令和7年度 研究成果

1. 第1四半期研究成果情報について

(1) 研究成果

1 Evaluation of the starch properties of raw rice and enzymatic digestibility of steamed rice grains for sake production by visual observation of swelling behavior in urea solutions 尿素溶液中での膨潤特性の目視観察による酒造用原料米のデンプン特性及び蒸米酵素消化性の評価

著者
OKUDA Masaki, JOYO Midori, TAKAHASHI Kei, and MUKAI Nobuhiko
奥田将生、上用みどり、髙橋圭、向井伸彦
要約

Background and Objectives: The facile low‐cost evaluation of rice starch properties may help assess the suitability of rice for sake production and other applications. Herein, the starch gelatinization properties of raw rice and enzymatic digestibility of steamed rice were simply evaluated by observing the swelling of raw rice grains in urea solutions.
Findings: Polished rice grains were soaked in urea solutions of varying concentrations to determine the concentration at which the rice grains started swelling or completely absorbed the solution. The swelling‐onset concentration was strongly positively correlated with the DSC‐determined gelatinization temperature and rapid visco analysis–determined pasting temperature of raw rice and negatively correlated with the enzymatic digestibility of steamed rice (R2 = 0.81–0.94) while being only slightly affected by the rice polishing ratio and moisture content.
Conclusions: The starch gelatinization properties of raw rice and enzymatic digestibility of steamed rice could be simply evaluated using the urea swelling test.
Significance and Novelty: The developed simple method does not require apparatus and flouring and provides results that are not influenced by rice moisture content and polishing ratio, thus holding promise for analyzing rice used in sake production and starch‐containing food materials.

背景と目的: 米のデンプンの性質を簡単に安価に評価することは、清酒醸造やその他の用途への米の適性を評価に役立つと期待される。本研究では、尿素溶液中で米粒の膨潤を観察することによって、原料米のデンプンの糊化特性や蒸米酵素消化性を簡易的に評価した。
結果: 精米した米粒を濃度の異なる尿素溶液に漬して米粒の膨潤開始濃度と膨潤完了濃度を測定した。膨潤開始濃度は、DSC糊化温度やRVA粘度上昇開始温度と正の強い相関を示し、蒸米酵素消化性との間には負の相関を示した(R2 = 0.81–0.94)一方で、膨潤開始濃度測定に及ぼす精米歩合や米の水分含有量の影響はわずかであった。
結論: 尿素膨潤試験により原料米のデンプン糊化特性や蒸米消化性を容易に評価できる。
意義と新規性: 今回開発した方法は装置や粉砕が不要で、精米歩合や米の水分含有量の影響を受けにくいため、酒造用原料米やデンプンを含有する食品原料の分析に利用できると期待される。

掲載雑誌
Cereal Chemistry, 102, 537–547 (2025)

2 Evaluation of the starch properties of rice grains and enzymatic digestibility of steamed rice during sake brewing based on the swelling behavior of rice grains during heating 米粒の加温中の膨潤特性に基づく酒造用原料米のデンプン特性と蒸米酵素消化性の評価

著者
OKUDA Masaki, JOYO Midori, TAKAHASHI Kei, and MUKAI Nobuhiko
奥田将生、上用みどり、髙橋圭、向井伸彦
要約

Background and Objectives: The physicochemical properties of cereal starch affect food quality and processing properties, for example, the properties of rice starch influence the suitability of rice for sake (traditional Japanese alcoholic beverage) production. This study reports a convenient method for evaluating the starch gelatinization and retrogradation properties of rice grains and enzymatic digestibility of steamed rice to determine the suitability of japonica rice for sake brewing.
Findings: The swelling properties of polished rice grains were observed during the heating of nonfloured (whole‐grain) samples. The swelling‐onset temperature and swelling ratio were significantly correlated with the amylopectin side‐chain structure of rice starch, starch gelatinization/retrogradation properties, and enzymatic digestibility of steamed rice under sake production–like conditions. Swelling‐onset temperatures at a swelling ratio of 1.2 were measured for 31 samples with a polishing ratio of 70%, and the strength of the corresponding correlations (R2 = 0.79–0.93) were comparable with those observed for gelatinization and pasting temperatures (determined by DSC and rapid visco analysis, respectively).
Conclusions: The starch properties and enzymatic digestibility of multiple steamed rice samples could be rapidly evaluated without flouring.
Significance and Novelty: The method facilitates the evaluation of rice used for sake brewing and analysis of starch properties in a wide range of food industries.

