JP2008283917A - Method for producing lactic acid - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method by which the amount and yield of lactic acid are improved efficiently in the method for producing the lactic acid, by using a yeast having lactic acid-synthesizing ability. <P>SOLUTION: The method for producing the lactic acid includes adding a hydroxide of calcium, magnesium, copper, vanadium, nickel, barium, strontium, cadmium, beryllium, zinc, cobalt, iron or the like to a fermentation medium, and using the yeast (Saccharomyces), to which a lactate dehydrogenase (L-lactate dehydrogenase) gene derived from a frog (Xenopus laevis) is introduced. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、酵母を用いた発酵による乳酸の乳酸製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing lactic acid by fermentation using yeast.

近年、資源循環型社会構築に向け、生物資源由来の材料を用いた工業原料の生産が盛んに行われている。それらの中で生物由来材料である乳酸を原料とするポリ乳酸は、優れた性質を持つポリマーとして注目されており、その原料となる乳酸をいかに安価に供給するかが課題となっている。   In recent years, production of industrial raw materials using materials derived from biological resources has been actively conducted for the construction of a resource recycling society. Among them, polylactic acid using lactic acid, which is a biological material, as a raw material has attracted attention as a polymer having excellent properties, and there is a problem of how to supply lactic acid as the raw material at low cost.

乳酸の生産は、ラクトバチラス(Lactobacillus)属やラクトコッカス(Lactococcus)属に代表される乳酸菌によって主に実施されているが、乳酸を培養液中に多量に蓄積させるためには、乳酸菌が酸性条件下で生育しないため、炭酸カルシウムやアンモニア、あるいは水酸化ナトリウムなどの中和剤を添加した培養を行わなければならず、中和工程や精製工程に多大なコストを要している。   Lactic acid production is mainly carried out by lactic acid bacteria represented by the genus Lactobacillus and Lactococcus, but in order to accumulate a large amount of lactic acid in the culture solution, Therefore, it is necessary to carry out culture with addition of a neutralizing agent such as calcium carbonate, ammonia, or sodium hydroxide, which requires a great deal of cost for the neutralization and purification steps.

一方、酸性条件下で生育可能な酵母を用いた有機酸の製造法が、複数、提案されている(特許文献1〜3および非特許文献1、2参照)。これらの提案によれば、本来乳酸生成能を持たない酵母に乳酸生成酵素遺伝子を導入し乳酸を生産させることにより、中和操作を軽減し、低コストの乳酸製造工程を構築することが可能である。さらに、酵母による乳酸を始めとする有機酸の生産能力を、遺伝子組み換え等の技術を用いて向上させることにより、より安価な有機酸の製造法を構築することが可能である。   On the other hand, a plurality of methods for producing an organic acid using yeast that can grow under acidic conditions have been proposed (see Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Documents 1 and 2). According to these proposals, it is possible to reduce the neutralization operation and construct a low-cost lactic acid production process by introducing a lactic acid synthase gene into yeast that does not originally have lactic acid production ability to produce lactic acid. is there. Furthermore, it is possible to construct a cheaper method for producing an organic acid by improving the production ability of an organic acid such as lactic acid by yeast using a technique such as genetic recombination.

しかしながら、上記の従来の生産方法では、炭酸カルシウム、アンモニア、水酸化ナトリウム等のアルカリ中和による乳酸菌の乳酸生産や遺伝子組み換え酵母による低酸性条件下での乳酸生産の際でも基質濃度10%に対して2〜7%までしか乳酸生産ができない問題がある(非特許文献1〜4参照)。
特開2001−204468号公報 特表2001−516584号パンフレット 特開2003−259878号公報 Applied and Environmental Microbiology(アプライド アンド エンバイロンメンタル マイクロバイオロジー)、71、1964(2005) Applied and Environmental Microbiology(アプライド アンド エンバイロンメンタル マイクロバイオロジー)、71、2789(2005) Journal of Bioscience and Bioengineering (ジャーナル オブ バイオサイエンス アンド バイオエンジニーアリング)、101,172(2006) Biotechnology Progress(バイオテクノロジ プログレス)11、294(1995)
However, in the above-mentioned conventional production method, the substrate concentration is 10% even in the lactic acid production of lactic acid bacteria by alkali neutralization such as calcium carbonate, ammonia, sodium hydroxide and the like, and the lactic acid production under low acid conditions by genetically modified yeast. Therefore, there is a problem that lactic acid can be produced only up to 2 to 7% (see Non-Patent Documents 1 to 4).
JP 2001-204468 A Special table 2001-51658 pamphlet JP 2003-259878 A Applied and Environmental Microbiology, 71, 1964 (2005) Applied and Environmental Microbiology, 71, 2789 (2005), Applied and Environmental Microbiology (Applied and Environmental Microbiology), 71, 2789 (2005) Journal of Bioscience and Bioengineering (Journal of Bioscience and Bioengineering), 101, 172 (2006) Biotechnology Progress (Biotechnology Progress) 11, 294 (1995)

乳酸を安価に供給するためには、乳酸生産能力の高い微生物を創出するとともに、乳酸生産効率の高い培養条件を検討することが必要である。そこで本発明は、低コストで生産性及び収率を向上させる乳酸の製造方法を提供することを目的とする。   In order to supply lactic acid at low cost, it is necessary to create microorganisms with high lactic acid production capacity and to examine culture conditions with high lactic acid production efficiency. Then, this invention aims at providing the manufacturing method of lactic acid which improves productivity and a yield at low cost.

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、酵母を用いた発酵による乳酸の製造方法であって、二価イオンの水酸化物を用いる乳酸の製造方法による低コストで生産性や収率を向上させる乳酸の製造し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of earnest research to solve the above problems, the present inventor is a method for producing lactic acid by fermentation using yeast, which is produced at low cost by a method for producing lactic acid using a hydroxide of divalent ions. The inventors have found that lactic acid can be produced with improved properties and yield, and have completed the present invention.

本発明によれば、乳酸生産量や生産効率を向上させることができる。すなわち、本発明は乳酸合成能力を有する酵母および乳酸を高生産させるための効果的な中和操作を用いた乳酸の生産方法を提供するものである。さらに、これまでに行われている乳酸発酵において、例えば、バイオマス由来の糖を用いることで、低コストの乳酸生産ができる。   According to the present invention, the amount of lactic acid produced and the production efficiency can be improved. That is, the present invention provides a method for producing lactic acid using yeast having an ability to synthesize lactic acid and an effective neutralization operation for producing lactic acid at a high level. Furthermore, in lactic acid fermentation performed so far, for example, lactic acid can be produced at low cost by using biomass-derived sugar.

本発明は、酵母を用いた発酵による乳酸の製造方法であって、二価イオンの水酸化物を用いる乳酸の製造方法である。本発明の乳酸の製造方法では、二価イオンの水酸化物は、通常、発酵液の中和操作に用いられる。   The present invention is a method for producing lactic acid by fermentation using yeast, and is a method for producing lactic acid using a hydroxide of divalent ions. In the lactic acid production method of the present invention, divalent ion hydroxide is usually used for the neutralization operation of the fermentation broth.

本発明の乳酸の製造方法では、好ましくは、二価イオンの水酸化物が、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化銅(二価)、水酸化バナジウム、水酸化ニッケル、水酸化バリウム、水酸化ストロンチウム、水酸化カドミウム、水酸化ベリリウム、水酸化亜鉛、水酸化コバルト、水酸化鉄から選ばれる少なくとも1種類である。   In the method for producing lactic acid of the present invention, preferably, the hydroxide of divalent ions is calcium hydroxide, magnesium hydroxide, copper hydroxide (divalent), vanadium hydroxide, nickel hydroxide, barium hydroxide, water. At least one selected from strontium oxide, cadmium hydroxide, beryllium hydroxide, zinc hydroxide, cobalt hydroxide, and iron hydroxide.

本発明の乳酸の製造方法では、二価イオンの水酸化物が、水酸化カルシウム、または、水酸化マグネシウムであることが、より好ましく、二価イオンの水酸化物が、水酸化カルシウムであることが、特に好ましい。   In the method for producing lactic acid of the present invention, the divalent ion hydroxide is more preferably calcium hydroxide or magnesium hydroxide, and the divalent ion hydroxide is calcium hydroxide. Is particularly preferred.

本発明の乳酸の製造方法では、水酸化カルシウムの濃度は、好ましくは、水1kgに対し、3.7g以上370g以下であり、より好ましくは、水1kgに対し、7.4g以上296g以下であり、さらに特に好ましくは、水1kgに対し、18.5g以上74g以下である。本発明の乳酸の製造方法では、水酸化カルシウムは、スラリー状でも使用可能である。   In the method for producing lactic acid of the present invention, the concentration of calcium hydroxide is preferably 3.7 g or more and 370 g or less with respect to 1 kg of water, and more preferably 7.4 g or more and 296 g or less with respect to 1 kg of water. More preferably, it is 18.5 g or more and 74 g or less with respect to 1 kg of water. In the method for producing lactic acid according to the present invention, calcium hydroxide can be used in a slurry form.

