フェルロイルエステラーゼ

関連する読書

はじめに

植物バイオマスは、バイオポリマーの優れた再生可能資源である。持続可能な原材料およびエネルギーの開発・生産を可能にし、バイオベース経済の発展とも極めて高い親和性を有する。農業由来バイオマス、作物残渣、林業廃棄物、エネルギー作物、海洋藻類に由来するリグノセルロース系バイオマスはいずれも、現代のバイオエタノールおよびバイオ化学品生産における有望な原料として位置付けられている。バイオエタノール製造における化学的変換と比較して、リグノセルロース系バイオマスの酵素加水分解は、非腐食性の操作条件を使用できること、化学修飾による基質損失がないこと、環境負荷が低いこと等、多くの利点を有する。

しかし、植物細胞壁は、機械的、熱的、化学的および生物学的ストレスを含む外的要因に抵抗するよう進化してきた。多様なリグノセルロース材料をより効率的に脱重合するためには、糖質活性酵素およびリグニン作用酵素の一連の酵素群が必要となる。フェルロイルエステラーゼ（FAE：フェルラ酸／桂皮酸エステラーゼとも呼ばれる、EC 3.1.1.73）は、多糖からフェルラ酸残基および架橋構造を除去できる。FAEは補助酵素として機能し、バイオマス変換プロセスにおいて他の酵素が作用部位へ到達することを支援する。バイオエタノール生産における役割に加え、FAEおよびその加水分解産物またはエステル交換（トランスエステル化）産物は、バイオテクノロジーの幅広い領域、とりわけ改変天然抗酸化物質や食品フレーバー前駆体として応用されている。そのため、新規特性を有する新たなFAEの探索に対して、学術界および産業界の関心は非常に高い。

FAEの産業応用

植物細胞壁からヒドロキシ桂皮酸を除去できる能力により、FAEは各種バイオテクノロジープロセスにおいて重要な役割を果たす。これまでに、FAE関連の応用および特許は、10年前と比較してほぼ倍増している。ここでは、FAEの応用を以下の5つの主要分野において強調し概説する。(1) バイオマス処理、(2) パルプ・製紙、(3) フェルラ酸および関連ファインケミカルの製造、(4) 飼料、(5) 調味料および酒類。

図1. FAEの産業応用の概略図（Dilokpimol, A.; et al. 2016）

• バイオマス処理における応用

FAEは、バイオエタノールおよびその他のバイオリファイナリー向けにリグノセルロース系バイオマスを加水分解する際に必要な補助酵素として認識されている。植物バイオマスに対して、FAEが他の加水分解酵素および酸化酵素と併用されることで、植物材料の分解が促進され、発酵可能な炭水化物の利用可能性が大幅に向上するだけでなく、有毒なエステル類およびフェノール性化合物の放出も引き起こす。

• パルプ・製紙産業における応用

白色度は木材パルプの重要な特性であり、紙の品質と密接に関連する。漂白の鍵となる工程は、残存リグニンを除去してパルプを白色化することである。このプロセスでは有害かつ高価な化学薬品が使用され、環境への悪影響も大きい。環境配慮型の生物漂白プロセスでは、FAEをキシラナーゼおよびリグニン酸化酵素と組み合わせて使用でき、エネルギー消費を低減するだけでなく、パルプ化排水の化学的酸素要求量（COD）を有意に低減できる。

• フェルラ酸および関連ファインケミカル製造における応用

フェルラ酸およびその他のヒドロキシ桂皮酸はフェノール性植物化学物質であり、食品産業および化粧品産業で広く利用されている。

現在、市販のフェルラ酸は主として米ぬか油から製造されているが、近年の技術開発の焦点は、FAEおよびその他の加水分解酵素を用いたフェルラ酸生産にある。加水分解に加えて、FAEは、エステル基の有機基（ドナー）とアルコールの有機基（アクセプター）との間で生じるエステル交換反応により、エステル結合型ヒドロキシ桂皮酸を合成することもできる。

図2. トランスフェルロイル化反応（Dilokpimol, A.; et al. 2016）

• 飼料産業における応用

繊維（食物繊維）消化性は動物飼料の基本的な評価基準である。不適切な消化は動物の成長を阻害し、免疫学的ストレスを引き起こし、最終的に農家の収益性を制限する。FAE、またはFAEを含有する酵素混合物を添加することで、主鎖分解酵素の利用可能性が向上し、その結果、繊維消化性および植物由来栄養素（フィトニュートリエント）のバイオアベイラビリティが改善される。

• 調味料および酒類産業における応用

FAEは、各種調味料および酒類におけるオフフレーバー／異臭の除去や香気の増強に利用されてきた。風味および香気は、高付加価値の発酵調味料・酒類産業の成否を左右する重要因子である。FAEは、糖化工程においてFAE産生麹（米・糸状菌培養スターター）として用いられるほか、キシラナーゼおよびセルラーゼと併用して添加することもできる。これにより、米およびその他穀類の細胞壁からのフェルラ酸放出が増加し、最終的に発酵および熟成の過程で芳香性誘導体へと変換される。