(57)【要約】【課題】  格別の補酵素を添加することなく、グルタミン酸又はグルタミン酸塩からγ−アミノ酪酸への転換率を高くする。【解決手段】  グルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料が添加された溶液にグルタミン酸又はグルタミン酸塩を投入し、グルタミン酸脱炭酸酵素による脱炭酸反応によってγ−アミノ酪酸を回分式に製造するγ−アミノ酪酸の製造方法において、グルタミン酸又はグルタミン酸塩の基質濃度が警戒値を越えないように、回分式反応の過程でグルタミン酸又はグルタミン酸塩を溶液に分割して投入する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
グルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料が添加された溶液にグルタミン酸又はグルタミン酸塩を投入し、前記グルタミン酸脱炭酸酵素による脱炭酸反応によってγ−アミノ酪酸を回分式に製造するγ−アミノ酪酸の製造方法において、前記回分式反応の過程で前記グルタミン酸又はグルタミン酸塩を前記溶液に分割して投入することを特徴とするγ−アミノ酪酸の製造方法。
【請求項２】
前記グルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料が米胚芽又は胚芽を含む米糠であることを特徴とする請求項１に記載のγ−アミノ酪酸の製造方法。  
【請求項３】
前記溶液中のグルタミン酸又はグルタミン酸塩の濃度が常時３０ｇ／Ｌ以下となるように前記グルタミン酸又はグルタミン酸塩の投入量を調整することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のγ−アミノ酪酸の製造方法。
【請求項４】
グルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料が添加された溶液にグルタミン酸又はグルタミン酸塩を投入し、所定時間、回分式に反応させることによってγ−アミノ酪酸を生成させる反応容器と、前記反応容器内の溶液の温度を３０〜５０℃の範囲内に保持する温度調整手段と、前記反応容器内の溶液のｐＨを４．５〜６．５の範囲内に保持するｐＨ調整手段と、前記反応容器における回分式反応の過程で前記グルタミン酸又はグルタミン酸塩を分割して投入する基質投入手段と、前記反応容器での回分式反応が終了した溶液をろ過する膜分離手段とを具備したことを特徴とするγ−アミノ酪酸の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はγ−アミノ酪酸の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
γ−アミノ酪酸は血圧上昇抑制作用、動脈硬化抑制作用、精神安定作用などの機能を有するアミノ酸であり、健康食品成分や医療用成分として注目されている。γ−アミノ酪酸の製造方法としては、グルタミン酸又はグルタミン酸塩の溶液にグルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料を添加する方法が知られている。この方法によればグルタミン酸脱炭酸酵素の触媒作用によって、グルタミン酸又はグルタミン酸塩のカルボキシル基が脱炭酸し、γ−アミノ酪酸を生成する。グルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料としては、米胚芽、胚芽を含む米糠、かぼちゃ、にんじんなどの植物や乳酸菌、麹菌などの微生物が知られている。
【０００３】
特許文献１に米胚芽や胚芽を含む米糠をグルタミン酸脱炭酸酵素源として用いたγ−アミノ酪酸の生成方法が開示されている。米胚芽や胚芽を含む米糠は精米時の副生物として大量に排出され、安価に入手することができる利点がある。この特許文献１にはグルタミン酸脱炭酸酵素源にプラスして補酵素であるピリドキサルリン酸を添加し、γ−アミノ酪酸の生成量を増加させることも開示されている。
【０００４】
特許文献２にも米糠をグルタミン酸脱炭酸酵素源として用いたγ−アミノ酪酸の生成方法が開示されており、その際に補酵素であるピリドキサルリン酸を微量に含む酵母を添加してγ−アミノ酪酸の生成量を増加させることが記載されている。