本発明の乳酸の製造方法では、水酸化マグネシウムの濃度は、好ましくは、水1kgに対し、2.9g以上292g以下であり、より好ましくは、水1kgに対し、5.8g以上233g以下であり、特に好ましくは、水1kgに対し、14.6g以上58g以下である。本発明の乳酸の製造方法では、水酸化マグネシウムは、スラリー状でも使用可能である。   In the method for producing lactic acid according to the present invention, the concentration of magnesium hydroxide is preferably 2.9 g or more and 292 g or less with respect to 1 kg of water, and more preferably 5.8 g or more and 233 g or less with respect to 1 kg of water. Particularly preferably, it is 14.6 g or more and 58 g or less with respect to 1 kg of water. In the method for producing lactic acid according to the present invention, magnesium hydroxide can be used in a slurry form.

本発明の乳酸の製造方法において、二価イオンの水酸化物は、乳酸生産培地に含ませても良いし、醗酵培養液に培養中分割してあるいは連続的に添加することもできる。二価イオンの水酸化物が乳酸生産培地に含まれ、また、発酵培養液に培養中分割して、あるいは、連続的に添加する組み合わせの形でもできる。   In the method for producing lactic acid of the present invention, the divalent ion hydroxide may be contained in the lactic acid production medium, or may be added to the fermentation broth during the culture or continuously. Divalent ion hydroxide is contained in the lactic acid production medium, and can also be divided into fermentation broths during culture or in the form of a combination that is continuously added.

本発明において、二価イオンの水酸化物は、培養中分割して、あるいは、連続的に添加することもできる。添加回数は、1回でも、2回以上であっても良い。   In the present invention, the hydroxide of divalent ions can be divided during culture or added continuously. The number of additions may be one time or two or more times.

本発明で使用する乳酸生産培地での発酵原料は、酵母が資化し得る炭素源、窒素源および無機塩類等を含有し、酵母の培養を効率的に行うことができる培地であれば、天然培地および合成培地のいずれを用いても良い。   The fermentation raw material in the lactic acid production medium used in the present invention contains a carbon source, a nitrogen source, inorganic salts, and the like that can be assimilated by the yeast, and can be a natural medium as long as the yeast can be cultured efficiently. Either a synthetic medium or a synthetic medium may be used.

発酵原料に含有される炭素源は、シュクロース、フラクトース、グルコース、ガラクトース、ラクトース、マルトース等の糖類、これら糖類を含有するデンプン、及び、デンプン加水分解物、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、ケーンジュース、ケーンジュース抽出物または濃縮液、ケーンジュースからの精製または結晶化された原料糖、ケーンジュースからの精製または結晶化された精製糖、更には酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、グリセリン等の糖の原料、またはこれらから選ばれる少なくとも1種類を含むものが好ましい。   The carbon source contained in the fermentation raw material is saccharides such as sucrose, fructose, glucose, galactose, lactose, maltose, starch containing these saccharides, starch hydrolysate, sweet potato molasses, sugar beet molasses, high test molasses, Cane juice, cane juice extract or concentrate, raw sugar refined or crystallized from cane juice, refined sugar crystallized or crystallized from cane juice, organic acids such as acetic acid, alcohols such as ethanol , A raw material of sugar such as glycerin, or one containing at least one selected from these.

前記の炭素源は、培養開始時に一括して添加してもよいし、培養中分割してあるいは連続的に添加することもできる。   The carbon source may be added all at once at the start of culture, or may be added in portions during culture or continuously.

本発明において炭素源の濃度は、好ましくは、1L培養液に10g以上1000g以下であり、より好ましくは、1L培養液に50g以上300g以下であり、特に好ましくは、1L培養液に50g以上200g以下である。炭素源の濃度が、1L培養液に10g以上1000g以下であると、乳酸合成能力を有する酵母が正常に生育し、酵母の乳酸生産が効率的であるので、好ましい。   In the present invention, the concentration of the carbon source is preferably 10 g or more and 1000 g or less in 1 L culture solution, more preferably 50 g or more and 300 g or less in 1 L culture solution, and particularly preferably 50 g or more and 200 g or less in 1 L culture solution. It is. It is preferable that the concentration of the carbon source is 10 g or more and 1000 g or less in a 1 L culture solution because yeast having lactic acid synthesis ability grows normally and the lactic acid production of the yeast is efficient.

本発明では、乳酸の製造方法で使用する乳酸生産培地が、シュクロース、フラクトース、グルコース、ガラクトース、ラクトース、マルトースから選ばれる少なくとも1種類を含む乳酸生産培地であることが、より好ましい。また、乳酸の製造方法で使用する乳酸生産培地が、デンプン、及び、デンプン加水分解物、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、ケーンジュース、ケーンジュース抽出物または濃縮液、ケーンジュースからの精製または結晶化された原料糖、ケーンジュースからの精製または結晶化された精製糖、酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、グリセリンから選ばれる少なくとも1種類を含む乳酸生産培地であることが、より好ましい。本発明では、これら発酵原料を必要に応じて希釈して用いることができる。   In the present invention, the lactic acid production medium used in the method for producing lactic acid is more preferably a lactic acid production medium containing at least one selected from sucrose, fructose, glucose, galactose, lactose, and maltose. The lactic acid production medium used in the method for producing lactic acid is starch, starch hydrolyzate, sweet potato molasses, sugar beet molasses, high test molasses, cane juice, cane juice extract or concentrate, purified from cane juice or It is a lactic acid production medium containing at least one selected from crystallized raw sugar, refined sugar from cane juice or crystallized purified sugar, organic acids such as acetic acid, alcohols such as ethanol, and glycerin, preferable. In the present invention, these fermentation raw materials can be diluted as necessary.

また、発酵原料に含有される窒素源は、アンモニアガス、アンモニア水、アンモニウム塩類、尿素、硝酸塩類、その他補助的に使用される有機窒素源、例えば油粕類、大豆加水分解液、カゼイン分解物、その他のアミノ酸、ビタミン類、コーンスティープリカー、酵母または酵母エキス、肉エキス、ペプトン等のペプチド類、各種発酵菌体およびその加水分解物などが好ましく使用される。   The nitrogen source contained in the fermentation raw material is ammonia gas, aqueous ammonia, ammonium salts, urea, nitrates, and other auxiliary organic nitrogen sources such as oil cakes, soybean hydrolysates, casein decomposition products, Other amino acids, vitamins, corn steep liquor, yeast or yeast extract, meat extract, peptides such as peptone, various fermented cells and hydrolysates thereof are preferably used.

また、発酵原料に含有される無機塩として、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩、マンガン塩等を適宜添加することができる。   Moreover, phosphate, magnesium salt, calcium salt, iron salt, manganese salt etc. can be added suitably as inorganic salt contained in a fermentation raw material.

本発明で使用する乳酸生産培地は、必要に応じて、消泡剤を使用することができる。   An antifoaming agent can be used in the lactic acid production medium used in the present invention, if necessary.

本発明で使用する乳酸生産培地は、好ましくは、微生物が生育のために特定の栄養素、または、特定の栄養素を含有する天然物として添加する。   The lactic acid production medium used in the present invention is preferably added as a specific nutrient for a microorganism to grow or a natural product containing a specific nutrient.

本発明は、酵母を用いた発酵による乳酸の製造方法であり、乳酸は、L−乳酸であることが好ましい。   The present invention is a method for producing lactic acid by fermentation using yeast, and the lactic acid is preferably L-lactic acid.

本発明で使用する酵母は、サッカロミセス(Saccharomyces)属、シゾサッカロミセス(Schizosaccharomyces)属又はクリベロミセス(Kluyveromyces)属に属する酵母が挙げられ、サッカロミセス(Saccharomyces)属に属する酵母が、より好ましく、さらに好ましくは、サッカロミセス・セレビセ(Saccharomyces cerevisiae)である。本発明で使用する酵母は、具体的には、NBRC10505株、NBRC10506株が、特に好ましい。   Examples of the yeast used in the present invention include yeasts belonging to the genus Saccharomyces, Schizosaccharomyces or Kluyveromyces, more preferably yeasts belonging to the genus Saccharomyces, Saccharomyces cerevisiae. Specifically, yeasts used in the present invention are particularly preferably NBRC10505 strain and NBRC10506 strain.

本発明の乳酸の製造方法では、酵母が、乳酸合成酵素遺伝子を導入した酵母であることが好ましい。本発明において、乳酸合成酵素遺伝子(ldh遺伝子)とは、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)とピルビン酸を乳酸と酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)に変換する活性を持つ乳酸脱水素酵素をコードしている遺伝子である。本発明においては、乳酸合成酵素遺伝子(ldh遺伝子)は、乳酸脱水素酵素(ldh)遺伝子である。   In the lactic acid production method of the present invention, the yeast is preferably a yeast into which a lactic acid synthase gene has been introduced. In the present invention, the lactic acid synthase gene (ldh gene) means lactate dehydrogenation having an activity of converting reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and pyruvate into lactic acid and oxidized nicotinamide adenine dinucleotide (NAD +). A gene encoding an enzyme. In the present invention, the lactate synthase gene (ldh gene) is a lactate dehydrogenase (ldh) gene.

