６．微生物バイオ産業と環境浄化
2017/1/20,27
6.2 微生物バイオ産業 ヒトは古くから微生物を利用して食品を加工している 近年は、有用物質の産生等にも利用されており、 産業として発展してきている。 Ａ．発酵食品 食品を微生物によって加工したもの 原料食品や使用微生物によって地域特異性がある 酵母： アルコール飲料、パン カビ： 醤油、味噌 バクテリア： チーズ、ヨーグルト、酢、漬け物 @Wikipedia @薩摩酒造
ａ．アルコール飲料 醸造（発酵）酒 アルコール度数 は低いが、 芳香性が強い 蒸留酒 醸造酒を蒸留 高アルコール 混成酒 アルコールに 香料、糖、樹皮、 果汁、色素等を 添加したもの
1. 醸造酒 発酵形式 単発酵酒： 糖類を原料にして酵母で発酵する ワイン 複発酵酒： デンプンを原料にして糖化と発酵をする 単行複発酵： 糖化後に発酵する ビール 並行複発酵： 糖化と発酵を同時にする 日本酒 5 ブドウ 破砕 果汁 ＋酵母 発酵 ワイン 大麦 発芽 麦芽 糖化 麦汁（糖） ＋酵母 発酵 ビール 米 麹 日本酒 発酵 ＋麹菌 米 ＋酵母 酒母 米 もろみ 糖化
1) ワイン ブドウを単発酵させた、アルコール12%程度の酒 果実中の糖を発酵する 世界最古の酒の一つ（10000年程度） 赤、白、ロゼなどの色、発泡性の有無で分類される 赤ワイン： 赤や黒ブドウの果汁と 果皮存在下に発酵し アントシアニン色素を溶出する タンニンが溶出するので 渋みがでる 白ワイン： 赤ブドウの果皮を除去 または白ブドウを発酵 発酵中に発生する二酸化炭素を @Wikipedia
雑菌、酸化防止 二酸化硫黄を使用する 発酵 古くはブドウ果皮の天然酵母で発酵したが 現在は、培養した Saccharomyces cerevisiae を用いる 7 @Wikipedia
2) ビール 大麦を発芽させた麦芽を糖化して、ホップを加え アルコール5%程度に発酵した単行複発酵酒 歴史は古い（5000年程度） 地域性が非常に高い 酵母の種類、原料等によって分類される エール： Saccharomyces cerevisiae を使用 常温で短時間発酵 二酸化炭素によって酵母が浮く上面発酵 ラガー： Saccharomyces carlsbergensis を使用 低温で長時間発酵、酵母が沈殿する下面発酵 @Wikipedia
製法 大麦を発芽させ、麦粒内にアミラーゼ等の酵素を発現させる 加熱乾燥（焙燥）で発芽を停止し、褐色色素を作る 湯中でデンプンを糖化（麦芽糖、マルトース） ホップ（苦みのもと）を加え、煮沸、濾過して麦汁を作る 酵母で発酵、濾過する 9 @Suntory
3) 清酒 米を原料に、麹でデンプンを糖化しながら 同時に酵母でアルコール発酵する、並行複発酵 アルコール15-‐20%程度 日本で古くから作成される（1000年程度） @朝日酒造
原料 米： 山田錦などを75%程度に精米し、 タンパク、脂質の多い外層を除去する 水： Feの少ない、高硬度な無色透明無味無臭な弱アルカリ水 灘の宮水など 麹： 蒸した米に黄麹 (Aspergillus oryzae) を植菌し 米表面に繁殖させたもの 麹菌はα-‐アミラーゼ、グルコアミラーゼ活性が強く デンプンを糖化する（ブドウ糖） 11 @製品評価技術基盤機構
酒母： 酛（もと）、酵母 Saccharomyces cerevisiae を大量に含んだ種 天然酵母や雑菌汚染の防止のため、乳酸を大量に含む 生酛系： 天然の乳酸菌に乳酸を生成させる １月程度かかる 生酛 麹と水を桶に入れ、すりつぶした後（山卸）、 空気中の乳酸菌を取り込み乳酸を産生させ、 酵母を加えて増殖させる 山廃 山卸を廃止したもの 即醸系： 市販の乳酸を使用する、２週間程度かかる
