Levilactobacillus brevis PD20.100 を用いた 1,3-プロパンジオールおよび有機酸生産における発酵モードと培地の影響

廃棄物を有用資源に変える

日々、産業界では再利用が難しい残渣が生じます。たとえばバイオディーゼル製造から出る原料グリセロールや、魚加工から出るタンパク質を含む切れ端などです。本研究は、こうした低価値の廃棄物を、環境配慮型プラスチックやパーソナルケア製品の主要原料である 1,3-プロパンジオール と有用な有機酸に変換できるように改良された微生物を探るものです。異なる発酵運転方法と栄養処方を比較することで、持続可能性、コスト、生産性が両立する最適点を見つけようとしています。

燃料廃棄物と魚の切れ端から新製品へ

本研究の焦点は 1,3-プロパンジオール にあります。これは弾力性のある繊維や不凍液、塗料、化粧品の成分として使われる小分子です。従来は石油由来で生産されてきましたが、炭素源を“食べる”微生物によっても作れます。本研究では、バイオディーゼルの副産物で不純物を含むことが多い原料グリセロールを、主要な炭素源としてグルコースと併用します。微生物が必要とするもう一つの主要栄養素である窒素については、従来のリッチな培地である改良MRS（mMRS）と、魚加工の残材から作られる粉末状の魚タンパク質加水分解物（FPH）の2種類を比較しました。目的は、FPH が高価な実験室用成分に代わり得て、生産性を保てるかを検証することです。

微生物はどう働くか

研究チームは、糖や原料グリセロールの高濃度に耐えるよう適応進化させた乳酸菌 Levilactobacillus brevis PD20.100 を用いています。細胞内ではグリセロールが二つの連結した経路に分配されます：一方は 1,3-プロパンジオール に変換される経路、もう一方は乳酸や酢酸といった酸を生成する経路です。これらの経路は内部の“電子”を共有するため、その間のバランスが極めて重要です。条件が整えば 1,3-プロパンジオール への流れが増えますが、そうでなければ酸の生成が優勢になります。本研究では、培地組成（mMRS 対 FPH）、細胞の形式（浮遊細胞対アルギン酸ビーズに固定化した細胞）、発酵様式（単一バッチ、フィードバッチ、反復バッチ）がそのバランスにどう影響するかを検討します。

発酵運転法の比較

炭素源を双方 60 g/L に設定した単純なバッチ実験では、浮遊細胞かつ mMRS を用いた場合が最も良好で、原料グリセロールの転換効率が非常に高く 1,3-プロパンジオール は約 39–40 g/L に達しました。FPH を用いた場合でも 27–31 g/L とまずまずの生成は示しましたが、増殖は遅く基質の未消費が多く残りました。これは FPH に含まれる苦味や阻害性ペプチド、mMRS に含まれるいくつかのビタミンの欠如が原因と考えられます。アルギン酸ビーズに細胞を固定化すると安定性が向上して再利用が可能になる一方、自由浮遊細胞と比べると通常はピーク生成量が低下しました。フィードバッチ戦略（時間をかけてグリセロールとグルコースを追加する）を試したところ、mMRS では特定の給餌パターンが堅実な性能を示しましたが、それでも最高のバッチ条件には及びませんでした。FPH を用いた同様の戦略では、収率が低く時間経過に伴う生産低下がより顕著でした。

細胞の再利用とスケールアップ

反復バッチ発酵（細胞やビーズを新鮮な培地へ複数回循環させる）では、時間とともに性能がどう変化するかが明らかになりました。mMRS 中の浮遊細胞は数サイクルにわたり高い 1,3-プロパンジオール 生産を維持した後、徐々に低下しました。これはストレスや生成物蓄積による細胞機能の低下が原因と推察されます。FPH ではこの低下がより早く、急峻に起こり、阻害成分の累積効果を示唆しています。アルギン酸ビーズに固定化した細胞でも同様の傾向が見られました：mMRS では初期に良好な結果が得られるものの、数サイクル後には明らかな低下が生じ、特に FPH で顕著でした。最後に研究者らは制御された撹拌タンク型発酵槽へ FPH を用いたスケールアップを行いました。pH、撹拌、溶存酸素などをより良く制御することで、システムはほぼ 29 g/L の 1,3-プロパンジオール に到達し、小規模フラスコでの条件よりも原料グリセロールをより効率的に消費しました。

より環境配慮型生産に向けての意義

総じて、本研究は適応進化させた L. brevis PD20.100 株が、バイオディーゼル副産物であるグリセロールを多様な条件下で価値ある 1,3-プロパンジオール と有機酸に変換できることを示しています。従来の mMRS 培地は依然として最高の収率と最速の発酵を提供しますが、魚加工廃棄物から作られる魚タンパク質加水分解物（FPH）は、低コストでより持続可能な窒素源として有望です。適切なプロセス設計、バイオリアクター内での精密な制御、そして FPH 組成のさらなる最適化を組み合わせれば、二つの問題となる廃棄物流を有用化学品に変換し、循環型バイオエコノミーとより環境配慮型の材料生産を前進させる可能性があると著者らは主張しています。

引用: Alphy, M.P., Anjitha, S.K., Sherin, S.D. et al. Fermentation mode and media effects on 1,3-propanediol and organic acids production using Levilactobacillus brevis PD20.100. npj Mater. Sustain. 4, 17 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-026-00106-x

キーワード: 1,3-プロパンジオール, 原料グリセロール, 魚タンパク質加水分解物, 乳酸菌, 持続可能な発酵