発酵工業（読み）はっこうこうぎょう

改訂新版　世界大百科事典

発酵工業 (はっこうこうぎょう)

微生物が各種の物質を生分解し，あるいは生合成する機能を，有用物質の生産などに利用する工業。広義には醸造工業も含めるが，醸造においては，原料中の各種成分が複雑な微生物作用によってそれぞれ変化し，その総合によって食品がつくりあげられるのに対し，発酵工業は特定の微生物を用い特定の化合物を生産する工業をいうことが多い。発酵とは初め酸素のない状態（嫌気）での微生物代謝をいっていたが，現在では酸素の存在下（好気）における代謝をも含めるようになり，むしろ好気的な発酵工業が主となっている。また生産物には，微生物がエネルギーを獲得したり菌体をつくるなど，生命維持のため不可欠な代謝活動の結果生成する代謝産物（一次代謝産物）と，必ずしも必須でない代謝の産物（二次代謝産物）とがある。

発酵工業の発達史

酒類や酢の醸造，パンの製造などは古代から行われていたが，微生物に対する認識はなく，原料を放置して待つ自然発酵であった。17世紀後半になって，A.vanレーウェンフックが初めて微生物を観察し，19世紀後半になって，L.パスツールは発酵が微生物の働きによることを明らかにし，R.コッホやハンセンEmil Christian Hansenは微生物を純粋に分離した。さらにE.ブフナーが19世紀最後に，発酵がすりつぶした細胞でも起こることを認め，酵素の概念を確立してから酵素化学的研究が進み，解糖作用やクエン酸回路などの代謝経路が明らかにされた。これらの研究を背景として，19世紀末から20世紀の初頭には，酢酸，乳酸，クエン酸などの工業生産が開始され，アルコール製造工業も開発された。第1次大戦のころにはブチルアルコールやアセトンの製法が，第1次大戦後には微生物酵素の生産が開始された。アセトン，ブチルアルコールの発酵残渣（ざんさ）からビタミンB₂を回収する工業も始められ，微量ではあるが高価な生産物の工業が始まった。また酵母の発酵にサルファイトを加えグリセリンを製造するプロセスは，発酵転換利用の道を開いたが，さらにD-ソルビットをL-ソルボースへ酸化変換し，ビタミンCを製造する方法の開発は，微生物の機能利用拡大として注目されるものであり，その後ステロイドの変換などに発展していった。1928年A.フレミングによってペニシリンが発見され，40年H.W.フローリー，チェーンE.B.Chainによって生産プロセスが開発された。次いで44年S.A.ワクスマンのストレプトマイシンの発見につづいて抗生物質が続々と工業化された。これは微生物のうえでは放線菌などの新しい微生物群へ，生産物のうえでは二次代謝産物へと拡張したことで画期的であり，さらにジベレリンなどの生理活性物質工業へと発展していった。

　一方，第2次大戦中にエチルアルコールの需要が増大したが，西欧で行われていた麦芽によるデンプン分解より，東洋のカビ酵素による分解法の有利性が認識され，アメリカでカビをタンク内で通気攪拌（かくはん）培養するいわゆる液体こうじの製造法が始まった。これは抗生物質工業とあいまって微生物好気培養技術の進歩を促した。戦後になってさらに発酵工程の機械化，連続化がすすみ，化学工学的手法の導入による殺菌，通気攪拌，微生物の分離，生産物の回収などのプロセスの合理化が行われ，発酵工業も近代化学工業として確立された。56年木下祝郎らによって発酵法によるL-グルタミン酸の製法が開発されたが，1950年代から分子生物学者によって，DNA→mRNA→タンパク質という生物学のセントラル・ドグマおよびその遺伝的制御過程が解明され，それをもとにタンパク質や核酸生合成の中間体でそれまで大量に蓄積できなかったアミノ酸やヌクレオシド，ヌクレオチドを直接発酵生産する代謝制御発酵が開花した。50年代から石油化学工業が大きく発展して，ソルベント（溶剤），有機酸からビタミンにいたるまで安価に合成されるようになり，付加価値の比較的小さい原料費がコストの大部分を占める発酵生産物は，工程の合理化程度では競争できなくなり，発酵工業も大量安価な石油，天然ガスに原料を転換する必要にせまられて，いわゆる石油発酵の開発が進められた。SCP（微生物タンパク）をはじめ，多種の生産物がノルマルパラフィンやメチルアルコールなどの石油化学製品から製造できることが示されたが，その後の石油の値上がりなどのため，SCP，クエン酸など一部が工業化されただけである。しかし最近ジカルボン酸，ソホロースリピドの工業化が伝えられ，その成果がみのりつつある。

