〔生物工学会誌

第 88 巻第3号

114–120．2010〕2009年 生物工学技術賞 受賞

乳酸菌を利用した焼酎蒸留粕の
高付加価値素材への転換プロセスの構築
古田吉史 1*・丸岡 生行 1・中村 彰宏 1
大森 俊郎 1・園元 謙二 2,3Novel conversion processes with lactic acid bacteria
from shochu kasu into valuable materials

Yoshifumi Furuta1*, Naruyuki Maruoka1, Akihiro Nakamura1, Toshiro Omori1, and Kenji
Sonomoto2, 3 (Research Laboratory, Sanwa Shurui, Co., Ltd., 2231-1 Yamamoto, Usa, Oita 879-04951;
Department of Bioscience and Biotechnology, Faculty of Agriculture, Graduate School2; Department of
Functional Metabolic Design, Bio-Architecture Center3, Kyushu University, 6-10-1 Hakozaki, Higashi-ku,
Fukuoka 812-8581) Seibutsu-kogaku 88: 114–120, 2010.

はじめに
近年の焼酎ブームに伴い焼酎製造時に副生する“焼酎蒸留粕”（焼酎粕）の量は急増し，九州・沖縄エリアで年間 80 ～ 90 万トンもの焼酎粕が発生している．焼酎粕は術の開発，ならびに（4）実証設備における生産性の確認と実用化の 4 点に着目し技術開発を行った．本稿では，それらの研究成果と実用化の状況について紹介したい．
大麦焼酎粕からの FBE の作製

水分 90％以上，BOD 値で数万 ppm と高濃度の有機物を

図 1 に示すように，減圧蒸留直後の新鮮な大麦焼酎粕

含むため，その処理はきわめて困難であるとされてきた．

を振動篩（1 mm），スクリュープレスおよびセラミック

近年の国際的な地球環境保全の高まりから，各メーカー

ろ過（0.2 μ m）に供して大麦由来の繊維質，酵母や麹菌は鋭意開発を重ね，焼酎粕の一部は濃縮・乾燥により家体などの固形分残渣を除去し，清澄なエキスである発酵

畜の飼料や肥料 1) あるいは飲料用素材 2) などとしてすでに有効活用されている．しかしながら，その多くは依然として海洋投入などにより産廃処理されている．そのため，焼酎粕をさらに有効活用し，リサイクルを促進する
ための新しいプロセスの構築が望まれている．
今回，焼酎粕の新規用途開発の一環として，著者らは乳酸菌を利用した焼酎粕の高付加価値素材への転換プロ
セスの構築を試みた．本取り組みでは，（1）大麦焼酎粕からの食品グレードの発酵大麦エキス（fermented barley
extract, FBE）の作製とその培地素材としての有効性の評価，（2）FBE 中に含まれる乳酸菌およびビフィズス菌
増殖促進成分の探索，（3）FBE 培地から乳酸菌を用いた有用物質（ナイシン A，γ - アミノ酪酸（GABA））生産技

図1．大麦焼酎粕からの発酵大麦エキス（FBE）の作製法* 著者紹介（代表） 三和酒類株式会社研究所（室長） E-mail: furuta-y@kokuzo.co.jp
1 三和酒類株式会社，2 九州大学農学研究院，3 九州大学バイオアーキテクチャーセンター
写真 上段左より古田，丸岡，中村；下段左より大森，園元．

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生物工学 第88巻

大麦エキス：FBE（Brix 7 ～ 8）を作製した．なお，本稿 のすべての試験にお いて，FBE のエキス分の濃 度（Brix）については，屈折計（Atago PAL-1, Tokyo）を用いて測定した．FBE 中には，アミノ酸・ペプチド・タン
パク質が全体の約 45％（w/dry weight），グリセロールやオリゴ糖などの糖類が約 37％（w/dry weight），クエン酸を中心とする有機酸類が約 11％（w/dry weight）および灰分が約 4％（w/dry weight）含まれていた．
FBE の培地素材としての有効性の評価
先に示したように，FBE には主要な構成成分としてアミノ酸・ペプチド・タンパク質が約 45％，糖類が約 37％含まれているが，糖類については，FBE はエタノール発酵後の残液であるため微生物が資化可能な糖類はほとん
ど含まれていない．そこで本研究では，主に FBE 中に豊富に含まれる窒素源（アミノ酸・ペプチド・タンパク質）に着目し，試薬培地（対照）に含まれる窒素源を等しい

