温度変動によるチョコレートのファットブルーム発現機構の解明

概要

博士論文

温度変動によるチョコレートの
ファットブルーム発現機構の解明

令和 3 年 3 月
広島大学大学院生物圏科学研究科
生物機能開発学専攻
佐藤創平

目次

第1章

緒言

1.1 チョコレートと油脂 ----------------------------------------------------------------------------

1

1.1.1 チョコレートとココアバター
1.1.2 ココアバターの分子構造
1.1.3 ココアバターの結晶構造
1.2 チョコレートの製造プロセス ----------------------------------------------------------------

10

1.3 チョコレートのブルーム ---------------------------------------------------------------------- 14
1.3.1 ファットブルーム
1.3.2 シュガーブルーム
1.4 ファットブルームの形成と影響を与える要因 ------------------------------------------- 16
1.4.1 ファットブルームの原因
1.4.2 ファットブルーム形成のメカニズム
1.4.3 ブルーム形成に影響を与える要因
1.5 ファットブルームの形態学的分類 ---------------------------------------------------------- 26
1.6 本研究の目的と論文構成 ---------------------------------------------------------------------- 30
文献 --------------------------------------------------------------------------------------------------------

第2章

31

本研究で用いた試料および実験装置

2.1 試料 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 41
2.1.1 ミルクチョコレート
2.1.2 無糖ミルクチョコレート
2.1.3 ミルクチョコレート中の油脂
2.2 実験装置 ------------------------------------------------------------------------------------------- 43
2.2.1 明視野／暗視野顕微鏡観察
2.2.2 デジタル顕微鏡（マイクロスコープ）観察

2.2.3 走査型電子顕微鏡観察（Scanning Electron Microscopy: SEM）
2.2.4 X 線回折測定（X-ray Diffraction：XRD）
2.2.5 蛍光顕微鏡観察（Fluorescence Light Microscopy: FLM）
2.2.6 偏光顕微鏡観察（Polarized Light Microscopy: PLM）
文献 --------------------------------------------------------------------------------------------------------

第3章

47

チョコレートのファットブルーム発生条件とその形態学的特徴

3.1 はじめに ------------------------------------------------------------------------------------------- 48
3.2 実験試料および実験方法 ---------------------------------------------------------------------- 50
3.2.1 試料および試料調製方法
3.2.2 温度処理条件
3.3 結果 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 53
3.3.1 処理温度とファットブルームの関係
3.3.2 処理時間とファットブルームの関係
3.3.3 ファットブルームの形態観察
3.4 考察 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 58
3.5 まとめ ---------------------------------------------------------------------------------------------- 60
文献 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 60

第4章

ファットブルームの構造観察

4.1 はじめに ------------------------------------------------------------------------------------------- 62
4.2 実験試料および実験方法 ---------------------------------------------------------------------- 63
4.2.1 試料および試料調製方法
4.2.2 X 線回折測定（XRD）
4.2.3 走査型電子顕微鏡観察（SEM）
4.2.4 デジタル顕微鏡観察
4.2.5 蛍光顕微鏡観察（FLM）
4.2.6 画像解析

4.3 結果 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 67
4.3.1 ファットブルーム中のココアバターの結晶多形
4.3.2 ファットブルームの表面構造観察
4.3.3 ファットブルームの疑似断面構造観察
4.4 考察 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 74
4.5 まとめ ---------------------------------------------------------------------------------------------- 76
文献 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 76

第5章

ファットブルーム形成過程におけるチョコレート及び油脂の構造変化

5.1 はじめに ------------------------------------------------------------------------------------------- 78
5.2 実験試料および実験方法 ----------------------------------------------------------------------

79

5.2.1 試料および試料調製方法
5.2.2 X 線回折測定（XRD）
5.2.3 明視野／暗視野顕微鏡観察
5.2.4 偏光顕微鏡観察（PLM）
5.3 結果 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 84
5.3.1 ファットブルーム形成過程におけるココアバターの結晶多形変化
5.3.2 ファットブルーム形成過程におけるチョコレート表面の構造変化
5.3.3 ファットブルーム形成過程におけるチョコレート疑似断面の構造変化
5.3.4 ファットブルーム形成過程における油脂の結晶化挙動
5.4 考察 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 93
5.5 まとめ ---------------------------------------------------------------------------------------------- 99
文献 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 100

第6章

総括 --------------------------------------------------------------------------------------------- 102

