9材料のガラス - ラバー転移に基づく温調圧縮成型技術の確立＜平成 29 年度助成＞

材料のガラス - ラバー転移に基づく温調圧縮成型技術の確立
川井清司（広島大学大学院 生物圏科学研究科）

型する際には結着性の高いラバー状態に、圧縮成型研究背景および目的後は再び物理的に安定なガラス状態に、それぞれ設
スープキューブやタブレットなどの圧縮固体食品

計することが、一連の圧縮成型を行う上での理想のは、原料となる各種粉末材料を混合し、圧縮成型す操作と考えられる。しかし、組成が複雑な食品粉末ることによって製造される。圧縮固体の物性（硬さ、に対して、T g を考慮した温調圧縮成型の効果を詳細脆さ、溶解性など）は、圧縮時の荷重、あるいは歪に調べた報告はこれまでになかった。

みによって制御される。しかし、この操作は一般に本研究の目的はガラス転移に基づく粉末食品の温原料の物性を考慮したものではなく、経験的に行わ調圧縮成型技術を確立することである。まず、実在れており、原材料の組成や配合を変えたときには圧する食品（市販の固形スープを粉末化したもの）を縮固体が硬くなりすぎてしまう、固まらない、固め試料として用い、T g の水分含量を決定した上で、様るために非常に高い荷重を要する、などの問題に直々な条件で温調圧縮成型を行い、圧縮固体の物性を面する。こうした問題に対応するため、例えば圧縮調べた。次に、組成が単純な食品モデル（マルトデ基材などが用いられるが、その際の定量的な指針はキストリンと様々な副材料との混合系）を試料とし、なく、作業者の経験に頼らざるを得ないのが現状で各種成分の相互作用が圧縮固体の物性に及ぼす影響ある。

について調べた。

一方、食品素材粉末には多かれ少なかれ非晶質成分が含まれており、温度や水分含量の変化によって実験方法

ガラス - ラバー転移（ガラス転移）することが知られている 1, 2)。ガラス転移が起こる温度をガラス転移

１．スープ粉末温度（T g）と呼ぶ。ガラス状態（T ＜ T g）にある非市販のスープキューブをミキサーで粉砕し、粉末晶質粉末は固体的な性質を備えており、紛体として状にした。減圧乾燥によって材料中の水分を十分にの流動性を有している。しかし、物理的に安定なた取り除いた後、様々な飽和塩を共存させたデシケー

め、圧縮しても固まりにくい。一方、非晶質粉末がター内で 25ºC で静置し、試料の水分活性（aw）をラバー状態（T ＞ T g）になると、液体的な性質が現れ、調整した。本研究で採用した飽和塩は、LiCl（aw =粉末がベタつき始めるとともに、紛体同士が凝集（固0.113）、CH 3 COOK（a w = 0.225）、MgCl 2 （a w =結）するため、紛体として扱うことが困難になる 。

0.328）、K2CO3（aw = 0.432）であった。各試料の従って、ラバー状態の原料粉末を製造現場で扱うこ平衡水分含量は常圧乾燥法によって決定した。本測とは困難を極めるが、その液体的な性質（混ざり合定は各試料 3 回ずつ行い、平均値を得た。

3)う）を考慮すると、圧縮成型においては容易に固ま

各 試 料 の 熱 物 性 を 示 差 走 査 熱 量 計（DSC 120;るであろうと期待される。即ち、原料粉末を混合す

Seiko Instruments Inc. Tokyo, Japan）によって調べる際には流動性の高いガラス状態に、それを圧縮成た。試料（20–30 mg）をアルミニウム製の耐圧パ

10

浦上財団研究報告書

図1Vol.26（2019）

本研究で用いた温調圧縮装置の概要

ンに封入し、0ºC から 80ºC の温度範囲を 5ºC/min

述と同様の実験を行った。また、温調圧縮操作を①常で昇温走査した。熱履歴の影響を調べるため、一旦温で圧縮後に一定温度まで昇温し、圧縮したまま常80ºC まで昇温（ファーストスキャン）した後、直温に戻して荷重を解放、②一定温度まで昇温後に圧ちに冷却して再び 80ºC まで昇温（セカンドスキャ

