JPH09313179A - 酵素固定化用担体及び固定化リパーゼ - Google Patents

酵素固定化用担体及び固定化リパーゼ

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JPH09313179A
JPH09313179A JP8157619A JP15761996A JPH09313179A JP H09313179 A JPH09313179 A JP H09313179A JP 8157619 A JP8157619 A JP 8157619A JP 15761996 A JP15761996 A JP 15761996A JP H09313179 A JPH09313179 A JP H09313179A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 酵素の固定化操作が容易であり、得られた固
定化酵素が高い活性を示し、しかも繰り返し使用時にお
ける活性の低下が少ない無機の酵素固定化用担体とそれ
にリパ−ゼを固定化した固定化リパ−ゼを提供すること
を目的とする。 【解決手段】 カルボン酸エステル結合を有するカップ
リング剤を無機質担体に結合させたことによって上記の
課題を解決した。無機質担体としてはカオリナイト系酵
素固定化用担体もしくは多孔質ガラス等のシランカップ
リング剤と結合可能な官能基を有する担体を用いる。更
にカルボン酸エステル結合を有するカップリング剤をそ
れらの無機質担体に結合させた後、所定の濃度のリパー
ゼ溶液に無機質担体を混合して撹拌し、濾過,乾燥する
ことにより、リパーゼ蛋白に含まれる官能基を担体のカ
ルボン酸エステルと結合させた固定化リパ−ゼを提供す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は酵素を生体触媒とし
て生化学反応を工業的に行わせるためのバイオリアクタ
ー、バイオセンサー等の用途で使用される酵素固定化用
担体及び固定化リパーゼに関するものである。
【0002】
【従来の技術】酵素を利用した生体反応を工業的に行わ
せる固定化酵素バイオリアクター、バイオセンサー等の
研究は近年非常に盛んに行われており、これに使用され
る酵素固定化用担体の開発も進んでいる。固定化酵素バ
イオリアクターとは、酵素を担体に固定して触媒として
用いる反応装置であり、担体の種類も高分子有機材料と
か、一般的な多孔質ガラス、セラミックス質等の無機材
料等各種のものが提案されている。
【0003】無機質担体は、有機質担体に比べて機械的
強度や滅殺菌のための熱及び化学薬品に強い利点を持つ
反面、酵素の吸着力が弱いために繰り返し使用できない
欠点があった。このような欠点を除くため、例えば特公
昭55−32357号公報及び特公昭56−15231
号公報には、多孔質ガラス,アルミナ,シリカ等の無機
質担体に反応性有機基を導入したシランカップリング剤
を結合させ、次いで酵素側の官能基をシランカップリン
グ剤の反応性有機基と反応させて結合を形成させる方法
が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】これらのシランカップ
リング剤を結合させた無機質担体に固定化した酵素(以
下固定化酵素という)には糖質分解酵素であるα−アミ
ラーゼ,グルコアミラーゼ等があるが、担体に固定しな
い酵素の反応性と比較して澱粉あるいはその他の基質と
の反応性、即ち活性が低いため、多量の固定化酵素が必
要であって工業生産には適していないという問題があ
る。上記に対処して、特公平5−219952号公報と
か特公平4−51894号公報には新規な担体と固定化
方法が提案されている。
【0005】一方、油脂分解酵素であるリパーゼは、油
脂の分解のみならずモノエステル分解,エステル合成,
エステル交換反応等によるラセミ体の光学分割等有機合
成化学分野における用途が最近急速に広がっているが、
工業的な固定化法としては珪藻土に高濃度のリパーゼ溶
液を物理吸着させて固定化する程度の研究しか成されて
いないのが実状である。
【0006】そのため、珪藻土吸着リパ−ゼを得るため
には、粗酵素リパ−ゼの高濃度溶液に珪藻土を混合した
後、全量を乾燥させる操作が必要であるが、珪藻土の物
理吸着能力には限度があり、しかも物理吸着のため吸着
力が弱く、繰り返しの使用では活性が低下するという問
題がある。
【0007】本来、固定化酵素を使用する目的は、高価
な酵素を使い捨てにしないで繰り返し使用することによ
ってコストを下げ、かつ、反応生成物中に酵素を残留さ
せないことにある。換言すれば出来るだけ少量で長期間
繰り返し使用可能な固定化酵素が望ましい。固定化酵素
