食品の変色

褐変とは、食品内部で起こる化学反応により食品が茶色に変わることです。褐変のプロセスは食品化学で起こる化学反応の 1 つであり、健康、栄養、食品技術に関する興味深い研究テーマとなっています。時間の経過とともに食品が化学的に変化する方法は多種多様ですが、特に褐変は酵素による褐変プロセスと非酵素による褐変プロセス の 2 つの主なカテゴリに分類されます。

褐変は、栄養、技術、経済的コストなど、食品産業に多くの重要な影響を及ぼします。 ^{[1]研究者は、褐変の制御（抑制）と、この抑制を最大限に高め、最終的に食品の}保存期間を延ばすために使用できるさまざまな方法の研究に特に興味を持っています。^[2]

酵素による褐変は、ほとんどの果物や野菜、魚介類で起こる最も重要な反応の1つです。^[3]これらのプロセスは、そのような食品の味、色、価値に影響を与えます。^[3]一般的に、これはポリフェノール酸化酵素（PPO）、カテコール酸化酵素、および天然フェノールからメラニンとベンゾキノンを生成する他の酵素を含む化学反応です。 酵素による褐変（食品の酸化とも呼ばれる）には、酸素への曝露が必要です。これは、ポリフェノール酸化酵素によるフェノールのキノンへの酸化から始まります。 ^[4]キノンの強い求電子状態により、他のタンパク質からの求核攻撃を受けやすくなります。^[4]これらのキノンは一連の反応で重合され、最終的に食品の表面に茶色の色素（メラノーシス）が形成されます。 ^[5]酵素による褐変の速度は、食品中に存在する活性ポリフェノール酸化酵素の量に反映されます。^[1]そのため、酵素による褐変を防ぐ方法に関する研究のほとんどは、ポリフェノールオキシダーゼの活性を阻害することに向けられてきました。^[1]しかし、食品の褐変がすべて悪影響を及ぼすわけではありません。^[1]

有益な酵素褐変の例:

• コーヒー、カカオ豆、紅茶の色と風味の発達。^[6]
• イチジクやレーズンなどのドライフルーツの色と風味を発達させます。

有益でない酵素による褐変の例:

• リンゴ、ジャガイモ、バナナ、アボカドなどの新鮮な果物と野菜。
• ポリフェノールの酸化はエビなどの甲殻類のメラノーシスの主な原因である。^[7]

酵素による褐変の抑制は、食品業界にとって常に課題となってきました。食品の酵素による褐変を防止または遅らせるために、さまざまなアプローチが使用されています。それぞれの方法は、化学反応の特定の段階をターゲットにしています。酵素による褐変抑制のさまざまなタイプは、物理的および化学的の 2 つの大きなグループに分類できます。通常、複数の方法が使用されます。亜硫酸塩(強力な褐変防止化学物質) の使用は、その作用とともに引き起こされる潜在的な危険性のために再検討されています。^[8]酵素プロセスに直面したときに行われる制御メカニズムの正確なタイプに関する多くの研究が行われてきました。褐変の防止に加えて、褐変の抑制には、褐変後に食品の色を回復することを目的とした対策も含まれます。たとえば、ワイン製造では、溶液中の褐色の沈殿物を除去するためにイオン交換ろ過または限外ろ過を使用できます。 ^[9]

• 熱処理−ブランチングやローストなどの加熱処理により、酵素が変性し、褐色化の原因となる反応物が破壊されます。ブランチングは、例えば、ワイン醸造、^[10]、 茶葉の加工、ナッツやベーコンの保存、冷凍保存用の野菜の準備などに使用されます。^{[11] [12] [13]}肉は、褐色化が少ない低温で調理される大きな調理物に組み込まれる前に、高温で部分的に褐色化されることがよくあります。

• 冷蔵処理−冷蔵と冷凍は、腐敗を防ぐために食品を保存する最も一般的な方法です。褐変酵素の活性、つまり反応速度は、低温では低下します。^[14]したがって、冷蔵は新鮮な野菜や果物の見た目、色、風味を維持するのに役立ちます。冷蔵は、果物や野菜の流通や小売にも使用されます。

