アミノ酸発酵技術の系統化調査

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Systematic Survey of the Technical Development of Fermentative Production of Amino acids

中森 茂 Shigeru Nakamori■ 要旨
アミノ酸はタンパク質の構成成分で、20種あり、様々な生物学的あるいは化学的な機能が見出され、うま味
調味料、医薬品、サプリメント、飼料添加物、化成品、化粧品など、多くの用途で活用されている。これらのアミノ酸は現在、タンパク質の加水分解法、化学合成法、発酵法で生産されているが、中心は発酵法である。
この発酵法、つまり微生物を活用してアミノ酸を生産するアミノ酸発酵は、日本で生まれ、進歩をとげ、今や世界のアミノ酸市場の過半を生産する技術となった。本報告では、アミノ酸発酵の技術を系統化し、現在までの歴史を辿り、さらに今後の技術的な展開を展望した。
アミノ酸の中で世界で初めて商品化されたのはグルタミン酸ナトリウムである。明治41年（1908年）、池田菊苗によって、小麦のタンパク質、グルテンから製造する方法が発明され、鈴木三郎助によってうま味調味料（「味の素」）として発売された。この事業は多くの苦難を克服して成功したが、原料の確保と、高温の塩酸を使用するため、技術的には改良の必要があった。改良は化学合成と発酵の二つのアプローチから行われた。化学
合成法によるグルタミン酸製法が確立され、工場での実生産も行われたが、合成法によるグルタミン酸は消費者には受け入れられなかった。一方、新しいグルタミン酸生産菌（Corynebacterium glutamicum）が協和発酵で発見され、初めて発酵法による生産に成功した。アミノ酸発酵の特徴は、グルコースなど安価な原料から、穏和な条件の反応で天然型のアミノ酸が作れることである。グルタミン酸に続いて、リジン、アスパラギン酸、
スレオニンなど、15余品目のアミノ酸が発酵法で生産されている。アミノ酸発酵の技術は世界的に拡大され、アミノ酸生産量は増加の傾向をたどっている。中でもグルタミン酸ナトリウムは2005 年には世界で170万トンになり、なお年率3〜4％の増加が見込まれている。
アミノ酸発酵技術は、生産菌の育種、大量培養法、分離精製、およびエンジニアリングの4つの要素から構成されているが、この中で、基本をなすのが生産菌株の育種である。微生物の菌体内では、アミノ酸のような代謝物の生産を調節するメカニズム、つまり代謝制御が働いている。したがって、アミノ酸生産菌の育種とは、代謝制御を克服するための、生化学や遺伝学、あるいは新しい遺伝子工学などの科学の応用技術である。
代謝制御の打破・克服は、具体的には以下のような方法で達成された。グルタミン酸発酵は、C. glutamicumの特性に対応した培養法を確立することによって確立された。リジンやオルニチン発酵は、代謝制御作用のあるスレオニン、あるいはアルギニンの濃度を抑えるため、C. glutamicumからこれらのアミノ酸要求性変異株を誘導することによって開発された。スレオニン、リジン、トリプトファンなど多くの生産株は、アミノ酸のアナログ耐性株から採取する方法が開発された。一方、グルコース以外の安価な原料をアミノ酸に変換する酵素をもつ微生物を用いる、酵素法やバイオリアクターによる生産法も開発された。さらに、新しい遺伝子工学の技術の応用によって、発酵法、酵素法ともに、生産株の改良や新しい発酵生産が登場した。
大量培養法は、抗生物質生産株の培養法をベースにして、アミノ酸生産のために改良された。発酵液からのアミノ酸類の単離・精製技術は、製品の品質を決定すると共に、この段階での収率がコストに大きく影響する
重要な行程である。大量培養、大量精製に関わるエンジニアリングはコンピュータ制御によるシステム開発が確立されている。
このようにして、日本で開発された技術によるアミノ酸製造工場は世界中に拡大した。原料はデンプンや粗糖、あるいは糖蜜である。このため、原料依存度が高い、あるいは消費地が海外にあるアミノ酸であるグルタ
ミン酸、リジン、スレオニン、などは大部分が海外の工場で生産されている。
アミノ酸製造は、清酒や醤油などの醸造工場と同じように、天然型の工程で行われている。さらに、環境調和型のシステム作りが行われている。また、穀物などの原料に不足するアミノ酸を家畜の飼料に添加することは排泄物からのアンモニアの排出を削減し、環境の改善に有用である。
アミノ酸の安全性について、1970年代に消費者運動の中で議論されたが、科学的に問題がないことが証明されている。しかしながら、この運動の 後遺症 とも言うべき安全性を問題にする現象は今も根強く残っている。
商品としてのアミノ酸については、アミノ酸に替わるものがないため、将来にわたって発展が続くと考えられる。今後は原料価格の上昇が最大の問題点で、安価な原料を確保している海外メーカーとの価格と技術の競争に勝つことが、本家日本技術陣の最大の課題である。このためには、遺伝情報と遺伝子技術を活用した生産を改良する菌株育種、新しい原料の開発とそれを利用できる菌株育種、環境を重視したプロセスの開発の重要度がさらに高まる。これらの技術開発が期待される。
さらにアミノ酸を原料にしてペプチドを微生物酵素を用いて合成する技術が最近開発された。医薬品など生
理活性物としての利用拡大が期待される。

■ Abstract
Twenty kinds of amino acids are the building blocks of proteins. Many useful characteristics have been found in amino acids, and they
are used as "umami" seasoning, medicines, feed-additives, chemicals, cosmetics, and so on.
Amino acids are now manufactured by three methods : extraction from acid-hydrolysates of various proteins, chemical synthesis, andfermentation. Among these, fermentation is dominant. Amino acid fermentations, in which microbes are used to produce amino acids, wasconceived in Japan and has been developed with Japanese techniques. More than 70% of the world's supplies of amino acids are now manufactured by fermentation processes.
This report provides a systematic survey of amino acids fermentation techniques, tracing the history of the development and overviewing future prospects.
Monosodium glutamic acid（MSG）, which was the first amino acid to be commercialized as a seasoning in 1908 under the brand name of"Ajinomoto" by S. Suzuki, the progenitor of Ajinomoto Co., on the basis of an invention by K. Ikeda, a professor at Tokyo Imperial University.
This production process, extraction from wheat and soybean proteins, continued successfully for about 50 years. However, the process had
drawbacks : the high cost of raw materials and the problems of using hot hydrochloric acid in the manufacturing facilities. New approaches
were searched for from the direction of both chemical synthesis and fermentation. However, the concept of producing glutamic acid by chemical synthesis was not accepted by consumers. The first successful fermentative production of glutamic acid was achieved by Kyowa Hakko
in 1957, by finding a novel glutamate-producing bacterium, Corynebacterium glutamicum, and establishing culturing methods.
Producers of the other 15 amino acids beside glutamic acid were successfully bred by deriving auxotrophic mutants and analog-resistant mutants, and production was expanded to the industrial scale.
Techniques in fermentation are made up of four parts : breeding of producing strains, large-scale culturing, isolation and purification ofamino acids from culture liquids, and plant engineering. Among these, the breeding of strains is the most important and fundamental technique. Wild type bacteria have intracellular metabolic regulation mechanisms for preventing over-production of essential metabolites suchas amino acids, so the breeding of strains involves deregulating these mechanisms through the application of scientific information frombiochemistry, genetics, and genetic engineering techniques.
Deregulated production achievements include the following. Glutamic acid fermentation was accomplished by culturing C. glutamicum
under optimum conditions corresponding to its characteristics. Producers of the other 15 amino acid were derived as auxotrophic mutants
and amino acid-analog resistant mutants, as mentioned above, from C. glutamicum, E. coli, S. marcescens, and so on. Another approach foramino acid production is the enzymatic conversion to amino acids of cheaply available materials, such as intermediates of the chemical synthesis of amino acids. Bioreactors, which contain immobilized enzymes and/or enzyme-containing bacterial cells as catalysts, have been used
for long-term production with stable and repeated uses.
Breeding methods have been improved drastically by recombinant DNA techniques, which appeared in the 1970' and provided tools for theisolation, amplification, and modification of DNA. As a result, enzymes of amino acid synthesis could be changed for better production of aminoacids. A genetically improved high producer of threonine was constructed by amplifying threonine-producing enzymes, and indusrtialized.
Large-scale cultures for amino acid production were established by modelling the techniques developed for the production of antibiotics. The productivity of amino acids was improved by supplying a high concentration of oxygen to the culture medium, by using fed-batch cultures, and so on.
The isolation and purification of amino acids accumulated in culture liquids are important steps that determine the quality and final costof amino acids. Plant engineering for large-scale cultures and purification processes are controlled by computer-control systems.
Starch, crude sugar, and molasses are the raw materials for amino acid fermentation. In these processes, a major portion of the cost ofamino acids is the price of raw materials. Thus, amino acid plants have been constructed mainly in areas, where raw materials are produced, all over the world except in Africa and Oceania. As a result, the amounts of amino acids produced in domestic plants have been
reduced rapidly. The amount of amino acids produced is increasing steadily. Among them, the world supply of MSG was estimated toreach 1.7 million tons in 2005.
Fermentation processes are harmonious with the enviroment, like the brewing processes of "sake" and soy sauce. In the MSG plants of
Ajinomoto Co. of Indonesia and Brazil, waste waters, which contains bacterial cells, ions of ammonia, potassium, and phosphate, and someminerals, are recycled on farms that produce sugar cane, coffee, and so on, as a good fertilizer.
The supplementation of amino acids, which are deficient in cereals for domestic animals, improves the amino acid balance of feeds,
enabling a reduction in the release of ammonia in excrement, and reducing pollution of the atomosphere, rivers, and lakes.
In around 1970, the safety problem of amino acids arose in consumer's movements. However, the FDA concluded that all the aminoacids were safe compounds, judging from many scientific demonstrations, and fair and open discussions.
Demand for amino acid will continue to increase in the future, because alternatives to them cannot be found.
A big problem, nowadays and in the future, is the rise of raw material prices, especially in competition with materials for bioethanol.
Therefore, the most important subject for Japan, as a progenitor, is making use of advanced techniques to overcome foreign competitors,
who have secured cheaper raw materials. For this purpose, the construction of novel producer strains having the highest yields are
expected to improve metabolic flows to amino acids through the application of genetic informations and genetic techniques. It should also
lead to the construction of new strains that can produce amino acids effectively from raw materials, such as biomasses, methanol, and CO2 ,which are not in competition with bioethanol and materials for foods.
Novel techniques for the production of peptides have been reported recently. As peptides are prepared from amino acids, the scienceand technology of peptides will be ranked as an extended field of amino acid fermentation. In the near future, new and big developmentsfor peptides may be expected for physiologically active substances such as hormones.

■ Profile■ Contents

中森 茂 Shigeru Nakamori
国立科学博物館産業技術史資料情報センター主任調査員

1. はじめに .................................................................55
2. アミノ酸について ..................................................56
3. アミノ酸発酵誕生の背景にあったもの ...............61
4. アミノ酸発酵の誕生

昭和15年9月生― アミノ酸生産菌のスクリーニングと菌株育種 ―...........64

昭和38（1963）年3月

京都大学農学部農芸化学科卒業

5. 培養技術の進展と培養装置...................................76

同年4月

味の素（株）入社

6. アミノ酸の分離・精製技術の開発 .......................78

昭和50年1月

農学博士

7. アミノ酸の規格......................................................80

平成5（1993）
年3月

同社 退職

8. アミノ酸発酵の主原料 ..........................................81

同年4月

福井県立大学生物資源学部教授

9. アミノ酸発酵技術の海外展開...............................82

平成18年6月

同学 名誉教授

10. アミノ酸と環境問題 ...........................................84
11. アミノ酸の安全性について................................85
12. アミノ酸発酵技術の系統化................................87
13. 今後の展開...........................................................89
14. 謝辞 ......................................................................91

1 はじめにアミノ酸はタンパク質の構成成分である。単体とし経過したこの時期に、その誕生から今日までの発展をても多くの有用な機能があり、うま味調味料、栄養成

振り返り、今後の展開を展望することは意義深いこと

分として医薬品、動物用飼料添加物など、世界的に人である。

間の福祉のために広く活用されている。最近のマスコ

本報告では、2章でアミノ酸とはどのような物質でミ等でも取り上げられるようになって、アミノ酸は一あり、どのような機能があって、どのように活用され般の人々にもなじみのものになってきたが、アミノ酸ているか、製法の変遷、生産量の推移、および本報告に関連する技術、特に生産技術の中で中核をなす発酵のメインテーマであるアミノ酸発酵技術の概略につい法は日本で生まれ、日本の技術によって世界の生産量て述べ、3章では日本でアミノ酸発酵が生まれた背景の過半を占めるまで成長し、産業としても世界をリーにはどのような要因があったかを記す。4章以降ではドしていることはあまり知られていない。アミノ酸の

アミノ酸発酵の4つの基本技術、すなわち、生産菌株

機能は他の物質では代替出来ない。したがって今後、のスクリーニングと育種、大量培養、分離・精製、おさらなる需要の増加は必至であり、産業としての発展

よびエンジニアリング、の歴史と現状、技術の系統化、が期待される。アミノ酸発酵が日本で誕生して50年がさらに今後の課題と展望について考察する。

アミノ酸発酵技術の系統化調査

55

2 アミノ酸について
有のタンパク質に再構成されるのである。

2.1 アミノ酸とはどのような物質か
アミノ酸とは、同じ分子の中に、アミノ基（−NH2）とカルボキシル基（−COOH）をもつ化合物の総称である。アミノ基とカルボキシル基の結合する炭素の位置によって、α、β、γ、などのアミノ酸が存在する（図2.1）が、通常最も広く、あらゆる生物がもっているタンパク質の構成成分として存在するのは、α−ア

図2.2

タンパク質（＝ペプチド）の加水分解によるアミノ酸の生成ミノ酸である。本報告ではこのα−アミノ酸について記述する（β−、γ−アミノ酸等については、現段階では量的な展開もないことから、特に触れない）。

タンパク質を反応容器の中で塩酸や酵素で処理して得られる分解液には、理論的には20種のアミノ酸が含まれているから、これらを分離して精製すれば、それぞれのアミノ酸が得られる。これらは白い結晶（あるいは粉末状態）で、外観だけからは、それぞれを区別

図2.1

α、β、γーアミノ酸の構造式

することは難しいが、顕微鏡で観察すれば、それぞれ特徴的な結晶が見られる。ここでは代表として、グルタミン酸とリジンの結晶写真を示す（図2.3）。

タンパク質を構成する成分がα−アミノ酸であり、化学式は図2.1（a）のように表示され、Rの違いによって通常のタンパク質に含まれるアミノ酸は20種類である。それらの名称、略号、1文字表記、構造式、分子式および分子量を表2.1に示した。これらの内、イ
ソロイシン、スレオニン、トリプトファン、メチオニ
ン、フェニルアラニン、バリン、リジン、ロイシンは、
ヒトは自分で合成できないため、必須アミノ酸と呼ばれている。
生体内ではこれらのアミノ酸は遊離の状態で存在するものは少なく、図2.2に示すように、1つのアミノ酸