の活性が高ければ反応装置は小型で良く、設備費と動力
費が少なくて済むという利点がある。
【0008】そこで本発明は、リパ−ゼの固定化操作が
容易であり、得られた固定化リパ−ゼが高い活性を示
し、しかも繰り返し使用時における活性の低下が少ない
無機の酵素固定化用担体及び固定化リパーゼを提供する
ことを課題とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、カルボン酸エステル結合を有するカップリ
ング剤を無機質担体に結合させたこと、及びカルボン酸
エステル結合を有するカップリング剤を無機質担体に結
合させたことにより、リパーゼを担持する担体を得たこ
と、カルボン酸エステル結合を有するカップリング剤が
シランカップリング剤であることを基本構成としてい
る。この無機質担体としてカオリナイト系酵素固定化用
担体もしくは多孔質ガラス,ベントナイト,シリカゲ
ル,アルミナ,シリカ,シリカ−アルミナヒドロキシア
パタイト,リン酸カルシウムゲル等のシランカップリン
グ剤と結合可能な官能基を有する担体を用いる。
【0010】カルボン酸エステル結合を有するシランカ
ップリング剤としては一般式RCOO(CH2)nSi
R’3(Rは有機官能基,R’は低級アルコキシ、フェ
ノキシ、ハロゲンからなる群から選んだ基、nは整数)
であるカルボン酸エステル結合を有するカップリング剤
を使用する。具体的には、γ−メタクリロキシプロピル
トリメトキシシラン、γ−アセトキシプロピルトリメト
キシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリメトキシシ
ラン等のシランカップリング剤を用いる。
【0011】また、カルボン酸エステル結合を有するカ
ップリング剤を無機質担体に結合させた後、所定の濃度
のリパーゼ溶液に無機質担体を混合して撹拌し、濾過,
乾燥することにより、リパーゼ蛋白に含まれる官能基を
カルボン酸エステルと結合させた固定化リパ−ゼを提供
する。
【0012】かかる酵素固定化用担体及び固定化リパー
ゼは、他のカルボン酸エステル結合を有しないシランカ
ップリング剤を結合させた担体や未処理の担体にリパー
ゼを担持させた場合に比べて担体に吸着した蛋白量が特
に多くなくても活性が非常に高く、即ち担体に吸着した
蛋白量に対する比活性が非常に高いものであり、かつ、
活性の低下が非常に少ないという特徴的作用がある。ま
た、製造時にも困難な固定化操作を必要とせず、所定の
濃度のリパーゼ溶液に担体を混合撹拌した後に濾過,乾
燥するという通常の固定化操作によってリパーゼ蛋白に
含まれる官能基をカルボン酸エステルと結合させること
が可能である。更に繰り返し使用によっても活性の低下
が非常に少なく、繰り返し回分反応における活性の低下
がほとんど認められないという顕著な特徴が得られる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下本発明にかかる酵素固定化用
担体及び固定化リパーゼの具体的な実施形態を説明す
る。本発明ではカルボン酸エステル結合を有するカップ
リング剤を無機質担体に結合させること、及びカルボン
酸エステル結合を有するカップリング剤を無機質担体に
結合させたことにより、リパーゼを担持する担体を得た
ことによって上記の課題を解決したことが特徴となって
いる。
【0014】表1により各種カップリング剤の構造式を
示す。
【0015】
【表1】
【0016】表1中のNo1〜No3は本発明で採用し
たカルボン酸エステル結合を持つシランカップリング剤
であり、No4〜No9は比較例としての他のシランカ
ップリング剤である。このように本発明で用いたカップ
リング剤はカルボン酸エステル結合を有し、かつ、好ま
しくはカップリング剤がシランカップリング剤であり、
一般式RCOO(CH2)nSiR’3で表されるものが
好適である。ここでRは有機官能基であり、末端に無機
の官能基を持っていても良い。R’は低級アルコキシ、
フェノキシ、ハロゲンからなる群から選んだ基であり、
nは整数である。
【0017】また、無機質担体としてカオリナイト系酵
素固定化用担体、もしくは多孔質ガラス、ベントナイ
ト、シリカゲル、アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ
ヒドロキシアパタイト、リン酸カルシウムゲル等のシラ
ンカップリング剤と結合可能な官能基を有する担体を用
いる。
【0018】本発明では以下に例示するように、平均粒
径200μmに造粒したカオリナイト系酵素固定化用担
体の表面に各種のシランカップリング剤を結合させた後
にリパーゼを担持させて反応性を検討した。その結果、