醪： もろみ、醸造の本発酵時の液体 酒母に、蒸米、麹、水を３回に分けて加え（三段仕込み） 糖化と発酵を並行して安定に進める ２０日程度で発酵が終わる アルコール添加： 香味、味の調整、増量のために 醸造アルコールを加える 圧搾： 酒かすと生酒を分離 ろ過： 細かい滓を除く 火入れ： ６０度程度で酵母などを殺菌、酵素を失活する、劣化防止 純米酒： 白米、米麹、水だけを原料として製造 本醸造： 精米歩合70%以下の白米、米麹、水と醸造アルコール 吟醸酒： 精米歩合60%以下のもの 大吟醸： 精米歩合50%以下のもの 13
2. 蒸留酒 醸造酒は、アルコール15-‐20%が限界なので 保存性などのため高アルコール化するため 醸造酒を蒸留する アルコール40-‐80%程度、エキス分は少ない 1) ウイスキー イギリス、アメリカ、カナダなどで発達 大麦、トウモロコシが原料 麦芽で糖化して、酵母で発酵した後、蒸留機で蒸留し 樽の中で長期保存したもの
2) ブランデー ワインなどの果実酒を蒸留し、樽に貯蔵したもの ブドウ： コニャック、マール リンゴ： カルバドス 3) 焼酎 イモ類、穀類、糖などを原料として発酵し、蒸留したもの 日本独特の蒸留酒 連続式蒸留焼酎 糖蜜などを発酵し、連続蒸留機で高純度アルコールにしたもの 個性に乏しく、チューハイやリキュールのベースにする 焼酎甲類 15 @Suntory
単式蒸留焼酎 温暖な地方で作るため、黒麹 Aspergillus awamori、 白麹 Aspergillus kawachii などの酸を生産するものを用いる おもにコメを原料に麹を作成し、酵母で一次発酵した後 イモ、ムギ、コメ、ソバ、黒糖などで二次発酵してモロミとし、 蒸留する 単蒸留のため原料由来の成分が残り個性を持つ 焼酎乙類 @製品評価技術基盤機構 Aspergillus awamori Aspergillus kawachii Aspergillus oryzae
4) ラム酒 サトウキビの糖汁を Saccharomyces などで発酵し 蒸留したもの。 カリブ海が発祥 5) ウォッカ 小麦、ライ麦、ジャガイモ、トウモロコシなどを原料に 麦芽で糖化した後、発酵し、蒸留し、炭でろ過したもの ロシア、ポーランドなど 6) ジン 大麦麦芽、ライ麦、トウモロコシなどを原料に発酵蒸留し ネズの実で香味付けしたもの 17 @Suntory
3. 混成酒 1) みりん、白酒 焼酎にコメ麹と蒸したもち米を仕込み、でんぷんを糖化したもの アルコール中なので酵母は働かず、糖は減少しないため 最終でアルコール14%、糖40-‐50%程度になる ろ過をすればみりんに、途中でモロミをすりつぶせば白酒になる 2) 混合酒 醸造酒や蒸留酒に砂糖、草根木皮、薬剤を加えたもの リキュール： 果実・ハーブエキス、糖、香料、色素を加えたもの 薬味酒： 生薬に砂糖を加え、焼酎で抽出したもの
ｂ．調味食品 1) しょうゆ 小麦、大豆、食塩を原料に麹、酵母、細菌を作用させてつくる 日本で独自に発展した調味料 ６ヶ月〜１年程度でできる 19 @伝統デザイン工房
原料 大豆： 丸大豆または脱脂大豆を蒸煮したもの 小麦： 炒煎して粉砕したもの 塩： 18-‐23%程度の塩水
