【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脂溶性色素であるカロテノイド、例えばアスタキサンチンなどを合成培地で製造する方法に関するものである。アスタキサンチンは養殖サケ・マス・マダイや鶏卵の色調改善剤、健康補助食品、医薬品として有用な化合物である。
【0002】
【従来の技術】
カロテノイド系色素としては、例えばアスタキサンチン、β‐カロチン、リコペンなどがあげられるが、例えばアスタキサンチンは、オキアミ、カニ、エビなどの甲殻類やマダイ、サケ、マスなどの魚類、フラミンゴなどの鳥類、藻類や微生物等に広く分布する天然の化合物である。近年、アスタキサンチンはサケやマス、マダイ等の養殖魚や鶏卵の色調改善剤として需要が増加している他、抗酸化活性や抗癌活性などの様々な生理的作用が確認され、医薬品や健康補助食品としての利用も注目されている。
【0003】
カロテノイドの製造方法としては、化学合成品、天然物からの抽出品、微生物による発酵生産品などがあるが、現在は主に価格等の要因から化学合成品が使われている。しかし、化学合成品は原料に臭素および塩素を含むハロゲン系化合物や重金属類を使用するため安全性に懸念があり(例えば特許文献1参照)、消費者の自然、天然志向にともない天然物由来のカロテノイドが注目されている。天然物からの抽出品としては、例えばアスタキサンチンはオキアミ等からの抽出品があるが、これらは含量が低く、採取、抽出、精製などに多大な労力を要し、コスト的に問題があった。
【0004】
微生物を利用した製法としては、酵母ではファフィア・ロドチーマ(Phaffia rhodozyma)(例えば非特許文献1参照)、藻類ではヘマトコッカス・プルビアリス(Hematococcus pluvialis)(例えば非特許文献2参照)、細菌ではアグロバクテリウム・アルランティアカス(例えば非特許文献3参照)の報告がある。
【0005】
ファフィア酵母は増殖速度が遅いため培養日数が長く、細胞壁の破壊が困難なために抽出効率が低く、含量が少ないためコスト高である。ヘマトコッカス藻類は増殖速度が非常に遅いために非常に培養日数が長く、光を必要とするため立地条件や設備などに制約がある他、クロロフィルなどの夾雑物の除去が必要になりコスト高である。細菌による方法は増殖速度が早いため培養時間が短く、細胞壁が破壊し易いため抽出が容易で、カロテノイドの工業的生産に適している。
【0006】
微生物による発酵生産を行なう場合、原料に用いる培地は安価で品質が安定したものが好ましい。一般に発酵生産培地には酵母エキスやモルトエキス、肉エキスなどのエキス類や、カゼイン、大豆、とうもろこしなどの蛋白質を加水分解したペプトンなどを原料に用いる天然培地がよく使われる。これらはアミノ酸やペプチド、核酸、無機塩、ビタミン、金属等の様々な成分を含み、多くの微生物の栄養要求性に対応できる優れた培地であるが、高価なため培地コストの上昇を招く他、生育に必須な栄養成分が早く枯渇しやすいため途中で増殖が止まったり、更に成長阻害物質を分泌して増殖が停止するなどの欠点を有している。また、多種の成分からなるため一定な品質を安定供給することに問題があり、そのため化学的に単一な成分を用いた合成培地の方が好ましいものである。
【0007】
【特許文献1】
米国特許第4283559号明細書
【非特許文献1】
Andrewes,A.G.ら、Phytochemistry,15,1003,1976
【非特許文献2】
Renstrom,Bら、Phytochemistry,20,2561,1981
【非特許文献3】
Yokoyama,Aら、Biochem.Biotech.Biochem.,58,1842,1994
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、酵母エキスやモルトエキス、肉エキスなどのエキス類やペプトンなど蛋白質分解物を原料とする天然培地を用いなくとも、化学的に単一な物質を原料とし、それを組合わせて得られた合成培地を用いてアスタキサンチンなどのカロテノイドを生産する方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、炭素源にグルコースなどの糖類や有機酸などを、窒素源に硫酸アンモニウムなどのアンモニウム塩やアミノ酸などを、無機塩にリン酸カリウム、塩化ナトリウム、硫酸マグネシウム、塩化カルシウム、硫酸鉄などを用いた合成培地に、ニコチン酸とチアミンの一方もしくは双方を加えることによって、細菌がカロテノイド特にアスタキサンチンを顕著に生産すること見出し、本発明を完成するに至った。
