でんぷんの基礎：成り立ち・構造・種類と糊化・老化のメカニズム

でんぷんは、穀物、豆類、いも類の主成分で、われわれの主要な栄養源です。でんぷんは水には溶けませんが、水を加えて加熱すると、軟らかくなります。これを糊化（アルファ化）といいます。糊化されたでんぷんは、消化酵素によって分解されます。糊化したでんぷんを放置すると、水分が蒸発し、固くなります。これを老化（ベータ化）といいます。

でんぷんの成り立ちと構造

でんぷんは、ほぼすべての植物に含まれる炭水化物です。グルコースが数百個から数万個つながってできており、穀物、豆類、いも類の主成分です。私たちは毎日いろいろな食べ物から栄養分を得ていますが、その半分以上をでんぷんから得ています。

でんぷんは消化酵素で分解されるとグルコースになり、グルコースは小腸で吸収されます。そして小腸の壁から血液中に入り、からだの中でエネルギー源として使われます。血液中のグルコースの濃度が血糖値で、血糖値が低くなると、意識がなくなりますし、血糖値が常に高い状態にあるのが糖尿病です。また内臓脂肪もグルコースから作られています。でんぷんは私たちが生きていくうえで、不可欠なものである一方で、肥満や生活習慣病の原因となることもあります。

でんぷんは植物の光合成によって作られます。光合成とは二酸化炭素と水から、グルコースと酸素ができる反応です。

植物細胞の中では、数百個から数万個のグルコースが鎖状につながって、結晶状になったでんぷん粒として貯蔵されています。穀物には、このでんぷん粒がたくさん含まれています。

でんぷんは水には溶けません。でんぷんを含んだ植物細胞を水の中で洗うと、水の底に白い粉が沈殿します。でんぷん（澱粉）という名前は、沈殿した粉という意味です。片栗粉は水には混ざりますが、溶けていないので、透明にはなりません。加熱すると透明になりますが、それはこのあと説明する糊化（こか）が起きて、でんぷん粒が壊れるためです。

でんぷんの種類

でんぷんはグルコースが鎖状に結合したものですが、グルコースの結合の仕方によって、アミロースとアミロペクチンの 2 種類に分けられます。

アミロースは 300～1,200 個のグルコースが直鎖状につながってできています。これに対し、アミロペクチンは 1 万～25 万個のグルコースが途中で枝分かれしながらつながっており、だいたいグルコース 20 個に 1 個の割合で枝分かれが存在します。

このアミロースとアミロペクチン、でんぷんの大きさ（分子量）が全く違います。アミロペクチンはアミロースより数百倍も大きいのです。アミロースは冷水にも熱水にも溶けませんが、アミロペクチンは冷水には溶けませんが熱水には溶けます。

この2種類のでんぷんの違いがよくわかるのが、お米です。ふだんご飯として食べているうるち米（ジャポニカ種）、お餅やお赤飯につかうもち米（ジャポニカ種）、パエリアや炒飯に使われるタイ米（インディカ種のうるち米）を比較すると、タイ米が一番パサパサしていて、もち米が一番粘り気があります。

この3つのお米に含まれるアミロースとアミロペクチンの比率を見れば、その理由がはっきりします。

・もち米（ジャポニカ種）　アミロペクチン100%
・うるち米（ジャポニカ種）　アミロペクチン80～85%、アミロース17～27%
・タイ米（インディカ種のうるち米）　アミロペクチン69～73%、アミロース27～31%

アミロースは保水性が低いため、アミロースの多いお米は炊いたときパサパサしており、アミロペクチンの多いお米はねっとりモチモチしています。

アミロースを含む品種をうるち（粳）、アミロースを含まない品種をもち（糯）といいます。この区別はお米だけでなく、大麦にもあります。もち麦という名前の大麦は、ふつうの大麦よりアミロペクチンを多く含んた品種です。

でんぷんの糊化（アルファ化）

でんぷんは人間にとって貴重な栄養源です。でも、でんぷんをそのまま食べても、消化できません。でんぷんはグルコースが数百から数十万個つながってできていますが、栄養源として吸収するためには、グルコースに分解する必要があります。どうやって分解するのかというと、唾液や膵液に含まれるアミラーゼという消化酵素で、グルコースとグルコースをつないでいる結合を一つずつ切断していくのです。

