澱粉の機能性を理解する
January 1996 — Cover Story

By: Scott Hegenbart
Editor*

*(April 1991 – July 1996)

コーンスターチは米国の食品会社が使用する主要なスターチ成分である。 しかし、異なる供給源からのでんぷん、そしてあまり一般的でないトウモロコシ品種から抽出されたものでさえ、修飾前であってもさまざまな機能的特性を提供します。 8136>

Expanded range of functionality

Many starch has properties that aren’t so easy to duplicate by another starch.In addition, starting with a raw material closer to the desired functional properties is even desirable in modification.The Exploring the unique functionality of various native starches presents several potential advantages.

Expanded range of functionality

Many starch has properties that’s so easy to duplicate by another starch. 広範な変更が少ないということは…

コストの削減

デザイナーは常に食感原料に高い機能性を求めていますが、コストの制約は依然として厳しくなっています。 多くの場合、澱粉の加工度が低ければ低いほど、費用対効果は高くなります。 特別に開発されたトウモロコシの交配種から得られる高機能な在来種のトウモロコシ澱粉は、すでに市場に出回っている。 これらは2つの方法でより大きな経済性を提供することができます。

「あなたは修飾を経る必要がないデンプンを持つことになり、それはコストを節約します」と、インディアナ州ハモンドにあるアメリカン・メイズ・プロダクツの製品開発マネージャー、イブラヒム・アバス（Ibrahim Abbas）博士は言います。 「これらを改良すると、場合によっては化学薬品に対する反応性が高くなるため、使用量を減らすことができるのです。 より効率的で、お金を節約することができます」

ラベル付け

これは、かつて考えられていたほど大きな問題ではないことが判明しましたが、ヨーロッパでは、改良でんぷんにはまだ E 番号を付ける必要があります。

構造と機能の関係

化学的には、でんぷんはグルコース単位の繰り返しからなる多糖類です。 でんぷん分子は、アミロースと呼ばれる直鎖構造と、アミロペクチンと呼ばれる分岐構造の2つの分子構造のうちの1つを持っています。 アミロースとアミロペクチンは水素結合によって会合し、放射状に層をなして顆粒を形成する。

顆粒サイズと形状

スターチ顆粒のサイズは、3ミクロンから100ミクロン以上まで、さまざまな種類があります。 いくつかの澱粉では、顆粒サイズは多峰性であり、顆粒は複数のサイズ範囲にグループ化することができることを意味します。 例えば、小麦デンプンには大きな粒と小さな粒の両方が存在します。 顆粒形状もまた多様である。 対称的な球状、非対称的な球状、対称的な円盤状、非対称的な円盤状などがあります。

アミロース：アミロペクチン比

すべてのデンプンは、アミロースとアミロペクチンの割合が変化してできている。 この比率はデンプンの種類によって異なるだけでなく、同じ種類の中でも多くの植物品種の間で異なっている。 ワックス状のでんぷんはアミロペクチンが10％以下のものです。

アミロースとアミロペクチン分子の構造

でんぷん中のアミロース分子の長さは、その重合度として知られていますが、非常に大きな差がある場合があります。 アミロペクチンでは、分子上の枝の長さと数も同様に変化します。

「アミロース分子の長さは種類や品種によって異なります」と、アイオワ州マスカティンにあるGrain Processing Corp.のシニアアプリケーションサイエンティスト、ダニエル・パトナム（Daniel Putnam）は述べています。 「

その他のバリエーションもでんぷんには存在します

これらは特定のでんぷんに固有のものであるため、1つのカテゴリに分類することはできません。

多くの澱粉タイプの無数のバリエーションは、1つの記事で包括的にカバーすることはできません。

Corn

コーンスターチには4つのクラスが存在します。 一般的なコーンスターチは25％がアミロースで、ワキシーメイズはほぼ完全にアミロペクチンで構成されています。 残りの 2 つのコーンスターチは高アミロース コーンスターチで、1 つはアミロースが 55% ～ 55% で、2 つ目は 70% ～ 75% です。

アイオワ州立大学エイムズ校食品科学・人間栄養学部教授のジェイリン ジェーン博士は、進行中の研究の一環として、多くの種類のスターチの顆粒サイズと形状を調査しています。 走査型電子顕微鏡により、ジェーンと彼女の研究チームは、一般的なコーンスターチには不規則な多面体形状の粒があることを発見しました。 その大きさは5ミクロンから20ミクロンの間です。

