“乳酸菌”って、どんな菌︖-分かりやすい基礎講座-（その2）Ⅱ

乳酸菌の代謝1.乳酸発酵のタイプと発酵⽣産物
ヒトや乳酸菌も含めて、⼀般に従属栄養⽣物は複雑な構造の有機物を外部から取り込み、簡単な物質に分解して、その際⽣じるエネルギーを利⽤しています。乳酸菌は糖質を代謝して、菌体成分の合成や⽣育に必要なエネルギーを獲得し、乳酸などを⽣成します。⾃然界ではエネルギーは⼀般に熱の形で放出・利⽤されますが、⽣物は獲得したエネルギーをいったん⾼エネルギー化合物（ATP︓アデノシン三リン酸など）と呼ばれる特殊な有機物質中に捕捉して、利⽤します。
糖質の代表ともいうべきグルコース（ぶどう糖）を例にとると、この糖が嫌気的に（酸素が関与しない条件で）分解され、1分⼦のグルコースから2分⼦のピルビン酸（または乳酸）を⽣じ、2分⼦のATPが得られる過程を“解糖”と呼びます。その代謝経路が解糖系（別名︓EMP経路）です。グルコースからピルビン酸が⽣じるまでに10種類の酵素が関与しますが、この過程は乳酸菌だけでなく、ほとんどすべての⽣物に共通して存在する根幹的エネルギー獲得機構です。図1に⽰す通り、乳酸菌ではピルビン酸が乳酸に還元され、酵⺟ではピルビン酸がエタノールに変換されます。⼀⽅、ヒト、動物、好気性微⽣物などではピルビン酸がTCA回路（トリカルボン酸回路、クエン酸回路）を経て電⼦伝達系で代謝され、分⼦状酸素を消費して、最終的には⼆酸化炭素と⽔に分解されます。この経路は酸素呼吸系と呼ばれ、グルコース1分⼦が解糖系ならびにTCA回路を経て完全に酸化されると36〜38分⼦のATPが⽣成します。
乳酸菌による糖質の発酵は、通常2種類の経路（ホモ乳酸発酵またはヘテロ乳酸発酵）で進⾏します。下記の通り、ホモ乳酸発酵は単糖（例えばグルコース）1分⼦から2分⼦の乳酸を⽣成し、消費された糖のすべてを乳酸に変換します（1式）。これに対してヘテロ乳酸発酵では、乳酸のほかにエタノールと⼆酸化炭素を⽣成します（2式）。⼀⽅、ビフィズス菌による糖質の代謝経路は通常の乳酸菌とは異なっていて、2分⼦のグルコースから2分⼦の乳酸と3分⼦の酢酸を⽣成しますが（3式）、これもヘテロ乳酸発酵の⼀種と⾒なすことができます。
C6H12O6（グルコース）→ 2CH3CH（OH）COOH（乳酸）＋2ATP （1）C6H12O6（グルコース）→CH3CH（OH）COOH（乳酸）＋C2H5OH（エタノール）＋CO2（⼆酸化炭素）＋ATP （2）2C6H12O6（グルコース）→ 2CH3CH（OH）COOH（乳酸）＋3CH3COOH（酢酸）＋5ATP （3）乳酸菌の菌種によって、例えばヨーグルトの製造に⽤いるブルガリア菌（ラクトバチルス デルブリュッキー 亜種 ブルガリクス）は（1）式のホモ乳酸発酵、発酵クリームやカテージチーズ⽤のスターターに含まれるロイコノストック メ
センテロイデス 亜種 クレモリスは（2）式に⽰したヘテロ乳酸発酵、ビフィズス菌はビフィズム経路により（3）式に⽰したヘテロ乳酸発酵を営みます。なお、
