論文の公開元へ米粉食品開発に資する米粉及び米粉スポンジの構造物性相関とその応用
概要
令和 5 年度
博士論文
米粉食品開発に資する米粉及び
米粉スポンジの構造物性相関とその応用
東北大学大学院農学研究科
生物産業創成科学専攻
YANG JIAMIN
目次
第1章
序論 .............................................................................................................. 1
1.1
米粉の利用促進.............................................................................................. 1
1.2
食物アレルギーと対応食品.......................................................................... 3
1.3
米粉の微細構造.............................................................................................. 5
1.4
ホイッピングの工学的予測.......................................................................... 7
1.5
米粉スポンジの構造物性.............................................................................. 9
1.6
研究目的........................................................................................................ 11
第2章
2.1
赤外分光と小角Ｘ線散乱による米粉中の秩序構造の定量的評価 .... 13
緒言................................................................................................................ 13
2.2 材料及び方法................................................................................................ 14
2.2.1 材料......................................................................................................... 14
2.2.2 小角 X 線散乱測定................................................................................ 15
2.2.3 真密度測定............................................................................................. 16
2.2.4 赤外分光スペクトル測定..................................................................... 16
2.3 結果及び考察................................................................................................ 17
2.3.1 ガラス状態の米粉におけるデンプンの秩序構造の定量................. 17
2.3.2 1200-200 cm-1 の赤外分光スペクトルと内部構造の関係 .................... 20
2.4
第3章
3.1
まとめ............................................................................................................ 25
米粉の水分収着挙動の評価と赤外/遠赤外スペクトルの解析 ........... 27
緒言................................................................................................................ 27
3.2 材料及び方法................................................................................................ 29
3.2.1 材料......................................................................................................... 29
3.2.2 水分活性と水分含量測定..................................................................... 30
3.2.3 赤外分光スペクトル測定..................................................................... 30
3.3 結果及び考察................................................................................................ 31
3.3.1 FT-IR スペクトルによるガラス・ラバー転移の把握 ......................... 31
3.3.2 900 cm-1 以下のスペクトル解析 ............................................................. 34
3.4
第4章
4.1
まとめ............................................................................................................ 36
固-気-液分散系におけるホイッピング特性に関する解析 ................. 38
緒言................................................................................................................ 38
4.2 材料及び方法................................................................................................ 40
4.2.1 材料......................................................................................................... 40
4.2.2 粉体特性................................................................................................. 41
