技術報告

山口県産業技術センター

研究報告

No.34

ｐ5-8(2022)5

機能性オリゴ糖を含む「乳清飲料」の開発
修 *，中野哲郎 *2

大井Development of Functional Oligosaccharide-rich Whey Drink Using Cheese Whey
Osamu Ooi and Tetsuo Nakano
乳清の有効利用を目指し，乳清中に約 4.6 g/100 mL 含まれる乳糖を活用した機能性乳清飲料の製法について検討した．
乳糖に対して約 2 倍の果糖を添加した乳清を，酵母( Kluyveromyces.lactis )由来のβ-ガラクトシダーゼで酵素処理することにより，ビフィズス菌の増殖因子としても知られるラクツロースおよび 1-ラクツロースを合計で 1.0 g/100 mL 含む乳清飲料を開発することができた．
１．緒言

ゴーダチーズの製造工程で生じた乳清をポリプロピレン製チーズ製造時には，副産物として大量の乳清(ホエー)が容器(内容量 2L)に入れてオートクレーブで殺菌し(105℃，生じる．その一部はホエータンパク質の原料等に有効利用5 分)，冷却後直ちに凍結保存したものを試験時に解凍してされているものの，利用できるのはスケールメリットのあ使用した．pH は 6.4，乳糖濃度は約 4.6 g/100 mL であっる一部の生産者に限られており，小規模のチーズ製造業者た．

では乳清を廃棄しているのが実情である．

酵素製剤は SIGMA 社より購入したβ-ガラクトシダーゼ

しかし，乳清には乳糖をはじめとした有用成分が多く含1,2)( Aspergillus oryzae ( A.oryzae ) 由 来 ・ 粉 末 状 ， お よ び．

Kluyveromyces lactis ( K.lactis )由来・液状)を反応条件検

乳糖はβ-ガラクトシダー ゼを用いた糖転移 酵素反応に討時に使用し，DSM㈱様よりご恵与いただいた Maxilact LGi

よりオリゴ糖へ変換できることが知られている 3,4) ．特に5000( K.lactis 由来・液状)を飲料の試作時に使用した．

まれており，未利用資源としてのポテンシャルは高い

果糖存在下の糖転移反応ではガラクトースと果糖からなる

果糖は関東化学㈱特級品(酵素反応条件の検討時)および二糖のラクツロースが生じる(図 1)．ラクツロースはプレ日新製糖㈱フルーツシュガー(試作品の製造時)を用い，クバイオティクスに該当し，腸内のビフィズス菌増殖を助けエン酸はミテジマ化学㈱食品添加物グレードのものを使用る働きをもつ近年注目を浴びる機能性オリゴ糖である

5,6)

．

健常人を被験者とする臨床試験において，1 日あたり 13 g のラクツロースを 2 週間摂取することで，いずれの摂取量でも腸内のビフィズス菌量が増え，排便回数が増加することが報告されている

7)

した．
２・２

酵素反応

酵素反応の条件検討は 50 mL ポリスチレン製チューブを用いてウォーターバス中で行った(図 3)．

．また，1 日あたり 0.65 g のラチューブに所定量の果糖と 20 mL の乳清を入れて溶解さクツロース摂取で腸内のビフィズス菌量が増えることが別せ，ウォーターバス中にしばらく放置して内部温度が一定の研究グループから報告されている 8) ．この健康効果が発となった後に酵素を添加して反応を開始した．所定時間ご揮される約 1 g のラクツロース量は，乳清に含まれる乳糖とにサンプリングを行い，オリゴ糖分析に供した．

を糖転移させることで合成可能な量と考えられた．そこで，

２・３

乳清の有効利用を目的として，酵素処理による機能性オリオリゴ糖の分析は，同量の 2%スルホサリチル酸水溶液をゴ糖ラクツロースを多く含む乳清飲料の開発を試みた．

加えてタンパク質の除去を行った試料をメンブレンフィル

Gal-Glc( 乳糖 )Gal-Glc ＋ Fru
図1

β-ガラクトシダーゼ

β-ガラクトシダーゼ

Gal-(Gal)n -Glc( オリゴ糖 )Gal-Fru( ラクツロース )＋ Glc

β-ガラクトシダーゼによる糖転移反応

オリゴ糖の分析

ター(0.2 µm)でろ過した後，液体クロマトグラフ(㈱島津製作所・LC-10)により以下の条件で行った．
カラム：㈱資生堂 CAPCELL PAK NH 2 UG80(2.0×150 mm,5µm)，
カラムオーブン：40℃，溶離液：アセトニトリル/水=85/15，流速：0.2 mL/min，検出器：示差屈折計(RID)(Gal:ガラクトース，Glc:グルコース，Fru:果糖)
２．実験方法２・１