• 酸素の除去− 酵素による褐変には酸素の存在が不可欠であるため、環境から酸素を除去すると褐変反応を遅らせることができます。真空包装や調整雰囲気包装、 [ ₁₄ ^]、ワインやジュースの瓶詰め、^[15]、不浸透性フィルムや食用コーティングの使用、塩水や砂糖水への浸漬など、保存中に空気を抜くか他のガス（例：N 2 やCO ₂ ）と置き換えることで、食品が酸素と直接接触するのを防ぎます。^[16]プラスチックなどの不浸透性フィルムは、食品が空気中の酸素にさらされるのを防ぎ、水分の損失を防ぎます。ブチルヒドロキシトルエン（BHT）、ブチルヒドロキシアニソール（BHA）、トコフェロール、ヒノキチオール、リゾチーム、ナイシン、ナタマイシン、キトサン、ε-ポリリジンなどの抗酸化物質、抗菌物質、抗真菌物質を含浸させた包装材料の開発が活発化している。^{[17] [18]食用コーティングは、}多糖類、タンパク質、脂質、野菜の皮、植物、その他の天然物から作ることができる。 ^[19]

• 放射線照射− UV-C、ガンマ線、X線、電子線を使用した食品照射は、食品の保存期間を延ばすもう一つの方法です。電離放射線は、食品の腐敗の原因となる微生物の活力を阻害し、保存野菜や果物の成熟と発芽を遅らせます。 ^{[16] [20]}

• 酸性化− 褐変酵素は、他の酵素と同様に、特定のpH範囲で活性を示します。たとえば、PPO はpH 5-7 で最適な活性を示し、pH 3 以下では阻害されます。^[16] 酸性化剤と酸度調整剤は、食品の望ましい pH を維持するための食品添加物として広く使用されています。クエン酸、アスコルビン酸、グルタチオンなどの酸味料は、抗褐変剤として使用されます。これらの剤の多くは、キレート化や抗酸化作用など、他の抗褐変効果も示します。

• 抗酸化物質− 多くの抗酸化物質は食品添加物として食品業界で使用されています。これらの化合物は酸素と反応し、褐変プロセスの開始を抑制します。^[16]また、それらは以下の反応の中間生成物を妨害し、メラニン形成を阻害します。アスコルビン酸、N-アセチルシステイン、L-システイン、4-ヘキシルレゾルシノール、エリソルビン酸、システイン塩酸塩、グルタチオンなどは、褐変防止特性について研究されている抗酸化物質の例です。

• キレート剤− ポリフェノールオキシダーゼは機能するために補因子として銅を必要とするため、銅キレート剤はこの酵素の活性を阻害します。キレート活性を持つ多くの薬剤が研究され、食品産業のさまざまな分野で使用されています。例えば、クエン酸、ソルビン酸、ポリリン酸、ヒノキチオール、コウジ酸、EDTA、ポルフィリン、ポリカルボン酸、さまざまなタンパク質などです。^{[16] [18]これらの化合物の中には、酸性化や抗酸化などの他の褐変防止効果を持つものもあります。ヒノキチオールは}食品包装のコーティング材に使用されます。

• 天然物質−タマネギ、パイナップル、レモン、白ワインなどのさまざまな天然物とその抽出物は、いくつかの製品の褐変を抑制または遅らせることが知られています。^[16]タマネギとその抽出物は、PPO活性を阻害することで強力な抗褐変特性を示します。パイナップルジュースは、リンゴとバナナの褐変防止効果があることが示されています。レモンジュースは、ペストリー製品をより明るく見せるために生地を作るために使用されます。この効果は、レモンジュースに含まれるクエン酸とアスコルビン酸の抗褐変特性によって説明できる可能性があります。

• 遺伝子組み換え−北極圏産リンゴはPPOの発現を抑制するように遺伝子組み換えされており、それによって褐色化効果が遅れ、リンゴの食味が向上しています。^{[21] [22]}

2 つ目のタイプの褐変である非酵素褐変は、食品に褐色の色素を生成するプロセスですが、酵素の働きはありません。非酵素褐変の 2 つの主な形態は、カラメル化とメイラード反応です。どちらも、水分活性の関数として反応速度が異なります(食品化学では、水分活性の標準状態は、通常、同じ温度での純水の部分蒸気圧として定義されます)。

