微生物の産生する
高機能性バイオポリマーの産業応用
Industrial application of the high functional polysaccharide by microorganism production
中部大学 応用生物学部 応用生物化学科教授

倉根隆一郎

Ryuichiro Kurane (Professor)

Chubu University, Department of Biological Chemistry, Applied Microbiology

1. はじめに；「土は宝の山」は本当？

ら遂行していることは当然のことであります。生物多様性「土は宝の山」と言う言葉を聞いて一般の方々はどの利用して商業化した場合には、条約に従い、利益をもたような考え、感じ方を持たれるのでしょうか？ひょっとした

らす微生物がもともと住んでいたその国に利益の相当部

ら、身の周りの「土」が「金」に変わるような“中世の錬金分を支払うことが義務付けられております。そのため、経術”を思い浮かべ、PC の上を情報が走り回っている現済産業省・NEDOによる複合生物系プロジェクト（筆者が代においては、“そんなばかな”と頭から切り捨ててしまわプロジェクトリーダーを務めました）が行われてきました。

れるのではないでしょうか？

条約に従うと、海外での土壌等から分離した微生物をところで、皆さんは土壌 1グラムにどの位の微生物数私ども、応用微生物工学を専攻している者にとってが存在しているかご存知でしょうか？例えば、肥沃な畑は、極めて高い実感と真実性を持っており、まさに本当

土壌 1グラムにはなんと1 億もの微生物が住みついていの言葉であります。例えば、皆さんが抗生物質として使るのです。この途方もない微生物群の中から目的の微用しているカスガマイシンは奈良の春日大社の土から分生物を見つける為には、確かな知恵、工夫と眼が必要離された微生物が生産する抗生物質であるように、多くであると共に女神様の優しい微笑みの幸運に恵まれるの抗生物質、抗真菌剤、各種のアミノ酸、各種の核酸、ことが必要です。

様々な環境汚染物質分解等は土壌等自然界から分離される微生物のなせる業であります。例えば、筑波山麓の土壌から分離された微生物が生産する医薬品で年102. 女神様の微笑みに恵まれた有用微生物の産業応用例

商 1,000 億円にのぼる事例があげられます。すなわち、“でん粉”と聞いてだれしも植物を考えると思います。

私ども人間の健康と環境を守っているものが、土壌など微生物がまさか“でん粉”を生産するとは考えつかないと自然界から分離された微生物が基になっているのです。

思います。カイコが繭として絹蛋白を生産するように、あまた、企業にも莫大な利益をもたらしております。

る種の微生物も菌体の外に“でん粉”を生産してきます。

このような背景のもと、微生物に携わる多くの研究者

この微生物でん粉はわずかスプーン1 杯（1グラム）で実は新たな微生物資源を求めて、生物多様性が豊富なアに最高で自重の 2,000 倍すなわち 2リットルの水を吸水

マゾンの奥地、東南アジアなどの熱帯雨林、温度差を求保水する性能を有しております。この微生物でん粉は国めて極寒の南極大陸、北極やツンドラ地帯、灼熱の火内では大手化粧品メーカーによって保湿剤として実用山地帯、高低差を求めてヒマラヤへと土壌採取に出か化商品化され、さらに海外においては世界第 2 位及びけてきました。勿論、生物多様性条約が国際条約として第 4 位の化粧品メーカーにより欧米にて商品化されてお発効している今日においては、これらの微生物資源が存り、世界の先進諸国のご婦人、ご令嬢など多くの方々に在している国々とMOUなどの覚書をきちんと締結してか使って頂いておりますと共に、海外旅行をされる方々はTHE CHEMICAL TIMES

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微生物の産生する高機能性バイオポリマーの産業応用

空港等免税店にて購入して頂いていると思われます。
本 稿では「微 生 物の産 生する高 機 能 性バイオポリマーの産業応用」について以下に記すことに致します。

③Alcaligenes latus B-16 株の生産する新規な吸水保水性バイオポリマー
ライフスタイルの変化と共に、種々様々な使い捨て紙オムツや衛生用品が汎用されてきており、これらに人工

3. 微生物が生産する高機能性吸水保水性バイオポリマー①はじめにの合成高分子吸水剤が使用されている。これら合成高分子吸水剤はコストパフォーマンスが良く高い吸水率を示すが、しかしながら、使い捨てであるが故に環境中で21 世紀型産業を考える時に、産業の持続的発展とは容易には分解されず長期間留まり、かつこれらの合環 境との調 和が大きな問 題となってきます。その為に成高分子吸水剤の重合用モノマーはアクリル酸又はアは、新しい工業的アプローチが必要不可欠であり、21クリルアミドであるアクリル酸は人体に強いかゆみを生ず