乳酸は、その構造のなかに⼀つの不⻫炭素原⼦（互いに異なる4つの原⼦または原⼦団と結合している炭素、図1の乳酸の構造式参照）をもつため、L型、D型およびDL型（両者が等量混じったラセミ体）と光学活性の異なる3種類の異性体が存在し、属や菌種により⽣成するタイプはほぼ決まっています。そのため、⽣成乳酸のタイプは乳酸菌を同定する際の重要な検査項⽬となっています。また、最近ポリ乳酸が地球に優しい⽣分解性プラスチックとして注⽬されていますが、乳酸を化学合成するとDL型になり、ポリマーにすることができません。⼯業的⽤途が拡⼤しつつあるポリ乳酸⽤の純粋なL-乳酸あるいはD-乳酸をつくるために、乳酸菌による発酵⽣産の重要性が改めて認識されてきています。
さて、上記の反応式（1）に⽰したホモ乳酸発酵の代謝経路とその主要な代謝中間体は図2の通りです。これは、図1に略記した解糖系を具体的に⽰したものに相当します。ホモ乳酸発酵菌の最⼤の特徴は、図2のフルクトー
ス1,6-⼆リン酸を2分⼦の三炭糖リン酸（すなわち、グリセルアルデヒド3リン酸とジヒドロキシアセトンリン酸）に変換する反応を触媒する酵素アルドラーゼをもっていることです。このタイプの発酵を⾏う主な乳酸菌はストレプトコックス（Streptococcus）、ラクトコックス（Lactococcus）、エンテロコックス（Enterococcus）、ペディオコックス（Pediococcus）と⼀部のラクトバチルス（Lactobacillus）です。
上記の反応式（2）に⽰したヘテロ乳酸発酵の代謝経路とその主要な代謝中間体は図3の通りです。ヘテロ乳酸発酵は、ホスホグルコン酸経路（別名︓ペントースリン酸回路）の⼀部と解糖系の⼀部を経由するもので、その最⼤の特徴は、図3のキシルロース5-リン酸をアセチルリン酸とグリセルアルデヒド3-リン酸に変換する反応を触媒する酵素ホスホケトラーゼの存在です。発酵乳製品の⽣産に関与するヘテロ乳酸菌としてはロイコノストック（Leuconostoc）と⼀部のラクトバチルス（Lactobacillus）が挙げられます。また、ワインの減酸（リンゴ酸を乳酸に変換）で⾵味改善に寄与するオエノコックス（Oenococcus）もヘテロ乳酸菌です。
ところで、先述の理論的な反応式（1）に従えば、ホモ乳酸発酵の代謝産物は乳酸だけのはずですが、実際には乳酸のほかに、ごく微量のエタノール、酢酸、ギ酸、アセトアルデヒド、ジアセチル、アセトインなどを副⽣します。その⽣成量は菌株や培養条件によって相違します。伝統的なヨーグルトの製造に通常⽤いられる乳酸菌は2種類のホモ型乳酸菌ですが、同じ菌種でも異なる菌株で⽐較しますと、⽣成乳酸量だけでなく、副⽣する微量の発酵⽣産物（アセトアルデヒドなど）の種類や濃度の違いによって、製品の⾵味に差異が⽣じます。そのため、消費者の好みに合った発酵乳製品の製造には適切な菌株の選択が⼤切なことは、前号でも指摘致しました。
ラクトバチルス属は、産業的に有⽤な菌種を多数含む重要な乳酸菌グループですが、上述のように同じ属のなかにホモ型乳酸菌とヘテロ型乳酸菌が混在し、やや複雑です。そのため、第1群の偏性ホモ型、第2群の通性ヘテロ型、第3群の偏性ヘテロ型に分けることがあります。第1群を代表する菌種はラクトバチルス（L.と略記）デルブリュッキー、第2群にはL. カゼイやL. プランタルム、第3群にはL. ブレビスなどが含まれます。通性ヘテロ型のラクトバチルスは図2と図3に⽰した両⽅の乳酸発酵経路を有し、培養条件（糖源の種類や濃度、pH、酸素の存在など）によって代謝に⼤きな変化が起こる場合があります。例えば、L. プランタルムはホモ型乳酸菌に分類されますが、好気的条件やグルコース濃度が著しく低い条件下では、乳酸を酢酸に変換し、ヘテロ乳酸発酵の場合と同じような物質を⽣成することがあります。