乳酸脱水素酵素遺伝子は、生物の種類に応じてもしくは生体内においても各種同族体が存在する。本発明における乳酸脱水素酵素遺伝子としては、天然由来の乳酸合成酵素遺伝子の他、化学合成的あるいは遺伝子工学的手法で人工的に合成された乳酸脱水素酵素遺伝子でもよい。   The lactate dehydrogenase gene has various homologues depending on the type of organism or in vivo. The lactate dehydrogenase gene in the present invention may be a lactate dehydrogenase gene artificially synthesized by chemical synthesis or genetic engineering techniques, in addition to a naturally occurring lactate synthase gene.

本発明では、酵母に導入する乳酸合成酵素をコードする遺伝子は、好ましくは、酵素活性の強い乳酸合成酵素をコードするDNAが好ましい。   In the present invention, the gene encoding lactic acid synthase to be introduced into yeast is preferably DNA encoding lactic acid synthase having strong enzyme activity.

天然由来の乳酸合成酵素遺伝子は、例えば、乳酸菌などの原核生物もしくはカビなどの真核微生物由来のもの、さらにウシ、人などの哺乳類を含む高等真核生物由来の乳酸合成酵素遺伝子を挙げることができる。   Examples of naturally occurring lactic acid synthase genes include those derived from prokaryotic organisms such as lactic acid bacteria or eukaryotic microorganisms such as molds, and lactate synthase genes derived from higher eukaryotes including mammals such as cattle and humans. it can.

本発明で好ましく使用する乳酸脱水素酵素遺伝子として、例えば、カエル由来では、アオガエル科(Rhacophoridae)、アカガエル科(Ranidae)、アマガエル科(Hylidae)、ジムグリガエル科(Microhylidae)、ヒキガエル科(Bufonidae)、クサガエル科(Hyperoliidae)、スキアシガエル科(Pelobatinae)、スズガエル科(Discoglossidae)、コモリガエル科(Pipidae)に属する乳酸脱水素酵素遺伝子が挙げられる。これらの中でも、コモリガエル科(Pipidae)に属する乳酸脱水素酵素遺伝子を用いることが好ましく、コモリガエル科に属するカエルの中でも、入手が容易であるゼノプス・レービス由来の乳酸脱水素酵素遺伝子であることが好ましい。   Examples of the lactate dehydrogenase gene that is preferably used in the present invention include, for example, frog-derived, Rhacophoridae, Ranaidae, Hyridae, Microhydridae, Bufondae, Examples thereof include lactic dehydrogenase genes belonging to the family of Hyperoliidae, Pelobatinae, Discoglossidae, and Pipidae. Among these, it is preferable to use a lactate dehydrogenase gene belonging to the family Pipidae, and among the frogs belonging to the family Comidae, it is preferably a lactate dehydrogenase gene derived from Xenopus laevis that is easily available. .

本発明で好ましく使用する乳酸脱水素酵素遺伝子は、カエル由来のL−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子が好ましい。   The lactate dehydrogenase gene preferably used in the present invention is preferably a gene encoding frog-derived L-lactate dehydrogenase.

本発明で好ましく使用する乳酸脱水素酵素遺伝子は、ゼノプス・レービス(Xenopus laevis)由来のL−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子が好ましい。   The lactate dehydrogenase gene preferably used in the present invention is preferably a gene encoding L-lactate dehydrogenase derived from Xenopus laevis.

本発明で好ましく使用する乳酸脱水素酵素遺伝子は、より好ましくは、配列番号1に示す核酸配列を有する乳酸脱水素酵素遺伝子であり、さらに好ましくは、カエル由来のL−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子であって、配列番号1に示す核酸配列を有する遺伝子である。   The lactate dehydrogenase gene preferably used in the present invention is more preferably a lactate dehydrogenase gene having the nucleic acid sequence shown in SEQ ID NO: 1, more preferably encoding a frog-derived L-lactate dehydrogenase gene. A gene having the nucleic acid sequence shown in SEQ ID NO: 1.

本発明の乳酸の製造方法では、乳酸脱水素酵素遺伝子は、L-乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子が好ましく、L-乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子は、L-乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子の発現を可能とするプロモーターの下流に導入されていることが、より好ましい。さらに、本発明の乳酸の製造方法では、L-乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子が、染色体上のピルビン酸脱炭酸酵素1遺伝子のプロモーターの下流に発現可能な状態で導入されているより好ましい。   In the lactic acid production method of the present invention, the lactate dehydrogenase gene is preferably a gene encoding L-lactate dehydrogenase, and the gene encoding L-lactate dehydrogenase encodes L-lactate dehydrogenase. More preferably, it is introduced downstream of a promoter that enables gene expression. Furthermore, in the method for producing lactic acid of the present invention, it is more preferable that the gene encoding L-lactate dehydrogenase is introduced in a state in which it can be expressed downstream of the promoter of pyruvate decarboxylase 1 gene on the chromosome.

本発明で好ましく使用する乳酸脱水素酵素遺伝子には、遺伝的多型性や、変異誘発などによる変異型の遺伝子も含まれる。ここでいう遺伝的多型性とは、遺伝子上の自然突然変異により遺伝子の塩基配列が一部変化しているものである。また、変異誘発とは、人工的に遺伝子に変異を導入することをいい、例えば、部位特異的変異導入用キット(Mutant−K(タカラバイオ社製))を用いる方法や、ランダム変異導入用キット(BD Diversify PCR Random Mutagenesis(CLONTECH社製))を用いる方法などがある。   The lactate dehydrogenase gene preferably used in the present invention includes genetic polymorphisms and mutant genes caused by mutagenesis. Here, the genetic polymorphism means that the base sequence of a gene is partially changed due to a natural mutation on the gene. Mutagenesis refers to artificially introducing a mutation into a gene. For example, a method using a site-specific mutagenesis kit (Mutant-K (manufactured by Takara Bio Inc.)) or a random mutagenesis kit. There is a method using (BD Diversity PCR Random Mutagenesis (manufactured by CLONTECH)).

さらに酵素活性が強化された乳酸合成酵素をコードするDNAとしては、例えば、部位特異的変異導入法を用いた変異手法によって得られる酵素活性が強い乳酸合成酵素をコードするDNAや、強力なプロモーターの支配下に乳酸合成酵素をコードするDNAを連結したDNAなどを挙げることができる。   Examples of DNA encoding lactic acid synthase with enhanced enzyme activity include, for example, DNA encoding lactic acid synthase with strong enzyme activity obtained by a mutation technique using site-directed mutagenesis, and a strong promoter. Examples include DNA linked with DNA encoding lactic acid synthase under control.

本発明の乳酸の製造方法に用いられる酵母は、好ましくは、乳酸合成酵素(乳酸脱水素酵素、Lactate dehydrogenase)をコードする遺伝子を遺伝子組み換え等の手法を用いて導入することにより製造することができる。また、酵母が、既に目的とする乳酸合成酵素をコードする遺伝子を有している場合は、必ずしも該遺伝子を導入する必要はない。   The yeast used in the method for producing lactic acid of the present invention can be preferably produced by introducing a gene encoding a lactic acid synthase (lactate dehydrogenase) using a technique such as genetic recombination. . In addition, when yeast already has a gene encoding a target lactic acid synthase, it is not always necessary to introduce the gene.

本発明で使用する酵母は、1倍体で良いが、倍数体でもよい。染色体が1組であることが1倍体、複数組を倍数体である。例えば、染色体が2組あれば2倍体と呼ぶ。   The yeast used in the present invention may be haploid but may be polyploid. It is haploid that one set of chromosomes is a polyploid. For example, if there are two pairs of chromosomes, it is called a diploid.

本発明の乳酸の製造方法では、乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子を酵母に導入する方法としては、例えば、乳酸脱水素酵素遺伝子をクローニングし、クローニングした該遺伝子を組み込んだ発現ベクターを酵母に形質転換する方法、クローニングした該遺伝子を染色体上の目的箇所に相同組換えで挿入する方法等が挙げられるが、これらに限られるものではない。   In the method for producing lactic acid according to the present invention, a method for introducing a gene encoding lactate dehydrogenase into yeast includes, for example, cloning the lactate dehydrogenase gene and transforming the expression vector incorporating the cloned gene into yeast. Examples include, but are not limited to, a method for conversion and a method for inserting the cloned gene into a target site on a chromosome by homologous recombination.

本発明で好ましく使用する乳酸脱水素酵素遺伝子をクローニングする方法としては、特に制限はなく、既知の手法を用いることができる。例えば、既知の遺伝子情報に基づき、PCR(Polymerase Chain Reaction)法を用いて必要な遺伝領域を増幅取得する方法や、ゲノムライブラリーやcDNAライブラリーより相同性や酵素活性を指標としてクローニングする方法などが挙げられる。また、既知のタンパク質情報に基づき化学合成的又は遺伝子工学的に合成する方法も可能である。   There is no restriction | limiting in particular as a method of cloning the lactate dehydrogenase gene preferably used by this invention, A known method can be used. For example, based on known gene information, a method of amplifying and acquiring a necessary genetic region using PCR (Polymerase Chain Reaction) method, a method of cloning from a genomic library or cDNA library using homology or enzyme activity as an index, etc. Is mentioned. A method of chemical synthesis or genetic engineering based on known protein information is also possible.