背景と目的: 穀物デンプンの物理化学的な性質は食品の品質や加工特性に影響を及ぼし、例えば、米デンプンの性質は伝統的な日本のアルコール飲料である清酒の原料米の酒造適性に影響する。本研究では、清酒原料米の酒造適性を把握する手法として、米デンプンの糊化・老化特性や蒸米酵素消化性を簡便に評価する方法を報告する。
結果: 粉砕せずに米粒のまま加温して白米の膨潤特性を観察した。膨潤開始温度及び膨潤率はアミロペクチン側鎖構造、デンプンの糊化・老化特性及び清酒醸造に擬した条件での蒸米酵素消化性と有意な相関がみられた。精米歩合70%の白米31試料について膨潤率1.2における膨潤開始温度を測定した結果、上記特性値との相関の強さ(R2 = 0.79–0.93)は、 DSC糊化温度やRVA粘度上昇開始温度と同程度であった。
結論: 多検体のデンプン特性や蒸米消化性を、米粒を粉砕することなく迅速に評価できた。
意義と新規性: 本方法によって、酒造用原料米の評価や幅広い食品産業におけるデンプン特性の分析が容易になる。

掲載雑誌
Cereal Chemistry, 102, 548–562 (2025)

3 Efficient genes identification via quantitative trait loci analysis by crossbreeding of sake and laboratory yeast 清酒酵母と実験室酵母の交配による量的形質遺伝子座解析を用いた効率的遺伝子同定

著者
KANAI Muneyoshi, SHIBATA Tomoko, ZHOU Yan, HAYASHI Risa, FUKUBA Ikuko, KOCHI Takayuki, TERAMOTO Satoko, SHIMOI Hitoshi, TAKAHASHI Hidekazu, and AKAO Takeshi
金井宗良、柴田智子、周延、林梨咲、福場郁子、河内孝之、寺本聡子、下飯仁、高橋秀和、赤尾健
要約

Saccharomyces cerevisiae, a unicellular eukaryotic microorganism, includes various strains used in alcoholic beverage production, like sake, shochu/awamori, and wine yeasts. Despite being the same “Saccharomyces cerevisiae”, each strain has unique genes and mutations that make them suitable for specific production processes. We focused on sake yeast, Saccharomyces cerevisiae, suitable for sake making. To identify genes and mutations contributing to sake yeast’s characteristics more efficiently, we improved the quantitative trait loci (QTL) analysis system. This genetic statistical method used spore-separating haploid strains (F1 segregant haploids) from crossing sake yeast and laboratory yeast haploid strains. We increased the number of F1 segregant haploids for QTL analysis from 100 to 400 and set DNA markers uniformly across the genome (approximately 12 Mbp) at 5,267 locations using single nucleotide polymorphisms (SNPs) spaced about 3 kb apart. Additionally, a small-scale sake making test using 400 F1 segregant haploids and QTL analysis of ethanol concentration in sake sample identified the PBS2 gene and its causative mutation (amino acid substitution at position 545). The PBS2 gene was also implicated in producing organic acids (fumaric, succinic, and malic acids) and inorganic acids (phosphoric acid) for sake. These findings validated the improved QTL analysis system as effective genes screening method.