図2.3（1） グルタミン酸（α形）結晶写真（味の素株式会社提供）のアミノ基と、別のアミノ酸のカルボキシル基が脱水縮合したペプチド結合によってつながった高分子のタンパク質として存在する。タンパク質は筋肉、血液、骨、皮膚、爪などの生体の組織とともに、調節物質であるホルモンや生体触媒である酵素を構成し、生命機能に必須の成分であることはよく知られているところである。タンパク質は、たとえば塩酸やタンパク質分解酵素によって処理すると、ペプチド結合が加水分解されてアミノ酸になる（図2.2）。実際、動物の胃や小腸などの消化管の中では、食餌として摂取されたタン図2.3（2） リジン塩酸塩の結晶写真（味の素株式会社提供）

パク質がペプシン、トリプシン、キモトリプシンなど

56のタンパク質分解酵素によって分解される。その結果、アミノ酸のアミノ基、カルボキシル基、およびR

生成するそれぞれのアミノ酸は、その動物に必要な固（原子団、あるいは水素原子）のように、4つの異なる

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March表2.1 タンパク質系アミノ酸の分類、表記、化学構造、分子式および分子量

アミノ酸発酵技術の系統化調査

57

原子団が結合している炭素原子は、不斉炭素原子と呼として活用されている。さらに、フェニルアラニンのばれる。アミノ酸のような不斉炭素をもつ化合物は、メチルエステルとアスパラギン酸から構成されるジペ

偏光を当てると一定の角度、左あるいは右に偏光面がプチドであるアスパルテームが低カロリーの甘味料と回転する。一方をL体、他方をD体と呼ぶが、タンパして開発された。

ク質に含まれる天然のアミノ酸はすべてL体である。
本報告の主題である発酵法によって生産されるアミ2）栄養成分としての利用

ノ酸はすべてL体である。本稿では原則としてL体アアミノ酸は栄養成分である。アミノ酸輸液や経腸栄ミノ酸の話題を中心とするが、限られた用途ではある

養剤は、血漿、卵、人乳などのタンパク質のアミノ酸が、D体アミノ酸も登場する。一方、化学合成法で得組成に合わせ、有効なアミノ酸類を組み合わせて調合られるアミノ酸は、光学異性体であるDとL体が等量した医薬品で、手術前後の患者への栄養補給、疲労回混合したDL体（あるいはラセミ体）である。DL体か復、強壮などのために使用されている。さらに、健康ら生物活性のあるL体を得るためには光学分割の工程

食品、スポーツ栄養食品、サプリメント、などの栄養が必要である。最近、量は少ないがD体アミノ酸が脳強化あるいは食品添加物として、また、化粧品にも利内などで発見され、それらの存在意義や機能などが明用されている。一方、豚や鶏などの家畜用穀物飼料のらかにされつつあるが、まだ量的な展開はないので、タンパク質の栄養改善、動物細胞培養用培地成分、微本報告では触れない。

生物酵素生産用培地成分など、多くの用途が開発され2.2

アミノ酸にはどのような機能があり、どのように利用されているか

アミノ酸は生体内ではこのようにタンパク質の構成ている。これらはアミノ酸単体としてよりも、有効なアミノ酸類を組み合わせた形で利用されている。
3）薬理機能の利用成分として重要な役割を果たしているが、生体外ではアミノ酸はまた、特有の薬理機能を示し、肝疾患治

どのような機能があるのか、つまり、どのような利用療薬（イソロイシン、バリン、ロイシン、アルギニン

価値があるのか。この利用価値がすなわち、アミノ酸など）、消化器潰瘍薬（グルタミン）、パーキンソン病の商品としての価値を示すものである。

治療薬（ジオキシフェニルアラニン）、気道粘液溶解剤

アミノ酸が商品として最初に開発されたのは、グル（システイン）など医薬品の成分として利用されている。

タミン酸ナトリウム（Monosodium glutamate：MSG）
である。東京帝大理学部の教授であった池田菊苗によ4）アミノ酸の反応性の利用って昆布のうま味成分として発見され、小麦グルテン

アミノ酸はまた化合物として特有の反応性を示し、からの製造法が発明され 、味の素株式会社（以下味の次のような用途に使用されている。糖尿病薬（D-フェ素社）から「味の素」として発売されたもので、今日ニルアラニン）、血圧降下剤（ヒドロキシプロリン、も大きな商品として世界中で使用されている。グルタバリン）、抗ウイルス剤（バリン）、抗生物質（D-フェミン酸とともに副生するほかのアミノ酸は、当初は特、ニルグリシン、D−p−ヒドロキシフェニルグリシン）に注目されるものではなかったが、その後の栄養学、などの合成医薬品原料、リアクションフレーバー（シ医学等の進展とともに様々な機能が見出されてその重ステイン）、パンの発酵助剤（システイン）、界面活性要性が認識され、現在では以下に示すような用途が開剤（N−アシルグルタミン酸）、パーマネントウェー

発され、さらに拡大されつつある。このような用途に

ブ液（システイン）、などの製造原料。保湿効果（プ

対応するために、グルタミン酸とともに、これらのアロリン）などを活用した製品への利用が行われている。

ミノ酸の安価な製法開発がもとめられる所以がある。

また、最近開発されたペプチドの原料として利用され

（1）

ている。
アミノ酸の利用は機能別に大きく以下の4つに分類される（2）。

2.3 アミノ酸はどのようにして製造されているか

1）呈味成分としての利用

58

アミノ酸は、それぞれ特有の味を示す。その代表例

2.2に記した池田菊苗が発明したMSGの製造法は、小がMSGであり、うま味調味料として大量生産されて麦のグルテン、あるいは大豆タンパク質を塩酸で加水いる。ほかにグリシンやアラニンは甘み、バリンやイ

分解し、分解液からMSGを分離・精製して製造する、

ソロイシンは苦みを示す。アミノ酸の混合物も調味料

タンパク質加水分解法である。この方法による生産は、

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March

発酵法が確立された1960年頃までの約50年間続けられたが、この方法には後述する（3.1）ように、技術的に改良すべき点がいくつかあった。これらをクリアして新たに開発された方法が化学合成法と、本報告の主題である発酵法である。現在では、グルタミン酸をはじめ、多くのアミノ酸の生産は発酵法が中心となっているが、それぞれメリットとデメリットがあり、現在でも製法として、タンパク質加水分解法、化学合成法
および発酵法の3つの方法が併存している。コストと、アミノ酸が主として食用など

口に入るものに使用されるため、消費者に与えるイメージを重視して製法が選ばれている。光学異性体のないグリシンや、家畜がDL体をともに利用出来るメチオニンなどは、化学合成法で、チロシン、ロイシン、アスパラギンなどはタンパク質分解法で生産されている。
主原料はタンパク質加水分解法では大豆タンパク質やカゼイン、化学合成法ではエチレンを原料にして合成されるニトリル化合物やアンモニアなど、発酵法では糖液（デンプン糖化液）、糖蜜や粗糖である。

2.4 アミノ酸の生産量
日本必須アミノ酸協会では、数年毎に世界のアミノ酸生産量の推定を行い公表してきた。このデータの内から、1979年と1996年の値を示したものが図2.4（3）である。この図に見られるように、DL−アラニン以外

図2.4

世界の推定アミノ酸生産量（3）のアミノ酸の生産量がすべて大きく増加していることが一目で見て取れる。特に量的に目立つものはグルタ

2.5 アミノ酸の安全性について

ミン酸で、1996年時点で100万トン、2005年では170万トンに達し、なお年率数％の増加が見られている。単一の化合物で、誕生から100年が経過して、なお成長アミノ酸が生体のタンパク質の構成成分で、安全性を続けると言う他に例のない大きな商品である。世界に問題があるとは考えられるものではなかったが、にはこれまで、硫安、尿素、ペニシリン、ナイロンな

1970年ころから、食品や医薬品に使用される化合物にど、画期的な化合物が現われ、製品化されてきたが、ついて、安全性を問題視する世の趨勢から、アミノ酸

いずれもこのような長期の安定した成長を示すものはについても例外なく問題として取り上げられることにない。グルタミン酸の大きな価値が特筆される。

なった。たとえば、MSGを幼若マウスへ強制投与すグルタミン酸以外のアミノ酸で生産量が大きく伸展ることによって、脳に障害が生じたと言う報告や、中しているものに、飼料用に使用されるリジンがあり、華料理に加えられるMSGの摂取によって、いわゆる1996年では約30万トンであるが、2005年には80万トン

中華料理症候群に、同じく飼料用に使用されるスレオニンは1996年に懸念の問題である。しかしながら、日本を中心とするは約4千トンに過ぎなかったが、2005年には8万トンに、メーカーの地道な努力によって、このような問題は起トリプトファンは500トンが1800トンに達したと推定らないことが科学的に証明され、オープンで公平な議されている。低カロリー甘味料であるアスパルテーム論を通して、アメリカのFDAなどの機関から安全性の原料として使用されるフェニルアラニンとアスパラに問題はないと言う結論が得られ、科学的にギン酸も増加が著しい。そのほかのアミノ酸も医薬や言

サプリメントとして生産量が増加している。

全性を信じない人が大勢いることは事実である。ただ、が起ると言うような報告、などの安全宣が出された。しかしながら、世間一般にはなお安

アミノ酸発酵技術の系統化調査

59

1980年代に米国で発生した健康食品に含まれていたト菌株育種とは、数ミクロン単位の小さな細菌の細胞

リプトファンの分解生成物によると考えられている死の中で、基質（原料）であるグルコースから、生産物

亡事故は、アミノ酸製品の成分の確認の重要性をあらであるアミノ酸に至る代謝の流れをコントロールし、ためて示したものとして注目された。

アミノ酸を菌体外に排出させて生産に結びつける細胞の操作技術である。具体的には、アミノ酸の代謝経路

2.6

アミノ酸発酵のプロセスとはを見極め、代謝制御を除くように、細菌の細胞に突然変異や遺伝子操作などによって、生産のために有効な

2.4に見られるようなアミノ酸の生産量の増加には、性質を付与してアミノ酸の生産量の増加を指標にして新しい用途の開発とともに、生産技術の改良による価改良を重ねてゆく操作である。新しく得られた菌株と格の低下が大きく貢献している。アミノ酸は必要な物

親株の間には外観的な変化は見られないのが通常であ質ではあるが、価格が高くても需要があると言うものる。このようにして得られた細菌を、最適な培養条件ではなく、生産技術の改善によるコストダウンと新しを設定して、1016−17と言う莫大な数に増殖させて、最い用途の開発と言う2つの要素がうまくかみ合って、大量のアミノ酸を生産させる技術が大量培養技術であ需要の拡大がもたらされたものである。

る。分離・精製技術は細菌の培養液の中に蓄積されたアミノ酸の生産技術には、2.3で述べたタンパク質

アミノ酸を分離して、純度がほぼ100％の結晶としての加水分解、発酵、合成、とこれらに関連する分離・精製する行程である。またエンジニアリングは大量培

精製、およびエンジニアリングなどの技術が関連して養と大量精製に関わる工程の操作と装置の管理であいるが、現在最も大きな比重を占めるのが本報告のメる。コンピュータによるプロセス制御が行われている。

インテーマである発酵法である。

小規模のラボでの実験のスケールアップとともに、こアミノ酸発酵のプロセスの概略は図2.5の通り、要素技術として、菌株の育種、大量培養法、分離・精製の段階でしかできない技術開発課題も多く含まれている。

技術、およびエンジニアリングがある。これらの中で、菌株育種はアミノ酸発酵を特徴づける上で、最も大き＜引用文献＞な役割を果たす根幹技術である。

（1）池田菊苗：新調味料について、東京化学会誌、30，
820、1909.
（2）角田俊直：アミノ酸利用の現状、（財）バイオイ
ンダストリー協会、アミノ酸核酸集談会編「発酵からニューバイオテクノロジーへ」、p. 49，1987.
（3）日本必須アミノ酸協会編：「アミノ酸資料集」

図2.5

60

アミノ酸発酵の概略と関連する要素技術

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March

1979，1996.

3 アミノ酸発酵誕生の背景にあったもの
アミノ酸発酵は約50年前に誕生した日本のオリジナルの技術である。この技術が生まれた背景には、日本は古来からアジアのモンスーン地帯に位置する高湿の米作農業地帯にあって、清酒、味噌、醤油に代表される、微生物を活用する発酵と醸造の技術が特にすぐれていたことがあげられる。さらに、より直接的には、目的とする具体的なターゲットであるMSGがあって、発酵生産を可能にした生化学、微生物学、分子生物学のような科学の知見と、抗生物質生産株の例に見られるスクリーニングや培養法などの技術が準備されていたことである。

図3.2

池田菊苗が初めて抽出に成功した結晶具留多見酸の入ったサンプルビン（味の素株式会社提供）（MSG）の成功と3.1 「味の素」
技術的な問題点「味の素」の事業化については、「味の素」が全くアミノ酸発酵の最初のターゲットは「味の素」すの新らしい商品であるため、技術、販売の両面から数

なわちMSGであった。2.2に記した通り、MSGは1908

多くの苦難が待ちかまえていたが、これらを克服して

年（明治41年）池田菊苗によって昆布のうま味成分

事業としての成功が収められた（1）。

として発見され、調味料として特許出願されている。

池田菊苗は物理化学を専門にしていたので、「味の素」

後に、小麦のタンパク質であるグルテン、あるいはの発明はいわば専門外の分野で成功を収めたわけであ

大豆タンパク質を塩酸で加水分解することによってるが、その背景には旺盛なベンチャー精神と、当時栄製造する方法が確立されて鈴木製薬所、後の味の素養的に貧しかった日本人に、「佳味は消化を促進する」

株式会社の創業者である鈴木三郎助氏との共同作業と言う考えに基づいて、食事をうまくすると言うこと

による「味の素」の開発となったことは有名である。

に強い意欲を持っていたこと、さらに池田菊苗本人は池田菊苗と二代目鈴木三郎助の写真を図3.1に示す。

もちろんのこと、日本人全体が西洋人には少ないと思池田菊苗が初めて昆布から抽出して結晶化に成功しわれる味覚に繊細で特別な感覚をもって、調味料といたグルタミン酸（具留多見酸と記されている）のサ

う商品を受け入れる素地があったことが考えられる。

ンプルの写真を図3.2に示す。この発明は御木本幸吉

創業10年ほどを経て、味の素社の業績は安定し、事の真珠、豊田佐吉の自動織機とともに、明治の三大業は海外にも拡大された（1）。池田菊苗の特許は1923年

発明とも言われている。

に期限が来たが、6年の延長が許可され、1929年に満了した結果、多くの企業がMSGの製造を始め、1930
年には「味の素」以外に28の銘柄が生まれたと言う（2）。
ただ、ここで開発された製法（タンパク質分解法）には問題点が指摘されていた。ひとつは原料の問題で、小麦や大豆は輸入に依存するところが大きかったた
め、海外の事情によって量的な制約を受け、また国内
農業保護のための輸入規制もあって、価格が高く、コストダウンが困難であった。もうひとつはタンパク質の加水分解に、高温の塩酸を使用するため、設備の腐食が大きな問題で、様々な工夫の結果、耐酸性の容器として道明寺釜が開発された。しかしこれだけでは抜

図3.1

池田菊苗博士（左）と鈴木三郎助味の素（株）二代目社長 （右）（味の素株式会社提供）

本的な解決にはならず、操業の連続化や自動化が困難なこと、作業者の健康や公害への配慮の必要性、などの問題点が依然として未解決のまま残っていた。したアミノ酸発酵技術の系統化調査

61がって、これらの問題点をクリアできる新しい製法のアミノ酸発酵は成立しないと言うことが明らかになっ開発が必要で、化学合成法と発酵法の二つのアプローた。これらの知見はアミノ酸発酵を可能にする作戦をチから検討された。味の素社では、1950（昭和25）年

考える前提条件として準備されたわけである。

ころからこれらの研究の取り組みを開始した。
まず、化学合成法については、いくつかの方法が考3.3 分子生物学、微生物遺伝学の進展

案され実験されたが、これらの内から、アクリロニト
リルに一酸化炭素とシアン化水素を結合させるストレ遺伝子の本体がDNAであることがアベリー（O.