【0010】
即ち本発明は、ニコチン酸及び/又はチアミンを含有する合成培地を用いてカロテノイド生産性細菌を培養し、菌体又は培養液からカロテノイドを回収することを特徴とする、カロテノイドの製造法である。以下に本発明を更に詳細に説明する。
【0011】
本発明の合成培地の成分は炭素源、窒素源、無機塩、ニコチン酸およびチアミンの一方又は双方などから成るが、化学的に単一な物質を原料とし、それによってカロテノイドを生産し得るものであればいずれを使用してもよい。例えば炭素源にはグルコース、フルクトース、マルトース、ショ糖、デンプン、乳糖、グリセロールなどの糖類や、酢酸、オレイン酸などの有機酸が、窒素源には酢酸アンモニウム、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム等のアンモニウム塩等やグルタミン酸、アスパラギン酸、グリシン等のアミノ酸類、無機塩にはリン酸1ナトリウム、リン酸2ナトリウム、リン酸1カリウム、リン酸2カリウム等のリン酸塩や塩化ナトリウムなどが、金属イオンには塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム、硫酸第1鉄、硫酸第2鉄、塩化第1鉄、塩化第2鉄、クエン酸鉄、硫酸アンモニウム鉄、塩化カルシウム・2水和物、硫酸カルシウムなどが使用できる。またニコチン酸やチアミンは各種の塩の形で使用してもよく、またフリーの形で使用してもよい。
【0012】
合成培地中の各成分の濃度は、菌株が増殖しカロテノイドを生産し得るものであればいずれの濃度でもよいが、好ましくは炭素源の糖類が0.1%から10%、窒素源の無機アンモニウム塩やアミノ酸が0.01%から3%、無機塩類のリン酸カリウム塩やリン酸ナトリウム塩が0.01から1%、硫酸マグネシウムなどのマグネシウムイオンが0.1から10mM、塩化カルシウムなどのカルシウムイオンが0.01から5mM、硫酸鉄などの鉄イオンが0.01から5mMである。ニコチン酸及び/又はチアミンの濃度には特に限定はないが、ニコチン酸の濃度は0.01μMから0.1mMが好ましく、チアミンの濃度は0.01μMから0.1mMが好ましい。また必要に応じて更に亜鉛、ニッケル、マンガン、銅、モリブデン酸などの金属イオンやビオチン、パンテトン酸、ピリドキシン、p−アミノ安息香酸、リボフラビン、葉酸、アスコルビン酸などのビタミンを添加してもよい。
【0013】
本発明で用いられる細菌としてはカロテノイド生産性のものであれば特に限定はないが、例えばアグロバクテリウム属細菌を用いることができ、中でもアグロバクテリウム・アウランティアカス sp.nov. N−81106(独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センターにFERM P−14023として寄託されている)や、その変異株が好ましい。そのような変異株としては、例えばカロテノイドの生産性を改良された菌株をあげることができ、例えばアグロバクテリウム属細菌の菌株TSUG1C11(独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センターにFERM P−19416として寄託されている)をあげることができる。
【0014】
本発明において細菌の培養条件については特に制限はないが、アグロバクテリウム属細菌の場合は振とう培養や通気攪拌培養等の好気的な条件が好ましく、培養時間としては24時間〜168時間程度、培養温度としては15〜35℃付近が好ましく、pHとしては6〜9が好ましい。なお培養液中の菌体濃度は、乾燥重量法、濁度法、菌数計算法などで測定できるが、操作が簡便な濁度法が適している。このようにして培養した菌体または培養液よりカロテノイドを回収する。回収の方法には特に限定はなく、カロテノイドが安定に効率良く回収されればいずれの方法でもよい。例えばカロテノイドを菌体から抽出する場合、抽出溶媒としてはメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジクロロメタン、クロロフォルム、ジメチルフォルムアミド、ジメチルスルフォキシド等を用いればよい。抽出されたカロテノイドの定量は、各種カロテノイドが分離され定量性に優れる高速液体クロマトグラフィーにより行うことができる。