原料

乳清は，山口県内においてチーズ等の乳製品を製造する㈱みるくたうん様から提供されたものを使用した(図 2)．
*

プロジェクト管理室*2 元・イノベーション推進センター

図2

使用した乳清図3

酵素反応条件の検討

6

山口県産業技術センター
３．実験結果および考察
３・１

研究報告

No.34

(2022)

溶出しており，ラクツロースのピークとの面積比がおおよそ 1：3 であった．これらの事実は Hua 9) らが報告した内容

ラクツロース生成の確認β-ガラクトシダーゼは，乳糖不耐症者向け製品の製造にと一致することから，このピークは 1-ラクツロースである

おいて乳糖の分解に用いられるなど，加水分解反応を行うと判断した．1-ラクツロースはラクツロースの異性体であことが知られているが，高濃度の糖が存在する条件では，り ， ラ ク ツ ロ ー ス が β - D -galactopyranosyl-(1 → 4)- D -糖転移反応が加水分解と競争的に進行し，ガラクトース残fructose の構造であるのに対し，β- D -galactopyranosyl-基が転移したガラクトオリゴ糖が生成する

3,4)(図 1)．

(1→ 1)- D -fructose の 構 造 を 有 す 10,11) ． ま た ， Förster-

そこで，まず糖転移反応が進行しやすい高糖濃度条件下

Fromme らは 1-ラクツロースがヒト腸内のビフィズス菌やでラクツロースが生成することを確認するため，果糖濃度乳酸菌の増殖，便通改善などに効果があることを報告して50 g/100 mL，反応温度 40℃にてオリゴ糖の生成を追跡しおり 12) ，ラクツロースと同様にプレバイオティクスとしてた．なお，この時使用した酵素製剤は K.lactis 由来のものの効果が期待できる物質である．このことから，以後の検である．反応 溶液中のオリ ゴ糖の分析結果(クロ マトグラ

討ではラクツロースと 1-ラクツロースを合算した「総ラクム)を図 4 に示す．

ツロース」を指標として評価を行った．
３・２

30000

酵素反応条件の検討

果糖濃度が高いほど総ラクツロースの生成に有利である
25000

が，市販の乳飲料や清涼飲料水の炭水化物含有量(糖濃度)
1-ラクツロース

ピーク面積

20000

は一般的に 10-15%であるものが多いため，甘すぎない飲料とするには，果糖濃度を同程度に抑えることが望ましい．

15000

ラクツロース

そこで，果糖の仕込み濃度を変化させたときのラクツロー

乳糖10000

ス生成量について検討した．
なお，β-ガラクトシダーゼは起源となる微生物によって5000さまざまな種類のものが存在しており，至適反応条件や反089101112

保持時間(分)図4(類の市販酵素製剤( K.lactis 由来および A.oryzae 由来)を時間経過による反応生成物の変化
00.51

応生成物の組成などに相違があるため，由来の異なる 2 種24hr)用いた．
ラクツロースへの変換率(反応開始時の乳糖の量に対するラクツロース生成量)を図 5 に示す．

乳糖は反応時間の経過とともに単調に減少した．ピーク
14が 21%まで減少し，1 時間後に 3%まで減少，2 時間後にはピ12ークが消失した．
一方，ラクツロースは反応開始後に増加し，0.5 時間の時点で最大濃度 0.43 g/100 mL に達した．ピーク面積を基にした単純比較では，反応開始時に存在していた乳糖の12%がラクツロースへと変換された計算になる．その後，反ラクツロース変換率(%)

面積を比較すると，反応開始から 0.5 時間の時点で残存量応開始から 1 時間が経過した(乳糖がほぼ分解された)時点

10864200から減少に転じた．これは乳糖が消費されると，一旦生成10したラクツロースが酵素による加水分解を受けてしまい，グルコースと果糖へと分解したためと推定された．よって

なお，反応開始時に既にラクツロースのピークが認められるが，牛乳は殺菌などで熱を受けると乳糖の異性化反応(Lobry-de Bruyn-van Ekenstein 転位)によりラクツロースを生じることから，原料乳清に元々存在していたものであると考えられる．

405060506035

1-ラクツロース変換率(%)

る必要があると判断した．

3040

生成したラクツロースを高濃度のまま保持するには，濃度が最大となるタイミングで酵素を失活させて反応を停止す

20

果糖仕込み濃度 (g/乳清100mL)

3025201510500

図 4 のクロマトグラムにはラクツロース以外にも新たな10203040

果糖仕込み濃度 (g/乳清100mL)ピークが認められ，いくつかのオリゴ糖が生じていることが予想された．このうち最大のピークは保持時間が約 10 分(rt = 10.1)のものであるが，ラクツロースと乳糖の間に