ッカー反応を応用した方法を完成し、同社の東海工場

Avery）らの肺炎双球菌の形質転換で証明され、1953

で工業生産が行われた。この技術は、当時は無尽蔵と

年にはワトソンとクリック（J. Watoson & F. Crick）

言われた石油製品から、食品であるグルタミン酸を作によって、DNAは二重ラセン構造をもち、DNAに含ると言う画期的な技術として称賛され、日本化学会技まれる遺伝情報がRNAへ転写され、これがタンパク

術賞（1964）、大河内記念生産賞（1965）を受賞した。

質に翻訳されると言う、セントラルドグマのメカニズ

しかしながら、短時間の内に消費者の意識は大きく変ムが明らかにされ、これらを契機に分子生物学というわり、「食品を化学合成法で作る」というコンセプト

大きな研究分野が拓かれた。さらに、突然変異がは受け入れられない時代になった。ほぼ同時にスター

DNA上での塩基配列の変化によって引き起こされるトした発酵法の進展もあって、化学合成法によること、突然変異は紫外線やX線、あるいは化学物質にMSGの合成工場は1973年に閉鎖された（3）。

よる処理によって高頻度で発生することなど、突然変

一方、発酵法については、その前提として微生物の異株の採取と利用に大きな道が開かれ、細菌の突然変アミノ酸代謝に関する生化学的な知見と、微生物学の異株を活用するアミノ酸発酵の技術開発に必要なツー応用であるスクリーニング法、突然変異と突然変異株

ルが準備された。ただ、突然変異株の利用はグルタミの採取に関する微生物遺伝学の知見、さらに微生物のン酸発酵とは直接関係はなく、後のリジン発酵以降か培養法など、科学と技術についての条件が必要であっら始まる。

たが、これらの科学や技術の勃興期、あるいは充実の時期にタイミングが一致し、これらをいち早く応用し3.4 微生物のスクリーニング技術／
抗生物質の発見と生産プロセスの開発てアミノ酸発酵技術の確立に結びつけたところに成功のポイントがあった。

フレミング（A. Fleming）が、青カビがペニシリンを生産することを発見したのは1929年であるが、1940

3.2 生化学、微生物学の進展

年ころにはフローリー（H. W. Florey）らによってペニシリンの生産が実用化レベルにまで改良され、第二62

1930〜50年には生物の体内における物質代謝に関す

次大戦の傷病兵の感染症の治療に大きな威力を発揮しる研究が大きく進展し、グルコースが分解される解糖たと言われている。それ以来、ワックスマン

経路、TCA（Tri-carboxylic acid）サイクルなどの重（S. A. Waksman）によるストレプトマイシンや、さ要な反応経路やそれらの生化学的な意義が解明されらにクロラムフェニコール、オーレオマイシン、など

た。当然これらと深く関連しているアミノ酸の代謝に多くの抗生物質の発見が相次ぎ、1940年から1980年こ

ついての知見も集積された。さらに1960年以降はアミ

ろまでは抗生物質の全盛時代が続いた。これらの発見

ノ酸などの代謝調節についてジャコブとモノー（F.

は微生物研究者にとっては大きな夢を与えた。応用微Jacob & J. Monod）らのオペロン説に代表される酵素

生物学の泰斗で、多くの実績を残した東大教授坂口謹

合成の調節やフィードバック阻害のような負のフィー

一郎をして、「微生物に期待して裏切られたことはな

ドバック制御（negtive feedback control）の存在とい」と言わしめたと言われている。このように、微生メカニズムの全貌が明らかになった。つまり、アミノ物は多様で、その数は無限と言われるので、その中に酸の生体内での合成は、アミノ酸自身が合成反応を触はアミノ酸を生産するものが存在してもおかしくはな

媒する酵素の生成と活性を調節する代謝制御に深く関いと考えた研究者もいたに違いない。このように、抗わっている（4.3参照）。したがって、アミノ酸自身の生物質の発見から微生物のスクリーニング法を学ぶと制御作用を除かなければアミノ酸の過剰生産、つまりころは大きかったと考えられる。

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March

3.5 大量培養技術の進展
3.4のとおり、抗生物質は青カビや放線菌を用いて生産されるが、このために通気撹拌培養を行うジャー
ファーメンターや発酵タンクが開発された。我が国では昭和20年代に多くの企業がペニシリン発酵の技術開発に参加したが、この経験はアミノ酸発酵の確立には＜引用文献＞（1）味の素（株）：「味をたがやす−味の素八十年史−」、
pp. 48〜102、1990年7月。
（2）太田静行：うま味調味料の知識、p. 4、幸書房、1992年6月。
（3）味の素（株）研究所50年史「 あしたのもとを求めて」、p. 100、2006年9月。

大きな威力を発揮した。

アミノ酸発酵技術の系統化調査

63

4 アミノ酸発酵の誕生―アミノ酸生産菌のスクリーニングと菌株育種―究テーマとして、第二次世界大戦後の日本の栄養問題

4.1 二段発酵法によるグルタミン酸生産に対応する目的で、発酵技術でタンパク質を生産することを目的としていたが、目的をタンパク質からグルグルタミン酸は生体内のTCAサイクル（図4.1）のタミン酸に変更して研究を開始した（1）。

反応で生成する2−オキソグルタール酸（以下2OG＝2OGの生産量はかなり上昇したがアミノ化について

α−ケトグルタール酸）にアミノ基を導入することにの結果については報告されていない。その間に次に記

よって生成することが知られていた。また、2OGが発す直接発酵法が成功し、この方法は中止されたためと酵法で作られることもすでに知られていた。このよう考えられる。

に、グルタミン酸の生産は、生化学的な代謝経路から見る限り、 ほぼ手の届く距離にあると考えられ、

4.2 直接発酵法によるグルタミン酸生産

多くの研究者が注目していた目標であったらしい。まずこの2OGの生産量を増やしアミノ化する二段発酵が4- 2-1グルタミン酸生産菌の発見

味の素社や協和発酵工業株式会社（以下協和発酵社）

協和発酵社では上記の二段発酵のほかに、直接グルなどで検討された。味の素社は専業の先発メーカとしタミン酸を生産する菌株のスクリーニングに成功し、て技術開発の必要性をもっていたことは上述の通りで初めてグルタミン酸発酵と言う新しい発酵法の確立にあるが、協和発酵社はグルタミン酸に関しては新規参成功した（2）。

入者であり、MSG製造上の問題点を抱えていた訳で当時の常識では、グルコースから直接グルタミン酸はない。発酵技術をもつ同社としては、当初新しい研のようなアミノ酸が生成することは考えられなかった。したがって、この試みは文字通り常識への挑戦であったが、研究者にはグルタミン酸菌が得られるという確信があったのかもしれない。この成功のポイント
は的確な菌株のスクリーニングの方法にあり、バイオ
アッセイと呼ばれるアミノ酸の定量法を巧みに応用したところにあった。つまり、乳酸菌の中には生育にアミノ酸を要求するものがあり、要求するアミノ酸量と生育量が比例関係にあるので、この関係を利用してアミノ酸を定量するのがバイオアッセイである。具体的には、数種類のアミノ酸を生育に要求する乳酸菌を、グルタミン酸だけを除いた寒天培地上に予め塗布した上に、天然から採取した微生物を培養した。グルタミン酸を生成するものは、その周りに乳酸菌の生育円が観察できるので、直ちに検出できるシステムである。
こうして短時間の内に、生育円が出来たものが採取され、液体の培養でグルタミン酸を生産していることが確認された（3）。
この菌株は顕微鏡観察で球状を呈していたことか
ら、球菌に分類され Micrococcus glutamicus と命名された新しい菌株であったが、培養条件の違いによって変形することが観察され、後に Corynebacterium

glutamicum と改名された。
図4.1

TCAサイクルとグルタミン酸の位置関係

培養は、必要な栄養成分の添加量を変化させるいく
つかの組み合わせの培地を用いて行われたが、この中64

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.Marchで、ビタミンの一種であるビオチンの添加量が重要な因子であることが見出された。つまり、この菌株はビオチンを生育に要求するのでビオチンを培地に加えなければならないが、その濃度が極めて重要で、濃度が10μg／l以上になるとグルタミン酸は全く生産されな
いが、3μg／l程度で培養することによって、グルコース100gから1 liter当たり40〜50gのグルタミン酸を生産するのである（4）。
協和発酵社はフラスコのレベルでの実験結果をパイ
ロットプラントで再現した後、1956（昭和31）年9月
図4.2（2） Corynebacterium
glutamicum のコロニー写真（協和発酵工業株式会社提供）

21日にグルタミン酸発酵の成功と、同社がMSG業界に参入する意志のあることを新聞発表した。このグル
タミン酸発酵の確立がアミノ酸発酵の創始とされている。このグルタミン酸菌の発見は、グルタミン酸だけ

運動性がない、（6）形態は短棹状ないし球状を示す、ではなく、多くのアミノ酸を発酵法で作るという、まなど分類学的な特性が類似しているということで、ったく新しい概念の技術分野を拓くきっかけを作った

1980年代になって、Corynebacterium glutamicum に

点で甚だ大きい意義をもっている。

名称を統一することが推奨されるようになり、現在でこの協和発酵社の発表は味の素社をはじめ、MSG

は一般的にこの名前が使用されるようになっている。

の先発メーカーには衝撃を与えた。味の素社と三楽酒

これらの菌株はグルタミン酸の生産に使用されただ

造社では、昭和29年（1954年）に出願されていた多田

けではなく、4.5、4.7に記すように、この株を親株と靖次、中山大樹の「α−ケトグルタール酸生産株を窒して、リジン、スレオニン、フェニルアラニンなど、素を多く含む培地で培養することによる製法」（多田

多くのアミノ酸を生産する変異株が誘導された。

特許）の権利を譲り受けて特許的な対応をとった。そ協和発酵社はグルタミン酸発酵の発明によって大河れと同時に、それぞれの企業や大学では新菌の開発が内記念賞（1958年）、科学技術庁長官賞（1960年）、さ

精力的に行われた。その結果、味の素社と三楽酒造社

らに1966年には、4.5に記すオルニチン、リジン発酵

からは Brevibacterium flavum 、 Brevibacteriumを含めたアミノ酸発酵の確立で、学士院賞を受けた。

lactofermentum 、 旭化成社から Microbacterium

1957年から5年間、協和発酵社の発酵法で作られた

ammoniaphilum、武田薬品工業社からBrevibacterium

グルタミン酸は全量を味の素社へ納入する契約が交わthiogenitalis 、 東大から Brevibacterium divaricatum

されたが、精製工程の不調によるトラブルなどがあり、などの菌株が相次いで発見された。これらの菌株は（1）

計画通りの製品の納入が進まなかったこともあって、好気条件下でグルタミン酸を生産する、（2）生育にビ

1961年味の素社は協和発酵社の特許に抵触しない製法

オチンを要求する、（3）細菌の分類の指標となるグラを開発したとして、契約は解除された。協和発酵社は

ム染色試験に陽性を示す、（4）胞子を形成しない、（5）

その後、武田薬品社の核酸系調味料「いの一番」用にMSGを供給することになったが、1966年には武田薬品社も自社で開発した菌株を用いてMSGを生産することになり、協和発酵社からの供給は中止された（5）。
これらのやりとりの中で菌株に関する特許係争が生じることとなった。
4-2-2グルタミン酸生産菌の培養技術

グルタミン酸生産のための大量培養法については、
抗生物質発酵の開発に使用されていたフラスコやジャーファーメンターを用いておこなわれた。その結果、
図4.2（1） Corynebacterium
glutamicumの電子顕微鏡写真（協和発酵工業株式会社提供）

4−2−1に記した通り、最大生産量を得るためには、
ビオチン濃度を3μg／l程度に制限することがポイン
トであることが明らかにされた （4）が、安価な原料でアミノ酸発酵技術の系統化調査

65

ある糖蜜にはビオチンが高濃度含まれるために、グル

4-2- 4グルタミン酸生産菌の学術研究

タミン酸生産に使用できないという大きな問題点があ4−2−1で述べた通り、C. glutamicum やB. flavumった。この実用上の問題点に対しては、協和発酵社ののようなグルタミン酸菌は、グルタミン酸の生産だけ技術を導入したメルク社では、糖蜜を用いる培養に低ではなく、その後の研究でリジンなど、多くの他のア

濃度のペニシリンを添加することによって、ビオチン

ミノ酸を生産する変異株の親株となった極めて重要な濃度が高くてもグルタミン酸ができることを証明し菌株であり、本菌に関する学術的な研究が広範におこ（6）て、糖蜜の使用を可能にする技術の開発に成功した 。

なわれた。アミノ酸生産株の育種のほか、分類学、ア

一方、味の素社では界面活性剤を添加する方法が開発

ミノ酸代謝、遺伝子操作システム、あるいはゲノム解された（7）。

析などについて膨大な研究が日本を中心に進められた。
これらの研究成果は成書にまとめられている（9）（, 10）（, 11）。

4- 2- 3グルタミン酸生産のメカニズム

なぜこのような高濃度のグルタミン酸が蓄積するか

4-2-5グルタミン酸発酵技術の海外展開

は、実用的にも、学術的にも大きな関心事項であり、協和発酵社の技術はアメリカの大手化学会社であるメ

この解明のために多くの研究が行われてきた。4−2−2

ルク社や台湾の企業に技術供与されたと言われている。

の通り、グルタミン酸を大量に生産させる培養法とは、一方、味の素社は国内工場で生産を始めるとともに、①ビオチン濃度を低く抑えて培養すること、②ビオチ

早くも1960年代のはじめにはタイ、マレーシア、フィン濃度が高いときには培地にペニシリン、あるいは界リピン、イタリアなどに、MSG工場の建設と言う方面活性剤を加えることに要約される。その後の研究で法で積極的な海外展開を開始した。MSGの価格は原明らかにされたことは、料に大きく依存するため、今日では国内工場はほとん

