なぜ粉末は扱いにくいのか

しかし、粉が引き起こす危険なトラブルが、他の場面で起きていることに気づいていないかもしれません。こうした目立たず、あまり知られていない問題は、健康被害や製品リコールなど、重大な事態につながる可能性があります。無視すれば、自己責任となります。

METERフードR&Dラボの責任者であるメアリー・ギャロウェイ氏と、主任食品科学者のザカリー・カートライト博士が、最新の研究成果を発表し、粉末が思わぬ挙動を示すさまざまな理由を詳しく解説します。

学習内容：

• 自社製品の機能性食品としての効能について、誤った情報を意図せず提供している企業はどれほどあるだろうか
• 低水分食品がもたらす微生物学的リスクと、それに関する危険な誤解
• 粉末の安定性に影響を与える要因は多岐にわたるが、その中で特に注意すべき重要な要因は何か
• 粉塵の問題がどこで発生するかを特定する方法、および問題が起きる前に予防する方法

登壇者について

メアリー・ギャロウェイは、METER食品研究開発ラボの責任者です。彼女は、水分活度を測定し、それが物理的特性に及ぼす影響を評価するための機器の使用と試験を専門としています。これまでに、世界最大手かつ最も成功している数十の食品ブランドと協力し、水分に関連する製品の問題解決に取り組んできました。

ザカリー・カートライト博士は、METER Groupの主任食品科学者です。ワシントン州立大学で食品科学の博士号を、ニューメキシコ州立大学で生化学の学士号を取得しています。等温分析および蒸気吸着分析装置（VSA）の活用に関する専門家です。

読み上げテキスト（読みやすさを考慮して編集済み）

ザカリー：

みなさん、こんにちは。「Why Powders Misbehave」へようこそ。私はザカリー・カートライトです。

メアリー：

そして、私はメアリー・ギャロウェイです。

ザカリー：

まずは、本日の内容の概要から始めましょう。 まず、粉末とは何かについてお話しし、その定義を説明した後、主に粉末の3つの異なる側面について焦点を当てていきます。固結や凝集、流動性の低下といった物理的安定性について見ていきます。メアリーが実験データをいくつか紹介してくれる予定です。その後、酸化や褐変反応といった化学的安定性について取り上げます。メアリーさん、あなたも何か研究結果をお持ちですよね。

メアリー：

はい。研究室でビタミンCの分解に関する研究を行いました。

ザカリー：

最後に、微生物学的安定性について見ていきましょう。水活性が低い環境とはいえ、微生物に関する懸念は依然として残っています。確か、皆さんが現在執筆中、あるいは引用されている論文があり、そこを重点的に取り上げる予定ですね。

パウダー入門：基礎知識と用語解説

ザカリー：

メアリー、粉末って何？　粉末をどのように定義しますか？

メアリー：

まあ、粉末とは何かについては、至る所で見かけるものなので、理論上はほとんどの人が知っているでしょう。以前この話題について話し合った際、市場が重要でした。粉末のカテゴリーについて言えば、スパイスや食材などが挙げられます。製薬業界でも、添加剤や原薬（API）を指す言葉として使われており、それらは実に多様な役割を果たしています。

基本的に、粉末とは微細な粒状の製品のことです。2017年にBandariが発表した論文に、その良い定義が見られました。要約すると、粉末の主な定義は構造にあるとされています。すなわち、非晶質、結晶質、あるいはその両者の組み合わせです。これら二つの相互作用や粒子径は、粉末の機能性、用途、そして製造に影響を及ぼします。

つまり、これが粉末製品がこれほど巨大な市場であり、かつ非常に扱いが難しい理由です。それは、粉末製品が極めて多様な市場や機能グループにまたがっているからです。

ザカリー：

以前、粉末に関するウェビナーを開催し、そこで非晶質と結晶質についてもう少し詳しく解説しました。基本的に、分子構造の観点からはいくつかの重要な違いがあります。結晶構造には、明確に定義された繰り返し構造が見られます。これは分子レベルで確認できる特徴です。粉末を目視してもこれらの違いが確認でき、その点については図も用意しています。

前回は、これらの粉末を混合することや、その相乗効果についてお話ししました。さらに詳しく知りたい方は、前回のウェビナーをご覧ください。また、粒子径についても触れましたが、今回はその点についてさらに掘り下げてみたいと思います。粒子径は、粉末の特性にどのような影響を与えるのでしょうか？

メアリー：

粒子径は、粉末の特性に大きな影響を与える要因であり、粉末の取り扱いが困難になる主な理由でもあります。粒子径が小さくなると、予期せぬ粒子間のブリッジングが生じ、その結果、粒子が粘着し始めたり、凝集したりといった現象が起こりやすくなります。