発酵工業の特色

発酵工業は化学工業に比べ次のような特色があげられるであろう。まず利点としては，（1）目的の反応を行わせる微生物を，土壌など天然物から検索分離でき，比較的容易に改良，育種できる。（2）通常，常温常圧で反応が進行するから省エネルギー的であり，食品などの品質を損なうことが少ない。比較的反応速度が大きく酵素も安定なので，高温菌が有利とされているが，温度は100℃以下である。pHについても酸性あるいはアルカリ性で働く微生物が注目されているが，一般には微酸性ないし中性で行われる。（3）生物反応は数十の反応工程を，あたかも単一反応のように容易に進行させうる。複雑な高分子化合物をも単純な原料から生産できる。（4）酵素を触媒とする生体反応は高度の選択性があり，特定の基質の特定の部位の加水分解，酸化，還元，官能基の導入などが行われ，光学活性や立体特異性をもつ生産物を生成する。（5）装置は比較的構造の簡単な発酵槽が用いられ，汎用（はんよう）が可能である。一方，欠点としては，（1）雑菌あるいはウイルスの汚染の被害が甚大であり，十分な警戒が必要である。（2）生物反応であるので失活しやすく，また工程管理がやや複雑である。近年安定化や計測管理手法が発達してきた。（3）化学反応に比べて反応速度が必ずしも大きくなく，反応は水系であって生産物の濃度が一般に低く，回収経費が大である。最近，非水溶媒系の微生物または酵素反応が注目されている。

発酵工業の現状

分野別に発酵工業を概観すると次のようである。（1）菌体および菌体成分の利用　キノコは食用として多量に生産されている。微生物はタンパク質が多く，ビタミンを含むので，酵母，細菌，藻類の菌体は飼料あるいは保健剤として利用される。酵母の発酵能はパン酵母として大量に，また乳酸菌は整腸剤として用いられる。ビタミンB₁₂は微生物が唯一の給源である。核酸を抽出して酵素分解し，呈味ヌクレオチドがつくられる。（2）溶剤　飲料用エチルアルコールは発酵でつくられており，日本では現在行われていないが，嫌気発酵でアセトン，ブチルアルコール，イソプロピルアルコールが生産される。グリセリン，2，3-ブタンジオールも生産可能である。（3）有機酸　酢酸，乳酸，クエン酸，グルコン酸，コハク酸がつくられている。主として食用であるが，グルコン酸はグルコノラクトンとし，豆腐製造凝固剤として生産が増大した。2-ケトグルコン酸は抗酸化剤，イソビタミンCの原料となる。（4）アミノ酸　調味料としてL-グルタミン酸が，栄養剤，飼料添加剤としてL-リジンが大量に生産されている。またL-イソロイシン，L-トレオニン，L-アルギニン，L-トリプトファンをはじめ十数種のアミノ酸が発酵により生産されている。（5）核酸関連物質および補酵素類　5′-イノシン酸，5′-グアニル酸などの呈味ヌクレオチドが，直接発酵法または発酵でヌクレオシドをつくり，化学的にリン酸化する方法で製造されている。医薬または試薬としてATP，FAD，NAD，CDPコリン，コエンザイムA（CoA），コエンザイムQ₁₀がつくられている。（6）抗生物質など　β-ラクタム，アミノ配糖体，マクロライド系，クロラムフェニコールおよびテトラサイクリン系の抗生物質，ポリエン系を中心とする抗真菌性抗生物質，抗ウイルスまたは抗腫瘍性物質など発酵工業の大きな分野になっている。キノコの多糖，核酸塩基のアラビノシドも抗腫瘍剤として用いられている。農薬用抗生物質もある。また植物生長促進剤として，ジベレリンが農業用に用いられている。（7）酵素　酵素の給源はほとんど微生物によっており，食品加工，医療，診断用などに多種の酵素がつくられている。生産量の多いものはアミラーゼ，プロテアーゼ，凝乳酵素，リパーゼ，セルラーゼ，グルコースイソメラーゼなどである。（8）その他の生産物　デキストラン，プルランなどの多糖類，オリゴ糖，シクロデキストリン，色素，凝集剤，界面活性剤などが生産される。（9）微生物変換　微生物の光学特異的，立体特異的な加水分解，酸化還元，転移などの反応を利用して，合成DL-アミノ酸の光学分割，L-アスパラギン酸，L-リジン，D-p-ヒドロキシフェニルグリシンなどがつくられている。D-ソルビットのL-ソルボースへの変換はビタミンC製造の重要な工程である。また医薬の大きな分野である副腎皮質・性ホルモンの製造法では，微生物のステロイドの水酸化，脱水素，水素添加，エポキシ化，側鎖の分解反応が重要な位置を占めている。