1）野生型の菌株では、グルタミン酸はその生合成にどなくなり、糖蜜やデンプンの生産地である東南アジ

関わる酵素の活性を阻害し、また酵素の生成を抑制す

ア、ブラジル、米国、および台湾や中国に広がり、る、つまり後述（4.3）の代謝制御が機能しているこ2.4の説明の通り、グルタミン酸発酵はMSGの2005年とで、これらは B. flavum で示された。

の推定年産170万トンに達する世界的に大きな発酵産

2）グルタミン酸生産条件下では、菌体内で合成され業へと発展した。

たグルタミン酸の菌体外への排出が促進されると同時に、代謝の流れがグルタミン酸に向かって優勢に進行していることである。

4-2-6

アミノ酸発酵研究の産学連携

グルタミン酸発酵の成功をきっかけに、東大の坂口2）については、ビオチンは細胞膜を構成している

謹一郎教授の発案で、アミノ酸の発酵法による生産技

脂肪酸の合成にかかわる因子である、したがって、ビ術を日本独自の産業に育成しようと、全国の主要大学

オチンを制限することは脂肪酸の合成、つまり細胞膜を網羅した文部省のアミノ酸研究班が昭和33年にスタ合成を制限することを意味する。またペニシリンや界ートした。この研究発表の場として「アミノ酸集談会」

面活性剤を加えることも同様の効果を示す。したがっが発足し、この会には産業界からも積極的な参加があて細胞膜が重要な役割を果たしていることが示された

り、活発な研究と討論が行われた。この会は後に「アが、この細胞膜の排出機能について、最近の味のミノ酸核酸集談会」、現在は（財）バイオインダスト

素社と東工大の共同研究で、グルタミン酸を生産してリー協会の中の「発酵と代謝研究会」と名称は変更さいる時に、メカノセンシティブチャンネルに対応する

れたが、我が国のアミノ酸発酵研究の推進力として活と考えられる遺伝子に変異が起っていることが見出さ

発な活動が続けられている。

（12）

れた。メカノセンシティブチャンネルとは、細菌の細胞膜が浸透圧の変化を感知して、対応する溶質（この4.3 アミノ酸の過剰生産を妨げる
代謝制御とは

場合はグルタミン酸）を細胞の外に排出する機能をもつチャンネル（通路）のことである。この変異株ではチャンネルが常時onの状態で、野生株ではグルタミン酸の生産を誘導する（上の①、②）条件下でonとなって、グルタミン酸が排出されると説明さ

れている

。

（8）

アミノ酸の生産については代謝制御が深く関わっている（3.2）のでその概略を記す。
微生物は、アミノ酸のような生命活動に必須の代謝物は過剰に生産されないように調節するメカニズムを備えている。これが代謝制御である。
グルタミン酸発酵と同じように、発酵と言うプロセ

66

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.Marchスで人間にとっての有用物質を生産するアルコール発の反応を触媒する酵素（a）に直接結合して活性を阻酵がある。これは酵母菌の働きによって、グルコース

害するのがフィードバック阻害、AからEに至る反応

から炭酸ガスとともに、アルコールを生成する反応でを触媒する酵素（a〜d）の生成を抑えるのがリプレッ

あるが、アルコールは酵母菌が増殖のためのエネルギ

ションである。このように、Eの濃度が高い場合にはーを獲得するための反応の副産物として生産されるもA→Eの反応は停止するが、やがてEが消費され濃度のである。したがって、この反応には代謝制御は働かが低くなってくるとこれらの制御が解除されて、合成ない。これに対して、グルタミン酸はタンパク質の素が再開される。

材として不可欠の物質であり、これを過剰に生産して一般的にA→Bの反応に関わる初発の酵素（a）は鍵排出することは細菌にとって不合理なことである。こ酵素（key enzyme）と呼ばれ、aにはAが結合する活れを防止するためのメカニズムが代謝制御である。こ

性部位と、最終生産物Eが結合する制御部位があり、のように、微生物を用いて有用物質を作る点では同じEが結合することによって酵素タンパク質の立体構造であるが、アルコール発酵とアミノ酸発酵とは内容的が変化してAが結合できなくなり、反応を阻害する。

に異なるものである。

このような酵素はアロステリック酵素と呼ばれていこの代謝制御作用のため、通常の野生型の微生物をる。フィードバック阻害がEと酵素の直接の結合であ

通常の方法で培養してもアミノ酸が過剰に生産されるるのに対して、リプレッションはmRNAの転写を介ことはない（例外的に、野生型の C. glutamicum を培

して酵素の生成を抑えるので、より間接的な制御であ養すると代謝制御作用の弱いアラニンとバリンが少量る。また、大腸菌などグラム陰性菌では、生産物であ蓄積することがある）。

るアミノ酸を分解する反応が見られるが、これも代謝微生物におけるアミノ酸の生合成経路とその制御の制御である。

概略は1955〜1960年代に明らかにされ（図4.3）、また、

このように、アミノ酸を過剰に生産するためは、こそのメカニズムも分子生物学的な研究で明らかにされれらの代謝制御を打破、克服することが必須の条件でた。ここで示された調節機能が最終生産物、つまりアある。これまでに行われてきた具体的な代謝制御の克ミノ酸、によるフィードバック阻害（feedback inhibi-

服方法は、以下の通りである。

tion）と酵素合成のリプレッション（repression：抑制）である。たとえば図4.4に示すように、Aというス
タート物質からEという最終産物が合成される代謝経路で、Eが過剰に生産されて濃度が高くなるとA→B
図4.4

フィードバック阻害とリプレッション（酵素生成の抑制）の略図

4.4 代謝制御の克服（1）グルタミン酸排出の促進
4.3で述べたような代謝制御はグルタミン酸菌のグ
ルタミン酸の生合成系でも確認されているにも拘わらず、グルタミン酸の大量生産が起るのは、4−2−3で述べた通り、グルタミン酸の菌体外への排出、つまり細胞膜の透過性が向上していることが明らかにされていた （12）。このグルタミン酸の排出についての分子レ
図4.3

微生物におけるアミノ酸生合成と制御の概略図

ベルでの解析が進み、排出のチャンネルの存在が示唆されている（8）。

アミノ酸発酵技術の系統化調査67acetylglutamate synthaseの活性が上昇するが、OTC

代謝制御の克服（2）
栄養要求性変異株を用いる生産が欠損しているため、過剰に生産されたオルニチンが変異株とは、親株とは異なる性質をもつ子株で、そを用いるオルニチン生産量は、対グルコースモル収率4.5

蓄積したと説明される。このアルギニン要求性変異株の性質が遺伝するものを言うが、栄養要求変異株とは、36％の高率であった（13）。

アミノ酸などの代謝物の合成に関わる酵素が遺伝的にオルニチンはタンパク質に含まれるアミノ酸ではない

欠損し、その代謝物が合成出来なくなったため、栄養が、アミノ酸輸液の成分として用いられるほか、アスパ

物として生育に要求するようになった変異株のことでラギン酸との塩が肝機能改善薬として利用されている。

ある。特定の反応をブロックするような目的でこの変異株を誘導することが行われる。ここに述べる方法は、
栄養要求性変異株を用いて、フィードバック阻害因子となるアミノ酸の濃度を低くしてフィードバック阻害を除いてアミノ酸を過剰に生産する方法である。
4 - 5 -1

オルニチン

協和発酵社ではグルタミン酸生産菌の発見に力を得て、他のアミノ酸生産菌を土壌など天然界からスクリーニングすることを試みたが、この試みは成功しなか

図4.5

C. glutamicum におけるアルギニンの生合成制御とアルギニン要求株によるオルニチン生産（10）ったようだ。また、4.3に記した通り、その後も野生型の微生物がグルタミン酸、アラニン、バリン以外のア
ミノ酸を過剰に生産したと言う報告はない。上に述べた代謝制御の知見から考えれば、生産菌が得られないことは当然の結果である。一方、アミノ酸の生合成経路をブロックした大腸菌の栄養要求変異株では、ブロ4-5-2 リジンックされた反応の前の中間体を分泌するという報告が一方、図4.6に示すように、野生型の C. glutamicum

出されていたが、同社ではこれらを手がかりに、グル

では、リジン、スレオニン、メチオニン合成の初発酵

タミン酸菌C. glutamicumを親株として各種の栄養要素であるaspartokinaseがリジンとスレオニン両者が求変異株を採取し、それらの生産物を調べたところ、共存する時に協奏的にフィードバック阻害される。ホアルギニン要求株がオルニチンを、ホモセリン要求株

モセリン脱水素酵素が欠損しているホモセリン要求株

がリジンを、スレオニン要求株がホモセリンを、チロ

を、ホモセリン（あるいはスレオニンとメチオニン）

シン要求株がフェニルアラニンを、それぞれ生産するを低濃度で培養すると、スレオニン濃度が低いためとリジン

aspartokinaseのフィードバック阻害がなくなり、中ことを見い出した。これらの内オルニチン（13）が生産量も多く、実用に供され、オルニチンとリジ（14）

ン発酵が誕生した。これらは単に生合成がブロックされて中間体が蓄積するということではなく、アミノ酸の生合成にかかるフィードバック阻害が除かれたことによって過剰生産が起ったことを示すものである。
図4.5に示すように、野生株のアルギニンの生合成
は初発酵素であるN- acetylglutamate synthaseがアルギニンによってフィードバック阻害されるとともに、生合成にかかる一連の酵素の合成のリプレッションによって制御されている。オルニチンの次の反応を触媒するornithine carbamoyl transferase（OTC）が欠損したアルギニン要求株を、アルギニンを低濃度に制限して培養することによって、アルギニンによるフィー
ドバック阻害とリプレッションが除かれ、相対的にN-

68

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March

図4.6 C. glutamicum におけるリジン、スレオニン、メチオ
ニン生合成の制御とホモセリン要求株によるリジン生産（11）間体アスパラギン酸セミアルデヒドが過剰に生産されによる生産法として実用化された。また、アナログ

るが、ホモセリン脱水素酵素が欠損しているため、ス耐性株の検討が遅かったセリンはしばらくの間、グレオニンには変換されず、リジンに流れて過剰生産とリシンを原料とする方法で生産された。

なって蓄積するわけである
4-5-3

。

（14）

4.7 代謝制御の克服（4）アナログ耐性変異株を用いる生産

その他のアミノ酸

これらの成功例から、さらに種々の栄養要求性の変アナログとは、天然のアミノ酸や核酸塩基の構造類異株が採取され、イソロイシン要求株からプロリン生似体で、主に医薬品や代謝研究の材料として使用され産株が （15）、またアルギニン要求株からシトルリン生ている。たとえばアミノ酸では、メチオニンに対応す

産株（16）などが得られた。

るエチオニン、スレオニンに対応するα−アミノ−β−

これらの栄養要求性変異株による生産は、歴史的にヒドロキシバレリアン酸（AHV）、リジンに対応する重要な発見であるため取り上げた。しかし、この栄養S−（2−アミノエチルシステイン）〔AEC〕などの例

要求性変異株を用いる方法は、最高の生産を得るためがある。それらの構造式を、対応する天然のアミノ酸の要求物質の最適な濃度コントロールがやっかいなうと対比して図4.7に示す。

えに、自ずから限界があった、つまり、アミノ酸要求性にすることはそのアミノ酸の合成をブロックされているため、これらの生産株は得られないことを示している。これらの欠点を一挙に解決したのが4.7に記す
アナログ耐性株の活用であった。

4.6 代謝制御の克服（3）中間代謝物を変換する生産

図4.7

アミノ酸アナログ構造式の例

アミノ酸の代謝制御は主として合成反応の初発酵素の阻害で行われている（4.3）。したがって、初発酵素

野生型の細菌はアナログを加えた最少培地（微生物以降の反応、あるいはサイドにある物質からの生成反の生育に必要な最少の成分だけを含む培地）では生育

応には基本的に制御は働かないので、この位置にあるできないが、ここに対応するアミノ酸を補給すると生アミノ酸の前駆体や中間体をアミノ酸に変換すること育が回復する。これはアナログが、本物のアミノ酸には可能と考えられた。スレオニンの前駆体であるホモ

似て非なるもの

セリンをスレオニンに、トリプトファンの前駆体であをタンパク質に構成するために取り込む反応（アミノるアンスラニル酸、あるいはインドールをトリプトフ

アシルtRNA合成酵素）や、鍵酵素をフィードバック

ァンに、フマール酸をアスパラギン酸に、グリシンを阻害する反応で、本物のアミノ酸と拮抗して妨害する

セリンに、化学合成したα−アミノ酪酸をイソロイシためである。したがって、アナログを含む培地で生育

ンに変換するなどの例である。方法はこれらの前駆体できるアナログ耐性変異株を取れば、その中にはそのや中間体を基質（原料）としてアミノ酸に変換できる妨害を克服するに足りる本物のアミノ酸を過剰に生産菌株をスクリーニングするもので、これは代謝制御をする変異株が得られると考えられる。このように、受ける鍵酵素を巧妙に回避して反応を進めようとす

1960年代のはじめには、E. coliなどのアミノ酸アナロ

るものである。こうして目的とする生産株が得られグ耐性株が各種のアミノ酸を過剰生産してたが、これらの方法の多くは実用化されなかった。

るという報告が出されていた。分泌ということは文字

その理由は、原料として使用する前駆体や中間体が通り微量で、これらの報告に量的な記載はなかった。

高価であったことと、4.7に記すアナログ耐性変異株

エチオニン耐性株によるメチオニン、AHV耐性株にを用いて多くのアミノ酸の直接発酵が程なく確立さよるスレオニン、5−メチルートリプトファン耐性株

れたためである。実用化に成功したのは、フマールによるトリプトファンの分泌などの例である（後年著

酸のように比較的安価に得られる原料からのアスパ者が、 E. coli のAHV耐性株がスレオニンを分泌する

ラギン酸、アラニン生産、アナログ耐性変異株で採ことを最初に報告したコ−エン博士（G. N. Cohen）

取できない、D−p−ヒドロキシフェニルグリシンやをパリのパスツール研究所に訪ねた時に、「このような

システインである。これらは4.8で詳細に記す酵素法

研究が商売の タネ になるとは思いも寄らなかったであるため、生体内ではアミノ酸分泌すアミノ酸発酵技術の系統化調査

69

のアミノ酸発酵が実現されることになった。B.

