マイクロX線CTによる，油調済みパン粉の微細構造観察 An Observation of Micro-structure of Deep Fried Bread Crumbs by X-ray …

2020/11/19

Volume6 No.2
SPring-8 Section B: Industrial Application Report

マイクロX線CTによる，油調済みパン粉の微細構造観察
An Observation of Micro-structure of Deep Fried Bread Crumbs by X-ray CT
DOI︓10.18957/rr.6.2.310
2015B1780 / BL46XU
⼩⾕ 久a, 合⾕ 祥⼀b, 平松 修⼀c, ⼭野 善正cHisashi Kotania, Shoichi Gohtanib, Shuichi Hiramatsuc, Yoshimasa Yamanoca(株)サヌキフーズ, b⾹川⼤学, c(⼀社)おいしさの科学研究所
a Sanuki Foods Co., Ltd., b Kagawa University, c Institute of OISHISA ScienceAbstract
パン粉の油切れは、添加する材料によって性質が異なることが経験的に分かっているが、具体的にどういう現象が起きているのかは解明できていない。表⾯の微細構造によって親⽔性、疎⽔性の性質が現れているのではないかと考え、BL46XUのX線CTを⽤い、製造⽅法及び組成の異なるパン粉の微細構造観察を試みた。特に、微細表⾯構造における、油調済みパン粉と油の界⾯の観察と、パン粉内部の油の分布状況を観察した。
その結果、測定前に予想された、各種油調済みパン粉の微細表⾯構造と油浸漬部との境界⾯に空気の層の存在は確認できなかった。また、どのパン粉も内部に、油に浸漬されていない空孔を有していた。定性的ではあるが、油に満たされていない空孔は、油調済み焙焼パン粉及び油調済み電極パン粉より、電極式で作成した油調済み裸⻨ 50% 含有パン粉の⽅が多かった。マイクロX線CTから構築した3D画像から、裸⻨50%含有パン粉の油に満たされていない空孔は、ダブル・リ・エントラント構造ではないかと推測した。
Keywords︓ 焙焼パン粉、電極パン粉、裸⻨パン粉、⾛査電⼦顕微鏡、マイクロX線CT、 微細表⾯観察、界⾯と内部観察、多孔質のスポンジ構
造、微細凹凸表⾯、ダブル・リ・エントラント構造、濡れのピン⽌め効果

背景と研究⽬的︓
裸⻨は、⾷後⾎糖値の上昇抑制、⼼疾患リスクの低減、コレステロール低下など様々な機能性を有するβ-グルカンを含有する[1]。当初、上記の機能性を有するフライ⾷品の製造を念頭に、⼩⻨粉に裸⻨を添加したパン粉を製造し、これを⽤いてフライ⾷品を製造したところ、「油切れ」が良いように思われた。油切れを客観的に確認するため、油調済み(油で揚げること)パン粉の油を遠⼼分離機などにより分離し、パン粉に対する残存した油の割合、即ち吸油率を調べたところ、裸⻨を 50% 含有するパン粉は、通常のパン粉と⽐較して有意に吸油率が低下した (20–30%)。
この様な場合、従来は単に親⽔性の多糖類を添加したために、パン粉内の親⽔性の増⼤やそれによるパン粉中の⽔分含量の増⼤などにより吸油性が低下すると考えられてきた。しかし、裸⻨ 50% 含有パン粉中の⽔分含量と吸油率の関係を調べたが、有意な相関性は⾒られなかった。さらに、それぞれのパン粉の⽔分含量を測定し、吸油率との関係を調べたところ、有意な相関性はほとんど無いと考えられた。
そこでこれまでの考え⽅に疑問を持ち、東⽇本で主に使われる焙焼パン粉、⻄⽇本で主に使われる電極パン粉及び電極式で作成した裸⻨ 50% 含有パン粉について⾛査電⼦顕微鏡 (SEM)で観察した。その結果、Fig. 1に⽰した様に、裸⻨を含有しない通常の焙焼及び電極パン粉では表⾯構造が⽐較的滑らかであったのに対し、裸⻨50%含有パン粉では、ハスの葉やバラの花びら[2]の表⾯構造に似た微細凹凸構造が観察された。この様な表⾯構造の違いが、吸油性に影響を与えているのではと推測した。
裸⻨ 50% 含有パン粉の微細な凹凸表⾯構造により、油調済みパン粉と油の界⾯に空気の層が存在し、このため油調後の油切れが良くなり、吸油率の差となって表れているのではないかと推測された。しかし、⾛査電⼦顕微鏡(SEM)で油調済みパン粉と油の界⾯状態や、パン粉内部の油の分布状態を観察することは、液体としての油の存在により、容易ではない。そこで、SPring-8のマイクロX線CTを使⽤し、1 μm レベルで微細構造を観察し、パン粉の微細表⾯構造と油との界⾯に空気の層が存在するカシー状態[3]か空気の層が存在しないウエンゼル状態[4]かを調べることを試みた。

