〔生物工学会誌第 84 巻

総合論文

第2号

61–66．2006〕平成17 年度 技術賞 受賞

ブランチングエンザイムの実用化と高度分岐環状デキストリン（クラスター デキストリン TM）の開発
高田 洋樹 1a・小島 岩夫 1b・田治襄 2c・鈴木 裕治 3d・山本 幹男 4eIndustrial Production of Branching Enzyme and Its Application
to Production of Highly Branched Cyclic Dextrin(Cluster DextrinTM)
HIROKI TAKATA1, IWAO KOJIMA1, NOBORU TAJI2, YUJI SUZUKI3,and MIKIO YAMAMOTO4 (Biochemical Research Laboratory, Ezaki
Glico Co., Ltd., 4-6-5 Utajima, Nishiyodogawa-ku, Osaka 555-85021; KTB Consulting, 3-10-10
Sakura, Minoh, Osaka 562-00412; Process Engineering Division, Nagase ChemteX Corporation, 1-52
Osadano-cho, Fukuchiyama, Kyoto 620-0853 3; Research Institute, Nihon Shokuhin Kako Co., Ltd., 30Tajima, Fuji, Shizuoka 417-85304) Seibutsu-kogaku 84: 61-66, 2006.
Starch is a mixture of two distinct polymers, amylose and amylopectin. Amylose is an essentially linear
glucose polymer of which the glucosyl units are connected by α-1,4-glucosidic linkages. Amylopectin on
the other hand is a branched polymer composed of short amylose chains connected together with α-1,6linkages to form a characteristic cluster structure. Starch is often processed using enzymes to produce
glucose, maltose, maltooligosaccharides, maltodextrin, or dextrin, which have been used in various
industries including the food, pharmaceutical, paper, textile, cosmetics, and chemical sectors. Theenzymes used in the relevant processes have mainly been hydrolytic enzymes such as α-amylase. We havefocused instead on the potential of transferases as starch-processing enzymes, and in 1993 started
development of branching enzyme, a member of the transferase group. Branching enzyme (BE, EC2.4.1.18) is involved in the formation of branch linkages (α-1,6 linkages) of starch and glycogen in vivo. In
the course of studies of BE action on amylopectin, however, we found that BE acts mainly on the innerchains connecting the cluster units of amylopectin. This reaction results in cyclization of the inner chainsand degradation of amylopectin to large cyclic glucans with a limited molecular size (highly branchedcyclic dextrin, HBCD). The productivity of the original BE strain was improved several thousand-foldthrough mutagenesis and optimization of culture conditions. Scale-up of cultivation was also achieved.
After researching an industrial-scale production process for HBCD, it was launched on the Japanesemarket in 2002 as a food material with the trade name of Cluster DextrinTM. Cluster Dextrin is used,among other applications, for improvement of taste, as a component of sports drinks, and as a spraydrying aid.
［Key words: branching enzyme, dextrin, Bacillus stearothermophilus, scale-up］

著者紹介 1 江崎グリコ株式会社生物化学研究所 E-mail: takata-hiroki@glico.co.jp
2KTB コンサルティング（元ナガセ生化学工業株式会社），3 ナガセケムテックス株式会社生産本部，4 日本食品化工株式会社研究所

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はじめにするグルカン鎖転移酵素であり，生体内ではデンプンやグリコーゲンの α-1,6- グルコシド結合（分岐結合）合成

デンプンは，グルコースが α-1,4グルコシド結合によりに 関 与 し て い る．In vitro で の 反 応 を 調 べ た と こ ろ，おおむね直鎖状に結合したアミロースと，短いアミロー

Bacillus stearothermophilus 由来の BE は，もっぱらアミロスが α-1,6 結合を介して多数結合した高分岐多糖であるペクチンのクラスター構造の継ぎ目部分に作用し，これアミロペクチンからなる．アミロペクチンは，図 1 に示を環状化する反応を触媒した（図 1）3,4）．この作用によすような房状構造（クラスター構造）が多数連結されたり得られる，分子量 3 万から 100 万のデキストリンを高巨大分子である ．アミロースとアミロペクチンの存在度分岐環状デキストリンと名づけた．クラスター デキス