なお、上記の反応式（3）に⽰したように、ビフィズス菌（Biﬁdobacterium）は2分⼦のグルコースから最終的に2分⼦の乳酸と3分⼦の酢酸を⽣成します。この代謝経路はビフィズム経路と呼ばれ、図3のヘテロ乳酸発酵とは違って、代謝中間体のアセチルリン酸が酢酸に変換される機構ですが、紙幅の都合でその詳細は割愛します。
2.乳における乳酸菌の糖とクエン酸の代謝

乳における乳酸菌の糖代謝は、基本的には図2あるいは図3に⽰した経路に沿って進⾏します。ただし、乳中に存在する糖質はグルコースではなく、ラクトース（乳糖）であることが⼤きな相違点です。乳酸菌がラクトースをエネルギー源として利⽤するには、まずそれを細胞内に取り込まなければなりませんが、その機構には2つの種類があります。すなわち、ラクトースをそのまま細胞内に取り込むパーミアーゼ系と、ラクトースにリン酸を結合させる過程で細胞内に取り⼊れるホスホトランスフェラーゼ系です。
第1のパーミアーゼ系はラクトバチルス デルブリュッキー 亜種 ブルガリ
クスやストレプトコックス サーモフィルスなどに存在し、ラクトースはパーミアーゼという酵素の働きで細胞内に取り込まれ、β-ガラクトシダーゼの作⽤でグルコースとガラクトースに加⽔分解されたのち、図2のように代謝されて乳酸を⽣じます。ガラクトースの代謝過程は図2には記載されていませんが、ガラクトース→ガラクトース1-リン酸→グルコース1-リン酸→グルコース6-リン酸の順に変化し、あとは図2に⽰した経路の通り代謝が進みます。ただし、ガラクトースを代謝できない乳酸菌はこの糖を細胞外に排出し、⾼分⼦の多糖を⽣成する場合もあります。
ラクトースの第2の取り込み系は、ラクトコックス ラクチスやラクトバチルス カゼイなどに存在する機構で、ラクトースは細胞膜に存在するホスホトランスフェラーゼ系によってリン酸化されると同時に細胞内に取り込まれます。ラクトース6-リン酸はホスホ-β-ガラクトシダーゼと呼ばれる酵素によってグルコースとガラクトース6-リン酸に加⽔分解されます。ガラクトース6-リン酸の代謝経路は図2には省略されていますが、ガラクトース6-リン酸→タガトース6-リン酸→タガトース1,6-⼆リン酸の順に変化し、このタガトース1,6-⼆リン酸が図2のフルクトース1,6-⼆リン酸とまったく同様にジヒドロキシアセトンリン酸とグリセルアルデヒド3-リン酸に変換されます（この経路はタガトース6-リン酸経路と呼ばれています）。
⽇本⼈を含めて東洋⼈の多くは、成⻑して乳を摂取する習慣がなくなると、乳児期には⾼い活性を保っていた⼩腸粘膜のラクトース分解酵素（ラクターゼ、β-ガラクトシダーゼ）の活性が低下ないし喪失します。そのため、⽜乳を⼀度に多量飲むと、消化されなかったラクトースが⼤腸に移⾏して腸内の浸透圧を⾼め、また腸内細菌の異常発酵で⽣じた⽣成物により、腹痛や下痢を起こす場合（乳糖不耐と呼ばれる）があることはよく知られています。しかし、上述のごと
く、はっ酵乳には乳酸菌由来のラクトース分解酵素が含まれているため、乳糖不耐の症状は著しく軽減されます。このように、栄養価の優れた⽜乳を消化・吸収⾯で摂取しやすくするのも、はっ酵乳の有益な機能ということができます。