よ」と笑っていた）。
味の素社ではBrevibacterium flavum（C. glutam-

flavum から得られたリジン生産株では鍵酵素である

icum）を親株としてAHV耐性変異株を誘導し、このaspartokinase のリジン＋スレオニンによるフィード

中から大量のスレオニンを生産する株を得た。先に報バック阻害、C. glutamicum から得られたヒスチジン

告されていた程度ではなかったのである。こ生産株では同じく鍵酵素であるATP−phosphoribo-の生産株を用いるスレオニン発酵は直ちに工業化されsyltransferaseのヒスチジンによる阻害が除かれていた。アナログ耐性株を用いるアミノ酸発酵の最初の工たように、多くは各アミノ酸の合成の初発の鍵酵素

業化の成功である。この変異株では図4.6に示した、の活性がアミノ酸のフィードバック阻害や酵素合成

スレオニンによるホモセリン脱水素酵素のフィードバの抑制が除かれていることが明らかにされている。

ック阻害が遺伝的に除かれ、阻害に対する感受性が親

また田辺製薬社の研究成果は腸内細菌Serratia

株に比較して約1,300倍低下したことがスレオニン生

marcescens を親株として使用したところに特徴があ産の原因であることが示され、生産と酵素活性の相関る。この株は E. coli に似て、ファージを用いる形質性が明らかにされた。さらに後の研究によって、この導入ができる性質があり、この性質を利用してフィ変異はホモセリン脱水素酵素の制御領域にあるアミノードバック阻害と酵素合成のリプレッションを除い酸配列の中の1つのアミノ酸残基の置換によるものでた変異株の造成もなされている。

分泌あることが示された。同時に得られた、E. coli K−12株からのスレオニン生産株は15年後に遺伝子工学の応用による改良に活用された。

スレオニン発酵の成功を嚆矢として、味の素社、協酵素法は微生物の酵素、あるいは酵素を含む菌体を和発酵社、田辺製薬社（現在は田辺三菱製薬（株）と触媒として使用し、グルコース以外の原料、たとえば、なっているが、元の社名で表記する）などの各社から、代謝経路上の中間体、化学合成の中間体、などをアミ

各種のアミノ酸に対応するアナログ耐性株によるアミノ酸に変換して生産する4.6で記した方法の応用展開技ノ酸生産が報告された。報告は多数に上るが、これら術である。発酵法が菌体の増殖を伴ってアミノ酸を生の中から主として工業化に直結していると考えられる

産するのに対して、酵素法では増殖した菌体を触媒とものを表4.1に示す。

して使用する点で、両法に若干の違いはあるが、本報このように、アナログ耐性株の活用によって、多く
表4.1

70

4.8 酵素法とバイオリアクターによる生産（17）

告では酵素法も広義の発酵法として扱っている。この

アナログ耐性変異株として得られたアミノ酸生産株

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March方法による主な研究成果には以下のようなものがある。

は、酵素をイオン交換樹脂のような高分子の担体に結合する、グルタルアルデヒドのような結合剤を用いて

4- 8-1アミノアシラーゼによるDL−アミノ酸から連結する、あるいはリポソームのような二重層膜やカ

L−アミノ酸の生産

ラギーナン、ポリアクリルアミドなどの高分子で包括発酵法によるアミノ酸生産が本格化する以前には、
化学合成法によるアミノ酸の生産研究が最も進んでいする方法で行われる。包括法では酵素ばかりではなく、酵素を含む菌体も対象になる。

たが、この方法で合成されるアミノ酸はDL（ラセミ）アミノアシラーゼに関してはDEAE−Sephadexにイ体である。DL体合成の段階までは比較的簡単にでき

オン結合で固定化したバイオリアクターによるL体アミ

るが、DL体を天然型のL体に変換する光学分割がなかノ酸の連続生産が1969年田辺製薬社で成功している（40）。

なかの難題で、工業化までには至るものは多くはなかった。ここに田辺製薬社で開発された方法が、DL−

4- 8- 2

アスパラギン酸、アラニン

アミノ酸から簡単に合成されるN−アシル−DL−アミ

アスパラギン酸はアミノ酸輸液、経口・経腸栄養剤

ノ酸を糸状菌（Aspergillus oryzae）から得られる酵など臨床栄養剤の成分、アルギニン、オルニチンとの素、アミノアシラーゼによって不斉加水分解する方法

塩の形で疲労回復・肝機能改善剤などの医薬用に、まである。この酵素はN−アシル−DL−アミノ酸のアシ

た酸味、こく味を与える調味料として使用されるほか

ル基を脱離する反応を触媒するが、この酵素がL体だに、甘味料であるアスパルテームの原料として大きなけに作用し、D体には作用しない特徴を利用する。分

需要がある。アラニンはアミノ酸輸液、経口・経腸栄

解されないで残るD体は加熱してラセミ化してDL体と養剤などの医薬用に使用される。

する。この反応を繰り返して最終的に全部をL体に変

1959年、京大北原覚雄ら、および田辺製薬社は、大腸換する方法である（図4.8）。酵素法で成功した最初の菌を使用してフマール酸からアスパラギンを生産する方L体アミノ酸生産の例で、主としてL体が要求される法を報告した。この反応を触媒する酵素はアスパルター

アミノ酸輸液などに使用されるL-メチオニン、フェニゼである。田辺製薬社では1973年に固定化アスパルター

ルアラニン、バリンなどがこの方法で生産された。

。
ゼを用いる連続生産の工業化に成功している（41）（図4.9）
田辺製薬社ではまた、アスパラギン酸をアラニンに変換する酵素、アスパラギン酸デカルボキシラーゼを生産するPseudomonas dacunhae を見出し、アスパラ
ギン酸からアラニンを生産するプロセスの開発にも成。
功している（42）（図4.9）
発酵法によるグルコースを原料とするアスパラギン酸の生産は収率が低く、またアラニンの生産は、生産
物がDL体であるため、アスパラギン酸、アラニンとも、この酵素法で工業生産されている。
同社ではアスパルターゼおよびアスパラギン酸デカ
ルボキシラーゼを含む菌体をポリアクリルアミドで（後にはκ−カラギーナンで）包括して固定化し、フマール酸を原料として、アスパラギン酸およびアラニ
ンの長期安定な連続生産に成功している （43）。この反

図4.8 アミノアシラーゼによるDL−アミノ酸からLー
アミノ酸の生成反応式と製造装置のフローダイアグラム（40）応システムを図4.9に示す。

酵素は水溶液の状態で使用するため、安定性が低い
上に、固体触媒のように繰り返して連続使用はできないという難点がある。この問題を一挙に解決し、固体
触媒のように取り扱うことを可能にしたのが酵素の固定化技術である。このような固定化酵素を利用する反応はバイオリアクターと呼ばれている。酵素の固定化

図4.9

酵素を含む固定化菌体によるフマール酸からアス
パラギン酸とアラニンの生産

アミノ酸発酵技術の系統化調査

71

4-8-3 ジオキシフェニルアラニン（Dioxyphenylalanine）
ジオキシフェニルアラニン（以下DOPA）は脳の神経機能を制御するドーパミンなどの一連の化合物の前駆体のアミノ酸で、パーキンソン病などの老人性脳神経障害にすぐれた効果を示す医薬品である。微生物の生命活動とは関係のないアミノ酸であるため、直接発酵法で作ることは不可能であるが、微生物の酵素を用いる合成法が開発されている。チロシンをβ位で分解する以下の反応（図4.10）を触媒する酵素、β−チロ

図4.12

酵素法によるDL−ATCからL−システインの生産

シナーゼをCitrobacter intermedius やErwinia her-bicola などの細菌が生産することが京大の山田秀明ら
によって見出された（44）。この反応の逆反応によって、

4-8-5 D−p −ヒドロキシフェニルグリシン

チロシンがフェノール、ピルビン酸、アンモニアから

D− p −ヒドロキシフェニルグリシン（以下D−合成されることが同じグループで示されたが、この酵HPG）は天然のアミノ酸ではなく、半合成ペニシリン

素は基質特異性が広く、以下の反応のように、フェノであるアモキシシリンの成分として開発されたD体のールに変えてピロカテコールを原料にすることによっアミノ酸である。アモキシシリンはペニシリン骨格でてDOPAが合成された（図4.11）。このプロセスは味ある6−アミノペニシラン酸の6位のアミノ基にD−の素社で1992年に工業化された（45）。

HPGを導入して合成される。
5位置換ヒダントインはアミノ酸の化学合成法の中間体で、これを酵素的に不斉加水分解してL−アミノ酸を得る方法はいくつか報告されていたが、D体のアミノ酸を特異的に生成する酵素、ヒダントイナーゼを

図4.10

βーチロシナーゼによるチロシンの分解反応生産する微生物が京大山田秀明らによってスクリーニ
ングされた （47）。これらの微生物の中から、DL−5−（p−ヒドロキシフェニル）ヒダントインをD−N−カ
ルバモイル−p−ヒドロキシフェニルグリシンに変換
する最も高い活性をもつPseudomonas putida が選ばれた。D−N−カルバモイル−p−ヒドロキシフェニル

図4.11

βーチロシナーゼの逆反応によるDOPAの合成

グリシンをD−HPGに変換する脱カルバモイルの反応
は酸性条件下に亜硝酸で処理する方法で行われた。こ

4-8-4

システイン

システインは輸液成分、肝機能改善剤、色素沈着改
善剤、パンの発酵助剤、またこのアセチル誘導体は去のD−HPGの工業生産はカネカ社で行われ、次に示す
この生産プロセス（図4.13）はシンガポールの工場で稼働している。

痰剤の原料になるなど、多くの用途がある。システイ
ンはシステイン含量が高い毛髪やケラチンを塩酸で加水分解して製造されている。発酵法による生産はまだ確立されていない。システイン化学合成の中間体であるDL−2−アミノチアゾリン−4−カルボン酸（以下DL−ATC）を微生物の酵素を用いて不斉加水分解してL体のシステインを得る酵素法が味の素社で開発され た （ 4 6 ）。 酵 素 の 生 産 菌 P s e u d o m o n a s

thiazolinophilum はDL−ATCを唯一のN源として利用して生育できる細菌としてスクリーニングされたもの
で、以下の反応に関わるATCラセマーゼ、ヒドロラーゼという酵素をもつと推定されている（図4.12）。
この製法は味の素社で1982年に工業化された。

72

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March

図4.13

Dーpーヒドロキシフェニルグリシンの合成反応

このプロセスの最終段階の脱カルバモイルの反応
は、当初は上記の通り、酸性条件下に亜硝酸で処理す

示し、生産株の育種と改良には極めて応用範囲の広い技術を提供することになった。

ることによって行われていたが、この方法では反応収

遺伝子工学の技術が確立された当初は、異種の遺伝率が低く、副生成物が多く、また酸、アルカリの多用子をもつ生物の安全性や生態系に与える影響等の懸念による環境負荷が大きいと言う問題点があった。カネから、遺伝子組換え実験に関する実験指針が制定され、カ社では、この反応を触媒する酵素、D−カルバミラ

さらに2004年には「遺伝子組み換え生物等の使用等のーゼをもつ細菌、Agrobacterium sp.をスクリーニン

規制による生物の多様性の確保に関する法律」（通称グし、このD−カルバミラーゼ遺伝子をE. coli でクロ

カルタヘナ議定書担保法）として法制化されたが、菌ーニングして発現させることに成功した。このことに株や遺伝子の由来が明確にされている場合には安全性よって、ヒダントイナーゼをもつPseudomonas puti-に問題がないので、適宜実験が承認されて実用化が進daとカルバミラーゼをもつE. coli を、それぞれ固定化

んでいる。

して、バイオリアクターのシステムで生産する方法が
確立された

。

（48）

E. coli K−12 株は安全性が証明され、材料と手法に関する情報が豊富で、遺伝子操作の技術がもっとも応用しやすい菌株で、現在も世界中で広く使用されてい4-8-6 リジン
東レ社では、ナイロンの原料であるDL−α−アミる菌株である。この菌株を用いる生産株の改良や、新
しいアミノ酸発酵も生まれている。

ノ−ε−カプロラクタム（以下ACL）から、酵素法に一方、アミノ酸発酵の主役であるC. glutamicumでよってL−リジンを製造するシステムを開発した （49）。

はゲノム解析が終わり、また Brevibacterium ととも

図4.14に示すように、反応はACLラセマーゼ活性をもに、ベクターの構築や、遺伝子の導入法などの遺伝子

つ細菌、Achromobacter obaeとACLを加水分解する

操作のシステム開発が行われ、このシステムを活用しヒドロラーゼをもつ酵母菌、Cryptococcus laurentiiてスレオニンやフェニルアラニンなど生産の向上が示を選択して、これらの組み合わせによって、DL−されたが、実用化までには至っていない。

ACLをほぼ定量的に L−リジンに変換するものである。この方法は宝酒造と共同で一時工業化されたが現在は行われていない。

4-9-1

スレオニン

味の素社ではE. coli K−12 株からスレオニン生産菌を、アナログであるAHV耐性変異株として得ていた。4.7で述べた通り、この変異株ではスレオニン合成

18）の鍵酵素であるホモセリン脱水素酵素がスレオニンによるフィードバック阻害に非感受性に脱感作されている。ロシアの国立研究所Genetikaではこの情報をもとに、独自にスレオニン生産株を採取し、これに遺伝子
図4.14 酵素法によるDLーαーアミノーεーカプロラクタム
からのLーリジン生産操作の技術を応用して脱感作されたホモセリン脱水素
酵素遺伝子を増幅することによってスレオニンの生産量が親株の3倍程度向上し、グルコース6.2％を含む培地の培養によって20g／Lになったことを報告した（50）。

4.9

遺伝子工学（組換えDNA）技術の応用による生産菌株の改良

味の素社でも同様にE. coli K−12 株のスレオニン生
産株の遺伝子を増幅し、スレオニンの生産量が親株の

1970〜1980年にほぼ確立された遺伝子工学の技術
は、特定の遺伝子を単離し、これを解析、改変、増幅3倍程度向上することを示し、さらにジャーファーメ
ンタの培養によって55g／Lの生産量を得た（51）。

するなど、様々な応用を可能にした。アミノ酸の過剰

後年、味の素社ではGenetika研究所から菌株を導入生産に必要な条件は3.3に示された通り、各アミノ酸

して改良した。つまり、HDの遺伝子はベクターとしによる代謝制御を除き、アミノ酸生合成の酵素活性をて用いられているプラスミド上に組み込まれている向上させることにあるので、遺伝子を特定するクローが、たびたびプラスミドの不安定性とともにスレオニ

ニングによって遺伝子の産物である酵素を改変した

ン生産の力価が低下することがあったが、これをMu

り、また酵素の生産量を増強することが可能になるこ

ファージを用いるクローニングによって染色体上に組と、このことはアミノ酸の生合成を増強できることを換えて安定性を向上させることに成功した （52）。菌株

アミノ酸発酵技術の系統化調査73

育種の概略を図4.15に示す。この菌株は安全性に関すの微生物の機能を、組換え技術によって組み合わせてるデータも提示して、フランス政府の承認を得て、可能としたものである。

1991年に味の素社の合弁会社であるフランスのユーロ

ヒドロキシプロリンの化学構造には、DL体のほかに、リジン社で工業化された。遺伝子工学の手法で得られ水酸基が3と4の炭素の位置に入ること、さらに水酸た菌株の最初の工業化の例と考えられる。

