Heterogeneous Group
2.2 Pectinases
Pectinases は異種酵素群を構成し、植物組織の複合多糖をガラクツロン酸などの簡単な分子に分解する。 ペクチナーゼの商業的利用は、1930 年にワインや果汁の調製に初めて見出された。 食品酵素の世界売上高の25％のシェアを持ち、工業的には果汁の抽出、清澄化、濃縮、ワインの清澄化、植物からのオイル、フレーバー、色素の抽出に使用されている。 これらの酵素は、その作用機序により、プロトペクチナーゼ、ポリガラクツロナーゼ、リアーゼ、ペクチンエステラーゼに分類される。 プロトペクチナーゼは、プロトペクチンの可溶化を触媒する。 ポリガラクツロナーゼは、ポリガラクツロン酸鎖を水の添加により加水分解する酵素で、ペクチン分解酵素の中で最も多く存在する。 リアーゼは、ガラクツロン酸ポリマーのトランスエリミネイション切断を触媒する。 ペクチンエステラーゼはペクチン骨格のメチルエステル結合を脱エステル化し、ペクチンとメタノールを遊離する。
Table 15.1 に示すように、ペクチナーゼ生産におけるSSFの利用は、異なる固体農業および農工業残滓を基質として提案してきた。 また、アスペルギルス属の菌類はペクチナーゼの最も重要な供給源の一つである。 Taşkinらは、ブドウ園から分離したいくつかのAspergillus属の菌株について、ペクチナーゼ（ポリガラクツロナーゼおよびポリメチルガラクツロナーゼ）生産についてスクリーニングし、SSFがSmFよりもペクチナーゼ生産に優れていると判断している。 同様に、Solis-Pereiraらは、A. niger CH4によるペクチナーゼ合成に関連する誘導-抑制、活性化-抑制などの調節現象が2種類の発酵で異なることを明らかにし、SSFの総合生産量はSmFのそれよりもエンド-ペクチナーゼおよびエキソペクチナーゼでそれぞれ18.8および4.9倍高くなったことを明らかにした。 さらに、Acuña-Arguelles らは、A. niger CH4 から SSF および SmF 技術で生産したエンドおよびエキソペクチナーゼ、ペクチンリアーゼの特性を比較した。 彼らは、これらの酵素の動力学的および物理化学的特性が、発酵のタイプによって異なることを観察した。 その結果、SSFではすべてのペクチナーゼ活性が極端なpHと温度値でより安定であった。 さらに、両培養法で得られた異なる酵素抽出物の電気泳動試験では、タンパク質バンド数は同じであったが、電気泳動位置にいくつかの違いが見られたことから、培養方法がA. nigerの生産するペクチン分解酵素のいくつかに変化をもたらす可能性があることが示された。 SSF基材は、廃棄物の化学組成（炭水化物、窒素源、ミネラル塩など）と廃棄物上で糸状菌が良好に生育するための物理的性質に関連した特性を必要とする。 図15.3は、固形基質上でTrichoderma longibrachiatumという菌が増殖する様子を示しているが、基質中の粒子径と空隙率が流動パターンと栄養分布に影響する可能性があることは明らかである。 小さな粒子や大きな平坦面を持つ粒子は、互いに密接に密集する傾向があり、基質塊に空気を送り込むことが困難である。 微生物が粒子の中に入り込むことができれば、直接アクセス可能な基質が増え、拡散が必要な距離が短くなる。 したがって、最適な粒子サイズは、多くの場合、栄養素のアクセス可能性と酸素の利用可能性の間の妥協点を表している.