前記No1〜No3で示したγ−メタクリロキシプロピ
ルトリメトキシシラン、γ−アセトキシプロピルトリメ
トキシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリメトキシ
シラン等のカルボン酸エステル結合を有するシランカッ
プリング剤を結合させた担体にリパーゼを担持させた固
定化リパーゼ(以下エステル結合固定化リパーゼとい
う)は、他のカルボン酸エステル結合を有しないシラン
カップリング剤を結合させた担体にリパーゼを担持させ
た固定化リパーゼ(以下他のシランカップリング固定化
リパーゼという)に比べて担体に吸着した蛋白量が特に
多くなくても活性が非常に高いという知見を得た。
【0019】上記カオリナイト系酵素固定化用担体と
は、カオリン鉱物に強酸を加え、水と共に水熱処理を施
した後、水洗したスラリー又は粉体を造粒し、350℃
〜1000℃の温度で焼成することにより得た酵素固定
化用担体であって、シャープで均一な細孔分布と大きな
細孔量を持つ。
【0020】上記の工程は強酸を用いて水熱処理を行う
ため、不純物として含まれているアルカリ成分が溶出
し、得られたスラリー又は多孔質粉体にはほとんど可溶
性アルカリ成分は含まれておらず、カオリン鉱物本来の
化学的安定性が更に向上するという特徴を有している。
【0021】なお、シランカップリング剤としてリパー
ゼ以外の酵素で効果の高いとされるγ−アミノプロピル
トリメトキシシラン(表1のNo8)を結合させた担体
でもリパーゼの場合は固定化量も少なく、活性の低いも
のしか得られなかった。
【0022】一般に市販されているリパ−ゼは、粗酵素
粉末が多く純粋なリパ−ゼ蛋白以外に多くの他の蛋白質
を含んでおり、純粋なリパーゼ蛋白だけを選択的に担体
に担持することは困難である。そのため活性を向上させ
るには大量の粗酵素リパ−ゼ粉末を高濃度溶液にして大
量の蛋白を吸着させなければならず、固定化操作が困難
であるとともに用いる担体は蛋白吸着能力が非常に高い
ものが要求される。これに比べ、エステル結合を有する
シランカップリング剤を結合させた担体を用いると多量
の蛋白を吸着させなくても非常に高い活性を持つ固定化
リパーゼを得ることができる。
【0023】そのため、従来の珪藻土吸着リパ−ゼの固
定化で必要な粗酵素リパ−ゼの高濃度溶液を使用して珪
藻土と混合した後、全量乾燥するという困難な固定化操
作を必要とせず、通常の固定化操作、即ち所定の濃度の
リパ−ゼ溶液に担体を混合撹拌後、濾過し、乾燥すると
いう簡単な操作で充分である。その理由は現時点では必
ずしも明らかではないが以下のように推察される。即
ち、酵素は触媒として働く蛋白質であり、その20種類
のアミノ酸残基にはアミノ基やカルボキシル基をはじめ
とする種々の官能基を持っている。リパーゼ蛋白の場合
それらの官能基の何れかがカルボン酸エステルと特に結
合し易く、そのため他の蛋白よりもリパ−ゼ蛋白を選択
的に多く結合させることができるものと考えられる。
【0024】一方、繰り返し使用による活性の低下を比
較した結果、エステル結合固定化リパーゼは、他のシラ
ンカップリング固定化リパーゼとかシランカップリング
剤で処理していない担体にリパーゼを担持させた固定化
リパーゼに比べ、リパーゼの吸着力が強いため活性が高
いだけでなく、活性の低下が非常に少ないことが判明し
た。以下に具体的に実施例を説明する。
【0025】
【実施例】ラセミ体の光学分割を目的とした反応の1例
として、DL−1−フェネチルアルコールに、アシル供
与体としてビニルアセテートを混合し、リパ−ゼを触媒
としてR体のエステル化反応を行った。また、リパ−ゼ
としてはR体を選択的に触媒反応することが既に確認さ
れており、特に上記の反応においては非常に高い選択性
を示すリパ−ゼPS(Pseudomonas cep
acia 起源,天野製薬社製)を担体に固定化して使
用した。
【0026】《実施例1〜3》表1に示すNo1〜No
3のカルボン酸エステル結合を持つシランカップリング
剤0.2gをトルエン1.8gで希釈した溶液にカオリ
ナイト系酵素固定化用担体1.5gを投入し1時間混合
した後、固液分離をし、110℃で30分間乾燥させて
担体を得た。
【0027】そして、リパーゼ粗酵素(リパーゼPS
天野製薬社製)2.5gをリン酸緩衝液(pH7.0)
25mlに溶解した後、濾過により不溶成分を除去し、
得られた酵素溶液に実施例で得られた担体0.5gを投
入し、振とうしながら一昼夜固定化を行った後、濾過を
行って固定化リパ−ゼを回収した。
【0028】《比較例4〜6》表1に示すNo4〜No
9の他のシランカップリング剤0.2gをトルエン1.
