イヌリナーゼ

イヌリナーゼは、β-2,1-D-フルクトシド結合を加水分解できる加水分解酵素の一種である。イヌリナーゼを分泌する微生物は自然界に広く分布しており、多種多様な微生物が産生し得る。イヌリナーゼは、一定の温度条件下でイヌリン、フルクトース、またはフラクトオリゴ糖を加水分解することができる。

図1．イヌリナーゼのタンパク質構造。

由来

イヌリンは、キク科植物から単離されたことに由来して命名された。イヌリン（inulin）は、フラン型構造を有するD-フルクトースがβ-2,1-グリコシド結合により脱水縮合・重合したもので、フルクトース残基（F）の末端にグルコース残基（G）が結合した直鎖状の構造多糖である。フルクタンの中で最も単純なクラスに属し、GF_nと略記される。さらに、末端にGを有しないフルクタンであるイヌロノース（inulonose）を少量含有することも報告されている。イヌリン（別名：イヌリン）は、キクイモやチコリ等の植物に由来する。機能性フルクタンであり、水溶性食物繊維の中でも特に高い溶解性を有する。天然由来の機能性成分として、イヌリンは世界20か国以上で栄養補助食品として承認されており、乳製品、飲料、低脂肪・低カロリー食品、焼成食品、健康食品等に広く使用されている。

分類

イヌリナーゼには複数の分類方法がある。

• 細胞内、細胞壁、細胞外のいずれに主として分布するかにより、細胞内酵素、細胞壁結合酵素、細胞外酵素に分類される。これらの比率は主として菌株、炭素源、温度およびpHの影響を受ける。
• 基質への作用様式、すなわちフルクタン鎖の切断様式の違いにより、エンド型（endo-）とエキソ型（exo-）に分類される。一般に、エンド型イヌリナーゼとエキソ型イヌリナーゼの識別にはI/S比が用いられる。Iはイヌリンを基質とした場合の酵素活性、Sはスクロースを基質とした場合の酵素活性を示す。通常、エキソ型イヌリナーゼのI/S比はエンド型より低いと考えられている。エンド型イヌリナーゼはイヌリンを加水分解して高純度のフラクトオリゴ糖を得ることができ、しばしば真菌から単離される。エキソ型イヌリナーゼは細胞内、細胞壁および細胞外に分布し、イヌリンを加水分解することで高純度フルクトースを得ることができる。
• 由来により、微生物由来イヌリナーゼと植物由来イヌリナーゼに分類される。

機能

報告によれば、イヌリナーゼはイヌリンに作用するだけでなく、スクロースやラフィノースにも作用し、より高い活性および加水分解能を示す。炭素源としてキクイモ抽出物またはイヌリンを用いることでイヌリナーゼ産生を誘導できるが、基質としてはキクイモ抽出物の方が適している。これは、抽出物がイヌリンに加えて短鎖ポリフルクトースをより多く含み、菌の増殖および酵素による加水分解に有利であるためと考えられる。すなわち、特定の基質はイヌリナーゼ産生を誘導し得る一方、基質として用いる炭素源の違いは酵素活性に大きく影響する。一定濃度のイヌリン、マルトースおよび低濃度のフルクトースはイヌリナーゼ産生を誘導し得ることが示されている。デンプンはイヌリナーゼに対する影響が小さいが、グルコースはイヌリナーゼ活性を有意に阻害する。これらは、イヌリナーゼが基質特異性を有することを示している。

応用

イヌリナーゼによる高果糖シロップの製造：高果糖シロップは安価で、甘味が強く、後味がすっきりしており、浸透圧が高く保存性に優れ、低カロリーでう蝕を起こしにくく、糖尿病患者でも利用可能であることから、米国、日本等の先進国では食品産業および製薬産業で広く使用されている。1970年代以降、各国はイヌリンを原料とし、酸加水分解および酵素加水分解によりフルクトースを製造する方法に注目し始めた。酸法は収率が高い一方で、副生成物が多く、着色が強く、分離・精製が困難である。1980年代には、米国、フランス、ブリストル・マイヤーズ、カナダ等の研究者が、イヌリナーゼを用いたフルクトース製造の研究を開始した。このプロセスは簡便で転換率が高く、製品純度が高く、フルクトース収量も高い。フルクトース含量90％以上の超高果糖シロップ（UHFGS）を直接製造することも可能である。このため、米国、英国、デンマーク、フランス、カナダ等の先進国で研究が進められている。これらは、イヌリナーゼがフルクトースおよび果糖シロップ製造において高い開発・応用ポテンシャルを有することを示している。エキソ型イヌリナーゼの分解生成物は主としてフルクトースであり、フルクトース比率が高い。国内外でイヌリナーゼによる高果糖シロップ製造に関する研究は多数あるが、中国における研究はなお初期段階にある。