代替タンパク質 - Kinexus回転型レオメータによる熱誘起ゲル化の研究

はじめに

世界人口の増加とタンパク質に対する需要の高まりに伴い、植物性タンパク質、培養・培養肉タンパク質、発酵由来タンパク質、食用昆虫タンパク質、藻類など、いくつかの代替タンパク質源に対する関心が最近高まっている[1]。ゲル化特性は、代替タンパク質の最も重要な機能の一つであり、食品の食感や味に寄与する。ゲル化は、食品の加工や製造中に起こる。加熱は、代替タンパク質のゲル形成に最も頻繁に使用される方法の一つである。加熱と水の包接によりタンパク質分子が変性・展開した後、凝集して三次元網目構造、すなわちゲル構造を形成する。

実際には、ゲル化温度、ゲル安定性、ゲル強度など、代替タンパク質の熱誘起ゲル化特性を調べるには、回転型レオメーターが適している。

材料と測定条件

タンパク質粉末を、決められたタンパク質濃度（エンドウ豆タンパク質濃縮物：10wt%と7wt%、昆虫タンパク質：10wt%）の脱塩水に分散させた。タンパク質懸濁液は、マグネチックスターラーを用いて室温で2時間撹拌した。全卵試料の他に、卵黄を除去した卵白試料を調製し、室温で数分間激しく泡立てて均一な溶液を得た。

エンドウタンパク濃縮物試料、全卵試料、卵白試料の測定には、プレート-プレートシステム（直径40 mm、ギャップ0.5 mm）を装備したNETZSCH Kinexus Prime pro+ レオメーターを使用した。25℃から95℃まで5℃/分の速度で昇温し、温度掃引を行った。最高温度に達した後、ゲルの安定性を調べるため、熱誘導ゲルを10分間保持した。実験中、貯蔵弾性率（G'）と損失弾性率（G''）を記録した。植物性タンパク質と卵タンパク質について得られた結果を、昆虫タンパク質の結果と比較した[2]。

測定結果と考察

さまざまな代替タンパク質と一般的な動物性タンパク質源（卵）のゲル化特性を、加熱中および加熱後に回転レオメーターで調べた。

図2は、エンドウタンパク濃縮物を熱処理して形成されたゲルの貯蔵弾性率G'と損失弾性率G''を示したものである。温度が約55℃まで上昇すると、G'とG''の増加が見られる。これはタンパク質の変性によるものである。さらに温度を上昇させて熱処理した結果、タンパク質濃度が10wt%の場合、G'はG''よりも高くなり、固体のようなゲル挙動を示した。

さらに、タンパク質濃度が7wt%と低いエンドウタンパク濃縮物での実験では、加熱温度を上げるとG''がG'よりも高くなり、弱い液体状のゲル挙動を示唆している。

しかし、今回の濃縮エンドウタンパク質の研究では、G' = G''のクロスオーバーは観察されなかった。

BSF蛹の昆虫タンパク質を用いた熱誘発ゲル化に関する以前の研究[2]では、50℃以上に温度を上げるとG'とG''の両方が増加し、タンパク質の変性によって引き起こされることがわかった。この試料はゲルを形成し始め、ゲル化点の温度である60℃でG'=G''がクロスオーバーした。

昆虫タンパク質の温度に対する曲線の進行は、エンドウ豆濃縮タンパク質のそれとは異なる。このような異なるゲル化挙動は、材料組成の違いや、親水性・疎水性アミノ酸やその比率が様々な代替タンパク質間で異なる可能性があるなど、個々のタンパク質の特性に起因すると考えられる。

全卵と卵白の両試料のゲル化曲線は、温度掃引中に一般的なゾル-ゲル転移を示す。約60℃で、G'とG "の顕著な増加が観察されるが、これは例えばタンパク質の構造変化や変性によって説明できる。図3は、熱処理中に全卵液で形成されたゲルのG'とG''を示している。G'は約62℃で明らかな増加を示し、約75℃で急激な増加を示すが、G''は約75℃で劇的な増加を示す。クロスオーバー点は約74℃で生じる。卵白試料（図4）の場合、G'とG''はそれぞれ約64℃と75℃で2回の見かけ上の増加を示す。クロスオーバーポイントは約62.5℃で起こる。観察された変性現象は、全卵試料（卵白と卵黄）と卵白試料の化学組成に関連していると考えられる。

図5は、最高温度に到達してから10分間の保持時間内のゲル強度、G'と安定性を示している。卵タンパク質の熱誘導ゲルは、最も高い強度を示し、非常に安定である。このような安定したゲル特性は、図3と図4の85℃より高い温度でも観察された。10wt%のエンドウタンパク濃縮物試料では、最高のゲル強度に達するまで約4分かかり、その後形成されたゲルは安定するが、7wt%のエンドウタンパク濃縮物試料では、ゲル強度はわずかに低下する。これは、測定中に形成された弱いゲル構造が変形（破壊）したためと考えられる。昆虫タンパク質[2]で形成されたゲルの強度と比較すると、これらのゲルは以下の順序で異なるゲル強度G'を示す。

このことは、代替タンパク質の用途が異なることを示唆しているのかもしれない。例えば、低いG'値や弱いゲルネットワークを持つ熱誘導ゲルは、植物性飲料や代替ミルクのような液体食品製剤に興味深く適しているかもしれないが、高いG'値や強いゲルネットワークを持つゲルは、乳製品や食肉類似物などに興味深いかもしれない。

代替タンパク質のゲル化特性は、タンパク質の種類、タンパク質含量、温度、pH値、Ionic 強度、その他の成分など、様々な要因に影響されることを述べておく。

結論

2種類の代替タンパク質源（植物性タンパク質と非植物性新規タンパク質）の熱誘起ゲル化特性を、回転レオメーターを用いて研究した。貯蔵弾性率G'と損失弾性率G''のゲル化曲線を記録し、温度掃引中に解釈した。代替タンパク質のゲル化温度、ゲル安定性、ゲル強度を分析し、動物性タンパク質（卵）と比較した。このような測定は迅速で、比較的small 、代表的な試料を必要とする。