微生物油

単細胞油、別名微生物油は、細胞内貯蔵脂質である トリアシルグリセロールで構成されています。これは、同じく生物学的に生成される植物油に類似しています。植物油は、バクテリア、カビ、藻類、酵母などの油性微生物によって生成され、バイオマスの20%から80%の脂質を蓄積することができます。[1]脂質の蓄積は対数増殖期の終わりまでに起こり、栄養制限によって炭素源が減少し始めるまで、定常期の間継続します。

最も重要な供給源は、食物をトリグリセリドに変換し、炭水化物を与えると生成された脂質を蓄積することができる酵母のいくつかの種です。[2]農業残渣、例えば廃糖蜜などの不純な炭水化物は油の生産のための原料として使用できることから、微生物油の生産はバイオディーゼルの生産のために研究されてきました。 [3]

SCOの生産

SCOの微生物生産は、液中発酵（SmF）または固体発酵（SSF）によって行うことができます。最も頻繁に使用される炭素源はグルコースです。[4]モルティエラ・イサベリナ（Mortierella isabellina）を用いて、キシロース、グルコース、フルクトースを基質として、60％を超える細胞脂質含有量が生成されました。[4] 適切な炭素源の選択は重要ですが、窒素源がSCOの蓄積に影響を与えます。また、文献では、有機および無機窒素源が個別または組み合わせて使用​​されています。これらには、酵母エキス、尿素、ペプトン、グリシン、KNO 3、NH 4 NO 3、および（NH 4）2 SO 4が含まれます。[5] C/N比は脂質の蓄積に影響を与えます。報告されている比率は、35～340 mol mol−1の範囲です。[6]原則として、油性微生物は、バッチ培養、流加培養、または連続培養として培養できます。撹拌タンク反応器でM. alpinaを培養すると、振盪フラスコに比べて細胞内に蓄積される脂質が増加した。[7]

混乱

細胞破砕は非常に重要です。細胞破砕の効率は、その後の下流工程や全体的な抽出効率に直接影響するからです。これは、機械的方法と非機械的方法の両方で実現できます。

ビーズミル加工

細胞は粉砕ビーズとバイオマスの衝撃、および圧縮とせん断作用とその結果生じるエネルギー移動によって分解されます。[8]ビーズ粉砕による細胞破壊はシンプルで効果的であり、幅広い微生物に適しています。

均質化

均質化プロセスでは、バイオマスは高圧下でオリフィスから押し出されます。細胞破壊の効率は、適用される圧力、通過回数、および微生物に依存します。

超音波

約 25 kHz の周波数を使用する超音波は、業界で頻繁に使用され、細胞破壊に適していることがわかっているもう 1 つの液体せん断方法です。

減圧

減圧による細胞破壊は、細胞懸濁液を加圧された超臨界ガスと混合し、その後圧力を解放することによって達成されます。細胞内に侵入したガスは圧力解放時に膨張し、高圧によって細胞破壊を引き起こします。

浸透圧ショック

浸透圧ショックは、高濃度の溶質（例えば、塩や糖など）を含む培地に細胞を曝露し、その後培地を急激に希釈することで細胞内圧を上昇させることで生じます。細胞壁を持つ微生物は、浸透圧ショックによって破壊されません。

抽出

ソックスレー抽出

ソックスレー抽出器は、1879年にフランツ・ソックスレーによって粉乳からの脂質抽出のために発明されました[9]。固形食品サンプルからの脂質抽出における最も一般的な半連続法の一つです。サンプルは乾燥され、微粉末に粉砕され、抽出チャンバー内の多孔質円筒ろ紙に載せられます。サンプルは、還流下で有機溶媒（当初は石油エーテル）を用いて複数回の洗浄サイクルを経て抽出されます。抽出後、溶媒を蒸発させ、残留物を秤量することで、抽出された脂質の総乾燥質量が得られます。

フォルチ抽出

フォルチ抽出法[10]は、総脂質を回収するための標準的な技術として広く認められています。この方法はもともと、動物組織（脳、肝臓、筋肉）から総脂質を抽出するための簡便な方法として発明され、クロロホルム：メタノール（2：1）の溶媒系を用い、粗抽出物に塩を添加します。粗抽出物を水または塩水で洗浄すると、脂質画分が下相、非脂質画分が上相（水相）に分離する二相系が形成されます。[要出典]