クローニングした乳酸脱水素酵素遺伝子を組み込む発現ベクターとしては、酵母で汎用的に利用される発現ベクターを用いることができる。酵母で汎用的に利用される発現ベクターとは、酵母細胞内での自立的複製に必要な配列、大腸菌細胞内での自立的複製に必要な配列、酵母選択マーカー及び大腸菌選択マーカーを有しており、また、組み込んだ乳酸脱水素酵素遺伝子を発現させるために、その発現を調節するオペレーター、プロモーター、ターミネーター又はエンハンサー等のいわゆる調節配列をも有していることが望ましい。   As an expression vector into which the cloned lactate dehydrogenase gene is incorporated, an expression vector generally used in yeast can be used. An expression vector widely used in yeast has a sequence necessary for autonomous replication in yeast cells, a sequence necessary for autonomous replication in E. coli cells, a yeast selection marker, and an E. coli selection marker. In addition, in order to express the incorporated lactate dehydrogenase gene, it is desirable to have a so-called regulatory sequence such as an operator, promoter, terminator or enhancer that regulates the expression.

ここで、酵母細胞内での自立的複製に必要な配列とは、例えば、酵母の自立複製開始点(ARS1)とセントロメア配列の対もしくは酵母の2μmプラスミドの複製開始点であり、大腸菌内での自立的複製に必要な配列とは、例えば、大腸菌のColE1複製開始点である。また、酵母選択マーカーとしては、URA3又はTRP1等の栄養要求性相補的遺伝子もしくはG418耐性遺伝子又はネオマイシン耐性遺伝子等の薬剤耐性遺伝子が挙げられ、大腸菌の選択マーカーとしては、アンピシリン耐性遺伝子又はカナマイシン耐性遺伝子等の抗生物質耐性遺伝子が挙げられる。調節配列としては、GAPDH(グリセルアルデヒド−3−リン酸デヒドロゲナーゼ)プロモーター、ADH(アルコールデヒドロゲナーゼ)プロモーター、GAPDHターミネーターが挙げられる。しかしながら、発現ベクターはこれらに限定されるものではない。   Here, the sequence necessary for autonomous replication in yeast cells is, for example, a yeast autonomous replication origin (ARS1) and a centromere sequence pair or the replication origin of a yeast 2 μm plasmid. The sequence necessary for autonomous replication is, for example, the ColE1 replication origin of Escherichia coli. Examples of yeast selection markers include auxotrophic complementary genes such as URA3 or TRP1, or drug resistance genes such as G418 resistance gene or neomycin resistance gene. Examples of selection markers for Escherichia coli include ampicillin resistance gene or kanamycin resistance gene. And antibiotic resistance genes such as Examples of regulatory sequences include GAPDH (glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase) promoter, ADH (alcohol dehydrogenase) promoter, and GAPDH terminator. However, the expression vector is not limited to these.

上記発現ベクターのプロモーター下流に乳酸脱水素酵素遺伝子を導入することにより、該遺伝子を発現可能なベクターが得られる。得られた乳酸脱水素酵素遺伝子発現ベクターを、後述する方法により酵母に形質転換することにより、乳酸脱水素酵素遺伝子を酵母に導入することができる。   By introducing a lactate dehydrogenase gene downstream of the expression vector promoter, a vector capable of expressing the gene can be obtained. By transforming the obtained lactate dehydrogenase gene expression vector into yeast by the method described later, the lactate dehydrogenase gene can be introduced into yeast.

乳酸脱水素酵素遺伝子を染色体上の目的箇所に、好ましくは、pdc1遺伝子のプロモーターの下流に相同組み換えで挿入する方法としては、乳酸脱水素酵素遺伝子の上流及び下流に、導入目的箇所に相同的な部分を付加するようにデザインしたプライマーを用いてPCRを行い、得られたPCR断片を後述する方法により酵母に形質転換する方法が挙げられるが、これに限定されるものではない。また、形質転換株の選択を容易にするために、上記PCR断片には酵母選択マーカーが含まれることが好ましい。   As a method of inserting the lactate dehydrogenase gene into the target site on the chromosome, preferably downstream of the promoter of the pdc1 gene by homologous recombination, homologous recombination can be performed upstream and downstream of the lactate dehydrogenase gene. Examples include, but are not limited to, a method of performing PCR using a primer designed to add a portion and transforming the obtained PCR fragment into yeast by the method described later. In order to facilitate selection of transformants, the PCR fragment preferably contains a yeast selection marker.

ここで用いるPCR断片を調整する方法は、例えば、下記(1)〜(3)のステップ1〜3の工程により行うことができる。その概略を図1に示す。   The method of adjusting the PCR fragment used here can be performed, for example, by the steps 1 to 3 of the following (1) to (3). The outline is shown in FIG.

(1)ステップ1:乳酸脱水素酵素遺伝子の下流にターミネーターがつながったプラスミドを鋳型とし、プライマー1,2をセットとして、乳酸脱水素酵素遺伝子及びターミネーターを含む断片をPCRで増幅する。プライマー1は、導入目的箇所の上流側に相同的な配列40bp以上を付加するようデザインし、プライマー2は、ターミネーターより下流のプラスミド由来の配列をもとにデザインする。好ましくは、プライマー1に付加する導入目的箇所の上流側に相同的な配列は、ピルビン酸脱炭酸酵素1遺伝子(pdc1遺伝子)の上流に相同的な配列である。   (1) Step 1: Using a plasmid having a terminator connected downstream of a lactate dehydrogenase gene as a template and primers 1 and 2 as a set, a fragment containing the lactate dehydrogenase gene and terminator is amplified by PCR. Primer 1 is designed so as to add a homologous sequence of 40 bp or more upstream of the target introduction site, and primer 2 is designed based on a sequence derived from a plasmid downstream from the terminator. Preferably, the sequence homologous to the upstream side of the introduction target site added to the primer 1 is a sequence homologous upstream of the pyruvate decarboxylase 1 gene (pdc1 gene).

(2)ステップ2:酵母選択マーカーを持つプラスミド、例えばpRS424、pRS426等を鋳型として、プライマー3,4をセットとして酵母選択マーカーを含む断片をPCRで増幅する。プライマー3は、ステップ1のPCR断片のターミネーターより下流の配列と相同性のある配列が30bp以上を付加するようにデザインし、プライマー4には、導入目的箇所の下流側に相同的な配列40bp以上を付加するようデザインする。好ましくは、プライマー4に付加する導入目的箇所の下流側に相同的な配列は、pdc1遺伝子の下流に相同的な配列である。   (2) Step 2: A fragment containing a yeast selection marker is amplified by PCR using a plasmid having a yeast selection marker, for example, pRS424, pRS426, etc. as a template and primers 3 and 4 as a set. Primer 3 is designed so that a sequence homologous to the sequence downstream from the terminator of the PCR fragment in Step 1 adds 30 bp or more, and primer 4 has a sequence of 40 bp or more homologous downstream of the target site of introduction. Design to add. Preferably, the sequence homologous to the downstream side of the target site to be added to the primer 4 is a sequence homologous downstream of the pdc1 gene.

(3)ステップ3:ステップ1,2で得られたPCR断片を混合したものを鋳型とし、プライマー1,4をセットとしてPCRを行うことにより、両末端に導入目的箇所の上流側及び下流側に相同的な配列が付加された、乳酸脱水素酵素遺伝子、ターミネーター及び酵母選択マーカーを含むPCR断片が得られる。好ましくは、前記PCR断片は、両末端にpdc1遺伝子の上流及び下流に相同的な配列が付加された、ldh遺伝子、ターミネーター及びマーカー遺伝子を含むPCR断片である。   (3) Step 3: PCR is carried out using the mixture of the PCR fragments obtained in Steps 1 and 2 as a template and Primers 1 and 4 as a set, so that both ends are upstream and downstream of the introduction target site. A PCR fragment containing a lactate dehydrogenase gene, a terminator, and a yeast selection marker, to which a homologous sequence has been added, is obtained. Preferably, the PCR fragment is a PCR fragment containing an ldh gene, a terminator, and a marker gene with homologous sequences added upstream and downstream of the pdc1 gene at both ends.

上記で得られた乳酸脱水素酵素遺伝子発現ベクターまたはPCR断片を酵母に導入するには、形質転換、形質導入、トランスフェクション、コトランスフェクションまたはエレクトロポレーション等の方法を用いることができる。具体的には、例えば、酢酸リチウムを用いる方法やプロトプラスト法等がある。   In order to introduce the lactate dehydrogenase gene expression vector or PCR fragment obtained above into yeast, a method such as transformation, transduction, transfection, cotransfection or electroporation can be used. Specific examples include a method using lithium acetate and a protoplast method.

得られた形質転換株の培養方法としては、例えば、「M.D. Rose et al.,"Methods In Yeast Genetics", Cold Spring Harbor Laboratory Press (1990)」等に記載されている既知の方法を用いることができる。乳酸脱水素酵素遺伝子発現ベクター又はPCR断片が導入された酵母は、発現ベクター又はPCR断片が有する酵母選択マーカーによって、栄養非添加培地又は薬剤添加培地で培養することにより選択することができる。   As a method for culturing the obtained transformant, for example, a known method described in “MD Rose et al.,“ Methods In Yeast Genetics ”, Cold Spring Harbor Laboratory Press (1990)” is used. Can be used. Yeast into which a lactate dehydrogenase gene expression vector or PCR fragment has been introduced can be selected by culturing in a nutrient-free medium or a drug-added medium according to the yeast selection marker possessed by the expression vector or PCR fragment.