酒類製造に良く用いられる醸造用酵母である清酒酵母、焼酎・泡盛酵母、ビール酵母、ワイン酵母などは、同じ酵母(出芽酵母)でありながら、各々が特徴的な遺伝子・変異を有するため、それぞれの酒類製造に適した特性を示す。そこで、清酒醸造に適した酵母である清酒酵母に着目し、清酒酵母の特性に最も寄与する遺伝子・変異の同定をより効率化させる解析手法の構築を目的に、当研究室で構築済みの清酒酵母と実験室酵母との交配によって得られたF1株由来の胞子分離一倍体株(F1分離一倍体株)を用いた遺伝統計学的手法である量的形質遺伝子座(QTL)解析系の改良を実施した。具体的には、QTL解析に用いるF1分離一倍体株を100株から400株に増やし、DNAマーカーの数についてはF1分離一倍体株400株のゲノム情報を基に一塩基多型(SNP)をマーカーとしてゲノム全域(約12 Mbp)に均一かつ密に約3 kbごとに5,267か所設定することで、新たな改良型QTL解析系を構築した。また、F1分離一倍体株を用いて清酒小仕込み試験を実施し、製成酒のエタノール濃度についてQTL解析を行った結果、酵母のエタノール発酵に重要な因子の一つとして、HOG MAPキナーゼ経路の主要因子であるPBS2遺伝子とその原因変異(545番目のアミノ酸置換)を同定した。さらに、清酒製造における総炭酸ガス減量、製成酒の有機酸であるフマル酸、コハク酸、リンゴ酸、無機酸であるリン酸生成にもPBS2遺伝子が深く関与していることが示唆された。これらの結果より、本論文で新たに構築した改良型QTL解析系の遺伝子スクリーニング系としての妥当性が確認された。

掲載雑誌
Applied Microbiology and Biotechnology, 109, 84 (2025)

4 Novel method for predicting the risk of spoilage by lactic acid bacteria during the storage of Japanese sake 清酒貯蔵中の乳酸菌汚染リスクを予測する新規手法

著者
TAKAHASHI Masayuki, MORIKAWA Kana, and AKAO Takeshi
髙橋正之,森川佳奈,赤尾健
要約

Lactobacillus acetotolerans and Fructilactobacillus fructivorans are responsible for the spoilage of Japanese sake, and sake brewers want to control these bacteria to prevent product-quality deterioration. Due to these bacteria's slow growth, a long time must pass before a product's spoilage can be identified by a culture-dependent method; a method enabling the rapid detection of spoilage is thus desired for maintaining sake's quality and reducing processing times. Herein, we developed a novel, simple method for determining the ori copy and ter copy numbers of both bacterial species by a single multiplex digital polymerase chain reaction (PCR). Our investigation about the ori and ter copy numbers of L. acetotolerans RIB9124 strain revealed that (i) the ter-region copy number was highly correlated with the colony-forming units, and (ii) the ori:ter ratio during log phase (mean: 1.36) was higher than that during non-log phase (mean: 1.16). The relationship between the ori:ter ratio and the bacterial doubling time was parabola-shaped, not linear. We constructed a model for estimating the two species' doubling times based on the ori:ter ratio and then created a generalized linear model with a probit link function using the ori:ter ratio, the doubling time predicted by the ori:ter ratio, and the ter copy number as parameters. The model was able to predict whether sake inoculated with either species would spoil within 4 months (spoilage-prediction error rate validated with 45 samples: 15.6 %). In light of these results, we suggest some criteria for judging the risk of Japanese sake spoiling within 4 months.