でんぷんは生の状態では食べることはできません。生米、生の小麦粉、生のコーンスターチ、どれも食べるためには、水を加え加熱する必要があります。もし生のまま食べたらどうなるでしょうか。消化できないのでそのまま排泄されますが、たくさん食べた場合は下痢することもあります。

生のでんぷんは、アミロースやアミロペクチンが隙間なく規則正しく並んだ結晶の粒でできており、水や消化酵素が入り込むことができません。消化酵素で分解できるようにするためには、アミロースやアミロペクチンの間隔を広げて、消化酵素が近づけるようにする必要があります。

でんぷんは水には溶けませんが、水に入れると吸水して膨らみます。吸水のしやすさはでんぷんの種類によって異なりますし、何らかの理由ででんぷん粒が壊れていると、吸水しやすくなります。でんぷん粒が壊れたでんぷんを損傷でんぷんといいます。お米や大麦の粒ではでんぷん粒は壊れていませんが、粉にするとでんぷんの粒が壊れる場合があります。

特に米粉の場合は、製粉の方法によって損傷でんぷんが増える場合があります。損傷でんぷんはふつうのでんぷんより吸水力が数倍高いので、損傷でんぷんが多い米粉を料理に使うと、全く違ったものができあがることもあります。

でんぷんが水を吸うと、鎖と鎖の間隔が少しだけ広がります。でもこの状態では消化できる状態にはなっていません。さらに水を加えて加熱すると、50 ℃を過ぎたあたりから軟らかくなりはじめ、70 ℃を超えるとでんぷんの鎖の間に水の分子が入り込んで、全体が軟らかくなります。

この現象を糊化（こか）あるいはアルファ化といいます。またこのような状態になったものを、アルファでんぷんといいます。糊化が始まった段階では、でんぷん粒は一部壊れている状態です。さらに加熱を続けると、でんぷん粒は完全に崩壊して、ゲル状になります。

粘り気のことを粘度といますが、でんぷんが糊化するにつれて粘度が高くなり、最大限吸水したとき、粘度が最も高くなります。その後、でんぷん粒子が崩壊すると、再び粘度は下がります。

糊化するとでんぷんの鎖が一本一本が離れた状態になるので、ようやく消化酵素で分解できるようになります。糊化する温度はでんぷんの種類によって異なり、お米のでんぷんは低く、小麦のでんぷんは高いといわれています。

でんぷんの老化（ベータ化）

糊化したでんぷんは、でんぷんの鎖、一本一本の間に水が入っている状態ですが、放置すると水が蒸発します。するとでんぷんの鎖と鎖が引っ付いて、固くなります。これをでんぷんの老化あるいはベータ化といいます。

老化はでんぷんがエネルギー的により安定な状態に戻るために、でんぷんの鎖どうしが水素結合をつくり、結晶構造を作ることです。老化した状態というのは、生でんぷんの近い状態ですが、完全に同じ状態ではありません。

なぜなら、でんぷん粒が一度崩壊すると、元には戻らないからです。一方、老化したでんぷんに水を加えて加熱すると、もとの糊化した状態に戻すことができます。

でんぷんの種類によって、老化の進みやすさに違いがあります。アミロースはアミロペクチンと比べ粘性や保水性が低いため、アミロースの方が老化が進みやすいといわれています。

でんぷんの老化を防ぐ方法

糊化して食べられるようになったでんぷんも、老化が進むと食べるのに適さなくなります。食味が落ちるだけでなく、消化・吸収されにくくなります。では、老化を防いで、糊化した状態を保つことはできないのでしょうか。実はできます。大きく分けて3つの方法があります。

1. 糊化したでんぷんを冷却せず真空乾燥する
2. 糊化したでんぷんを急速に冷凍する
3. 老化を防止する物質を加える

順に説明していきましょう。

① 糊化したでんぷんを冷却せず真空乾燥する

糊化した状態のでんぷんを冷却することなく真空乾燥し水分だけを除去すると、でんぷんの鎖どおしが結合しない状態で乾燥することができ、老化を防ぐことができます。

この技術は保存食やインスタント食品の製造に活かされており、炊き立てのご飯を真空乾燥したものが、アルファ米（アルファ化米）として売られています。アルファ米は乾燥しているため 5 年程度の長期保存が可能で、水またはお湯を加えることで、もとの糊化した状態、すなわち炊き立ての状態へ戻すことができます。