図5

果糖濃度がラクツロース生成に及ぼす影響(● K.lactis 由来，■ A.oryzae 由来)

機能性オリゴ糖を含む「乳清飲料」の開発
いずれの酵素製剤も果糖濃度が低くなるに従い，ラクツ解 凍

7凍結保存していた乳清を解凍ロース，1-ラクツロースともに生成量が減少した．1-ラクツロースの生成量は酵素による違いが顕著であり，K.lactis 由来の酵素製剤が約 3 倍の生成量を示した．以後

遠心分離・ろ過

クリーム分と 沈殿物を分離し，不織布を用いてろ過

果糖添加

濃度 10g/100mL(乳糖に対し約 2 倍)となるように添加

加熱殺菌

オートクレーブにより 85℃,20 分加熱殺菌

冷 却

加熱による劣化(褐変など)を 抑える
ため，直ちに冷却の検討では K.lactis 由来の酵素製剤を用いることとした．
次に反応温度について検討した ．ここまでの検討は酵素反応に適した 40℃でデータを取得したが，乳清は微生物による腐敗や変質を受けやすいため，実際の加工工程は低温で行うことが望ましい．そこで，5℃での反応を行い，40℃での反応と比較した．その結果，5℃では反応時間は 10 倍以上となり大幅に増加したが，ラクツロースなどの反応生成物の組成比に変化は見られなかった(データ略)．
乳清に仕込むことのできる果糖濃度は 甘さの観点から

酵素添加

5℃で反応させて ラクツロースを生じさせる

クエン酸添加甘味と酸味の バランスをとり ，またタンパク質を変性 させる

加 熱

オートクレーブで 85℃,20 分加熱して酵素を失活させ，併せてタンパク質を変性・分離させる

10 g/100 mL が上限である．この上限濃度におけるラクツ
ロース，1-ラクツロースへの変換率は，それぞれ 6.6%，21%であり(図 5)，乳清に含まれる乳糖が約 4.6 g/100 mL であることから，酵素処理後の総ラクツロース生成量は 約 1.2
g/100 mL と算出される．この濃度であれば，100 mL を飲食することで，健康効果が期待できる総ラクツロース 1 g の摂取が可能であり，機能性飲料として妥当な含有量となる．
以上の結果を踏まえ，果糖濃度 10 g/100 mL(乳糖に対し遠心分離・ろ過分離したタンパク質を除去

ボトル詰め充填機により所定 量を充填

加熱殺菌

レトルト殺菌器により 85℃,20 分
加熱殺菌て約 2 倍)，反応温度 5℃で酵母 ( K.lactis)由来のβ-ガラクトシダーゼを用いるという条件をラクツロース富化乳清
飲料加工 の基本的手法として定めた．
３・３

乳清飲料の試作

反応条件の検討結果を基に，実生産を視野に入れた数 Lスケールでの試作実験を行った ．

図6

乳清飲料の製造手順

製品化を目指すためには，ラクツロース含有量だけでなく，消費者の嗜好性を考慮する必要がある．風味についても検討を加え，不快臭の原因となってしまう脂肪分やタンパク質の除去工程を組み込んだプロセスとした ．製造手順を図 6 に示す．この手順に従って，表 1 の配合で仕込みを行った際の一連の加工の様子は 図 7 のとおりであり，淡黄色透明の飲料を製造することができた．
表1①

試作品の配合割合

材料

配合量

濃度

乳清

3.5L

－果糖

350g

10%

クエン酸

12.25g

0.35%

酵素製剤

3.5mL

0.1%

３・４

図7②③

試作品加工の様子①乳清の遠心分離②低温室での酵素反応③酸性下での加熱変性④完成品
表2

試作品の評価④
試作品の糖含有量 (g/100 mL)

糖の種類

試作品の成分について分析した結果を 表 2 に示す．1-ラ濃度

クツロースは標準試料を入手できなかったため，ラクツロ

果糖

9.3

ース標準試料を用いて作成した検量線を代用して計算した

ブドウ糖，ガラクトース

3.3濃度を用いた．

乳糖

0.3

その他

0.3

総ラクツロース

1.0

総ラクツロースの含有量は 1.0 g/100 mL であった．ラクツロースを含む市販商品には ，便通改善効果をうたい 1パッケージ当たり 4 g を含有するものがある一方，1 g を含有する 商品もある．試作品は 1 g の総ラクツロースを含んでおり ，健康機能が発揮できることが期待される．

(ラクツロース0.3)(1-ラクツロース0.7)

合計

14.2

8

山口県産業技術センター

研究報告No.34(2022)

次に，甘さを評価するため，市販の飲料(合成甘味料を使用していないもの )について，甘さ(糖濃度)の目安となる炭水化物含有量を比較した ．結果を表 3 に示す．
表3