【0015】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0016】
カロテノイドの定量法
カロテノイドの定量は逆相カラムを用いた高速液体クロマトグラフィーにて行い、操作手順は以下のように行なった。培養液1.0mlを14,000回転、5分間遠心分離により菌体を回収し、20μlの純水を加えチューブミキサーにて10分間懸濁させた。次いで純水に対して450μlのアセトンを加え、更に30分間チューブミキサーにて攪拌した後、14,000回転、5分間遠心分離を行ない上清を回収し、一部を高速液体クロマトグラフィー(TSK−gel ODS−80TM、商品名、東ソー(株)製を使用)にて生成したカロテノイドを定量した。
【0017】
比較例1
以下の組成の培地(バクトペプトン0.5%、バクトイーストエキストラクト0.1%、酢酸ナトリウム0.1%、リン酸鉄40mg/L、グルコース1%)75mlが入った200ml容の三角フラスコにアグロバクテリウム・アウランティアカス sp.nov. N−81106を植菌し、20℃で1日間、毎分100回転で振とう速度にて培養した。得られた培養液3mlを以下に示す組成の培地(リン酸2カリウム0.36%、リン酸1カリウム0.12%、グルコース0.5%、硫酸アンモニウム0.1%、硫酸マグネシウム7水和物3mM、塩化カルシウム2水和物0.6mM、硫酸第1鉄7水和物0.1mM)300mlが入ったひだ付きの500ml容三角フラスコに植菌し、20℃で5日間、毎分100回転で振とう培養した。培養終了後、660nmの吸光度を測定したところ0.82だった。培養液の色調はカロテノイド類特有の黄色から赤色を示さず、カロテノイドは得られなかった。
【0018】
実施例1
比較例1に示した本培養の培地に対して、ニコチン酸をそれぞれ0.2μM、1.0μM、2.0μM、又は10μMの濃度になるように加えたこと以外は、比較例1と同様な条件にて培養を行った。各ニコチン酸濃度における培養の培養液の660nmの吸光度、総カロテノイド濃度、アスタキサンチン濃度を表1に示した。ニコチン酸の添加によりカロテノイド、アスタキサンチンとも良好に生産された。
【0019】
【表1】
実施例2
比較例1に示した本培養の培地に対して、塩酸チアミンをそれぞれ0.1μM、1.0μM、3.3μM、又は10μMの濃度になるように加えたこと以外は、比較例1と同様な条件にて培養を行った。各濃度における培養の培養液の660nmの吸光度、総カロテノイド濃度、アスタキサンチン濃度を表2に示した。チアミンの添加によりカロテノイド、アスタキサンチンとも良好に生産された。
【0020】
【表2】
実施例3
比較例1に示した本培養の培地に対して、ニコチン酸を2μMおよび塩酸チアミンを1μMの濃度になるように加えたこと以外は、比較例1と同様な条件にて培養を行った。培養終了後の培養液の660nmの吸光度は4.88を示し、総カロテノイド濃度2.07mg/L、アスタキサンチン濃度0.97mg/Lの生産量が得られた。ニコチン酸およびチアミンの双方の添加により、総カロテノイド濃度およびアスタキサンチン濃度とも一方のみを添加したときより増加するという相乗効果がみられ、後述の比較例2に示した酵母エキスと同等以上のカロテノイド及びアスタキサンチンの生産効率を示した。
【0021】
比較例2
比較例1に示した本培養の培地に対して、酵母エキスを0.1%の濃度になるように加えたこと以外は、比較例1と同様な条件にて培養を行った。培養終了後、培養液の660nmの吸光度は5.30を示し、総カロテノイド濃度1.89mg/L、アスタキサンチン濃度0.64mg/Lの生産量を示した。
【0022】
【発明の効果】
本発明によって、高価な酵母エキスなどのエキス類やペプトンなどの蛋白質分解物を使用しなくても、合成培地によってアスタキサンチンなどのカロテノイドの生産が可能となった。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a carotenoid that is a fat-soluble pigment, such as astaxanthin, in a synthetic medium. Astaxanthin is a compound that is useful as a cultured salmon, trout, red sea bream and egg color improver, health supplement, and pharmaceutical.