本発明で好ましく用いられる乳酸脱水素酵素遺伝子が導入された酵母を培養することにより、培地中に乳酸を製造することができる。   Lactic acid can be produced in the medium by culturing the yeast introduced with the lactate dehydrogenase gene preferably used in the present invention.

導入する発現ベクターを酵母内に保持させるのであれば、選択マーカーによる選択圧をかけた培地を用いることが好ましい。培地としては、例えば、ベクターの持つ選択マーカーに符号するアミノ酸を除去した合成培地などが挙げられる。特に好ましい培地は、炭素源としてグルコースを1〜10%、窒素源としてYeast Nitrogen Base without amino acid (DIFCO社製)を0.67%含有し、適切なアミノ酸を添加した合成培地である。   If the expression vector to be introduced is to be retained in yeast, it is preferable to use a medium to which a selective pressure is applied by a selection marker. Examples of the medium include a synthetic medium in which an amino acid encoded by a selection marker possessed by a vector is removed. A particularly preferable medium is a synthetic medium containing 1 to 10% of glucose as a carbon source and 0.67% of yeast nitrogen base with amino acid (manufactured by DIFCO) as a nitrogen source, to which an appropriate amino acid is added.

培養は、振とう培養もしくは撹拌培養などで行うことができる。さらに、培養形態として、回分培養、半回分培養、連続培養などで行うことができる。酸素供給条件は特に限定されるものではないが、好気的条件下あるいは微好気条件下で行うことができる。培養温度は摂氏20〜40度がよく、好ましくは25〜37度、より好ましくは30〜34度がよい。培養時間は、通常24時間〜5日間である。培養中の培養液のpHは2.0〜10.0に保持することが望ましく、好ましくは2.5〜8、より好ましくは5に保持することがよい。このpHの調整は、アルカリ溶液、アンモニア、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム等を用いて行うことができる。   The culture can be performed by shaking culture or stirring culture. Furthermore, as a culture form, batch culture, semi-batch culture, continuous culture and the like can be performed. The oxygen supply conditions are not particularly limited, but can be performed under aerobic conditions or microaerobic conditions. The culture temperature is preferably 20 to 40 degrees Celsius, preferably 25 to 37 degrees, more preferably 30 to 34 degrees. The culture time is usually 24 hours to 5 days. The pH of the culture solution during the culture is desirably maintained at 2.0 to 10.0, preferably 2.5 to 8, and more preferably 5. This pH adjustment can be performed using an alkaline solution, ammonia, calcium carbonate, calcium hydroxide, or the like.

乳酸の製造に際しては、まず、本発明の酵母を前培養し、前培養液を新しい培地に移して本培養することにより、培養液中に乳酸を製造することができる。培養温度は、菌株の増殖が実質的に阻害されず乳酸を生産し得る範囲であれば特に制限されるものでないが、好ましくは摂氏20〜40度の範囲の温度であり、より好ましくは摂氏25〜37度の範囲の温度であり、さらに好ましくは摂氏30〜34度である。培養には、静置、撹拌または振とうのいずれの方法も採用し得る。   In the production of lactic acid, first, the yeast of the present invention is pre-cultured, and the pre-culture solution is transferred to a new medium to perform main culture, whereby lactic acid can be produced in the culture solution. The culture temperature is not particularly limited as long as the growth of the strain is not substantially inhibited and lactic acid can be produced, but is preferably a temperature in the range of 20 to 40 degrees Celsius, more preferably 25 degrees Celsius. The temperature is in the range of -37 degrees, more preferably 30-34 degrees Celsius. Any method of standing, stirring or shaking can be employed for the culture.

上記のような条件で培養することにより、培地中に1〜20%の乳酸を得ることができる。得られた乳酸の測定法に特に制限はないが、例えば、HPLCを用いる方法や、F-キット(ロシュ社製)を用いる方法などがある。   By culturing under the above conditions, 1-20% lactic acid can be obtained in the medium. The method for measuring the obtained lactic acid is not particularly limited, and examples include a method using HPLC and a method using F-kit (Roche).

本発明において、乳酸脱水素酵素活性とは、ピルビン酸とNADHを乳酸とNAD+に変換する活性を示す。また限定されるわけではないが、乳酸脱水素酵素活性は比活性を指標として比較できる。すなわち、ldh遺伝子導入方法及び遺伝的バックグラウンドが同じ酵母を同条件で培養し、培養菌体から抽出したタンパク質を用いてNADHの減少に伴う340nmにおける吸光度の変化を測定する。その際に、室温において1分間当たりに1μmolのNADHを減少させる酵素量を1単位(Unit)と定義する事により、乳酸脱水素酵素の比活性は式(1)であらわせる。ここで、Δ340は1分間あたりの340nmの吸光度の減少量、6.22はNADHのミリモル分子吸光係数である。   In the present invention, lactate dehydrogenase activity indicates the activity of converting pyruvate and NADH into lactic acid and NAD +. Although not limited, lactate dehydrogenase activity can be compared using specific activity as an index. That is, yeast having the same ldh gene introduction method and the same genetic background is cultured under the same conditions, and the change in absorbance at 340 nm due to the decrease in NADH is measured using a protein extracted from the cultured cells. At that time, the specific activity of lactate dehydrogenase is expressed by the formula (1) by defining the amount of enzyme that decreases 1 μmol of NADH per minute at room temperature as 1 unit (Unit). Here, Δ340 is the decrease in absorbance at 340 nm per minute, and 6.22 is the mmol molecular extinction coefficient of NADH.

Figure 2008283917
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得られた培養液中の乳酸は、従来から知られている方法によって、精製することができる。例えば、微生物を遠心分離した発酵液をpH1以下にしてからジエチルエーテルや酢酸エチル等で抽出する方法、イオン交換樹脂に吸着、洗浄した後、溶出する方法、酸触媒の存在下でアルコールと反応させてエステルとしてから蒸留する方法、カルシウム塩やリチウム塩として晶析する方法などがある。   Lactic acid in the obtained culture broth can be purified by a conventionally known method. For example, a method in which a fermentation broth obtained by centrifuging microorganisms is adjusted to pH 1 or less and then extracted with diethyl ether, ethyl acetate or the like, a method in which it is adsorbed and washed on an ion exchange resin, and then eluted, or reacted with alcohol in the presence of an acid catalyst. Then, there are a method of distilling as an ester and a method of crystallization as a calcium salt or a lithium salt.

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on examples.

以下、乳酸脱水素酵素遺伝子としてカエルの乳酸脱水素酵素遺伝子、酵母としてサッカロミセス・セレビセ(Saccharomyces cerevisiae)を選定して具体的な実施形態を示し、本発明をより詳細に説明する。   Hereinafter, the frog lactate dehydrogenase gene is selected as the lactate dehydrogenase gene, and Saccharomyces cerevisiae is selected as the yeast to show specific embodiments, and the present invention will be described in more detail.

参考例1(乳酸合成能力を持つ酵母の造成)
乳酸脱水素酵素(ldh)遺伝子として、配列番号1に示す核酸配列を有するゼノプス・レービス(Xenopus laevis)由来の乳酸脱水素酵素遺伝子を使用した。乳酸脱水素酵素遺伝子のクローニングはPCR法により行った。PCRには、ゼノプス・レービスの腎臓由来cDNAライブラリー(STRATAGENE社製)より付属のプロトコールに従い調製したファージミドDNAを鋳型とした。
Reference Example 1 (Creation of yeast capable of synthesizing lactic acid)
As the lactate dehydrogenase (ldh) gene, a lactate dehydrogenase gene derived from Xenopus laevis having the nucleic acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 was used. The lactate dehydrogenase gene was cloned by the PCR method. For PCR, phagemid DNA prepared from a Xenopus laevis kidney-derived cDNA library (manufactured by STRATAGENE) according to the attached protocol was used as a template.

PCR増幅反応には、KOD−Plus polymerase(東洋紡社製)を用い、反応バッファー、dNTPmixなどは付属のものを使用した。上記のように付属のプロトコールに従い調整したファージミドDNAを50ng/サンプル、プライマーを50pmol/サンプル、及びKOD−Plus polymeraseを1ユニット/サンプルになるように50μlの反応系に調製した。反応溶液をPCR増幅装置iCycler(BIO−RAD社製)により94℃の温度で5分熱変成させた後、94℃(熱変成):30秒、55℃(プライマーのアニール):30秒、68℃(相補鎖の伸張):1分を1サイクルとして30サイクル行い、その後4℃の温度に冷却した。なお、遺伝子増幅用プライマー(配列番号2,3)には、5末端側にはSalI認識配列、3末端側にはNotI認識配列がそれぞれ付加されるようにして作製した。   For the PCR amplification reaction, KOD-Plus polymerase (manufactured by Toyobo Co., Ltd.) was used, and the attached reaction buffer, dNTPmix, etc. were used. A 50 μl reaction system was prepared so that the phagemid DNA prepared as described above was 50 ng / sample, the primer was 50 pmol / sample, and the KOD-Plus polymerase was 1 unit / sample. The reaction solution was thermally denatured at 94 ° C. for 5 minutes with a PCR amplification apparatus iCycler (manufactured by BIO-RAD), then 94 ° C. (thermal denature): 30 seconds, 55 ° C. (primer annealing): 30 seconds, 68 C. (Complementary strand extension): One cycle was performed for 30 cycles, and then cooled to a temperature of 4.degree. The gene amplification primer (SEQ ID NO: 2 and 3) was prepared such that a SalI recognition sequence was added to the 5 terminal side and a NotI recognition sequence was added to the 3 terminal side.