粒子の一般的な大きさ以外にも、いくつか考慮すべき点があります。粒子の形状も要因の一つです。また、結晶性粉末を混合すると、「潮解」と呼ばれる現象が起こることが研究で明らかになっています。これは、個々の粉末が単独で示すよりも早く、固体から液体に変化する現象です。その原因は、粒子の大きさが異なることにあります。

こうした接触箇所が生じると、ブリッジングや問題が発生し始めます。結晶性粉末は特に扱いが難しい場合があります。ご指摘の通り、それらは非常に規則正しい構造を持っているため、水分は基本的にその構造の表面にしか付着しないからです。 これは単なる表面的な相互作用に過ぎませんが、非晶質粉末の場合は、多くの隙間や不規則な形状・サイズが存在するため、水は非晶質粉末とより容易に結合します。これにより機能的な違いが生じるだけでなく、配合設計者としてこれらを使用する際にも影響を及ぼします。

ザカリー：前回お話ししたときは、固結の5つの段階について見ていきました。凝集に至り、最終的に液状化に至るまでには、いくつかの段階があります。

今日、これらをすべて詳しく説明する必要はありませんが、結塊や固まりは初期段階から発生し始める可能性があるという点には触れておきたいと思います。これを抑制する一つの方法は、これらの粉末の水分量と水分活度を確認することです。当社のウェビナーではほとんどの場合これを取り上げていますが、水分量や水分活度とは何かを明確に定義し、これらを組み合わせて物理的変化や化学的・微生物学的安定性について考察する方法について話し合うことは、常に有益です。

まずは水分含有量と水分活性について見ていきましょう。この件に関しては、分かりやすい図と適切な定義を用意してくださっていると思います。これら2つの異なる測定値を、どのように区別すればよいのでしょうか？

メアリー：

私たちが話を聞く人の中には、水分活性という概念を初めて耳にする方もいますが、ほとんどの人は水分含有量についてはよくご存知です。私はこれらを区別して、水に関する測定には2つの方法があると説明するようにしています。1つは水の量、つまり水分含有量を調べる方法です。もう1つは水のエネルギー、つまり「水にはどのような働きがあるのか」を調べる方法です。これらを測定する方法は、まったく異なります。

水分含有量については、質量パーセントで表されるため、単に重量を見ているに過ぎません。しかし、水分活度については、実際には「蒸気圧」と呼ばれるものを測定しているわけですから、これは試料から放出される湿気と似たようなものです。

当社の研究やその他のウェビナーをご覧いただければ、水分活性について解説しています。ここで言及しているのは、基本的にサンプルから放出される平衡状態の湿度であることを念頭に置いていただくと、これら2つの概念をより深く理解する助けになるかもしれません。また、外部環境や周囲の条件が製品にどのような影響を与えるかについても触れていますので、これらも留意し、監視しておくべき点です。

ザカリー：

ご指摘の通りですね。水活度が「水の利用可能性」だと誤解されているのを今でもよく目にしますが、それは正確な定義ではありません。水活度は熱力学の原理に基づいたものです。それはまさにその水のエネルギーそのものであり、水のエネルギーは化学反応やテクスチャーの変化などに利用される可能性があるため、この点を理解しておくことは重要です。その点をしっかり押さえておくのは良いことです。水活度とは、つまり水のエネルギーを測る指標なのです。

当社には、水分含有量に関するデータはしっかり記録しているものの、正確な測定に苦労しているというお客様が絶えず訪れます。水分含有量を正確に把握できないため、直面している問題の一部を水分含有量と結びつけることが難しいのです。特に粉末の場合、水分含有量だけでは必要な情報をすべて得ることはできません。

水分活性と水分含有量を組み合わせることで、等温線を分析することができます。これは私たちが常に話題にしていることですが、それは、製品中の水分を独自の視点から捉え、その製品内で水分がどのように振る舞っているかを包括的に把握できるからです。では、どのようにして等温線を測定するのでしょうか？また、その形状をどのように観察し、粉末のさまざまな特性と関連づけるのでしょうか？

メアリー：

等温線を活用する方法の一つとして、臨界点、つまり製品の食感や構造に変化が現れ始める臨界水分活度の特定が挙げられます。要するに、どの時点で変化が始まり、水分を大幅に吸収し始めるのかということです。一般的に粉末の場合、この時点から固まりや塊が生じ始めます。 スナック菓子のような他の製品の場合、柔らかくなり始めることがあります。これらを特定することが重要です。また、等温曲線自体の傾きや形状を観察することで、先ほど述べた非晶質と結晶質の区別など、製品の構造を特定することも可能です。こうした点も検討できます。 さらに、これらのサンプルを湿った空気にさらし、その挙動をリアルタイムで観察することで、クライアントにとって有益な製品に関する多くの有益な情報を得ることができます。

