ゼラチン

ゼラチンは、家畜の牛、鶏、豚、魚などの動物の皮膚、骨、結合組織から抽出したコラーゲンを部分的に加水分解して生成されるペプチドとタンパク質の集合体です。加水分解の過程で、構成タンパク質間およびタンパク質内の結合の一部が切断されます。その化学組成は、多くの点で、元のコラーゲンの化学組成と非常によく似ています。^{[ 4 ]}写真用および医薬品グレードのゼラチンは、一般的に牛の骨と豚の皮から得られます。ゼラチンはハイドロゲルに分類されます。

ゼラチンは無味無臭で、無色またはわずかに黄色を呈します。^{[ 5 ] [ 6 ]}透明で脆く、シート状、フレーク状、または粉末状で入手できます。^{[ 5 ]} 熱湯、グリセロール、酢酸などの極性溶媒はゼラチンを溶解できますが、アルコールなどの有機溶媒には溶けません。 ^{[ 5 ]}ゼラチンは、自重の 5～10 倍の水を吸収してゲルを形成します。^{[ 5 ]}ゼラチンで形成されたゲルは再加熱によって溶け、応力下で粘度が増加します (チキソトロピー性)。^{[ 5 ]}ゼラチンの融点上限は人間の体温より低く、これはゼラチンを使用して製造された食品の食感にとって重要な要素です。^{[ 7 ]}ゼラチン濃度が高く、混合物を約4 °C (39 °F)に冷やしておくと、ゼラチンと水の混合物の粘度が最大になります。市販のゼラチンは、ゲル強度のブルーム試験で約90～300グラムブルームのゲル強度を示します。^{[ 8 ]}ゼラチンの強度（粘度は除く）は、100 ℃（212 °F）を超える温度にさらされた場合、または100 ℃付近の温度で長時間保持された場合に低下します。^{[ 9 ] [ 10 ]}     

ゼラチンは、原料によって融点やゲル化温度が異なります。例えば、魚由来のゼラチンは、牛肉や豚肉由来のゼラチンよりも融点やゲル化温度が低くなります。^{[ 11 ]}

乾燥状態のゼラチンは98～99％がタンパク質ですが、トリプトファンが欠落しており、イソロイシン、トレオニン、メチオニンが不足しているため、栄養的に完全なタンパク質ではありません。^{[ 12 ]}加水分解コラーゲンのアミノ酸含有量はコラーゲンと同じです。加水分解コラーゲンには19種類のアミノ酸が含まれており、主にグリシン（Gly）26～34％、プロリン（Pro）10～18％、ヒドロキシプロリン（Hyp）7～15％で、これらを合わせると全アミノ酸含有量の約50％になります。^{[ 13 ]}グリシンは鎖の密なパッキングに関与しています。プロリンの存在は立体構造を制限します。これはゼラチンのゲル化特性にとって重要です。^{[ 14 ]}大きく寄与する他のアミノ酸には、アラニン（Ala）8～11％、アルギニン（Arg）8～9％などがあります。アスパラギン酸（Asp）6～7％、グルタミン酸（Glu）10～12％。^{[ 13 ]}

加水分解コラーゲンは、ゼラチンと同様に、食肉産業から出る動物副産物、あるいは場合によっては屠殺業者によって取り除かれ処理された動物の死骸（皮、骨、結合組織など）から作られる。

1997年、米国食品医薬品局（FDA）は、TSE（伝達性海綿状脳症）諮問委員会の支援を受けて、動物疾病、特に狂牛病として知られる牛海綿状脳症（BSE）の伝染リスクの監視を開始しました。^{[ 18 ]}同年のFDAの調査では、「加熱、アルカリ処理、ろ過などの手順は、汚染TSE病原体のレベルを下げるのに効果的である可能性がありますが、これらの処理が、原料中にBSE感染性病原体が存在する場合に効果的に除去できることを示す科学的証拠は現時点では不十分です」と述べています。^{[ 19 ]} 2016年3月18日、FDAは、ヒトの食品におけるBSEの潜在的なリスクをさらに低減するために設計された、以前に発行された3つの暫定最終規則を最終決定しました。^{[ 20 ]}最終規則では、「ゼラチンは、規定された慣習的な業界プロセスを使用して製造されている場合、禁止されている牛由来物質とはみなされない」ことが明確にされました。^{[ 21 ]}