Lactobacillus acetotoleransFructilactobacillus fructivoransは清酒の汚染に関与する乳酸菌として知られ、製品品質劣化防止のためには、これらの乳酸菌の制御が必要である。これらの乳酸菌は生育が遅く、培養法での検出には長い時間を要することから、製品の品質維持や製品出荷までのリードタイム短縮のため汚染の迅速検出法が求められている。今回、我々はL. acetotoleransF. fructivoransの両菌種のori領域、ter領域のコピー数を1回のマルチプレックスPCRで定量可能とする簡便で新規な手法を開発した。L. acetotolerans RIB9124株のori領域およびter領域のコピー数を調査した結果、(1)ter領域のコピー数はCFUと高い相関関係にあること、(2)対数増殖期のori:ter比(平均1.36)は非対数増殖期のori:ter比(平均1.16)よりも高いことが明らかになった。また、ori:ter比と倍加時間の関係は直線ではなく放物線状であり、ori:ter比に基づいて両菌種の倍加時間を推定するモデルが構築できた。得られた倍加時間推定モデルを利用し清酒における汚染確率を予測するモデルとして、ori:ter比、ori:ter比から予測される倍加時間、terコピー数をパラメータとするプロビットリンク関数を用いた一般化線形モデルを作成した。このモデルは、いずれかの菌株を接種した清酒が4ヶ月以内に汚染の影響が出るかどうかを予測することができた(45サンプルで検証した汚染予測の誤差率:15.6%)。これらの結果を踏まえて、清酒が4ヶ月以内に汚染による影響が出るリスクを判断するためのいくつかの基準を提案する。

掲載雑誌
Applied Food Research, 5(1) , 100835 (2025)

5 Activated carbon treatment to minimize VOC interferences in oxygen stable isotope analysis of beverages 飲料の酸素安定同位体比分析における揮発性有機化合物の干渉を最小化するための活性炭処理

著者
AKAMATSU Fumikazu, OSAFUNE Yukio, FUJITA Akiko, BOERZHIJIN Surina, TAKAHASHI Masayuki, and Atsuko ISOGAI
赤松史一、長船行雄、藤田晃子、ボルジギン・ソリナ、髙橋正之、磯谷敦子
要約

Oxygen stable isotope analysis is a well-established technique for determining the geographical origin and authenticity of beverages. However, volatile organic compounds (VOCs) present in some beverages can hinder accurate analysis. This study presents a straightforward method to overcome this challenge. Granular activated carbon co-incubated with the beverage sample during CO2-H2O equilibration effectively removes VOCs across a range of beverages tested. This includes propan-1-ol, 2-methylpropan-1-ol, ethyl acetate, 3-methylbutan-1-ol, 3-methylbutyl acetate, and ethyl hexanoate, achieving an average reduction of 77%. Consequently, this method minimizes background noise interferences, preserving δ18O values of water in a wide range of beverages, such as sake, sparkling sake, wine, beer, cider, awamori, brandy, shochu, whisky, and fruit juices. Notably, grain-derived alcoholic beverages like sake and beer exhibit more negative δ18O values compared to fruit-derived alcoholic beverages such as wine and cider, reflecting the distinct source waters and production processes employed. This universally applicable approach minimizes VOC interferences during oxygen stable isotope analysis of aroma-rich beverages. Its inherent simplicity and cost-effectiveness facilitate seamless integration into existing analytical workflows, leading to enhanced efficiency and productivity. This practical solution has potential for brand protection and authenticity verificationwithin the beverage industry.

酸素安定同位体比分析は、飲料の原料原産地や原材料の判別に利用される確立された技術である。しかし、一部の飲料に含まれる揮発性有機化合物が正確な分析の妨げになる場合がある。本研究では、この課題を克服する簡便な手法を紹介する。この手法は、CO2-H2O平衡の際に、飲料試料とともに粒状活性炭を同封する。これにより、様々な飲料中の揮発性有機化合物を効果的に除去する。1-プロパノール、イソブチルアルコール、酢酸エチル、イソアミルアルコール、酢酸イソアミル、カプロン酸エチルを例に揮発性有機化合物を平均77%の削減を達成した。この方法は、清酒、発泡性清酒、ワイン、ビール、シードル、泡盛、ブランデー、焼酎、ウイスキー、果汁など、幅広い飲料のδ18O値を維持しつつ、酸素安定同位体比分析におけるバックグラウンドノイズの干渉を最小限に抑える。注目すべきは、清酒やビールのような穀物原料のアルコール飲料は、ワインやシードルといった果実原料のアルコール飲料と比較して、低いδ18O値を示す点である。これは、水の起源と製造工程を明確に反映している。この汎用的手法は、香気成分の多い飲料の酸素安定同位体比分析において、揮発性有機化合物による干渉を最小限に抑えることができる。その簡便さと費用対効果の高さから、既存の分析手順への円滑な導入が可能となり、分析の効率性と生産性の向上に貢献する。この実用的な解決方法は、飲料産業におけるブランド保護や真偽検証に可能性をもたらす。

