JP2661710B2 - 固定化酵素 - Google Patents

固定化酵素

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【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明はサイクロデキストリン(以下CDと略称する)
およびグルコシル−サイクロデキストリン(以下G1−CD
と略称する)を生産する際に用いる固定化酵素に関する
ものである。
<従来の技術> バチルスマセランス菌やバチルスステアロサーモフィ
ラス菌が生産するサイクロデキストリングルカノトラン
スフェラーゼ(以下CGTaceと略称する)は馬鈴著澱粉、
トウモロコシ澱粉等に作用してCDを生成することは古く
から知られている。このCDには6個のグルコースが環状
にα−1−4結合したα−CDと7個のグルコースが結合
したβ−CDと8個のグルコースが結合したγ−CD等が含
まれる。またアミロペクチンの多いモチトウモロコシや
分岐デキストリンにCGTaseを作用させると分岐CDが生成
されると同時に通常のCDも生成される。この分岐CDはこ
れら各々のCD環に、さらにグルコースが枝状に1個以上
6個位まで直鎖に結合したものが含まれ、その内グルコ
ースが1個結合したものをG1−CDという。
ところで、CDの製造は従来から澱粉懸濁液にα−アミ
ラーゼまたはCGTaseを加えて約24時間反応させるという
バッチ法で行われている。なお分岐CDは発見されてから
日も浅く、まだ実験室的階段のもので工業的に製造され
ていない。すなわち分岐デキストリンを多量に含有する
溶液に複合体形成剤を加え、さらにCGTaseを加え約24時
間反応させると、数%の分岐CDと約20%のCDおよび70数
%のオリゴ糖を含むデキストリンが生成される。
次にG1−CDの実験室的な製造は以下の通りである。す
なわち前記分岐CDとCDおよびオリゴ糖の混合液中のCGTa
seを失活後、ここにタカアミラーゼとグルコアミラーゼ
を添加し、約24時間反応させることによりG1−CDをうる
ことができる。
しかしながら、このような方法でCDまたはG1−CDを製
造する場合、反応時間が非常に長時間かかること、また
CDまたはG1−CDの生成に使用するCGTaseはバッチ式であ
り、再使用できず使い捨てになるため、酵素費用が高く
つく等の欠点がある。
そこで発明者等はイオン交換樹脂を用いたCGTaseの固
定化について種々検討し、弱塩基性陰イオン交換樹脂に
吸着させた固定化酵素(特願昭60−25118)、メタアク
リル酸グリシジルポリマーに第4級アミンを付けた強塩
基性アニオン交換樹脂に吸着させた固定化酵素(特願昭
61−188617)を提案した。
しかしながら、上記固定化酵素のCGTaseの固定化法は
いずれもイオン結合法であるため、基質の通液温度が40
℃前後の場合は問題ないが通液温度が45℃以上となる
と、温度の上昇に伴い固定化した酵素が離脱する傾向を
示し、特に雑菌対策としてバチルスステアロサーモフィ
ラス菌の生産する耐熱性のCGTaseを固定化し、その固定
化酵素に基質を60℃前後の高温で処理すると酵素が少し
づつ離脱してくる。したがって、これを長時間使用した
場合、CDまたはG1−CDの生成量の低下が著しく、長時間
の使用に耐えないことが判明した。固定化酵素は、比較
的長時間使用可能であることも、重要な要件のひとつで
あり、長時間の使用に耐えない固定化酵素はその経済価
値が小さい。
<発明が解決しようとする問題点> 本発明は前述した従来の固定化酵素の欠点を解決し、
比較的高温で通液しても固定化したCGTaseが離脱するこ
となく、長時間に渡り高い活性を維持できるCGTaseの固
定化酵素を提供することを目的とする。
<問題点を解決するための手段> 前述の目的を実現するために本発明者等は鋭意研究を
行った結果、担体として不飽和カルボン酸グリシジルエ
ステルの重合物からなる巨大網状構造を有する母体にイ
オン交換基として第1級アミンを有する塩基性陰イオン
交換樹脂を用い、当該担体にグルタルアルデヒドを架橋
剤として介在させてCGTaseを結合させて得た固定化酵素
は比較的高温で通液しても酵素反応中にCGTaseが離脱せ
ず、長時間安定して高い活性を維持できることを知見し
た。
本発明はかかる知見に基づくもので、不飽和カルボン
酸グリシジルエステルの重合物からなる巨大網状構造を
有する母体にイオン交換基として第1級アミンを有する
塩基性陰イオン交換樹脂を担体とし、当該担体の第1級
アミンにグルタルアルデヒドを架橋剤として介在させて
CGTaseを結合させたことを特徴とする固定化酵素に関す
るものである。
<作用> 以下に本発明を詳細に説明する。
前述したごとく、本発明者等が先に提案した固定化酵
素、すなわち強塩基性アニオン交換樹脂にCGTaseを吸着
させた固定化酵素は60℃前後の高温でCDまたはG1−CDを