【特許文献１】特開２０００―２０１６５１号公報
【特許文献２】特開２００３―２４５０９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された方法は、基質であるグルタミン酸又はグルタミン酸塩の濃度によってはγ−アミノ酪酸への転換率が著しく低下する場合がある。この欠点は補酵素であるピリドキサルリン酸を添加することによって改善することができる。しかしながら、ピリドキサルリン酸は現時点では食品添加物として認められておらず、ピリドキサルリン酸を用いた食品向けのγ−アミノ酪酸の製造はできない。また、将来、ピリドキサルリン酸が食品添加物として認められた場合でも、高価なピリドキサルリン酸を消費する方法は得策ではない。特許文献２に記載された方法は、補酵素源として酵母を用いるので食品添加物としての問題はない。しかしながら、この方法では副生物として酪酸が生成するため、生成したγ−アミノ酪酸から酪酸を分離する後処理工程が必要となり、製造コストが上昇する欠点がある。
【０００６】
本発明の目的は上記従来技術の欠点を解消し、ピリドキサルリン酸や酵母を添加しなくても、グルタミン酸又はグルタミン酸塩からγ−アミノ酪酸への転換率を高くすることができるγ−アミノ酪酸の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明に係るγ−アミノ酪酸の製造方法は、グルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料が添加された溶液にグルタミン酸又はグルタミン酸塩を投入し、前記グルタミン酸脱炭酸酵素による脱炭酸反応によってγ−アミノ酪酸を回分式に製造するγ−アミノ酪酸の製造方法において、前記回分式反応の過程で前記グルタミン酸又はグルタミン酸塩を前記溶液に分割して投入することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るγ−アミノ酪酸の製造方法は、前記グルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料が米胚芽又は胚芽を含む米糠であることを特徴とする。なお、上記γ−アミノ酪酸の製造方法では、前記溶液中のグルタミン酸又はグルタミン酸塩の濃度が常時３０ｇ／Ｌ以下となるように前記グルタミン酸又はグルタミン酸塩の投入量を調整することが望ましい。
【０００９】
本発明に係るγ−アミノ酪酸の製造装置は、グルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料が添加された溶液にグルタミン酸又はグルタミン酸塩を投入し、所定時間、回分式に反応させることによってγ−アミノ酪酸を生成させる反応容器と、前記反応容器内の溶液の温度を３０〜５０℃の範囲内に保持する温度調整手段と、前記反応容器内の溶液のｐＨを４．５〜６．５の範囲内に保持するｐＨ調整手段と、前記反応容器における回分式反応の過程でグルタミン酸又はグルタミン酸塩を分割して投入する基質投入手段と、前記反応容器での回分式反応が終了した溶液をろ過する膜分離手段とを具備したことを特徴とする。
【００１０】
本発明において、基質であるグルタミン酸又はグルタミン酸塩（以下、単に基質と称する場合がある）を回分式反応の過程で分割して投入する理由は、以下の基礎実験結果に基く。基礎実験ではγ−アミノ酪酸の生産性を把握するために基質の初期濃度を１０〜６０ｇ／Ｌの範囲で変化させ、反応時間４８時間後における転換率（基質であるグルタミン酸又はグルタミン酸塩がγ−アミノ酪酸に転換した割合）を調べた。なお、グルタミン酸脱炭酸酵素源としては米胚芽を用い、その添加量は、いずれの実験でも米胚芽を水中で良好に攪拌できる最大量である２２０ｇ／Ｌと一定とした。
【００１１】
図２は基礎実験結果を示すグラフであり、横軸は基質の初期濃度、縦軸は転換率を示している。図２から明らかなように転換率は基質の初期濃度に大きく依存し、基質の初期濃度が３０ｇ／Ｌ以下では転換率はほぼ１００％を示す。しかしながら基質の初期濃度が４０ｇ／Ｌでは転換率は９０％以下に低下し、以降、基質の初期濃度を高くするに従って転換率が低下することが判明した。このように基質の初期濃度が高いと転換率が低下する原因については未だ十分に解明されていない。基質濃度が高いとグルタミン酸脱炭酸酵素に対して何らかの障害が発生し、グルタミン酸脱炭酸酵素の活性が低下するためと推測される。
