食品化学

食品化学は、食品のあらゆる生物学的および非生物学的成分の化学プロセスと相互作用を研究する学問です。 ^{[1] [2]}生物学的物質には、肉、鶏肉、レタス、ビール、牛乳などが例として挙げられます。炭水化物、脂質、タンパク質などの主要成分は生化学に似ていますが、水、ビタミン、ミネラル、酵素、食品添加物、香料、色素などの領域も含まれます。この分野には、特定の食品加工技術下で製品がどのように変化するか、およびそれを強化または防止する方法も含まれます。プロセスを強化する例としては、乳糖を乳酸に変換する微生物を使用して乳製品の発酵を促進することが挙げられます。プロセスを防ぐ例としては、レモン汁などの酸性水を使用して、切りたてのリンゴの表面の褐色化を防ぐことが挙げられます。

食品と栄養に対する科学的アプローチは、JG ワレリウス、ハンフリー・デービーなどの著作における農業化学への注目とともに生まれました。たとえば、デービーはイギリスで『農業化学要綱』 (1813 年) を出版しました。これは、世界中の農業化学者の基礎となり、第 5 版まで発行されました。それ以前の著作には、1785 年にリンゴから リンゴ酸を単離したカール・ヴィルヘルム・シェーレによるものがありました。

リービッヒの食品化学に関する発見の一部は、 1848年にマサチューセッツ州ローウェルのエベン・ホースフォードによって翻訳され出版されました。^[3]

1874年に分析手法を一般大衆の利益のために応用することを目的として、公衆分析家協会が設立されました。^[4]初期の実験はパン、牛乳、ワインを基に行われました。

これはまた、食品供給の品質、主に食品の偽和や汚染の問題に対する懸念からでもあり、これらの問題は最初は意図的な汚染から始まり、 1950 年代までには化学食品添加物によっても引き起こされました。世界各地、特に米国における大学の発展により、食品化学と食物成分の研究が拡大し、最も顕著なのは1907 年から 1911 年にかけての単一穀物実験です。19世紀後半の米国農務省のハーヴェイ W. ワイリーによる追加研究は、1906 年の米国食品医薬品局設立の重要な要因となりました。米国化学会は1908 年に農業および食品化学部門を設立し、食品技術者協会は1995 年に食品化学部門を設立しました。

食品化学の概念は、レオロジー、輸送現象の理論、物理的および化学的熱力学、化学結合、相互作用力、量子力学および反応速度論、 生体高分子科学、コロイド相互作用、核形成、ガラス転移、凍結/無秩序または非結晶性固体などから引き出されることが多く、食品物理化学が基礎分野となっています。^{[5] [6]}

食品の主成分は水で、肉製品では 50%、レタス、キャベツ、トマト製品では 95% を占めます。また、適切に加工しないと、細菌が繁殖し、食品が腐敗する絶好の場所となります。食品中の水分活性を測定する方法の 1 つは、加工中の多くの食品の保存期間に非常に重要な水分活性です。ほとんどの場合、食品保存の鍵の 1 つは、水の量を減らすか、水の特性を変えて保存期間を延ばすことです。そのような方法には、脱水、冷凍、冷蔵などがあります^{[7] [8] [9] [10]}この分野には、「食品の製造、取り扱い、保管中に発生する反応と変換の物理化学的原理」が含まれます^[11]。

生物界の 75%、人間の食物摂取量の 80% を占める、最も一般的な人間の炭水化物はスクロースです^[要出典]。炭水化物の最も単純な形は単糖類で、炭素、水素、酸素が 1:2:1 の比率で含まれ、一般式は C _n H _2n O _nで、n は最低 3 です。単糖類の例には、グルコースとフルクトースがあります。右の図に示すように結合すると、植物に含まれる最も一般的な糖製品の 1 つであるスクロースが形成されます。

単糖類の鎖がつながって多糖類が作られます。このような多糖類には、ペクチン、デキストラン、寒天、キサンタンなどがあります。^[12]これらの炭水化物多糖類の一部は人間の酵素によって消化され、主に小腸で吸収されますが、食物繊維は大腸に送られ、そこでこれらの多糖類の一部は胃腸内細菌叢によって発酵されます。^[13]

糖度は一般的にブリックス度で測定されます。

脂質という用語は、多様な分子から構成されており、ある程度、ワックス、脂肪酸（必須脂肪酸を含む）、脂肪酸由来のリン脂質、スフィンゴ脂質、糖脂質、およびレチノイドやステロイドなどのテルペノイドを含む、生物由来の比較的水に溶けにくいまたは非極性の化合物を包括する用語です。脂質には直鎖脂肪族分子もあれば、環状構造を持つものもあります。芳香族のものもあれば、そうでないものもあります。柔軟なものもあれば、硬いものもあります。