図 2．等しい TN の試薬培地（対照）と FBE 培地における菌体増殖の比較．A，L. fermentum NBRC 3071；B，B. longum JCM
1217T；C，L. lactis subsp. lactis ATCC 11454；D，E. faecalis NCIMB 8275．○，TN 0.23 対照；●，Brix 4.6 FBE (TN 0.23)；△，TN 0.12 対照；▲，Brix 2.3 FBE (TN 0.12)；□，TN 0.06
対照；■，Brix 1.2 FBE (TN 0.06)．

全窒素（TN）量の FBE で置換した場合の培地力価について評価を行った．
培地には，乳酸菌の試薬培地（対照）として，TN がFBE 培地の方が高かった．一方，Lactococcus lactis subsp.

0.23％（w/w）の CMG 培地（1.00％（w/v）yeast extract，lactis ATCC 11454（図 2C）と Enterococcus faecalis NCIMB

1.00％（w/v）polypeptone，0.50％（w/v）NaCl，5.00％

8275（図 2D）の増殖は，等しい 3 点の TN で対照と FBE（w/v）glucose）を，ビフィズス菌の試薬培地（対照）と培地を比較した場合，ほぼ同様の傾向が見られた．すな

して，同じく TN が 0.23％（w/w）の Bifidobacterium 培

わち，FBE 培地では対照と比べて培養初期に増殖が立ち地（1.00％（w/v）casein，0.50％（w/v）meat extract，0.50

遅れたが，培養後期には対照とほぼ等しい菌体量に達し％（w/v）yeast extract，1.00％（w/v）ascorbic acid，0.30

た．

％（w/v）K2HPO4，0.05％（w/v）cysteine hydrochloride，

以上のように，FBE の培地窒素源としての力価を，等0.10％（w/v）Tween 80，1.00％（w/v）glucose）を用い

しい TN で既存の高価な対照の窒素源と比較したとこ

た．また，どちらの対照についても，窒素源のみを2分の

ろ，いずれの菌に関しても FBE は代替可能な優れた培地

1 量および 4 分の 1 量にした TN 0.12％（w/w）CMG 培地

窒素源であることが示された．さらに菌種によっては，とTN 0.06％（w/w）CMG培地，およびTN 0.12％（w/w）

等しい TN の対照に比べて FBE 培地での増殖が顕著に高Bifidobacterium 培地，TN 0.06％（w/w）Bifidobacterium

かったことから，FBE 中には乳酸菌やビフィズス菌に対培地を併せて作製した．一方，FBE を用いた乳酸菌およする何らかの増殖促進成分が存在している可能性が示唆

びビフィズス菌の培地については，対照と TN が等しくされた 3）．そこで次に，FBE 中に含まれる増殖促進因子

なるようにFBEのエキス分濃度を調整したBrix 4.6 FBEの探索を行った．

培地（TN：0.23％（w/w）），Brix 2.3 FBE 培地（TN：
0.12％（w/w））および Brix 1.2 FBE 培地（TN：0.06％（w/w））の 3 種を作製した．なお，窒素源以外のその他の成分については，それぞれの対照と同量・同組成の成分
を FBE 培地に添加した 3)．

FBE 中に含まれる乳酸菌およびビフィズス菌増殖促進因子の探索
図 3に FBE の分画法を示した．Brix 8の FBE 原液をエ
バポレーターによりBrix 25まで濃縮し，これにエタノー

図2Aに Lactobacillus fermentum NBRC 3071の増殖曲線

ルを終濃度 90％（v/v）となるように添加した．得られた

longum JCM 1217T の増殖曲線を

上清のエタノール溶性画分（ethanol soluble：ES 画分）

を，B に Bifidobacterium

示した．等しい TN の対照と FBE 培地を比較した場合，と沈殿のエタノール不溶性画分（ethanol insoluble：EI

L. fermentum NBRC 3071 と B. longum JCM 1217T のどち

画分）をろ紙ろ過により分け，それぞれの画分を凍結乾らについても，いずれの TN においても明らかに対照と燥した．さらに，EI 画分を蒸留水に再溶解し，その後比べて FBE 培地での増殖が速く，得られた最大菌体量もHPLC 前処理用の Waters 社製 Sep-Pak® Plus C18 カート