[0002]
[Prior art]
Examples of carotenoid pigments include astaxanthin, β-carotene, lycopene, etc. It is a natural compound widely distributed in microorganisms and the like. In recent years, astaxanthin has been increasing in demand as a color-improving agent for cultured fish such as salmon, trout and red sea bream and chicken eggs, and various physiological effects such as antioxidant activity and anti-cancer activity have been confirmed. The use as is attracting attention.
[0003]
As methods for producing carotenoids, there are chemically synthesized products, extracts from natural products, fermentation products by microorganisms, and the like, but currently chemically synthesized products are mainly used due to factors such as price. However, since chemically synthesized products use halogen compounds and heavy metals containing bromine and chlorine as raw materials, there are concerns about safety (see, for example, Patent Document 1), and they are derived from natural products due to the natural and natural orientation of consumers. Carotenoids are attracting attention. As an extract from a natural product, for example, astaxanthin includes an extract from krill and the like, but these have a low content, and much labor is required for collection, extraction, purification, etc., and there is a problem in cost.
[0004]
Production methods using microorganisms include Phaffia rhodozyma (for example, see Non-Patent Document 1) for yeast, Hematococcus pluviaris (for example, Non-Patent Document 2) for algae, and Agrobacterium for bacteria. There is a report of Arrantiacus (for example, see Non-Patent Document 3).
[0005]
Phaffia yeast has a slow growth rate and thus has a long culture period, and it is difficult to destroy the cell wall, so that the extraction efficiency is low and the content is low, so that the cost is high. Haematococcus algae has a very slow growth rate, so it has a very long culture period and requires light.Therefore, there are restrictions on location conditions and facilities, and it is necessary to remove contaminants such as chlorophyll. is there. The method using bacteria has a high growth rate and thus a short culture time, and the cell wall is easily destroyed, so that extraction is easy and it is suitable for industrial production of carotenoids.
[0006]
When performing fermentation production with microorganisms, a medium used as a raw material is preferably inexpensive and stable in quality. In general, as a fermentation production medium, a natural medium using extracts such as yeast extract, malt extract, meat extract, and peptone hydrolyzed with proteins such as casein, soybean, and corn as raw materials is often used. These include various components such as amino acids, peptides, nucleic acids, inorganic salts, vitamins, metals, etc., and are excellent media that can cope with the nutritional requirements of many microorganisms. Nutritional components essential for growth are fast and easily depleted, so that growth stops, and growth inhibitors are secreted to stop growth. In addition, since it is composed of various components, there is a problem in stably supplying a certain quality, and therefore a synthetic medium using a chemically single component is preferable.
[0007]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 4,283,559 [Non-Patent Document 1]
Andrews, A.M. G. Phytochemistry, 15, 1003, 1976.
[Non-Patent Document 2]
Renstrom, B et al., Phytochemistry, 20, 2561, 1981.
[Non-Patent Document 3]
Yokoyama, A et al., Biochem. Biotech. Biochem. , 58, 1842, 1994
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention can be obtained by combining chemically single substances as raw materials and combining them without using a natural culture medium such as yeast extract, malt extract, meat extract and other protein degradation products such as peptone. An object of the present invention is to provide a method for producing carotenoids such as astaxanthin using the obtained synthetic medium.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention use sugars such as glucose and organic acids as a carbon source, ammonium salts such as ammonium sulfate and amino acids as a nitrogen source, and potassium phosphate, sodium chloride, magnesium sulfate, calcium chloride, and iron sulfate as inorganic salts. By adding one or both of nicotinic acid and thiamine to a synthetic medium using the above, it has been found that bacteria produce carotenoids, particularly astaxanthin, and the present invention has been completed.
