著者の所属・活動拠点の国は、中国です。

掲載誌：Ultrasonics Sonochemistry

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

でんぷんは食品や素材産業で広く使われています。ただし、加工していない天然のでんぷんは冷水に溶けにくく、時間がたつと硬くなりやすく（老化）、熱や機械的な力にも弱いという課題があります。そのため、化学薬品を使わずに性質を調整する物理的な改質方法が注目されています。

でんぷんを水と一緒に加熱すると、粒が水を吸ってふくらみ、内部の規則正しい結晶のような構造が崩れ、最後に糊状になります。この変化を「糊化」と呼びます。論文によると、糊化は一瞬で起こるのではなく、段階的に進みます。糊化の前、始まり、ピーク、糊化後では、粒の丈夫さや水の入りやすさが大きく異なります。

これまでに、糊化前のでんぷんや糊化後の糊に超音波をかけた研究はありました。しかし、糊化がまさに進んでいる途中で超音波をかけた場合については、よく分かっていませんでした。研究チームは、超音波をかける段階によってトウモロコシでんぷんの構造変化と最終的な糊の性質がどう変わるかを明らかにしようとしました。

何を、どのように調べたか

研究チームはまず、トウモロコシでんぷんを加熱したときの熱の出入りを測る装置（示差走査熱量測定、DSC）で、糊化が起こる温度の範囲を調べました。その結果をもとに、超音波をかける温度を3つ選びました。60℃は糊化前、69℃は糊化の始まり、73℃は糊化のピークにあたります。

実験では、濃度5％のでんぷん懸濁液150mLを使いました。それぞれの温度で、超音波をかけた試料とかけない試料を用意しました。さらに、超音波処理の直後に取り出した試料と、その後95℃まで加熱して完全に糊化させた試料の両方を調べました。比較の基準として、すでに糊化した95℃の糊に超音波をかけた条件も設けています。

調べた項目は次のとおりです。まず、顕微鏡（共焦点レーザー顕微鏡と走査電子顕微鏡）で粒の形を観察しました。次に、糊の粘りや弾力を測りました。あわせて、でんぷんが水を抱え込んでふくらむ度合いを示す「膨潤力」と、粒から溶け出してヨウ素と反応する成分の量も測りました。結晶構造はX線回折で、分子の並び方は固体核磁気共鳴で、分子の大きさは分子量分布の測定で調べ、熱の出入りも再びDSCで確認しました。

主な報告結果

超音波の影響は、かけた段階によってはっきり異なりました。60℃で超音波をかけると、膨潤力は超音波なしの3.7g/gから5.8g/gに高まりました。溶け出したヨウ素反応性成分も、1mLあたり194μgから378μgに増えました。粒の表面には小さなくぼみができましたが、粒の形そのものは保たれていました。でんぷん本来の結晶構造を示すX線回折の特徴もほぼ残っていました。95℃まで加熱した後の糊の粘りや弾力も、おおむね保たれていたと報告されています。

69℃で超音波をかけた場合も、膨潤力は7.9g/gから10.4g/gに高まりました。一方で、ヨウ素反応性成分は1mLあたり1735μgから884μgに減りました。粒の表面には穴や割れ目がはっきり現れ、X線回折の結晶由来の特徴はぼやけていました。DSCでは、超音波なしの試料に小さな吸熱反応（0.15J/g）が残っていました。これに対し、超音波をかけた試料では吸熱反応が検出されませんでした。研究チームは、超音波が秩序だった構造の崩壊を促したと解釈しています。

73℃で超音波をかけた場合、粒の多くは割れたり、折れ曲がったり、つぶれたりした断片になりました。ヨウ素反応性成分は、処理直後で1mLあたり2299μgから685μgに減りました。95℃まで加熱した後でも、3405μgから1072μgに減っていました。加熱後の糊では、超音波をかけた試料が途切れて断片化した見た目を示し、乾燥させると蜂の巣状の穴が多く見られました。

糊の弾力の指標では、69℃と73℃で超音波をかけた糊が、程度の差はあるものの弾性を低下させていました。基準とした95℃の糊でも、超音波によって弾力の指標（角周波数1rad/sでの貯蔵弾性率）が3.47Paから1.67Paに下がりました。

この報告が示すこと

研究チームは、トウモロコシでんぷんが超音波にどう反応するかは、超音波をかけた時点でのでんぷんの構造の状態に強く左右されると結論づけています。糊化前の超音波は主に吸水とふくらみを促し、最終的な糊の性質を大きく損ないません。これに対し、糊化の始まりからピークにかけての超音波は、粒の破壊と結晶構造の喪失を進め、加熱後の糊の粘りや弾力を弱めます。著者らは、超音波をかける段階を選ぶことで、でんぷんの構造変化と糊の性質を調整できる可能性があると述べています。

一方で、著者らは解釈の限界も示しています。顕微鏡観察に使った蛍光色素はでんぷん分子と結合させていないため、その画像は定性的な目安にとどまります。結晶を含む層状構造が乱れたという考えも、その周期構造を直接測ってはいないため、提案された仕組みの段階です。また、乾燥試料で見られた粒のつぶれには、処理による弱体化に加えて、試料を乾燥させる過程での変形も含まれるとしています。研究チームが示した構造変化の全体像の図も、既存の構造モデルにもとづく概念図であり、ナノスケールの結晶の変化を直接示した証拠ではないと断っています。

原著論文の著者・所属：Houhua Wang（Zhejiang University）、Yuanyuan Li（Zhejiang A & F University）、Tianpeng Chen（Mantang Qingyang (Jiaxing) Health Technology Co., Ltd., Jiaxing, Zhejiang Province 314102, China）、Wenjun Wang（Zhejiang University）、Donghong Liu（Zhejiang University）、Shuang Qiu（College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; Future Food Laboratory, Innovative Center of Yangtze River Delta, Zhejiang University, No. 828, Zhongxing Road, Xitang Town, Jiashan County, Jiaxing, Zhejiang Province 314102, China; Mantang Qingyang (Jiaxing) Health Technology Co., Ltd., Jiaxing, Zhejiang Province 314102, China）

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Houhua Wang, Yuanyuan Li, Tianpeng Chen, et al. Stage-dependent thermo-ultrasonic intervention modulates structural evolution and paste properties of corn starch during the gelatinization transition. Ultrasonics Sonochemistry（出版社：Elsevier BV） 2026-11-01. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2026.108152. 原著ライセンス：CC BY.