4.2.3 液相の物性............................................................................................. 42
4.2.4 豆乳を使用した米粉ベースバッターのホイップ特性..................... 43
i
4.3 結果及び考察................................................................................................ 44
4.2.1 無次元数による粉末特性の評価......................................................... 44
4.2.2 液相の物性............................................................................................. 46
4.2.3 ホイッピング特性................................................................................. 50
4.4
第5章
5.1
まとめ............................................................................................................ 58
米粉スポンジの構造物性相関の解析 .................................................... 60
緒言................................................................................................................ 60
5.2 材料及び方法................................................................................................ 62
5.2.1 米粉スポンジの調製............................................................................. 62
5.2.2 応力-ひずみ曲線の測定 ....................................................................... 62
5.2.3 X 線 CT 測定 ........................................................................................... 63
5.3 結果及び考察................................................................................................ 63
5.3.1 3D 画像解析の結果 .................................................................................. 63
5.3.2 米粉スポンジの構造物性相関............................................................. 65
5.4
第6章
まとめ............................................................................................................ 67
総括 ............................................................................................................ 69
引用文献...................................................................................................................... 72
謝辞.............................................................................................................................. 87
ii
第1章 序論
1.1 米粉の利用促進
日本の食料自給率は長期減少傾向であり、諸外国と比較すると、
カロリーベース、生産額ベースともに低い水準となっている。令和
3 年度において、食料自給率はカロリーベースで 38%程度となって
いる[1]。食料自給率の向上は積年の課題であり、この一助とすべく
日本の基幹農作物である米穀の消費拡大が推進されている。これを
受け、米粉用米・飼料用米の利用を促進し、水田の有効活用と食料
の安定供給を確保する観点から、平成 21 年に米穀の新用途への利
用の促進に関する法律が制定された[2]。この法律では、米粉用米・
飼料用米の利用を促進する観点から取り組むべき事項に関して基
本方針を定めることとされており、おおむね 5 年ごとにこれを定め
ることになっている。そして、最初の基本方針の施行後、取り組み
の方向として、利用の促進に向けた新たな技術等の明確化、流通・
加工コストの低減、実需者とのマッチング、消費者へのアピールが
提示された。
米粉用米の需要量は、平成 24 年度以降、２万トン程度で推移
しており、グルテンを含まないという米粉の特性を発信する「ノン
グルテン米粉第三者認証制度」や「米粉の用途別基準」の運用を平
成 30 年から開始したところであり、米粉の需要を拡大させること
を目指した施策が推進されている。民間では、利用拡大に向け、製
粉コスト低減の取組のほか、グルテンを使用しない米粉商品の開発、
1
増粘剤や油脂等の代替として使用できる新たな米粉加工品（米ピュ
ーレ、アルファ化米粉など）を活用した商品の開発が進むなど、様々
な取組を実施している[3]。
米粉は伝統的に団子やせんべいなどの和菓子の原料として利
用されてきた。米粉は精白米を原料として、その主成分はデンプン
である。生米のデンプンに対して結晶状態を保ちつつ製粉したもの
を生粉製品といい、上新粉、白玉粉やもち粉などとして利用されて
いる。一方、デンプンに加水・加熱処理を行うことで、α化させ、
乾燥などにより、α化状態を維持したまま、粉砕したものを糊化製
品といい、みじん粉、道明寺粉や上南粉などとして利用されている
[4]
。
米粉の需要拡大に向けて、伝統的な用途以外に、従来小麦粉で
作られてきたパン・洋菓子や料理に米粉を活用する方法が見出され
ている。米粉を使用することによって得られるしっとりもっちりと
した特徴的な食感に加え、小麦粉に比べて、優れたアミノ酸バラン
スや低吸油である点は、高まる消費者の健康志向に応える米粉の大
きな利点である。加えて、小麦粉の代替としての可能性は増加傾向
にある食品アレルギー対応した食品の開発に欠かせないものであ
る。
2
1.2 食物アレルギーと対応食品
鶏卵、牛乳、小麦は日本における 3 大食物アレルゲンとされ、