基とカルボキシル基がcisとtransに位置するかによって8つの異性体が存在するが、生物活性のあるものは

4-9-2 リジン、トリプトファン

trans−4−ヒドロキシプロリンである。

味の素では、特に外部発表は行われていないが、農協和発酵社が開発した方法は、プロリンの4の炭素

林省農業資材審議会飼料分科会や通産省の指針適合確に水酸基を導入する酵素、プロリン4−ヒドロキシラ

認で認可を得て（53）、E. coli K−12 株を用いる遺伝子ーゼを生産する放線菌（ Dactytylosporangium sp.）

操作技術の応用による、リジン、トリプトファン生産をスクリーニングし、この遺伝子をクローニングして、株の改良を進めていると考えられる。

別途 E. coli から育種したプロリン生産株に導入して、プロリンに水酸基を付加するものである。この株のプロリンからの変換収率100％、40g／Lの発酵成績で、遺伝子組換え体の工業化指針に適合し、実用生産が行われている（54）。
4 -10 -2

Dーp ーヒドロキシフェニルグリシン

4−8−5に記述した通り、カネカで開発されたD−
HPGの合成プロセスの内、後段の脱カルバモイルの反応は、この反応を触媒するD−カルバミラーゼの遺伝子をAgrobacterium sp. の細菌から得て、E. coli で発
現させ、この菌体を酵素源として生産プロセスを確立したものである。
＜引用文献＞（1）木下祝郎：アミノ酸発酵の発見と進歩、（財）バ
イオインダストリー協会、アミノ酸核酸集談会編「発酵からニューバイオテクノロジーへ」、p. 7、1987.
（2）S. Kinosita et al . : J. Gen. Appl. Microbiol., 3, 193,
1957.
（3）S. Udaka : J. Bacteriol., 79, 754, 1960.
（4）田中勝宣ら：日本農芸化学会誌、34, 593, 1960.
図4.15 組換えDNA技術によるスレオニン生産株改良の模式図

4.10

遺伝子工学の応用による
新しいアミノ酸生産（5）協和発酵工業社史、 それからそれへ 、協和発酵50年の軌跡と新世紀への礎、p. 67，2000年9月.
（6）N. L. Sommerson and T. Phillips : 特公昭37−
1965.
（7）K. Takinami et al. : Agric. Biol. Chem., 27, 858,

4 -10 -1ヒドロキシプロリン

このアミノ酸は動物のコラーゲンの主成分で、これまでコラーゲンの加水分解物から抽出する方法で、世界では数百トンが生産され、医薬品の原料として使用されている。このアミノ酸は微生物の生命活動とは無関係のため、微生物による直接発酵で生産することは不可能である。協和発酵社で開発された技術は、異種74

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March

1963.
（8）J. Nakamura, et al. : Appl. Environ. Microbiol.,73, 4491, 2007.
（9）アミノ酸核酸集談会編：「アミノ酸発酵」上、下巻、共立出版、1972年.
（10）相田、滝波、千畑、中山、山田編：「アミノ酸発酵」、学会出版センター、1986年.

（11）K. Aida, I. Chibata, K. Nakayama, K. Takinami,and H. Yamada（Eds.）: Biotechnology of aminoacid production, Kodansha, Tokyo, andElsevier, Amsterdam-Oxford-New York-Tokyo,
1986.
（12）I. Shiio, et al. : J. Biochem., 53, 333, 1963.
（13）S. Udaka, et al. : J. Gen. Appl. Microbiol, 4, 272,
1958.
（14）K. Nakayama, et al. : J. Gen. Appl. Microbiol., 7,
145 , 1961.
（15）F. Yoshinaga, et al. : J. Gen. Appl. Microbiol., 12,219, 1966.
（16）S. Okumura, et al. : Agric. Biol. Chem., 28, 742,
1964.
（17）中森 茂：相田 浩他編「アミノ酸発酵」、p. 307,
学会出版センター、1986年.
（18）I. Shiio, et al. : Agric. Biol. Chem., 33, 1152, 1969.
（19）I. Shiio, et al. : Agric. Biol. Chem., 34, 448, 1970.
（20）H. Kase, et al. : Agric. Biol. Chem., 36, 1611,
1972.
（21）S. Komatsubara, et al. : Appl. Environ.
Microbiol., 35, 834, 1978.
（22）K. Sano, et al. : J. Gen. Appl. Microbiol., 16, 373,
1970.
（23）O. Tosaka, et al. : Agric. Biol. Chem., 42, 1773,
1978.

（34）K. Kubota, et al. : J. Gen. Appl. Microbiol., 19,339, 1973.
（35）T. Tsuchida, et al. : Agric. Biol. Chem., 51, 2089,
1987.
（36）M. Kisumi, et al. : Amino Acid and Nucleic
Acid 発酵と代謝、19, 1, 1969.
（37）T. Tsuchida, et al. : Agric. Biol. Chem., 39, 1319,
1975.
（38）M. Kisumi, et al. : J. Biochem., 73, 107, 1973.
（39）日比野ら：日本農芸化学会講演要旨集、p.247,
2000年.
（40）土佐哲也：バイオリアクターの工業化、現代化
学、p. 50、1992年9月.
（41）T. Tosa, et al. : Biotechnol. Bioeng., 19, 1973.
（42）K. Yamamoto, et al. : Biotechnol. Bioeng., 22,2945, 1980.
（43）T. Sato, et al. : Enzyme Engineering, 6, 271,
1982.
（44）H. Kumagai, et al. : Biochem. Biophys. Res.
Commun., 34, 266, 1969.
（45）江井仁ら：バイオサイエンスとインダストリ

ー、54，11，1996.
（46）K. Sano et al. : Appl. Environ. Microbiol., 34,
806, 1977.
（47）H. Yamada et al. : J. Ferment. Technol., 56, 484,
1978.

（24）I. Shiio, et al. : Agric. Biol. Chem., 37, 2053, 1973.

（48）高橋里美：日本農芸化学会誌、74, 961, 2000.

（25）S. Ikeda, et al. : Agric. Biol. Chem., 40, 511, 1976.

（49）T. Fukumura：Agric. Biol. Chem., 41, 1327,（26）M. Kisumi, et al. : J. Bacteriol., 110, 761, 1972.
（27）K. Araki, et al. : Agric. Biol. Chem., 35, 2081,
1971.
（28）上条弘隆ら：日本農芸化学会講演要旨集、
p. 112, 1973.
（29）I. Shiio, et al. : Agric. Biol. Chem., 36, 2315, 1972.
（30）I. Shiio, et al. : Agric. Biol. Chem., 37, 1991, 1973（31）土田隆康ら：特許出願公開昭和49−116294..
（32）S. Nakamori, et al. : Agric. Biol. Chem., 46, 487,
1982.
（33）K. Nakayama, et al. : Agric. Biol. Chem., 36, 1675,
1972.

1977.
（50）V. G. Debabov et al. ：Proceedings of IVthInternational Symposium on GIM（Kyoto）,
p. 254, 1982.
（51）K. Miwa et al.：Agric. Biol. Chem., 47, 2329,
1983.
（52）O. Kurahashi et al. ：Proceedings of VIthInternational Symposium on GIM（Strasbourg）,
p. 178, 1988.
（53）日経バイオ年鑑2004，p. 575.
（54）Shibasaki et al：Biosci. Biotech. Biochem., 64,
746, 2000.

アミノ酸発酵技術の系統化調査

75

5 培養技術の進展と培養装置
大量培養では、スクリーニングされたり育種され菌

ミン酸発酵では酸素の供給が不足すると、コハク酸や株の、試験管あるいはフラスコのレベルで得られた実乳酸が生成して、グルタミン酸の収率が大きく低下す験結果を大型のジャーファーメンタやタンクでの培養にる。 Brevibacterium flavum 、 B. lactofermentum

スケールアップして再現するとともに、試験管やフラス（C. glutamicum）から誘導されたアミノ酸生産株のコのレベルの実験では出来ない培養技術の開発を行う。

アミノ酸生産に対する酸素濃度の影響について詳しく

現在アミノ酸発酵で一般的に行われている大量培養検討されている。グルタミン酸をはじめ、グルタミン装置のアウトラインを図5.1に示す。基本的には抗生酸を経由して生合成されるグルタミン、アルギニン、物質の生産のために開発された深部培養システムをベプロリンでは高い酸素濃度で、バリン、フェニルアラ

ースに確立された。

ニンなどでは低い濃度で最大の生産を示した（2）。

図5.1

大量培養装置の略図（文献（1）より）システムの構成要素は大きく分けて5つあり、①空る場合にはこの供給が発酵生産性のネックになるが、ントロール⑤全体系の殺菌である。これらによって、この技術課題に対して、培養撹拌のためのタービン翼

中央に位置する発酵タンクで行われる通気撹拌培養をを大型にすることによって酸素供給能を向上させるこコントロールするシステムである。すべてコンピューとに成功している（3）。また空気の酸素分圧を高めるた

タ制御で行われている。この中では以下のような技術

め液体酸素を使用したり、酸素富化装置の活用による開発が行われた。

向上が検討されている。

②培地殺菌③温度コントロール

5.1 酸素の供給法

76

酸素は溶解度が低いため、高い酸素濃度が要求され

④pHコ

気殺菌

フェッドバッチ培養法
5.2 （Fedbatch＝流加培養法）

酸素は細菌の呼吸によるエネルギー獲得に必要であ

この手法は、通常のバッチ式の回分培養法に対して、るだけではなく、アミノ酸の成分として、炭素源であ培養の経過とともに主原料の糖分が消費された時点

る糖分に次いで大量に消費される原料である。グルタで、別途糖分を追加して培養を続け、目的とする生産

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March

物の蓄積濃度を高め、バッチ当たりの生産性を高めた

酵液量を減らさなければならないことになる。液量を改良法である。この方法は抗生物質の発酵生産で開発減らすことは、とりもなおさず生産性が下がることでされたものであるが、味の素社ではグルタミン酸はじある。この問題に対しては、消泡剤等で処理するほか

めアミノ酸の生産にこの技術を応用し、さらに、追加に、排気とともに泡をサイクロンに導いて、機械的にした液量に相当する液量を引き抜くことによって生産

破泡する技術も開発された（3）。

性を高めている（3）。

これらの培養技術は基本的には上記のとおり、ペニ
シリン発酵の工業化の時に大きな進展があり、その知見

5.3 培養液の浸透圧の調節がアミノ酸発酵に応用され、主としてグルタミン酸発酵を題材にして開発されたが、当然ながらグルタミン酸以

味の素ではまた、グルタミン酸はじめアミノ酸の蓄

外のアミノ酸の発酵プロセスに広く応用されている。

積量は一定時間で頭打ちの状態になる。これは細菌細これらの大量培養、さらに分離・精製工程も含めて胞の生産活性の低下に由来するが、この原因のひとつ

多くの設備が装置されている。これらの管理はコンピ

が培養液の浸透圧の上昇であることを明らかにし、こュータで制御されている（4）。

の対応策として糖分の濃度を徐々に添加する方法や、
グリシンベタインを添加する方法で生産速度を高めた。

＜引用文献＞（ 1） S. Nakamori and H. Shibai： R&D Trend

5.4 発泡の制御

Analysis,「Biotechnology in Japan」, p. 84, KRI,
Jan. 2001.

発酵の種類によっては大量の発泡が起る。発泡の原因は複雑で、培地成分、菌体成分、アミノ酸やその他の生産物、温度、pHなどの組み合わせによって影響され、特定されていない。このためアミノ酸の種類や菌株の種類の違いによって、突発的に発泡することが希ではない。発泡が多い場合は、発酵タンクから発酵（2）明石邦彦ら：相田 浩他編「アミノ酸発酵」、p. 127,
学会出版センター、1986年（3）味の素株式会社

研究所50年史

あしたのもとを求めて 、p. 135、136, 2006年9月。
（4）後藤祐二：相田 浩他編「アミノ酸発酵」、p. 145,
学会出版センター、1986年

液の吹き出しが起こり、雑菌の汚染の原因となり、発

アミノ酸発酵技術の系統化調査

77

6 アミノ酸の分離・精製技術の開発
アミノ酸発酵の、いわゆるダウンストリーム（下流）の技術が、培養液やバイオリアクターの反応液からアミノ酸を分離・精製して回収する工程で、その内容はアミノ酸の脱色と晶析、さらに省力化などの技術である。この工程は製品の品質を決定すると共に、この収率の良否はコストに大きな影響を与える重要なプロセスである。この技術は学会等で報告されるものは少な
く、ノウハウに近いものが多く、社史等からの資料を引用する。以下に発酵液からのグルタミン酸とリジンの分離・精製、および酵素法によってフマール酸から生産されるアスパラギン酸の分離・精製について記した。それ以外のアミノ酸の場合も、概ねこれらに大同小異である。

6.1 グルタミン酸ナトリウム
分離・精製工程の概略を図6.1に示す。グルタミン
酸発酵が出来た当初から発酵母液からグルタミン酸の塩酸塩として回収する方法が行われてきた。その後グルタミン酸のα形結晶からβ形結晶へ転移させることで、不純物の淘汰を向上させる技術が開発されている。さらに発酵母液から濃縮晶析することでα形結晶を回収する技術が開発された。この技術によってグルタミン酸の回収率が向上すると共に、培養液の濃縮で生じていたアンモニアの飛散が抑えら

図6.1

L−グルタミン酸ナトリウムの精製と分離工程（1）れる利点も得られた。

6.2 リジン塩酸塩
リジン塩酸塩の分離・精製工程の概略を図6.2に示す。この工程でも、生産性の向上、省エネルギーと環境への影響の最少化が技術開発の大きな課題である。
このプロセスはイオン交換樹脂による処理が中心で、初期には大型の樹脂塔に樹脂を充填して、培養液、溶離液、再生液をバルブの切換えにより順次流す方法が行われていたが、この方法では長時間を要し、生産性が低いため、培養液、溶離液、再生液を高速で通液し、各液が流れる小型のカラムを順次切換えてゆく連続操作ができる技術が開発された。
また、生産菌株としてE. coli が導入されるようになって、この菌株の除菌がマイクロフィルトレーション
膜によって行われるようになり、さらに樹脂操作が簡略化された（3）。

78

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March

図6.2

L−リジン塩酸塩の精製と分離工程（2）6.3 アスパラギン酸
アスパラギン酸はアスパルターゼ活性をもつE. coliの固定化菌体を用いるバイオリアクターで、フマール酸を原料にして生産されるので、グルタミン酸やリジンの培養液のように、菌体、培地成分、菌体から分泌される副生産物が含まれないため、反応液の組成は培養液よりはるかに単純で、処理操作は容易である。アス
パラギン酸の分離・精製工程の概略を図6.3に示した。
＜引用文献＞（1）伊藤寿夫：化学工学会編「バイオプロセス便覧」、
p. 236, 1996.
（2）川喜田哲哉：化学工学会編「バイオプロセス便覧」、
p. 289，1996.
（3）味の素株式会社

研究所50年史

あしたのもとを

図6.3

L−アスパラギン酸の精製と分離工程（4）求めて 、p. 135、136, 2006年9月.
（4）梅村

勲：化学工学会編「バイオプロセス便覧」，

p. 71，1996.

