食物繊維について

食物繊維とは，ヒトの消化酵素で消化されない食物中の難消化性成分の総体である⁽²⁾2）青江誠一郎：“食物繊維の生理作用”，第一出版，2008, p. 10, 63, 121.．以前は植物性の難消化性多糖類とリグニンを指していたが，現在はキチン・キトサンのような菌類や動物由来のもの，ポリデキストロースのように化学合成されたもの，天然成分に化学修飾をほどこしたものも食物繊維と考えられている⁽²⁾2）青江誠一郎：“食物繊維の生理作用”，第一出版，2008, p. 10, 63, 121.．

食物繊維は従来エネルギー源にならない難消化性成分のために，便通を良くする以外は役に立たないものと考えられていた．しかし，1970年代以降，食物繊維が栄養素とは質的に異なる生理機能を発揮してヒトの健康と深くかかわっていることを示唆する多くの検証が報告されている．たとえば，食物繊維には，食後の血糖値上昇抑制，血中コレステロール濃度の低下，排便改善効果，プレバイオティクス効果，免疫刺激，ミネラル吸収促進作用などが食物繊維の生理機能として報告されている⁽²⁾2）青江誠一郎：“食物繊維の生理作用”，第一出版，2008, p. 10, 63, 121.．

現代の日本人は食生活の変化により，食物繊維摂取量の不足が課題となっている．1950年代前半には1日当たり20 g以上の食物繊維を摂取していたと考えられているが，「平成28年　国民健康・栄養調査」では1日当たり平均値14.2 gと減少傾向にある．「日本人の食事摂取基準（2015年版）」の目標量と比較すると約4～5 gが不足しており，食物繊維摂取量の不足は解消されずにいる^{(4, 5)}4）宮川早苗：食品と開発，UBMメディア，2017, p. 55.5）厚生労働省：平成28年国民健康栄養調査の結果，http://www.mhlw.go.jp/stf/houdou/0000177189.html, 2017.．

筆者らが所属する日本食品化工株式会社は，トウモロコシを原料としたデンプンや糖化製品を研究開発，製造，販売する食品・工業素材メーカーであり，難消化性の糖質やデンプン素材の研究開発も長く行ってきた．近年，健康志向の高まりを背景に低カロリー食品や保健機能食品の開発に食物繊維が広く利用されており，新たな水溶性食物繊維素材の開発を行うこととした．

多糖化技術の探索

糖化製品の多くはデンプンの加水分解反応によって製造されることが多いが，今回，低分子のグルコースを多糖化して高分子を得ること（高付加価値化）を技術目標の一つとした．

グルコースをはじめとする各種単糖やオリゴ糖は，一定の条件下で加熱すると多糖化反応（脱水縮合反応）することが従来から知られていた．1950年代に多くの検討が行われ，たとえば，強酸，金属ハロゲン化物，イオン交換樹脂，リン酸や有機酸などの触媒用い，ピリジンやジメチルスルフォキシドなどの有機溶媒の存在下で反応させると多糖化することが明らかとなっている⁽¹⁾1）水野　卓，西沢一俊：図解糖質化学便覧，共立出版，1971, p. 232.．1980年代以降にクエン酸を触媒にしたポリデキストロースや塩酸を触媒とした難消化性デキストリンが開発され，水溶性食物繊維素材として流通し30年以上が経過している⁽²⁾2）青江誠一郎：“食物繊維の生理作用”，第一出版，2008, p. 10, 63, 121.．2002年にカオリンやケイ藻土を固体触媒として用いる検討なども報告されているが，工業化には至っていない．

