食品の水分活性を決める水の物理化学とミクロ構造

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02944
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 中川 洋 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (20379598)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 中性子食品構造物性学 / 中性子準弾性散乱 / 赤外分光法 / 示差走査熱量計 / マルチメソッド / 水和 / ミクロ構造 / 澱粉の糊化

研究実績の概要

様々な水分量の澱粉-水系の糊化を、示差走査熱量計(DSC)、フーリエ変換赤外分光光度計(FT-IR)、中性子準弾性散乱測定によって解析を行った。DSCでは、水分量に依存して異なる温度域に2つの吸熱ピークが観測された。また、FT-IRでは澱粉骨格や水の振動ピークを解析し、2つの吸熱ピークとの関係性を解析した。概ね、DSCとFT-IRの相関は見られるものの、2つのピークの帰属には更なる詳細な解析が必要である。中性子準弾性散乱では、水分量依存的に動的転移が観測された。現在までの解析では、吸熱ピークとの相関性が示唆されるが、動的転移の原因、澱粉の構造にあるのか水分子にあるのかは、これからの詳細な解析によって明らかにする予定である。また小角散乱解析では、澱粉の構造由来のピークが糊化によって失われることを確認しており、FT-IRや中性子準惰性散乱で得られた分子の動的情報との関係性を解析中である。また、サツマイモを用いた解析では、DSC、水分活性値、破断強度などの測定を行った。この解析では、澱粉中の自由水がサツマイモのマクロ物性と密接に関係することが見えてきており、今後、中性子散乱や回折実験等を組み合わせることで、より詳細な解析を進める計画である。このように、澱粉の糊化について、様々な実験データを総合してミクロ構造と水和状態の関係性を解析していくための手掛かりを得ることができており、マルチメソッドによるデータの相関性に着目した解析の重要性が見えてきた。今後は水分活性の視点からも、澱粉等の水分状態についてミクロ構造の観点からの解明を目指す。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

澱粉の糊化の解析において、示差走査熱量計(DSC)やフーリエ変換赤外分光光度計(FT-IR)と中性子散乱データとの相関性が認められる結果が得られており、澱粉の糊化現象についてミクロ構造の視点から理解するための解析が進んだため。

今後の研究の推進方策

中赤外分光測定のスペクトルなどのデータ解析を中性子小角散乱や中性子準弾性散乱による解析と合わせて行う。食品中の水の状態とミクロ構造との関係性を解析することで、水和の観点から食品のミクロ構造を調べ、水分活性の分子論的な解釈につなげていく。

研究成果

• [雑誌論文] Freezable and Unfreezable Hydration Water: Distinct Contributions to Protein Dynamics Revealed by Neutron Scattering (2021)
  • 著者名/発表者名: Naoki Yamamoto, Maiko Kofu, Kenji Nakajima, Hiroshi Nakagawa, Naoya Shibayama
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 12 ページ: 2172-2176
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c03786
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of spin-contrast-variation neutron powder diffractometry for extracting the structure factor of hydrogen atoms (2021)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Miura, Takayuki Kumada*, Yurina Sekine, Ryuhei Motokawa, Hiroshi Nakagawa, Yojiro Oba, Takashi Ohhara, Shin-ichi Takata, Kosuke Hiroi, Toshiaki Morikawa, Yukihiko Kawamura, Kazuki Ohishi, Jun-ichi Suzuki, Yoshiyuki Miyachi and Takahiro Iwata
  • 雑誌名: Journal of Applied Crystallography 巻: 54 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1107/S1600576721000303
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamics of proteins with different molecular structures under physiological condition (2020)
  • 著者名/発表者名: Rintaro Inoue, Takashi Oda, Hiroshi Nakagawa, Taiki Tominaga, Tomohide Saio, Yukinobu Kawakita, Masahiro Shimizu, Aya Okuda, Ken Morishima, Nobuhiro Sato, Reiko Urade, Mamoru Sato, Masaaki Sugiyama
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 21678
  • DOI: 10.1038/s41598-020-78311-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Eco-friendly carboxymethyl cellulose nanofiber hydrogels prepared via freeze crosslinking and their applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Yurina Sekine, Takuya Nankawa, Shunji Yunoki, Tsuyoshi Sugita, Hiroshi Nakagawa, Teppei Yamada
  • 雑誌名: Applied Polymer Materials 巻: 2 ページ: 5482-5491
  • DOI: 10.1021/acsapm.0c00831
  • 査読あり
• [雑誌論文] Protein Hydration studied by Neutron Scattering (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Nakagawa, Satoshi Ajito
  • 雑誌名: Cryobiology and Cryotechnology 巻: 66 ページ: 83-92
  • DOI: 10.20585/cryobolcryotechnol.66.2_83
  • 査読あり
• [学会発表] 蛋白質の階層構造ダイナミクスの解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中川洋、井上倫太郎、小田隆、矢木-内海真穂、斉尾智英、苙口友隆、長田裕也、杉山正明、佐藤衛、川北至信、岩瀬裕希、富永大輝、高田慎一
  • 学会等名: 量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] 糖ガラスに包埋されたタンパク質の構造安定性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平井光博、新井栄揮、中川洋、味戸聡志、岩瀬裕希
  • 学会等名: 量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] 量子ビーム散乱法と分子シミュレーションによるマルチドメイン蛋白質の溶液動態解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中川洋
  • 学会等名: 日本中性子科学会第20回年会
• [学会発表] 中性子準弾性散乱による生体物質の低エネルギーダイナミクス研究と今後の展望 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中川洋
  • 学会等名: 物性研短期研究会「中性子散乱研究の現状とJRR-3再稼働後の展望」