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脂肪の水素添加とは、不飽和脂肪を水素と結合させて、部分的にまたは完全に飽和脂肪に変換するプロセスです。通常、この水素添加は液体植物油で行われ、固体または半固体の脂肪が生成されます。[ 1 ]
脂肪の飽和度が変化すると、融点範囲などの重要な物理的性質が変化するため、液体油は半固体になります。ビスケットやパイ生地などの焼き菓子では、固体または半固体の脂肪が好まれます。これは、脂肪と小麦粉の混ざり具合によって、焼き菓子に好ましい、もろい食感が生まれるためです。部分水素添加植物油は動物性脂肪よりも安価で、幅広い粘度のものが入手可能であり、酸化安定性の向上や保存期間の延長など、その他の望ましい特性も備えているため、市販の焼き菓子のほとんどでショートニングとして使用される主要な脂肪となっています。
このプロセスは通常、非常に高い圧力下で行われ、最終生成物から除去されるニッケル触媒の助けを借りて実施される。
植物油の水素化は、植物油と金属触媒（通常はニッケル）の混合物をほぼ真空状態で非常に高温に加熱し、水素を導入することによって行われます。これにより、油中の炭素原子間の二重結合が切断されます。各炭素原子は個々の水素原子と単結合し、炭素間の二重結合はもはや存在できなくなります。
完全水素化では、脂肪中のすべての二重結合を単結合に変換することにより、すべての不飽和脂肪が飽和脂肪に変換されます。部分水素化では、すべての二重結合ではなく、一部の二重結合が単結合に部分的に置換されます。水素化の程度は、水素の量、反応温度と時間、および触媒を制限することによって制御されます。[ 2 ]
ノーベル賞受賞者のポール・サバティエは、 1890年代後半に水素化の化学の開発に取り組んだ。[ 3 ]サバティエは蒸気のみの水素化を考えていたが、ドイツの化学者ヴィルヘルム・ノルマンは1901年に液体油も水素化できることを示し、1902年にそのプロセスを特許化した。[ 4 ] [ 5 ]ノルマンの水素化プロセスにより、安価な鯨油や魚油を食用に安定させることが可能になったが、消費者の嫌悪感を避けるためにこの方法は秘密にされていた。 [ 6 ] 1905年から1910年にかけて、ノルマンはヘルフォード社に脂肪硬化施設を建設した。同時に、この発明はイギリスのウォリントンにあるジョセフ・クロスフィールド＆サンズ社の大規模工場にも拡大された。硬化油がウォリントンの工場で正常に生産されるまでわずか2年しかかからず、1909年後半に生産が開始された。初年度の生産量は約3,000トンに達した。[ 6 ] 1909年、プロクター・アンド・ギャンブルはノーマン特許の米国における権利を取得し、[ 7 ] 1911年には最初の水素添加ショートニングであるクリスコ（主に部分水素添加綿実油で構成されている）の販売を開始した。さらに、クリスコを使用するレシピがすべて含まれた無料の料理本を配布するというマーケティング手法も成功を収めた。
1910年以前、工業化された国々における食用油脂は、主にバター脂肪、牛脂、豚脂で構成されていました。19世紀初頭、ナポレオンがフランスを統治していた時代には、牛脂とバターミルクを用いて兵士に給食として提供されるマーガリンが開発されました。20世紀初頭、タンパク源として大豆が米国に輸入されるようになり、副産物として大量の大豆油が生産されるようになりました。この大豆油を固形油脂に加工することで、バター脂肪の不足を解消することができました。冷蔵庫の普及に伴い、水素添加油脂を原料とするマーガリンは、バターとは異なり、冷蔵庫から取り出してすぐにパンに塗ることができるという利点がありました。水素添加油脂の化学組成にわずかな変更を加えることで、豚脂よりも優れた焼き上がり特性が得られました。これらの要因から、部分水素添加大豆油を原料とするマーガリンがバター脂肪に取って代わるようになりました。イギリスで販売されているクリスコやスプライなどの部分水素添加油脂は、1920年にパン、パイ、クッキー、ケーキを焼く際にバターやラードに取って代わり始めた。[ 8 ]
20世紀には、米国やその他の西側諸国で加工植物性脂肪が動物性脂肪に取って代わるにつれて、部分水素添加脂肪の生産が着実に増加した。当初は、特にレストランや製造業者にとって、マーガリンやショートニングはラードやバターに比べてコストが低いため、経済的な理由が議論の的となった。しかし、1980年代には、規制当局、医師、栄養士、一般向けの健康メディア、教育カリキュラム、料理本などが、健康上の理由から飽和脂肪の少ない食事を推奨し始めた。米国の擁護団体は、飽和動物性脂肪や熱帯性脂肪を植物性脂肪に置き換えるよう要求することでこれに応えた。公益科学センター（CSPI）は、ファストフード店を含む企業による飽和脂肪の使用に強く反対し、トランス脂肪をより健康的な代替品として支持するキャンペーンを展開した。全米心臓保護協会は、マクドナルドのフライドポテトに牛脂が使われていることを非難する全面広告を主要新聞に掲載した。彼らは多国籍のファストフードレストランや食品メーカーに植物油への切り替えを促し、対象となった企業のほぼすべてが飽和脂肪をトランス脂肪に置き換えることで対応した。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
それ以来、食品業界は、トランス脂肪酸に関する健康上の懸念、表示義務、および許可された食品添加物からのトランス脂肪酸の除去に対応して、部分水素添加脂肪から離れてきました。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]それらは、完全水素添加脂肪、パーム油やココナッツオイルなど、飽和脂肪酸が自然に多く、そのため室温でより固体である植物油、およびトランス脂肪酸の形成につながらないエステル交換脂肪に置き換えられました。
部分水素化プロセス中に、残りの不飽和炭素結合の一部がトランス異性体へシス-トランス異性化することでトランス脂肪が生成され、心血管疾患のリスクが増加する可能性がある。 [ 15 ] [ 16 ]シス結合からトランス結合への変換は、トランス配置が天然のシス配置よりもエネルギーが低いため優先される。平衡状態では、トランス/シス異性体の比率は約2:1である。