PCR増幅断片を精製し、末端をT4 polynucleotide Kinase(タカラバイオ社製)によりリン酸化後、pUC118ベクター(制限酵素HincIIで切断し、切断面を脱リン酸化処理したもの)にライゲーションした。ライゲーションは、DNA Ligation Kit Ver.2(タカラバイオ社製)を用いて行った。ライゲーション溶液を大腸菌DH5αのコンピテント細胞(タカラバイオ社製)に形質転換し、抗生物質アンピシリンを50μg/mLを含むLBプレートに蒔いて一晩培養した。生育したコロニーについて、ミニプレップでプラスミドDNAを回収し、制限酵素SalI及びNotIで切断し、ldh遺伝子が挿入されているプラスミドを選抜した。これら一連の操作は、全て付属のプロトコールに従い行った。   The PCR amplified fragment was purified, and the end was phosphorylated with T4 polynucleotide Kinase (manufactured by Takara Bio Inc.), and then ligated to the pUC118 vector (which was cleaved with the restriction enzyme HincII and subjected to dephosphorylation treatment). Ligation was performed using DNA Ligation Kit Ver. 2 (manufactured by Takara Bio Inc.). The ligation solution was transformed into competent cells of Escherichia coli DH5α (manufactured by Takara Bio Inc.) and plated on an LB plate containing 50 μg / mL of the antibiotic ampicillin and cultured overnight. For the grown colonies, plasmid DNA was collected with a miniprep, cut with restriction enzymes SalI and NotI, and a plasmid into which the ldh gene was inserted was selected. All of these series of operations were performed according to the attached protocol.

上記乳酸脱水素酵素遺伝子が挿入されたpUC118ベクターを制限酵素SalI及びNotIで切断し、DNA断片を1%アガロースゲル電気泳動により分離、定法に従い、乳酸脱水素酵素遺伝子を含む断片を精製した。得られた乳酸脱水素酵素遺伝子を含む断片を、図2に示す発現ベクターpTRS11のXhoI/NotI切断部位にライゲーションし、上記と同様な方法でプラスミドDNAを回収し、制限酵素XhoI及びNotIで切断することにより、乳酸脱水素酵素遺伝子が挿入された発現ベクターを選抜した。以後、このようにして作成した乳酸脱水素酵素遺伝子を組み込んだ発現ベクターをpTRS102とした。   The pUC118 vector in which the lactate dehydrogenase gene was inserted was cleaved with restriction enzymes SalI and NotI, the DNA fragments were separated by 1% agarose gel electrophoresis, and the fragment containing the lactate dehydrogenase gene was purified according to a conventional method. The obtained fragment containing the lactate dehydrogenase gene is ligated to the XhoI / NotI cleavage site of the expression vector pTRS11 shown in FIG. 2, the plasmid DNA is recovered by the same method as described above, and cleaved with the restriction enzymes XhoI and NotI. Thus, an expression vector into which the lactate dehydrogenase gene was inserted was selected. Hereinafter, an expression vector incorporating the lactate dehydrogenase gene prepared in this manner was designated as pTRS102.

得られた発現ベクターpTS102を増幅鋳型とし、オリゴヌクレオチド(配列番号4,5)をプライマーセットとしたPCRにより、乳酸脱水素酵素遺伝子及びGAPDHターミネーター配列を含む1.3kbのDNA断片を増幅した(図1のステップ1に相当)。ここで配列番号4は、pdc1遺伝子の上流65bpに相同性のある配列が付加されるようデザインした。   A 1.3 kb DNA fragment containing a lactate dehydrogenase gene and a GAPDH terminator sequence was amplified by PCR using the obtained expression vector pTS102 as an amplification template and oligonucleotides (SEQ ID NOs: 4 and 5) as primer sets (FIG. 1 corresponding to step 1). Here, SEQ ID NO: 4 was designed to add a sequence having homology to 65 bp upstream of the pdc1 gene.

次に、プラスミド酵母選択用マーカーを持つプラスミドpRS424を増幅鋳型として、オリゴヌクレオチド(配列番号6,7)をプライマーセットとしたPCRにより、酵母選択マーカーであるTRP1遺伝子を含む1.2kbのDNA断片を増幅した。ここで、配列番号7は、pdc1遺伝子の下流65bpに相同性のある配列が付加されるようデザインした。   Next, a 1.2 kb DNA fragment containing the TRP1 gene as a yeast selection marker was obtained by PCR using plasmid pRS424 having a plasmid yeast selection marker as an amplification template and oligonucleotides (SEQ ID NOs: 6 and 7) as primer sets. Amplified. Here, SEQ ID NO: 7 was designed so that a sequence having homology was added to 65 bp downstream of the pdc1 gene.

それぞれのDNA断片を1.5%アガロースゲル電気泳動により分離、常法に従い精製した。ここで得られた各1.3kb断片、1.2kb断片を混合したものを増幅鋳型とし、オリゴヌクレオチド(配列番号:4,7)をプライマーセットとしたPCR法によって、乳酸脱水素酵素遺伝子、GAPDHターミネーター及びTRP1遺伝子が連結された約2.5kbのDNA断片を増幅した。   Each DNA fragment was separated by 1.5% agarose gel electrophoresis and purified according to a conventional method. A mixture of each 1.3 kb fragment and 1.2 kb fragment obtained here was used as an amplification template, and a PCR method using oligonucleotides (SEQ ID NOs: 4 and 7) as a primer set was used for the lactate dehydrogenase gene, GAPDH. A DNA fragment of about 2.5 kb to which the terminator and TRP1 gene were linked was amplified.

上記のDNA断片を1.5%アガロースゲル電気泳動により分離、常法に従い精製後、酵母サッカロミセス・セレビセNBRC10505株に形質転換し、トリプトファン非添加培地で培養することにより、ldh遺伝子が染色体上のpdc1遺伝子プロモーターの下流に導入されている形質転換株を選択した。   The above DNA fragment is separated by 1.5% agarose gel electrophoresis, purified according to a conventional method, transformed into yeast Saccharomyces cerevisiae NBRC10505, and cultured in a medium without tryptophan, whereby the ldh gene is transformed into pdc1 on the chromosome. A transformant introduced downstream of the gene promoter was selected.

上記のようにして得られた形質転換株が、乳酸脱水素酵素遺伝子が染色体上のpdc1遺伝子プロモーターの下流に導入されている酵母であることの確認は下記のように行った。まず、形質転換株のゲノムDNAをゲノムDNA抽出キットGenとるくん(タカラバイオ社製)により調製し、これを増幅鋳型とし、オリゴヌクレオチド(配列番号7,8)をプライマーセットとしたPCRにより、約2.8kbの増幅DNA断片が得られることで確認した。なお、非形質転換株では、上記PCRによって約2.1kbの増幅DNA断片が得られる。以下、上記乳酸脱水素酵素遺伝子が染色体上のpdc1遺伝子プロモーターの下流に導入された形質転換株を、B2株とする。   Confirmation that the transformant obtained as described above was a yeast in which the lactate dehydrogenase gene was introduced downstream of the pdc1 gene promoter on the chromosome was performed as follows. First, the genomic DNA of the transformant was prepared using a genomic DNA extraction kit Gen Toru-kun (manufactured by Takara Bio Inc.), and this was used as an amplification template, and by PCR using oligonucleotides (SEQ ID NOs: 7 and 8) as primer sets, This was confirmed by obtaining an amplified DNA fragment of 2.8 kb. For non-transformed strains, an amplified DNA fragment of about 2.1 kb can be obtained by the PCR. Hereinafter, a transformant in which the lactate dehydrogenase gene is introduced downstream of the pdc1 gene promoter on the chromosome is referred to as B2 strain.

実施例1
参考例1において作製したB2株を用いて、乳酸発酵試験を行った。
Example 1
Using the B2 strain prepared in Reference Example 1, a lactic acid fermentation test was performed.

