広島大学 川井清司教授コラム「還元水飴のガラス転移温度と食感改質」
その一例として、ガラス-ラバー転移（ガラス転移）現象に関係する各種指標に対する注目が高まっています。
そこで、食品分野におけるガラス転移研究の第一人者である広島大学・川井清司教授に、ガラス転移現象と還元水飴の効果についてのコラムをご執筆いただきました。
食品のガラス転移温度
さらに非晶質は分子運動性の違いによって、流動状態、ラバー状態、ガラス状態に分類できます。
固体食品中の糖質やタンパク質は一般に非晶質であり、低水分・中間水分食品はガラスかラバーかのどちらかの状態にあります（図１）。
【図1】結晶質と非晶質のイメージ
環境温度（T）が食品のTgよりも低いとき（T < Tg）食品はガラス状態に、高いとき（T > Tg）食品はラバー状態になります。そして、非晶質はガラス化することで硬くなります。
したがって、多孔質なガラス化食品であればサクサクとした食感が、薄いガラス化食品であればパリパリとした食感が生まれます。
一方、ラバー状態の物質には柔らかい性質があり、食品においてはグニャリとした食感が生まれます。
ラバー状態での硬さは温度変化に対して敏感に応答し、ガラスから離れるほど（TとTgとの温度差が高いほど）、柔らかくなります。
これらのことは、食品のTgを変化させることができれば、食感を制御できることを意味します。
食品のガラス-ラバー転移と品質変化
食品にとって、水は最も強力な可塑成分であり、水分含量の僅かな増加によって、食品のTgは大きく低下します。
サクサクした食感の食品が、吸湿によってグニャリとした食感へと変わるのは、吸湿によってガラス化食品のTgが低下し、ラバー状態になる（T > Tgになる）ためと解釈されます。
例えば、市販のハードクッキーは水分含量4.7～5.3%以上でラバー状態になり、食感が軟化することが明らかにされています1)。
製造過程にさかのぼると、焼成過程で水分含量4.7～5.3%以下にすることがそのハードクッキーの条件といえます。
ボーロ1)、フライ食品の衣2)、ローストナッツ3)などでも同じことがいえます。
対象が乾燥粉末であった場合、粉末としての流動性を確保するには粉体をガラス状態に設計しなければなりません。
吸湿によって粉体表面がラバー状態になると，粉体同士が凝集（固着）し、ハンドリングが悪化してしまいます4)。
一方、粉体を圧縮成形する場合、粉体を一時的にラバー状態にすれば粉体に固着性が生まれ、効率的な圧縮操作が可能になります5)。
ガラス転移温度に基づく食感制御
Tgの水分含量依存性はTg 曲線と呼ばれます。また、室温（一般に25℃）の食品中でガラス-ラバー転移が起こる水分含量はcritical water content（Wc）と呼ばれます(図２-a)。
Tgが高ければWcも高くなり、より高水分に至るまで食感軟化が起こらなくなります（吸湿耐性の向上）(図２-b)。
一方、Tgが低ければWcも低くなり、水分が少ない状態でも、柔らかい食感に設計することが可能になります(図２-c)。
a：食品のTg曲線
（改質前）
b：食品のTg曲線
（Tgを上昇させる）
c:食品のTg曲線
（Tgを低下させる）
【図2】食品のTg曲線とその効果
一般に、Tgの低い食品にTgの高い食品成分を混合すると、濃度依存的にTgは高くなります。
また、分子量の高い物質ほどTgは高くなります。 高分子のTgは高いですが、相溶性に乏しいため（相分離するため）、混合物としてのTgを均一に引き上げる効果は期待できません。
還元水飴は様々な分子量の糖アルコールが混在してできた食品材料です（図３）。
低分子の糖アルコール成分が多ければTgは低く、高分子の糖アルコール成分が多ければTgは高くなります。
これと同じことは通常の水飴にもいえますが、同分子量で比較すると、還元水飴にはTgが低いという特徴があります。
したがって、還元水飴はラバー状食品の食感制御に大きなアドバンテージがあります。
※糖アルコール・・・糖質が持つカルボニル基に水素を添加（還元反応）した糖質の総称。還元水飴のほか、ソルビトール、キシリトール、エリスリトールなど。詳細はこちら
糖アルコールならびに還元水飴のTgに基づく食感改質
通常のクッキーとクッキーに配合したスクロースの40%をソルビトールに置き換えたクッキー（ソルビトール配合）のTgと水分含量との関係を図４に示します6)。
得られたクッキーの水分含量は3～4%程度でした。この水分範囲において、通常のクッキーのTgは室温よりも高い（25℃ < Tg）ことから、ガラス状態にあり、サクサクとした食感にあることが窺えます。
一方、ソルビトール配合クッキーは通常のクッキーよりも低いTgを示しました。ソルビトールのTg（約-9℃）はスクロースのTg（約66℃）よりも低いため、Tgの低い成分を配合したことでクッキーとしてのTgも低くなったと考えられます。
【図４】クッキーのTgと水分含量との関係
ラバー状態のクッキーは通常のクッキーを吸湿させても作れますが、水分含量は環境に応じて変動しやすく、また水分活性が高くなることで別の品質劣化（カビの発生など）への対策が求められるようにもなります。
ソルビトール配合クッキーは水分含量が低いにも関わらずラバー状態（柔らかい）を実現している点に特徴があるのです。
様々なタイプの還元水飴を用いて作ったグミに関して、配合した糖質（還元水飴並びにスクロース等との混合物）の無水TgとグミのTgとの関係を図５に、グミのTgと割断荷重との関係を図６にそれぞれ示します7)。
【図５】グミのTgと配合した還元水飴の無水Tgとの関係
【図６】グミの割断荷重とTgとの関係
還元水飴の無水Tgが低いほど、グミのTgも低くなりました。
これは、先述のクッキーでの事例と同じメカニズムによるものです。
さらに、グミのTgが低いほど、破断荷重は低く（柔らかく）なりました。
グミのTgが低いということは、よりガラスから離れたラバー状態にあることを意味しており、Tgによって定量的にグミの食感を制御できることが分かります。
換言すれば、グミの食感を任意に設計するにあたり、用いるべき還元水飴がTgによって分かるということです。
これらは低水分・中間水分食品での事例ですが、ガラス転移は凍結濃縮によっても起こることが知られています。
クッキーやグミと同様の技術戦略は、アイスクリームなどの冷凍食品にも適用可能ということです。
食品並びに食品素材のTgを理解し、制御することで、用途・コンセプトの明確化、他素材・他製品との差別化、
材料の種類・配合量の最適化などが可能になります。
参考文献
- 1. T. Sogabe, et al. J. Texture Stud., 52, 347–357 (2021).
- 2. J. S. Jothi, et al. J. Food Eng., 267, 109731 (2020).
- 3. T. Ebara,et al. J. Therm. Anal. Calorim., 135, 2629–2634 (2019).
- 4. S. Fongin,et al. J. Food Eng., 247, 95–103 (2019).
- 5. T. Mochizuki, et al. J. Food Eng., 247, 38–44 (2019).
- 6. K. Kawai, et al. Food Chem., 145, 772–776 (2014).
- 7. Y. Kashiwakura, et al. Food Hydrocol., 126, 107467 (2022).