ところで、発酵乳製品において乳酸菌が⽣成する代表的な⾹気成分は2つの種類に分けられます。すなわち、発酵バターやカテージチーズの特徴的な成分であるジアセチル（CH3-CO-CO-CH3）とヨーグルトや酸乳飲料で重視されるアセトアルデヒド（CH3-CHO）であり、両者のフレーバー特性は⾮常に異なります。アセトアルデヒドは、ほとんどすべての乳酸菌で⽣成が認められています。⼀⽅、ジアセチルはピルビン酸を経由してつくられるのですが、解糖系に由来するピルビン酸は事実上すべて乳酸に変わります。しかし、⽜乳にはクエン酸がかなり多量含まれています（平均約0.17％、範囲0.09〜0.20％）。乳酸菌のなかには、ロイコノストック メセンテロイデス
亜種 クレモリスやラクトコックス ラクチス 亜種 ラクチスの変種ジアセチラクチスなどのようにクエン酸発酵性の菌種があり、クエン酸から効率よくジアセチルを⽣成します。クエン酸からジアセチルに⾄る代謝経路を図4に⽰しました。これは、サワークリーム、発酵バター、カテージチーズなどの製造における独特の⾵味発⽣の⾯から重要な反応です。
3.乳酸菌による乳タンパク質の分解
前号で指摘したように、⽜乳はタンパク質を豊富に含んでいますが、遊離アミノ酸含量がきわめて低いことが特徴です。乳酸菌が乳中で⽣育するためには、細胞外に存在するタンパク質を分解して菌体にとって必須なアミノ酸を細胞に供給しなければなりません。微⽣物の仲間のなかでは乳酸菌のタンパク分解⼒はそれほど強いとは⾔えませんが、乳で⽣育する乳酸菌は必ずタンパク分解活性を具えていて、例えばチーズの熟成過程における好ましい⾵味の発⽣などに重要な役割を演じています。ただし、チーズで苦味をもつペプチドが⽣成・蓄積する事例もあり、この場合は使⽤する乳酸菌スターターの種類や組み合わせを変えるなど、⼯夫が必要となります。
タンパク質分解酵素（プロテアーゼ）は、エンドペプチダーゼ（プロテイナーゼ）とエキソペプチダーゼに⼤別されます。前者はタンパク質に作⽤して、その内部のペプチド結合（-NH-CO-）を加⽔分解し、後者は主としてペプチドの末端部に作⽤して、末端アミノ酸を逐次遊離し、低分⼦ペプチドと遊離アミノ酸を⽣じます。細胞外に存在するタンパク質（カゼインなど）を分解して利⽤するため、乳酸菌のプロテアーゼ・システムは、図5のごとく、主として細胞表層に存在し、タンパク質→⼤きなペプチド→オリゴペプチド（アミノ酸残基数が10個程度以下の短いペプチド）→トリペプチド（アミノ酸残基3個）→ジペプチド（同2個）→アミノ酸の順に分解します。また、それぞれの⽣成物を細胞内に効率よく取り込む輸送システムが細胞膜に存在することも確かめられています（図5参照）。
さらに、はっ酵乳において乳酸菌がタンパク質に作⽤し、その結果保健効果をもつ物質が⽣成する可能性があります。例えば、ラクトバチルス ヘルベティクスで発酵した酸乳には⾎圧降下作⽤が認められますが、これはβカゼインからこの乳酸菌のプロテイナーゼやペプチダーゼの作⽤で⽣成されるトリペプチド（Val-Pro-Pro、Ile-Pro-Pro）がアンジオテンシン変換酵素（強⼒な昇圧物質であるアンジオテンシンⅡの⽣成を触媒する酵素）を阻害する活性を有するためです。アンジオテンシン変換酵素阻害剤は、臨床⾯で使⽤され本態性⾼⾎圧患者に有効であることが既に明らかになっているた