焙焼 パン粉Fig. 1

電極 パン粉裸⻨ 50%含有パン粉

各種パン粉のSEM画像 (500倍)

実験⽅法︓
BL46XUにて、試料をX線測定⽤ガラスキャピラリーに投⼊し、キャピラリー内で特に固定せず、試料の⼊ったガラスキャピラリーを回転試料台にセットした。測定条件として、X線エネルギーは 12.39 keV、カメラ⻑は 10 mm、視野サイズは 1.4 mm × 0.9 mm、検出器は浜松ホトニクス社製ビームモニタ3

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2020/11/19（10倍レンズ）とCCDカメラC4880-41Sを⽤いて、露光時間は 150 ms、試料⽅位⾓⾛査における検出器露光の⾓度間隔はステップ⾛査の場合は 0.4°、連続⾛査の場合は1.2°、試料回転⾓度は 180° で測定し、透過像を得た。透過像のピクセルサイズは 0.35 × 0.35 μm2 である。得られた透過像から、filtered backprojection (FBP) 法に基づく再構成ソフトを⽤いてCT再構成画像を作成し、画像のピクセル強度を画像解析ソフトImage Jにより求めた。X線線吸収係数（LAC: µ）を以下の式(1)を⽤いて求めた[5]。

ここで wj は試料を構成している元素の質量分率、τj (E)はエネルギーEのX線に対する試料を構成している各元素のX線質量吸収係数（MAC）、ρは試料の密度である。測定試料は以下のとおりである。
測定試料
・焙焼⽣パン粉試料
通常のパンのように、⼩⻨粉、⽔、イースト等の原料を混合し、これを発酵して得た⽣地をガス⽕で焼成して粉砕したパン粉。
・電極⽣パン粉試料
前述の焙焼パン粉と同様に調製した⽣地を通電し、ジュール熱効果で蒸し焼きした後、粉砕したパン粉。
・裸⻨ 50% 含有⽣パン粉試料
⼩⻨粉の⼀部を裸⻨粉に置き換えて、前述と同様に⽣地を調製し、これに通電し、ジュール熱効果で蒸し焼きした後、粉砕したパン粉。裸⻨ 50% 含有パン粉は、⼩⻨粉の 50% を裸⻨に置き換えて調製したパン粉。
・油調済パン粉試料
それぞれの⽣パン粉を、キャノーラ油(菜種油)で 175°C で2分30秒間、油調した試料を以後、油調済み
焙焼パン粉、油調済み電極パン粉及び油調済み裸⻨ 50% 含有パン粉と表⽰する。
結果および考察︓
焙焼⽣パン粉試料、電極⽣パン粉試料、裸⻨50%含有⽣パン粉試料を測定に供したが、試料がいずれも柔らかく、測定中に変形し、良好なCT画像を得ることは出来なかった。それぞれの油調済みパン粉を油調した⾷⽤油に浸漬して試料の測定も試みたが、測定中に⾷⽤油中で試料パン粉が移動し、CT画像を得ることが出来なかった。ここでは、油調済みパン粉試料について報告する。
Fig. 2に油調済み焙焼パン粉、Fig. 3に油調済み電極パン粉、Fig. 4に油調済み裸⻨50%含有パン粉のX線CT画像を⽰す。各図のAはCTの全体画像で、⽩いリングはマイクロX線CT測定時に、パン粉試料を保持した、ガラスキャピラリーと考えられる。どの試料も、多孔質のスポンジ構造であり、濃淡の明るい部分(a部分)及び濃淡の中間の空孔(b部分)と濃淡の濃い空孔（c部分）が観察された。各図のBはA中の⾚枠で⽰した部分の拡⼤画像である。