Figure 15.3. 固体発酵の支持体として使用されるポリアミド繊維上で成長したTrichoderma longibrachiatumの電子走査顕微鏡画像。
SSFについては、オレンジピールやレモンピールなどのいくつかの農産業の残留物は、支持体と誘導剤として作用する貴重な量のペクチンを含む。 柑橘類の皮は果実加工業の主な副産物であり、新鮮な果実重量の約50％を占めている。 したがって、レモンの皮は、レモン加工産業から生じる主な固形副産物であり、レモンの乾燥質量の約19.8%を占めている。 このため、これらの残渣の処理・管理は、加工産業にとって深刻な問題となっています。 5180>
Ruiz らは、レモン果皮の搾りかすを基質として、Aspergillus 属と Penicillium 属の8種類の真菌によるSSF下でのペクチナーゼ生産を研究し、A. niger Aa-20 が最も優れた菌株であることを明らかにした。 彼らは粒子径の選択が重要であると判断し、カラムトレイバイオリアクターを用いて、温度30℃、水分70%、空気流量194 mL/min、基質粒子径2-0.7 mmの条件で96時間SSFを実施した。 5180>
いくつかの研究において、農業産業残渣に炭素と窒素源を追加した場合のペクチナーゼの生産レベルの増加が注目された。 例えば，Patil and Dayanandは，A. niger DMF 27とA. niger DMF 45によるSSFでのペクチナーゼ生産に対して，レモン皮，ソルガム茎，ヒマワリ頭部のスクロースを添加することがグルコースよりも有効であることを報告した。 さらに、窒素源の中では硫安がすべての基質からペクチナーゼの生産レベルを上げることにも注目した。
一方、小麦ふすまなどの通常の基質を用い、誘導剤としてオレンジピールを添加したSSFも実施した。 Liuらは、新たに分離したA. niger JL-15株を用いて、応答曲面法によりSSFの条件を最適化し、細胞外ペクチナーゼの生産量を向上させた。 オレンジ果皮粉末12.10％、硫酸アンモニウム3.20％、小麦ふすまを固体基質とし、水分51.10％、発酵時間75時間を最適なパラメータとし、最大ペクチナーゼ活性は基本培地の4倍であった。 同様にLiらはオレンジピールと小麦ふすまがペクチナーゼ生産に最適な基質であるとし、Diazらはグレープポマースとオレンジピールの混合物を使用することでポジティブな効果が得られることを示した。 Huertaらはサトウキビバガスにスクロースとシトラスペクチンを含む栄養溶液を含浸させたものを炭素源として、10～25kgの乾物容量を持つ充填床式バイオリアクターでA. nigerのSSFを実施したのが最初である。 HeとChenは、ペクチナーゼ、グルコアミラーゼ、プロテアーゼ、セルロースなどの工業用酵素調製において、ガスダブル動的SSFは酵素活性の向上と発酵時間の短縮により、静的SSFより大きなメリットをもたらすと報告している。 このバイオリアクターは 800 L で、固形培地は小麦ふすま 90%、米ぬか 5%、柑橘類果皮粉末 2%、トウモロコシ粉 3%、液固比は 0.7, 1.0, 1.3 (w/w)であった。 Pitolらは、A. nigerによる充填床式バイオリアクターでのSSF時のペクチナーゼ生産量を、ラボスケールでの乾物12gからパイロットスケールでの乾物20〜30kgにスケールアップした。 また、得られた情報（酸素消費率、温度とペクチナーゼ活性の分布など）から、著者らはこのプロセスを工業レベルにスケールアップするための実行可能な戦略を提案した。
極限好気性酵素（好アルカリ性、耐熱性など）のペクチナーゼは、工業利用の可能性から大きな関心を集めている。 このため、高温やアルカリ環境下での高い安定性と活性が、工業的加工に望ましい酵素の性質となっている。 そこで、B. subtilis単離株を用いて、安価な農業残渣（小麦ふすまおよび綿実粕、小麦ふすまおよび柑橘類廃棄物、小麦ふすまおよびα-α葉、綿実粕および柑橘類廃棄物、綿実粕およびα-α葉、柑橘類廃棄物およびα-α葉、4基混合基質）を用いたSSF下で高いレベルの親アルカリ性ペクチナーゼを製造し、またその活性を測定した。 しかし、酵母エキスを添加した小麦ふすまと柑橘類廃棄物の混合物を基質として使用した場合に最も良いレベルが得られ、これは先に報告した研究と一致する。
耐熱性酵素は好熱菌によって生産することができ、例えば分離した好熱菌Thermoascus aurantiacus 179-5はオレンジバパスと小麦ふすまを炭素源としてSSF中に高いレベルのペクチンリアーゼとポリガラクチュロナーゼを生産することができた。 これらの酵素は65℃付近で至適温度を示し、特にペクチンリアーゼは60℃で5時間安定であるなど、良好な耐熱性を示した。 KaurとSaryanarayanaは、4種類の好熱性カビのうち、Sporotrichum thermophileがSSFで4日間培養した後、高濃度のキシラナーゼ、ペクチナーゼ、セルラーゼを生成することを見いだした。 試した農産物残渣の組み合わせは、小麦ふすまとシトラスペクチンを1:1の割合で混合したものであった。 Martinらは、ペクチンを唯一の炭素源とする培地を用いて、土壌、有機コンポスト、産業廃棄物から34株の好熱性および耐熱性真菌を分離した。 これらの菌株は、Thermomyces, Aspergillus, Monascus, Chaetomium, Neosartoria, Scopulariopsis, Thermomucorと属レベルで同定され、いずれもSSF中にペクチナーゼを生産することが確認された。 例えば、Thermomucor indicae seudaticaeを小麦ふすまとオレンジバガス（1：1）の混合物を含む培地で初期水分70％の条件でSSF培養したところ、ポリガラクツロナーゼの最大活性は120 U/mLだったが、SmFでは13.6 U/mLしか出なかった＜5180＞。