ワキシーメイズデンプンもまた、コモンコーンのものとサイズ分布が似ている不規則な形の顆粒を持ちます。 しかし、個々の面はそれほど明確ではありません。 高アミロース澱粉もまた不規則な形状をしているが、滑らかである傾向がある。 中には棒状のものさえある。 高アミロース澱粉はサイズの幅が狭い。

ポテト

ポテトスターチは約20％のアミロースを持っています。 多くの塊茎からのものと同様に、ジャガイモでんぷんの顆粒は大きく、滑らかな丸い楕円形の形をしています。

米

一般的な米澱粉はアミロースとアミロペクチンの比率が約20：80ですが、ワキシー米澱粉はアミロースがわずか約2％です。 両品種とも粒の大きさは3～8ミクロンと小さい。

タピオカ

タピオカでんぷんは15%から18%のアミロースを含んでいます。 タピオカの粒は滑らかで不規則な球形で、大きさは5～25ミクロンです。

Wheat

小麦でんぷんはアミロース含有量が約25％です。 その顆粒は5から15ミクロンと比較的厚く、直径22から36ミクロンの滑らかで丸い形をしています。 小麦でんぷんは二峰性で、異なる大きさのでんぷん粒のグループも持っています。

でんぷんのライバルを重ねる

でんぷんがどのように異なるかを理解した上で、同じでんぷんがどのように機能するかを議論すると、でんぷん構造の異なる要素がどのようにパフォーマンスに影響するかを容易に明らかにすることができますよね？ そうではありません。 でんぷん化学者は、でんぷんの構造と組成が性能に影響を与えるということで、誰もが同意しています。 しかし、直接的な相関関係は必ずしも明らかではなく、単一の形質の変化が必ずしもガイドラインに反映されるわけではありません。

以下は、構造と組成がパフォーマンスにどのように影響するかについて現在知られていることのレビューです。 この議論は、答えよりも多くの疑問を生み出す可能性があることを心に留めておいてほしい。

でんぷんを水に分散して加熱すると、水はでんぷん顆粒に外側から内側へ浸透し、顆粒が完全に水和される。 水和するとアミロースとアミロペクチンの水素結合により顆粒の完全性が保たれ、丘陵部（中心部）から膨潤し始める。 ゲル化すると、膨潤した顆粒は分散液の粘度を増加させ、および/またはゲルやフィルムを形成するために会合することがある。 しかし、澱粉の糊化の速さと糊化温度の一因であると考えられています。 たとえば、米澱粉とタピオカ澱粉のアミロース含有量は同じ範囲ですが、タピオカ澱粉の顆粒ははるかに大きく、その結果、より簡単に膨張します。

「顆粒が大きいと、分子結合が少なくなるので早く膨張します」と、Paul Smith Associates (North Plainfield, NJ、社長) は述べています。 「しかし、それはまた、より速く分解されます」

大きな澱粉顆粒は、より高い粘度を構築する傾向がありますが、顆粒の物理的な大きさは、それがせん断に対してより敏感になるので粘性はデリケートである。 このような違いがあるにもかかわらず、分子が小さいほどコンパクトな構造であることが、必ずしもゲル化に大きな違いをもたらすとは限らないのである。 例えば、小麦でんぷんは、小さな粒と大きな粒の両方が二峰性で分布している。 これらの粒は大きさ以外には、アミロースやアミロペクチンなど、ほとんど同じ組成を持っている。 しかし、大粒と小粒のゲル化特性は、大きな性能差を示していません。

「あるテストでは、小粒のゲル化温度は大粒より3°高いが、オンセット温度は同じだった」とAbbasは言います。 「小麦でんぷんの場合、（顆粒サイズは）主要な要因ではないと言えるでしょう」

アミロース：アミロペクチン比

ワキシーコーンスターチと一般のコーンスターチはどちらも同じ顆粒サイズですが、ワキシーコーンの方が大きく膨らみ、それぞれ異なる温度でゼラチニングを行います。 これは主に、アミロースとアミロペクチンの組成が異なるためです。

「アミロース分子は、その直線性により、より容易に並び、より広範囲な水素結合を持っています」と、Abbas 氏は言います。 「その結果、これらの結合を切断してデンプンをゼラチン化するためにより多くのエネルギーを必要とします」

一般に、アミロースが高いほど、ゼラチン化温度は高くなります。 これは2つの高アミロースコーンスターチにおいて最も顕著で、ゼラチン化のために高い温度を必要とするため、加圧下で調理しなければならない。 アミロースとアミロペクチンの比率は、ゼラチン化したでんぷんがどのような食感を生み出すかも決定します。