従来の技術を踏まえて，筆者らはこれらの脱水縮合反応を促進する触媒の探索を行い，特に食品素材の製造で活用可能な固体触媒を中心に探索を進めた．その結果，食品工業や生活用品にも多く使用されている身近な物質である活性炭が有効な触媒となりうることを見いだした⁽³⁾3) N. Hamaguchi, H. Hirai, K. Aizawa & M. Takada: J. Appl. Glycosci., 62, 7 (2015).．固体触媒を用いる上で心配された反応性も，グルコースを用いた場合約90％が多糖化し，実用レベルと判断した．筆者らは，触媒として活性炭を活用する技術開発を進め，安価なグルコースシラップから多糖素材を効率的に生産する技術へ発展させた．さらに，この多糖が難消化性を示すことを見いだし，この食物繊維画分を「難消化性グルカン（Resistant Glucan）」と命名した．

活性炭の触媒機能の検討

活性炭は主に木や竹，ヤシ殻などの植物質を原料とし，これらの炭化物を水蒸気や二酸化炭素などのガス賦活や，塩化亜鉛等の薬品とともに加熱する薬品賦活に供することで得られる多孔質な炭素素材である．活性炭のもつ微細な空孔である細孔が，炭素内部に網目状に構成されおり，さまざまな物質を吸着する機能をもつ．そのため活性炭は脱臭や水質浄化などの目的で，さまざまな生活用品に利用されるだけでなく，古くから清酒や糖化品や精糖の製造工程において脱臭・脱色の目的で工業的に大量に使用されてきた⁽⁶⁾6）林　昌彦，川下由加：活性炭ハンドブック，丸善，2011, p. 1.．活性炭を触媒とした糖の脱水縮合反応技術の開発は世界的にみても初めてである．

活性炭の表面にはカルボキシ基やカルボニル基やフェノール性水酸基といった酸性官能基があることが知られており⁽⁷⁾7) H. Kobayashi, M. Yabushita, T. Komanoya, K. Hara, I. Fujita & A. Fukuoka: ACS Catal., 3, 581 (2013).，これら酸性官能基が触媒活性の本体であると考えられる⁽⁶⁾6）林　昌彦，川下由加：活性炭ハンドブック，丸善，2011, p. 1.．しかし，活性炭を触媒として用いた場合，従来の酸触媒と比較して反応物の着色度が顕著に低くなることから，活性炭は単純なプロトン供与型の酸触媒ではない可能性が考えられた．そこで活性炭の縮合反応における触媒メカニズムを解明することを目的とし，種々の検討を実施した．

活性炭表面の官能基のモデルとして，フタル酸類，サリチル酸類などを用い，その触媒活性を評価した．カルボキシ基およびフェノール性水酸基が隣接した構造をもつサリチル酸やフタル酸は高活性な触媒となることが判明した⁽⁸⁾8）濱口徳寿，西村祐一，平井宏和：日本農芸化学会大会講演要旨集（Web）2E001活性炭を触媒とする糖縮合反応のメカニズム解析，https://katosei.jsbba.or.jp/MeetingofJSBBA/2016/MeetingofJSBBA2016.pdf, 2016.．この結果から，求核的な置換基が一方のグルコース分子を捕捉し，隣接したカルボキシ基が酸触媒として他方のグルコースに作用することで，結果的に隣接したグルコース間で，縮合反応が効率良く進行した可能性が高いと考えられた（図2図2■活性炭による糖縮合反応のメカニズム解析）．

図2■活性炭による糖縮合反応のメカニズム解析

さらに，活性炭を空気中200～450°Cで加熱して得られた空気酸化活性炭を用い，活性炭の酸性官能基量，糖との親和性および反応性を測定し，触媒適性を評価した．空気酸化処理を行った活性炭は，処理温度に依存して酸性官能基量が増加したものの，活性炭とグルコースの親和性低下が確認され，総じて縮合反応の触媒能は低下した．このことから，縮合反応における活性炭の触媒能には，酸性官能基とともに，糖との親和性も深く関与していると推察している．

難消化性グルカンの工業化

基礎研究を進めるなかで，原料組成，活性炭の種類や量，加熱温度，および反応時間などの反応条件は食物繊維含量，風味および着色に影響を与えることがわかった．たとえば，加熱が不足すると縮合反応が進まず食物繊維含量が低くなり，加熱が過剰となると食物繊維含量は高くなるが着色や雑味が増加する．これら反応条件を調整することで，高い食物繊維含量を得つつ，食品として好ましい風味や色調の難消化性グルカンが得られることがわかった．