ザカリー：

ここで強調しておきたいのは、当社には「動的露点等温線」と呼ばれる独自の方法があり、これが水の挙動を高解像度のグラフや画像として捉えるための最良の方法であるということです。 後ほど他の手法についても触れますが、この動的露点等温線と水蒸気吸収分析装置を併用することで、水の特徴を把握し、物理的安定性をはじめとする検討すべき要因を分析するのに最適な方法となります。次のセクションでは、物理的安定性について、そしてそれが粉末にとってどのような意味を持つのかについて解説します。

メアリー：

わかった。

粉末の物理的安定性の評価

ザカリー：

物理的安定性について、さらに詳しく見ていきましょう。物理的安定性と粉末について考える際、考慮すべき主な要因は3つあります。それは、水分、温度、そして時間です。これらについては各自で詳しく調べていただき、必要に応じて補足してください。

メアリー：

水分に関しては、基本的に、利用可能な水分量が多ければ多いほど、変化するプロセスや構造も多くなります。DDIについてお話しされていた際、私が真っ先に思い浮かべたのは、ガラス状からゴム状へと変化する噴霧乾燥粉乳の例でした。

さて、もしもっと伝統的なスタイルの等温線実験を行った場合、その変化は本質的に飛び越えられてしまうため、実際にはその変化を見逃してしまうことになります。 通常は、特定の湿度条件下で物質を保持し、何が起こるかを観察します。しかし、DDIではリアルタイムのプロセスを追跡できるため、こうした変化が実際に起こっているのを目撃できるのです。私が等温線を用いてリアルタイムのデータを可視化し、重要な変化がいつ発生し始めるかを把握することについて言及しているのは、まさにこの点です。水分はこれらのプロセスに大きな影響を与えます。なぜなら、水は反応を加速させる傾向があるからです。

それは溶媒にもなれば、反応物にもなり、さらには化学反応における緩衝剤となることさえあります。プロセスが進むにつれて、あるいはそのプロセスに水分が追加されるにつれて、その役割が変化することもあり、その結果、反応速度が実際に変化するのが確認できます。水分以外にも、温度についても検討する必要があります。 私たちが好んで示す図があります。これは、製品に熱を加えたり温度を上げたりするにつれて、これまで言及してきた「臨界点」がどのように変化するかを表現するのに最適な方法だからです。何が起こるかというと、考えてみれば納得できることですが、その変化がより速く起こるようになります。 系にエネルギーが加わると、その系の流れが速くなります。その結果、より低い水分活度で、あるいはそのプロセスにおいてより速い速度で、これらの変化が起こるようになります。

最後に重要なのが「時間」です。ある変化に十分な時間を与えれば、それは必ず変化します。たとえ温度や湿度といった他の条件を一定に保つことができたとしても、十分な時間があれば、変化は起こるのです。 つい先日、この例について考えていました。古いガラス窓を例に挙げると、非常に古いガラス窓の上部と下部を測定してみると、下部の方が上部よりも厚くなっていることがわかります。これは、長い時間をかけてガラスが流動したためです。これは、あるプロセスに十分な時間を与えれば、それは完成に至るという考え方です。これら3つの要因すべてが、物理的な安定性に影響を及ぼすのです。

ザカリー：

また、質問の内容によっては、利用できる手法や等温線の種類が異なる点にも留意する必要があります。 動的露点等温線に戻ると、これを利用することでその臨界点を特定し、どの水分活性、あるいはどの相対湿度と温度の組み合わせがその現象を引き起こすのかを正確に把握することができます。そして、その臨界点がどこにあるかを知れば、DVS試験（動的蒸気吸収試験）を実施して、時間に関する問いを検証することも可能です。

先ほどお話しした窓の例に戻りますが、特定の条件下で実際にこの臨界点に達するまでには、どれくらいの時間がかかるのでしょうか？その答えを出す方法があります。当社には、これら両方の測定法に対応した蒸気吸収分析装置があり、これは他に類を見ない、まさに唯一無二の装置です。物理的安定性に問題がある場合、これら両方の試験方法を利用できることは非常に有効です。

それでは、あなたのスパイスブレンドのプロジェクトについてお聞きしましょう。このプロジェクトとはどのようなものでしたか？その目的は何で、そこから何を学びましたか？

メアリー：

ご存知のように、水活性に差があるため、水分は移動します。 問題は、水分がどれほど移動するかということです。それを予測できるのか、そしてその予測はどれほど正確なのか。私たちにはそのためのツールがあります。製品間の相互作用をモデル化しようとする方程式は確かに存在します。私たちのプロジェクトで行ったことは、基本的に6種類の異なるブレンドを用意したことです。スパイス類や、ソルビトール、コーンスターチ、オニオンソルトにマルトデキストリンを配合したもの、さらにセージ、オレガノ、クミンといったスパイス類です。これらを組み合わせました。 まず、すべての混合物を非常に特定の水分活性に調整しました。さらに、それらの全成分について等温線測定も行いました。なぜなら、初期の水分活性や血液中の質量比だけでなく、湿気の存在下でどのように振る舞うかという等温線の特性こそが主要な要因だからです。