「一般的に、アミロースはゲル強度を、アミロペクチンは高い粘性を与えます」とAbbasは言います。 「高アミロース澱粉はゲル化特性を与え、ワキシー澱粉は高粘度を与えるわけです」

アミロースの線形構造もゲル強度に寄与しています。 溶液中では、直鎖状のアミロース分子は互いに容易に整列し、水素結合によって会合してゲルを形成することができる。 一方、粘度は純粋に分子量の関数であり、アミロペクチン分子が分枝状であるため、容易に整列することができず、水素結合が弱くなり、ゲル強度が低下する。 アミロペクチンは分岐構造で、鎖がすべて付着しているため、アミロースよりもはるかに大きな分子になる。

つまり、製品設計者がゲル化特性を求める場合は高アミロースでんぷんを選択し、粘性を必要とする場合は高アミロペクチン (ワックス状) でんぷんを選択する必要があるということでしょうか。 そうではありません。 純粋なゲル強度や粘性は有用であることが多いのですが、製品設計者が必ずしも必要としているものではありません。 アミロースが多すぎるでんぷんは、プリンが固くなりすぎることがあります。 アミロペクチンの含有量が高すぎると、ダイエットシェイクの粘性は適切でも、食べたときに筋っぽくて「ぬるぬる」しているように感じられるかもしれません。 したがって、アミロースとアミロペクチンの比率は、基本的な食感だけでなく、食感の性質も決定します。

押出成形製品にでんぷんを使用すると、この比率のバランスがいかに微妙であるかがわかります。 ゲル形成と同様に、フィルム形成は直鎖状アミロース分子の結合の関数である。 アミロースが多いほど、フィルム形成の特性は良くなる。 エクストルードスナックでは、完成品にパリッとした食感を持たせるためにフィルム形成性が望まれます。 しかし、クリスプネスだけではスナックの良し悪しは決まりません。

「アミロースポリマーの密結合性はクリスプネスに影響します」と、ニュージャージー州ブリッジウォーターのNational Starch and Chemical社の食品技術担当ディレクター、Jim Zallie氏は述べています。 「しかし、それは低分子量材料であり、ガス抜きの際に水が蒸気に変わることで生じる空気を巻き込むことができません」

アミロペクチンのレベルが増加するでんぷんを使用すると、それに応じて膨張が増加しますが、パリパリ感が犠牲になっています。 その結果、アミロース：アミロペクチンの比率を慎重に選択する必要があります。 場合によっては、製品の食感の要求により、異なるソースからのでんぷんを組み合わせる必要があります。

「短いまたは長い食感を得るために、異なるベースでんぷんを組み合わせて使用している人もいます」と、イリノイ州ディケーターにある A.E. Staley Manufacturing Co.の食品成分アプリケーション担当マネージャー Mike Augustine は述べています。 「私たちは、特定の食感や最終製品の品質を得るためのブレンドを検討してきました」

食感の構築に加え、でんぷんは食品に安定性を与えるために使用されます。 これは、しばしば水を保持する形をとります。 前述のように、ゼラチン化でんぷん分子は互いに再合体する傾向があります。 この再結合により、分子内の水分が押し出され、でんぷんが再結晶化する。

「分岐したアミロペクチンは立体障害になる」とPutnamは言う。 「

アミロースとアミロペクチンの分子構造

長いアミロース分子は、その結合方法によって、製品の質感を筋っぽくする傾向があります。 また、アミロースの分子量はゲルの弾力性に影響する。

「タピオカと片栗粉はどちらもアミロースを持っていますが、コーンスターチのようなゲルではなく、凝集塊を生成します」と、National Starch and Chemical社の上級研究員であるPeter Trzaskoは言います。 ジャガイモとタピオカはコーンの分子量よりもはるかに高いため、実際には分子の結合がより困難になります」

分子量は、必ずしも直接的な性能相関を提供するわけではありません。 1992年、アイオワ州立大学のジェーンは、アミロース分子サイズとアミロペクチン枝鎖長がでんぷんの糊化特性に及ぼす影響についての研究を報告しました。 ジェーンは、枝の長いアミロペクチン分子はゲル化しやすいだけでなく、枝の長さに応じてゲル強度が増すことを発見した。 しかし、さまざまな長さのアミロースの粘度は、それほど相関がなかった。 実際、最高の粘度は中間の長さのアミロースで得られ、アミロースの分子が最大でも最小でも、粘度は同様に低くなりました。 アミロース分子が長ければ長いほど、水素結合による会合能力が高まるため、ゲル強度はある程度高くなる。 この結合力の強さが、分子の逆行傾向を強める。 一方、アミロース分子が小さいと結合力が弱くなり、逆行現象に強くなる。 最近の情報では、アミロペクチン分子の枝が長いほど逆行しやすいとされている。 このことは、交配によってアミロース分子を長くしようとする研究者にとって、特に懸念すべきことです。