カラメル化は砂糖の熱分解を伴うプロセスです。ナッツのような風味と茶色を出すために、料理に広く使用されています。このプロセスが進行すると、揮発性化学物質が放出され、特徴的なキャラメル風味が生まれます。

もう一つの非酵素反応はメイラード反応です。この反応は、食品を調理したときに風味を生み出す原因です。メイラード反応を起こす食品の例としては、パン、ステーキ、ジャガイモなどがあります。これは、遊離アミノ酸のアミン基と還元糖のカルボニル基の間で起こる化学反応で、^[1]通常は熱を加えると起こります。糖がアミノ酸と相互作用して、さまざまな匂いや風味を生み出します。メイラード反応は、関与するアミノ酸の種類によって結果として生じる風味が決まることから、 香料業界では加工食品用の人工香料を製造する基礎となっています^[23]。

メラノイジンは、糖とアミノ酸が高温、低水分活性下でメイラード反応により結合して形成される、褐色の高分子量の不均質ポリマーです。メラノイジンは、大麦麦芽（ウィーン、ミュンヘン）、パンの皮、ベーカリー製品、コーヒーなど、何らかの非酵素的褐変を経た食品によく含まれています。また、砂糖精製工場の廃水にも含まれているため、これらの精製工場の排水口周辺の汚染を防ぐために処理が必要です。

ほとんどの果物と同様に、ブドウに含まれるフェノール化合物の数はさまざまです。この特性は、ワインの品質を判断するためのパラメータとして使用されます。^[4]ワイン製造の一般的なプロセスは、ポリフェノール酸化酵素によるフェノール化合物の酵素酸化によって開始されます。^[4]ブドウ細胞の液胞内のフェノール化合物とポリフェノール酸化 酵素（細胞質内にあります）との接触により、ブドウの酸化が引き起こされます。したがって、ブドウの最初の褐変は、ブドウの細胞内の「区画化の変更」の結果として発生します。^[4]

酵素による褐変は、食品の色、風味、栄養価に影響を与え、消費者に時間通りに販売されない場合は莫大な経済的損失をもたらします。^[1]酵素による褐変の結果、農産物の50％以上が失われていると推定されています。^[2]人口の増加とそれに伴う天然資源の枯渇により、多くの生化学者や食品技術者が、褐変反応を抑制する方法を使用して食品をより長く保存するための新しい技術や改良された技術の発見を促しました。これにより、食品の保存期間が効果的に延長され、廃棄物問題のこの部分が解決されます。酵素による褐変のメカニズム、特に反応に関与する酵素と基質の特性をより深く理解することで、食品技術者はメカニズムの特定の段階を制御し、最終的にその知識を褐変の抑制に応用できるようになります。

リンゴは、フェノール含有量が高く、酵素による褐変を起こしやすいことから、研究者がよく研究する果物です。^[3]リンゴと褐変活性に関する他の研究結果と一致して、リンゴではフェノール量の増加と酵素活性の増加の間に相関関係があることがわかりました。^[3]これは、食品を遺伝子組み換えしてポリフェノール酸化酵素の活性を低下させ、褐変を減らすことを望んでいる食品業界に潜在的なターゲットと希望を提供します。食品工学におけるそのような成果の一例は、北極リンゴの生産です。オカナガン・スペシャルティ・フルーツ社によって設計されたこれらのリンゴは、ポリフェノール酸化酵素の減少を可能にした実験室技術である 遺伝子組み換えを適用した結果です。

綿密に研究されている別の種類の問題は、魚介類の褐変である。^[7] 魚介類、特にエビは、世界中の人々が主食としている。エビの褐変は、実際にはメラノーシスと呼ばれ、食品取扱者と消費者に大きな懸念を引き起こしている。メラノーシスは、主に死後の取り扱いと冷蔵保存中に発生する。^[7]最近の研究では、抗メラトニンポリフェノールオキシダーゼ阻害剤として作用する植物抽出物が、亜硫酸塩と同じ機能を果たすが、健康リスクがないことがわかった。^[7]

• 焦げ目をつける（部分的に焼く）
• 分解
• グレービー
• 水分活性