加圧液体抽出

加圧液体抽出（PLE）はソックスレー抽出に似ていますが、高温高圧下で液体溶媒を使用するため、溶解性と物質移動特性が向上し、抽出性能が向上します。サンプルは80～200℃に加熱された抽出セルに入れられます。溶媒は抽出セルにポンプで送り込まれ、一定時間（通常5～10分）加圧下（10～20 MPa）で保持されます。その後、新しい溶媒が注入され、抽出物は収集バイアルに保管されます。最後に、加圧窒素を用いて溶媒全体を収集バイアルに押し出します。

超臨界流体抽出

超臨界流体とは、臨界温度と臨界圧力を超えた物質を指します。超臨界状態にある物質は、抽出に適した非常に望ましい特性を有します。つまり、ガスのように固体に浸透して浸透する一方で、脂質やその他の分析対象物質を液体のように溶解します。

アプリケーション

人間の栄養

多価不飽和脂肪酸（PUFA）は、ヒトなどの哺乳類の生体機能維持に不可欠です。ヒトはこれらの必須脂肪酸を合成できないため、魚油や肝臓などの様々な食品源から摂取する必要があります。油脂産生微生物も、これらの脂肪酸の潜在的な供給源となります。工業規模での発酵生産は、液中発酵（SmF）または固体発酵（SSF）によって行うことができます。

バイオディーゼル

SCOはディーゼル（脂肪酸メチルエステルまたはエチルエステル）の製造に使用できます。バイオディーゼルは植物や動物由来の原料から生産できますが、ディーゼル生産には広大な土地が必要となるため、環境への懸念が高まっています。一方、微生物由来の原料はより少ないスペースで生産でき、遺伝子組み換え技術を用いて必要な化合物を大量生産することで生産性を向上させることができます。しかしながら、SCOを用いたバイオディーゼル生産には高いコストがかかるため、商業生産は困難となっています。

油脂化学品

オレオケミカルは通常、植物または動物のトリアシルグリセロールから得られる化学製品と定義されます。[11]現在では、微生物によっても生産できることが分かっています。オレオケミカルには、脂肪酸、脂肪族アルコール、メチルエステルが含まれます。特に脂肪族アルコールおよび脂肪酸と脂肪族アルコールのエステル（ワックスエステル）は、石鹸、洗剤、化粧品添加物、フェロモン、香料など、様々な産業に応用されています。[12]さらに、代謝工学を用いることで、非油性生物から脂肪族アルコールやワックスエステルを生産することも可能です。