「アミロース伸長遺伝子を挿入すると、結局はアミロペクチンの枝鎖も長くなる」と、Pamela J. White, Ph.D., department of food science and human nutrition, Iowa State Universityは述べています。 リンの性質は澱粉の性能に影響します。 ほとんどの穀物澱粉では、リンは主にリゾリン脂質として見つかり、澱粉のアミロースと複合してその水結合能を低下させる傾向があります。

ジャガイモなどの塊茎デンプン中のリンは、デンプン分子上に負に帯電した基として存在するリン酸モノエステルという形態で存在します。

謎を解明する

生まれつきのでんぷん機能を理解することは、製品設計者の仕事を効率化するだけでなく、改良によってでんぷん機能を拡張するための重要なリンクとなります。 これは、澱粉が化学/酵素法、従来の育種またはバイオテクノロジーによって改変されるかどうかにかかわらず当てはまる。

先に述べたように、澱粉の構造/機能関係の研究は、答えよりも多くの質問を生み出す。 その結果、この分野で働く研究者は、多くのことに夢中になっている。 1987年以来、ISUの研究者であるWhiteとJaneは、新しいトウモロコシの交配種の開発に使用するためのユニークな機能特性を持つ澱粉を探し求めてきた。

ポラックの北米のトウモロコシ変異体遺伝子型ライブラリへのアクセスを利用して、チームは機能特性の変化の性質を決定するために、外来種のトウモロコシをスクリーニングしています。 「そこで、私たちのアプローチは、わずか1粒の穀粒を実験室で抽出し、デンプンの迅速なスクリーニングから始めることでした」

この最初のスクリーニングは、示差走査熱量測定（DSC）を使用して行われます。 澱粉のサンプルを貼り付け、DSCでスキャンする。 貼り付けたサンプルを4℃（でんぷんの逆分解に最適な温度）で7日間保管した後、サンプルを再スキャンします。

「新鮮なサンプルと保管サンプルで得られるスキャンから、そのでんぷんに固有の機能特性があるかどうかがわかります」と、ホワイト氏は言います。 「異常なものを見つけたら、それが本当に別のDSCを与えるかどうかを検証します」

このDSC分析を通じて得られる他の情報には、ゼラチン化温度とゼラチン化範囲が含まれます。 ゲル化温度が低いと、大規模な製造作業においてエネルギー節約につながる可能性がある。 また、ゲル化範囲が狭いと、ゲル化がより速く進むため、生産効率が上がります」

「これらが、我々が注目し始めた重要な点です」とWhite氏は言う。 「DSCで測定したときに標準と大きく異なるものを見つけたら、次に構造分析を行って、なぜそうなるのかを判断し、構造を機能に関連付けるのです」

このための最初のステップは、さらなる分析のために変異体トウモロコシを大量に育てることです。 試験には、ヨウ素電位差滴定および/またはゲル浸透クロマトグラフィーによるアミロースパーセントの決定、ゲル浸透クロマトグラフィーによる分子量分布、湿式化学で決定した還元値から計算したアミロペクチンの枝鎖長、またはゲル浸透クロマトグラフィーを使用することが含まれる。

十分な量のでんぷんを入手できる場合は、粘度やゲル強度などの機能試験も実施します。

「もうひとつ、電子顕微鏡による顆粒サイズの測定もよく行います」と、White氏は言います。 「小粒の澱粉は滑らかな口当たりに適していることが分かっており、これは粒々感を避けるために脂肪代替物にとって有用な特性です」

やがて、望ましい機能特性と澱粉の構造との間に関連性が生まれます。

本来のでんぷん機能性の理解を深めることは、製品設計者と新しいでんぷん成分の作成者の両方にとって有益です。 しかし、この理解への旅の各ステップは、時に、道のりに距離を加えるだけのように思われることがある。 というのも、旅は終わらないかもしれないが、一歩一歩近づくことが、食品の改良に役立つ新しい進歩をもたらすからである

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