フィターゼ

フィチン酸（フィチン酸塩）は強い錯形成能を有し、通常、Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、K⁺などのミネラル元素と結合して難溶性塩を形成する。そのため、フィチン酸は微量ミネラルの栄養学的有効性を大幅に低下させる抗栄養因子である。このフィチン酸の特性により、ヒトおよび動物においてカルシウム、マグネシウム、亜鉛、カリウム等の元素バランスの不均衡が生じ得る。フィターゼは、フィチン酸およびその塩を加水分解してイノシトールとリン酸を生成する反応を触媒する酵素群の総称である。飼料にフィターゼを添加してフィチン酸からリンを遊離させることにより、食品・飼料中のリン利用率を向上させるだけでなく、フィチン酸‐タンパク質複合体を分解し、フィチン酸塩による微量元素のキレート化を低減し、動物による植物性タンパク質の利用性を高め、飼料の栄養価を改善できる。

由来

フィターゼは動植物組織および微生物細胞に広く存在する。植物では主として種子に存在する。動物では、主に脊椎動物の赤血球および血漿、ならびに哺乳類の小腸に存在する。微生物はフィターゼの供給源として最も利便性が高く、かつ経済的である。フィターゼ産生微生物には主として細菌、糸状菌、酵母が含まれる。なかでも、カビ（糸状菌）が分泌するフィターゼ量は比較的多く、特にAspergillus（アスペルギルス属）はフィターゼ産生能が高いことから、主要な産生菌として位置付けられている。

分類

フィターゼはフィチン酸を加水分解するホスファターゼの一種である。基質に対する作用様式により、3-フィターゼ（EC 3.1.3.8）および6-フィターゼ（EC 3.1.3.26）の2種類に分類される。3-フィターゼはフィチン酸の3位炭素から反応を開始し、フィチン酸塩をホスホイノシチドおよび正リン酸へ分解する。6-フィターゼは6位炭素から反応を開始し、同様にホスホイノシチドおよび正リン酸へ分解する。植物およびE. coli由来フィターゼは6-フィターゼに属し、糸状菌および多くの細菌由来フィターゼは3-フィターゼに属する。さらに、構造差および加水分解様式に基づき、フィターゼはヒスチジン酸ホスファターゼ（HAPs）、β-プロペラ型フィターゼ（BPP）、パープル酸ホスファターゼ（PAP）の3群に分類される。

触媒機構

フィターゼはフィチン酸塩（フィチン酸）を分解してイノシトールおよびリン酸を生成する。フィターゼはフィチン酸上のリン酸基を逐次切断し、中間体としてIP5、IP4、IP3、IPを形成し、最終生成物はイノシトールおよびリン酸である。由来の異なるフィターゼでは触媒機構が異なる。3-フィターゼがフィチン酸に作用する場合、まずフィチン酸の3位炭素からエステル結合を加水分解して無機リンを遊離し、その後、他の炭素位から順次リンを遊離していき、最終的にフィチン酸全体を脱リン酸化する。本酵素の触媒過程には二価マグネシウムイオン（Mg²⁺）の関与が必要である。6-フィターゼはまず6位炭素で反応を開始して無機リンを遊離する。理論上、フィチン酸1gの完全分解により無機リン281.6mgが遊離される。フィターゼ単独ではフィチン酸をイノシトールリン酸まで分解するにとどまり、イノシトールおよびリン酸へ完全分解できない場合がある。イノシトールリン酸を完全に分解するには酸性ホスファターゼが必要である。酸性ホスファターゼはモノリン酸およびジリン酸をイノシトールとリン酸へ完全分解できる。多くの微生物由来フィターゼの触媒機構は以下のとおりである。

フィチン酸→D-myo-イノシトール-1,2,4,5,6-五リン酸→D-myo-イノシトール-1,2,3,4,5-五リン酸→D-myo-イノシトール-1,2,5,6-四リン酸→D-myo-イノシトール-1,2,5-三リン酸またはD-myo-イノシトール-1,2,6-三リン酸→D-myo-イノシトール-1,2-二リン酸→myo-イノシトール-2-リン酸

図1．フィターゼによるフィチン酸塩の加水分解（イノシトール、リン酸およびその他の二価元素への変換）。（Yao, M.; et al. 2012）

特性

フィターゼの分子量は由来により大きく異なり、その差異は主としてフィターゼの糖鎖修飾（グリコシル化）に起因する。フィターゼの至適pHは一般に2～6の範囲である。植物由来フィターゼの至適pHは4.0～7.5で、多くは5.0～6.0であり、単胃家畜の胃内で作用するには適さない。細菌由来フィターゼの至適pHは一般に中性～アルカリ性である。糸状菌由来フィターゼの至適pHは2.5～7.0である。フィターゼの至適温度は40～60℃の範囲にあり、由来により至適温度は大きく異なる。多くの二価カチオン（Ca²⁺、Fe²⁺、Zn²⁺、Mg²⁺、Cu²⁺等）は、基質（フィチン酸）との強い錯形成により酵素活性を阻害する。シュウ酸やクエン酸等の化合物も、フィターゼ活性中心の重要アミノ酸残基の側鎖と反応することで酵素活性を低下させる。一般的な基質競合阻害剤の存在も、酵素作用に不利な影響を及ぼし得る。

用途

食品を食品グレードのフィターゼで処理することで、フィチン酸塩を分解し、フィチン酸による微量元素のキレート化を低減し、食品の栄養価を向上させることができる。フィターゼは大豆加工において大豆タンパク質を酵素的に改質し、その栄養価および商業的価値を高め得る。製パン工程にフィターゼを添加することで、生地中のフィチン酸を除去できる。浸漬はコーンシロップ製造工程の一つであり、穀粒を軟化させて細胞壁を破壊する。微生物由来フィターゼはこの工程を加速し、胚芽の分離を改善し、デンプンおよびグルテンの高収率化に寄与するとともに、コーンシロップの品質を向上させる。

飼料にフィターゼを添加してフィチン酸からリンを遊離させることにより、食品・飼料中のリン利用率を向上させるだけでなく、フィチン酸‐タンパク質複合体を分解し、フィチン酸塩による微量元素のキレート化を低減し、動物による植物性タンパク質の利用性を高め、飼料の栄養価を改善できる。さらに、動物排泄物中の有機リン量を低減し、環境への負荷を軽減する。

参考文献