掲載雑誌
Journal of Food Measurement and Characterization, 19(5), 3179-3187 (2025)

6 Combinatory breeding of sake yeast strains with mutations that enhance Ginjo aroma production 吟醸香の生成を高める変異を持つ清酒酵母株の組み合わせ育種

著者
GONG Yifeng, Norapat Klinkaewboonwong, HAYASHI Risa, ZHOU Yan, NISHIDA Ikuhisa, SAITO Rei, GOSHIMA Tetsuya, NISHI Tomoyuki, WATANABE Daisuke, HIRATA Dai, AKAO Takeshi, and OHYA Yoshikazu
龚益楓、クリンケーブンウォン・ノラパット、林梨咲、周延、西田郁久、斎藤玲、五島徹也、西智之、渡辺大輔、平田大、赤尾健、大矢禎一
要約

Isoamyl acetate and ethyl caproate are the primary aroma compounds responsible for the fruity fragrance characteristic of Ginjo sake. Simultaneous high-level production of both compounds is crucial to achieving a balanced aroma and complex flavor. Isoamyl acetate is predominantly produced by hda1∆/hda1∆ and LEU4(G516S)/LEU4(G516S), while ethyl caproate is produced in high quantities by FAS2(G1250S)/FAS2(G1250S). In this study, to maximize the production of both aroma compounds, genome editing was employed to generate sake yeast strains combining these mutations. After small-scale fermentation tests were conducted to evaluate the production of aroma compounds, we found that the isoamyl acetate–enhancing effect ofhda1∆ /hda1∆ was almost completely masked by FAS2(G1250S)/FAS2(G1250S). In contrast, the effects of LEU4(G516S)/LEU4(G516S) were not entirely masked by FAS2(G1250S)/FAS2(G1250S), resulting in 2.4- and 5.4-fold greater production of isoamyl acetate and ethyl caproate, respectively. This study highlights the utility of genome editing in the combinatorial breeding of sake yeast.

酢酸イソアミルとカプロン酸エチルは、吟醸酒特有のフルーティーな香りの主成分である。これら両方の香気成分を同時に高レベルで生成することは、香りのバランスと複雑な風味を実現するために極めて重要である。酢酸イソアミルは主に hda1∆/hda1∆ および LEU4(G516S)/LEU4(G516S) によって生成され、カプロン酸エチルは FAS2(G1250S)/FAS2(G1250S) によって多量に生成される。本研究では、両香気成分の生産を最大化するために、ゲノム編集を用いてこれらの変異を組み合わせた清酒酵母株を作製した。香気成分の生産を評価するために小規模な醗酵試験を行った結果、hda1∆/hda1∆ による酢酸イソアミル増強効果は、FAS2(G1250S)/FAS2(G1250S) によってほぼ完全に打ち消されることが明らかとなった。一方で、LEU4(G516S)/LEU4(G516S) の効果は FAS2(G1250S)/FAS2(G1250S) によって完全には抑制されず、酢酸イソアミルおよびカプロン酸エチルの生成量はそれぞれ 2.4 倍および 5.4 倍に増加した。本研究は、清酒酵母の組み合わせ育種におけるゲノム編集の有用性を示すものである。

掲載雑誌
Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 89, 910-917 (2025)