私たちは、それらがどのように水分を取り込むのか、あるいは取り込まないのか、あるいはどのような状態になるのかを知りたいのです。 優れた予測モデルを構築するためには、その製品に関する情報を把握する必要があります。そこで、既知の質量比でそれらを混合しました。その後、平衡状態に達するまで時間を置き、水分活度を正確に測定しました。さらに予測も行いましたが、その結果は非常に良好でした。基本的に、私が示しているのは実施した組み合わせで、一番上のものはコーンスターチとオニオンソルトです。 コーンスターチ1.5gを混合したところ、初期の水分活度は0.435でした。オニオンソルトは1g使用しましたが、初期の水分活度はより低くなっています。ご覧の通り、初期の水分活度は0.35でしたが、これらを混合した結果、実際の混合物の水分活度は0.429となりました。

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等温線を考慮し、初期質量と初期水分活度を組み込んだ予測モデルを実行したところ、最終的な水分活度は0.431になると予測されました。つまり、極めて、極めて近い値でした。これらは良好な結果を示しました。実際、粒子径が微細であるため接触面積が広く、平衡状態への到達が早くなります。これはそれほど驚くことではありませんでしたが、これほどうまくいったのは喜ばしいことでした。 他のいくつかの例を見ても、非常に良好な結果が得られたことがわかります。また、マルトデキストリンとソルビトールについても実験を行いました。それぞれの量や初期濃度を変化させ、一方は他方よりも高濃度にし、その後入れ替えてみました。少し試してみるために、様々な組み合わせを試みたのです。さらに、下段のスパイス、セージ、クミン、オレガノについても実験を行いました。

これらはかなりうまくいきました。今回の設定における最悪のケースは、最後の例でした。――こう言うべきではないかもしれませんが、科学者としての私はそう言わざるを得ません。ご覧の通り、予測値は0.35の水活性でしたが、実際の値は0.395でした。予測値より約0.05低かったのです。ここでは、この仕組みについてお話しし、その後、私たちが行った比較結果について説明したいと思います。

ここでは、セージ、クミン、オレガノの各等温線、そしてそれらをすべて組み合わせた複合モデルをご覧いただけます。 また、どこから始めたのかもお見せしたいと思います。これは、等温線と質量比に基づいて算出した初期の水分活度と初期の水分含有量を持つ、すべての原料を投入した時点の状態です。これらをすべて投入すると、最終的な水分活度が0.349になったことがわかります。

さて、ここで重要なのは、これを数学的に行っているという点です。ですから、各成分について、適切な表現、つまり適切な数学的方程式と係数を確保する必要があります。それができて予測を立てたところ、結果はかなり正確で、私はとても満足しました。 スパイスに関しては粒子の大きさや、接触が十分でない可能性もあり、もう少し長く混ぜ合わせていれば、結果が少し異なっていたかもしれません。しかし、得られた結果には非常に満足しています。また、この結果を基に、別の角度から検討してみたいと思いました。

赤色の曲線で示しているように等温線をモデル化しましたが、このブレンドを調製した後、実際にどのような結果が得られるかを確認するために等温線測定を行ったため、その実測値とも比較してみたかったのです。ここから、実測の等温線とモデル化された等温線の違いがわかりますが、両者は非常に良く一致しており、特に私たちが注目している領域ではその傾向が顕著です。 スパイス成分について見てみると、水活度の範囲としては概ね0.2から0.4のあたりに分布しています。ご覧の通り、非常に良好な一致が見られます。今回の研究データについては、非常に手応えを感じています。先ほど申し上げた通り、これは我々が想定した最悪のケースです。その他のケースでは、実際にはさらに良い結果が得られました。

ザカリー：

ここで一歩引いて、この手法の実用的な応用について考えてみたいと思います。私は日常的に、新製品をできるだけ早く市場に投入しなければならないという大きなプレッシャーにさらされている科学者たちと話をしています。乾燥原料の配合にこの種のモデリングを活用すれば、実際に製品を作る前に、その最終製品について多くの知見を素早く得ることができます。 ライブラリを構築し、各原料の等温線を用意するには多少の時間がかかりますが、一度それが完了すれば、コンピューターの前で座ったまま、平衡水分活度がどうなるかを非常に素早く把握できるようになります。当社の水蒸気吸収分析装置に付属する「Moisture Analysis Toolkit」の新プログラムを使えば、ツールキットソフトウェアがすべての作業を代行してくれます。 先ほど方程式について触れられましたが、確かに背景には方程式が存在します。しかし、ご自身でスプレッドシートを作成したり、すべてを手作業で行ったりする必要はなく、その手間はすべてツールキットが代行してくれるため、平衡水分活度がどうなるかを簡単に把握できます。