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ズス菌の場合には TN 0.23％（w/w）Bifidobacterium 培
地に 1％（w/v）添加して試験管培養を実施したところ，
使用したいずれの乳酸菌（L. lactis subsp. lactis NBRC
12007，L. fermentum NBRC 3071，L. plantarum NBRC
3070）
，ビフィズス菌（B. bifidum JCM 1254，B. longum
JCM 1217T）についても，EI 画分を添加した場合に菌体量が対照に比べて顕著に増大した（表 1）4)．次に，EI 画
分をSep-Pak® Plus C18 カートリッジおよびHPLCゲルろ過に供して得られた 3 つのフラクション（CW1，CW2，
CM）を対照に添加した場合の L. fermentum NBRC 3071

図3．FBEの分画法と B. longum JCM 1217T の増殖に及ぼす影響を調べたと
ころ，どちらの菌株についても，CM にはほとんど増殖
リッジに供して，蒸留水と 50％メタノールで溶出した．

促進効果は見られなかったが，CW1 および CW2 はどち

得られた水溶出画分とメタノール溶出画分を濃縮後，そらの菌株に対しても強い増殖促進効果を示した（表 2）．

れぞれを YMC Pack Diol-60 ゲルろ過カラムを備えたCW1 および CW2 画分には遊離の糖およびアミノ酸はHPLC に供した．254 nm および 450 nm でのモニタリン

含まれていなかったため，酸加水分解後に HPLC 分析に

グ結果を基に，水溶出画分からCW1とCW2フラクション，

よりその組成を調べたところ，CW1 には 94％（w/w）のメタノール溶出画分から CM フラクションを分取した．

オリゴ糖と 6％（w/w）のペプチドが，CW2 には 88％

EI および ES 画分をそれぞれ所定の試薬培地（対照），（w/w）のオリゴ糖と 12％（w/w）のペプチドが含まれて乳酸菌の場合には TN 0.12％（w/w）CMG 培地，ビフィ

いた．また，加熱処理試験（110°C，10 min）ならびに

表1．FBE由来EIおよびES画分の菌体増殖に及ぼす影響
菌体増殖（Absorbance 560 nm）

菌株
L. lactis subsp. lactis NBRC 12007

対照

ES 画分

EI 画分

1.1

0.9

1.4

L. fermentum NBRC 3071

0.9

1.1

3.1

L. plantarum NBRC 3070

1.2

1.3

4.4

B. bifidum JCM 1254

1.5

1.4

2.3

B. longum JCM 1217T

4.6

5.2

6.4

EI および ES 画分を対照（乳酸菌の場合は TN 0.12％（w/w）CMG 培地，ビフィズス菌の場合は TN
0.23％（w/w）Bifidobacterium 培地）に 1.0％（w/v）添加．乳酸菌については 30°C または 37°C で 24
時間振とう（100 strokes/min）培養を行い，ビフィズス菌については 37°C で 48 時間静置培養を行った．

表2．EI画分由来CW1，CW2およびCMフラクションの菌体増殖に及ぼす影響
菌体増殖（Absorbance 560 nm）

サンプル

収量％
（w/w）

EI

100

3.5

6.0

CW1

19

2.6

5.0

L. fermentum NBRC 3071

B. longum JCM 1217T

CW2

11

2.9

5.1

CM

32

1.2

4.4

対照

―

1.0

4.3

1％（w/v）EI 画分に由来する量の CW1，CW2 および CM フラクション（CW1，0.19；CW2，
0.11；CM，0.32％（w/v））を，対照（乳酸菌の場合は TN 0.12％（w/w）CMG 培地，ビフィズス菌の場合は TN 0.23％（w/w）Bifidobacterium 培地）に添加．乳酸菌については 30°C または 37°C
で 24 時間振とう（100 strokes/min）培養を行い，ビフィズス菌については 37°C で 48 時間静置培養を行った．