アミノ酸発酵技術の系統化調査

79

7 アミノ酸の規格
アミノ酸の規格は各種の公定書に収載されている（日本薬局方、日本薬局方外医薬品規格、日本薬品添

化二ヒ素（As 2O 3）の量として表わす。
他のアミノ酸加物規格、日本食品添加物公定書、など）。また、企試料中に混在する他のアミノ酸を分離検出する方業が独自に規定を定めている。ここでは味の素社が採法。試験法は薄層クロマトグラフ法で、ガラス板上に用しているアミノ酸の規格試験を紹介する。主な項目

薄く展開したシリカゲル等の薄層を固定相とし、これ。

に試料をスポットして乾燥した後、その下部を展開溶と内容は次の通りである（1）

媒液に浸すと試料は溶媒との間で分配抽出され移動す20D

比旋光度［α］

る。ニンヒドリン試液を噴霧し、発色したアミノ酸の

アミノ酸の光学純度決定の一手段で、旋光計によっ

移動距離と溶媒の動いた距離の比率から試料に含まれて測定する。旋光度測定は温度20℃、層長100mm、るアミノ酸を特定する方法である。

光線はナトリウムスペクトルD線で行う。

乾燥減量

溶状

乾燥によって失われる試料中の水分、結晶水の全部

試料溶液における濁りおよび色の限度試験である。
試験法は白色の背景を用い濁りおよび色を目視で観察するほか、分光光度計より溶媒を対照として10mmのセまたは一部および揮発性物質などの量を測定する。
水分
試料中に含まれる水分を滴定法（カールフィッシャ

ルを用いて測定波長430mmにおける透過率を測定する。

ー法）によって測定する方法である。

塩化物（Cl）

強熱残分（硫酸塩）

試料中に混在する塩化物（Clとして）の限度試験、

550℃〜650℃で恒量になるまで強熱した際に揮発せまた試料中に成分として存在する塩化物の定量試験。

ず残留する物質の量を硫酸塩として測定する。

試験法は限度試験として硝酸銀、定量試験としてはホ

含量

ルハルト法を用いている。

非水滴定法：非水溶媒（通常は酢酸）に溶解したアミ

アンモニウム（NH ）ノ酸を塩基として、過塩素酸で滴定し、電位差の変化

4

試料中に混在するアンモニウム（NH 4＋として）のを測定する。

限度試験で、試験法は試料溶液を蒸留した後に、フェ中和滴定法：酸性アミノ酸（アスパラギン酸、グルタ

ノールペンタシアノトロシル鉄酸ナトリウムと次亜塩ミン酸）では、水に溶解したアミノ酸を酸として、水

素酸ナトリウム・水酸化ナトリウム混液を用いるイン

酸化ナトリウム溶液で滴定し、指示薬フェノールフタ

ドフェノール法で行う。

レインで定量、あるいは電位差の変化を測定する。

硫酸塩（SO4）ヨウ素滴定法：システインではヨウ素との反応を利用

試料中に混在する硫酸塩（SO 4として）の限度試験
で、試験法は塩化バリウムを用いる。
鉄（Fe）
試料中に混在する鉄（Feとして）の限度試験で、試験法は1,10−フェナントロリンを用いる。
重金属（Pb）
試料中に混在する重金属の限度試験。この重金属とし、過量のヨウ素をチオ硫酸ナトリウム液で滴定する。
pH
ガラス電極によるpH計を用いて測定する。
エンドトキシン（注射薬用）
グラム陰性菌由来のエンドトキシンを検出する方法
で、カブトガニの血球抽出成分より調製されたライセート試薬を用いる。

は、酸性で硫化ナトリウム溶液によって呈色する金属性混在物を言い、その限度は鉛の量として表わす。

＜引用文献＞

ヒ素（As 2O 3）（1）味の素株式会社アミノ酸部編：Ajinomoto s

試料中に混在するヒ素の限度試験。その限度は三酸80

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.MarchAmino Acids Handbook, pp. 71〜73, 2003年1月。

8 アミノ酸発酵の主原料
アミノ酸発酵の原料は 主原料である炭素源のほか産株を育種する方法が行われる。

に、窒素源としてのアンモニア、アミノ酸混合物、ミ

現在の大きな問題点は、石油資源が世界的に高騰しネラル成分としてリン酸、カリウム、マグネシウム、ている中で、デンプン、粗糖、モラセスがいずれもバ鉄、マンガン、ビタミン類としてビオチン、チアミン、

イオエタノールの原料としての需要が高まり、価格がなどである。さらにグルタミン酸発酵では、界面活性高騰していることである。したがって、今後の大きな剤やβ−ラクタム抗生物質も使用される。これらの内、

課題のひとつは、食料やエネルギーと競合しない、た最も大きな比率を占めるのが炭素源である。炭素源以

とえばバイオマス、メタノール、二酸化炭素などのよ外の成分は量的に多くはないので記述は省略する。まうな未利用材料を原料として開発することである。

た、本報告では酵素法によるアミノ酸の生産も、広義のアミノ酸発酵に含めてきたが、酵素法の主原料はアミノ酸の種類によって多岐にわたるので触れない。し表8.1

アミノ酸発酵で使用される、あるいは候補となる
主要な炭素源の現状と問題点たがって、直接発酵法の主原料とは炭素源を意味する。
表8.1には炭素源の原料、あるいは原料の候補として上げられるものについて、現状と問題点などを示した。発酵プロセスの原料は主としてグルコースであり、デンプン系と糖質系が中心である。デンプンは酵素（アミラーゼ）で糖化して用いられる。糖質系はサトウキビ（ケーン）から得られる粗糖とモラセス（糖蜜）である。モラセスはサトウキビとサトウ大根（ビート）からの粗糖結晶を採取した残液の晶析母液で、前者はケーンモラセス、後者はビートモラセスで、比較的安価に得られるものである。成分はともに蔗糖、グルコ
ース、果糖である。表8.1に示す原料の内、酢酸とエタノールはグルタミン酸菌が利用（資化）できる原料である。メタノール、n-パラフィンはこれらを資化できる微生物を別途スクリーニングして、この中から生

アミノ酸発酵技術の系統化調査

81

9 アミノ酸発酵技術の海外展開
協和発酵社は1957年に開発したグルタミン酸発酵技術を、1958年にアメリカのMerck社に、また同じころに台湾の味王醗酵に、同社はまた、リジン発酵の技術

表9.1

世界の主なアミノ酸工場の分布と生産品目、生産能力も1958年にMerck社に技術輸出したと言われている。
一方、味の素社のグルタミン酸発酵技術の海外展開の戦略は工場の建設であり、1961年にはタイ、1962年にはマレーシア、フィリピン、イタリー、1968年には
ペルー、1969年にはインドンネシア、1974年にはブラジルなど、さらにアメリカ、中国、ベトナムなど、次々に積極的な展開を進めた。
味の素社はまた、飼料に用いられるリジンの発酵についても、1974年にフランスにユーロリジン社を設立
して生産を開始したほか、1984年にはアメリカ（アイオワ州）にハートランドリジン社、さらにブラジル、
タイ、イタリア、中国などに進出している。フランスとアメリカではリジンのほかに、飼料用のスレオニン、
トリプトファンの生産も開始している。これらのアミノ酸発酵技術の海外展開が成功して2.4に記した世界のアミノ酸生産量の増加につながっている。
一方、協和発酵社はハンガリーにリジン、アメリカ、メキシコにリジン、スレオニン、トリプトファン発酵技術で進出していたが、日経バイオ年鑑（1）によれば、
メキシコは2004年3月に閉鎖、ハンガリーでもリジン、スレオニン、トリプトファンに関する知的財産を含めて、全株式をDegussa社に売却、アメリカのバイオキ
ョーワ社でも、設備のリストラが課題であると報じられており、企業によって業績に明暗が分かれている。
医薬用のアミノ酸類については、味の素社はアメリカ（ノースカロライナ州）の工場をはじめ、中国、ブ
ラジルで増産を進めている。対する協和発酵社は上のように、アメリカでは不調が伝えられているが、中国（上海協和）で増産を進めている。
表9.1には世界の主なアミノ酸工場の分布、生産品
目と生産能力（推定を含む）の概略を示した。
これらの工場で稼働しているプロセスの大部分は日本の技術に基づいているが、海外のメーカーは、安価な原料を武器にして、特許切れの日本の技術を活用して生産している例が多い。中国はMSGの生産と消費の大国で、世界の生産量のおよそ 1/3 がこの国で消費されている。1980年の生産量は約3万トンであったものが、1997年には約60万トンと約20倍に増加した。生活水準の向上、食生活の向上に伴い、さらなる需要の増加が予想されていると言うが、メーカ

82

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March

http://www.ajinomoto.co.jp/kyushu/info.html
http://www.ajinomoto.co.jp/kawasaki/profile.html
http://www.kyowa.co.jp/csr/sustain/report/houfu.html
http://www.ajinomoto.com/ar/i̲r/pdf/fact/Feed-useAA-Oct2007.pdf#search=の他、食品科学新聞、日刊工業新聞、化学工業日報などの記事に基づいた。

ーは表9.1に示した大手の他に約100社があり、優勝劣の研究発表が活発に行われていたが、最近途絶えてい敗の厳しい競争がある上に、環境問題への対応が求る。三菱との企業統合によって経営方針の変更があり、められるようになり、大手メーカーへの集約化が始

研究開発の目標を医薬品に特化している可能性が考えまっていると言う。盛んな海外での展開に対応し

（2）

られる。

て、現在（2007年）日本国内のアミノ酸生産は少なくなっているが、これはアミノ酸発酵が原料依存の＜引用文献＞

技術であり、また大きい市場が海外にあり、人件費（1）日経バイオ年鑑2005：p. 538.

も安いと言う事情からすれば、自然の成り行きとも（2）松永収二：中国の「味精」産業、言える。
田辺製薬社では、1980年代まではアミノ酸発酵関連

http://www.cin.or.jp/beijing/members/quarterly/industry99̲1.htm （2008/01/31）

アミノ酸発酵技術の系統化調査

83

10 アミノ酸と環境問題
10.1 発酵プロセス

10.2 飼料へのアミノ酸の補給による家畜のアンモニア放出量低減効果

発酵工程自体は、酒や醤油の醸造などと同じような

家畜の排泄物からの窒素（アンモニア）の放出は天然型のプロセスで、環境への問題となるような点は大気や、河川や湖沼の水質など、環境汚染の原因のない。さらに、より積極的に環境に調和したシステム一つと考えられている。窒素の放出の原因は飼料の作りが行われている。たとえば味の素社のインドネシ

アミノ酸のアンバランスに基づいている。飼料に使

アやブラジルの工場で行われている、サトウキビを原用されるトウモロコシなどの穀物のアミノ酸組成は、料とするグルタミン酸発酵プロセスでは、図10.1に示

卵や乳のアミノ酸組成と比較すると特定のアミノ酸

すように、グルタミン酸の生産過程で、副生物としてが不足するため、アミノ酸バランスが悪い。このた発生する菌体、アンモニア、リン酸、カリウム、マグめ、ほかのアミノ酸が多くても利用されずにアンモ

ネシウム、などが含まれる廃液は、ほぼ完全に肥料とニアに分解されて排泄されてしまう。これが窒素放して畑に還元されるシステムが確立されている。この出の原因となっている。したがって、トウモロコシ

資源循環型生産工程はバイオサイクルと呼ばれていなどに不足するリジンやスレオニンを飼料に補給する。さらに、この副生物を利用した肥料は、農産物のることによって栄養の改善がはかられるとともに、収量、品質の向上に有効という結果を得て、サトウキ

アミノ酸の利用が向上して、窒素の放出量が大幅にビに限らず、トウモロコシ、コーヒー、果樹や花卉に減少するのである （2）。このように、アミノ酸の有効

広く活用されている（1）。

活用は環境の維持に役立っている。
＜引用文献＞（1）味の素（株）広報部：「アミノ酸博覧会」、p. 17,
2004年9月。
（2）味の素（株）広報部：「アミノ酸博覧会」、p. 15,
2004年9月。

図10.1

84

アミノ酸発酵工場における原料と副生物のサイク
ルシステム（文献（1）より改変）

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March11 アミノ酸の安全性について
ルで食品添加物として安全である」という最終結論を

11.1 MSGの安全性についての論議発表した。
このように、科学的にはMSGの「安全宣言」が出さ

アミノ酸が食品や飼料として日常的にタンパク質、れたが、いまだにMSG有害説は広く行き渡っており、あるいは遊離の形で摂取される栄養素であって、薬物当社（当店）の製品には化学調味料は使われておりのように摂取が日常的でないものに較べて、安全性はません

極めて高いと考えられる。しかし1960年代後半から世店があるし、また著者自身が行った学生へのアンケー界的に広がった、医薬品や食品添加物等に使用されてト調査によっても、9割以上の学生がMSGはいる化合物の安全性についての関心や懸念がアミノ酸良くないにも及んで来ることになった。そのような状況の中で、要で、このための広報活動が重要な役割を果たすと思MSGに関して次のような2つのレポートが出された。

われる。好き嫌いは別として、間違った理解に基づく① 中華料理に多用されるようになったMSGの摂取が根強い反対意識が蔓延している現状には問題がある。

ということがうたい文句にされている商品や身体にと言う印象をもっている。正しい理解が必原因で、顔のほてり、頭痛、動悸など、いわゆる中華11.2 アミノ酸の安全性データ

料理症候群が生じたという報告（1）② 生後間もない幼若マウスに大量（0.5−4.0g／kg体重）のMSGを強制的に投与すると、脳の視床下部や各種アミノ酸のLD 50値（Lethal Dose50：投与されたである。

実験動物の50％が致死する被検物の投与量＝急性毒

新聞等はこれらの報告を大きく取り上げ、特に朝日性）を表11.1に示す。比較のために通常の食品などに新聞は一面に大々的に「グルタミン酸ソーダよお前も使用される食塩や酢酸の値を示したが、ほとんどのアか」（発がん性の問題ありとして販売が禁止されたサ

ミノ酸の値はこれらよりも高い、つまり安全性はきわ

イクラミン酸ソーダ（チクロ）に準えた）とセンセー

めて高いことを示している。

網膜の内層の神経細胞死が起るという報告（2）

ショナルに報道した。②のオルニー（J. W. Olney）の

そのほか、MSGについては、亜急性毒性試験（ラッ

結果を踏まえて、米国上院栄養食品委員会はベビーフトを使用、1〜3ヶ月連続投与して、体重や内臓諸器官

ードにMSGを使用しないよう勧告した。

の変化や病理組織学的な検査などを行う試験）、さらにWHO/FAO合同食品添加物専門家委員会JECFA

マウス、ラット、イヌを用いた2年間の慢性毒性試験、（Joint Expert Commitee on Food Additives）は1970

発ガン性試験が行われ、いずれもコントロールと比較

年6月にMSGの許容1日摂取量（ADI : acceptable daily

して、全く変化が見られないことが証明されている（6）。

intake）を120mg ／ kg体重とすることを勧告した。また米国ではネーダー（R. Nadar）らがリードする消費表11.1

アミノ酸と他の食品成分のLD 50 値 （5）者運動が高まりを見せる中で、GRAS（Generally recognized as safe；一般的に安全と見なされる）物質とされてきた食品添加物や医薬品についても再評価が開始された。
これに対して、世界のMSGメーカー会議は国際グルタミン酸技術会議を結成し、科学的でかつ、公平なデータの集積を進めるとともに、オープンなシンポジ
ウムを開催するなど、妥当性のある判断をもとめる活動をおこなった。その結果、MSGを経口で摂取する条件では神経毒性は認められない、プラセボを用いる
二重盲検比較試験で、上に報告されたようなMSG摂取と有害現象（いわゆる中華料理症候群）には相関性がないことを実証した結果（3）、（4）を報告した。FDAは1980年5月、ベビーフードも含めて、「現行の使用レベ

アミノ酸発酵技術の系統化調査85

＜引用文献＞

11.3

トリプトファンから派生した化合物の問題（1）R. H. M. Kwok : Chinese-restaurant syndorome,
New Engl. J. Med., 278, 796, 1968.