発酵工業の展望

資源問題と環境問題は現代の重要課題である。人口の増加と人間活動の増大は，エネルギー，食糧，化学工業原料などの枯渇を招く一方，廃棄物による環境の汚染をもたらしている。その解決に微生物の果たす役割は小さくないと考えられる。農林畜産廃棄物，都市廃棄物，未利用資源などのいわゆるバイオマスから，ソルベント，有機酸，メタン，水素などの燃料物質，化学工業原料あるいは食料，飼料などの生産プロセスが開発されつつある。二酸化炭素を固定する微生物の活用は，植物の有機物生産能を補って，資源問題に一つの展望を与えると考えられる。それは廃棄物，汚染物質を資源循環の輪に入れる一方，環境汚染防止に役だつからである。遺伝子組換え，細胞融合，細胞培養，バイオリアクターなどのいわゆるバイオテクノロジーの急速な発展が，発酵工業に大きなインパクトを与えている。新しい育種法は微生物機能を飛躍的に増大するばかりでなく，他の生物の遺伝子，合成遺伝子の導入によって，ホルモン，免疫物質など微生物の物質生産能に新たな展望を開いた。また発酵工業における微生物培養技術は，動植物の細胞培養にも大きく貢献するであろう。酵素，オルガネラ，細胞の固定化技術も微生物を中心として開発され，バイオリアクターに組み入れて，省資源，省エネルギー的な物質生産を可能にしつつあり，またセンサーなどとして医療，診断への応用も広がりつつある。
執筆者：蓑田 泰治

出典　株式会社平凡社「改訂新版　世界大百科事典」

日本大百科全書(ニッポニカ)

発酵工業
はっこうこうぎょう

微生物の機能を利用して有用物質を生産する産業をいい、広く醸造工業も含めて考える場合が多い。古い時代の発酵工業とみられる酒類や酢の醸造、パンの製造などは、微生物に対する知識がなく、原料を放置して製品ができるのを待つ自然発酵であった。これに対して19世紀末に成立した近代的な発酵工業は、純粋培養した微生物を用いる点が古来の発酵とは大きく異なっている。これにはコッホやハンセンEmil Christian Hansen（1842―1909）らによる微生物の純粋分離の成功、培養法の確立、ブフナーに始まる酵素化学研究の進展などが大いに貢献している。かくして19世紀末から20世紀初頭にかけて、乳酸、クエン酸、酢酸などを生産する発酵工業が始まり、ついでアルコール発酵も開発された。第一次世界大戦ころにはアセトン、ブタノールなどの有機溶媒、ビタミン類などを生産する発酵工業がおこり、さらにA・フレミングによるペニシリンの発見、ワックスマンによるストレプトマイシンの発見後、抗生物質の工業生産が始まり、短期間のうちに発酵工業の大きな分野の一つに成長した。これに続いてイネ馬鹿苗(ばかなえ)病菌を用いたジベレリンの生産など、生理活性物質の発酵生産も始まった。

　一方、生産工程の改良、新製法の開発も進み、まず微生物好気培養技術が大きく進歩した。第二次世界大戦後は発酵工程の機械化・連続化、混入微生物の殺菌、通気攪拌(かくはん)、微生物の分類、生産物の回収などプロセスの合理化が図られて、発酵工業は近代工業として確固たる地位を確立した。近年、とくに開発が進んだ分野としてはグルタミン酸などのアミノ酸発酵、イノシン酸など核酸関連物質の発酵生産がある。アミノ酸や核酸関連物質は、微生物の菌体の基本物質であるタンパク質、核酸（DNA、RNA）の構成成分であり、必要な量が合成されればそれ以上は菌体内に蓄積しないように、その生合成反応が微生物本来の生理によって巧みに制御されている。したがって、野生型の微生物を用いる方法では大量生産が不可能であった。しかし、分子遺伝学や生化学の急速な進歩によってこの制御機構が解明されるとともに、人為的に改良した変異株を用いてアミノ酸や核酸関連物質を大量に蓄積させることが可能になってきた。これを代謝制御発酵とよぶことがある。