Fig. 2

油調済み焙焼パン粉マイクロX線CT画像

Fig. 3

油調済み電極パン粉マイクロX線CT画像

Fig. 4

油調済み裸⻨50%含有パン粉マイクロX線CT画像

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各図の空間及びc部分、a 及び b 部分のピクセル強度はそれぞれ 94.63 ± 2.221、146.5 ± 11.03 及び115.7 ± 6.552（全てのパン粉の平均値 ± ⺟集団の標準偏差）であった。c部分のピクセル強度は空間部分と同じであった。a部分、b部分及びc部分をそれぞれパン粉、キャノーラ油及び空気ではないかと仮定し、式（１）を⽤いてLACを求めたが、式（１）における元素の質量分率は、空気（空間及びc部分）については平成30年理科年表[6]に記載の酸素、窒素、アルゴン及び⼆酸化炭素の組成⽐から、パン粉については⽇本⾷品標準成分表2015年版[7]に記載の各アミノ酸などの組成表から、キャノーラ油については（公社）⽇本油脂検査協会のWebページ[8]に記載の各脂肪酸の組成表から算出した。各元素のMACはNISTのWebページ[9]に記載の各元素の値からX線エネルギー 12.39 keV における値を内挿して算出した。密度は空気については平成30年理科年表に記載の25℃における乾燥空気の値を、キャノーラ油及びパン粉については(株)住化分析センター愛媛ラボラトリーに依頼分析して得た値を⽤いた。式（１）により計算されたa部分（パン粉と仮定）、ｂ部分（キャノーラ油と仮定）、空間及びc部分（空気と仮定）のLACの値は、それぞれ、3.452(cm-1)、1.376(cm-1)及び 3.378×10-3 (cm-1)であった。それぞれの値と前述の各部分のピクセル強度の相関性を調べたところ、Fig. 5に⽰したように明らかな直線性を⽰し、その相関係数は 0.99996 で、危険率１％未満の⾼い有意性を⽰した。以上から、Fig. 4のCT画像におけるa部分はパン粉、b部分はキャノーラ油、c部分は空孔（空気）と判断した。従って、本実験から、多孔質の油調済みパン粉中には、油で満たされた空孔（b部分）と油で満たされなかった空孔(ｃ部分)の2種類の空孔が存在すると考えられた。また、油調済みパン粉ではa部分には吸収された油が存在する可能性を考えたが、その影響は⾒られなかった。従って、油調済みパン粉に吸収された油はパン粉本体に吸収されるのではなく、マイクロレベルで、パン粉表⾯に吸着したりその空孔内に閉じ込められた状態で存在すると考えられた。なお、実験に使⽤したガラスキャピ
ラリーは、材質などを記録していなかったため、化学組成や密度が不明であり、LACを算出しなかった。

Fig. 5

Fig. 4中の各部分（a、b及びc）のピクセル強度とそれぞれパン粉、キャノーラ油及び空気と仮定して算出したLACの関係

背景のところで述べたように、当初は、裸⻨50%含有パン粉の微細な凹凸表⾯構造により、油調済みパン粉と油の界⾯に空気の層が存在し、このため油調後の油切れが良くなり、吸油率の差となって表れているのではないかと推測していた。しかしFig. 4を詳細に観察しても、パン粉と考えられるa部分とキャノーラ油と考えられるb部分の間に空気の層は確認できなかった。⼀⽅、定性的ではあるが、空気だけの、即ち油に満たされていないと考えられる空孔は、油調済み焙焼パン粉及び油調済み電極パン粉より、油調済み裸⻨ 50% 含有パン粉の⽅が多いようであった。
パン粉の油切れに関する有意差について、パン粉表⾯の微細凹凸構造と油との界⾯に空気の層が存在することによるのではなく、パン粉内部の空孔の相対的な多さがパン粉の油切れの良さ(吸油率)に関係があると予想された。さらに、Fig. 4Bの中央に位置する空孔が油が浸漬していると考えられる部分に開⼝して油と接しているにもかかわらず油が⼊り込んでいない様に⾒える。そこでFig. 6に⽰したようにこの部分を拡⼤すると、明らかに開⼝していることが分かった。これも裸⻨ 50% 含有パン粉の油切れの良い原因と推測される。

Fig. 6

油調済み裸⻨50%含有パン粉の拡⼤マイクロX線CT画像

次に、裸⻨ 50% 含有パン粉内部の開いた空孔に油が⼊り込まないメカニズムについて考察する。パン粉は、⼀般的に、多孔質のスポンジ構造であり、内部に多数の空孔が存在する。Fig. 4の油調済み裸⻨50%含有パン粉マイクロX線CT画像の中央部分に、閉じていない空孔が観察される。
Fig. 6はその拡⼤画像であるが、Fig. 7に⽰す撥油のモデル構造としてのリ・エントラント構造[10]と酷似している。