比やアミロペクチンの分岐構造は，植物種により違いがトリンは，高度分岐環状デキストリンを90％程度含有しあるため，デンプンの物性や特徴は由来する植物ごとにており，通常のデキストリンと比較して，1)異なっており，その用途に応じて使い分けられている．

1）分子量分布が狭い（図 2）．

さらにデンプンは用途に応じ，化学的，物理的，あるい

2）水によく溶け，その溶液は安定性がきわめて高いは酵素的に加工されている．酵素加工には，これまで主としてアミラーゼなどの加水分解酵素が利用されており，グルコース，マルトース，マルトオリゴ糖，デキストリンなど，種々のデンプン分解物が製造されてい（図 3）．
3）デンプンに由来する雑味や粉臭が少なく，オリゴ糖に由来する甘味も少ない．
4）浸透圧が低い（10％（w/v）溶液での測定例：9mOsm．

る．これらのうち，デキストリンは，粉あめ（DE 20 ～DE16デキストリンの 10％（w/v）溶液での測定例：40 程度），マルトデキストリン（DE 10 ～ 20 程度），デキ117mOsm．
）9)ストリン（DE 10 以下）と細分類されることもあり，食品産業において固形分調節，甘味の調節，ボディー感の付与，あるいは粉末化基剤などとして，さまざまな目的に広く利用されている 2)．（なお，DE は dextrose equivalentの略であり，デンプンの糖化率を示す数値である．
直接還元糖〈グルコースとして算出〉/ 全固形分× 100 の式で算出する．
）しかしながら，特に低分解度のものについては，溶解性の低さ，冷蔵や冷凍融解時の老化による白濁や沈殿，あるいは粉臭などの問題点もある．
クラスター デキストリン TM は，ほぼアミロペクチンのみからなるモチ種トウモロコシのデンプン（ワキシーコ ー ン ス タ ー チ）を ブ ラ ン チ ン グ エ ン ザ イ ム（EC
2.4.1.18 以下，BE と略）により加工して得られる食品用

図2．各種デキストリンの分子量分布の比較

デキストリンである．BE は，動植物，微生物に広く分布

図 1．アミロペクチンの構造とブランチングエンザイム（BE）の作用（模式図）．水平線および曲線：α-1,4-グルコシド結合で連結されたグルカン鎖（個々のグルコース残基は省略）．矢印，α-1,6-グルコシド結合；白三角，BEの作用点．

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図 3．各種デキストリンの溶液安定性．5 重量％の溶液を調製し，−20°C で凍結，室温で解凍のサイクルを 3 回繰り返した．クラスター デキストリン溶液は透明状態を維持したのに対し，他のデキストリンは白濁している．

生物工学

第84巻

という性質を有している．に示すような，高度に分岐した環状糖質が生成しているクラスター デキストリンの開発は，江崎グリコ（株），ことが分かった 5,6）．すなわち，BE はクラスター構造のナガセケムテックス（株），日本食品化工（株）の 3 社共

継ぎ目にもっぱら作用し，これを環状化することにより同により行い，2002 年より市販を開始した．スポーツドアミロペクチンを低分子化していたのである．偶然からリンクの成分，粉末化基剤，味質改良剤などとして高い生まれたクラスター デキストリンであったが，先述のよ評価を得，その売上げは順調に伸びつつある．本稿では，うな有用な性質が見いだされたことから工業化の検討をクラスター デキストリン発見の経緯，大量製造方法確立はじめた．の経緯について述べると共に，クラスター デキストリン

ブランチングエンザイムの大量製造方法開発の機能と利用例についても簡単に紹介する．実際の製造条件などについては，企業秘密に該当する部分が多々あ

元菌株 B. stearothermophilus TRBE14 株の BE 生産性はり，詳細を記すことができない．ご了解の上，ご容赦い非常に低かった．計算では 1 トンの培養液から得られるただきたい．

