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更新日:2012年7月18日

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キシロースを糖質原料としてバクテリア・セルロースが生産できる

きのこ・微生物研究領域 微生物工学研究室 石原 光朗
木材改質研究領域 機能化研究室 松永 正弘
きのこ・微生物研究領域 微生物工学研究室 林 徳子

背景と目的

バクテリアの中にはセルロースを菌体外に産生する株が存在する。なかでも酢酸菌(Acetobacter xylinus)によるセルロース生産がよく知られている。バクテリア・セルロースの繊維は植物セルロースと比べて細く、緻密な網目構造をもち、工業的汎用素材、食品工業素材、医療材料として期待されている。バクテリア・セルロースの製造コストを抑えるにはいかに低価格の基質を供給できるかにかかっているが、これまでその基質は廃糖蜜やデンプン粕などグルコースやフルクトースを構成糖とする糖質原料に限ると考えられていた。木質系廃棄物を加水分解すると、6炭素糖のグルコースと5炭素糖のキシロースが主に生成する。キシロースを基質としてバクテリア・セルロースを生産することができれば、低価格で大量に供給可能な木質廃棄物が高付加価値の産業素材の糖質原料になり得るであろう。

成果

キシロースを唯一の炭素源として酢酸菌を培養すると、酢酸菌はキシロースを酸化してキシロン酸を培地中に蓄積し、pHを著しく低下させ、結果として菌の生育が抑制される。5炭素糖であるキシロースが酢酸菌に取り込まれてセルロース生産の基質になり得るために、解糖系の中間体であるピルビン酸を経由すると仮定すると、その第一段階として異性化酵素によりキシロースをキシルロースに変換することが不可欠である。発酵研究所(IFO)やAmerican Type Culture Collection(ATCC)が保存する酢酸菌株の中から、異性化酵素の存在下でキシロースを炭素源としてセルロースの高生産菌株の選抜をおこなった(図1)。スクリーニングに用いた17菌株の中で、実験菌株No.17のIFO-15606株がセルロースの生成量において最も優れていた。そこでこの菌株を用いて、セルロースの生産性をさらに高める培養条件を検討した。

酢酸菌は異性化酵素存在下のキシロース/キシルロース培地においても糖質の酸性代謝物による培地のpH低下を引き起こす。培地のpH低下を抑制するため無機塩類の組成を変化させて、菌の増殖に伴う培地のpH低下の緩衝能を高めることを試みた。図2に示すように、最終培地のpHが4.8以下に低下しなければ、IFO-15606株は対糖収率(消費した糖あたりのセルロースの収率)30%で培地100mlあたり0.3gを超えるバクテリア・セルロースを生成することが分かった。酢酸菌がキシロースを糖質原料として生成するセルロースが、グルコースやフルクトースを糖質原料として生成するセルロースと相違がないことを、構成糖の分析とX線回折分析によって確認した。X線の回折パターンを比較した結果、キシロース培地で生成したセルロースはグルコース培地で生成したセルロースと全く同じセルロースIの結晶構造をもつことが認められた。

IFO-15606株の異性化酵素存在下でのキシロース/キシルロース培地におけるセルロースの生産性をグルコース培地における酢酸菌10菌株の文献値(甲斐:科学と工業, 64, 491-494, 1990)と比較した(表1)。培地100mlあたりのセルロースの生産量がグラム単位で示されているが、本研究で得られたIFO-15606菌株のキシロース/キシルロース培地でのセルロースの生産量0.32gという値は、優れたセルロース生産能をもつ酢酸菌10菌株のグルコースを糖質原料とした場合の数値に充分匹敵するものであることが分かった。

なお、本研究は農林水産技術会議環境研究「21世紀を目指した農山漁村におけるエコシステム創出に関する技術開発」による。

p33 fig1

図1 異性化酵素の存在下でキシロースを炭素源とするセルロース生産菌株の選抜

p33 fig2

図2 酢酸菌アセトバクター・キシリヌスIFO-15606菌株の キシロース・イソメラーゼを添加したキシロース培地での培地の最終pHとセルロースの収量の関係

表1 IFO-15606株の異性化酵素存在下でのキシロース培地におけるセルロースの生産量とグルコース培地における酢酸菌 10菌株の文献値(甲斐, 1990)との比較
保存機関 菌株 グルコース培地における既往値
g/100ml
キシロース培地における生産量
g/100ml
AJ 12368 0.50  
ATCC 10821 0.11  
11142 0.20  
23768 0.13  
23770 0.08  
IFO 13693 0.21  
13772 0.02  
15606   0.32
NCIB 4970 0.20  
8752 0.08  
9029 0.10  

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