多成分で多分散な混合系である食品は、多彩な機能と物性を有している。食品の微細な構造は、その物性や機能の発現の端緒となるが微細構造をどのように考えるかについては、研究者の立場で異なる。この記事においては、コロイド科学の見地から食品を概観し解説を行う。

コロイドとは「肉眼的にも光学顕微鏡的にも均一に見えるが、実は不均一系であり、微粒子が媒質中に分散している系」をいう。この微粒子（通常、1nmから1μm）を分散質そして媒質を分散媒といい両者をあわせてコロイド分散系という。コロイドには、分子コロイド（高分子溶液）や会合コロイド（ミセル）などがあるが、分散媒が水で、微粒子が分散した系を特にハイドロコロイドと呼ぶ。ハイドロコロイドには、分散質の濃度が低く分散媒中の粒子が互いに独立に存在するゾルや高濃度の分散質が網状構造を作り系全体が流動性を失ったゲル、さらにはミセル内に油脂が取り込まれたエマルションなど様々な形態がある。食品の多くは、水中にタンパク質や多糖などの高分子や界面活性剤が会合したミセルなどが、分散した多成分のハイドロコロイドである（Dickinson, 1992; 西成および矢野, 1990）。食品ハイドロコロイドは、濃度、温度、添加物等を変化させることにより、ゾルからゲル、液状から固体状などの相変化・形態変化を起こす。また、近年、食品加工に伴う食品物性の挙動を統一的に説明しうる概念として、食品のガラス転移（Levine and Slade, 1988; 1993）が注目されているが、多くのガラス状食品は、濃厚なラバー状態のハイドロコロイドを急冷ないしは乾燥させて得られる（Hoseney et al., 1986; Kalichevsky et al., 1992a; 1992b; Levine and Slade, 1988; 1993; Farkas et al., 1996; Roudaut et al., 1999a; 1999b）。食品製造、輸送において、ハイドロコロイドは、そのような相変化や形態変化が積極的に用いられたり、液状食品の分散性、乳化性、安定性を改善するための添加物として用いられるなど、用途は広い（Dickinson, 1992）。
　食品ハイドロコロイドの有効利用のためには、体系的に、物性・機能と成分組成・分散構造との対応関係を把握することが必要となる。しかし、ハイドロコロイド分散系においては、分散質と分散媒である水との間に非常に大きな界面が存在するので、界面特性（界面張力、吸着、界面電荷など）が系の物性に大きな影響を与え、たとえ成分組成が一定であっても、分散粒子の分散構造（分散粒子間の絡み合いなど）の変化により、ゾル-ゲル転移やガラス転移などの複雑な状態変化が生じる。従って一般に、ハイドロコロイド分散系においては、単に構成成分の官能基レベルでの化学構造やその平衡論的議論のみでは、系全体の物性挙動は理解できず、分散粒子の協同的運動や分子集合体の挙動（Kirkwood, 1946; 1954; Kirkwood and Fuoss, 1941; Kirkwood and Monroe, 1941; Kirkwood and Riseman, 1948; Zimm, 1956; de Gennes, 1972; 1976a; 1976b; 1979）を動力学的に把握することが、不可欠であることが知られている。それゆえ、合成高分子から成る高分子コロイド（高分子溶液）においては、複雑系の解析法として有効なフラクタルやスケーリング理論（de Gennes, 1979; Sahimi and Mukhopadhyay, 1996）などの適用が試みられ、また、線形応答理論に基づく系の動的挙動の測定が行われている（Hamaide et al., 1990; Li and Park, 1998; Schlosser and Schönhals, 1989）。
　一方、食品ハイドロコロイドに関しては、その構造や形態変化が複雑であるためか、定量的な検討は、合成高分子に比べて立ち遅れている。しかし、食品ハイドロコロイドの研究においても、臨界現象を記述するためのパーコレーション理論をゾル-ゲル転移点近傍における力学物性の解析に適用した研究（Dickinson, 1992; 1995）、あるいは複雑系の解析法として有効なフラクタル次元を用いて食品の内部構造を定量的に評価した研究（Dickinson, 1992; 1995; Hagiwara et al., 1996; 1997a, b）などが、少しずつ現れてきている。このことは、複雑系を取り扱う手法が、複合系である食品を扱う上で極めて有効であることが、食品科学者の間でも認識されてきた表れであろう。