謝辞 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 103

第1章
1.1
1.1.1

緒言

チョコレートと油脂
チョコレートとココアバター

チョコレートは，消費者に最も好まれる嗜好性菓子の一つである．近年ではその主要原料
であるカカオに含まれるポリフェノール等の機能性成分を中心に，健康志向食品としても
注目を集めている 1)．チョコレートにはポリフェノールの一種であるカテキン，エピカテキ
ン，プロシアニジンなどのフラボノイドが豊富に含まれている 2)．チョコレート，特にダー
クチョコレートは，循環器系障害や心臓病のリスクを軽減するなど精神的にも肉体的にも
ヒトにとって有益であることが認められている 3-5)．チョコレート製品の国内消費は 2008 年
から 2018 年の 10 年間で 23.5%の増加を示している 6)．近年ではチョコレート消費はより品
質の高いものを求める方向へもシフトしており，例えば差別性のある香味を有するカカオ
の品種を用いたチョコレートへの関心が高まっている 7)．特に高カカオ含有チョコレートは
健康志向という面だけでなく，香味特性の面で高品質，高級市場においても注目されている
分野である．
チョコレートには主にダークチョコレート，ミルクチョコレート，ホワイトチョコレート
の 3 つのタイプがあり，その組成は様々である 8)．ダークチョコレートは主に砂糖，ココア
バター，カカオマスで構成され，ミルクチョコレートはさらに乳成分を含み，ホワイトチョ
コレートは砂糖，ココアバター，乳成分で構成されている．少量の乳化剤（レシチンなど）
や香料（バニリンなど）なども，製造中の液状チョコレートの流動性の改善や，最終製品の
風味の調節を目的として添加されている 9)．チョコレートの構造は通常，ココアバター（お
よびミルクチョコレートの乳脂）を主体とした油脂の連続相中に砂糖やカカオマス，ミルク
などの約 65～75g/100g の微細な固体粒子が分散した状態となっている（Fig. 1-1）1, 10)．チョ
コレートにおける油脂の役割はその構造を形成する原料として必須であるだけでなく，チ
ョコレートの製造工程での各種単位操作や出来上がった製品の品質，保存中の品質変化等
もすべて油脂の物性が大きな影響を与えている．チョコレートを構成する油脂の主たる成
分であるココアバターは，チョコレートのレオロジー的およびテクスチャー的特性を決定
する上で最も重要な役割を果たしている

11)．具体的には，成形性（収縮性）
，表面の光沢，

1

風味の放出，口の中での滑らかな食感に関与している

12)．チョコレートのココアバターに

由来する重要な特徴の一つがその融解特性であり，室温（20～25℃）では固体のままである
が，喫食中に約 37℃の口の中で融け，舌に滑らかな感触を与えることができる 10)．また本
論文の主題であるファットブルームにもココアバターの挙動が大きく関与している．これ
らのことから，ココアバターの特性を理解し制御することは高品質のチョコレートを製造
する上で非常に重要である．ココアバターの他に，ココアバターの代わりとなる植物性油脂
を添加する場合もある．チョコレートの配合に使用される植物性油脂は，ココアバターとの
相性に基づいて，CBS，CBE，CBR の 3 つに分類される

11)．ココアバターは比較的高価で

あるため，これらの代替油脂は原材料のコストを削減するためにチョコレート製品に使用
されることがある 13)．

1.1.2

ココアバターの分子構造

ココアバターを含むすべての油脂はトリアシルグリセロール（Triacylglycerol: 以下，TAG
と示す）の混合物である．TAG 分子はグリセロール分子に結合した 3 つの脂肪酸で構成さ
れている 14)．TAG の物性は，構成脂肪酸の種類とそれらが結合するグリセロール分子の OH
基の位置（sn-位置：stereospecific numbering）によって決定される．例えば，パルミチン酸
（P）
，ステアリン酸（St）
，オレイン酸（O）の 3 つの脂肪酸がオレイン酸を sn-2 位として
グリセロールに結合すると，POSt（2-oleoyl-stearoylpalmitoylclycerol）分子となる 15)．このよ
うな TAG 分子の構造を，Fig. 1-2 に示す．ステアリン酸とオレイン酸が入れ替わると PStO
となり，構成脂肪酸は同じだが全く異なる分子となる．ココアバター中には約 40～50 の TAG
が 存 在 す る が ， POSt ， POP （ 1,3-dipalmitolyl-2-oleoyl-glycerol ）， StOSt （ 1,3-distearoyl-2oleoylclycerol）の 3 種類の TAG が支配的であり，ココアバター中の全 TAG の約 80%を占め
ている

16)．このような

sn-2 位に不飽和脂肪酸を持つ一価不飽和 TAG は，SOS（S：任意の

飽和脂肪酸；O：オレイン酸）TAG とも呼ばれる．その他，3 つの飽和脂肪酸を含む SSS や
2 つのオレイン酸分子を含む SOO（多価不飽和）のような TAG もココアバター中に含まれ
るが，それぞれの含有率は約 1-2％および約 5-20％程度である

