油ヤシの種子ケーキを家畜の飼料に利用する進展

リグノセルロースバイオマスってのは、植物からできた素材のことだよ。農業の残り物や木の廃材、庭のゴミなんかが含まれてる。このバイオマスは複雑で、主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンの3つの成分からなってる。プロテインやオイル、ミネラルも少し含まれてる。リグノセルロースバイオマスは安くて豊富で、環境にも優しいんだよ。エネルギーの生産や家畜の飼料、バイオ燃料、界面活性剤やバイオプラスチックなどの貴重な製品に使われることが多い。

でも、リグノセルロースバイオマスを最大限に活用するのは簡単じゃない。これは主な部分の化学構造が違ったり、それらを結びつけてる強い結合があるからなんだ。だから、効果的に使う前にバイオマスを分解するための前処理プロセスがよく必要になる。この前処理には物理的、化学的、生物学的な方法や、これらの組み合わせがあるんだ。

#パームカーネルケーキをバイオマス源として

リグノセルロースバイオマスの一例がパームカーネルケーキ（PKC）だよ。油棕の果物から油を抽出した後に残った素材がPKCになる。パームカーネルオイルは料理や石鹸作りに使われるけど、PKCは牛の高タンパク飼料になるんだ。油の抽出方法によって、PKCはパームカーネルミール（PKM）かパームカーネルエクスペラー（PKE）に分類される。PKMは残り油が少なくて溶剤を使って作られるのに対し、PKEは機械的な圧搾で作られるから、油が多くてエネルギー含量も高い。これがPKEを家畜の飼料としてより魅力的にするんだ。

PKCはトウモロコシや大豆ミールといった一般的な飼料の良い代替品だよ。安くて一年中手に入るし、人間の食料とは競合しないんだ。ただ、特定の動物、例えば豚や鶏に与えるときは、高繊維質のために使いにくいんだ。このPKCの繊維は、反芻動物じゃない動物の消化に問題を引き起こすことがある。これらの繊維にはガラクトマンナン、セルロース、消化しにくい他の種類が含まれてるんだ。低消化性のため、PKCは反芻動物の飼料の30-50%まで使えるけど、反芻動物じゃない動物の飼料には20-25%しか使えない方がいいんだ。

PKCを飼料にもっと活用するために、研究者たちは繊維質を減らして栄養素の消化性を向上させる方法を探してるんだ。

#繊維利用を改善する方法

PKCの繊維を分解するための一つのアプローチは、特定の微生物や酵素を使うことだよ。しかし、この酵素ベースの処理は、必要な量と種類の酵素によって高くつくことがある。さらに、研究によっては使用する酵素の種類やテストされた飼料によって結果が異なることもあるんだ。

微生物発酵は、低価値のリグノセルロースバイオマスを変換するためのよりコスト効率の良い解決策なんだ。固体状態発酵（SSF）は、水分のある固体材料の上で微生物が成長する方法で、農業の副産物の栄養を改善するために研究されてきた。SSFはさまざまな農業廃棄物を効率的に使えて、液体廃棄物も少ないんだ。このプロセスで関与する微生物は、複雑な繊維を分解する酵素を生成し、消化性を改善するとともに、飼料をより魅力的にし、アミノ酸の面でもより良いものにしてくれる。

研究によると、バクテリアと真菌の両方が発酵を通じてPKCのタンパク質含量を増やし、繊維含量を減らすことができるんだ。でも、多くの研究が長い発酵時間を強調していて、これがコストを上げたり感染のリスクを高めたりすることがあるんだ。例えば、ある研究では、特定のバクテリアと7日間の発酵後に繊維が大きく減少し、タンパク質が増加したことが示されている。

この研究は、PKCの繊維を迅速に大幅に減少させることができる特定のバチルス・サブティリス株を分離することに焦点を当てているんだ。多くの研究がPKEに焦点を当ててる中、この研究ではエネルギーが低いけど発酵プロセスでより多くの利益をもたらす可能性があるPKMに着目してる。

