イントロダクション

Sorghum (モロコシ)Sorghum bicolor L. Moench)とMaize (メーズ)Zea mays)はGramineae (family)中の密接な関連あるPanicoideae亜科(subfamily)のメンバーである。Sorghumは中央アフリカが原産地であるが、その定着にはいろいろな仮説があり時には4500-1000BCの間といわれ、その後アジアやインドに広がっていった。Sorghumは世界中で栽培され、大部分(~55%)はアジア、アフリカである。米国は世界生産の約30%であり、残りの主生産国は南アフリカである。Sorghumはわずかだがヨーロッパでも作られる。Sorghumは世界中の多くの乾燥地帯で重要な食品であり、乾燥に耐えるものであり;しばしば他の穀物が生産できないところでも育つためだ。

Maizeは世界中で育つ主力穀物種であり全生産域で小麦に次ぐ2番目にランクされるものでさらに全生産量では米に次いで2番目のものである。米国は世界最大のmaize生産国で、北米は全世界生産の〜50%にあたり、続いてブラジル、中国である。Maizeは北アメリカ原産で5000BCの早い段階で今日のメキシコで栽培され、そこから次第にヨーロッパに広がった。

粒の物理的性質

Sorghum粒は典型的にまるいと考えられるが、殆どは少なくとも一面は平らな表面を有している。Sorghumの遺伝的な多様性のため,粒のサイズと形は広範囲のいろいろであり、sorghum1000粒重は30-80gといろいろである。市販のsorghum雑種は平均粒重量は25-35mgで約4mm長,2mm幅,そして2.5mmの厚さである。組織学的にはsorghum粒は,果皮,内胚乳,胚からなる。Sorghumはユニークで、果皮にデンプン粒が存在する唯一の穀粒である。Sorghum内胚乳の外側の端は脂質、酵素、タンパク体を含むアリューロン層からなる。アリューロン層の下は,外側の角質状(固く、時にガラス様と言われ--Hoseney 1994を見よ、これらの言葉を述べている)内胚乳区分で内部の粉状(ソフト)のコアを囲んでいる。外側の角質状内胚乳は連続タンパク質マトリックスでカバーされたタンパク体でしっかりパックされている。Sorghum粒のこの場所のデンプン粒は、タンパク体が粒の側面に圧量をかけたようなくぼみが見られる。

それに対するコントラストとして、粒中心部の粉状内胚乳は不連続なタンパク質マトリックスと球状デンプン粒とで緩くパックされている。粉状に対する角質状内胚乳の相対的比率はsorghum 中大きく異なり、sorghum 中の全体的な粒の堅さはしばしば穀粒の角質硝子体%に十分関係していると報告されている。

Sorghum外観は白、黄から赤と、非常にいろいろである。Sorghumの内胚乳色は黄色から白色で、薄い果皮をつけた胚芽プラズマ中の粒の概観に影響する。タンニン、あるいはプロアントシアニジンは、着色した胚乳を持つsorghumの種類に見られるポリフェノール成分である。着色性の胚乳の存在とこのタンニンは遺伝的コントロール下にあり、B1/B2遺伝子を持つsorghumのみ着色した胚乳を持つ。一般の通説として全てのsorghum 種類はタンニンを含み、時に非タンニンフェノール物質がタンニンとして存在している。他の一般的通説としてタンニンの存在がsorghum 中粒の色に関係する;着色した胚乳をもつsorghum種類は白を含む皮色を持つ。