これで、先ほどお話しになったモデルの係数も入手できるようになりました。これらの係数を使えば、予測される保存期間や、臨界水分活度に達するまでの時間、あるいはどのような包装材を使用すべきかといった点について、具体的な検討を始めることができます。時間をかけてこれらの等温線をじっくりと観察し、「このデータをどう活用すれば、さまざまな疑問に答えられるか」を正確に理解すれば、できることはたくさんあります。 ちなみに、今お見せしているグラフは「Moisture Analysis Toolkit」というソフトウェアから生成されたものです。栄養補助食品を製造しているお客様から、国内最大手の香辛料メーカーまで、多くのお客様がこれらの式やツールを活用して、生産プロセスの効率化を図っています。

メアリー：

ご指摘の通りですね。付け加えると、等温線さえあれば、この予測を何度でも再実行できます。どの部分でも変更して、ほんの数秒で再実行できるんです。例えば、この配合があまり気に入らなかったり、流動性が悪かったり、あるいは風味が良くなかったりする場合、質量比を変更することができます。 例えば、クミンが多すぎるといった場合です。そのレシピを調整することも可能で、ソフトウェア上で簡単に変更できます。あるいは、過去のウェビナーで話題にした季節性について考えてみましょう。季節によって、仕入れられる原材料が変化する可能性があります。

水分活性は、夏には高くなり、冬には低くなる傾向があります。予期せぬ水分が製品に混入するといった不測の事態を避けるためにも、製品が到着した際にその状態をしっかりと確認することが重要です。この設定はここで変更可能です。各製品の初期の水分活性を変更し、予測を再実行することができます。その情報を得れば、それを活用して様々な調整を行うことが可能です。

ザカリー：

さて、これまでは主に物理的安定性についてお話ししました。では、次は化学的安定性に移り、水分活度を活用して化学的安定性をより深く理解する方法について見ていきましょう。

粉末の化学的安定性の評価

ザカリー：

化学的安定性について話を進めるにあたり、先ほど提示した安定性図を改めて見てみたいと思います。

これが重要な理由は、その粉末が約束された健康効果をもたらすかどうかを検討する必要があるからです。ビタミンについては、約束された量が含まれているのか、あるいは注意すべき何らかの化学変化が生じていないのか、確認する必要があります。その安定性図を見ると、分解速度や反応速度が変化する点がいくつかあります。例えば、水分活性が0.6付近になると、褐変反応が増加する可能性があります。 水活度が非常に低い領域では、脂質酸化が加速し始めることが確認されます。

水分活度が反応速度にどのような影響を与えるか、またどの反応が賞味期限の終了に関連しているかを理解しておく必要があります。最近、ビタミンCに関する実験を行い、それがどの水分活度と関連しているかを調べていたと聞いています。その実験の内容と、どのような結果が得られたか説明していただけますか？

メアリー：

化学反応速度の追跡は少し複雑ですが、追跡が可能であれば、それは実現可能です。反応速度を追跡できれば、その情報を用いて保存期間を予測し、保存期間が終了したとみなされる時点までのタイムラインを概ね把握することができます。 我々の研究はアスコルビン酸を対象としたもので、基本的には2種類の水分活度と3種類の温度条件下で試験を行いました。その後、UV-Vis分光法を用いて分解の経過を追跡し、それらの反応速度を算出することができました。

この点で重要な要素の一つは、この種の反応でよく用いられるアレニウス式を採用していたことです。基本的には、反応速度を温度とエネルギーに関連づけることになります。エネルギーを特に水活度と関連づけられることは、すでにわかっています。

我々は、時間0から開始し、その後数日から数週間にわたり、アスコルビン酸を特定の環境条件と温度下に曝露させ、その変化を観察し、グラフ化する研究を行っています。これが我々の研究です。基本的に、温度と水分活度が分解速度にどのような影響を与えるのかを知りたいと考えています。 ここに、グラフとして示している経時変化のデータがあります。水活度は0.76と0.948、使用した温度は以下の通りで、これらを加速試験として実施しています。 温度は30℃、40℃、50℃の3段階です。基本的には、これらのデータを計算機に入力し、アレニウス方程式を用いて情報を導き出し、すべてのデータを相関させます。すべてのデータと実験データが入力され次第、プログラムに対して具体的にどのような点に関心があるかを指定することができます。

どのような温度を重視するのか？どのような水分活度を重視するのか？さらに、試験において保存期間の終了点をどこに設定するかも定義する必要があります。残存率はどの程度か？私たちのケースでは、ビタミンCの残存率が75％になった時点を終了点と決定しました。 つまり、ビタミンCの25％が失われた時点で、それを保存期間の終了とみなすことになります。もしあなたが処方担当者や製造業者であり、先ほどお話ししたようなビタミンを配合している場合、製品に含まれるビタミン量や有効成分の含有量について特定の表示をしているはずです。保存期間の終了基準は、その値に基づいて設定することになります。