実製造においては連続反応工程を導入し，一般的な水飴の製造工程と組み合わせた製造法を確立した．こうして，2014年に難消化性グルカンを約80％含有するシラップとしてフィットファイバー^Ⓡ#80を上市した．

フィットファイバー^Ⓡ#80の製法を図3図3■難消化性グルカンの製造フローに示した．具体的には，トウモロコシを主としたデンプンから得られるグルコースシラップに活性炭を混合した後，連続式反応機に投入し，180 ～230°Cで目的の糖組成まで加熱を行う．次に，水に溶解した後，ろ過による触媒の除去，活性炭による脱色，イオン交換樹脂により脱塩，再び脱色・脱臭を行い，濃縮してフィットファイバー^Ⓡ#80が得られる．

図3■難消化性グルカンの製造フロー

活性炭触媒を用いるメリットは，市販の食品用活性炭をそのまま用いることが可能であり，反応副産物が少ないこと，反応と同時に着色物質を吸着除去できること，反応終了後に固–液分離で容易に触媒の除去ができることが挙げられる．特に，従来の酸触媒を活用した製法では，着色成分や触媒の除去が課題となり，糖化製品の製造工程を用いることは困難であったと考えられ，活性炭触媒の活用はプロセス面で大きく貢献している．

難消化性グルカンの推定構造は，α, βのいずれのグルコシド結合も含み，1,6-結合を主とし，1,2-, 1,3-，ならびに1,4-結合を有する多分岐多糖であることをNMR分析，メチル化分析により確認している⁽³⁾3) N. Hamaguchi, H. Hirai, K. Aizawa & M. Takada: J. Appl. Glycosci., 62, 7 (2015).．さまざまな結合様式がランダムに存在する多分岐構造が消化酵素に対する加水分解抵抗性を高め，食物繊維として機能する要因と考えている．

難消化性グルカンの消化管内動態と安全性

難消化性グルカンの消化管内動態は，in vitro試験およびヒト試験結果から，胃と小腸では約1％とほとんど消化吸収されず，大腸で約7％の発酵を受け，残りが糞便中に排泄される．そのため，難消化性グルカンのエネルギー換算係数は日本食物繊維学会により0 kcal/gと評価された^(9～11)．フィットファイバー^Ⓡ#80は難消化性グルカンを固形分当たり75％以上含むが，残りの約25％は4 kcal/gの糖質であるため，カロリーは固形分当たり1 kcal/gとなる．

難消化性グルカンは，変異原性を評価するAmes試験，培養細胞を使う染色体異常試験，ラットを用いた急性毒性試験および90日反復投与毒性試験，ヒト過剰摂取試験およびヒト長期摂取試験において，いずれも異常がなく，安全な素材であることを確認している．

フィットファイバー^Ⓡ#80の下痢に対する最大無作用量は体重1 kg当たり0.9 g（無水物換算）以上であり，これは糖アルコールや難消化性のオリゴ糖と比較して下痢を起こしにくい素材であることを示している^{(3, 12)}3) N. Hamaguchi, H. Hirai, K. Aizawa & M. Takada: J. Appl. Glycosci., 62, 7 (2015).12) H. Bito, N. Hamaguchi, H. Hirai & K. Ogawa: J. Toxicol. Sci., 41, 33 (2016).．なお，これらの安全性データは2017年に米国食品医薬品局（FDA）によって審査され，フィットファイバー^Ⓡ#80はGRAS（Generally Recognized As Safe：一般に安全と認められる食品）の認証を得ている．