参考文献

  1. ^ Boonyarit, Jeerapan; Polburee, Pirapan; Khaenda, Bongkot; Zhao, Zongbao; Limtong, Savitree (2020年3月23日). 「Rhodosporidiobolus fluvialisを用いたサトウキビ頂部加水分解物と粗グリセロールからの脂質生産：2段階バッチ培養戦略と各段階の個別最適化」. Microorganisms . 8 (3): 453. doi : 10.3390 / microorganisms8030453 . PMC  7143989. PMID  32210119.最新世代のバイオディーゼルは微生物脂質から作られています。[...] 油性酵母は、脂質生産中にバイオマスの20%以上を脂質として蓄積できる酵母種です。この種の菌株には、 Cryptococcus albidus、Lipomyces starkeyi、Rhodosporidium toruloides、Rhodotorula glutinis、Yarrowia lipolyticaなどがあり、いずれも広範囲の低コストの基質を利用できることから脂質生産に適した微生物であると考えられています。
  2. ^ Leman, Jacek (1997). 「油性微生物：その潜在能力の評価」応用微生物学の進歩 第43巻 pp.  195– 243. doi :10.1016/S0065-2164(08)70226-0. ISBN 978-0-12-002643-2. PMID  9097415。
  3. ^ Zhu, LY; Zong, MH; Wu, H. (2008年11月). 「Trichosporonfermentansを用いた効率的な脂質生産とバイオディーゼル製造への利用」.バイオリソーステクノロジー. 99 (16): 7881– 7885. Bibcode :2008BiTec..99.7881Z. doi :10.1016/j.biortech.2008.02.033. PMID  18394882.
  4. ^ ab Zeng, Jijiao; Zheng, Yubin; Yu, Xiaochen; Yu, Liang; Gao, Difeng; Chen, Shulin (2013年1月1日). 「Mortierella isabellinaによる脂質生産のための炭水化物源としてのリグノセルロース系バイオマス」. Bioresource Technology . 128 : 385– 391. Bibcode :2013BiTec.128..385Z. doi :10.1016/j.biortech.2012.10.079. PMID  23201519.
  5. ^ 高、ディフェン;ゼン、ジジャオ。鄭裕斌。ユウ、シャオチェン。チェン、シューリン（2013 年 4 月）。 「モルティエラ・イザベリナによるキシロースからの微生物脂質生産」。バイオリソーステクノロジー。133 : 315– 321。書誌コード:2013BiTec.133..315G。土井：10.1016/j.biortech.2013.01.132。PMID  23434808。
  6. ^ Fakas, S.; Papanikolaou, S.; Galiotou-Panayotou, M.; Komaitis, M.; Aggelis, G. (2008年10月). 「トマト廃棄物加水分解物中の有機窒素はCunninghamella echinulataにおけるグルコース吸収と脂質蓄積を促進する」. Journal of Applied Microbiology . 105 (4): 1062– 1070. doi :10.1111/j.1365-2672.2008.03839.x. PMID  18489559. S2CID  23690122.
  7. ^ ストレスラー、ティモ;アイゼル、トーマス。ロスト、ヨハンナ。ハウンシルト、エヴァ＝マリア。クーン、アンドレアス。フィッシャー、ルッツ (2013 年 3 月)。 「液中および固体発酵を使用したモルティエレラ アルピナによる多価不飽和脂肪酸の生産」。ケミー・インヂュニア・テクニック。85 (3): 318–322。土井:10.1002/cite.201200094。
  8. ^ Middelberg, Anton PJ (1995年1月). 「プロセススケールにおける微生物の破壊」. Biotechnology Advances . 13 (3): 491– 551. doi :10.1016/0734-9750(95)02007-P. PMID  14536098.
  9. ^ ソックスレー、F. (1879)。 「Die gewichtsanalytische Bestimmung des Milchfettes」[乳脂肪の重量分析による測定]。Polytechnisches Journal (ドイツ語)。232 : 461– 465. 2018年10月8日のオリジナルからアーカイブ。2021年9月14日に取得。
  10. ^ Folch, Jordi; Lees, M.; Stanley, GH Sloane (1957年5月). 「動物組織からの総脂質の分離・精製のための簡便法」. Journal of Biological Chemistry . 226 (1): 497– 509. doi : 10.1016/S0021-9258(18)64849-5 . PMID  13428781.
  11. ^ ルピリウス、ヴォルフガング、アフマド、サルミア（2006年6月）「変化する油脂化学品の世界」パーム油開発誌：15～ 28ページ。
  12. ^ Noweck, Klaus; Grafahrend, Wolfgang (2006). 「脂肪族アルコール」. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . doi :10.1002/14356007.a10_277.pub2. ISBN 978-3-527-30673-2。

さらに読む

  • オクセンライター、カトリン。グリュック、クラウディア。ストレスラー、ティモ。フィッシャー、ルッツ。クリストフ・シルダク（2016年10月5日）。 「微生物単細胞油の生産戦略と応用」。微生物学のフロンティア。7 : 1539.土井: 10.3389/fmicb.2016.01539。PMC  5050229。PMID  27761130。
  • Madani, M.; Enshaeieh, M.; Abdoli, A. (2017年10月). 「単細胞油とバイオディーゼル生産への応用」. Process Safety and Environmental Protection . 111 : 747– 756. doi :10.1016/j.psep.2017.08.027.
  • Huang, Chao; Chen, Xue-fang; Xiong, Lian; Chen, Xin-de; Ma, Long-long; Chen, Yong (2013年3月). 「低コスト基質からの単細胞オイル生産：その産業化の可能性と潜在能力」Biotechnology Advances . 31 (2): 129– 139. doi :10.1016/j.biotechadv.2012.08.010. PMID  22960618.
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