ほとんどの脂質は、大部分が非極性であることに加えて、ある程度の極性を持っています。通常、脂質の構造の大部分は非極性または疎水性（「水を嫌う」）であり、水などの極性溶媒とうまく相互作用しません。脂質の構造の別の部分は極性または親水性（「水を好む」）であり、水などの極性溶媒と結合する傾向があります。これにより、脂質は両親媒性分子（疎水性部分と親水性部分の両方を持つ）になります。コレステロールの場合、極性基は単なる -OH 基（ヒドロキシルまたはアルコール）です。

食品中の脂質には、トウモロコシや大豆などの穀物の油、動物性脂肪が含まれ、牛乳、チーズ、肉 など多くの食品に含まれています。脂質はビタミンの運搬体としても機能します。

タンパク質は平均的な生体細胞の乾燥重量の50％以上を占め^{[要出典] [要説明]}、非常に複雑な高分子です。また、細胞の構造と機能において基本的な役割を果たしています。^[14]主に炭素、窒素、水素、酸素、および少量の硫黄で構成されており、鉄、銅、リン、または亜鉛を含むこともあります。

食物中のタンパク質は成長と生存に不可欠であり、その必要量は年齢や生理機能（妊娠など）によって異なります。タンパク質は一般的に、卵、牛乳、肉などの動物性食品から摂取します。ナッツ、穀物、豆類は植物性タンパク質源であり、植物性食品のタンパク質の組み合わせは、野菜から完全なタンパク質栄養割当量を達成するために使用されます。

食物アレルギーとしてのタンパク質感受性はELISA検査で検出されます。

酵素は、ある物質から別の物質への変換プロセスに使用される生化学触媒です。また、化学プロセスを完了するために必要な時間とエネルギーの量を削減することにも関与しています。食品産業の多くの分野で触媒が使用されており、パン焼き、醸造、乳製品、フルーツジュース、チーズ、ビール、パンの製造に使用されています。

ビタミンは、体内の必須代謝反応に少量必要とされる栄養素です。これらは、水溶性（ビタミン C）または脂溶性（ビタミン E ）として栄養的に分解されます。ビタミンを十分に摂取すると、脚気、貧血、壊血病などの病気を予防できますが、ビタミンを過剰に摂取すると、吐き気や嘔吐、さらには死に至ることもあります。

食品に含まれる食事性ミネラルは量が多く多様で、その多くは機能するために必要ですが、他の微量元素は過剰に摂取すると危険です。1日の基準摂取量(RDI、以前は 1 日の推奨摂取量 (RDA)) が 200 mg/日を超えるバルクミネラルはカルシウム、マグネシウム、カリウムで、重要な微量ミネラル (RDI が 200 mg/日未満) は銅、鉄、亜鉛です。これらは多くの食品に含まれていますが、栄養補助食品として摂取することもできます。

食品着色料は、食品の色を変えるために添加されます。主に官能分析の目的で使用されます。赤色染料（FD&C 赤色 40 号 アルーラ レッド AC など）をケチャップに加えるなど、顧客が感じる製品の自然な色をシミュレートしたり、ケロッグの フルーツループなどの製品に不自然な色を加えたりするために使用できます。キャラメルは天然の食品着色料です。工業用のカラメル色素は最も広く使用されている食品着色料で、ソフトドリンクから醤油、パン、漬物までさまざまな食品に使用されています。

食品の風味は、特に官能分析において、消費者にとって食品の香りや味に大きく影響します。これらの製品には、塩や砂糖のように自然に発生するものもありますが、食品用の風味の多くは、風味化学者 (「フレーバリスト」と呼ばれる) によって開発されています。このような人工風味には、ウィンターグリーンの香りを生み出すサリチル酸メチルや、牛乳に酸味を与える乳酸などがあります。

食品添加物は、風味を保持したり、味、外観、香り、鮮度を向上させるために食品に添加される物質です。このプロセスは、酢を漬け物に加えたり、マヨネーズなどの乳化混合物に乳化剤として加えたりするのと同じくらい古くから行われています。これらは通常、欧州連合では「 E番号」で、米国食品医薬品局ではGRAS（「一般的に安全と認められる」）でリストされています。

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• Fennema, OR, Ed. (1985).食品化学 - 第 2 版、改訂および拡張。ニューヨーク: Marcel Dekker, Inc.
• フランシス、FJ (2000)。「ハーヴェイ・W・ワイリー: 食品科学と品質のパイオニア」『食品科学の世紀』シカゴ: 食品技術者協会、pp. 13-14。
• Potter, NN および JH Hotchkiss. (1995).食品科学、第 5 版。ニューヨーク: Champman & Hall。pp. 24–68。
• 米国食品医薬品局 (1993)。『米国の食品に添加されるあらゆるもの』フロリダ州ボカラトン：CK Smoley (c/o CRC press, Inc.)。

• アメリカ化学会 – 農業・食品化学部門
• 食品技術者協会食品化学部門
• ペンシルベニア州立大学、食品化学、米国
• ワーゲニンゲン大学、食品化学研究所、オランダ