機能性食品における水分活性

リコピンを豊富に含むトマト。CBDを配合したデザート。ブルーベリーやザクロの種などのスーパーフード。ビタミンDを強化した牛乳。機能性食品はさまざまな形をとりますが、その目的は一つです。それは、日々の食事を通じて病気を予防し、健康を増進することです。

メリットを維持する

すべての食品には、健康に寄与する主要栄養素や微量栄養素が含まれています。一方、機能性食品にはさらに特別な成分が含まれています。それは、特定の健康効果や疾病予防・改善作用を持つ化合物です。その化合物が天然由来のものであれ、製品に添加されたものであれ、その効能を謳う機能性食品には、安全性だけでなく機能性成分の有効性も保証できる賞味期限を設定するという、特有の課題があります。

有効成分を保護する

機能性成分は、分解されやすい傾向があります。光、熱、湿気、pH値はすべて、分解速度に影響を与えます。機能性成分を含む常温保存可能な製品を宣伝する場合、メーカーは、時間の経過とともにpH値や水分活性がその成分の有効性に及ぼす影響を理解しておく必要があります。製品の水分活性は、約束された健康効果を確実に発揮させるために、処方および製造過程で考慮すべき重要な基準の一つです。

湿気の影響

飲料に機能性成分が含まれている場合、その分解が急速に進むことがあります。例えば、図1

ビタミンCを添加したオレンジジュースの濃度変化を示している。4週間の間に、その濃度は最大50%も低下する（Nutraceutical Business Review, 2018）。多くのビタミンやプロバイオティクスも、高湿度環境にさらされると同様の影響を受ける（Turkmen, Priyashantha, and Jayarathna, 2019）。

機能性食品の水分活性（Aw）を下げることで、劣化を遅らせることが可能です。その方法の一つとして、水分活性が「単分子膜値」となるように機能性食品を製造することが挙げられます。単分子膜値とは、水分という観点から食品が最も安定している状態を指します。しかし、単分子膜値とは一体何なのでしょうか。また、これはほとんどのメーカーが目指すべき目標なのでしょうか。

単分子膜における安定性

単分子膜は理論上の概念であり、1938年に3人の物理学者（スティーブン・ブルナウアー、ポール・エメット、エドワード・テラー）によって提唱されたものです。多孔質の食品媒体に関するこの理論は、完全に乾燥した物質が水分を吸収していく過程において、ある時点で水分子が製品中のすべての粒子の表面を、分子1層分の厚さで覆うようになるというものです。 理論上、すべての粒子が水分子で覆われ、しかもその被膜が極めて薄い状態こそが、製品にとって最も安定した状態である。タンパク質を多く含む製品の場合、タンパク質は多くの折り畳み構造を持ち、単位質量あたりの被覆面積が広いため、単分子層に達するまでに多量の水を吸収することができる。一方、結晶性砂糖は単純な立方体であり、単位質量あたりの被覆面積がほとんどない。

製品によって吸水量は異なりますが、ほとんどの製品において、最初の層（単層）が形成される水活性値は、0.3 awというほぼ一定の水活性値付近で完了します。この水活性範囲に典型的に含まれる製品としては、朝食用シリアル、小麦粉、パスタなどが挙げられます。 当然のことながら、これらの保存性の高い製品は、1940年代以来、米国の栄養強化プログラムにおいて主要な供給手段として採用されてきた（米国医学研究所（IOM）委員会、2003年）。

より新鮮な食感をお届けします

では、なぜすべての機能性食品が単分子膜値で製造されていないのでしょうか？簡単に言えば、現代の消費者が求めているのは、それとは異なるタイプの機能性食品だからです。つまり、より柔らかく、より新鮮な味わいで、より自然でありながら、そのまま食べられるものを求めているのです。  メーカーは、はるかに高い水分活度で常温保存可能な機能性食品を開発しています。単分子膜値まで乾燥させてしまうと、製品はパサパサして魅力のないものになってしまいます。このような高い水分活度下では、機能性成分の保存期間を最大限に延ばしつつ、製品の柔らかさと新鮮な味わいを維持するために、配合設計は複雑なバランス調整を要する作業となります。

劣化率を追跡する

このバランス調整において、水分活性は極めて重要な役割を果たします。機能性成分の分解速度を水分活性と関連付けて把握することは、製品開発者にとって非常に大きな助けとなります。分解速度は水分活性と相関関係にありますが、成分によってその関係性は異なります。 例えば、多くのビタミンは、水分活性が高まるにつれて分解速度が速くなります（Lavelli, Zanoni, Zaniboni, 2007; Sablani, Al-Belushi, Al-Marhubi, Al-Belushi, 2007 参照）。一方、プロバイオティクスなどの他の成分には、最大の安定性を示す特定の範囲があります。水分活性を最適化することで、保存期間を数日から数ヶ月に延ばすことが可能です。

賞味期限を最適化する

機能性食品が天然由来のものに近ければ近いほど、水分活性が果たす役割は大きくなる可能性があります。例えばドライフルーツの場合、機能性製品の水分活性は、機能性成分の保存期間に影響を与えるだけでなく、カビの発生しやすさや食感といった品質特性にも影響を及ぼします。また、機能性食品が2つ以上の天然原料を組み合わせたものである場合、水分移動も重要な要素となります。

具体的な製品が何であれ、常温保存可能な機能性食品の有益な効果は、水分活性の基礎原理を理解し、それを適用することによってのみ、最高レベルで維持することができます。

参考文献

『ニュートラシューティカル・ビジネス・レビュー』。「熱、水、日光への曝露によるビタミン、プロバイオティクス、その他の有効成分の劣化」。2018年8月7日。

Turkmen, Nazli, Hasitha Priyashantha, および Shishanthi Jayarathna. 「プロバイオティクス配合乳飲料が直面する課題」『New Food Magazine』、2019年10月26日。https://www.newfoodmagazine.com/article/97303/challenges-in-probiotic-d….

米国医学研究所（IOM）栄養表示における食事摂取基準の利用に関する委員会。「食事摂取基準：栄養表示および栄養強化のための指針」。ワシントン（DC）：全米科学アカデミー出版局（米国）；2003年。

Shyam S. Sablani、K. Al-Belushi、I. Al-Marhubi、R. Al-Belushi (2007) 水分活性およびガラス転移を用いた強化粉ミルク中のビタミンCの安定性評価, International Journal of Food Properties, 10:1, 61-71, DOI: 10.1080/10942910600717284

Lavelli, Vera、Bruno Zanoni、およびAnna Zaniboni。「脱水ニンジンにおけるカロテノイドの分解に対する水分活度の影響」。『Food Chemistry』、第104巻、第4号：2007年。1705-1711ページ。

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