世紀の産業を考えるとき、製造時・廃棄後に発生するる恐れがあり（Merck Indexより）、またアクリルアミドは神汚染物質を未来の子孫に付け残すのではなく、現時点経毒（Merck Indexより）と共に人体に強い発ガン性を示で処理・浄化することは当然のこととして、同時にそのす 1）2）。このように生態系への影響を解決するために、発生を事前に防止・予防することに発想自体を広げな生分解性があり人と環境に優しい吸水保水機能を持ければならないと考えられます。

つ代替品の開発が求められていた。

すなわち、人と環境に優しくかつ高機能性の製品を開発することにより、汚染の発生を事前に防止すること（1）吸水能（プリベンション）に産業構造を切り替える必要がありま

後述の培地で Alcaligenes latus B-16 株を培養するとす。生分解性を持ち、安全で人と環境に優しく、かつ各多量のバイオポリマーを菌体外に生産してくる。このバイ種の優れた高機能性を有する環境調和型次世代 ｢ 高オポリマーを電気泳動的に均一にまで精製した。この精機能バイオポリマー｣ の開発は多方面より期待されてお製バイオポリマーを用いて、いわゆるティーバック法にてります。例えば、カイコが絹蛋白というすばらしい機能性吸水能力を調べたところTable 1に示すように、本精製素材を体外に生産するように、微生物もさまざまなバイオバイオポリマーは自重の 1,300 倍（最高値：自重の 2,000ポリマーを菌体外に生産しています。
「人と環境に優し倍の水を吸水）の水を吸水する高い能力を示した。こい ｣という視点からバイオポリマーをバイオ新素材（バイの値は汎用合成高分子吸水剤の約 4〜5 倍の吸水能オニューマテリアル）として捉え、環境調和型の微生物力を持つことを示している。

が生産する高機能バイオポリマーの実用化への道を切り開く事を目的として研究開発を開始しました。
本技術的特徴は、自然界で水と炭酸ガスにまで完全に分解される生分解性を持ち、安全で各種の優れた高機能性、すなわち既存の合成吸水剤をはるかに凌駕する性能を有する次世代型の吸水保水性バイオポリマーの微生物生産とその実用化に関するものです。以下に概説します。
②吸水保水性バイオポリマー生産菌
菌体外にバイオポリマーを生産することを指標として、土壌よりの分離株をスクリーニングした結果、B-16 株と名付けた細菌が吸水保水性バイオポリマーを最も良く生産することを見出した。本細菌はグラム陰性細菌でAlcaligenes latusと同定された。

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（2）保水能

食塩水中でも自重の約 500 倍の水を吸水する能力を示

3 つの異なる相対湿度、64.8%, 34%, 33%（いずれもし、汎用合成高分子吸水剤の 20 倍近い能力を持って20℃ 室温下）において本精製バイオポリマーがどの程いた。この 500 倍という値は合成高分子吸水剤の真水度保水能力を有しているかを合成高分子吸水剤等とにおける吸水量の約 2 倍の値である。

比較検討した。その結果、例えば、Fig. 1に示すように、相対湿度 33% の乾燥条件下に 24 時間放置しても保水率 80％以上を保持していた。一方、合成吸水剤等は乾（4）Alcaligenes latus B-16 株の生産する吸水保水性バイオポリマーの培養条件と精製燥条件下にての保水性は低い。このように Alcaligenes

本吸水保水性バイオポリマーの生産には、炭素源としlatus B-16 株が菌体外に生産してくる本バイオポリマーてグルコース、シュークロース、キシロース、フラクトース、は冬の乾燥下においても保水性が極めて優れているこ

ラムノース、セロビオースが好ましく、リンの濃度はリン酸ととが判明した。

して 0.03%〜0.6%、無機窒素源としては尿素が、また有機窒素源等としての酵母エキスの濃度は 0.5% が最も好ましいことが検討の結果判かった。このような結果から
Alcaligenes latusによる本吸水保水性バイオポリマーの生産培地として、1リットル当たり、Sucrose（ 又はGlucose）
10g, K2HPO4 4.5g, KH2PO4 1.5g, MgSO4・7H2O 0.2g,Nacl 0.1g, Urea 1g, Yeast Extract 0.5g（ pH7.2）と決定し、30℃にて 5〜7日間培養生産することとした。以上のような結果より、本菌は本バイオポリマーを培養液 1リットル当たり乾燥重量で 20〜25g 菌体外に生産する。
ところで、Alcaligenes latus が菌体外に生産するバイオポリマーは精製の過程より2 種類存在する事が判明した。その精製工程をFig. 3 に示す。一方は高分子酸（3）食塩存在下での吸水能各濃度の食塩存在下での本精製バイオポリマーの吸水能力をFig. 2に示した。この結果、合成高分子吸水剤が食塩中でその機能を大幅に低下させるのに対し、Alcaligenes latus 由来の本バイオポリマーは 0.9% の12THE CHEMICAL TIMES