#B.サブティリスの分離とスクリーニング

この研究は、パーム果実の外皮からバチルス・サブティリス株を分離することから始まった。研究者たちは、パームの果実を洗浄し、洗い流したものを滅菌されたPKMと混ぜ、それを2週間インキュベートした。その後、バクテリアを特別な寒天プレートに移して個々のコロニーを特定した。最も有望な株は、PKCの主要成分であるマンナンを分解する酵素を生成する能力をテストされた。

最も良い結果を出したB.サブティリス株はF6株として特定された。この株は、マンナナーゼを良い量生成するだけでなく、PKMでの成長時に迅速な反応を示したんだ。

#PKMの固体状態発酵

発酵実験では、PKMを滅菌し、F6株を接種した。PKMを37℃で最大24時間インキュベートすることで発酵が行われた。発酵後、研究者たちはPKMの酵素活性と繊維含量を分析した。

研究の結果、わずか6時間の発酵でかなりのマンナナーゼ活性が確認されて、繊維含量（中性洗剤繊維、NDFとして測定）は、発酵後一晩で78.4%から60.9%に減少した。この繊維の減少は、PKMを家畜の飼料として使う際の消化性を向上させるために重要なんだ。

#酵素活性の分析

マンナナーゼ活性は、PKMの分解中に放出される還元糖の量を測定する方法を使って測定された。結果は、B.サブティリス F6がマンナナーゼを非常に効果的に生成し、PKMの繊維含量を減少させるのに役立っていることを示している。

さらに探求するために、研究者たちは発酵中にB.サブティリス株が発現する遺伝子を調べた。彼らは、マンナナーゼ産生に関する遺伝子の大幅な上昇を見つけて、PKMの繊維を分解する強い反応を示していることを示唆した。

#遺伝子およびタンパク質分析

この研究では、B.サブティリス F6から遺伝子材料を抽出して、その酵素についてもっと理解することを目指した。遺伝子発現を分析することで、発酵中にマンナン分解に関連する特定の酵素が高いレベルで生成されていることが分かった。その中には、マンナンやセルロースを分解するのに重要な2つの酵素、GmuGとEglSが含まれていた。

B.サブティリス F6は、これらの酵素を生成するために遺伝子工学的に改変された。研究者たちは、GmuGとEglSのタンパク質をE.コリで発現させて、さらなるテストのための精製サンプルを得ることに成功したんだ。

#再組換えタンパク質を使ったPKMの加水分解

精製された再組換え酵素がPKMに対して効果を調べるためにテストされた。この研究では、時間が経つにつれてPKMからどれだけ還元糖を放出できるかを測定した。結果では、酵素GmuGが特に効果的で、PKCの繊維を分解するのに重要な役割を果たしていることが示された。

興味深いことに、内因性グルカナーゼ酵素EglSはPKMの分解にあまり寄与しないようで、GmuGがプロセスにおいて主な酵素であることが浮き彫りになった。

#酵素の生化学的特性

この研究では、GmuGの生化学的特性も探った。酵素の活動に最適な条件、例えば温度やpHについて調べたところ、酵素は50-55℃の間で最もよく働くことが分かった。さらに、異なるpHレベルでも活動を示す柔軟性があった。

基質特異性のテストでは、GmuGが主にマンナン基質に対して働くことが確認され、セルロースや他の炭水化物に対してはほとんど活性がないことが確認された。

#結論

要するに、研究者たちはパーム果実の外皮からマンナナーゼを多く生成するバチルス・サブティリス株を成功裏に分離できた。この株はパームカーネルミールを発酵させて繊維含量を減らすのに効果的で、このプロセスはPKMの消化性を向上させ、家畜にとってより価値のある飼料オプションを提供できるんだ。

特定されたGmuG酵素はこのプロセスの中心で、マンナンを分解する強い活性を示した。今後の研究は、このバクテリアをさらに最適化して、他の農業副産物での利用を探求することに焦点を当てることができるね。

この研究は、リグノセルロースバイオマスの利用を改善するための基盤を築いて、効果的で栄養価の高い動物飼料を作る実用的な解決策となるんだ。