め、上記のような発酵⾷品に⽣じる降圧性ペプチドの探索は各⽅⾯で⾏われています。

4.乳酸菌の⽣成する細胞外多糖乳酸菌の⽣成する糖質で⼯業的に⽣産されているものの代表はデキストランです。昔から砂糖製造⼯業において、絞った糖液の粘度が異常に⾼まる事故が関係者を悩ませてきました。この原因菌はロイコノストック メセンテ
ロイデスと呼ばれる乳酸菌で、粘質物の本体は多数のグルコースが結合した多糖（α-1,6-グルカン）でした。デキストランの部分加⽔分解物は⾎漿増量剤として⼤変役に⽴ち、またデキストランを化学的に架橋して不溶化したものはセファデックスの商品名で⽣化学的ゲル濾過材として広く利⽤されています。
多糖は、同⼀種類の単糖から構成されるホモ多糖と、構成糖が異種なヘテロ多糖に分けられます。ホモ多糖としては、上述のデキストランのほか、ラクトバチルス属やペディオコックス属にもα-またはβ-グルカンを⽣成する菌があります。また、グルコース、ガラクトース、ラムノース、N-アセチ
ルグルコサミンなどから構成されるヘテロ多糖を⽣成する乳酸菌も多数知られています。
フィンランドやスウェーデンで製造される粘質酸乳ではラクトコックス
ラクチスが細胞外多糖を⽣成し、ヨーグルト⽤のストレプトコックス サー
モフィルスにもヘテロ多糖を⽣成する菌株があります。また、ケフィール（乳酸発酵とともに酵⺟によるアルコール発酵が関与するはっ酵乳）の製造に⽤いるケフィール粒に含まれるラクトバチルス ケフィラノファシエンスも、ケフィランと名づけられた多糖を⽣成します。
乳酸菌の⽣成する多糖には、抗腫瘍効果や免疫賦活作⽤が認められているものがあり、現在活発な研究が進められています。
5.乳酸菌が⽣成する抗菌性物質
⼀般に⾷品の保蔵には加熱、⽔分活性やpHの調整、真空あるいはガス置換包装、低温の利⽤、保存料の添加など、各種の⼿法が⽤いられます。近年
は⾷⽣活の質的な向上に伴って、できるだけ素材の特徴を⽣かした、ナチュラルで新鮮感覚の⾷品を求める傾向が強まってきました。そのために、不必要な加熱を避けるとか、できれば保存料の代わりに、「⼈々が⻑年にわたり⾷品として、あるいは⾷品とともに、何らの害作⽤もなしに⾷べてきた植物、動物あるいは微⽣物起源の抗菌性物質」（バイオプリザバティブ）を効果的に活⽤しようとする⾷品保蔵技術、すなわちバイオプリザベーション（biopreservation）に強い関⼼が集まっています。
バイオプリザバティブの定義に当てはまる物質として、酢酸などの有機酸、エタノールなどのアルコール類、抗菌性タンパク質（卵⽩リゾチームなど）、⾹⾟料成分などが直ぐ思い浮かびますが、伝統的な⾷品加⼯・貯蔵技術において発揮された乳酸菌の働きは特に重要なものです。
乳酸菌が他の微⽣物に対して発揮する抑制効果として第⼀に挙げるべきものは、乳酸の⽣成とそれに伴うpHの低下です。⾷中毒細菌の多くは、⾷品のpHが5以下であれば⽣育しないか、あるいは⽣育してもその増殖速度は微々たるものとなり、⼀般にpH4以下では病原細菌の⽣育はまったく起こりません。
