アミラーゼ

アミラーゼは、デンプンを糖に分解する酵素です。デンプンは、グリコシド結合で結びついたグルコース分子からなる複雑な炭水化物の一種です。アミラーゼは、これらのグルコースユニット間の結合を切断することによって機能し、デンプンをマルトース、デキストリン、グルコースなどのより単純な糖に変換します。これらの小さな糖は、生物が吸収するのがはるかに容易です。アミラーゼは、炭水化物の代謝を含む生物学の多くの側面で重要な役割を果たしています。また、醸造、製パン、繊維、洗剤などの製造業でも広く使用されています。

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アミラーゼの種類

アミラーゼは、加水分解する結合の種類と生成する製品に基づいて分類されます。主なアミラーゼの種類は次のとおりです：

• α-アミラーゼ (EC 3.2.1.1): α-アミラーゼは最も一般的なアミラーゼのタイプで、植物、動物、微生物に見られます。デンプン分子内のα-1,4グリコシド結合に作用し、デキストリン、マルトース、グルコースなどの小さな断片に分解します。α-アミラーゼは内因性に作用し、デンプン分子内のランダムな位置で結合を切断できるため、α-アミラーゼはエンドアミラーゼです。中性からややアルカリ性のpHで最も効果的に機能し、醸造、食品、繊維加工などの産業で重要な酵素です。

図1: α-アミラーゼの構造と酵素作用。A. Bacillus licheniformis α-アミラーゼ (PDBコード: 1BLI)。B. α-アミラーゼは、多糖類の内部α-1,4-グリコシド結合を加水分解して、グルコース、マルトース、マルトトリオースユニットなどの低分子量製品を生成します。

• β-アミラーゼ (EC 3.2.1.2): β-アミラーゼは主に植物と一部の微生物に見られますが、動物には存在しません。β-アミラーゼは、α-アミラーゼとは異なり、デンプン分子の非還元末端で結合を切断し、α-1,4グリコシド結合を開いてマルトースを生成します。これは外因性に作用し（すなわち、デンプン鎖の非還元末端から2ユニットのグルコースを除去します）、β-アミラーゼは外因性アミラーゼです。β-アミラーゼは、醸造や製パン業界でのデンプンの糖化にも役立ちます。

図2: β-アミラーゼの構造と酵素作用。A. Bacillus cereus β-アミラーゼ (PDBコード: 1VEM)。B. β-アミラーゼまたはマルトジェニックアミラーゼは、デンプン、グリコーゲン、および関連する多糖類やオリゴ糖の非還元末端に作用し、β-マルトース（2つのグルコースユニット）を逆転して切断します。

• γ-アミラーゼ (EC 3.2.1.3): γ-アミラーゼはα-およびβ-アミラーゼよりも一般的ではなく、主に微生物、特に真菌によって生成されます。この酵素は、α-1,4およびα-1,6グリコシド結合の両方を加水分解し、デンプン、グリコーゲン、および関連する多糖類をグルコース分子に分解します。γ-アミラーゼは、β-アミラーゼと同様に外因性アミラーゼファミリーの一員です。γ-アミラーゼは、他のアミラーゼよりも酸性条件下で機能できるため、特定の産業反応で使用されます。

図3: γ-アミラーゼの構造と酵素作用。A. Thermoactinomyces vulgaris γ-アミラーゼ (PDBコード: 2DFZ)。B. γ-アミラーゼは、鎖の非還元末端から1,4-α-D-グルコシド結合を連続的に加水分解し、β-D-グルコースを放出します。酵素のほとんどの形態は、次の結合が1,4であるときに1,6-α-D-グルコシド結合を迅速に加水分解でき、いくつかのこの酵素の調製物は、他の多糖類の1,6-および1,3-α-D-グルコシド結合を加水分解します。

アミラーゼの供給源

アミラーゼは、さまざまな生物によって生成されます。以下を含みます：

• 植物: 種子は、特に発芽段階でアミラーゼが豊富です。種子は炭水化物の貯蔵としてデンプンを蓄え、発芽中にアミラーゼがそれを分解して発育中の植物胚にエネルギーを供給します。
• 動物: 哺乳類におけるアミラーゼの主な供給源は唾液腺と膵臓です。ヒトの唾液アミラーゼ（プチアリン）は、口の中でデンプンの消化を開始し、膵臓アミラーゼが小腸でそれを続けます。
• 微生物: アミラーゼは、細菌、真菌、酵母から得られます。微生物由来のアミラーゼは、生産が容易で、コスト効果が高く、複数の機能的役割を持つため、産業用途に理想的です。アスペルギルス（天然アスペルギルス・オリゼ α-アミラーゼ）、バチルス（天然Bacillus amyloliquefaciens α-アミラーゼ）、およびサッカロマイセスなどの種が、産業用アミラーゼの生産に一般的に使用されます。
• 昆虫: 一部の昆虫、特に穀物や葉などのデンプン質の材料を食べる昆虫は、植物のデンプンを効率的に消化するためにアミラーゼを生成します。

