フェルラ酸エステラーゼ

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はじめに

植物バイオマスは、優れた再生可能なバイポリマーの供給源です。持続可能な原材料とエネルギーの開発と生産の可能性を提供し、バイオベースの経済の発展に完全に適合します。農業、作物、林業廃棄物、エネルギー作物、海藻からのリグノセルロースバイオマスは、現代のバイオエタノールおよびバイオ化学製品の期待される原材料と見なされています。バイオエタノール生産における化学変換と比較して、リグノセルロースバイオマスの酵素的加水分解には、腐食性のない操作条件の使用、化学的修飾による基質損失の回避、より環境に優しいなど、多くの利点があります。

しかし、植物細胞壁は、機械的、熱的、化学的、及び生物的ストレスを抵抗するように進化してきました。さまざまなタイプのリグノセルロース材料をより効果的に脱重合するためには、一連の炭水化物活性およびリグニン作用酵素が必要です。フェルラ酸エステラーゼ（FAEs、フェルラ酸/シンナミック酸エステラーゼとも呼ばれ、EC 3.1.1.73）は、ポリサッカライドからフェルラ酸残基と架橋を除去することができます。彼らは補助酵素として機能し、バイオマス変換プロセス中に他の酵素が作用部位に入るのを助けます。バイオエタノールの生産における役割に加えて、FAEとその加水分解またはトランスエステル化生成物は、特に修飾された天然抗酸化物質や食品フレーバー前駆体として、バイオテクノロジーのすべての側面で応用があります。したがって、学界と産業界は、新しい特性を持つ新しいFAEの発見に大きな関心を持っています。

FAEの産業応用

植物細胞壁からヒドロキシシンナミック酸を除去する能力により、FAEはさまざまなバイオテクノロジーのプロセスで重要な役割を果たします。これまでのところ、FAE関連の応用と特許は、10年前と比較してほぼ倍増しています。ここでは、FAEの5つの主要な分野での応用を強調します：(1) バイオマス処理、(2) パルプと紙、(3) フェルラ酸および関連するファインケミカルの生産、(4) 飼料、(5) 調味料とアルコール飲料。

図1. FAEの産業応用の概略 (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他のバイオリファイナリーのためのリグノセルロースバイオマスの加水分解に必要な補助酵素として認識されています。FAEの活性は、他の加水分解酵素や酸化酵素と組み合わせることで、植物材料の分解を増加させ、発酵可能な炭水化物の可用性を大幅に改善し、有毒エステルやフェノール化合物を放出します。

• パルプと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、紙の品質に密接に関連しています。漂白の重要なステップは、残留リグニンを除去してパルプを白くすることです。このプロセスでは、有害で高価な化学物質が使用され、環境に悪影響を及ぼします。環境に優しい生物的漂白プロセスでは、FAEはキシラナーゼやリグニン酸化酵素と組み合わせて使用され、エネルギー消費を削減するだけでなく、パルピング廃水の化学的酸素要求量（COD）を大幅に削減します。

• フェルラ酸および関連するファインケミカルの生産における応用

フェルラ酸および他のヒドロキシシンナミック酸は、フェノール性植物化学物質であり、食品および化粧品産業で広く使用されています。

現在の商業的フェルラ酸は主に米油から生産されていますが、現代技術の焦点は、FAEや他の加水分解酵素を使用してフェルラ酸を生産することです。加水分解に加えて、FAEはエステル交換反応を通じて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）との間でエステル結合したヒドロキシシンナミック酸を合成することもできます。

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

繊維の消化性は、動物飼料の基本的な基準です。不適切な消化は、動物の成長を妨げ、免疫的ストレスを引き起こし、最終的には農家の収益性を制限します。FAEやFAEを含む酵素の混合物を追加することで、主鎖分解酵素の可用性を改善し、繊維の消化性と植物栄養素の生物利用能を向上させることができます。

• 調味料およびアルコール飲料産業における応用

FAEは、さまざまな調味料やアルコール飲料のオフフレーバー/臭いを除去し、香りを高めるために使用されています。フレーバーと臭いは、高級発酵調味料およびアルコール飲料産業の成功の鍵となる要素です。FAEは、FAEを生成する麹（米の真菌培養スターター）として、キシラナーゼやセルラーゼと一緒に添加され、米や他の穀物の細胞壁からフェルラ酸の放出を増加させ、最終的には発酵と熟成の過程で香りのある誘導体に変換されます。