② 糊化したでんぷんを急速に冷凍する

糊化したでんぷんを急速に冷凍すると、でんぷんの鎖の間に入り込んだ水分が抜けることなくそのまま冷凍されます。そのためでんぷんの鎖どうしが結びつくことがなく、老化を防ぐことができます。ゆっくり冷凍すると、でんぷんの中の水分が抜けてしまうため、老化が起きやすくなります。

また加熱する場合も、一気に加熱するほうが、もとの糊化した状態に戻りやすいといわれています。冷凍ごはんは電子レンジで加熱するのはこのためです。

③ 老化を防止する物質を加える

でんぷんの老化とは糊化したでんぷんから水分が抜けることです。そこで水分を保持しやすい物質を加えることで、でんぷんから水が抜けるのを防ぐことができます。一方、最後に紹介する加工でんぷんは、でんぷんの構造を変えることで、水分が抜けてもでんぷんの鎖と鎖がくっつかないようにして、老化を防止しています。

砂糖

砂糖には食品中の水と結びつく性質があります。そのためアルファ化したでんぷんに含まれる水分子と砂糖が結びつき、蒸発によって水分が抜けるのを防ぎます。例えばすし飯に混ぜるすし酢には砂糖が入っていますが、この砂糖のおかげですし飯は冷めてもしっとりとしています。

また小麦粉、砂糖を混ぜ合わせた生地を焼いたカステラは、時間が経ってもパサつかず、しっとりとした食感を保っています。カステラには小麦粉の1.5倍の砂糖が入っており、この砂糖が保水剤の役割を果たしています。和菓子に使われるあんは小豆のでんぷんが糊化したものですが、時間があってもパサパサになりません。これもあんをつくるとき、小豆とほぼ同量の砂糖を加えているからです。

このように、砂糖には水分を保持する力、すなわち保水力があるため、でんぷんに混ぜると、でんぷんの老化を防ぐことができます。

トレハロース

グルコースが2個つながってできた糖類です。マルトースもグルコースが2個つながってできていますが、結合の仕方が異なります。天然にも存在しますが、でんぷんを原料にして微生物発酵で作られたものが使われます。トレハロースは水分を保持する力が強いため、老化防止のために、おにぎり、もち、団子など、でんぷんを使った食品に添加されています。このほか上品な甘みや品質保持効果もあるため、さまざまな加工食品に使われています。

カルボキシメチルセルロース（CMC）

木材パルプの成分であるセルロースをクロロ酢酸と反応させて作られた化学物質です。CMCも水分を保持する力が強いため、でんぷんの老化防止や、食品の乾燥を防ぐことによる賞味期限の延長を目的として、和菓子などに使われています。CMCは粘性があるため人工涙液の成分として使われるほか、消化・吸収しないため、下剤としても使われています。

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加工でんぷん

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まとめ

• でんぷんは、穀物、豆類、いも類の主成分で、われわれの主要な栄養源です。光合成によって作られ、植物の中にでんぷん粒として貯蔵されます。水には溶けません。消化酵素によってグルコースに分解されたのち、小腸で吸収され、主にエネルギー源として使われます。
• でんぷんには、アミロースとアミロペクチンの 2 種類があります。アミロースは 300～1,200 個のグルコースが直鎖状につながってできています。一方、アミロペクチンは 1 万～25 万個のグルコースが途中で枝分かれしながらつながっています。もち米のでんぶんは、アミロペクチンが 100 %ですが、うるち米のでんぷんはアミロペクチン 80～85 %、アミロース 17～27 %です。アミロースは保水性が低いため、アミロースを含まないもち米の方が粘り気が強いです。
• でんぷんに水を加えて 70 ℃以上に加熱すると、でんぷんの鎖の間に水の分子が入り込んで、全体が軟らかくなります。この現象を糊化（こか）あるいはアルファ化といいます。生のでんぷんは食べることができませんが、糊化したでんぷんは消化酵素で分解されるので、食べることができます。
• 糊化したでんぷんを放置すると水が蒸発して固くなります。この現象を老化あるいはベータ化といいます。老化したでんぷんはでんぷん粒が崩壊しているのて、生のでんぷんとは性質が異なります。
• 糊化したでんぷんが老化すると、食べるのに適さなくなるため、老化を防いで、糊化した状態を保つ方法が開発されています。糊化したでんぷんを冷却せず真空乾燥する、糊化したでんぷんを急速に冷凍する、老化を防止する物質を加える、という 3 つの方法があり、それぞれ加工食品に生かされています。