アミラーゼの応用

アミラーゼの多様性とデンプンを分解する能力により、現在多くの分野で使用されています。最も重要な応用のいくつかは次のとおりです：

食品および飲料産業

• 製パン: アミラーゼは製パン業界で使用され、パン生地に加えられて酵母の発酵を助け、焼き上がりの柔らかさと保存性を向上させます。デンプンを糖に変換することにより、アミラーゼは酵母が二酸化炭素に変換する発酵可能な糖の供給を継続的に提供し、生地が膨らみます。
• 醸造: 醸造物の発酵中に、アミラーゼは大麦などの穀物のデンプンを糖に変換します。これらの糖は酵母によって発酵され、アルコールが生成されます。α-アミラーゼとβ-アミラーゼは、最終製品の発酵可能な糖と非発酵可能な糖の適切な比率を維持する役割も果たし、ビールの風味やアルコール含量に影響を与えます。
• 砂糖生産: 砂糖業界のアミラーゼ、例えばα-アミラーゼやグルコアミラーゼ（天然Rhizopus属グルコアミラーゼ）は、トウモロコシやジャガイモなどの作物からデンプンを分解して、より単純な糖を生成し、高果糖コーンシロップを生産します。この酵素的プロセスは、糖の収量と純度を高め、デンプンの利用を最大化し、酸加水分解よりも効率的で持続可能です。アミラーゼは、高温や厳しい化学薬品を必要としないため、エネルギーを節約します。

洗剤業界

アミラーゼは、デンプンベースの汚れ、例えばソース、ジャガイモ、またはパスタからの汚れを分解するため、洗濯および食器洗い用洗剤に使用されます。洗剤中のアミラーゼは、デンプン分子を可溶性の糖に分解するため、これらの汚れをより効果的に除去します。

繊維業界

繊維業界のアミラーゼは、織りの過程で生地からデンプンベースのサイズ剤を除去します。サイズ剤は織りの過程で繊維を損傷から保護しますが、染色や仕上げの前に除去する必要があります。アミラーゼはデンプンを加水分解し、よりクリーンな仕上がりとより良い染色吸収のために簡単に洗い流します。

パルプおよび製紙業界

アミラーゼは、パルプおよび製紙業界でデンプンコーティングを修正し、紙の品質を向上させるために使用されます。デンプンは、強度を高めるために紙に添加されますが、過剰なデンプンは柔軟性を低下させる可能性があります。アミラーゼは過剰なデンプンを除去するために必要で、最終製品の品質を向上させ、強度と印刷性を高めます。

バイオ燃料生産

アミラーゼは、エタノールなどのバイオ燃料にとって重要です。バイオ燃料の生産では、トウモロコシや小麦などの植物由来の材料が酵素的糖化を受け、アミラーゼがデンプンを発酵可能な糖に変換します。これらの糖は、酵母や他の微生物によってエタノールに発酵されます。バイオ燃料生産におけるアミラーゼの使用は、デンプンをより早く分解し、エネルギーを節約することによって収量を増加させます。

廃水管理

アミラーゼは、廃水処理システム内の微生物によって容易に代謝される単純な糖にデンプン汚染物質を分解することによって、廃水処理を改善します。この酵素的分解は生物学的酸素要求量（BOD）を減少させ、水域の酸素枯渇を防ぎ、水生生物を保護します。活性汚泥システムでは、アミラーゼは大きなデンプン分子を分解することによって微生物の消化を加速し、有機物の分解を早め、処理効率を向上させます。

バイオテクノロジーと研究

アミラーゼは、さまざまなバイオテクノロジーの応用や研究に使用されます。例えば、酵素動力学、タンパク質工学、代謝経路の研究に使用されます。アミラーゼは、食品や生物学的サンプルのデンプンレベルを測定するための診断キットにも使用されます。

製薬業界

アミラーゼは製薬業界で重要な役割を果たします。十分な膵アミラーゼを生成しない人々のための消化補助食品にしばしば使用されます。これらの補助食品は、消化問題を抱える人々がデンプンを分解し、栄養素をより効果的に吸収するのを容易にします。アミラーゼは、医薬品の製造にも役立ちます。医薬品がより簡単に溶解し、より効果的になるように、デンプンベースの成分を修正するのに役立ちます。

図4: アミラーゼの応用 (Lim et al., 2023)。

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