2003年に欧州連合の科学運営委員会（SSC）は、牛骨ゼラチンに関連するリスクは非常に低いかゼロであると述べた。^{[ 22 ] [ 23 ]}

2006年、欧州食品安全機関は、SSCの意見が確認され、骨由来ゼラチンのBSEリスクは小さいと述べ、ゼラチン製造に使用される材料から12か月以上経過した牛由来の頭蓋骨、脳、および椎骨を除外するという2003年の要請を削除することを推奨した。^{[ 24 ]}

ゼラチンの製造に使用される原料が骨由来の場合、カルシウムやその他の塩類を除去するために希酸溶液が使用されます。脂肪分を減らすために温水または複数の溶剤が使用される場合があり、主要な抽出工程の前に脂肪分は1%を超えてはなりません。原料が皮革である場合は、加水分解工程に備えて、サイズ縮小、洗浄、除毛、脱脂が必要です。

原料の準備、すなわち脂肪や塩などの不純物の一部を除去した後、部分的に精製されたコラーゲンは加水分解によってゼラチンに変換されます。コラーゲンの加水分解は、酸加水分解、アルカリ加水分解、酵素加水分解の3つの異なる方法のいずれかで行われます。酸処理は、豚皮コラーゲンなどの架橋が十分に行われていない材料に特に適しており、通常10〜48時間かかります。アルカリ処理は、牛皮に含まれるようなより複雑なコラーゲンに適しており、通常数週間というより多くの時間が必要です。アルカリ処理の目的は、コラーゲンに残っている特定の化学架橋を破壊することです。ゼラチン業界では、酸処理された原料から得られたゼラチンはタイプAゼラチンと呼ばれ、アルカリ処理された原料から得られたゼラチンはタイプBゼラチンと呼ばれています。^{[ 28 ]}

コラーゲンの酵素加水分解を利用してゼラチンの収率を最適化する技術が進歩している。処理時間はアルカリ処理に必要な時間よりも短く、ほぼ完全に純粋な製品に変換される。最終的なゼラチン製品の物理的特性はより優れていると考えられている。^{[ 29 ]}

抽出は、適切な温度で水または酸溶液を用いて行われます。アルカリ処理は変換速度を速める一方で分解プロセスも促進するため、すべての工業プロセスは中性または酸性のpH値に基づいています。酸性抽出条件は業界で広く使用されていますが、酸性度はプロセスによって異なります。この抽出工程は多段階プロセスであり、抽出温度は通常、後の抽出工程で上昇させ、抽出されたゼラチンの熱分解を最小限に抑えます。

このプロセスには、濾過、蒸発、乾燥、粉砕、ふるい分けなどの複数のステップが含まれます。これらの操作は濃度に依存するだけでなく、使用するゼラチンの種類にも依存します。ゼラチンの分解は避け、最小限に抑える必要があるため、回収プロセスには可能な限り低い温度が使用されます。ほとんどの回収は迅速に行われ、ペプチド構造の大幅な劣化を避けるために、すべてのプロセスは複数の段階に分けて実行されます。ペプチド構造が劣化するとゲル強度が低下し、これは一般的に望ましくありません。

10世紀の『キタブ・アル＝タビフ』には、魚の頭を茹でて作る魚のゼリー寄せのレシピが載っている。^{[ 30 ]}

ゼリー状の肉スープのレシピは、1375年頃に書かれた『ル・ヴィアンディエ』に見られる。 ^{[ 31 ]}

15世紀のイギリスでは、牛の蹄を煮てゲルを作っていた。^{[ 32 ]} 17世紀後半には、フランスの発明家ドニ・パパンが骨を煮てゼラチンを抽出する別の方法を発見した。^{[ 33 ]} 1754年にイギリスでゼラチン製造の特許が取得された。 ^{[ 32 ]} 1812年、化学者のジャン＝ピエール＝ジョゼフ・ダルセは塩酸を使って骨からゼラチンを抽出する実験をさらに進め、その後、はるかに効率的な蒸気抽出法を試みた。フランス政府は、ゼラチンを特にパリの貧困層にとって安価で入手しやすいタンパク質の潜在的な供給源と見なした。^{[ 34 ]}