縮し、そのまま常温に戻して荷重を解放、③一定温ン）した。

度まで昇温後に圧縮し、しばらくしてから荷重を開各試料の T g を昇温レオロジー測定（TRA）によっ放して常温に戻す、の 3 つのパターンで実施し、圧て調べた 4, 5)。試料（30–50 mg）を試料ホルダー（直縮履歴の影響について検討した。また、圧縮固体を径 3mm） に 入 れ、 常 温 に て 80N で 圧 縮 し た 後、水中に入れ、一定温度で撹拌しながら目視観察する

3ºC/min で等速昇温した。圧縮荷重が低下し始めることで、水への溶解速度を調べた。

温度を T g として読み取った。本測定は各試料 3 回ずつ行い、平均値を得た。

結果および考察

温調圧縮成型には自作の装置を用いた（図 1）。試料（200mg）を試料ホルダー（直径 7mm）に入れ、スープ粉末試料の DSC 測定結果の一例を図 2 に示

25ºC で予備圧縮（10N）した。様々な温度に 3.5ºC/minす。いずれの試料にもブロードな吸熱ピークが認めで昇温し、試料の高さ 3.50mm、2.75mm、1.50mmられた。このピーク温度は、試料の aw（水分含量）になるまで圧縮して 2 分間保持した。その後、25ºCが変化してもほとんど同じであり、セカンドスキャまで 30ºC/min で冷却し、荷重を除いた。得られたンにおいても確認できた。以上の結果より、この吸圧 縮 固 体 は プ レ ー ト 型 の プ ラ ン ジ ャ ー（ 直 径

熱ピークは試料中に含まれる油脂の融解によるもの16mm）にて 1mm/s で圧縮し、破断応力を求めた。と判定された。DSC 測定によってスープキューブの本測定は各試料 3 回ずつ行い、平均値を得た。

ガラス転移を捉えることはできなかった。T g は熱的応答が低く、油脂の融解ピークによって覆い隠され２．マルトデキストリン混合粉末たためと考えられる。

圧縮成型基材として用いられるデキストリンをスープ粉末試料の TRA 測定結果の一例を図 3 にベースとし、結晶質粉末（NaCl、スクロース、ステ示す。いずれの試料においても明確な荷重低下が確アリン酸）および非晶質粉末（非晶質スクロース）認できた。また、荷重低下が起こり始める温度は awを様々な割合で加えた混合系をモデル試料とし、先の増加とともに低下した。以上の結果より、この荷材料のガラス - ラバー転移に基づく温調圧縮成型技術の確立

図2

スープ粉末の DSC 曲線

図311

スープ粉末の TRA 曲線

重低下は試料中に含まれる非晶質成分のガラス転移

れは、マルトデキストリンの水分が非晶質スクローによるものと判定された。得られた T g を水分含量にスに移行するとともに、マルトデキストリンとスク対してプロットすることで、スープ粉末におけるロースとが部分的に水素結合を形成したためと考え

T g カーブ（T g の水分含量依存性）が得られた。

られる。一方、マルトデキストリンの圧縮固体にお様々な aw に調節したスープ粉末試料を温調圧縮いて、硬さ（破断応力）が水への溶解速度に及ぼすし、得られた固体試料の破断応力を調べた。ガラス影響はほとんどなかったが、結晶質の副材料が加わ状態（T ＜ T g）で圧縮した試料は十分に固まっておることで溶解速度は大きく低下することが明らかとらず、破断応力は非常に低かった。一方、圧縮時のなった。