[0010]
That is, the present invention is a method for producing carotenoids characterized by culturing carotenoid-producing bacteria using a synthetic medium containing nicotinic acid and / or thiamine and recovering carotenoids from the cells or the culture solution. The present invention is described in further detail below.
[0011]
The composition of the synthetic medium of the present invention comprises a carbon source, a nitrogen source, an inorganic salt, one or both of nicotinic acid and thiamine, etc., and is a chemical single material that can produce carotenoids. Any one can be used. For example, saccharides such as glucose, fructose, maltose, sucrose, starch, lactose, glycerol and organic acids such as acetic acid and oleic acid are used as the carbon source, and ammonium salts such as ammonium acetate, ammonium chloride, and ammonium sulfate are used as the nitrogen source. And amino acids such as glutamic acid, aspartic acid, glycine, inorganic salts include phosphates such as monosodium phosphate, disodium phosphate, monopotassium phosphate, dipotassium phosphate, and sodium chloride. Magnesium chloride, magnesium sulfate, ferrous sulfate, ferric sulfate, ferrous chloride, ferric chloride, iron citrate, ammonium iron sulfate, calcium chloride dihydrate, calcium sulfate and the like can be used. Nicotinic acid and thiamine may be used in the form of various salts or in a free form.
[0012]
The concentration of each component in the synthetic medium may be any concentration as long as the strain can grow and produce carotenoids, but is preferably 0.1% to 10% of saccharide as a carbon source and inorganic ammonium as a nitrogen source. 0.01 to 3% of salts and amino acids, 0.01 to 1% of inorganic salts such as potassium phosphate and sodium phosphate, magnesium ions such as magnesium sulfate 0.1 to 10 mM, calcium such as calcium chloride The ion is 0.01 to 5 mM, and the iron ion such as iron sulfate is 0.01 to 5 mM. The concentration of nicotinic acid and / or thiamine is not particularly limited, but the concentration of nicotinic acid is preferably 0.01 μM to 0.1 mM, and the concentration of thiamine is preferably 0.01 μM to 0.1 mM. If necessary, metal ions such as zinc, nickel, manganese, copper, and molybdic acid, and vitamins such as biotin, pantetonic acid, pyridoxine, p-aminobenzoic acid, riboflavin, folic acid, and ascorbic acid may be added.
[0013]
The bacterium used in the present invention is not particularly limited as long as it is a carotenoid-producing bacterium, and for example, Agrobacterium genus bacteria can be used, and among them, Agrobacterium aurantiacus sp. nov. N-81106 (deposited as FERM P-14023 at the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Patent Biological Deposit Center) and its mutants are preferred. Examples of such mutant strains include strains with improved carotenoid productivity. For example, Agrobacterium strain TSUG1C11 (incorporated by the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) FERM P- (Deposited as 19416).
[0014]
In the present invention, the culture conditions for bacteria are not particularly limited, but in the case of Agrobacterium, aerobic conditions such as shaking culture and aeration-agitation culture are preferable, and the culture time is about 24 to 168 hours. The culture temperature is preferably around 15 to 35 ° C., and the pH is preferably 6 to 9. The bacterial cell concentration in the culture solution can be measured by a dry weight method, a turbidity method, a bacterial count calculation method, or the like, but a turbidity method with a simple operation is suitable. Carotenoids are recovered from the cells or the culture medium thus cultured. The recovery method is not particularly limited, and any method may be used as long as carotenoids are stably and efficiently recovered. For example, when carotenoids are extracted from bacterial cells, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, dichloromethane, chloroform, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, or the like may be used as the extraction solvent. Quantification of the extracted carotenoid can be performed by high performance liquid chromatography in which various carotenoids are separated and excellent in quantification.
