炭水化物 - 私たちの体の主要なエネルギー源のひとつ身体
炭水化物は、タンパク質や脂質と並んで、人間の食事における三大栄養素のひとつである。糖質には、単糖類、二糖類、オリゴ糖類などの糖類と、セルロースやデンプンなどの多糖類がある。
デンプンは植物性で、ジャガイモ、米、穀類、キャッサバ（マニオク）などに含まれる。その応用分野は主に食品・飲料分野である。食品業界では、デンプンは主に増粘剤、ゲル化剤、乳化剤、安定剤として使用される。多くの場合、small の濃度でのみ添加される。とはいえ、デンプンは食品の食感や有機食品的特性（色、香り、外観、味など）に大きな影響を与える可能性がある。
2022年、世界のデンプン生産量は約1億3,400万トンと推定され、中国が最大のデンプン市場であり、次いで米国である[1]。世界で最も多く取引されているデンプンの種類は、マニオク（またはタピオカ）デンプンで、コーンスターチが2位である[2]。
デンプンがそのままの形で使用されている場合、原材料リストには「デンプン」と表示される。しかし、その物質が化学的に変化している場合は、E番号（例えば、酸化デンプンの場合はE1404、アセチル化デンプンの場合はE1420）が付いた添加物となり、成分表には「変性デンプン」と表示される。生デンプンと比較して、改質デンプンは熱、寒冷、酸性環境に対してより安定である[3]。
デンプンは何からできているのか？
デンプンはアミロースとアミロペクチンからなる長鎖ポリマーで、その割合はデンプンの種類と供給源によって異なる。原則として、アミロース含量は15％～30％で、アミロペクチン含量は70重量％～85重量％である[4]。純粋なデンプンは白色で無味無臭の粉末であり、冷水やアルコールに溶けない [5]。
水の存在下で何が起こるか？
デンプンが十分な量の水と接触して加熱されると（例えば、調理中やベーキング中）、ゼラチン化が起こる。加熱中に水が顆粒内に浸透し、顆粒内の分子が再配列を始める。その結果、顆粒の外層が破壊されるまで膨張する。顆粒は分解し始める。アミロースとアミロペクチンは部分的に周囲の環境に拡散し、溶液中に分散する [10]。その結果、濃厚で粘性のあるデンプンペーストまたはゲルとなり、様々な成分（例えばペストリーの成分）をつなぎ合わせるのに役立つ。
ゲル化プロセスはDSCでモニターでき、吸熱（吸熱性）効果をもたらす。しかし、水の量は重要な役割を果たす。低含水率では、デンプン顆粒の限定的な膨潤または不完全なゲル化しか観察されず、高含水率（水：デンプン＝1.5：1以上）でも、DSC吸熱（吸熱性）は必ずしも全過程を表すとは限らない[7]。
冷却中、デンプンは無秩序から秩序への転移を起こす。ゲル化したデンプンは再び結晶化し、水分が放出され、物質はより硬くなる。この過程はレトログラデーションと呼ばれる。パンがしばらくすると古くなるのはこのためで、特に低温で保存された場合（低温はこのプロセスを促進する）。
冷暖房時のデンプンの挙動は？
その熱特性を調べるため、市販されているさまざまな種類の生デンプン（表1を参照）を、密閉アルミニウムるつぼ(Concavus®)内のDSCで、水と組み合わせて2回（デンプン50 wt%、水50 wt%）、5 K/分の加熱速度で140℃まで、そして窒素雰囲気下で室温まで加熱した。
表1 各種デンプンの試料質量（デンプンのみ
| デンプンの種類 | デンプン質量（mg） | 第1ピークの温度 (°C) |
|---|---|---|
| マニオク | 12.76 | 67.4 |
| ジャガイモ | 12.62 | 62.3 |
| 米 | 12.93 | 67.0 |
異なるタイプの澱粉を最初に加熱する際、いくつかの吸熱（吸熱性）DSC効果が見られる（図1参照）。一方では、マニオク澱粉と馬鈴薯澱粉で、（やや顕著な）ショルダーを追加した最初のメインピークが発生し、馬鈴薯澱粉の効果はやや低温にシフトしている。一方、米澱粉のDSCプロファイルは3つのピークを示し、そのうちの1つは他のものよりもかなり高い温度（ピーク温度107℃）にある。
60℃から70℃付近の温度範囲における効果は、ゲル化プロセスを反映している。107℃付近の吸熱（米デンプンに関する）効果は、おそらくアミラーゼ-脂質複合体に対応するもので、他の米の研究 [8, 9]でも100℃以上で測定されている。
文献（例えば、[6]に要約されている）によると、加熱中はゲル化だけでなく融解も起こる。この理論によると、加熱中の融解は高温での吸熱（吸熱性）に相当し、水分濃度が低い場合に一般的であるのに対し、ゲル化は過剰な水分（ほとんどのデンプンでは70%以上）の存在下で起こり、DSC曲線では低温の吸熱に相当する。中間の水分含量では、両方のプロセスが観察され、これは今回のケース（図2）とよく一致し、例えばマニオクデンプンでは67℃と80℃のピーク温度につながる。
1回目の加熱後、制御された冷却（10K/min）中に、発熱（発熱性）現象が約75℃から95℃の温度範囲で見られる（図3）。
これらの効果のほとんどは不可逆的であるように思われる。というのも、対応する2回目の加熱ステップ（図4、加熱速度5K/分）では、米澱粉だけが再び約108℃（ピーク温度）で吸熱（吸熱性）効果を示し、これは図2に現れた吸熱効果に匹敵するからである。しかしながら、約60℃から80℃の温度範囲では、非常にsmall 、発熱（発熱性）効果がいくつか見られる。このことから、冷却中に起こった構造再配列は、2回目の加熱が始まる前にはまだ終わっていなかったと推測される。
文献[10]を読むと、ゲル化したデンプンを冷却すると、遊離したアミロースとアミロペクチン（図1の化学構造）が逆行し始め、分散したアミロース分子が再び結合し始め、三次元ネットワークが形成される。これは「絡み合ったアミロースポリマー鎖と分離した高度に分岐したアミロペクチン分子の連続マトリックスに埋め込まれた、未溶解の顆粒残骸の複合ゲル」と表現できる。
結論
家庭でよく使われるデンプンだが、非常に複雑な挙動を示す素材であることがわかる。適用される温度レジームと混合物中の水分量の両方が、そのゲル化に影響を及ぼす。しかし、熱分析、ここでは特にDSCは、わずか数回の測定でこのプロセスに関する多くの貴重な情報を得ることができる。
使用した3種類の澱粉（マニオク澱粉、馬鈴薯澱粉、米澱粉）は、最初の加熱段階で互いに明確に区別できる（図1）。DSC曲線は大きく異なり、米でんぷんだけが100℃以上で吸熱（吸熱性）効果を示す。