麹： タンパク質分解活性が強い Aspergillus oryzae と A. sojae 初期に働き、アミノ酸や糖が生成する 細菌： Tetragenococcus halophius 耐塩性のしょうゆ乳酸菌 中期に働き、糖から乳酸が生成し、pHを下げる 酵母： Zygosaccharomyces rouxii 耐塩性のしょうゆ酵母 アルコール、有機酸、エステルなどの生成 耐塩性 Candida 族 (C. versa=lis など) 後熟、香気成分の生成
2) みそ 米みそ、麦みそ、マメみそなど コメ、オオムギ、ハダカムギ、コムギ、ダイズ等を原料に 麹を用いて発酵する 21
原料 コメ（ムギ）： 蒸煮してコウジ菌を接種し麹にする ダイズ： 蒸煮して麹と混合する 赤みそでダイズの30%程度 白みそでダイズの1-‐2倍 塩： 4-‐8%（甘みそ）10-‐13%（辛みそ） 麹： A. oryzae 酵母など： Z. rouxii、Cadida などが熟成時に働く
3) 食酢 3-‐4%の酢酸を主成分に、糖類、アミノ酸、エステル等を含む 欧米は果実、糖蜜、果実酒から 日本はコメ、酒粕、アルコール、麦芽から作成する 米酢 コメを原料とする食酢 コメ麹をつくり糖化した後、酵母でアルコール発酵し、 酢酸菌 Acetobacter ace= で酢酸発酵させる 黒酢 玄米を原料にして作成した褐色の酢 瓶壷で長期静置発酵したものは鹿児島の特産 酢酸菌 Acetobacter pasteurianus で酢酸発酵する 23
ｃ．乳製品 1) チーズ 牛乳、ヤギ乳等を原料に微生物発酵したもの 原料乳を殺菌後、21-‐32℃でスターターを1-‐2%加え乳酸発酵する 酸度0.18-‐0.2%でレンネットを加え凝固させカードにする カードから乳清（ホエー）を除去し、整形する 熟成： 5-‐15℃で5-‐8ヶ月 乳酸菌、プロピオン酸菌が働く カビを生やす場合もある
スターター： 乳酸菌、プロピオン酸菌、青カビ等の培養物 乳中のラクトースから乳酸の生成 乳酸によるカード生成の促進 熟成による独特の風味の付与 低温生育型乳酸菌 Streptococcus lac=s S. cremoris 高温育成型乳酸菌 S. thermophilus Lactobacillus bulgaricus プロピオン酸菌 Propionobacterium shermanii 青カビ Penicillium roquefor= 白カビ P. camember= レンネット： タンパク質凝固酵素レンニンを含む製剤 子牛の第四胃から調整する 25
2) 発酵乳 乳を乳酸菌や酵母で発酵して糊状や液状にしたもの ヨーグルト： 脱脂乳に8-‐9%の砂糖を添加し、殺菌後 33-‐35℃でスターターと香料を加え発酵、凝固させる
L. bulgaricus、S. thermophilus、S. lac=s、S. cremoris が使用される
プレーンヨーグルトは加糖しない 乳酸飲料： 脱脂乳に L. acidophilus 系のスターターを加え 38度で24時間発酵し、砂糖、香料等を加える
d. その他
1) 納豆
ダイズと Bacillus sub=lis naCo を用い部分発酵したもの 菌体外成分ポリグルタミン酸とフラクタンが粘性物質 ２） パン 小麦粉と水等を練り、パン酵母 Saccharomyces cerevisiae で発酵し、焼成したもの 27 @パン食普及協議会
6.5 微生物と環境浄化 微生物は 様々な物質を炭素源、窒素源、エネルギー源として 分解し利用して増殖する 環境浄化では微生物の分解作用を利用する 利点 1) 多種多様な微生物の存在 2) 様々な化合物を利用できる 多種類の汚染物質に対応できる 3) 増殖速度が非常に速い 代謝速度が速い 4) 極限環境でも増殖する 100℃以上の高温、氷点下の低温、高圧下でも分解できる 5) 変異しやすい