【００１２】
本発明は上記基礎実験結果に基き、基質の初期濃度及びその後の回分式反応の過程において反応系における基質濃度が所定値、望ましくは３０ｇ／Ｌ以下となるように、基質であるグルタミン酸又はグルタミン酸塩を回分式反応の過程で分割して投入するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るγ−アミノ酪酸の製造方法及び製造装置によれば、基質であるグルタミン酸又はグルタミン酸塩を回分式反応の過程において分割して反応系に投入する。このため、回分反応の全過程で反応系での基質濃度を警戒値（例えば３０ｇ／Ｌ）以下に抑えることができ、基質濃度が高いために生じる基質障害を回避した転換率の高い回分反応を実現することができる。
【００１４】
また、米胚芽や米糠は精米工場から大量に排出される安価な材料である。したがって、グルタミン酸脱炭酸酵素源として米胚芽や胚芽を含む米糠を用いるとγ−アミノ酪酸を安価に製造することができる。また、米胚芽や米糠自体がグルタミン酸を含んでおり、γ−アミノ酪酸を製造するための基質の一部として利用できる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明に係るγ−アミノ酪酸の製造方法及び製造装置の実施形態を示す系統図である。反応容器１０には薬品類の投入路１２が設けられ、管路１４からはグルタミン酸又はグルタミン酸塩が注入ポンプ１６を介して反応容器１０に投入可能とされる。また、投入路１２から水（温水）１８やグルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料２０（例えば米胚芽又は胚芽を含む米糠）が、それぞれ投入可能とされる。
【００１６】
反応容器１０の外周にはジャケット２２が取付けられ、このジャケット２２内に管路２４から温水などの熱媒を供給することによって、反応容器１０に張り込んだ溶液の温度を設定値に保持することができる。ジャケット２２内に供給した熱媒は管路２６から排出される。反応容器１０には攪拌機２８が取付けられており、前記投入路１２から反応容器１０内に投入した水（温水）、米糠、基質などをこの攪拌機２８によって混合攪拌する。また、反応容器１０には内部溶液のｐＨを計測するｐＨ計３０が取付けられており、このｐＨ計３０で計測される溶液のｐＨが設定値となるようにｐＨ調整手段３２からｐＨ調整剤が添加される。反応容器１０の底部には開閉弁３４を備えた排出管３６が接続しており、排出管３６の下流側にはポンプ３８を介して精密ろ過膜（又は限外ろ過膜）４０を備えた膜分離手段４２が配置されている。
【００１７】
上記構成の製造装置は回分式（バッチ式）によって運転される。まず、反応容器１０に水（温水）１８を投入するとともに、ジャケット２２に熱媒を通して、反応容器１０に張り込んだ水（温水）の温度を３０〜５０℃の範囲内、好ましくは３５〜４０℃に保持する。次に、投入路１２からグルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料２０として例えば米糠を反応容器１０内に投入する。米糠は精米工場から大量に排出される安価な材料であるため、グルタミン酸脱炭酸酵素源として有効である。なお、米糠中のグルタミン酸脱炭酸酵素は主に米胚芽に由来しているから、グルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料として米胚芽を用いることも有効である。米胚芽は米糠を篩いにかけることによって米糠から容易に分離することができる。管路１４からは基質としてグルタミン酸又はグルタミン酸塩を溶液として又は結晶粉末状で反応容器１０内に投入する。
【００１８】