合わせて 6 割以上を占めている。これらのアレルゲンは様々な食品
中に多く含まれており、人々の食生活において、欠かせないものと
なっている。特に、小麦に含まれるグルテンは、セリアック病をは
じめとしたグルテン関連疾患が欧米を中心として世界的に拡大し、
成人においても有病率が増加している。疾患者だけでなく、近年は
健康志向の高まりに伴ってグルテンフリー製品に対する需要が伸
びている[5]。
これまで、小麦粉を用いた代表的な食品の一つであるパンにつ
いて、グルテンを含まない製品の開発が試みられ、様々な穀物とデ
ンプン（米、トウモロコシ、ソルガム、キビ、ジャガイモ、豌豆な
ど）だけでなく、乳成分（脱脂粉乳、ホエイなど）、ガムおよびハイ
ドロコロイド（グアー、キサンタンガムなど）、非グルテンタンパ
ク質（プロテアーゼ、グルコースオキシダーゼ）及び非デンプン多
糖（イヌリン、ガラクトオリゴ糖）など、添加物または加工助剤の
強化によりグルテン特有の粘弾性特性を模倣することが検討され
てきた。成分の組み合わせと製パンプロセスの最適化により技術課
題が解決されている中で、日本では、米粉が注目され、現在小麦粉
の代替物としてグルテンフリー製品の原料として用いられている。
一方で、小麦粉に含まれるグルテンはネットワーク構造を形成
し空気を保持して弾力性を付与することから、含泡食品において重
3
要な役割を担っている。対照的に、米粉を用いて、グルテンが含ま
ない製品はもちもちとして粘り気のある食感になることが知られ
ている。このもっちりとした食感の特徴はユニークで魅力的である
が、画一的になってしまうために米粉製品の多様化が求められてい
る。さらに、パンやスポンジケーキのような含泡食品の製造工程は
小麦粉の利用を前提にして最適化されているため、米粉製品に一般
消費者に広く好まれるような食感を付与するには小麦粉を米粉に
置き換えるだけでは困難である。とりわけ、加工プロセスの最適化
は好ましい食感の新しい米粉製品の創出に重要である。
4
1.3 米粉の微細構造
米粉は新しい食品の研究開発にとって重要である。日本の食料
自給率を高めるためには、米粉の利用拡大が不可欠と思われる。過
去数十年、米粉はパン、菓子、麺類の製造において他の粉の代用品
として広く使用が検討されてきた。
デンプンは米粉などの最も一般的な種類の穀物製品の主成分
であり、多くの研究で結晶性、粒状性、空間構造などの基本的な特
性について報告がなされている[4-9]。さらに、分子シミュレーション
と組み合わせた X 線回折（XRD）および核磁気共鳴（NMR）スペ
クトルにより、デンプンの高次構造に関する詳細な情報が得られて
おり、デンプンの生物材料としての特性評価の進歩は目覚しいもの
がある[6]。
さらに、これまでの研究で、機械的処理によってデンプンの結
晶化度と内部構造が変化することが示されている[7-13]。たとえば、
デンプンの半結晶状態をアモルファス状態に変換し、分子構造、結
晶構造、および水溶性を段階的に変化させる法として、ボールミル
粉砕が知られている[14]。澱粉損傷は、生化学的分解性の有効な評価
指標として使用されている[15-17]。Morrison と Tester は、デンプンの
結晶化度と分子秩序、およびボールミルによるデンプンの損傷の相
関を報告した[18-20]。
より実用的な規模で、いくつかの研究が食品、特にパンに使用
される粉の粉末特性とバルク特性を調査した[21-23]。損傷したデンプ
5
ン粒が存在することにより、水分吸収能力が改善され、望ましい生
地テクスチャの開発に貢献すると考えられている[12]。
最近では、Tran らは、米粉の粒子サイズ、デンプン損傷、およ
びデンプン分子構造は、温度、時間、および製粉の種類を変えるこ
とによって変更される可能性があると述べている[24]。一方、Anzai
らは、米粉のエンタルピー緩和は、米デンプンのアモルファス構造
の形成に寄与するボールミルプロセス中の機械的衝撃によって促
進されたと報告している[25]。それにもかかわらず、機械的衝撃によ
って引き起こされる収着特性や高次構造の変化は詳細には明らか
にされていない[4]。
現在の研究の目的は、製粉プロセスによって変換された米粉の
粉末特性を評価することである。特に、米粉内のポリマー構造は、
製粉によって引き起こされる機械的衝撃により無秩序な構造とし
て生成される可能性があることに着目することが重要である。
6
1.4 ホイッピングの工学的予測
食品の膨化は、食材中にある気泡がそれぞれ成長していく現象
結果である。食材中に気泡を取り込ませる方法の一つは、細い金属
製棒からなる泡立て器を用いたホイッピング操作である。
矢野らは、タンパク質溶液や界面活性剤溶液を用いて、家庭用
電動式のホイッパーから中規模実用機及び銅棒攪拌にいたるまで
ホイッピング操作により泡沫層を形成させ、その平均気泡径の予
測・制御を試みた[26-28]。
矢野らは、ホイッピング操作により生じた気泡の平均径は試料
の物性値や攪拌条件などの複数因子の影響を受けると考え、関与す
る特性値を無次元化することによって、気泡径分布がほぼ一定とな
ったみかけの平衡状態において、以下の実験式を提案した。
𝑑!"
= 0.552(𝑊𝑒)#$.&'( (𝑅𝑒)$.)*& (𝐹𝑟)$.)+&
𝑑
ここで、d は起泡棒の直径[m]、dbm は平均気泡径[m]、We（Weber 数）
は慣性力/表面張力（dv2ρ/γ）、Re（Reynolds 数）は慣性力/粘性力
（dνρ/μ）、Fr（Froude 数）は慣性力/重力（v2⁄dg）を代表する無次元
数である。g は重力加速度[m/s2]、v は起泡棒の運動速度[m/s]、ρ は
溶液の密度[kg/m3]、μ は溶液の粘度[kg/m・s]、γ は溶液の表面張力
[kg/s2]である。この式は、起泡棒の直径が小さく、運動速度が速い
ほど生成した気泡径が小さくなることを示しており、目標とする平
均気泡径を指定することで、起泡棒の太さと運動速度を予測可能で
7
あることを明らかとした。
提案された無次元式は、実験で用いられた材料、装置、操作条件
の範囲内に適用限定されるものではなく、「相似な現象」に適用可
能な一般性のある形でまとめられたものである。したがって、実験
式ではあるが、加工プロセスへの一般的な適用が期待される。
8
1.5 米粉スポンジの構造物性
食品物性は単に食品成分の種類や組成の違いだけでなく、固体、
液体、気体といった状態を含めた食品の構造に大きく影響される。
米粉スポンジなど含泡食品においては、圧縮実験で得られる応力ひずみ曲線は、どの材料でも三つの段階から構成される。初期段階
ではセル壁の曲げによる線形弾性挙動が起こる。さらに圧縮されあ
る臨界応力に達すると、セル壁の座屈、塑性曲げまたは脆性破壊に
よりプラトー領域（崩壊領域）が出現する。そして遂にはセルが完
全につぶれて、向かい合うセル壁同士が接触するようになると、緻
密化領域が現われる。
Gibson と Ashby らは、多孔質材料におけるセル構造体の密度
をセル壁材の密度で割った相対密度が多孔質材料の弾性特性と機
械的強度に影響を与える主な構造特性であることを示した[29]。彼ら
によって相対ヤング率と相対密度の関係について、以下の半経験式
を提案された。
𝐸∗
𝜌∗ .
= 𝐶0 2
𝐸𝜌ここで、E*はセル構造体のヤング率、Es はセル壁材のヤング率、ρ*
はセル構造体の密度、ρs はセル壁材の密度、C は幾何学的な比例定
数、n はセル壁材の変形機構に関わる値である。等軸オープンセル
の場合では、n は２となる。 ...
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