酵素では，2.5 kg のクラスター デキストリンしか作れない．酵素作用の検討に用いた組換え株の活性もその数 10

クラスター デキストリンの発見倍にすぎなかった．したがって，まず菌株の改良が必須

江崎グリコはその社名をグリコーゲンからとっていであった．

る．グリコーゲンは動物や微生物の貯蔵多糖であり，デ菌株改良法としては，伝統的な突然変異誘発法と遺伝ンプンと同様化学的には α-1,4/1,6 グルカンである．しか子組換え技術を用いる方法がある．開発当時，組換え技し，アミロペクチンに比べ約 2 倍の分岐を持ち，全体と術の食品への利用が受け入れられるには，相当な時間がして球状の構造をとっているといわれる．私達は，以前かかると考えた．そこで，手間と時間がかかることは予よりこの多糖には興味を持っていた．特に，BE がアミロ想されたものの，突然変異誘発法を用いることに決定しペクチンとグリコーゲンの差の鍵となる酵素であると考た．

え注目していた．そこで，土壌より BE 生産好熱性菌を変異原としてニトロソグアニジン，またはエチルメタ分離するところから研究を開始した．最終的に選択したンスルホン酸を用い，定法により変異処理を行った．プ

TRBE14 株は Bacillus stearothermophilusと同定された ．

レートアッセイ法の開発はできなかったため，コロニー

5）転移酵素の作用検討には，微量のアミラーゼなど加水を 1 個ずつ試験管で培養し，力価を検定する方法をとっ分解酵素の存在が大きな影響を与える．そこで，まず BEた．得られた高活性株を次の変異処理にかけていった．

構造遺伝子のクローニングと，遺伝子発現系の構築をこのような処理を 200 回近く繰り返し，最終的に約 5000行った ．得られた精製 BE をアミロペクチンに作用させ倍に活性の上昇した株を得ることができた（図5）．得ら

5）たところ，急激な粘度低下が観察された（図 4） ．当初れた株は胞子形成能を失っており，生育温度範囲，pHは，狙い通りグリコーゲン様の多糖が合成されたのでは．し範囲も変わるなど大幅に性質が変わっていた（表 1）ないかと考えた．しかし，詳細な構造分析の結果，図 1

かし，クラスター デキストリン製造に邪魔となる酵素

図4．ブランチングエンザイム（BE）によるアミロペクチンの粘度低下．10 g のワキシーコーンスターチを 20 ml の緩衝液中で加熱し糊化した．ここに緩衝液（左）または BE 液（右）を添加し，50°Cで16時間静置し，粘度を観察した．BE の作用により粘度が大幅に低下し，液状となった．

図 5．変異誘発処理によるブランチングエンザイム生産性の改良．開発途中の代表的な変異株の BE 生産性（試験管培養）をプロットした．

6）

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表1．選択した変異株の性質

形態
グラム染色

親株

変異株

桿菌

桿菌＋＋＋（楕円形）－カタラーゼ－－嫌気下での生育－－

ゼラチン分解性＋－カゼイン分解性＋－デンプン分解性＋＋pH6.8 での生育＋＋

胞子pH5.7 での生育－＋硝酸塩の還元＋＋

図7．クラスター デキストリンの製造工程概略

5％ NaCl 存在下での生育－＋40°C での生育＋－50°C での生育＋＋現することは，撹拌速度の変更だけでは難しく，培養温60°C での生育＋＋度や通気量を総合的に調整して，最適な培養条件を設定

65°C での生育＋－することができた．

GC 含量48％48％

ことが分かった．この狭い培養条件を実製造レベルで実クラスター デキストリンの大量製造方法開発
図 7 にクラスター デキストリンの製造工程概略を示す．この工程は通常のデキストリン製造工程と基本的には同じであり，大きな設備投資は不要であった．しかしながら，酵素の使用条件，反応条件，生成物の精製工程など，ほとんどの工程で最適化のための調整が必要であった．
クラスター デキストリンの機能と利用