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生物工学 第88巻

限外ろ過膜を用いた試験結果から，CW1 と CW2 に含まれる増殖促進因子は熱に安定な分子量 3000 以下の低分子物質であると推察された 5)．
以上のような結果から，FBE 中に含まれる乳酸菌・ビフィズス菌の増殖促進に関与する成分としてオリゴ糖又はペプチドが考えられる．FBE と同じ原料の大麦に由来するものとして，麦芽エキス由来のペプチド画分 6) やヘ
ミセルロース高含有の発芽大麦 7) に，また原料は異なるが FBE と同様な発酵物として，酒粕の水抽出物 8) や米糠
麹 9) に乳酸菌・ビフィズス菌の増殖促進効果があることが報告されている．しかしながら，いずれの報告でも具体的な活性成分の同定まではされていないため，互いに類似する化合物であるかは不明である．今後，さらに精製を進め具体的な成分の特定に努めたいと考えている．
FBE 培地を用いたナイシン A 生産技術の開発
ナイシンは，異常アミノ酸を含む 34のアミノ酸残基からなる抗菌ペプチドであり，これまでのところアミノ酸残基が一部異なる 3 つの類縁体（ナイシン A，Z，Q）が報告されている 10–12)．その中でも，ナイシン Aは乳酸菌
バクテリオシンの中で唯一 WHO（World Health Organization）やFAO（Food and Agriculture Organization）から安全であるとの承認を受けている物質であり，数十年に亘り世界 50ヵ国以上で食品保存料として使用されている 13–16)．なお，日本国内では，ナイシン Aは 2009 年 3月

図 4．異なる濃度（Brix）の FBE 培地における L. lactis subsp.
lactis ATCC 11454 のナイシン A 生産と菌体増殖の比較．A，ナ
イシンA 生産；B，菌体増殖．●，Brix 1.0 FBE；▲，Brix 2.0
FBE；■，Brix 3.0 FBE；◆，Brix 4.0 FBE. 4.5％（w/v）glucoseを添加した．データは 2 回の培養試験の平均値であり，図中のエラーバーは標準偏差を示す．

2 日に厚生労働省により新規食品添加物として認可されている．

ン A 生産共に顕著に増大し，ES 画分添加により菌体増殖

ナ イ シ ン A 生 産 菌 で あ る L. lactis subsp. lactis ATCC

はほとんど影響を受けなかったが，ナイシン A 生産は低11454株を使用し，温度，撹拌速度および pH を，30°C，下した（低下の要因は現在のところ不明）．それぞれの群

250 rpm および 5.5 に制御しつつ培養を実施した．初発におけるナイシン A の最大生産量は，Brix 2.5 FBE 培地に十分量の炭素源である 4.5％（w/v）の glucose を添加しは対照の 1.1 倍，EI 画分添加群では対照の 1.3 倍，ES 画

た Brix 1 ～ 4 の FBE 培地にて試験を行ったところ，菌体分添加群では 0.85 倍であった．

増殖は Brix 3 または 4 で最大に達したが，ナイシン A 生

焼酎粕と同様な食品副産物として乳清ホエーを用いた

産は Brix 2 または 3 で最大に達し，Brix 4 では逆に低下

ナイシン生産が報告されているが，十分なナイシン生産した（図 4）．このような結果から，ナイシン A生産を目を得るためには酵母エキスやカゼイン分解物などの高価的とした場合の FBE 培地の最適 Brix は 2 ～ 3 であると思な窒素源を添加する必要があった 17–19)．これに対し，本われた．したがって，Brix 2 と 3 の中間値である Brix 2.5

研究では，FBE 濃度を最適化し，glucose のみを添加したを，ナイシン A 生産用の FBE 培地の最適 Brix とした．

シンプルな培地で，栄養豊富な高価な試薬培地と同等量

次に，最適化された Brix 2.5 FBE 培地と，試薬培地のナイシン A を生産することが可能であった．この結果（対照）として用いた TN 0.12％（w/w）CMG 培地，対から，FBE はナイシン A 生産用の廉価で優れた培地素材

照に FBE 由来の ES および EI 画分をそれぞれ 0.5％（w/v）

として利用可能であり，かつ FBE を抗菌活性を有する付添加した群の計 4 群で，ナイシン A 生産と菌体増殖を比加価値の高い素材に転換できる可能性が示唆された．さ較した結果を図 5 に示した．Brix 2.5 FBE 培地では，培らに FBE 由来の EI 画分にはナイシン生産を顕著に高め