Fig. 7

リ・エントラント構造（図左）とダブル・リ・エントラント構造（図右）[10]
著作権フリーの図を複製した

Fig. 6の油の浸漬していない空孔が存在するメカニズムは、ダブル・リ・エントラント構造[10]と濡れのピン⽌め効果[11]によるものではないかと推測している。リ・エントラント構造とは、Fig. 7左図に⽰すように、⼊⼝が⼩さく奥に侵⼊すると横⽅向に広がっている陥没した凹構造を⾔う。Fig. 7右図のダブル・リ・エントラント構造は、陥没構造の⼊⼝周辺に内⽅向に折り返し(突起物）の付いた状態を⾔う｡
また、濡れのピン⽌め効果とは、Fig. 8で⽰すように、液滴が斜⾯を移動する時に、接触⾓θと屈曲⾓αを加算した以上に、液滴の接触⾓が⼤きくならないと、先に進めない効果である。パン粉内部の開⼝部を持つ空孔に関しても、濡れのピン⽌め効果が働くことが予想される。

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Fig. 8

濡れのピン⽌め効果［11］⽶⽥出版及び著者の好意により、複製した開⼝部分の状態を確認するため、Fig. 9に⻘枠部分の内側⽅向からの3D画像を⽰した。前述のFig. 1のSEM画像Cと同様な微細な凹凸構造の存在が空孔周辺及び内部表⾯に観察できる。このような開⼝部周辺に突起物がある凹凸構造が、ダブル・リ・エントラント構造の折り返し構造と同様に作⽤し、液滴(油滴)が⽳の内部に回り込む時により⼤きな屈曲⾓となり、濡れのピン⽌め効果が強く働くのではないかと考えられる。

Fig. 9 Fig. 6の⻘枠部分の内側からの3D画像
この開⼝部の微細凹凸構造の存在の有無が、リ・エントラント構造とダブル・リ・エントラント構造の違いとなって現われ、さらに、パン粉内部の油の⼊り込まない空孔の多さとなって、油切れの良さを決定するメカニズムではないかと推測される。
以上を、まとめると、裸⻨ 50% 含有パン粉は、微細凹凸構造で表⾯を覆われた多孔質のスポンジ構造を有する。この構造が、濡れのピン⽌め効果や、空孔⼊⼝のダブル・リ・エントラント構造として機能する。これらのことにより、裸⻨ 50% 含有パン粉の空孔に油が⼊り込まず、油切れが良くなる原因ではないかと推測している。
参考⽂献︓［1］ 森本聡，⼤野⼀仁, 裸⻨のβ-グルカン，農⽔産物・加⼯⾷品中の健康機能性成分類の分析マニュアル集，四国地域イノベーション創出協議会，⾹川県⾼松市，(2010).
［2］ Lin Feng et al. Langmuir, 24, 4114-4119, (2008).
［3］ Cassie ABD, Baxter S, Trans. Faraday Soc. 40: 546–551. (1944).
［4］ Wenzel RN, Ind. Eng. Chem. 28: 988–994. (1936).
［5］ 中野司，中島善⼈，中村光⼀，池⽥進，地質学雑誌 106: 363-378.(2000).

［6］ 国⽴天⽂台編，理科年表平成30年/第91冊，丸善出版，東京都千代⽥区，(2017).
［7］ http://www.mext.go.jp/a_menu/syokuhinseibun/1365297.htm, ⽂部科学省，3⽉，(2018).
［8］ http://www.oil-kensa.or.jp，（公社）⽇本油脂検査協会，3⽉，(2018).
［9］ https://www.nist.gov/pml/x-ray-mass-attenuation-coefficients, Created September 17, (2009), Updated June 30, 2017.
［10］ Philip S. Brown & Bharat Bhushan, Sci. Rep. 6, 21048, DOI: 10.1038/srep21048, (2016).
［11］ 辻井 薫, 超撥⽔と超親⽔, ⽶⽥出版, (2009), pp.50.

(Received: May 20, 2016; Accepted: July 3, 2018; Published: August 16, 2018; Revised: November 2, 2020 )https://user.spring8.or.jp/resrep/?p=9823

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