そのすべての情報を入力できれば、保存期間を算出することができます。今回のアスコルビン酸の場合、30℃での保存を想定し、水分活度を0.8程度に設定するとします。これはかなり高い数値ですが、蒸気の立ち込める浴室などではこの値に達する可能性があります。これは相対湿度約80％に相当します。先ほども述べたように、75％が限界となります。 このアスコルビン酸が十分な効力を失うまで、62日間あります。

化学的安定性とは、基本的にそういう仕組みです。それを追跡するだけでよく、もしそれを測定できるのであれば、この研究を行うことができます。

ザカリー：

繰り返しになりますが、これは「水分分析ツールキット」に含まれるもう一つのツールであり、特に化学的安定性の評価を目的としています。データの収集には多少時間がかかる場合がありますが、一度データを収集すれば、ツールキット内で簡単にグラフ化することができます。先ほどご覧いただいたように、初期の水分活性や対象となる温度を入力し、保存期間の終了条件を定義するだけで、すぐに計算結果を得ることができます。 試験の設定には多少時間がかかるかもしれませんが、これらは当社で実施することも、あるいは湿度チャンバーの使用方法についてクライアントに指導することも可能です。一度データが収集されれば、計算には高い柔軟性があり、多くの知見を得ることができます。今回のケースでは特にビタミンCに注目しましたが、これは測定可能であり、値を割り当てることができるあらゆる物質に適用可能です。

メアリー：

どちらの方向にも起こり得ます。今回のケースでは劣化速度を表している可能性もありますが、褐変反応など、時間の経過とともに増加する何らかの現象によって保存期間が短縮された可能性もあります。それは特定の色値だったかもしれません。測定さえできれば、何が原因かは問題ではありません。その変化を追跡する方法さえあれば、それを速度に変換して、このようなグラフを作成することができます。

ザカリー：

現在、栄養補助食品は数多く出回っており、粉末状の製品も多いため、このようなツールを使えば、目標とする水分活性や保存条件、あるいは保存期間を短縮させる要因を把握するのに役立ちます。特定のビタミンが何パーセント失われるのか、あるいはラベルに記載されている効能をどのようにして主張できるのか。それを確実に知るにはどうすればよいのでしょうか。このツールは、そのための有効な手段となります。

メアリー：

繰り返しになりますが、先ほど示した例では、条件を変更することが可能です。温度や水活度といった条件を変更したり、最終的な目標値を変更したりすることもできます。これらすべては簡単に変更でき、予測を再実行するだけです。

粉末の微生物学的安定性の評価

ザカリー：

最後に、微生物学的安定性についてです。多くの粉末製品は水分活性が低いものですが、それでも安全上の懸念が残り得ることを認識していない場合があります。 つまり、粉末には懸念される微生物が含まれている可能性があり、安全である場合もあるものの、必ずしも無菌であるとは限りません。粉末に水分を戻すと、もしそこに胞子や懸念される微生物が存在する場合、水分が戻った時点で安全上の問題が生じ始める可能性があります。最近、ある論文の執筆にご協力されたと伺いましたが、その論文の内容についてお話しいただけないでしょうか。

メアリー：

まさにその通りです。水分含有量の低い食品であれば、微生物の増殖を心配する必要はなく、水分活性について知る必要もないという考えがありますが、実際には、残念ながら水分含有量の低い食品に関するリコール事例が数多くあり、ピーナッツバターや小麦粉、粉ミルクなどにおいて、大腸菌やサルモネラ菌による集団感染が発生しています。 本当に残念なことです。まさにその通りで、水分活性は微生物の増殖を抑制する優れた指標なのです。水分活性が0.6未満であれば、何も増殖しません。しかし、それによって誤った安心感が生まれてしまいます。「私の製品は水分活性が低いから心配いらない」と思いがちですが、先ほどおっしゃっていた通り、水分活性は殺菌工程ではありません。つまり、微生物は死滅しているわけではなく、単に休眠状態にあるだけなのです。

もしそれらがより高い湿度や水分活性の環境にさらされた場合、例えばクッキー生地に小麦粉を加える（本来そうすべきことですが）と、微生物が繁殖・増殖できる環境が生まれてしまいます。こうしてサルモネラ菌や大腸菌などが公衆衛生上の脅威となる理由がお分かりいただけるでしょう。これは実に広範なテーマです。 最近、食品保護に関する会議に出席した際、この件についてはかなり議論され、多くのセッションが設けられていました。また現在、水分含有量の少ない食品を殺菌または低温殺菌するために何ができるかについて、多くの研究も行われています。 研究は進行中であり、私たちも、そしてあなたもご存知の通り、微生物の増殖や発生している集団感染を防ぐために、低水分食品をどのように殺菌・低温殺菌できるかを模索し、その方法を考案しようと非常に積極的に取り組んでいる研究者が何人かいます。

