熱アルカリ条件下でのBacillus licheniformis OP16-2によるコーンスティープウォーターの無栄養バイオリファイナリーによる乳酸生産とパイロットスケール評価

トウモロコシ副生成物を価値あるグリーンケミカルに変える

乳酸は現代経済の万能選手であり、食品の保存に役立ち、化粧品では肌を落ち着かせ、可降解プラスチックの重要な前駆体でもあります。しかし、大量に持続可能かつ低コストで生産することは依然として課題です。本研究は予想外の主役――トウモロコシ湿式製粉の副生成物であるコーンスティープウォーター――を取り上げ、強靭な土壌細菌がこの廃液を追加栄養なしで高付加価値の乳酸に変換できることを、汚染が自然に抑えられる高温・アルカリ条件下で示します。

トウモロコシ産業に潜む見えざる資源

大規模な工場でトウモロコシを処理する際、デンプンを抽出するために粒を二酸化硫黄を含む温水で浸漬します。残る液体、すなわちコーンスティープウォーターは、糖、アミノ酸、ビタミン、ミネラルに富んでいます。従来は発酵の補助材として少量利用されるのが一般的でした。著者らはより野心的な疑問を投げかけました：添加栄養剤を加えずに、コーンスティープウォーター自身が微生物の唯一の栄養源となり、低価値の副生成物を“無栄養”バイオリファイナリーの主要原料に変えられるか、という問いです。

高温・アルカリを好む微生物の探索

工業的発酵はしばしば精製糖のコストと、望ましくない微生物による汚染のリスクに悩まされます。これら双方に対処するため、研究者らはエジプト各地の土壌試料から、50〜60°C程度の高温かつpH約9のアルカリ条件で繁栄する細菌を探索しました。このような過酷な条件は一般的な汚染微生物を自然に排除します。50候補のうち、後にBacillus licheniformis OP16-2と同定された一株が際立ちました。本株はコーンスティープウォーター中で力強く増殖し、加工で残る塩類や硫黄化合物といった阻害物質に耐え、利用可能な糖を非常に高効率で乳酸に変換しました。

最大出力に向けたレシピの最適化

有望な株を選定した後、チームは系統的に発酵条件を最適化しました。コーンスティープウォーター中の糖濃度、温度、接種量、pHを変えて試験し、乳酸蓄積に伴うpH制御方法として水酸化ナトリウム（NaOH）と固定化した炭酸カルシウムの二方式を比較しました。さらに、これら因子が互いにどう影響するかを一つずつでなく統計的手法で評価しました。その結果、最適な“スイートスポット”が明らかになりました：コーンスティープウォーター糖量約80〜83 g/L、温度約45°C、ややアルカリ性のpH約8.5〜9.0、そして中〜高めの接種量です。この条件下で、消費された糖の約94%が乳酸に変換されるという非常に高い収率が得られました。

フラスコからパイロットバイオリアクターへのスケールアップ

発見にはラボ用フラスコが有用ですが、実際の影響はより大きなタンクでの性能に依存します。そこで研究者らは50リットルのバイオリアクターに移行し、処理していないコーンスティープウォーターのみを所定の糖濃度とpHに調整して供給しました。標準的なバッチ運転で約74〜76 g/Lの乳酸が得られ、統計的予測に一致しました。さらに生産を高めるために、彼らは“マルチパルス・フェッドバッチ”戦略に切り替えました：糖を一度に全量投入するのではなく、濃縮したコーンスティープウォーターをバクテリアが糖を消費するに応じて段階的に供給します。これにより微生物にとって快適な糖濃度が維持され、高濃度によるストレスを回避できます。約1週間の運転で乳酸濃度は約153 g/Lに達し、依然として高い収率と安定した生産性が維持されました。

持続可能な材料にとっての意義

再生可能資源由来の乳酸は、ポリ乳酸（PLA）などの可降解プラスチックや、環境に優しい溶媒、食品成分の生産に不可欠です。本研究は、単一の頑強な細菌が高温・アルカリ条件で成長することで、イーストエキスなどの高価な栄養を加えずにコーンスティープウォーター――しばしば廃棄物とみなされる流れ――を直接乳酸に変換できることを示しました。原料コストと滅菌コストの双方を削減することで、この熱アルカリ無栄養プロセスは農業副産物からの安価で大規模なグリーンケミカル生産に一歩近づけ、廃棄物をより持続可能な消費財の価値ある原料に変換します。

引用: Selim, M.T., Salem, S.S., El-Belely, E.F. et al. Nutrient-free biorefinery of corn steep water into lactic acid by Bacillus licheniformis OP16-2 under thermo-alkaline conditions with a pilot-scale assessment. Sci Rep 16, 4357 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35828-4

キーワード: 乳酸発酵, コーンスティープウォーター, バイオリファイナリー, Bacillus licheniformis, バイオプラスチック