そして、攪拌機２８を駆動させることによって、投入した水（温水）、米糠、基質を混合し、この混合溶液の温度を上記の温度範囲に保持する。その結果、基質と米糠に含まれるグルタミン酸脱炭酸酵素が相互に接触し、グルタミン酸脱炭酸酵素による脱炭酸反応によって基質であるグルタミン酸又はグルタミン酸塩がγ−アミノ酪酸に転換する。この脱炭酸反応を所定時間、継続させることによって、初期に投入した基質のほとんどがγ−アミノ酪酸に転換する。γ−アミノ酪酸の生成速度を大きくするためには、内部溶液のｐＨ管理が重要である。したがって、ｐＨ計３０で計測される内部液のｐＨが４．５〜６．５の範囲内、好ましくは５〜６となるようにｐＨ調整手段３２ではｐＨ調整剤の添加量を制御する。
基質であるグルタミン酸又はグルタミン酸塩は、上記回分式反応の途中においても分割して反応容器１０内に投入される。
【００１９】
図３は基質投入方法の第１モデルを示した説明図であり、横軸は経過時間、縦軸は基質濃度又は累計投入量を示している。この第１モデルは例えば基質の累計投入量が６０ｇ／Ｌである場合に、これを均等に３分割して投入するケースを示している。すなわち、初期には２０ｇ／Ｌの基質を反応容器１０に投入する。初期投入から約８時間が経過するまでは反応は起きないが、その後は図２に示したように脱炭酸反応が活発に行われγ−アミノ酪酸への転換が進む。このため、基質濃度は破線で示したように時間の経過とともに低くなる。
【００２０】
したがって、１８時間後に実線で示したように２回目の基質の投入を行い、基質の累計投入量を４０ｇ／Ｌとする。初期に投入した基質の大部分は１８時間後にはγ−アミノ酪酸に転換しているので、この２回目の基質の投入によっても反応容器１０内の基質濃度は、二点鎖線で示した警戒値（例えば３０ｇ／Ｌ）を越えることはない。このため、基質濃度が高いために生じる基質障害を受けることなく、２回目の基質の投入後も脱炭酸反応が活発に進行する。同様の考え方で２８時間後に３回目の基質の投入を行い、基質の累計投入量を目標の６０ｇ／Ｌとし、以降は基質を投入せずに４８時間後に１回分の回分反応を終了する。
【００２１】
図４は基質投入方法の第２モデルを示した説明図である。この第２モデルでは基質の累計投入量が上記と同様に６０ｇ／Ｌである場合に、初期に３分の１の２０ｇ／Ｌを投入し、１２時間経過から残りの３分の２を６回に分割して４時間毎に投入する。この方法によれば反応容器１０内での基質濃度の変動が少なくなり、安定した操作が可能になる。
【００２２】
図５は基質投入方法の第３モデルを示した説明図である。この第３モデルでは基質の累計投入量が同様に６０ｇ／Ｌである場合に、初期に３分の１の２０ｇ／Ｌを投入し、残りの３分の２を経過時間１２時間〜３４時間の間に定流量で連続投入する。この方法によれば反応容器１０内での基質濃度の変動がより一層少なくなり、安定した操作が可能になる。
【００２３】
図３〜図５に示したいずれの投入方法も回分反応の全過程で反応容器１０内での基質濃度が二点鎖線で示した警戒値（例えば３０ｇ／Ｌ）を越えることがないので、基質濃度が高いために生じる基質障害を回避した転換率の高い回分反応を実現することができる。なお、これらの投入方法を実行する際にはタイマー及び基質の流量調節機能を備えたコントローラによって、管路１４に設けた注入ポンプ１６の駆動を制御すればよい。
【００２４】
なお、回分反応は図３〜図５に示したように例えば合計４８時間で終了させるが、最後に投入した基質が十分にγ−アミノ酪酸に転換するためには８時間程度の反応時間を必要とする。したがって、最後に投入する基質は反応終了時の８時間以上前までに投入を完了させることが望ましい。
【００２５】
１回分の回分反応を終了すると、反応容器１０内の下部に配した開閉弁３４を開放し、反応容器１０内の溶液をポンプ３８によって膜分離手段４２に送り込む。膜分離手段４２では精密ろ過膜（又は限外ろ過膜）４０を透過したγ−アミノ酪酸を含む溶液が管路４４から製品として取り出される。米糠や米胚芽などの固形分は精密ろ過膜（又は限外ろ過膜）４０によって溶液から分離され、使用済み材料４６として装置外に排出される。
【００２６】
上述のとおり、本実施形態のγ−アミノ酪酸の製造方法及び製造装置によれば、基質であるグルタミン酸又はグルタミン酸塩を回分式反応の過程において分割して反応容器１０内に投入するようにした。このため、回分反応の全過程で反応容器１０内での基質濃度が警戒値（例えば３０ｇ／Ｌ）を越えることがないので、基質濃度が高いために生じる基質障害を回避した転換率の高い回分反応を実現することができる。また、グルタミン酸脱炭酸酵素源として米胚芽や胚芽を含む米糠を用いるとγ−アミノ酪酸を安価に製造することができる。米胚芽や米糠自体がグルタミン酸を含んでおり、γ−アミノ酪酸を製造するための基質の一部として利用できる利点がある。