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微生物の産生する高機能性バイオポリマーの産業応用性多糖（分子量 ; 約 5×109）であり、他方は低分子中性多糖（分子量 ; 50,000〜100,000）であった。その生産比（5-2）吸水保水性バイオポリマー等の多糖結合様式の決定は高分子酸性多糖が 20に対し低分子中性多糖は 1 に電気泳動的に均一にまで精製した本バイオポリマーすぎない。このうちどちらの多糖が吸水保水性バイオポを用いて、単糖類分析、メチレーション分析、一次元及リマーであるかを調べたところ、高分子酸性多糖が自重

び二次元の 1H 及び 13CNMR 分析と酵素分解を駆使し、の約 1,400 倍の吸水の値を示したことによりAlcaligenes

MALDI-TOF-MSとLC-MS機器分析を行うことによって、latusが生産する吸水保水性バイオポリマーは分子量がその繰り返し構造（リピートユニット）の結合様式を決定5×10 である巨大高分子酸性多糖であることが判明しした。吸水性バイオポリマーは、特定のユニットの繰り返た。この吸水保水性バイオポリマーはFig. 3に示すフローしで構成されており、下記の特定のユニットの繰り返しで精製したところ、電気泳動的に均一であった。

構造を有すると結論された。

（5）Alcaligenes latus の生産する多糖性吸水保水性{→3）-β-D-Glucopyranose-（1→4）-β-D-Glucuronic acid-9

バイオポリマーの構成糖の決定と結合様式の決定（5-1）吸水保水性バイオポリマーの構成糖の決定（1→4）-β-D-Glucopyranose（1→4）-α-L-Rhamnopyranose（1 → }nα-L-Fucopyranose（1 → 3）

電気泳動的に均一にまで精製した本吸水保水性バイオポリマーを2M H2SO4 で 100℃ 2 時間加水分解して5-1 及び 5-2 の結果より、Alcaligenes latusの生産するから、TLC, HP, LC, GC 及び GC-MSにて構成糖を調べ

吸水保水性バイオポリマーは 4 種の糖より構成されておた。一例として HPLCの分析チャートをFig. 4に示した。

り、その主鎖としてはグルコース、ラムノース、グルクロン4 種類の分析結果より、本吸水保水性バイオポリマー酸の 3 種類の糖が結合し、側鎖としてフコースより構成はグルコース、ラムノース、フコース、グルクロン酸の 4 種類されている事が判明した。これら4 種の糖の中で特に注の糖より構成されている多糖類であることを明らかにした。

目されるのはフコースである。フコースは小麦や稲等の各々の構成糖比は、加水分解条件をいろいろとふる

陸上の植物からは見つからず、わずかにヒジキや海草ことにより、グルコース：ラムノース：フコース：グルクロン酸等の海の植物中に検出される極めてめずらしい糖であ=1.8：1.1：1：1とした。

る。吸水保水性バイオポリマーは、合成高分子吸収剤

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がイオン結合の力で水分を取り込んでいるのに対して、特定の繰り返し構造を構成する4 種の糖が、特に手に相当するフコースが水分子をまるで抱きかかえるようにして水を吸水しているものと強く示唆された。
（6）大量工業品の実生産プロセスならびに高純度精製実生産プロセスの開発
酵母エキスは Alcaligenes latus B-16株が吸水保水性バイオポリマーを生産する上で有効な培地成分である。
しかしながら、実規模で大量に実生産プロセスに乗せる上で少なからず問題点を含んでいる。例えば酵母エキ
スそのものに基準品（スタンダード）がなく、かつ工業上（7）実用商品化で大量に使用するには高価格である。これらの問題点（7-1）吸水保水性バイオポリマーの基本的性状を解決するために完全合成培地の検討を行った。酵母実用・商品化を行う上での本吸水保水性バイオポリエキスの代替としてアミノ酸の効果についてTable 2に示

マーの基本的な性状を検討した。本吸水保水性バイオした。Table 2に示すように、数種のアミノ酸の培地へのポリマーはシュウドプラスチック性を示すと共に、温度安添加が、特に価格等を考慮するとGlycineの添加が有定性も極めて優れていた。粘度を指標として各種のポリ効であった。同様に微量なミネラルの効果について検討