アミノ酸から副生した物質によるものと推定されて（2）J. W. Olney : Brain lesions, obesity, and other

いる事故の例がある。1980年代のはじめ、米国では健disturbances in mice treated with monosodium

康食品に使用された、特定のロットのトリプトファン

glutamate : Science 164, 719, 1969.

が原因と思われるEMS（Eosynothiolamyologia syn-（3）Y. Takasaki : Studies on brain lesions after

dorome：好酸球増多・筋肉痛症候群）が発生し、30

administration of monosodium glutamate to

余名の死者が出る事故があった。原因と考えられる物

mice. II. Absence of brain damage follwing

質が比較的短時間の内に、エチレンビストリプトファ

administration of monosodium glutamate in

ンとフェニルアミノアラニンと同定された。これらのthe diet. Toxicology, 9, 307, 1978.

化合物は、純度の低い特定ロットのトリプトファンを（4）R. S. Geha, et al., : Multicenter, double-blind,

使用した製品から検出されたことから、不純物の中でplacebo-controlled,multiple-challenge

トリプトファンが変化して生成したと考えられた。こevaluation of reported reactions to monosodiumの事故によって供給者の昭和電工社には高額の損害補

glutamate. J. Allergy Clin. Immunol. 106, 973,

償金が課せられた。アミノ酸の種類にもよるが、製品2000.

の純度と内容についての品質管理の重要性が特に強調された事故例である。

（5）味の素株式会社アミノ酸部編：Ajinomoto s
Amino Acids Handbook, pp. 74〜75, 2003年1月。
（6）太田静行：うま味調味料の知識、pp. 100〜103、
幸書房、1992年6月。

86

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March12 アミノ酸発酵技術の系統化
アミノ酸の工業生産が始まって100年、発酵法によの生産にアプローチする手段としての科学や技術、る工業生産が始まって50年が経過した。ともに日本

すなわち、微生物学、生化学、分子生物学を背景とで生まれた独創的な技術である。アミノ酸の製法はする菌株スクリーニングと培養技術があった。この

現在発酵法が中心になってきたが、タンパク質分解技術開発は先駆する抗生物質の発酵生産の影響を大法、化学合成法の3法があり、それぞれ多くの科学ときく受けたと考えられる。

技術の背景の中から生まれ発展してきた。本報告の当時グルコースから直接グルタミン酸が出来るとは主題である発酵法を中心として、技術の系統を図12.1

考えられなかったようで、 常識への挑戦にまとめた。

してグルタミン酸菌と言う新しい菌株の分離に成功しが功を奏

1908年にタンパク質分解法でグルタミン酸の製造がた。成功のポイントはスクリーニング法にあった。こ行われ、初めてアミノ酸が商品化された。この方法にの技術が、グルタミン酸の専業ではなく、発酵と言うよる生産は1960年ころまで続けられた。つまり、その技術を持っていた協和発酵社から生まれたことも興味

ころに革新的な発酵法が順次確立され、それにしたが深いところである。培養液からのグルタミン酸の分離ってタンパク質分解法で製造されるアミノ酸は減ってと精製技術はタンパク質分解法で確立された技術が活きたが、現在もチロシン、ロイシン、システイン、ア用された。

スパラギンなどはタンパク質分解法で作られている。

グルタミン酸菌からは栄養要求性変異株、アナログ

この方法で確立されたアミノ酸の分離と精製の技術は耐性変異株を誘導する方法で、特に後者からは、多く発酵法で活用された。

のアミノ酸生産株が得られ、アミノ酸発酵が一斉に開タンパク質分解法の問題点をクリアして開発された

花した。一方、酵素法に用いられる菌株がスクリーニ

グルタミン酸の化学合成法による製造法は、合成化学

ングされ、酵素法が進化したバイオリアクターを用いを背景に生まれた技術であり、一時工業化されたが、る製法も確立された。さらに、1980年代に登場した遺消費者に受け入れられず、撤退することになった。現

伝子工学は、いわば、これらの技術の

在、グリシン、DL−メチオニン、DL−アラニンなど術として、従来の生産菌株の上に、すでに大きな進展

は化学合成法で製造されている。

をもたらしているが、さらに将来の技術開発に期待さ

上乗せ

の技

発酵法の流れはグルタミン酸菌の発見と言う大きれるところは大きい。このようにして、アミノ酸の品な成果に始まり、今もアミノ酸発酵の中心に位置づ

目では約75％、量的には約85％が発酵法と酵素法で製けられるグルタミン酸発酵から始まった。この技術造されるようになった。

が生まれた背景にあったものは、グルタミン酸ナト

人口の増加に伴って、アミノ酸発酵はさらに量的なリウム（「味の素」）と言う、当時ビジネスとして成拡大が続くと考えられる。一方、アミノ酸を原料とし功していた魅力的なターゲットがあって、多くの研て生産されるペプチド合成技術が最近確立され、大き究者の関心を集めていたことと、そのグルタミン酸

く発展する可能性も考えられる。

アミノ酸発酵技術の系統化調査87アミノ酸発酵技術の系統化
図12.1

88

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March

13 今後の展開
アミノ酸発酵は日本で生まれた独創的な技術であり、ン、リジンなどの生産能を高める、などの研究成果が現在ではその技術が世界中で展開され、医療や食糧の出されている。

供給に貢献している。それらの技術の中心に日本があ

さらに、微生物による物質生産には常に問題になって、世界をリードしている。アミノ酸が基本的にはっていた、細胞からの物質の排出についても、関連す

天然の化合物で、特に栄養的にはタンパク質成分としる遺伝子が同定され、この遺伝子を増幅することによて代替が不可能なため、今後に予想される世界の人口

る排出効果の向上、つまりアミノ酸生産能の向上が示の増加と食糧の不足から、さらに需要が増えることはされた（1）。一方、ミニマムゲノムファクトリーとして、間違いない。

有用物質生産に必要な最少限のゲノム（遺伝子のセッ

大きな成長が見込まれる市場があって、しかも優位ト）をもつ微生物を作り出して効率的な生産を目指な技術があれば、当然経営的には大きな収益が上げらすと言う挑戦的な試みも行われている （2）。これらのれていると考えられるが、実情は必ずしもその通りに研究成果が実用化されて、さらなる生産の向上が期は行かないようである。その主な原因は原料価格の上待される。

昇と製品価格の下落である。特に生産量が多く、コストに占める原料費の割合が大きいグルタミン酸やリジ

13.2 菌株育種／新しい原料の開発と利用ンについては、すでに基本特許の期間が終わり、先発の優位性がなくなってきているため、安価な原料をも

近年、バイオエタノールが急激に話題になってきた

つ海外企業との競争が厳しくなっている。このため、が、原油価格の上昇が続く限り、アミノ酸発酵の主原

コストの上昇分を簡単に製品価格に転嫁できる状況に料であるデンプン、糖質はたえずバイオエタノールおはなく、したがって、収率の向上、主副原料の効率的よび食糧と競合する関係にあって、価格の上昇が問題

な使用、エネルギーの削減、副産物の削減と環境調和になる。このためにはデンプン、糖質以外の原料の利型のプロセス開発など、さらなるコストダウンと生産用を考える必要がある。たとえば、メタノール資化能の効率化が求められているわけである。

のある微生物からの生産株の育種、あるいはCO2が利

コストダウンに技術開発の占める比重は甚だ大きい用できる光合成細菌からの生産株の育種も検討する価が、どのような改良や開発の可能性があるかを考えて値がある。稲ワラ、籾ガラ、サトウキビ軸、廃材などみたい。

のバイオマスの活用も考えられる。これは材料の糖化と集荷が課題と言われているが、アミノ酸発酵の原料

13.1 菌株育種／既存生産株の改良
技術的な改良の可能性がなお考えられる分野であとしての開発が期待される。

13.3 培養技術

る。すなわち、DNAの情報とDNA技術を活用する新しい技術に基づいて、細菌の菌体内での代謝の流れと、連続培養は雑菌汚染の問題などが解決されていない

DNA、mRNAからタンパク質、中間体などの動向をため、活性汚泥のプロセス以外に、物質生産のプロセ

網羅的に解析して、最終的に生産株の代謝全体の最適

スでは実用化されたものはないが、省エネルギー、省化を図ろうとする試みである。これらの試みの中から資源の視点からは最も期待される技術である。

は、すでにいくつかの有力な結果が得られている。たとえば、培養の後期に生産能が

頭打ち

状態になる

13.4 分離・精製技術のは一般的な傾向であるが、この時期に発現量が上昇する遺伝子rmf を特定し、この遺伝子を欠損させるこ

この技術の完成度はかなり高く、抜本的な改良等にとによって、頭打ちを抑え、アミノ酸の生産能を高め期待は薄いと考えられる。精製段階での副生物を減らた。また、TCAサイクルを含めた関連の酵素遺伝子す方法として、酸性下での培養が考えられている。たの発現を制御する遺伝子arcを欠損させることによっとえば、現行のグルタミン酸発酵では、アンモニアでて、TCAサイクル関連の酵素活性を高め、TCAサイ

中和して中性下で培養し、結晶化は硫酸を加えて行い、クルを経由して生合成されるグルタミン酸、アルギニ

最終的にはNaOHで中和してMSGとするが、副生物がアミノ酸発酵技術の系統化調査

89

硫安となる。これが酸性条件下で培養できれば硫安の副生が無くなるという考え方である。

（aa 2−COOCH3）から、次のようなペプチド合成反応を触媒する微生物酵素のスクリーニングに成功したも（1）のである（3）。

13.5 環境問題
aa1＋aa2−COOCH3+H2O→aa1−aa2＋CH3OH
発酵工場では原料と廃棄物がリサイクルされる、環aa1−aa2＋aa3−COOCH3+H2O→aa1−aa2−aa3＋CH3OH

境調和型のシステムを作り上げられたことは本文で紹介した。今後はさらにこのシステムを、より完成の度を上げることが期待される。すでに味の素社では発酵

このように、ペプチドの鎖を順次延長出来る方法である。

工場から出る廃液の肥料としての高度利用を目的に、一方、協和発酵社で開発された方法は、遊離のアミインドネシアの農事試験場と連携して、「キャッサバ

ノ酸にエネルギー源としてATPを関与させる酵素反高収量技術の普及プロジェクト」を発足させた。

（1）

そのほか、たとえば砂糖を抽出したサトウキビの本体（バイオマス）の燃料化あるいは糖化、工場から排応（4）で、次のように、結合の仕方で正逆2種のペプチドができることになり、狙った特定のペプチドの収率は低くなると考えられる。

出されるCO2の減量化などが今後の課題として考えられる。

aa1＋aa2＋ATP → aa1−aa2＋aa2−aa1

このような技術課題に挑戦し、日本のアミノ酸発酵
技術の優位性が維持、発展されることを期待したい。

これらの技術開発によって、ペプチド生産が実現したことは、無限のアミノ酸の組み合わせの中から有望

13.6 ペプチド技術への展開

なペプチドが見出される可能性が高くなったことを示し、近い将来ペプチド発酵と言われる技術分野が生まアミノ酸と深い関わりがある物質にペプチドがあれる可能性が高いことを示している。

る。ペプチドは、ひとつのα−アミノ酸のカルボキシ
ル基ともうひとつのα−アミノ酸のアミノ基が脱水縮＜引用文献＞

合して生じるアミノ酸のつながった物質で（図2.2参（1）倉橋

謝研究会シンポジウム講演要旨集、p. 25、2007年

薬品などとして期待されているが、これまで化学合成

7月13日.

法による小規模の調製は行われているが、官能基への（2）穴澤秀次：発酵工業における新世紀の技術展開、保護基の導入や脱離など、やっかいな問題があって、発酵と代謝研究会シンポジウム講演要旨集、p. 31，

実用生産は行われていない。これに対して最近、生化

2007年7月13日.

学的な手法で生産する方法が開発されて注目されている。方法のひとつは味の素社の開発になるもので、遊離のアミノ酸（aa 1 ）にアミノ酸のメチルエステル

90

修：アミノ酸発酵の進化と未来、発酵と代照）、ホルモンなど、多くの生理的な機能があり、医国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.11 2008.March（3）K. Yokozeki and S. Hara : J. Biotechnology, 115,
211, 2005.
（4）K. Tabata, et al : J. Bacteriol., 187, 5195, 2005.

14 謝辞資料収集等について以下の方々のご協力いただきました。厚く御礼申し上げます。
味の素株式会社

都河龍一郎、倉橋修、宇多川隆協和発酵工業株式会社

手柴貞夫、落合恵子

田辺三菱製薬株式会社

土佐哲也（元田辺製薬（株）副会長）、松前裕明（財）バイオインダストリー協会

清水栄厚

登録候補一覧
No.

名称

1

日本最古（池田菊苗氏が調製した）グルタミン酸の
サンプル

2

3

道明寺ガメ

固定化酵素切断機

資料形態

所在地

製作者

展示

AJINOMOTO「食とくらしの小さな博物館」
、
東京都港区

実物

AJINOMOTO「食とくらしの小さな博物館」
、
東京都港区

実物

山口田辺製薬（株）、
田辺製薬（株）山陽小野田市

池田菊苗

不明

製作年

コメント

1908

大きな商品となった「味の素」の材料で、コンブから抽出された最初のグルタミン酸1912−1925

塩酸に耐える耐酸性の反応容器として開発された記念すべきカメである。

1974−1976

酵素の固定化ではパイオニアである田辺製薬（株）で製作された記念すべき一品である。

アミノ酸発酵技術の系統化調査

91本報告書は平成19年度科学研究費補助金特定領域研究『日本の技術革新−経験蓄積と知識基盤化−』
計画研究「産業技術史資料に基づいた日本の技術革新に関する研究」（17074009）の研究成果である。

国立科学博物館
技術の系統化調査報告 第11集
平成20（2008）
年3月19日■編集

独立行政法人

国立科学博物館

産業技術史資料情報センター（担当：コーディネイト・エディット 永田 宇征、エディット 大倉敏彦・久保田稔男）■発行

独立行政法人〒110-8718

国立科学博物館
東京都台東区上野公園 7-20

TEL：03-3822-0111■デザイン・印刷株式会社ジェイ・スパーク