生成させると後述する実施例で示すごとく約1週間を過
ぎるころからG1−CDの生成量は急激に低下してくる。こ
の原因について鋭意検討した結果、強塩基性陰イオン交
換樹脂にCGTaseを吸着させた固定化酵素はイオン結合で
あるため酵素の吸着が弱く、しかも高温で処理するた
め、基質中の電解質のイオン強度が強く働いてイオン結
合で吸着している酵素が離脱することに起因していると
考えられる。
本発明に用いる担体はCGTaseをイオン結合によって吸
着するのでなく、第1級アミンにグルタルアルデヒドを
介して、いわゆる共有結合によってCGTaseを固定化する
ので、CGTaseを強固に保持することができる。
まず本発明に用いる担体について説明すると、当該担
体はたとえばメタアクリル酸グルシジルエステルまたは
アクリル酸グリシジルエステル、クロトン酸グリシジル
エステルに、架橋剤としてジメタアクリル酸エチレング
リコール、ジメタアクリル酸ポリエチレングリコールを
用いて重合反応させた、不飽和カルボン酸グリシジルエ
ステルの重合物からなる巨大網状構造を有する母体に、
たとえばエタノールアミン、プロパノールアミン、アン
モニウムを反応させてイオン交換基として第1級アミン
を負荷させたものである。
メタアクリル酸グリシジルエステルと前記架橋剤とを
重合させて得た母体に、エタノールアミンを反応させた
場合の反応式は以下の(1)式の通りである。
(1)式に示したように交換基導入反応時にエポキシ
環が開裂し、一方に第1級アミンからなる交換基が付加
するとともに、他方にアルコール性水酸基が生成し、極
めて親水性の高い担体が得られ、酵素反応に用いる担体
としては優れたものとなる。
なお巨大網状構造を有する母体の物理的構造としては
平均粒子径0.2〜1mmで、細孔径が100〜2,000Å、細孔容
積が0.5〜1.5ml/g程度のものである。
次にCGTaseの固定化法の一例について説明すると、ま
ず当該担体にpH6.0の緩衝液を接触させて、当該担体を
緩衝化し、次いで同じ緩衝液に溶解した0.5〜10%濃度
のグルタルアルデヒド溶液と4〜40℃にて0.5〜2時間
接触させ、その後緩衝液で過剰のグルタルアルデヒドを
洗い流す。このようにして調整した担体とCGTase溶液と
を1時間以上、好ましくは2〜5時間接触させてCGTase
を固定化した後、過剰のCGTaseを緩衝液で洗い流すこと
により得ることができる。CGTaseの固定化量としては、
酵素活性として0.1〜50mg−蛋白/g−湿潤担体、好まし
くは0.2〜10mg−蛋白/g−湿潤担体の範囲が適当であ
る。
上述のような担体の第1級アミンにグルタルアルデヒ
ドを架橋剤として介在させて酵素を結合する反応は
(2)式および(3)式のごとく例示される。
担体−NH2+OHC−(CH2−CHO →担体−N=CH−(CH2−CHO ……(2) 担体−N=CH−(CP2−CHO+酵素 →担体−N=CH−(CH2−CH=N−酵素 ……(3) 当該担体とグルタルアルデヒドあるいはCGTase溶液と
の接触方法としてはバッチ法でもカラムに充填して上昇
流あるいは下降流にて通液して実施してもよい。
次に上記のようにして得た本発明の固定化酵素を用
い、澱粉からCDまたはG1−CDを生成する処理操作を説明
すると、固定化酵素を反応塔に充填して固定化酵素の充
填層を形成し、当該充填層に基質を下降流あるいは上昇
流で通液すると流出液中にCDまたはG1−CDを含有する処
理液を得ることができる。
なお通液流速は固定化したCGTaseの量にもよるが、CD
の生成を目的とする場合はSV0.5〜10、G1−CDの生成を
目的とする場合はSV0.1〜5程度とするとよい。
本発明の固定化酵素は(2)式および(3)式に示し
たごとく、担体の第1級アミンにCGTaseがグルタルアル
デヒドを介して共有結合されるので、イオン結合と相違
してその結合力が強く、したがって酵素反応中に担体か
らCGTaseが離脱することがない。
このような酵素反応を長時間続行すると、固定化した
CGTaseは失活するが、この場合固定化酵素に温アルカリ
溶液を接触させると、担体から失活したCGTaseを脱着す
ることができる。
すなわち、まず反応に使用した固定化酵素を水洗し
て、その後0.5〜10%濃度、特に好ましくは2〜5%の
アルカリ溶液、たとえば水酸化ナトリウム、水酸化カリ
ウム、炭酸ナトリウム溶液と40〜70℃にて0.5時間以
上、好ましくは1〜3時間接触させてCGTaseをグルタル
アルデヒドとともに脱着し、担体を水洗する。
以後は前述した方法で担体の緩衝化、グルタルアルデ
ヒド処理を実施し、CGTase溶液と接触させて再固定化
し、CDまたはG1−CDの生成に供する。なお失活CGTaseの
脱着の際のアルカリ溶液との接触方法はバッチ法でもあ
るいは充填層にアルカリ溶液を通液する方法でもどちら
でもよい。
<効果> 以下説明したごとく本発明の固定化酵素は、担体とCG