図 6．3 l ジャーを用いた培養条件の検討．培地，培養温度，通気量などの諸条件を固定し，撹拌速度を変化させて培養を行った．それぞれにおける最高の濁度（660 nm）と活性をプロットした．●，相対 OD660；○，活性．

先述のようにクラスター デキストリンは通常のデキストリンと比較して異味異臭が少なく，水溶性が高く，かつその溶液の安定性も高い．また，低分子糖質が少ないため，低甘味で着色しにくく浸透圧が低い．以上の特（α-アミラーゼなど）の増加は起こっていない株を選択す徴は飲料への利用に適していることを示している．さらることができた．このことは，以降の BE 製造工程検討に，本デキストリンには持久力増強効果があることが示においても重要であった．すなわち，複雑な精製工程をされている．すなわち，クラスター デキストリンまたは要することなく，クラスター デキストリン製造が可能なグルコースをそれぞれ同量溶解した溶液をマウスに投与BE 製剤を得ることが可能となった．

した後，流水プールで泳がせて限界遊泳時間を測定した

変異株の取得と並行して培地の検討，ジャーによる培結果，クラスター デキストリンを投与したマウスは，グ養条件の検討，培養スケールアップの検討も進めた．数

ルコース投与に比べて限界遊泳時間は約 2 割伸びること

トンレベルまでのスケールアップは比較的順調に行うこが示されている 7)．またビタミンやミネラルを添加してとができたが，実製造レベル（数 10 トン）では非常に活も，適度な浸透圧に調整しやすいため，胃から腸への移性が低くなってしまうという問題が起こった．そこで再行が早く，胃もたれのしにくい飲料を設計できる 8,9)．こび 3 ～ 5 l ジャーの規模に戻って検討を行った．図 6 は，れらの性質を利用して，江崎グリコでは，クラスター デその一例であり培地，培養温度，通気量などを固定し，キストリンを高濃度に配合したスポーツ飲料（CCD ドリ撹拌速度を変化させた実験結果である．この図から明らンク）を開発した（図8）．野球，レスリング，トライア

かなように，最適な撹拌速度の幅は 10 rpm ほどしかない

スロンなどのプロを含むトップアスリートやスポーツ愛64

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図8．クラスター デキストリンを利用したスポーツドリンク

図9．クラスター デキストリンによる味質改良効果．市販の茶カテキン製剤0.13％を純水に溶解し，1 または3％になるように各糖質を溶解し，味覚センサー（（株）インテリジェントセン
サーテクノロジー社製）により，渋味を測定した（スコアが小さいほど渋味が低い）．渋味スコア 1 目盛りはウェーバー比 20％に相当する．なお，ウェーバー比20％とは人間が識別可能な限界濃度差を意味する．○，クラスターデキストリン；△，通常デキストリン．

好家の方々に好評を頂いている．
また，クラスター デキストリンは通常のデキストリン

デキストリンは，その疎水性空洞部分に低分子物質を包と比較して，粉末化基剤としてすぐれていることが分接することにより味質改良効果を発揮する．しかし，シかった．たとえば油脂の粉末化基剤として用いた場合，クロデキストリンは，場合によっては包接能が強すぎ高油脂含量の粉末を調製可能であり，得られた粉末油脂て，食品の好ましい風味まで抑えてしまうことがある．

は粉体流動性が高く，褐変やブロッキングをおこしにく

クラスター デキストリンは，溶液中での安定性が高く，く，かつ水への分散性も高いという良好な性質を持って粉っぽさを感じにくいこと，デキストリン特有の粉臭ないた 10)．さらに，油脂の酸化安定性を高める効果もあっ

どの異味異臭も持たないという利点があり，適切に使用た．また，香料の粉末化に用いたところ，保存後も香気いただくことにより各種食品の味質を改良し，まとまりの保持率の高い粉末を調製することができた．以上の性の良い飲食品を作ることが可能となる 12)．