【００２７】
このため、本実施形態のγ−アミノ酪酸の製造方法及び製造装置によれば、ピリドキサルリン酸や酵母を添加しなくても、グルタミン酸又はグルタミン酸塩からの転換率を高くしたγ−アミノ酪酸の製造を実現することができる。ただし、本発明は補酵素成分としてのピリドキサルリン酸や酵母の添加を排除するものではなく、より一層の生産性を上げるために必要に応じてこれらの補酵素成分を添加するようにしてもよい。本実施形態ではグルタミン酸脱炭酸酵素源として米胚芽や胚芽を含む米糠を用いる場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、グルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料として他の植物や微生物を用いる場合にも適用することができる。
【００２８】
実験例
第１の実験では、４０℃の水道水３０Ｌにグルタミン酸ナトリウム（結晶粉末）１．５ｋｇ（５０ｇ／Ｌ）を一括添加して完全に溶解させた後に、米胚芽６．６ｋｇ（２２０ｇ／Ｌ）を添加し攪拌しながら反応させた。反応開始から４８時間後の溶液を孔径０．５μｍのフィルタでろ過した後に、高速液体クロマトグラフィで溶液中のγ−アミノ酪酸の濃度を分析した。分析したγ−アミノ酪酸の濃度から投入したグルタミン酸ナトリウムに対するγ−アミノ酪酸への転換率を計算した。その結果、転換率は７４％であった。
【００２９】
第２の実験では、４０℃の水道水３０Ｌにグルタミン酸ナトリウム４５０ｇ（１５ｇ／Ｌ）を添加して完全に溶解させた後に、米胚芽６．６ｋｇ（２２０ｇ／Ｌ）を添加し攪拌しながら反応を開始した。反応開始から１３時間後にグルタミン酸ナトリウム４５０ｇ（１５ｇ／Ｌ）を添加した。さらに反応開始から２１時間後にグルタミン酸ナトリウム６００ｇ（２０ｇ／Ｌ）を添加してグルタミン酸ナトリウムの累計投入量を第１の実験と同様の１．５ｋｇ（５０ｇ／Ｌ）とした。反応開始後４８時間の溶液について第１の実験と同様の方法で処理、分析し、転換率を計算した結果、転換率は８６％であった。
【００３０】
第３の実験では、４０℃の水道水３０Ｌにグルタミン酸ナトリウム４８０ｇ（１６ｇ／Ｌ）を添加して完全に溶解させた後に、米胚芽６．６ｋｇ（２２０ｇ／Ｌ）を添加し攪拌しながら反応を開始した。反応開始から８時間後から２４時間後まで１時間毎にグルタミン酸ナトリウム６０ｇ（２ｇ／Ｌ）を添加してグルタミン酸ナトリウムの累計投入量を第１の実験と同様の１．５ｋｇ（５０ｇ／Ｌ）とした。反応開始後４８時間の溶液について第１の実験と同様の方法で処理、分析し、転換率を計算した結果、転換率は９９％であった。
【００３１】
第１〜第３の実験から明らかなように、本発明に係る第２及び第３の実験では、従来技術に係る第１の実験に比べて高い転換率を示す。また、第３の実験のように分割回数を増やして、基質をこまめに添加すると転換率がより一層向上することが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るγ−アミノ酪酸の製造方法及び製造装置の実施形態を示す系統図である。
【図２】基礎実験結果を示すグラフである。
【図３】基質投入方法の第１モデルを示した説明図である。
【図４】基質投入方法の第２モデルを示した説明図である。
【図５】基質投入方法の第３モデルを示した説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０………反応容器、１２………投入路、１４………（基質用の）管路、１６………注入ポンプ、１８………水（温水）、２０………グルタミン酸脱炭酸酵素を含む材料、２２………ジャケット、２８………攪拌機、３０………ｐＨ計、３２………ｐＨ調整手段、３４………開閉弁、３６………排出管、３８………ポンプ、４０………精密ろ過膜（又は限外ろ過膜）、４２………膜分離手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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