロリーが得られる食糧資源へ完全加水分解できた。加水分解物はマンノースとグルコースを含むので、本研究の目的に沿って高度化利用を目指した。その結果、酢酸菌の細胞膜に新規な膜結合型マンノース異性化酵素(MMI)を発見した。MMIは酸性域で最大活性を示し、熱に安定で、40－60度Cで最適反応温度を示し、マンノースは果糖へ異性化された。MMIが本来膜結合型であるために、典型的な固定化触媒として取り扱える利点を有している。従来の糖質異性化酵素が例外なく水溶性でアルカリ域で反応し、熱に不安定なものが多いことなど、MMIの特徴は従来の知見と全てに対照的であった。MMIはマンノースは80%以上の高変換率で果糖へ異性化した。トウモロコシ澱粉からのグルコースを使用する現行の異性化糖製造では、果糖濃度が約42%に達すると反応は停止するのとは対照的であった。MMIの酵素化学的、理化学的諸性質も明らかになった。MMIの酵素分子質量は196 kDaで、48 kDaサブユニット４個から構成されていた。N末端アミノ酸配列解析からMMIが真のマンノース異性化酵素であることも明らかになった。
MMIを含む酢酸菌の細胞や細胞膜をCa-アルギン酸ゲルへ固定化して、MMIの固定化触媒を作成した。固定化MMI触媒は高濃度に果糖やグルコースが存在していても、マンノースをよく果糖へ異性化した。蒟蒻芋加水分解物と反応させると、80%を超える変換効率で果糖が生成・蓄積された。トウモロコシ澱粉からの現行の異性化糖製造法には多くの技術的欠陥が指摘されている。本研究はそれらを補う新規な技術開発となり、コンニャク以外に用途が無かった蒟蒻芋を新しい食料資源としての利用に見通しを得た。本法の普及は我が国の食糧自給率の向上と疲弊した中山間地農業の復興につながる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
酢酸菌の細胞膜に新規な膜結合型マンノース異性化酵素(MMI)を発見した。MMIは酸性域で最大活性を示し、熱に安定で、40－60度Cに最適反応温度を示し、マンノースの果糖への異性化を触媒した。MMIは典型的な固定化触媒として取り扱える利点を有している。従来の糖質異性化酵素が例外なく水溶性でアルカリ域で反応し、熱に不安定なものが多いことなど、MMIの特徴は従来の知見と全てに対照的であった。MMIはマンノースは80%以上の高変換率で果糖へ異性化した。トウモロコシ澱粉からのグルコースを使用する現行の異性化糖製造では、果糖濃度が約42%に達すると反応は停止するのとは対照的であった。MMIの酵素化学的、理化学的諸性質も明らかなった。MMIの酵素分子質量は196 kDaで、48 kDaサブユニット４個から構成されていた。N末端アミノ酸配列解析からMMIが真のマンノース異性化酵素であることも明らかになった。
MMIを含む酢酸菌の細胞や細胞膜をCa-アルギン酸ゲルへ固定化して、MMIの固定化触媒を作成した。蒟蒻芋から高濃度果糖・ブドウ糖・液糖の製造法の原理を示し、実験室での実証実験にも成功した。固定化MMI触媒は高濃度に果糖やグルコースが存在していても、マンノースをよく果糖へ異性化した。蒟蒻芋加水分解物と反応させると、80%を超える変換効率で果糖が生成・蓄積された。トウモロコシ澱粉からの現行の異性化糖製造法には多くの技術的欠陥が指摘されている。本研究はそれらを補う新規な技術開発となり、コンニャク以外に用途が無かった蒟蒻芋を新しい食料資源としての利用に見通しを得た。本法の普及は我が国の食糧自給率の向上と疲弊した中山間地農業の復興につながる。
これまでの研究成果に関連する発表論文や知的財産権が本研究の進捗を具体的に示している。
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| 今後の研究の推進方策 |
蒟蒻芋から高濃度果糖・ブドウ糖・液糖の製造法の原理を示し、実験室での実証実験にも成功した。トウモロコシ澱粉からのグルコースを使用する現行の異性化糖製造では、多くの克服し難い技術的欠陥が指摘されている。そのうえ果糖濃度が約42%に達すると反応は停止する。本研究成果を中国、米国、仏国、独国を対象に国際特許出願を行なうにあたり、科学技術振興機構(JST)によるヒアリングを受けた。本研究はJST審査委員からも高い評価を受けた。その際に、MMIを使った液糖製造価格を輸入トウモロコシ澱粉から製造される液糖価格と競合できる、またはそれを遥かに凌駕できる低価格化の確立を目指し、外国への技術移転を想定した研究の展開を求められた。
多くの選択肢のひとつとして、蒟蒻芋から食材コンニャクを製造する際に廃棄される外皮を液糖製造へ利用することをJSTへ提案した。産業廃棄物として捨てられている蒟蒻芋の外皮には、高濃度に蒟蒻マンナンが含まれている。これを麹触媒化して液糖を製造すれば、外皮の原料価格はゼロに近いので、製造される液糖の製造価格も輸入トウモロコシ澱粉からの液糖価格よりも遥かに廉価になる。これを液糖の現在の相場で市場に出すことで、蒟蒻芋農家へ経済的なフィードバックが可能になる。外皮を剥いた蒟蒻芋は、従来通りに各種の食材コンニャク製造に利用できる。産廃として捨てられている外皮から液糖を製造することによって、現在国連から提唱されているSDGsのうち、1、３、９、及び12ら多くの項目に合致するとJSTからも高評価を得ている。
このような背景をもとに、今後の研究の根幹として、輸入トウモロコシからの液糖製造を廃止させる革新的な技術へ導く。さらに酢酸菌のMMIの使用にあたり、酢酸菌を完全合成培地で生育させて、製品への液糖の着色を防止することで、製造価格を低くできる方法を確立する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
初年度の必要経費に計上していた材料費相当額を、本科研費の採択前に別途経費で充当した経緯があります。この点については、所属機関担当者からの問い合わせに答え、理解が得られたものと承知しています。ここで生じた齟齬はその後の研究進展とともに解消される見通しにあるほか、学外への依頼分析を行うことも想定される湯になり、使用計画を変更することなく本年度末の残額はゼロに近づくと予想される。
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| 備考 |
2009年から上記研究所副所長R.A.Hoursとその共同研究者と麹菌と酢酸菌とのコラボを研究課題として共同研究を実施している。その間に発表した論文は12篇ある。コロナ禍の過去3年間は相互往来はできなかったが、E-メールなど別の方法で通常に近い情報交換などができた。
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