炭水化物量の比較 (100g または 100mL あたり)
商品

炭水化物(g)

試作品

14.2

参考文献
1) 安藤邦雄：乳清について，調理科学， 19(2)，pp.7377(1986)．
2) 桑田

有：ホエイからの各種有用成分の分離と栄養，機能食品への応用研究，Milk Science ，61(2)，pp.95103(2012)．
3) 松本圭介，小林洋一，田村なつ子，渡辺常一，菅辰

A 社 乳性飲料

15.0

A 社 乳酸菌飲料

14.0

彦：β-ガラクトシダーゼによるガラクトオリゴ糖の生B 社 ドリンクヨーグルト

12.5(糖類 10.8)

産，澱粉科学，36(2)，pp.123-130(1989)．

C 社 乳酸菌飲料

11.24) 齋藤忠夫，長畑直樹，木村一雅：β- D -ガラクトシダー

D 社 乳酸菌飲料

17.7

ゼの開発と利用，乳業技術，67，pp.1-15(2017)．
5) 溝田輝彦，関甘 さ 控 え め (11.2 g/100 mL) の タ イ プ か ら 甘 み の 強 い(17.7 g/100 mL)タイプまで幅広い範囲の商品が見られ ，
平均的なものは 15.0 g/100 mL ほどであった．試作品は14.2 g/100 mL であり，一般的な範疇に含まれていた．

信夫：多様な側面を持つラクチュロー

ス : 開 発 と 生 理 効 果 に 関 す る 最 近 の 研 究 動 向 ， Milk

Science，50(2)，pp.39-47(2001)．
6) 境洋平：ラクチュロース:その歴史と機能，生産と技術，71(4)，pp.38-40(2019)．

さらに， 乳清を排出している事業者の商品開発担当者に

7) Y．Sakai，N．Seki，H．Hamano，H．Ochi，F．Abe，F．

より試作品の評価を行ったところ，おおむね好評であった．

Shimizu， K．Masuda，and H．Iino：A study of the

しかし甘味が強いとの指摘もあった．試作品には多くの果

prebiotic effect of lactulose at low dosages in糖が含まれているが，果糖は糖の中でも特に甘みが強いた

healthy

め，糖濃度の数値以上に甘みが感じられたもの と思われる．

Microbiota,Food and Health ，38(2)，pp.69-72(2019)．

以上を総合すると ，甘みの点では若干の改善が求められ

8) T．Tomoda，Y．Nakano，and T．Kageyama： Effect of

るものの ，開発した乳清飲料には十分な商品価値が期待でYogurtJapaneseandBifidobacterium

きる．

women

Yogurt，Bioscience

Supplementedand/orLactuloseinofwith
Healthy

Persons: A Comparative Study， Bifidobacteria and
４．結論

Microflora ，10(2)，pp.123-130(1991)．

チーズ製造時に副生する乳清を原料として， 市販の酵素

9) X．Hua，R．Yang，Q．Shen，F．Ye，W．Zhang，and W．

製剤を用いた糖転移反応により，機能性オリゴ糖を多く含Zhao ： Production of 1-lactulose and lactulose

む飲料の開発を試みた．

using

反応条件について検討し，乳糖に対して約 2 倍の果糖を加えた乳清を， K.lactis 由来のβ-ガラクトシダーゼにより処理することで，ラクツロース，1-ラクツロースの生成量が高くなること を確認した．
実製造を見据えた 試作実験を行い，ラクツロースおよび

commercial

β-galactosidase

from

Kluyveromyces lactis in the presence of fructose，
Food Chemistry ，137，pp.1-7(2013)．
10) Q．Shen，R．Yang，X．Hua，F．Ye，H．Wang，W．Zhao，
and K．Wang：Enzymatic synthesis and identification
ofoligosaccharides

obtainedby

1-ラクツロースを合計 1.0 g/100 mL 含む乳清飲料を 開発

transgalactosylation of lactose in the presenceすることができた．

offructoseusing

β -galactosidase

from

Kluyveromyces lactis，Food Chemistry ，135，pp.15471554(2012)．
11) C．M．Schmidt，F．Balinger，J．Conrad，J．Günther，U．Beifuss，and J．Hinrichs：Enzymatic generationof lactulose in sweet and acid whey: Optimizationof feed composition and structural elucidation of1-lactulose， Food Chemistry ，305，125481(2020)．
12) K．Förster-Fromme，R．Schuster-Wolff-Bühring，A．
Hartwig．A．Holder，A．Schwiertz，S．C．Bischoff，and J．Hinrichs：A new enzymatically produced 1lactulose: A pilot study to test the bifidogeniceffects ， International Dairy Journal ， 21(12) ，
図8

乳清飲料(左手前)と原料乳清

pp.940-948(2011)．