ペクチナーゼ

ペクチナーゼとは、ペクチンの分解を触媒する酵素群の総称である。ペクチナーゼは高等植物および微生物に広く分布し、一部の原生動物や昆虫にも存在する。微生物では、細菌、放線菌、酵母、カビがペクチナーゼを合成・代謝し得る。ペクチナーゼの工業的応用による商業的利益が研究開発を促進してきた。世界各地の多くのメーカーがペクチナーゼ製剤を製造している。技術の進歩に伴い、生産コストは段階的に低下し、ペクチナーゼの用途はさらに拡大している。

由来

多くのカビおよび少量の細菌・酵母がペクチナーゼを産生し、主として Aspergillus 属および Bacillus 属が挙げられる。その他、Penicillium（Penicillium expansum、Penicillium griseoroseum 等）、Sclerotium rolfsii、Rhizoctonia solani、Mucor pusilus、Mucor mucedo、Cloctridium thermosaccharolyticum、Rhizopus stolonifer、Aureobasiduim pullulans、Neurospora rassa、Sporotrichum thermophile 等が含まれる。真菌の Aspergillus niger はGRAS（Generally Recognized As Safe）に該当し、その代謝産物は安全性が高いことから、現在市販されている食品グレードのペクチナーゼは主として Aspergillus niger 由来であり、至適pHは一般に酸性域にある。分子生物学的手法の継続的な高度化により、遺伝子クローニング技術を用いて他の微生物宿主でペクチナーゼを発現させることも可能である。

分類

ペクチナーゼは、プロトペクチナーゼ、ポリガラクツロナーゼ、ペクチンリアーゼ（PL）、ペクチンエステラーゼ（PE）の4種類に分類できる。プロトペクチナーゼはペクチンの溶解を促進する。触媒機構に基づき、プロトペクチナーゼはA型ペクチナーゼとB型ペクチナーゼの2種類に分けられる。前者は主としてプロトペクチン内部のポリガラクツロン酸領域に作用し、後者は主としてガラクツロン酸鎖の外側多糖鎖および細胞壁成分に作用する。ポリガラクツロナーゼは、水系環境下でガラクツロン酸鎖の加水分解を促進するペクチナーゼである。加水分解機構の違いにより2種類に分けられ、1つは真菌由来のエキソガラクツロナーゼで最終生成物はガラクツロン酸モノマー、もう1つは細菌由来のエキソガラクツロナーゼで最終生成物はガラクツロン酸二量体である。ペクチンリアーゼは、トランス脱離反応によりペクチン高分子を開裂するペクチナーゼである。ペクチンリアーゼは、C-5位からH原子を脱離させつつC-4位のグリコシド結合を切断し、不飽和生成物を生じる。触媒機構および基質の違いにより、ペクチンリアーゼはエンドガラクツロナーゼ（EndoPGL）、エキソガラクツロナーゼ（ExoPGL）、エンドポリメチルガラクツロナーゼ（EndoPMGL）、エキソポリメチルガラクツロナーゼ（ExoPMGL）に分類できる。ペクチンエステラーゼはメトキシ基を除去し、ペクチンの脱メチル化を促進する。

性状

ペクチナーゼの分子量は一般に20kD～60kDであり、多くは単量体酵素として存在する。ペクチナーゼ活性は通常pH 3.0～9.0の範囲にあり、等電点は4.0～9.0である。加水分解酵素の至適pHは4.0～6.5で、作用にCa²⁺の関与を必要としない。ペクチンリアーゼの至適pHは8.0～10.0で、作用にはCa²⁺の関与が必要である。異なる菌株が産生するペクチナーゼは性状が異なる。ペクチナーゼの一般的な精製法として、硫酸アンモニウム沈殿、アセトン沈殿、イオン交換クロマトグラフィー、ゲルろ過クロマトグラフィーが挙げられる。

用途

ペクチナーゼは植物細胞の細胞壁を破壊できるため、果実・野菜ジュースの製造、果実酒の清澄化、天然物の抽出、繊維の生物学的精練（脱膠）、製紙産業におけるバイオパルピング等に応用できる。多くのストレートジュースおよび濃縮ジュースでは製造工程でペクチナーゼが使用される。果実ごとにペクチン含量は大きく異なり、ペクチンの組成もわずかに異なるため、ペクチナーゼの酵素組成は品種および加工目的に応じて選定すべきである。ペクチンの存在は、天然物の放出を程度の差はあれ影響または阻害する。適切な条件下では、植物細胞の自己消化によりペクチナーゼを含む溶解酵素が生成され得るが、この過程は分離対象物の構造変化を引き起こし、さらに多くの場合、分離に不利な低分子副生成物を生じ得る。したがって、植物細胞の自己酵素系に依存することは天然物抽出に適さない。一般に、処理に先立ち細胞内酵素系を加熱失活させた上で、目的に応じた酵素を選択して処理するべきである。綿、麻等の織物の処理において、アルカリの代替としてアルカリ性ペクチナーゼを用いることで、比較的温和なpHおよび温度条件下でペクチン質を除去でき、処理後の織物に柔軟な風合いを付与できる。この高効率プロセスは、多量のエネルギーを消費し環境負荷の大きい従来の熱アルカリ脱膠工程に代替し得る。製紙産業におけるバイオパルピングは繊維の生物学的脱膠に類似している。ペクチナーゼは、植物繊維原料中のペクチン、ヘミセルロースおよびリグニンを分解し、製紙用途の要求に応じて束状繊維または単繊維へ分散させるために用いられる。