表1に示したケーンジュースを含む培地(以下、天然培地と略す)10mLを試験管に取り、そこに少量のB2株を植菌し、30℃で一晩培養した(前々培養)。次に、天然培地100mLを500ml容三角フラスコにいれ、前々培養液をそれぞれ全量植菌し、30℃で24時間振とう培養した(前培養)。続いて、天然培地を1L投入したミニジャーファメンター(丸菱バイオエンジ社製、容量5L)に、前培養開始から24時間後の前培養液を全量植菌し、1Nの水酸化カルシウム水溶液による中和操作をしながら培養した。培養は攪拌速度(120rpm)、通気量(0.1L/min)、温度(30℃)、pH(pH5)を一定にして行った(本培養)。本培養開始後10時間毎の培養液を遠心分離し、得られた上清を膜濾過した後、下記に示す条件でHPLCによりL−乳酸量を測定した。   10 mL of a medium (hereinafter abbreviated as “natural medium”) containing cane juice shown in Table 1 was placed in a test tube, a small amount of B2 strain was inoculated therein, and cultured overnight at 30 ° C. (pre-culture). Next, 100 mL of a natural medium was put into a 500-mL Erlenmeyer flask, and the whole culture solution was inoculated in advance, and cultured with shaking at 30 ° C. for 24 hours (pre-culture). Subsequently, a pre-culture solution 24 hours after the start of pre-culture was inoculated in a mini jar fermenter (manufactured by Maruhishi Bio-Engineering Co., Ltd., volume 5 L) charged with 1 L of a natural medium, and 1N aqueous calcium hydroxide solution was used. The culture was performed while neutralizing. The culture was carried out at a constant stirring speed (120 rpm), aeration volume (0.1 L / min), temperature (30 ° C.), and pH (pH 5) (main culture). The culture solution was centrifuged every 10 hours after the start of the main culture, the obtained supernatant was subjected to membrane filtration, and the amount of L-lactic acid was measured by HPLC under the conditions shown below.

Figure 2008283917
Figure 2008283917

カラム:Shim−Pack SPR−H(島津社製)
移動相:5mM p−トルエンスルホン酸(流速0.8mL/min)
反応液:5mM p−トルエンスルホン酸、20mM ビストリス、0.1mM EDTA・2Na(流速0.8mL/min)
検出方法:電気伝導度
温度:45℃。
Column: Shim-Pack SPR-H (manufactured by Shimadzu Corporation)
Mobile phase: 5 mM p-toluenesulfonic acid (flow rate 0.8 mL / min)
Reaction solution: 5 mM p-toluenesulfonic acid, 20 mM Bistris, 0.1 mM EDTA · 2Na (flow rate 0.8 mL / min)
Detection method: electrical conductivity Temperature: 45 ° C.

測定結果から算出したL−乳酸の生産量を図3に示し、対糖収率を表2に示す。1Nの水酸化カルシウム水溶液による天然培地での乳酸発酵では乳酸の生産収率は83.5%まで向上した。   The production amount of L-lactic acid calculated from the measurement results is shown in FIG. In lactic acid fermentation in a natural medium with 1N aqueous calcium hydroxide, the production yield of lactic acid was improved to 83.5%.

実施例2
1Nの水酸化カルシウム水溶液の代わりに、1Nの水酸化マグネシウム水溶液を用いた他は、実施例1と同様にして、乳酸発酵試験を行った。
Example 2
A lactic acid fermentation test was conducted in the same manner as in Example 1 except that a 1N magnesium hydroxide aqueous solution was used instead of the 1N calcium hydroxide aqueous solution.

1Nの水酸化マグネシウム水溶液による天然培地での乳酸発酵では、乳酸の生産収率は74.9%であった。   In lactic acid fermentation in a natural medium with 1N magnesium hydroxide aqueous solution, the production yield of lactic acid was 74.9%.

比較例1
参考例1において作製したB2株を用いて、水酸化ナトリウムを用いた乳酸発酵試験を行った。
Comparative Example 1
Using the B2 strain produced in Reference Example 1, a lactic acid fermentation test using sodium hydroxide was performed.

天然培地10mLを試験管に取り、そこに少量のB2株を植菌し、30℃で一晩培養した(前々培養)。次に、天然培地100mLを500ml容三角フラスコにいれ、前々培養液を全量植菌し、30℃で24時間振とう培養した(前培養)。続いて、天然培地を1L投入したミニジャーファメンター(丸菱バイオエンジ社製、容量5L)に、前培養開始から24時間後の前培養液を全量植菌し、1N水酸化ナトリウム水溶液による中和操作をしながら培養した。攪拌速度(120rpm)、通気量(0.1L/min)、温度(30℃)、pH(pH5)を一定にして培養を行った(本培養)。本培養開始後10時間毎の培養液を遠心分離し、得られた上清を膜濾過した後、実施例1と同様の方法でHPLCによりL−乳酸量を測定した。   10 mL of natural medium was taken in a test tube, a small amount of B2 strain was inoculated therein, and cultured overnight at 30 ° C. (pre-culture). Next, 100 mL of a natural medium was placed in a 500-mL Erlenmeyer flask, and the whole culture solution was inoculated in advance and cultured with shaking at 30 ° C. for 24 hours (pre-culture). Subsequently, a pre-culture solution 24 hours after the start of the pre-culture was inoculated in a mini jar fermenter (manufactured by Maruhishi Bio-Engineering Co., Ltd., volume 5 L) into which 1 L of natural medium had been added, and the medium was added with a 1N sodium hydroxide aqueous solution. The culture was performed while performing a Japanese procedure. Culturing was carried out at a constant stirring speed (120 rpm), aeration volume (0.1 L / min), temperature (30 ° C.), and pH (pH 5) (main culture). The culture broth was centrifuged every 10 hours after the start of the main culture, the obtained supernatant was subjected to membrane filtration, and the amount of L-lactic acid was measured by HPLC in the same manner as in Example 1.

測定結果から算出したL−乳酸の生産量を図3に示し、対糖収率を表2に示す。   The production amount of L-lactic acid calculated from the measurement results is shown in FIG.

比較例2
1Nの水酸化ナトリウム水溶液の代わりに、1Nの水酸化カリウム水溶液を用いた他は、実施例1と同様にして、乳酸発酵試験を行った。測定結果から算出したL−乳酸の生産量を図3に示し、対糖収率を表2に示す。
Comparative Example 2
A lactic acid fermentation test was conducted in the same manner as in Example 1 except that a 1N potassium hydroxide aqueous solution was used instead of the 1N sodium hydroxide aqueous solution. The production amount of L-lactic acid calculated from the measurement results is shown in FIG.

Figure 2008283917
Figure 2008283917

その結果、1Nの水酸化ナトリウム水溶液による天然培地での乳酸発酵(比較例1)では乳酸の生産収率が65.0%であり、1Nの水酸化カリウム水溶液による天然培地での乳酸発酵(比較例2)では乳酸の生産収率は62.1%であるのに対し、1Nの水酸化マグネシウム水溶液による天然培地での乳酸発酵では乳酸の生産収率は74.9%であり(実施例2)、1Nの水酸化カルシウム水溶液による天然培地での乳酸発酵では乳酸の生産収率は83.5%まで向上した(実施例1)。天然培地での二価イオンの水酸化物による中和が乳酸の生産収率に効果的であった。   As a result, lactic acid fermentation in a natural medium with 1N sodium hydroxide aqueous solution (Comparative Example 1) yielded 65.0% lactic acid, and lactic acid fermentation in a natural medium with 1N potassium hydroxide aqueous solution (comparison) In Example 2), the production yield of lactic acid is 62.1%, whereas in lactic acid fermentation in a natural medium with 1N aqueous magnesium hydroxide, the production yield of lactic acid is 74.9% (Example 2). ) In lactic acid fermentation in a natural medium with 1N calcium hydroxide aqueous solution, the production yield of lactic acid was improved to 83.5% (Example 1). Neutralization of divalent ions with hydroxide in natural medium was effective in the production yield of lactic acid.

実施例3
参考例1において作製したB2株を用いて、合成培地を用いた乳酸発酵試験を行った。
Example 3
Using the B2 strain produced in Reference Example 1, a lactic acid fermentation test using a synthetic medium was performed.

表3に示した組成の培地(以下、合成培地と略す)10mLを試験管に取り、そこに少量のB2株を植菌し、30℃で一晩培養した(前々培養)。次に、合成培地100mLを500ml容三角フラスコにいれ、前々培養液を全量植菌し、30℃で24時間振とう培養した(前培養)。続いて、合成培地を1L投入したミニジャーファメンター(丸菱バイオエンジ社製、容量5L)に、前培養開始から24時間後の前培養液を全量植菌し、攪拌速度(120rpm)、通気量(0.1L/min)、温度(30℃)、pH(pH5)を一定にして培養を行った(本培養)。1Nの水酸化カルシウム水溶液による中和操作をしながら培養した。本培養開始後10時間毎の培養液を遠心分離し、得られた上清を膜濾過した後、実施例1と同様の方法でHPLCによりL−乳酸量を測定した。   A medium (hereinafter abbreviated as “synthetic medium”) having a composition shown in Table 3 was placed in a test tube, a small amount of B2 strain was inoculated therein, and cultured overnight at 30 ° C. (pre-culture). Next, 100 mL of the synthetic medium was placed in a 500-mL Erlenmeyer flask, and the whole culture solution was inoculated in advance and cultured with shaking at 30 ° C. for 24 hours (pre-culture). Subsequently, a pre-culture solution 24 hours after the start of pre-culture was inoculated in a mini jar fermenter (manufactured by Maruhishi Bio-Engineering Co., Ltd., volume 5 L) into which 1 L of synthetic medium had been added, and the stirring speed (120 rpm) and aeration were performed. The culture was carried out with the amount (0.1 L / min), temperature (30 ° C.), and pH (pH 5) being constant (main culture). The cells were cultured while neutralizing with a 1N calcium hydroxide aqueous solution. The culture broth was centrifuged every 10 hours after the start of the main culture, the obtained supernatant was subjected to membrane filtration, and the amount of L-lactic acid was measured by HPLC in the same manner as in Example 1.