17)．SOO

分子は室温で液体

状態であるのに対し，SSS 分子は SOS や SOO 分子よりも融点が高い 17) ．

2

1.1.2

ココアバターの結晶構造

ココアバターなどの油脂中の TAG は，結晶化する際に多形現象をとることが知られてい
る．多形とは「同一の化学組成を持ちながら，異なる結晶構造をもち，異なる結晶形を示す
現象」と定義される 18)．Fig. 1-2 に示すような TAG 分子は，二鎖または三鎖の長さの配列で
結合することができ，
「椅子」構造のラメラを形成する．ラメラの層が積み重なってドメイ
ンを形成し，それがさらに結晶子に発達する．結晶子からなる結晶集団（クラスター）は最
終的に相互作用により 3 次元の油脂微細構造を形成する（Fig. 1-3）19)．油脂の結晶内部で
は，TAG 内の炭化水素鎖同士がその分子間力や疎水性相互作用により互いに密に集まって
秩序化された配列をとる．TAG 鎖の横方向のパッキングの違いと TAG の縦方向の積み重ね
の違いによって異なる分子パッキング配列が形成され，様々なココアバター多形が形成さ
れる（Table 1-1）18, 20-21)．多形はこの TAG 結晶のパッキング配列から決定され，この配列様
式は副格子構造と呼ばれる．TAG でみられる副格子の結晶系は主に六方晶（ヘキサゴナル：
H）
，直方晶（O⊥）
，三斜晶（T∥）であるが，油脂ではそれぞれ α 型，β'型および β 型と呼ば
れるのが一般的である．ココアバター結晶多形のナンバリングに関しては，油脂業界ではギ
リシャ文字（α，β'および β）が使用されるのに対し，チョコレート業界ではローマ数字（I
から VI）が一般的に使用される

10)．ローマ数字の場合，I

から VI までの数字により多形安

定性を表しており，I が最も安定性が低く，VI が最も安定性が高い 22)．市販のチョコレート
においては，全体的な表面の光沢，色，硬さ・パチンと割れるスナップ性，滑らかなくちど
け，および品質保存性において最も良好であることから，V 型であることが好ましい 5)．ギ
リシャ文字でのナンバリングでは，熱力学的な安定性が上がっていく順に α，β'，β 型が用
いられる．中には β1 と β2 のように，ほぼ同じ構造でありながら安定性に違いがあるものが
存在する 23)．このような場合，安定性の高い順に β1，β2 と表現され，ココアバターでは VI
型と V 型に相当する．α，β'，β 型多形の結晶構造の側面図と端面図を Fig. 1-4 に示す 10, 17)．
α 型のラメラはまっすぐに積み重なっており，端面から見ると脂肪酸鎖が六角形に存在し，
鉛筆を束ねたような構造をしている．一方，β′型の脂肪酸鎖は，末端メチル基面から見て角
度があり，分子は直方晶（O⊥）の副格子構造を示す．分子末端面から見ると隣り合う脂肪
酸鎖のジグザグ面が互いに垂直である．β 型も同様に末端メチル基面から見て角度があるが，
分子鎖は三斜晶（T∥）の副格子構造を示し，隣り合う脂肪酸鎖のジグザグ面はお互いに平
3

行である．ココアバターや TAG の多形の特定には X 線回折（X-ray Diffraction：XRD）技術
が用いられる．Fig. 1-5 は主なココアバター多形の典型的な XRD 回折パターンを示してい
る．
最安定の β 型を除き，α 型，β'型などの準安定多形は安定多形へと経時的に変化する．あ
る多形から別の多形へと変化することを多形転移と呼ぶ．一般的に TAG においては，多形
転移は α 型，β'型，β 型の順で起き，不可逆である．ココアバターでは I~V 型が最安定の VI
型へと経時的に変化する．
なお，ココアバターの V 型は β2 型，βV 型と同値であり，同様に VI 型は β1 型，βVI 型と
も表記される．本論文では，以降，それぞれ βV 型，βVI 型と表記することとする．

4

(a)
Fat
Cocoa powder
Sugar
Milk powder
(b)

100 µm

Fig. 1-1 (a) Schematic representation of structure of chocolate. (b) Microscopic image of melted
chocolate.

5

Fig. 1-2 Structure of POSt molecule.17, 24)

Table 1-1 Cocoa butter polymorphs and their properties.18, 22)

Polymorphic forms

Chain packing

Melting points (℃)

I

Sub-α

Double

17.3

II

α

Double

23.3

III

β2’

Double

25.5

IV

β1’

Double

27.5

V

β2

Triple

33.8

VI

β1

Triple

36.3

6

Lamella
Domain

Cluster
Floc

Network

Fig. 1-3 Schematic representation of the different levels of structure in crystallized fats.
A single crystallite may have one or more domains of a thickness ξ, composed in turn of
several lamellae of thickness d. Each lamella is formed by TAG organized with a
characteristic longitudinal stacking and lateral packing.19)

7

(a)
α-form

β’-form

Hexagonal

Orthorhombic
perpendicular

β-form

(b)

Triclinic
parallel

Fig. 1-4 Crystal packing of triacylglycerols. (a) Projection showing arrangement of alkyl
chains for α, β and β’ polymorphs. (b) Projection parallel to direction of alkyl chain.

8

I

II

IV

V

III

VI

Fig. 1-5 XRD patterns of different cocoa butter polymorphs22, 25). ...

この論文で使われている画像