8gで希釈した溶液にカオリナイト系酵素固定化担体
1.5gを投入し、1時間混合した後、固液分離をし、
110℃で30分間乾燥させて担体を得た。
【0029】そして、リパーゼ粗酵素(リパーゼPS
天野製薬社製)2.5gをリン酸緩衝液(pH7.0)
25mlに溶解した後、濾過により不溶成分を除去し、
得られた酵素溶液に比較例で得られた担体0.5gを投
入し、振とうしながら一昼夜固定化を行った後、濾過を
行って固定化リパ−ゼを回収した。
【0030】《活性試験》こうして得られた実施例1〜
3と比較例4〜9の各固定化リパーゼ120mgをDL
−1−フェネチルアルコール1.2ml、ビニルアセテ
ート4.6mlの混合液に投入して25℃でエステル化
反応を行った。反応開始20分後の初期活性(U/g)
と蛋白吸着量(mg/g−担体)との関係を図1に示
す。活性は1分間に1μmolのフェネチルエステルを
生成する酵素量を1Unit(U)とした。
【0031】図中のAで囲んだ3種の初期活性は、本発
明で採用した前記表1に示すNo1〜No3で示したγ
−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−ア
セトキシプロピルトリメトキシシラン、γ−アクリロキ
シプロピルトリメトキシシラン等のカルボン酸エステル
結合を有するシランカップリング剤を結合させた担体に
リパ−ゼを担持させたエステル結合固定化リパ−ゼを用
いた本発明にかかる実施例であり、他のシランカップリ
ング固定化リパーゼを用いた比較例4〜9の6種の例及
び未処理の例と比較して、担体に吸着した蛋白量が特に
多くなくても初期活性が非常に高くなっているという結
果が得られた。例えば、実施例1〜3と略同量の蛋白吸
着量を有するNo9のフェネチルトリメトキシシランで
処理した比較例9と比較してAで囲んだ3種の活性が数
倍高いことが判る。また、実施例1〜3より蛋白吸着量
の多いNo4のアリルトリメトキシシランで処理した比
較例4と比較しても、No1〜No3の活性が数倍高い
ことが判る。
【0032】《回分反応試験》実施例1〜3の各固定化
リパーゼの中で、No1のγ−メタクリロキシプロピル
トリメトキシシランで処理を行った担体(実施例1)に
ついて繰り返し回分反応を30回行った。更に比較例と
して、表面処理を行っていない担体及び比較例4〜9の
各固定化リ−パゼの中でNo4のアリルトリメトキシシ
ランで処理を行った担体(比較例4)についても同様に
繰り返し回分反応を行った。本実施例と比較例及び未処
理の例について回分反応回数(回)と活性(U/g)の
関係を合わせて図2に示す。
【0033】図2のAで示す本実施例の担体は回分数1
0回程度までは活性がやや低下したが、以後繰り返し回
分反応を30回行っても活性の低下は微小であったのに
対して、No4のアリルトリメトキシシランで処理を行
った比較例の担体と未処理の担体は活性自体が当初から
小さく、かつ、繰り返し回分反応を行うことによって活
性が急激に低下していることが判る。
【0034】次に、実施例1〜3で用いたカオリナイト
系酵素固定化用担体と、他の無機質担体として市販のガ
ラスビーズ(粒径500μm)に実施例1から3と同様
の処理方法で本発明にかかるNo1のγ−メタクリロキ
シプロピルトリメトキシシランと、比較例としてのNo
4のアリルトリメトキシシラン剤をそれぞれ結合させ、
リパ−ゼの固定化及び実施例1〜3と同様な反応系によ
るエステル化反応を行った。表2に未処理の担体と本発
明及び比較例にかかる各担体の蛋白吸着量(mg/g)
及び初期活性(U/g)並びに初期活性を吸着蛋白量当
りの活性で示した比活性(U/mg)の結果を示す。
【0035】
【表2】
【0036】表2によれば、本発明の例は、比較例及び
未処理の例に比べて担体に吸着した蛋白量が特に多くな
くても、初期活性が非常に高いという結果が得られた。
例えばカオリナイト系酵素固定化用担体を使用した場
合、蛋白吸着量そのものは未処理の例が39.5mg/
g、比較例が39.1mg/g、本発明の例が33.2
mg/gであって、未処理の例及び比較例が多いが、初
期活性はそれぞれ、254U/g、348U/g、87
3U/gであって、本発明の例が数倍高い値を示してお
り、比活性を示すとそれぞれ、6.4U/mg8.9U
/mg、26.3U/mgとなり本発明の例が圧倒的に
高い値を示している。