　物質内部の分子の動的挙動を知る方法の一つに線形応答理論（鈴木, 1990）に基づく誘電緩和法（Debye, 1929）がある。誘電緩和とは、試料に印加する外部電場の周波数ƒ の増加に伴い、誘電率が低下、電気伝導度が増加、かつ誘電損失が極大を示す現象である。この現象は物質内に誘起された電気双極子が電場の周波数の増加に伴い、電場の変化に追随できなくなるために生じる。高分子科学の分野においても、誘電緩和法は、高分子の凝集構造や運動様式を調べる手法として広く利用されている（高分子学会編, 1973; 1993; 古川, 1997）。これは、高分子鎖は多くの運動の自由度を持ち、それぞれの運動に伴う電気双極子のゆらぎにより高分子分散系が多様な誘電緩和を示すからである。誘電緩和を引き起こす電気双極子の動力学については、古くから様々な理論（Debye, 1929; Kirkwood and Fuoss, 1941; Kirkwood; 1946; Kirkwood and Riseman, 1948; Fuoss, 1954; North, 1972）が提唱され、また、測定技術の向上もあって（高分子学会編, 1993; 1998）、コロイドの分散構造の解析に関して誘電緩和法の有効性が明らかになっている。
　誘電緩和の機構について、比較的古くから理解が進んでいたのがタンパク質など球状高分子の分散系である（Hendrickx and Verbruggen, 1968）。これは、タンパク質の場合、単分散（分子量が単一）の試料が得やすい上に、緩和が単純な配向分極のみに起因するため、最も基本的なDebye理論（1929）をそのまま適用可能なためである。しかし、鎖状高分子については、広い周波数範囲で、様々な緩和が存在する上、単分散試料を得るのが難しいため、緩和の機構の理解は技術的進歩に依存することが多かった。
　鎖状高分子コロイド（高分子溶液）の誘電緩和については、非水系に関する検討の方がハイドロコロイドより早くから行われている。鎖状高分子の誘電緩和に関する理論は、古くはKirkwoodおよびFuoss（1941）により提出されている。Stockmayer（1967）は、高分子の構造と電場中での分子の電気双極子の配向との関係について理論付けを行った。実験的には、固体、溶融体、溶液などの誘電緩和について1950年代後半から検討が行われてきている（McCrum, et al., 1967）。しかし、初期の研究においては、誘電測定および高分子合成についての技術水準の低さから、現在では複数の緩和が見られている系で1つの緩和しか見られないなど、満足の行く結果は得られていない。近年の誘電測定装置の進歩、リビング重合法など（Morton, 1983）の合成技術の発展は、鎖状高分子の誘電解析に大きく寄与した。Adachiら（1983; 1984;1985;1987）は溶融状態のcis-polyisoplene（cis-PI）の誘電率を3〜100MHzの周波数で測定し誘電緩和を観測している。バルク状のcis-PIは、100MHz付近と10kHz付近に二つの緩和を示した。彼らの解析によれば、高周波側の緩和は高分子鎖の部分的な運動による電気双極子のゆらぎに起因し、低周波側の緩和は、主鎖の末端間距離のゆらぎに起因する電気双極子が原因であることが示されている。また高分子のみでなく、低分子化合物、単糖類など様々な物質のガラス状態およびラバー状態において、2種類の誘電緩和が観測されている。例えば代表的な高分子合成ガラスであるpolymethyl methacrylate（PMMA）においては（McCrum, et al., 1967）、ガラス状態で観測される誘電緩和は、側鎖の回転運動による電気双極子のゆらぎを反映し、ラバー状態で観測される誘電緩和は、主鎖の協同的なmicro-Brown運動による電気双極子のゆらぎに帰属されることが知られている（Boyd, 1985）。
　鎖状高分子からなるハイドロコロイドの研究は、有機溶媒系よりもかなり遅れている。これは、水が極めて特異な溶媒で物理化学的取り扱いも難しい上に、有機溶媒に比べて極めて高い誘電率や電気伝導度を有しているためと考えられる。純水に関しての研究自体は、1930年代からあるが、水溶液系における自由水（バルク水）および結合水の解析は、測定技術の進歩した1980年代後半まで待たなければならなかった。食品ハイドロコロイドの誘電解析が遅れているのは、こうした問題にもよる。最近では、高分子鎖に束縛された水分子やイオンのゆらぎによる誘電緩和の研究も希薄溶液において進んでいる。Miuraら（1990; 1991）は、種々の球状タンパク質の水溶液の電気物性を測定しGHz以上の周波数での誘電緩和はバルクの水の配向運動を、10MHz以上での誘電緩和はタンパク質の表面の束縛水の運動を反映したものであると報告している。