Figure 2008283917
Figure 2008283917

測定結果から算出したL−乳酸の生産量を図4に示し、対糖収率を表4に示す。1Nの水酸化カルシウム水溶液を用いた合成培地での乳酸発酵では乳酸の生産収率は69.1%まで向上した。   The production amount of L-lactic acid calculated from the measurement results is shown in FIG. In lactic acid fermentation in a synthetic medium using 1N calcium hydroxide aqueous solution, the production yield of lactic acid was improved to 69.1%.

比較例3
参考例1において作製したB2株を用いて、合成培地を用いた乳酸発酵試験を行った。
Comparative Example 3
Using the B2 strain produced in Reference Example 1, a lactic acid fermentation test using a synthetic medium was performed.

合成培地10mLを試験管に取り、そこに少量のB2株を植菌し、30℃で一晩培養した(前々培養)。次に、合成培地100mLを500ml容三角フラスコにいれ、前々培養液を全量植菌し、30℃で24時間振とう培養した(前培養)。続いて、合成培地を1L投入したミニジャーファメンター(丸菱バイオエンジ社製、容量5L)に、前培養開始から24時間後の前培養液を全量植菌し、1N水酸化ナトリウムによる中和操作をしながら培養した。攪拌速度(120rpm)、通気量(0.1L/min)、温度(30℃)、pH(pH5)を一定にして培養を行った(本培養)。本培養開始後10時間毎の培養液を遠心分離し、得られた上清を膜濾過した後、実施例1と同様の方法でHPLCによりL−乳酸量を測定した。   10 mL of a synthetic medium was taken in a test tube, a small amount of B2 strain was inoculated therein, and cultured overnight at 30 ° C. (pre-culture). Next, 100 mL of the synthetic medium was placed in a 500-mL Erlenmeyer flask, and the whole culture solution was inoculated in advance and cultured with shaking at 30 ° C. for 24 hours (pre-culture). Subsequently, the entire preculture solution 24 hours after the start of preculture was inoculated into a mini-jar fermenter (manufactured by Maruhishi Bioengineer, 5 L) charged with 1 L of a synthetic medium, and neutralized with 1N sodium hydroxide. The culture was performed while operating. Culturing was carried out at a constant stirring speed (120 rpm), aeration volume (0.1 L / min), temperature (30 ° C.), and pH (pH 5) (main culture). The culture broth was centrifuged every 10 hours after the start of the main culture, the obtained supernatant was subjected to membrane filtration, and the amount of L-lactic acid was measured by HPLC in the same manner as in Example 1.

測定結果から算出したL−乳酸の生産量を図4に示し、対糖収率を表4に示す。   The production amount of L-lactic acid calculated from the measurement results is shown in FIG.

比較例4
1Nの水酸化ナトリウム水溶液の代わりに、1Nの水酸化カリウム水溶液を用いた他は、実施例1と同様にして、乳酸発酵試験を行った。測定結果から算出したL−乳酸の生産量を図4に示し、対糖収率を表4に示す。
Comparative Example 4
A lactic acid fermentation test was conducted in the same manner as in Example 1 except that a 1N potassium hydroxide aqueous solution was used instead of the 1N sodium hydroxide aqueous solution. The production amount of L-lactic acid calculated from the measurement results is shown in FIG.

Figure 2008283917
Figure 2008283917

その結果、1Nの水酸化ナトリウム水溶液を用いた合成培地での乳酸発酵(比較例3)では乳酸の生産収率が60.0%であり、1Nの水酸化カリウム水溶液を用いた合成培地での乳酸発酵(比較例4)では乳酸の生産収率は58.8%であるのに対し、1Nの水酸化カルシウム水溶液を用いた合成培地での乳酸発酵では乳酸の生産収率は69.1%まで向上した(実施例3)。   As a result, lactic acid fermentation in a synthetic medium using a 1N aqueous sodium hydroxide solution (Comparative Example 3) yielded a lactic acid production yield of 60.0%, and in a synthetic medium using a 1N aqueous potassium hydroxide solution. In lactic acid fermentation (Comparative Example 4), the production yield of lactic acid is 58.8%, whereas in lactic acid fermentation in a synthetic medium using 1N calcium hydroxide aqueous solution, the production yield of lactic acid is 69.1%. (Example 3).

図1は、pdc1遺伝子プロモーター下流に、乳酸脱水素酵素遺伝子(ldh遺伝子)を導入する方法を説明する概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a method of introducing a lactate dehydrogenase gene (ldh gene) downstream of the pdc1 gene promoter. 図2は、本発明で用いられる酵母発現ベクターpTRS11のフィジカルマップを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a physical map of the yeast expression vector pTRS11 used in the present invention. 図3は、天然培地における乳酸生産量増加のグラフである。FIG. 3 is a graph of an increase in lactic acid production in the natural medium. 図4は、合成培地における乳酸生産量増加のグラフである。FIG. 4 is a graph of an increase in lactic acid production in the synthetic medium.

Claims (11)

酵母を用いた発酵による乳酸の製造方法であって、二価イオンの水酸化物を用いる乳酸の製造方法。 A method for producing lactic acid by fermentation using yeast, which uses a divalent hydroxide. 二価イオンの水酸化物が、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化銅(二価)、水酸化バナジウム、水酸化ニッケル、水酸化バリウム、水酸化ストロンチウム、水酸化カドミウム、水酸化ベリリウム、水酸化亜鉛、水酸化コバルト、水酸化鉄から選ばれる少なくとも1種類である請求項1に記載の乳酸の製造方法。 Divalent ion hydroxide is calcium hydroxide, magnesium hydroxide, copper hydroxide (divalent), vanadium hydroxide, nickel hydroxide, barium hydroxide, strontium hydroxide, cadmium hydroxide, beryllium hydroxide, water The method for producing lactic acid according to claim 1, wherein the method is at least one selected from zinc oxide, cobalt hydroxide, and iron hydroxide. 乳酸が、L−乳酸である請求項1または2に記載の製造方法。 The production method according to claim 1 or 2, wherein the lactic acid is L-lactic acid. 酵母が、乳酸合成酵素遺伝子を導入した酵母である請求項1〜3のいずれかに記載の乳酸の製造方法。 The method for producing lactic acid according to any one of claims 1 to 3, wherein the yeast is a yeast into which a lactic acid synthase gene has been introduced. 乳酸合成酵素遺伝子が、カエル由来のL−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子が配列番号1に示す核酸配列を有する遺伝子である請求項4に記載の乳酸の製造方法。 The method for producing lactic acid according to claim 4, wherein the lactic acid synthase gene is a gene in which the gene encoding the frog-derived L-lactate dehydrogenase has the nucleic acid sequence shown in SEQ ID NO: 1. 乳酸合成酵素遺伝子が、ゼノプス・レービス(Xenopus laevis)由来のL−乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子である請求項4に記載の乳酸の製造方法。 The method for producing lactic acid according to claim 4, wherein the lactic acid synthase gene is a gene encoding an L-lactic acid dehydrogenase derived from Xenopus laevis. L-乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子が、L-乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子の発現を可能とするプロモーターの下流に導入されている請求項6に記載の乳酸の製造方法。 The method for producing lactic acid according to claim 6, wherein a gene encoding L-lactate dehydrogenase is introduced downstream of a promoter that enables expression of the gene encoding L-lactate dehydrogenase. L-乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子が、染色体上のピルビン酸脱炭酸酵素1遺伝子のプロモーターの下流に発現可能な状態で導入されている請求項6に記載の乳酸の製造方法。 The method for producing lactic acid according to claim 6, wherein the gene encoding L-lactate dehydrogenase is introduced in a state that can be expressed downstream of the promoter of pyruvate decarboxylase 1 gene on the chromosome. 酵母が、サッカロミセス(Saccharomyces)属に属する請求項1〜8のいずれかに記載の乳酸の製造方法。 The method for producing lactic acid according to any one of claims 1 to 8, wherein the yeast belongs to the genus Saccharomyces. 乳酸の製造方法で使用する乳酸生産培地が、シュクロース、フラクトース、グルコース、ガラクトース、ラクトース、マルトースから選ばれる少なくとも1種類を含む乳酸生産培地である請求項1〜9に記載の乳酸の製造方法。 The method for producing lactic acid according to claim 1, wherein the lactic acid production medium used in the method for producing lactic acid is a lactic acid production medium containing at least one selected from sucrose, fructose, glucose, galactose, lactose, and maltose. 乳酸の製造方法で使用する乳酸生産培地が、デンプン、及び、デンプン加水分解物、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、ケーンジュース、ケーンジュース抽出物または濃縮液、ケーンジュースからの精製または結晶化された原料糖、ケーンジュースからの精製または結晶化された精製糖、酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、グリセリンから選ばれる少なくとも1種類を含む乳酸生産培地である請求項1〜10に記載の乳酸の製造方法。 The lactic acid production medium used in the method for producing lactic acid is starch, starch hydrolyzate, sweet potato molasses, sugar beet molasses, high test molasses, cane juice, cane juice extract or concentrate, purification or crystallization from cane juice 11. A lactic acid production medium comprising at least one selected from raw material sugars, purified sugars purified from cane juice or crystallized sugars, organic acids such as acetic acid, alcohols such as ethanol, and glycerin. The manufacturing method of lactic acid as described.
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