[0015]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these.
[0016]
Carotenoid Quantification Method Carotenoids were quantified by high performance liquid chromatography using a reversed phase column, and the operation procedure was as follows. Bacterial cells were collected by centrifuging 1 ml of the culture solution at 14,000 rpm for 5 minutes, added with 20 μl of pure water, and suspended in a tube mixer for 10 minutes. Next, 450 μl of acetone was added to the pure water, and the mixture was further stirred with a tube mixer for 30 minutes, and then centrifuged at 14,000 rpm for 5 minutes to recover the supernatant. gel ODS-80TM, trade name, manufactured by Tosoh Corporation) was used to quantify carotenoids.
[0017]
Comparative Example 1
In a 200 ml Erlenmeyer flask containing 75 ml of a medium having the following composition (Bacto peptone 0.5%, Bacto yeast extract 0.1%, Sodium acetate 0.1%, Iron phosphate 40 mg / L, Glucose 1%) Agrobacterium aurantiacus sp. nov. N-81106 was inoculated and cultured at 20 ° C. for 1 day at a shaking speed of 100 revolutions per minute. 3 ml of the obtained culture broth was cultured in the following composition (dipotassium phosphate 0.36%, potassium phosphate 0.12%, glucose 0.5%, ammonium sulfate 0.1%, magnesium sulfate heptahydrate. 3mM, calcium chloride dihydrate 0.6mM, ferrous sulfate heptahydrate 0.1mM) inoculated into 300ml pleated 500ml Erlenmeyer flask, 100 rpm for 5 days at 20 ° C Incubated with shaking. After completion of the culture, the absorbance at 660 nm was measured and found to be 0.82. The color tone of the culture broth did not show the yellow to red characteristic of carotenoids, and no carotenoid was obtained.
[0018]
Example 1
The same as Comparative Example 1 except that nicotinic acid was added to the medium of the main culture shown in Comparative Example 1 to a concentration of 0.2 μM, 1.0 μM, 2.0 μM, or 10 μM, respectively. Culture was performed under conditions. Table 1 shows the absorbance at 660 nm, the total carotenoid concentration, and the astaxanthin concentration of the culture solution at each nicotinic acid concentration. Both carotenoids and astaxanthin were successfully produced by the addition of nicotinic acid.
[0019]
[Table 1]
Example 2
The same as Comparative Example 1 except that thiamine hydrochloride was added to the medium of the main culture shown in Comparative Example 1 to a concentration of 0.1 μM, 1.0 μM, 3.3 μM, or 10 μM, respectively. Culture was performed under conditions. Table 2 shows the absorbance at 660 nm, the total carotenoid concentration, and the astaxanthin concentration of the culture solution at each concentration. Carotenoids and astaxanthin were both successfully produced by the addition of thiamine.
[0020]
[Table 2]
Example 3
The culture was carried out under the same conditions as in Comparative Example 1 except that nicotinic acid was added to a concentration of 2 μM and thiamine hydrochloride at a concentration of 1 μM to the medium for main culture shown in Comparative Example 1. The absorbance at 660 nm of the culture solution after completion of the culture was 4.88, and a production amount with a total carotenoid concentration of 2.07 mg / L and an astaxanthin concentration of 0.97 mg / L was obtained. By adding both nicotinic acid and thiamine, there is a synergistic effect that both the total carotenoid concentration and the astaxanthin concentration are increased more than when only one is added. Showed production efficiency.
[0021]
Comparative Example 2
Culturing was performed under the same conditions as in Comparative Example 1 except that the yeast extract was added to the main culture medium shown in Comparative Example 1 to a concentration of 0.1%. After completion of the culture, the absorbance at 660 nm of the culture solution was 5.30, indicating a production amount of a total carotenoid concentration of 1.89 mg / L and an astaxanthin concentration of 0.64 mg / L.
[0022]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to produce carotenoids such as astaxanthin using a synthetic medium without using expensive extracts such as yeast extract or protein degradation products such as peptone.