【0037】更に、無機質担体としてガラスビーズを用
いた場合の本発明の例でも同様に蛋白吸着量そのものは
未処理の例や比較例に比較して少なくても、初期活性は
150U/gと未処理の例や比較例より数倍高い値を示
している。そして、比活性は26.3U/mgと圧倒的
に高い値を示している。このガラスビーズを用いた場合
の本発明の例の比活性26.3U/mgはカオリナイト
系酵素固定化用担体を用いた場合の本発明の例の比活性
と同様の値を示しており、母体となる担体の種類にかか
わらず、本発明にかかるカルボン酸エステル結合を有す
るカップリング剤を結合させることにより、担体に吸着
した蛋白量が特に多くなくても活性が非常に高くなるこ
とが判る。即ち、ガラスビーズはカオリナイト系酵素固
定化用担体に比較して、活性の絶対値は低いものの、比
活性は同一の値であって、未処理の例や比較例に比して
同様に非常に高い比活性を示しており、カルボン酸エス
テル結合を有するシランカップリング剤のリパ−ゼとの
結合効果は同様に優れていることが判る。よって、本発
明は無機質担体に限定はなく、どのようなものであって
も前記した作用効果を泰することが判る。
【0038】
【発明の効果】以上詳細に説明したように本実施例にか
かるカルボン酸エステル結合を有するシランカップリン
グ剤を結合した担体は、未処理及び他のシランカップリ
ング剤を結合した担体と比較して蛋白吸着量に対する活
性(比活性)が数倍高い上、繰り返し回分反応において
も活性低下が非常に少なく、長期間にわたる使用が可能
という効果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例と比較例及び未処理の担体の蛋白吸着
量と初期活性の関係を示すグラフ。
【図2】本実施例と比較例及び未処理の担体の繰り返し
反応における回分反応回数と活性の変化を示すグラフ。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 カルボン酸エステル結合を有するカップ
    リング剤を無機質担体に結合させたことを特徴とする酵
    素固定化用担体。
  2. 【請求項2】 カルボン酸エステル結合を有するカップ
    リング剤を無機質担体に結合させたことにより、リパー
    ゼを担持する担体を得たことを特徴とする酵素固定化用
    担体。
  3. 【請求項3】 カルボン酸エステル結合を有するカップ
    リング剤がシランカップリング剤である請求項1又は2
    記載の酵素固定化用担体。
  4. 【請求項4】 カルボン酸エステル結合を有するシラン
    カップリング剤が一般式RCOO(CH2)nSiR’3
    (Rは有機官能基,R’は低級アルコキシ、フェノキ
    シ、ハロゲンからなる群から選んだ基、nは整数)であ
    る請求項3記載の酵素固定化用担体。
  5. 【請求項5】 カルボン酸エステル結合を有するカップ
    リング剤として、γ−メタクリロキシプロピルトリメト
    キシシラン、γ−アセトキシプロピルトリメトキシシラ
    ン、γ−アクリロキシプロピルトリメトキシシランの何
    れか1種のシランカップリング剤を用いた請求項3又は
    4記載の酵素固定化用担体。
  6. 【請求項6】 無機質担体として、カオリナイト系酵素
    固定化用担体,多孔質ガラス,ベントナイト,シリカゲ
    ル,アルミナ,シリカ,シリカ−アルミナヒドロキシア
    パタイト,リン酸カルシウムゲル等のシランカップリン
    グ剤と結合可能な官能基を有する担体を用いた請求項
    1,2,3,4又は5記載の酵素固定化用担体。
  7. 【請求項7】 カルボン酸エステル結合を有するカップ
    リング剤を無機質担体に結合させた後、所定の濃度のリ
    パーゼ溶液に無機質担体を混合して撹拌し、濾過,乾燥
    することにより、リパーゼ蛋白に含まれる官能基をカル
    ボン酸エステルと結合させたことを特徴とする固定化リ
    パ−ゼ。
JP8157619A 1996-05-28 1996-05-28 リパーゼ固定化用担体及び固定化リパーゼ Expired - Lifetime JP2862509B2 (ja)

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