物質は、通常、特定の温度、濃度、組成において、熱力学的に安定状態（平衡状態）が決定され、その様子は相図（phase diagram）として表現される。相図上における二相の共存線（平衡線）を横切るのが融解などの相転移である。一方、食品ハイドロコロイドの場合、ゲルは厳密な意味での熱力学的安定状態ではなく、またガラス状態は、後述のように、熱力学的には不安定状態であるなど、その存在形態を平衡な共存線から成る相図として表すことはできない。よって、ガラス転移なども含めた試料の状態変化の様子を記述する図を状態図（state diagram）と呼ぶ。
　LevineおよびSlade（1988）は、そのような食品の状態図を提出している。例えば、溶媒である水が液体の状態（T > Tm）では、系は含水率の減少とともにゾルからゲルそしてラバー状態からガラス状態へ変化する様子が、食品の状態図から読みとることができる。食品加工においては、この食品の状態図の利用の重要性が指摘され（Levine and Slade, 1988;1990; Roos and Karel, 1990:1991）、様々な食品の状態図が提出されている。

ガラスの古くから採用されている定義は、「物質を溶融状態から結晶化させることなく、固体化して得られた物質」であり（Cohen and Turnbull, 1959; Williams and Watts, 1971）、ガラス化する温度T_gをガラス転移温度と呼ぶ。
　ガラス転移を分子のレベルでながめてみる。液体（高分子では溶融状態）においては、分子は自由に動き回っているが、温度の低下に伴いミクロブラウン運動が不活発となり、分子が自由に動き回れる空間（自由体積と呼ばれる）が小さくなる（Cohen and Turnbull, 1959; Adam and Gibbs, 1965）。さらに温度が下がりガラス転移温度T_gになると過冷却液体の不規則な構造がそのまま凍結される。ガラス転移温度T_g以下のガラス状態においては、系の比容積が結晶に比べて大きいので、側鎖の運動や主鎖の部分的な振動・回転など分子鎖の局所的運動は生じるが、分子全体の運動（ミクロブラウン運動）は起こらなくなる。これは、ガラス状態では、分子全体がミクロブラウン運動するのに充分な自由体積が残っていないためである。ガラスとは、不規則な構造をのこしたまま固体化した状態であるので、分子の配列は液体と同様に無秩序であり、結晶とは異なる（Alba-Simionesco et al., 1999）。
　最初に述べたガラスの定義は、「物質を溶融状態から結晶化させることなく、固体化して得られた物質」であったが、溶融過程を経ないで造られるガラスも見出されており（関, 1974）、現在では「ガラス転移点T_gを持つ固体状の物質」というのがガラスの厳密な定義となっている（堂山および山本, 1985）。高分子試料の場合、分子鎖の折りたたみや分子鎖中の構造の欠陥が存在するため、ガラスといえども、部分的な結晶構造を含んでいることが多い。逆に、結晶とされる物質にも非晶質の部分が必ず含まれるといわれる（田代, 1993）。ガラス状態の物質の調製法としては、溶融状態の物質を急冷させる方法が広く知られている（関, 1974; Noel et al., 1996）。また、高濃度での溶融が困難な高分子に対しては、低濃度の溶液を乾燥させて薄膜状にするキャスト法も用いられている（Yannas, 1972; Scandora et al., 1991）。これらの調製においては、試料の結晶化度などの微視的構造は、それぞれ冷却温度およびキャスト温度の影響を受けることになる（Johari, 1982; 1986; Pathmanathan and Johari, 1993; 1995; 田代, 1993）。

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岩本　悟志（イワモト　サトシ）
岐阜大学　応用生物科学部
応用生命科学課程　准教授

略歴：
2000年3月　東京大学大学院農学生命科学研究科博士課程修了
2000年4月　東京大学農学特定研究員
2000年8月　生研機構派遣研究員
2002年1月　科学技術振興事業団科学技術特別研究員
2002年4月　学術振興会科学技術特別研究員
2003年10月　独立行政法人食品総合研究所任期付研究員
2005年9月　岐阜大学応用生物科学部 助教授
2007年4月より現職　博士（農学）

研究分野・著書など：
専門は、食品の物性に関する研究および食品分散系の相変化・形態変化を利用した食品の高付加価値化に関する研究。新たな機能性食品の設計と効率的な食品工学への応用のために、新規な食品加工法や食品工学上必要な食品物性に関する研究を熱分析手法や画像解析法を用いて進めている。