養初期に菌体増殖およびナイシン A 生産が共に対照と比る効果があることが明らかとなった 20,21)．

べて遅延したものの，培養後期には対照を若干上回った．
また，対照への EI 画分添加により菌体増殖およびナイシ
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117

図 5．異なる培地における L. lactis subsp. lactis ATCC 11454 のナイシン A 生産と菌体増殖の比較．A，ナイシン A 生産；B，菌体増殖．○，対照（TN 0.12％（w/w）CMG 培地）；△，対照＋EI画分（0.5％（w/v）添加）；□，対照＋ES画分（0.5％（w/v）
添加）；●，Brix 2.5 FBE 培地（4.5％（w/v）glucose 添加）．デー
タは 2 回の培養試験の平均値であり，図中のエラーバーは標準偏差を示す．

図6．FC 301 株と L. brevis NBRC 12005 株の GABA生産と菌体増殖の比較．A，GABA 生産；B，菌体増殖．●，Strain FC 301；▲，L. brevis NBRC 12005. 5％（w/v）glucose と5％（w/v）グ
ルタミン酸ナトリウムを添加した Brix 4.0 のFBE 培地を使用した．

次に，FC 301 株を用いた FBE 培地からの GABA 生産
FBE 培地を用いた GABA 生産技術の開発を試みたが，FBE 中に含まれる GABA の生成基質となる
グルタミン酸濃度は非常に低いため（Brix 4.0 FBE では

GABA は，非タンパク性アミノ酸で，微生物に広く分わずかに 0.04％（w/v）程度），本研究ではより高濃度の布するグルタミン酸デカルボキシラーゼ（GAD）の作用

GABA を培地中に蓄積させることを目的として，GABA

によりグルタミン酸が脱炭酸されて生成する．GABA は生産の基質としてグルタミン酸ナトリウムをFBE培地に

生体内では抑制系の神経伝達物質であり，血圧降下作用添加した．図 6 に，Brix 4.0 FBE 培地に 5％（w/v）のグや利尿作用，ストレス低減作用，肝機能改善作用，肥満

ルタミン酸ナトリウムを添加し，pH を 5.5 に制御しつつ防止作用などを有することが報告されている 22–24)．

培養を行った際のGABA 生産と菌体増殖の経時変化を示

本研究では，GABA 高生産菌として，当社において市した．併せて，FC 301 株の比較として，GABA高生産乳

販の乳製品から分離した FC 301 株を使用した．この FC酸菌として論文など 26–29) で広く使用されている Lacto-

301株については，形態観察結果，酸の生成能，各種の酵

bacillus brevis NBRC 12005株の結果を示した．FC 301株

素活性ならびに 16S rDNA の配列結果から，これまでのによる GABA 生産は培養 36 時間でほぼ最大に達し，このところ，Enterococcus malodoratusに非常に近縁な菌種であ時点で約 3％の GABA が生産され，初発に添加したグルることが分かっている．また，グルタミン酸を GABAへ

タミン酸のほとんどは培地中から消失していた．また，と変換する GAD の活性は pH により大きく変動し 25,26)，

本培養条件における FC 301 株の菌体増殖および GABA

培養中の pH を最適に制御することで GABA の生産が向生産は共に，L. brevis NBRC 12005 株より優れていた．

上する 27) ことが先に報告されている．そこで，本 FC 301

そこで次に，GABAのさらなる高濃度化を目的として，株について，GABA 生産に最適な pHを 4～ 7 の範囲で調

以下のような試みを行った．すなわち，Brix 4.0 FBE 培

べたところ，pH 5.5 において GABA の生産性が最も高い

地に初発に 5％（w/v）のグルタミン酸ナトリウムを添加ことが分かった．

し，その後 pH を 5.5 に制御しつつ，培養 2 日後，4 日後118

生物工学 第88巻

図7．FC 301 株を用いたグルタミン酸ナトリウムの追添による
GABA の高濃度化．初発培養条件は図6と同じ．培養2，4，6日
後に図中に表記したグルタミン酸ナトリウムなどを添加した．