Maize 粒は穀物粒中の最大のサイズをもち、平均して粒重量は250-300mgでユニークな扁平構造している。Sorghumのように,maize粒大部分の成分は外部皮層、内胚乳,胚である。Maize内胚乳は粒の大部分の区分で、sorghumの様に角質状 (固い) と粉状 (柔い) 内胚乳からなる。Maize粒は品質が非常に多く、5種の基本タイプに分けられ、そこにはdent(へこみ)flint(石状)fluor(粉状)sweet(甘い)pop(はぜ)がある。各粒のタイプ内には色がいろいろで、黄色,白,青がある。いろいろなmaize 粒タイプ間の大部分の区分要因は、内胚乳成分の違いである。Dent粒は粉っぽい内胚乳中心と端部と後部の固い内胚乳をもつ。柔らかい内胚乳中心部は乾燥で破壊され、粒の端部がへこみを作る。Yellow dent cornは、米国で最も広く栽培されるmaizeで、 広く用いられそこには燃料エタノール生産として用いられる応用面も含み,さらに分離したデンプン、動物資料,ヒト用食品を含む。白色dent粒はしかしながら乾燥製粉に好まれ、コーントルチラ産業は明るい色の加工食品としてこの粒から作られた。flintタイプmaize粒はsorghumに似ており、内胚乳の固い層は中心の粉状内胚乳をとり囲んでいる。Popcorn粒はflint粒に似ていて,それは固い外側内胚乳層を持つが普通flint粒より小さい。Flour粒は粒を通してソフトな内胚乳で砕きやすい,しかし全体的には粒の柔らかさはカビ抵抗およびハンドリング属性に貧弱な結果をもたらす。Sweetcornは典型的に食用として消費され、粒中で糖のデンプンへの変換からくるため、テクスチュア同様に粒の甘味が増加する。

粒の固さあるいは内胚乳テクスチュア(粒の構造)は,重要な物理的粒品質属性であり、穀物粒の加工的に重要な役割を果たし、パンやスナック食品の様な製品の穀物粒ベースの加工食品の最終的品質に十分な役割を演じている。穀粒の固さは又、カビに対する植物防御を行い,あるいは昆虫の攻撃からの可能性にも防御の十分な役割を果たている。そこで粒の固さは,穀粒に於ける重要な経済的、最終利用品質品質の特性である。即ち、それに応じてかなりの研究が進められ穀物粒の固さの生化学的な基礎の理解がすすんだ。ある粒,例えば小麦の用な粒で進められたが、maizesorghumでは粒をコントロールする正確な生化学的なメカニズムは十分に理解されてない。現在の生化学的な粒の力のmaizesorghumでの理解の基本については最近レビューされ、そしてこの章で最も詳しく後半で述べる。

これまで述べたように、粒の固さは穀物粒の加工において重要な役割を演じている。これは特に製粉的に重要であり、そこでは粒の固さは製粉の回収と製粉したものの品種に影響する。粒の固さと乾物製粉の性質の間の関係は十分に公表されている。固いmaizeあるいはsorghumの乾燥製粉は、大きな固い内胚乳粒子(グリストという)を製粉の流れの初期に放つ。粒の中心部のよりソフトな内胚乳は,他製品の製粉の流れを作る。

乾燥製粉に加え、maizesorghum粒両方の物理的特徴はそれらのトリテーラやスナックの製造中の"ニスタマリゼーション"(アルカリ処理)に影響する。Maize粒の固さは、アルカリクッキング中、固形量と成分の両方に関係があり、又ニスタマリゼーションのプロセス後の最終製品の水分含量とテクスチュアに関係する。固さに加えて他の穀粒の性質と要因もmaizeのアルカリ処理品質に影響することが判っているがそこには;粒のグレード、かさ密度、浮く部分(percent floaters)、 砕けた部分量、砕けた粒がふくまれる。幾つかの異なった試験がmaizeのかたさを調べる。乾燥製粉パーフォーマンスを予測するのに用いられる。そこには接線研磨脱穀装置(TADD)、Stenvert ミクロハンマーテスト、Wisconsin破損テスター、ガスピクノメーターつき比重形,硝酸ナトリウム溶液中に浮く粒%、重量計,粒サイズ,1000粒重計が含まれる。これらのいろいろな硬度計の中で、TADDStenvert micro-hanmer mill硬度計、浮くパーセントはmaizeのひきわり回収量の予測と重要な品質測定値を与える。