［山口雅弘］

現状

以下、発酵工業の現状を生産物別に概観する。(1)アルコール発酵　現在では飲料用アルコール以外は合成法によっているが、飲料用アルコールだけは発酵法により製造されたものだけが使用を許可されている。使用微生物は耐アルコール性酵母Saccharomyces cerevisiaeで、原料には廃糖蜜(とうみつ)およびサツマイモが用いられる。(2)有機酸発酵　微生物のつくりだす有機酸は数多くあるが、現在、発酵法で製造されているのはクエン酸、グルコン酸、リンゴ酸が主である。(3)アミノ酸発酵　1956年（昭和31）に微生物によって糖とアンモニアからL-グルタミン酸を高収率で生成させる方法が日本で開発されて以来、各種のL-アミノ酸、すなわちリジン、スレオニン、トリプトファン、フェニルアラニン、バリンなどの発酵生産が行われている。このうち、リジンは学校給食に添加されて児童の栄養向上に役だち、家畜の飼料にも加えられて飼料効果を高めている。また、各種のL-アミノ酸を混合した製剤は、輸液あるいは内服液として医療に広く使われている。(4)核酸関連物質　かつお節のうま味成分であるイノシン酸やシイタケのうま味成分であるグアニル酸は直接発酵法、または発酵法でつくったヌクレオシドを化学的にリン酸化する方法で生産されており、また生体のエネルギー源であるアデノシン三リン酸やアデノシン二リン酸、活性型ビタミンB₂といわれるFADなどが、発酵法によってつくられている。(5)酵素　食品加工、醸造用、医薬品などに多種類の酵素が生産されているが、そのうち生産量の多いのはアミラーゼ、プロテアーゼ、セルラーゼ、リパーゼなどである。(6)抗生物質　ペニシリン、セファロスポリン、ストレプトマイシン、カナマイシンなどをはじめ、抗癌(こうがん)剤のマイトマイシンC、ブレオマイシン、クロモマイシンA₃など、農薬分野ではイネのいもち病防除用のブラストサイジンSやカスガマイシンなど、多くの抗生物質が発酵法によって生産されている。日本はこれら抗生物質の発酵生産において、アミノ酸発酵とともに高度の技術水準を誇っている。(7)その他　発酵食品としては清酒をはじめ各種アルコール飲料、ダイズ発酵食品のみそ、しょうゆ、糸引き納豆など、乳製品のチーズ、発酵バター、乳酸菌飲料、発酵乳などのほか、食酢などもある。

［山口雅弘］

展望

近年、組換えDNA技術、細胞融合、バイオリアクター（生物反応器）などバイオテクノロジーの進展に伴い、発酵工業も変革期に入っている。元来、発酵工業は化学工業に比べると、(1)常温常圧、微酸性ないし中性といった穏和な条件下で反応が進行し、省エネルギー・省資源的である、(2)酵素を触媒とする反応は、数十もの反応工程をあたかも単一の反応のように容易に進行させうる、(3)装置は比較的簡単な構造の発酵槽が用いられ、汎用(はんよう)が可能である、といった特色をもつが、より効率の高い発酵生産を行うために開発されたものがバイオリアクターである。これは生体触媒（酵素、細胞内小器官、微生物菌体）を高分子物質の担体に固定化し、反応器内に保持したままコンピュータ制御によって連続反応または繰り返し反応を行い、目的の生産物を効率よく生産するものである。すでに固定化酵素、固定化菌体を用いた各種L-アミノ酸、核酸関連物質、有機酸、抗生物質などの生産が試みられ、一部は実用化している。また、固定化酵母を用い糖蜜からエタノールを製造するバイオリアクターのパイロット・プラントが日本で完成し、発酵法によるエネルギー物質の生産に展望が開けてきた。今後、バイオリアクターの応用が進むと、発酵工業の生産性は飛躍的に向上するものとみられている。さらに、組換えDNA技術や細胞融合による有用微生物の改良においても成果があがりつつある。すなわち、コリネバクテリウムCorynebacteriumにスレオニン合成遺伝子を導入し、スレオニンの生産量を従来の発酵法に比べて約4倍にまで高めた例をはじめ、細胞融合によって雑菌を殺す力の強いワイン酵母やビール酵母の育種にも成功するなど、有用微生物の改良や新種の育成は今後より急テンポで進展するものと思われ、発酵工業はいまや新しい世代に入ったといえる。

［山口雅弘］

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)