ザカリー：

最近私たちが話を伺った研究者の一人がジェニファー・アカフ博士です。彼女は、低水分食品やその製造環境について研究しており、さまざまな方法や衛生管理技術、さらには低水分食品にさえ食中毒菌が混入するのを防ぐにはどうすればよいかを検討しています。先日、彼女とのポッドキャストを収録しましたが、そこで彼女はこの点について語ってくれました。 私の見解としては、衛生管理を徹底し、環境を可能な限り清潔に保つことが重要です。これは、ワシントン州立大学のミント・マイケル博士とも最近改めて話し合った点ですが、微生物学の観点から、温度、時間、水分活性の組み合わせには様々なものがあることを理解する必要があります。しかし、あなたが指摘したように、すべての種類の食品を加熱できるわけではありません。加熱すると、食品の構造に変化が生じてしまうからです。

他にも、電子レンジや高圧処理など、水分活度を考慮しながら組み合わせることで、これらの食品の安全性を最大限に確保できる方法があるかもしれません。もしご興味があれば、アカフ博士やマイケル博士とのポッドキャストをお聴きになり、食品の安全性についてさらに詳しく学んでみてください。

メアリー：

また、殺菌工程を行う際、水分活性が実際にどのような役割を果たすのかについても考えました。たとえそれが可能だとしても、例えばビーフジャーキーのような場合、効果を上げるためには時間と温度の組み合わせに加え、湿度も重要になります。 もう一つのポイントは、仮にその条件を満たせたとしても、実際に除去したい微生物を死滅させる環境を作れているかということです。適切な時間と温度を設定しても、湿度が低ければ殺菌効果は十分に得られません。間違いなく、これらすべての要因が関係しているのです。

まとめとおすすめ

ザカリー：

簡単にまとめると：

• 今日は粉末について学び、その定義について考えてみました。
• 物理的、化学的、および微生物学的安定性について検討した。
• 本日お話しした内容について調査・検討を行うために使用した、AQUALABの製品についていくつかご紹介しました。

ここで一つお伝えしておきたいのは、当社は最終製品や原材料を測定するソリューションを提供しているだけでなく、噴霧乾燥製品に非常に役立つ「SKALA Dry」というインラインソリューションも取り扱っているということです。

気温や季節の変化に伴い、品質の安定した製品づくりにお困りの場合、SKALA Dryなら、その製品に最適な水分活度を自動的に調整することができます。

また、先ほどご紹介したポッドキャスト『Water In Food』もぜひチェックしてみてください。YouTubeチャンネルも運営していますので、ぜひ聴いていただき、チャンネル登録もお願いします。

それでは、ここで質疑応答の時間を設けましょう。

1. 私が扱っている粉末の吸湿性を測定または追跡する方法はありますか？

ザカリー：

素晴らしい質問ですね。吸湿性については、等温線の形状を観察することができます。これは先ほども触れた点ですが、改めて取り上げてもよいでしょう。重要なのは、曲線の傾きに注目することです。

ここでは、さまざまな添加剤について検討していますが、その曲線の傾きが急であるほど吸湿性が高く、その粉末が水分を多く取り込んだり吸収したりしていることを示しています。単にその曲線の形状を見るだけで、各粉末の吸湿性の違いを直感的に、かつ瞬時に把握することができます。他に何か付け加えることはありますか？

メアリー：

それは的確な説明ですね。基本的に、その勾配が急であればあるほど吸湿性が高くなり、それはつまり、最終製品が何であれ、より多くの水分を供給できることを意味します。その関係性や、物質の吸湿性を理解することは、間違いなく重要な要素です。

ザカリー：

付け加えると、使用する数式や目標、あるいは最終的な結果によっては、勾配を強くした方が良い場合もあれば、そうでない場合もあります。どのような勾配が必要かは、製品や数式によって異なります。

メアリー：

水分の含有量を増やしたり、水分を保持したりしたい場合には、それが有効な方法です。吸水性が非常に高い原料を使用すれば、製品に多くの水分を取り込むことができ、目標とする特定の水分活度に合わせた配合が可能になります。ただし、これは必ずしも悪いことではなく、単に知っておくべき点です。

2. ビタミンCの分解に、温度と水分活性のどちらがより大きな影響を与えたか？

メアリー：

わかりました、これについては私が説明します。ビタミンCの分解において、温度よりも水活性の方が明らかに主要な要因でした。もしデータを改めて確認していただければ、ご自身でもお分かりいただけるはずです。なぜなら、温度のみを変えた反応と、水活性を変えた反応を比較してみると、このケースではどちらがより重要な要因であるかが、実は非常に明確だからです。

ザカリー：

これはビタミンごとに異なるものであり、実は最近私たちも議論している点です。しかし、ビタミンCがこのように振る舞ったとしても、関心のあるビタミンや有効成分については、それぞれ個別に検討する必要があります。必ずしもこれが一般的な傾向になるとは限りません。 必ずしも水分活性がより大きな影響を与えるとは限りません。どちらがより大きな影響を与えるかを理解するためには、このような研究を行う必要があります。