これまで述べたように,粒の固さはsorghumのニスタマリリゼーションに重要な要因である事もわかった。Sorghumの変動性の為に,外皮(ふすま外皮層の除去)処理の脱色の程度は,最終製品(例えばトリチラ)の色同様調理特性にインパクトを与えるとわかった。再び,maizeの様に幾つかの異なったテストがsorghumでも粒のかたさを測定するのに用いられた。Pomeranz, (1986) は、Brabender hardness試験機、Stenvert micro-ハンマー試験機、粒子サイズインデックス、近赤外装置(NIR)でsorgumの固さの測定/固さ予測を測定した。多分最も広く用いられている粒の固さ測定方法は、それと関連してsorgumの製粉パーホマンスに関係してTADDの方法であり、それは粒の外側を研磨剤ですりつぶす方法である。時間ごとの重量損出量は、固さ研磨インデックス(AHI)を計算して用いる事ができる。

シングル粒特徴システム(SKCS)はsorghum中で粒の固さを測定するのに用いられて来た。

SKCSでは粒は三日月形とローターの間でつぶす;これはTADDと比較していろいろなタイプの固さ測定できる。

SKCS硬度値とTADD硬度値の間の僅かの相関性は報告されている。Bean et al., (2006)は、多くの異なったsorghum種のSKCS硬度値、AHI、粒性質を比較し複雑な関係を見出し,多くの粒のファクターがTADDSKCSによる硬度測定に重要な役割をしていることを見出した。固いものから粉っぽい内胚乳の相対的性質は、sorghumで幅広くいろいろあるが、全体的にはsorghum粒の固さが粒のガラス状%と関連があるとよく報告されるが、それは硝酸ナトリウム溶液中に浮く粒のパーセンテージの様な簡単な方法で調べる。行いやすいがPedersen et al., (1996)によって指摘されたように、ガラス性は物理的固さの測定ではなく,未だに相対的に信頼でき、迅速で簡単なsorghum中の固さを予測できる方法である。

化学組成

化学組成を穀物粒で一定のタイプ内でも比較する事は難しくし、言うまでもなく2種の異なるタイプ穀物間だけにしても生長時の環境と栽培条件(例えば受精)の違い、組成を測定する用いた分析方法の違い、組成を述べるための命名法の違い等々である。上述の警告を与えて、"典型的"なsorghumの組成がこれまで述べられ、さらにmaizeの組成を述べた。

これらの仕事から明らかなことは,全ての穀物粒同様sorghummaizeの殆どの組成はタンパク質とデンプンである。そのようなものとして、これら2つの成分のクラスを以下より詳細に述べる。

Sorghum プロラミン

穀物タンパク質の比較研究は時に難しいが,それは抽出方法,用いる分析方法、タンパク質を記述する名称の違うことであろうが、明らかな事はプロラミンは貯蔵タンパク質であり、その第1の機能は植物の次世代のための窒素源として使われることである。プロラミンは水アルコール(抽出に還元剤を用いようと用いまいと)に可溶で、高レベルのアミノ酸プロリン,グルタミンを含むものである。Sorghumでは抽出方法を改良した最近の研究から,ケフアリンと呼ばれるが、プロラミンは全粒タンパク質の約70-90%を示す。ケフアリンは、α--,β--、γ--のサブクラスに分けられ、それは溶解性,構造,アミノ酸組成による。大部分のケフアリンはα--サブクラスであり、トータルケファリンの約65-85%を占め,一方β--,γ--サブクラスはプロラミンの約7-8% 9-12%それぞれである。さらにこれらプロラミンの3つの大部分のサブクラスに加えて,他のマイナーのサブクラス,例えばδ--カフエリンも報告されている。ケフアリンはsorghum内胚乳中、第一の球形タンパク体として存在し、α--ケフアリンは主にタンパク体の中心部に存在していて,β--とγ--ケフアリンはタンパク体の外側の端に形成されている。