19世紀のフランスとアメリカにおける食品用途は、ゼラチンの汎用性を確立したようで、アメリカでゼリーとして人気を博したのもその起源である。^{[ 35 ]} 19世紀半ば、アメリカの実業家で発明家のピーター・クーパーは、「ポータブルゼラチン」と呼ばれるゼラチンデザートパウダーの特許を登録した。これは水を加えるだけでよかった。19世紀後半、チャールズとローズ・ノックスはニューヨークにチャールズ・B・ノックス・ゼラチン社を設立し、ゼラチンの使用を促進し普及させた。^{[ 36 ]}

料理でよく使われるゲル化剤であるゼラチンは、さまざまな種類とグレードがあり、食品や非食品製品に幅広く使用されています。ゼラチンを含む食品の一般的な例としては、ゼリー、トライフル、アスピック、マシュマロ、キャンディコーン、ピープス、グミベア、フルーツスナック、ジェリーベイビーなどの菓子類があります。^{[ 37 ]}ゼラチンは、ヨーグルト、クリームチーズ、マーガリンなどの食品で安定剤、増粘剤、またはテクスチャライザーとして使用されることがあります。また、脂肪を減らした食品で脂肪の食感を再現し、ボリュームを出すためにも使用されます。さらに、上海風スープ餃子、小籠包、揚げ蒸し餃子の一種である生煎饅頭など、いくつかの種類の中国風スープ餃子の製造にも使用されています。どちらの具材も、豚ひき肉とゼラチンキューブを混ぜ合わせて作られており、調理過程でゼラチンが溶けて、独特のゼラチン特有の粘り気のある、とろりとした中身になる。

ゼラチンは、リンゴジュースなどのジュースや酢の清澄化に使用されます。^{[ 38 ]}

魚の浮き袋から得られる魚膠は、ワインやビールの清澄剤として使用されます。 ^{[ 39 ]}鹿の角から作られる鹿角ゼリー（そのため「鹿角」という名前が付けられました）の他に、魚膠はゼラチンの最も古い供給源の1つでした。

ゼラチンは、他の物質の担体または分離剤として使用されます。β-カロテンを水溶性にするため、清涼飲料水の着色剤として使用でき、黄色に着色します。

業務用および舞台照明機器の中には、光線の色を変えるためにカラーフィルターを使用するものがあります。歴史的には、これらはゼラチンで作られていたため、 「カラーフィルター」という名称が付けられました。

ゼラチンは、ほぼすべての写真フィルムや印画紙において、ハロゲン化銀結晶を乳剤中に保持するために使用されます。多大な努力にもかかわらず、ゼラチンと同等の安定性と低コストを兼ね備えた適切な代替品は未だ見つかっていません。

ゼラチンはマッチの頭^{[ 40 ]}やサンドペーパー^{[ 41 ]}の結合剤として使用されている。

料理における清澄化や精製、そして医療における薬剤の安定化といった用途も、ゼラチンを乳化剤や結合剤として利用する例である。

ゼラチンは1337年に初めて紙の表面サイズ剤として使用され、19世紀半ばまでヨーロッパのすべての紙の主要なサイズ剤として使われ続けました。^{[ 42 ]}現代では、主に水彩紙に、時折光沢のある印刷用紙、美術用紙、トランプなどに使用されています。クレープ紙のしわを維持する役割も果たします。

ゼラチンは組織工学用途のハイドロゲルの合成にも使用されます。そのコラーゲン様構造により、3D細胞培養における有用な細胞外マトリックスとなります。^{[ 49 ]}

ゼラチンは免疫測定法における飽和剤として、またコーティング剤としても使用される。^{[ 50 ]}

ゼラチン分解アッセイは、細胞全体の浸潤挙動を分析する代わりに、細胞内レベルでの浸潤を可視化および定量化することを可能にし、癌細胞に突出する構造であり、細胞付着および細胞外マトリックス（ECM）のリモデリングにおいて重要な役割を果たすインバドポディアおよびポドソームと呼ばれる細胞突起の研究に用いられる。^{[ 51 ]}

• 動物性接着剤の中には、例えば皮糊のように、未精製のゼラチンであるものもある。
• 弾道ゼラチンは、銃器から発射された弾丸の性能を試験および測定するために使用されます。