マーの温度安定性をFig. 5に示した。Fig. 5に示すようにしたところ鉄イオンの添加が有効であることが示された。

本吸水保水性バイオポリマーは 5℃〜80℃まで完 全に以上のような結果より、完全合成培地として培地 1リット安定であることが示された。さらに、pH 安定性もpH4-12

ル当たり、Glucose 10g, K2HPO4 4.5g, KH2PO4 1.5g, Ureaの範囲で一定である（pH3でゲル化）。塩濃度安定性も1g, FeSO4・7H2O 10mg, Glycine 0.1g, pH7と決定した。

0.025%NaCl 濃度以上でわずかに上昇した後 1%まで

また、吸水保水性バイオポリマーは高い増粘性も示一定の安定性を示すと共に保存安定性も極めて優れす。この増粘性をコントロールする手段としてアルカリ条ており、また、5℃、32℃、50℃の保存下で 4 週間の高い件下での熱処理を試みたところTable 3に示すようにそ安定性を示し、商品の販売における様々な環境条件下の粘性をコントロール出来ることが示された。

にて何ら問題点が無いことが示された。

（7-2）化粧品等への適用による実用・商品化
Alcaligenes latus B-16 株が生産する吸水保水性バイオポリマーの化粧品への実用・商品化はカネボウ化粧品研究所により開発された。化粧品の分野においては14THE CHEMICAL TIMES

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微生物の産生する高機能性バイオポリマーの産業応用

人間の肌にいかに水分を与えてうるおいを与えるかが過ぎない極乾燥条件下においても、十分な水を散水して極めて重要であり、人と環境に優しいバイオポリマーをいる時と同様な発芽割合と成長速度が確認された。微その素材として用途開発がなされ、厚生省（当時）の審生物が産生する吸水保水性バイオポリマーは砂漠緑化査を経て発売され、今日に至るまでその使用量は年々という地球規模での大問題に、もしかしたら寄与できうる増加してきている。最初に発売された新しいタイプのパッ可能性を秘めているものと考えている。すなわち、微生物クと共に現在では化粧水や乳液にも採用されている。まが作り出す吸水保水性バイオポリマーは、4 種類の糖よりた、海外の世界第 2 位および第 4 位の化粧品メーカー構成されている人と環境に優しいバイオポリマーである。にも本吸水保水性バイオポリマーは輸出されている。今土に混ぜてもいずれは生分解されると共に、環境に悪影後とも様々な化粧品の可能性が大きく開けるものと期待響がなく、わずかな水で水分豊かな肥沃な大地を作り出されている。

せる可能性を秘めている。21 世紀が直面する大きなグさらに、工 業 品グレードの本 吸 水 保 水 性バイオポリローバルイシューとして地球全体で進む砂漠化防止にマーがボールペンにも書きやすさと途中で途切れないこ役立つ大きなポテンシャルがある可能性が期待できる。とから採用され販売されている。
【謝（7-3）さらなる可能性を目指して；砂漠の緑化辞】

本吸水保水性バイオポリマーは伯東（株）四日市研

21 世紀をおびやかす地球規模でのグローバルな問究所の野畑靖浩氏と黒宮友美氏との共同研究成果で題として地球温暖化と共に砂漠化の急速な拡大があす。心より感謝の念を示します。また、吸水保水性バイオる。国連等の統計によると、地球全体で毎年 20 年前にポリマーの構成糖結合様式の決定については京都大は 60,000km（ほぼ日本の四国の総面積に匹敵）が、そ学大学院（農学系）東 順一教授に、実生産培養につして今日では砂漠化面積は年々増加し日本の九州の総いては（株）興 人 久 芳 啓 資 氏をはじめ関 係 者の皆 様

面積が砂漠化していると報告されている。に、化粧品の実用化については当時のカネボウ（株）化

2Alcaligenes latus の生産する吸水保水性バイオポリ粧品研究所の大西重樹博士はじめ、さらに多くのご賛マーを砂とわずかに混ぜて保水力を調べてみた。Fig. 6

同者・ご協力者の皆さまに対して、本紙面を借りましてにその結果を示した（Fig. 6 左 20℃、真ん中 45℃、右厚くお礼申し上げます。

70℃）。Fig. 6に示すように他の吸水保水剤と比較して、極少量の添加量で本吸水保水性バイオポリマーの保水力が極めて優れていることが判かる。この基本的な性質を基にして、ホウレン草レベルであるが種子の発芽割合及び苗の成長速度が極めて少量の水を供給しているに

参考文献
1）Vanhorick, M.; and Moens, W. Carcinogenesis, 1983, 4（11）,1459-1463.
2）Dearfield, K. L.; Abermathy, C.O.; Ottley, M. S. Brantner, J. H.;
Hayes, P. F. Mutat. Res. 1988, 195（1）, 45-77.

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