Ａ. バイオレメディエーション 微生物によって環境汚染を人為的に修復する過程 土壌、地下水、海洋汚染、有機廃棄物の浄化修復に利用 特にジクロロジフェニルトリクロロエタン (DDT)、 ポリクロロビフェニル (PCB)、ダイオキシン等の 難分解性物質の分解に期待される 29
1) 芳香族アミンの分解
アニリンの分解
2) 塩素化合物の分解 PCBの分解 ビフェニルを分解できる Pseudomonas 属などが分解 ダイオキシンの分解 Pseudomonas 属、Burkholderia 族などが分解可能 31
Ｂ. in situ 菌叢の自浄作用と培養菌投与による浄化 バイオスティミュレーション： 汚染現場の土着の微生物を活性化して自浄作用の促進を図る 微生物の栄養剤を投与して増殖させる バイオオーギュメンテーション： 汚染物質の分解に効果を持つ浄化微生物を 人工的に培養して汚染現場に導入する 石油分解性菌、メタン資化菌、フェノール分解菌等を導入する
Ｃ．コンポスト（堆肥）化 a. コンポスト化 糞尿、生ゴミ、食品廃棄物等を発酵して堆肥にして再利用する b. コンポスト化の物質変動 1) 易分解物質の分解期 糖、デンプン、タンパク質等を利用して中温菌群が増殖して 発酵熱によって温度が上昇する 2) 難分解物質の分解期 40℃以上になり、中温菌群が減少して、 耐熱細菌、Bacillus、clostridium 等が増加し セルロース等を分解する、70℃程度になる 3) 未利用物質分解期 発酵熱が低下すると、中温性の Myxococcus, Cystbacter、 真菌の Coprinus, Humicola がリグニン、不溶性窒素化合物 を分解する 33
c. コンポストフローラの構成 主に細菌、真菌、原虫等が構成 糞尿由来の腸管微生物、土壌微生物から 栄養状態、環境耐性などによって変遷して行く d. 自然発酵 コンポスト化だけでなく、牧草のサイレージ発酵、 反芻動物のルーメン発酵、土壌の腐植層形成、 汚水処理等の過程
Ｄ．水処理
排水を好気的方法（活性汚泥法、生物膜法等）や
嫌気的方法（メタン発酵法）で処理し有機物を除去する
ａ．汚濁指数
1) BOD (Biological oxygen demand)
汚水中の有機物が微生物の呼吸作用で酸化されるときに 消費した酸素量
2) COD (Chemical oxygen demand)
水中の有機物を化学的に酸化したときの酸素消費量
3) SS (Suspended solids) 水中に浮遊する懸濁物質
ｂ．活性汚泥法 排水の懸濁物を沈殿除去した後、 通気中で活性汚泥に接触させて有機物を吸着酸化した後 沈殿槽で活性汚泥と処理水に分離する 活性汚泥は、細菌、原虫、微小動物からなる凝集塊 37
ｃ．メタン発酵法 有機物を通気せずに処理すると まず通性嫌気性菌によりデンプン、タンパク、脂質が分解され 有機酸、アンモニア等が生成し、 次いで偏性嫌気性菌のメタン細菌が、有機酸等を メタンや二酸化炭素に分解する メタンは燃料として利用できる
ｄ．窒素、リンの除去 窒素（硝化、脱窒法） 好気条件で硝化菌によってアンモニアを硝酸にし 嫌気条件で脱窒菌によって硝酸を窒素にして除去する リン リンを蓄積する Pseudomonas 属や Arthrobacter 属を用いて 排水から細胞にリンを取り込み、細菌汚泥を除去する 39
まとめ 微生物による生産物 １． 発酵食品 アルコール飲料 調味料 乳製品 微生物による環境浄化 １． バイオレメディエーション ２． コンポスト化 ３． 水処理