みラバー状態（T ＞ T g）にした試料は硬く固まっており、その破断応力は試料の aw および圧縮時の温度総括とともに高くなった。各試料の破断強度を、圧縮操作を行った温度と T g との温度差（T - T g）に対して材料の T g を考慮した温調圧縮において、通常の操プロットした結果、T g を基準とした統一的なデータ作（常温での圧縮、あるいは T g を超えない昇温条件整理が可能なことが確かめられた。また、いずれのでの圧縮）では固めることができなかった粉末を、条件においても圧縮変位とともに破断強度は高く固めることが可能なことが明らかとなった。また、なったが、その傾向はラバー状態での圧縮において圧縮固体の破断応力は操作プロセスに影響しないこより顕著であった。とを確認した。さらに非晶質材料に結晶質を加えてマルトデキストリン試料での測定結果より、圧縮温調圧縮すると破断応力が低下し、水への溶解速度履歴が破断強度に及ぼす影響はほとんどないことがが低下することが分かった。一方、非晶質の副材料明らかとなった。マルトデキストリンに副材料を混を加えた場合、破断強度は添加濃度に対して複雑な合した試料の破断強度は、副材料の混合割合の増加挙動を示した。このメカニズムを解明するには、圧とともに低下した。一方、非晶質スクロースを混合縮成型下での各種成分間の相互作用を理解する必要した試料の破断強度は、低濃度で上昇、中濃度で低がある。

下、高濃度で上昇という、複雑な挙動を示した。こ12

謝浦上財団研究報告書

辞本研究は公益財団法人 浦上食品・食文化振興財団の助成によって実施されたものであり、ここに感謝の意を表する。

Vol.26（2019）

参考文献

1) 川井清司 . 糖質におけるガラス転移特性の制御と食品の品質設計 . FFI ジャーナル , 220, 239-246 (2015).
2) 川井清司 . 食品のガラス転移特性と品質制御 . 日本食品工学会誌 , 19(1), 9-14, (2018).
3) S. Palzer, The effect of glass transition on the desired
and undesired agglomeration of amorphous foodpowders. Chemical Engineering Science , 60, 3959–3968 (2005).
4) K. Kawai, M. Toh, and Y. Hagura. Effect of sugarcomposition on the water sorption and softening
properties of cookie. Food Chemistry , 145, 772-776(2014).
5) T. Sogabe, K. Kawai, R. Kobayashi, J. S. Jothi, and Y.
Hagura. Effects of porous structure and water
plasticization on the mechanical glass transition
temperature and textural properties of freeze-driedtrehalose solid and cookie. Journal of Foo dEngineering , 217, 101-107 (2018).

Thermal compression of food powder based on the glass transition temperature

13

Thermal compression of food powder basedon the glass transition temperature
Kiyoshi KAWAI
Graduate School of Biosphere Science, Hiroshima University
A relatively high mechanical force is required for the production ofcompressed foods. Since food ingredients are at least partially in an amorphousstate, a glass to rubber transition (glass transition) occurs at the glasstransition temperature (T g ). When a glassy powder is heated to a temperature
above the T g prior to compression, and then cooled to below T g, the powder will
become solidified, even given a lower compressive force. The purpose of thisstudy was to clarify the effects of water activity (water content), compression
temperature, and sample density during compression on the hardness of solids
compressed at various temperatures above and below T g . A commerciallyavailable chicken stock cube was first pulverized into powder. The water
activity (water content) of the resulting powder was then adjusted in adesiccator with saturated salts. Although differential scanning calorimetry
i n d i c a t e d e i t h e r n o o r a n u n c l e a r g l a s s t r a n s i t i o n b e h a v i o r, a t h e r m a lrheological analysis showed a clear glass transition. The T g decreased withincreasing water activity, due to the water plasticizing effect. The rupture stressof the thermally compressed soup solid increased with the water activity of thesamples, sample density during compression, and compression temperature,and increased dramatically when the soup solid was compressed at atemperature above the T g . The effect of additives (NaCl, sucrose, and stearicacid) on the solidification of maltodextrin was also investigated. While therupture strength of the solid was reduced by the addition of crystalline NaCl,sucrose, or stearic acid, the addition of amorphous sucrose enhanced the solid
at a low additive content.