Sorghumのタンパク体は高度に酵素分解に抵抗性があり、エクストルージョンの様な加工してもなお抵抗性がある。最近β--,γ--ケファリンは高度に架橋したシェルとなりより簡単に分解されたα--ケフアリンを取り囲んでいると考えられている。ケフアリンは一般に最も疎水的な穀物プロラミンと考えられ,抽出する際、より普通に用いる 70%ethanolとくらべてもっと非極性ソルベントの例えば50%tertiary-butanolを用いる。最近のケファリンの水和の自由エネルギーに関するレポートではこの主張を指示しているようで、sorghumケファリンは小麦プロラミンよりもっと疎水的であることがわかった。

ケファリンとmaizeプロラミンの水結合能を比較すると,2つのものの間に大きな違いはしかしながらなかった。

Sorghumの1つの重要な特徴的様相はそのタンパク質消化性が調理で低下することで、明らかに調理プロセスでよりタンパク質の架橋が生じるためである。。この発見と一致して、Hamaker Bugusu ( 2003) はレーザー走査型焦点顕微鏡によって調理はsorghumタンパク質を伸張し、蜘蛛の巣状(web--),シート状構造にすることを観察した。オリゴマーと蜘蛛の巣状タンパク質構造の両方の形成はmaizeでは程度は低いが起こる。興味深いことに、調理したツエインの水分吸収能は調理したケファリンのものより低いことが判った。最近高度に消化できるsorghumの変異種で妙な形のタンパク体が見つかったが; これら変異種からのsorghum粉は食品生産中での機能に影響するであろう。この考えをはっきりするためにはもっと研究が必要である。

Maizeプロラミン

全体的にmaizeのタンパク質はsorghumに類似する。主なるタンパク質クラスは再びプロラミンで、maizeの場合ツエインという。Sorghumプロラミンの様にツエインはサブクラスに分けられる。事実sorghumのサブクラスはmaizeに見られるものに類似するように作成された。大部分のツエインはα-ツエインであり、全たんぱく量の〜70%で、続いてβ--およびγ--サブクラスで5%、〜20%各々である。他の微量プロラミンサブクラス例えばδも報告されている。

ツエイン はカフェリンのようにタンパク体中に位置していて,α--ツエインは第1にタンパク体の中心部に位置し,β--、γ--ツエインは外側の端にある。分離したツエインは商業的に利用され、主には食品製品の包装に使うが、しかし歴史的には多く使われてきた。分離されたツエインは高温度で撹拌すると、粘弾性のあるドウを作る事がわかった。もしあればどんな役割か、グルテンフリー食品の発展に役割を演じるだろうか,現在は不明。

タンパク質と粒の固さ

研究から、maize sorghumの内胚乳タンパク質はこれらの粒の固さに重要な役割を演じることが判った。Maizesorghumの内胚乳のかたさはタンパク質含量とプロラミン成分との関係があった。Prat et al., (1995) maize中のγ--プロラミンレベルと粒の固さの関係を逆相高速液体クロマトグラフィーを用いて示した。対照としてDombrink-Kurtzman and Bietz (1997)は、粉っぽい内胚乳がガラス質の内胚乳と比べてγ--ツエインの高いことを報告し、ガラス質内胚乳はソフト内胚乳に存在するα--ツエイン量の2倍ほど含んでいる事を報告した。粒の内部部分はプロラミンがより低量含まれているが,α--プロラミンよりγ--プロラミンの方が比率的には多く含まれている。

Mazhar and Chandrashekar (1995) は、α--,γ--カフェリンの含量と分布が内胚乳のテクスチュアの修正に関係があり、αーカフェリンはタンパク体のサイズに関係がありγ--カフェリンはタンパク体の外側渕に架橋する事で固くする事に関係していると考えた。さらにこれらの著者らは、粒の固くなることには大きなタンパク体による強い架橋(高レベルのγ--カフェリン)のあることが必要(高レベルのα--カフェリン)と報告した。結論としてChandrashekar and Mazhar (1999)は、プロラミンサブクラスと粒の固さの間の関係をγ--プロラミンはセメントを作り,一方α--プロラミンはレンガを作ると述べた。

