Investigation of the structure of free and bound water in rice gel and the mechanism of water retention by using infrared spectroscopy

Research Project

Project/Area Number	20K05935
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 38050:Food sciences-related
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	大塚由紀子東京大学, 生産技術研究所, 助教 (00251463)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status	Discontinued (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000) Fiscal Year 2022: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000) Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000) Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords	米ゲル / 近赤外分光 / 結合水 / 自由水 / 水素結合状態 / 老化 / 米デンプン / グルテンフリー / 赤外分光 / 水分率 / グルテンフリーの食材 / FTIR
Outline of Research at the Start	米ゲルはグルテンフリーの食材として、最近注目を集めているが、小麦粉の場合と比べてデンプンの老化が早い等の問題を抱えている。一方、米ゲルに含まれる自由水・結合水は保水と深く関わっているため、食品の劣化に大きな影響を及ぼすと考えられる。本研究の目的は、FTIRを用いて米ゲル中の自由水・結合水の構造と含有率を調べることにより、保水のメカニズムを明らかにすることである。本研究では、水分子の水素結合状態というミクロな情報を水分量というマクロな情報に関連付ける新たな手法を用いており、この手法を保水性の評価法の確立や、デンプンの老化についての知見を得ることなど、食品管理の実用的な面に役立てたいと考えている。
Outline of Annual Research Achievements	米ゲルはグルテンフリーの食材として注目されているが、米デンプンの老化という問題がある。本研究では、近赤外分光を用いて米ゲルの乾燥特性を測定し、吸光度スペクトルを解析することにより、米ゲル中の水の構造の変化に着目して米デンプンの老化による保水性の劣化について検討した。我々の実験ではプラズマ処理により表面の親水性を高めたCaF2窓板上に米ゲルを塗布して厚さ0.1mm程度の膜を作製し、試料を窒素雰囲気中で乾燥しながらFTIRによる赤外吸収測定を行なった。得られた吸収スペクトルの4500-5500cm-1の周波数領域における水分子の水素結合状態に着目して吸光度スペクトルを解析し、米デンプン中に含まれる水分子をOH基の伸縮振動に影響を及ぼす水素結合の本数により、S0（水素結合なし）、S1（１本）、S2（2本）の3種類の分子種に分類した。これらの分子種が水全体に占める比率を求めた結果、自由水（自由に動ける水）、結合水（デンプンに束縛されている水）が各々固有の比率（自由水の場合はS0:S1:S2 =1:2:2、結合水の場合はS0:S1:S2 =2:4:1）を持つことから、自由水、結合水を識別できることを見出した。さらに解析の結果から自由水、結合水の量を見積もり、老化の程度の異なる米ゲルの乾燥特性を比較した結果、（１）老化が進むにつれて米ゲル中に含まれる自由水が失われやすくなること、（２）老化の程度が大きい米ゲルほど、結合水の量が多いこと、（３）示差走査型熱量計で測定した再糊化量と老化によって増えた結合水の量とを比較した結果、自由水が枯渇する瞬間の結合水の老化による増量分は、老化の程度と比例関係にあることが実験的に解明された。本研究の成果により、老化のメカニズムに関する有益な知見が得られただけでなく、近赤外分光を用いて結合水の量から老化の量を見積もるという定量的な老化測定の新たな手法を見出すことにも成功した。