微⽣物の⽣育に対する酸の阻⽌作⽤は⽔素イオン濃度に依存することはもちろんですが、同じpHの場合は塩酸などの無機酸よりも、乳酸や酢酸のような有機酸の⽅が阻⽌効果が強いことが知られています。すなわち、酸による微⽣物⽣育の阻⽌作⽤は、⽔素イオンだけでなく、陰イオンあるいは酸の⾮解離分⼦も関与し、多くの場合酢酸は乳酸よりもさらに強い効果を発揮します。ビフィズス菌は乳酸とほぼ等量の酢酸を⽣成することは前に述べましたが、腸管内でビフィズス菌を優勢にし、活発に代謝させることは、有害な微⽣物を抑えて腸内環境を改善するために役⽴ちます。
乳酸菌の⽣成する抗菌性物質として、乳酸のほかに、副⽣する少量の揮発性脂肪酸（酢酸、ギ酸）、過酸化⽔素、β-ヒドロキシプロピオンアルデヒド（ロイテリン）など、⼀群の低分⼦化合物が挙げられます。ジアセチルやアセトアルデヒドなどの⾹気成分にも抗菌性がありますが、有効濃度は数百ppm以上とされ、実際問題として単独で抗菌作⽤の主役となるとは考えられません。乳酸菌はカタラーゼをもたない菌群であるため、過酸化⽔素はかなり多量蓄積します。⼀般にラクトバチルス属には過酸化⽔素⽣成能の⾼い菌株が多いといわれています。例えば、冷蔵⾷品中にラクトバチルスやペディオコックスを接種しておくと、pHの低下なしに低温性腐敗細菌の⽣育が効果的に抑制されますが、この場合は過酸化⽔素が関与した可能性が⾼いと推定されています。
最近特に注⽬されているのは乳酸菌のバクテリオシンです。バクテリオシンは、細菌が⽣産する⼀種の抗菌物質ですが、本体がタンパク性の⾼分⼦物質で、⼀般に抗菌スペクトルが狭く、その⽣産性がプラスミド（染⾊体外性遺伝体）⽀配である点で、通常の抗⽣物質とは異なります。乳酸菌の⽣成するバクテリオシンにはいくつかの種類がありますが、その⼀部に抗菌スペクトルが⽐較的広いものが存在します。
ナイシンはラクトコックス ラクチス 亜種 ラクチスが⽣成するバクテリオシンで、34アミノ酸残基より成る分⼦量約3,500のペプチドであり、通常2〜4量体で作⽤します。活性型分⼦にランチオニン［S-（2-アミノ-2カルボキシエチル）-L-システイン］、β-メチルランチオニン、デヒドロアラニ

ン、デヒドロブチリンが含まれることが特徴です。英国のナイシンAはチーズスターター、⽇本のナイシンZは糠床から分離された同じ菌種の乳酸菌から発⾒されたものです。ナイシンAとZは、アミノ酸組成が1ヵ所異なります
が、抗菌活性には差がありません。ナイシンは医療⽤に使われておらず、消化管内でキモトリプシンによって分解され、バクテリオシンのなかでアメリカ⾷品医薬品局がGRAS（Generally Recognized As Safe＝胡椒、塩、砂糖、⾷酢など⾷習慣のある天然物の分類）として認められている唯⼀の物質であり、FAOとWHOとの合同⾷品添加物専⾨家会議もA1ランクに分類しています。
ナイシンはグラム陽性菌全般に抗菌作⽤を⽰し、チーズ、ハム・ソーセージ、⽸詰などの保存料として世界中で60カ国近くの国・地域で利⽤が認められています。わが国では未だ使⽤が承認されていませんが、バチルス（Bacillus）属やクロストリジウム（Clostridium）属の耐熱性芽胞に対する阻害効果は⾷品⼯業全般にわたって有⽤と考えられます。
現在、世界的に⾒て乳酸菌のバクテリオシンに関する研究は⾮常に盛んであり、100種類以上が報告されていますが、実⽤的にはナイシンに勝るバクテリオシンは未だ⾒出されていません。
（次号に続く）