質は，クラスター デキストリンが乾燥しやすく，吸湿しおわりににくいこと，高い皮膜形成能を持つこと，分子量分布が狭く低分子オリゴ糖や高分子成分が少ないことによる複合的な効果であると考えられる．

クラスター デキストリンは，従来のデキストリンの持つ溶解性の低さ，冷蔵や冷凍融解時の老化による白濁や最後に，クラスター デキストリンの味質改良効果につ沈殿，あるいは粉臭などの問題点を改良した特性を持ついて紹介する．本デキストリンは食品の酸味，苦味，甘安全な食品素材である．これまでに，スポーツ生理学的味などをマイルドにする効果を持っている．たとえば，な機能，呈味や風味，テクスチャー改善といった機能や，強度の酸味は「酢かど」と言った言葉で表されるように，粉末化基材としての良好な特性などが見いだされてきかどがあり，不快味として感じられる場合があるが，クた．これらの機能は，さらに新しい飲食品への応用や食ラスター デキストリンは pH を変化させずに酸味を抑え品のみならず，医薬化粧品，工業素材に対する幅広い可る効果を有する．たとえば，酸味飲料に 0.5 ～ 3％程度添能性を提供してくれるものと考えている．また，BE はク加した場合，酸味が抑えられてまろやかになり，飲みやラスター デキストリン製造以外にも大きなポテンシャ．まルを持った酵素であると考えている．さらに利用法の検すくなったということが官能評価により示された

11)

た，茶カテキンの渋味を軽減する効果があることが，官討を進めていきたい．

能評価および味覚センサーを用いた評価により示された（図 9）．これらの効果は，BE の高い特異性により，クラスター デキストリンが比較的長い外部鎖を有するためと考えられる．すなわち，クラスター デキストリンの外部鎖が溶液中でらせん構造をとり，その中に低分子物質をとりこむためと推定している．
このような味質改良効果は，重合度 6 ～ 8 のシクロデキストリンにおいてよく知られている．すなわち，シクロ
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クラスター デキストリンの開発において，終始ご指導を頂きました京都大学大学院工学研究科教授 今中忠行先生に深く感謝申し上げます．また，ご指導を頂きました北陸先端科学技術大学院大学教授 高木昌宏先生，鹿児島大学名誉教授 故 檜作進先生，大阪府立大学農学研究科教授 北村進一先生に深く感謝いたします．クラスター デキストリンの機能性研究においてご指導を頂きました京都大学大学院農学研究科教授 伏木 亨先生，同教授 松村康生先生に深く御礼申し上げます．本技術賞

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は，個人にというよりも技術開発チーム全体に対して頂いたものと認識しております．江崎グリコ（株）前取締役生物化学研究所長 岡田茂孝博士，生物化学研究所長 栗木 隆博士，鷹羽武史博士，中央研究所長 米谷 俊博士，滝井 寛博士，新素材営業G 芳川憲司博士，谷本秀典氏，日本食品化工（株）中久喜
輝夫博士，中村信之博士，小川浩一博士，海野剛裕博士，住吉秀幸氏，藤本佳則氏，ナガセケムテックス（株）橘 佳永氏，内田和男氏，田中朋子氏，田中悟広氏，劉 暁麗博士をはじめとする本プロジェクトに貢献されたすべての方々とこの栄誉を分かち合いたいと考えます．

文6)

7)

8)
9)

献10)

1) 檜作 進：澱粉科学 , 40, 133–147 (1993).
2) 高橋禮治：でん粉製品の知識，p.97, 幸書房 (1996).
3) Takata, H., Takaha, T., Okada, S., Takagi, M., andImanaka, T.: J. Bacteriol., 178, 1600–1606 (1996).
4) Takata, H., Takaha, T., Okada, S., Hizukuri, S., Takagi,M., and Imanaka, T.: Carbohydr. Res., 295, 91–101 (1996).
5) Takata, H., Takaha, T., Kuriki, T., Okada, S., Takagi, M.,

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11)

12)

and Imanaka, T.: Appl. Environ. Microbiol., 60, 3096–3104 (1994).
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