Tase間をグルタルアルデヒドを架橋剤として介在させ
て、いわゆる共有結合によって固定化しているので、そ
の結合力は強く、酵素反応中にCGTaseの離脱がなく、ま
た担体が親水性であるため有機物汚染もなく、長期間に
渡って高い活性を維持することができる。
したがって本発明の固定化酵素を使用することによ
り、バッチ法のようなCGTaseが一回きりの使い捨てでな
いため、その消費量が少なく、かつ失活したCGTaseを担
体から着脱することもできるので担体も再使用すること
ができ、これらを総合するとその経済的メリットは非常
に大きい。
以下に本発明の効果をより明確とするために、本発明
の実施例を説明する。
参考例(担体の製造法) メタアクリル酸グリシジルエステル200g、ジメタアク
リル酸エチレングリコール50g、過酸化ベンゾイル2gお
よびトルエン250gの混合溶液をポリビニルアルコール2g
を溶解した水1,000mlに加えた。この混合液を撹拌しな
がら60℃で4時間反応し重合させた。冷却後生成物を濾
過洗浄し、60℃で16時間真空乾燥し、205gの白色不透明
の球状樹脂を得た。
得られた球状樹脂100gをエタノールアミン500ml中に
加え、110〜120℃で6時間撹拌して反応させた。冷却後
生成物を濾過洗浄し、60℃で16時間真空乾燥し、117gの
生成物を得た。
この樹脂の粒径は、100〜500μmであり、水銀ポロシ
メーター法で測定した細孔容積は1.12ml/g乾燥樹脂であ
り、細孔直径100Å以上の細孔に基づく比表面積は53.3m
2/g乾燥樹脂であった。
実施例 参考例で示した製造法で得た不飽和カルボン酸グリシ
ジルエステルの重合物からなる巨大網状構造を有する母
体にイオン交換基として第1級アミンを有する担体に次
の手順によりバチルスステアロサーモフィラス菌由来の
CGTaseを結合させた。すなわち、まず前記担体50mlをカ
ラムに充填し、4%水酸化ナトリウム溶液250mlを50℃
にて通液した後、純水にて洗浄した。次いで0.1M−酢酸
・醋酸ナトリウム緩衝液(pH6.0)約1,000mlを通液して
緩衝化した後、担体をカラムからビーカーに取り出し、
同じ緩衝液に溶液した5%グルタルアルデヒド溶液100m
lを加えて撹拌しながら1時間反応させ、その後グラス
フィルターにて固液分離し、さらに緩衝液にて過剰のグ
ルタルアルデヒドを洗浄した。
上述の方法で調整した湿潤樹脂5gをビーカーに取り、
前記緩衝液14.6mlとCGTase(1.02mg−蛋白/ml)0.4mlと
を加え、撹拌しながら2時間反応させて酵素を固定化
し、その後グラスフィルターにて固液分離し、さらに過
剰の酵素を緩衝液にて洗浄して本発明の固定化酵素Aを
得た。このようにして得た固定化酵素Aは湿潤担体1gあ
たり0.24mg−蛋白の酵素が固定化されていた。
この固定化酵素5gを内径10mm、高さ200mmのジャケッ
ト付きカラムに充填し、4%分岐デキストリン溶液を温
度60℃、通液流速SV0.2で通液した。その後も同一流速
にて連続通液し、G1−CDの生成率の経日変化を測定し
た。
また、比較のため強塩基性陰イオン交換樹脂を湿潤状
態で5gをビーカーに取り、前述と同様の条件でCGTaseを
固定化し、固定化酵素Bを得た。
このようにして得た固定化酵素Bは、湿潤樹脂1gあた
り0.29mg−蛋白のCGTaseが固定化されていた。この固定
化酵素を用い前述と同じ4%分岐デキストリン溶液を同
様の条件で通液し、G1−CDの生成率を測定した。
本発明の固定化酵素Aおよび比較例の固定化酵素Bを
用いた結果を第1図に示した。
第1図より固定化酵素Bは1週間目頃からG1−CDの生
成率が急激に低下したのに対し、本発明の固定化酵素A
は一ヶ月以上に渡り、G1−CDの生成率13%以上を有して
おり、極めて優れた性能を示した。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例における本発明の固定化酵素Aと比較例
の固定化酵素Bについて分岐デキストリン溶液を用いた
G1−CDの生成率を示すグラフであり、縦軸にG1−CD生成
率、横軸に通液日数を示す。
フロントページの続き (72)発明者 石神 博 埼玉県上尾市原市4257―8 (72)発明者 三国 克彦 神奈川県横浜市鶴見区駒岡町1576

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】不飽和カルボン酸グリシジルエステルの重
    合物からなる巨大網状構造を有する母体にイオン交換基
    として第1級アミンを有する塩基性陰イオン交換樹脂を
    担体とし、当該担体の第1級アミンにグルタルアルデヒ
    ドを架橋剤として介在させてサイクロデキストリングル
    カノトランスフェラーゼを結合させたことを特徴とする
    固定化酵素。
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