牛乳に梅ジャム
牛乳に酸を添加して凝固する要因の考察
後輩部員の牛乳に梅ジャムを入れたら固まったというツイートを見て気になり文献を読んで調べてみました。
まず、梅ということで何か有機酸といった酸が関係しているのではないかと考え調べましたが、どうも調べていくうちにジャムも関係しているのでは、ということで後半部分にはペクチンについても記載。
≪酸添加によるゲル化≫
カゼインは牛乳のたんぱく質含量は約3.5％であり、そのうち約80％カゼインである。
カゼインの大部分は牛乳中でカルシウムなどの無機塩類と結合し、カゼインミセルというコロイド粒子を形成し、懸濁分散している。
このカゼインミセルによる光の散乱により牛乳は乳白色に見える。
通常、牛乳中ではホエー中の塩類と平衡状態を保ち、安定した状態で存在している。
これはコロイド粒子間にファンデルワールス力が働いているが、粒子表面の電荷により同物質間で静電気力(クーロン力)が働くことで同程度の反発力が生じ、凝集することなく安定性が維持されているためである。しかし、これが種々の要因により、その安定性が破壊されると凝固、沈殿を導く。
すべての分子性物質は温度を下げると必ず固体になる。このことから分子間には働く力があると示されており、この分子間に作用する力のことを言う。
そもそもタンパク質はアミノ酸が多く結合した物質であり、そのアミノ酸組成によってプラス電荷とマイナス電荷をもつ側鎖数に差が生じ、たんぱく質全体の電荷が決まる。各タンパク質は電荷が0になるpH条件をもち、このpHをそのタンパク質の等電点という。
牛乳に酸を加えることで牛乳中のpHが下がり、コロイド粒子表面の電荷も0になる。これによりファンデルワールス力が働き、カゼインミセルは凝集し凝固沈殿する。
この凝固沈殿によって生じた形態はゲルと呼ばれる。
ゲルとはコロイドの特殊例であり、溶液中の成分が収縮したり会合したりすることにより全体の形が固定化された状態を指す。ゲルはコロイド粒子または高分子が一連の網状につながってつくられた、柔らかく弾力があり、変形が可能な固体といえる。
酸による凝固形態がゲルと示したのは凝集したカゼインミセルが網状構造をつくるためである。
≪ペクチン添加によるゲル化≫
また、酸以外にも牛乳にりんごや柑橘類を加えても凝固はおきるが、これもゲル化である。
これはペクチン(多糖類)といった物質が起因している。
ペクチンは植物に広く分布しており、主にりんごや柑橘類の搾汁カスなどから抽出される。
物理的性質として分散ゲル性能(粘性のあるゲルを形成して水に分散する性質)を持つ。
この性質によりジャムやゼリーを作る際に使われる物質である。
ペクチンはガラクツロン酸(ガラクトースの6番目炭素が-COOHに酸化されているウロン酸)がアミロースのようにα-1,4結合によって直鎖状に結合している重合体である。
構造上からペクチンは水中では負に電荷し、分子同士で反発しあうためコロイドを形成する。
ペクチンのゲル形成は、ペクチンの性質によって二つに代別される。
①高メトキシルペクチン(HMP)による水素結合型
②低メトキシルペクチン(LMP)によるイオン結合型
上記二つの違いとしてはペクチン構造中のカルボキシル基のメチル(-CH3)化の割合によって決まる
①メトキシル含量7％を境にそれよりも大きいペクチンを指す。
ペクチンは負に電荷しており、酸を加えることにより遊離カルボキシル基の解離が抑えられ電気的に中性(等電点)になり、ペクチン分子の凝集を促し網目構造形成に作用する。
一般にジャムやゼリーに使用されるペクチンはこの型に属する。
ジャム作りに糖や酸を加える目的としては、
糖は脱水剤として働き、凝集体を形成することでゲルを一定の形に保つ役目を持っている。
ペクチン中の水酸基が水素結合により橋渡しが可能になり、安定なゲルを形成するものと考えられている。
②メトキシル含量7％を境にそれよりも小さいペクチンを指す。
カルシウムやマグネシウムなどの多価金属イオン(存在下で)が遊離のカルボキシル基を通して結合し網目構造を形成する。
このタイプは糖や酸を加えなくても安定してこの構造を取る。
これはLMPが遊離のカルボキシル基を分子内に多く持っているために、
ペクチン分子のカルボキシル基が金属イオン分子とイオン結合することによって橋渡しになるからである。
このため牛乳中に柑橘類やリンゴ搾汁液を加えてゲル状になるのは、液中のペクチンが牛乳中のカルシウムと反応しLMPによるゲル形成が起きるからと考えられる。
※ヨーグルトも乳酸菌が牛乳成分の乳糖を乳酸に変えることで牛乳中が酸性化、カゼインが凝固・沈殿するためゲル状になる。
つまりは後輩が牛乳に梅ジャムを入れたことで、梅に含まれてた酸性物質によるカゼインの凝集が起きたと考えられる。
また、ジャムのペクチンについては①の場合だと、牛乳中の水分が足されたことでゲル化の安定性が保たれないためHMPではないと考えられる。②には牛乳中にカルシウムが含まれ、糖や酸の存在は必要ないためLMPによるゲル化が考えられる。
この二つの要因からミルクが固まったのだと推測されたのであった。
参考文献
食品化学、鬼頭誠ら、文永堂出版、1998年
化学基礎・分析化学、辻村卓、建帛社、2003年
生化学、猪飼篤、岩波書店、2007年
化学の基礎-化学結合の理解-、正畠宏祐、化学同人、2004年
食品コロイド入門、ERIC DICKINSON(訳:藤田哲ら)、幸書房、1998年
ペクチン-その科学と食品のテクスチャー-、真部孝明、幸書房、2001年
食品タンパク質の科学-タンパク食品の製造と利用編-、山内文男、食品資材研究所、1987年