メアリー：

そうですね。酸化しやすいのは酸素やビタミンEかもしれませんから。それらを追跡すれば、それぞれ異なる反応が見られるかもしれません。しかし、ビタミンCの場合は水分活性が原因でした。

3. 水分活性や水分含有量は、粉末の溶解速度とどのような関係にあるのでしょうか？

メアリー：

必ずしも水分活性や水分含有量そのものが問題なのではなく、粉末自体の構造や溶解速度、そしてその粉末が置かれる環境の方が重要だと思います。例えばドリンクミックスのようなものであれば、水分活性の高い環境下にあるため、素早く溶解するでしょう。しかし、状況によります。 例えば、水和物を含む物質の場合、一般的にすでに水が結合しているため、溶解が早くなる傾向があります。すべては状況次第です。単に粉末の水活性や水分含有量を知るだけでは不十分で、その構造や、どれだけ速く溶解できるかという点の方が重要です。

ザカリー：

さらに付け加えると、等温線やDVS試験の結果を併せて検討することで、潮解点や物質がすべて溶液に溶け込む点を特定できれば、DVS試験を用いてその過程にどれくらいの時間がかかるかを把握することができます。構造を調べるとともに、等温線からの知見も参考にするとよいでしょう。

メアリー：

そうですね。粉末製品において、水に溶けやすいことは重要な要素です。私たちがこれまで扱ってきた粉末製品のほとんどは、そうあるべきものだからです。単なるドリンクミックスであれば、何か他のものに混ぜるだけですが、パッケージに詰める前に固まったり塊になったりするのを防ぎたい場合はどうでしょうか？ 誰もが経験したことがあると思いますが、ドリンクミックスなどを開けてみると、固まってしまっていることがありますよね。 等温線を分析して、その混合物にとっての臨界点がどこかを特定し、その温度を超えないようにする包装を施すか、あるいは固結防止剤などを添加する必要があるかもしれません。これらはすべて、粉末の溶解性に関わる要素です。

4. 非晶質粉末の保存期間は、結晶性粉末の保存期間と比べてどうですか？

ザカリー：

それは、保存期間を終わらせる要因が何であるかによります。食感の変化なのか、それとも化学的な変化なのか、どちらでしょうか？まず、その「終了時点」がどのような状態なのかを明確にし、その上で何を添加すべきかを検討する必要があります。

メアリー：

いい質問ですね。結晶性粉末には、先ほど触れたように潮解点があります。 ご存知の通り、結晶性粉末は固体から直接液体へと変化する性質があり、その変化は周囲の湿度に左右されます。もしその結晶性粉末を取り巻く環境を、その点以下に保つことができれば、粉末の構造を変えることなく、活性を急速に変化させることができます。そうすれば、非常に長い保存期間を確保できます。例えば、ショ糖や塩化ナトリウム（NaCl）などが挙げられます。これらであれば、保存期間が長くなります。

しかし、それを上回ってしまうと、問題が生じます。あなたが言ったのとは違って、すべてが重要なんです。保存期間を左右するのは何でしょうか？製品がさらされる環境はどのようなものですか？では、どのような選択が理にかなっているのでしょうか？ 甘味料に関するウェビナーも開催しましたが、そこで興味深かったのは、甘味料の溶解性の特性についてです。非晶質と結晶質の構造が切り替わることで、製品から実質的に沈殿してしまう可能性があるという点は、非常に複雑な問題です。明確な答えはあるのでしょうか？ 少し簡略化して説明してみましょう。 結晶構造の場合、その臨界点以下に保てれば、その温度以下の環境にはさらしても問題ありません。実際には変化しません。なぜなら、水との相互作用はすべて表面で起こるからです。しかし、その臨界点を超えている場合や、化学反応が起こる場合、あるいはその他の要因がある場合は、また別の話になります。

ザカリー：

付け加えると、結晶性固体や粉末の場合、その潮解点は通常かなり高く、おそらく水活度が0.9程度、あるいはその範囲内ですが、一方、非晶質粉末では水活度が0.3から0.6の範囲で物理的な変化が生じる可能性があります。もし保存期間を決定する要因が単にテクスチャーだけであるならば、ほとんどの結晶性固体はより長い保存期間を持つと推測されます。 しかし、化学的安定性や化学反応が懸念事項であるならば、その疑問に答えるには、より詳細な検討と実験が必要になるでしょう。

メアリー：

また、先ほど触れなかった結晶性物質に関するもう一つの点は、粒子径が小さい場合や、不規則な構造・形状、あるいはサイズがばらついている場合、室内の湿度下で予期せず架橋反応が始まる場所に影響を与える可能性があるということです。結晶性であっても、潮解点以下に保てば問題はないとはいえ、粒子径も結晶構造の安定性に間違いなく影響を及ぼします。

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