図 8．パイロットプラントの平面図．矢印は液の流れる順序を示す．

および 6 日後に 2.5％（w/v），1.25％（w/v）さらに 1.25％（w/v）のグルタミン酸ナトリウムを逐次添加した．その結果，培地中にグルタミン酸がほとんど残存することなく，培養 7 日間で合計 10％（w/v）のグルタミン酸ナト
リウムから 5.89％（w/v）という非常に高濃度の GABAを蓄積させることが可能となった（図 7）．このときグルタ
ミン酸から GABA への変換効率は約 96％であった．先に京都千枚漬けより分離した Lactobacillus sp. L13株を用いて 13.5％（w/v）のグルタミン酸ナトリウムから 6.7％（w/v）の GABA が生産されたことが報告されている 27)．
この 6.7％（w/v）は，恐らくこれまでに報告されている

図9．実用化，販売している GABA 製品

GABA の蓄積濃度としては最も高い値であるが，本研究において FC 301 株を用いて達成された 5.89％（w/v）はこれに匹敵するものである．また，グルタミン酸から
GABA への変換率については，Lactobacillus sp. L13 株が81％であり，FC 301 株の方が GABA への変換効率は高かった．
パイロットプラントでの実証試験と実用化
3トンの本培養装置を軸として，10 トンの FBE 貯蔵タ
ンク，200 l の前培養装置，5 トンの酸沈冷却処理タンク，
菌体分離装置（セラミックろ過）および濃縮装置（エバポレーター）などにより構成されるパイロットプラント

図10．実用化，販売している培地素材．ナイシン A および GABA
を三和酒類に導入した（図 8）
生産のどちらについても，ラボスケールとほぼ同等の発麦焼酎粕由来の廉価な培地素材を実用化した．

酵生産性が得られ，かつ発酵終了後の回収工程（ダウン

図 9に示すように，GABAについては，“大麦乳酸発酵

ストリーム）においても，効率的な生産物（ナイシン A，

液ギャバ”という名称で商品化し 30)，GABA 濃度 20％

GABA）の回収が可能であることを確認した．そこで，（w/v）の液状品から GABA 濃度 90％（w/w）以上の高純本研究で得られた成果や構築したプロセスをベースに，度パウダー品まで幅広い濃度のラインナップを取り揃

FBEを基に作製した高濃度のGABAを含有する食品素材

え，現在，各食品会社に素材として販売している．また，と，高価な試薬培地と比べて遜色のない力価を有する大培地素材についても，図 10 に示すように“バーレック

2010年 第3号

119ス”または“バーレックス S”という名称で商品化しており，本稿で報告した乳酸菌やビフィズス菌用の培地素
材 31) あるいはナイシン 32) や GABA といった有用物質の生産以外にも，ビタミン K の生産を目的とした Bacillus
subtilis の培養 33) や微生物がつくる界面活性剤（バイオサーファクタント）の生産 34) にも非常に優れた培地素材
であることがこれまでに分かっている．現在，多くのメーカーに培地素材として提供している．
おわりに
以上のように，大麦焼酎粕由来発酵大麦エキスの乳酸菌およびビフィズス菌用の培地素材としての有用性を見いだし，かつ FBE を基本成分とした培地から乳酸菌を用いた有用物質（ナイシン A および GABA）の生産技術を開発することで，“乳酸菌を利用した焼酎粕の高付加価値
素材への転換プロセス”を構築することができた．今後，FBE からの有用物質生産の応用例がさらに広がり，焼酎
粕の有効活用ならびに高付加価値化が促進されることを期待している．
また，三和酒類株式会社では，2009年春に一層積極的に焼酎粕の高度利用化に取り組むために，本社工場から少し離れた場所に「グリーンバイオ事業所」を建設した．
本事業所内には，焼酎粕の飼料化やメタン発酵設備に加えて，焼酎粕から付加価値の高い食品素材を作り出すための食品加工棟を新たに設立しており，ここを拠点に，高付加価値素材への転換量：2000 トン / 年，高付加価値
素材の売上：2 億円 / 年を当面の目標値として，今後活動を行っていきたいと考えている．
本研究はすべて三和酒類株式会社において実施されたものであり，これまで多大なご支援を頂いた三和酒類株式会社の役
員様はじめ従業員の皆様方に深く感謝の意を表します．また，本研究の遂行および成果をまとめるに際して，終始ご指導・ご助言を頂いた九州大学大学院農学研究院の石崎文彬名誉教授，
酒井謙二教授，中山二郎准教授，ならびに善藤威史助教に心よりお礼申し上げます．

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生物工学 第88巻