Sorghumデンプン

全ての穀粒と同様、デンプンがsorghummaize粒の大部分の成分である。重量ベースでsorghum粒の50-75%はデンプンである。デンプンは内胚乳に存在(ガラス質,粉質両方)し、前述のように粒の皮部にあり、それはsorghumのユニークな様相である。デンプン粒はsorghum中,2-30μm直径で,角質内胚乳で多角形のデンプン粒は、形がよりまるい粉状内胚乳中のデンプン粒より小さい。Sorghumデンプンの糊は温度は71-80℃の違いがあると報告され、角質内胚乳からのデンプンはより高い糊化温度で、それは粉質の内胚乳デンプンよりも高い。角質内胚乳デンプンはより高い粘度をもち、より低いヨーソ結合能であり、それは粉質内胚乳のものより低い。

正常の粒からのデンプンは23-30%アミロースを含み,一方ワキシsorghumからのものは5%以下のアミロースである。

ワキシsorghumデンプンは正常デンプンに比べその性質は異なり、水吸収能同様より高い粘度をもつ。ワキシsorghumデンプンの消化性は又,正常のsorghumデンプンよりも高いと報告された。

Maizeデンプン

Maizeデンプンの化学は、食品,および非食品応用面で広く利用され、深く研究されている;全世界デンプン生産の80%以上はmaizeから来る。Maizeデンプンの全含量と成分はsorghumデンプンに似ている。ワキシ maizeタイプはsorghum同様にあるが、sorghumと違い高アミロースmaize種も同定されている。Maizeでのこれらのタイプには、アミロース含量は50-80% の範囲である。Maizeデンプン粒はサイズの点でsorghumに似ていて、約5-30μmの直径にまたがる。この章の範囲外だが,修正デンプンの多くのタイプはmaizeデンプンから作られ、天然のデンプンとは違ったユニークな特徴のあるものである。このデンプンの性質は非常にいろいろで、グルテンフリー食品の生産の場面で有用であり、このエリアではもっと研究が必要ではあるが。前述の様に全体的にsorghummaizeデンプンは似ているがしかしsorghumデンプンの水結合能はmaizeデンプンよりも低い。さらにsorghumデンプンは又maizeデンプンよりも90℃のより高い糊化温度であると報告され、そしてより低い溶解性であり、これはより高いピークと低温粘度と同様である。

製粉

乾燥製粉

西側諸国ではsorghumは昔から動物飼料として用いられ,たとえば製粉技術は小麦やmaizeの様な他の穀物に追いついていない。アフリカではsorghumの多くは手でつぶし、加工される。Sorghumのハンマー製粉は普通行われるが,もっと洗練されたやり方も報告されている。Hallgren et al., (1992)は或る工夫を報告しているが、そこでは固いとソフトの内胚乳区分は分離され、異なった目的で用いられている。固い内胚乳区分は再製粉して粉にし、ソフトな内胚乳区分と共に食用に用いるが、しかしこれはデンプン損傷が大きく以下述べる粉の機能性に影響する。ローラー製粉は小麦製粉で用いる装置だが,経済的に好ましい特徴ある実行可能な製品を作らないが、しかし半--乾燥ローラーミル法は納得ゆく粉と食品製品を作ることができると報告された。

Maizesorghumとは違い,西側諸国では非常に乾燥して製粉をする。米国では3つの基本的な乾燥粉砕maize食品用粉で作られる;全脂肪、ボルト締め、やき戻しである。これらの製品は粉中の区分を得るために用いた加工方法と同様、元々の穀粒が粉中に残った比率でいろいろである。名前が示すように全脂質製品とは殆どの胚油が製品中に集まり、簡単にいたむ。ボルト締め flourとは製粉ストリームでふるい分けして、ある部分を除去し、全脂質区分よりも脂肪や繊維の低い区分。焼き戻し製品とは、初めに水分をmaizeに加え,粒の焼き戻し部、特にふすま,胚 を好ましいように分離したもの。添加水分量は重要で、maize粒自体のいろいろな特徴によるが、例えばクラックし損傷した粒の考慮分が含まれる。