難消化性グルカンの生理機能

2. 食後の血糖上昇抑制効果

難消化性グルカン摂取による食後の血糖値上昇抑制効果を検証するため，食後の血糖値が上昇しやすい成人男女を対象に，無作為化二重盲検プラセボ対照クロスオーバー試験を実施した．難消化性グルカン5 gまたは対照素材（デキストリン）5 gを負荷食品と同時に被験者に摂取させた．摂取前および摂取後120分までの血糖値を測定した結果，難消化性グルカン摂取時は対照素材摂取時と比較して摂取60分後，90分後の血糖値が有意に低い値を示した（図5図5■難消化性グルカン同時摂取時の食後血糖値）．また，難消化性グルカン摂取時の血糖応答の曲線下面積についても対照と比較して有意に低い値を示した⁽¹⁵⁾15) H. Hirai, N. Hamaguchi, H. Bito, M. Suda, T. Sato, T. Kimura & K. Ogawa: Jpn. Pharmacol. Ther. (in Japanese), 44, 1455 (2016).．

日本では2015年4月に機能性表示食品制度が施行され，難消化性グルカンも得られた生理機能データを基に，保健機能食品分野への展開を検討している．

図4■難消化性グルカンの整腸効果；（左）排便回数（中）排便回数（右）排便量

RG: 難消化性グルカン，*: p＜0.05（vs.対照素材）．

図5■難消化性グルカン同時摂取時の食後血糖値

RG: 難消化性グルカン，*: p＜0.05（vs.対照素材）

難消化性グルカン（フィットファイバー^Ⓡ#80）の利用研究

フィットファイバー^Ⓡ#80は淡黄色の低粘性シラップであり，甘味度は砂糖の10分の1程度と低甘味で雑味の少ないスッキリした味質である．水への溶解性は良く，粘性も低いため，飲料・食品に使いやすく，酸性やアミノ酸存在下でも糖組成や着色の変化が少ない安定性の高い素材である．このため，食品の風味を損なうことなく，食物繊維を強化した食品を設計することが可能である．

野菜ジュース飲料への利用評価において，デキストリンと比較して，フィットファイバー^Ⓡ#80は野菜・果実の香りを閉じ込めにくいため香り立ちがよく，味に厚みがでることが確認された．

ラクトアイスの利用評価では，フィットファイバー^Ⓡ#80を配合したものは乳味感と濃厚感で高い評価が得られ，高級感のある味質となることが確認された．ラクトアイスで得られた効果を検証するため，フィットファイバー^Ⓡ#80の乳化安定効果について検証を行った．試験素材にコーン油と水を加えて乳化した結果，フィットファイバー^Ⓡ#80は乳化直後の油脂粒子状態が，デキストリンや難消化性デキストリンやポリデキストロースよりも乳化粒子が細かいことが確認された．また，乳化して96時間経過した後も，分離が少なく乳化状態を保つことも観察された．これらの乳化試験結果が，ラクトアイスにおいて，乳味感や濃厚感という評価につながった理由の一つと考えている．

以上のように，フィットファイバー^Ⓡ#80は生理機能のみではなく，食品の物性や味質改善効果も併せ持つ新規な食物繊維素材として研究・利用開発を進めている．今後も，美味しさや加工しやすさなど食品機能のさらなる利用開発を進め，食物繊維素材としての展開を広げていきたい．

おわりに

本研究では，低分子の糖類を多糖化させるという目的から，種々の触媒の検討を実施し，身近で安全な物質である活性炭が有効な糖重合用の触媒となりうることを見いだした．この技術を利用して新規な食物繊維素材である『難消化性グルカン』を開発した．さらに活性炭の特性を活かすことで，シンプルな工程で高品質の食物繊維含有シラップを連続的に生産する方法を確立した．

難消化性グルカンは，酸触媒や抽出法で得られる既存の食物繊維素材に比べて，風味や色，食品加工におけるハンドリングの観点で優れており，価格面でも優れた食物繊維素材となっている．さらに，食物繊維補給や低糖質で低カロリーといった健康を訴求した加工食品の設計も可能にする素材である．

食物繊維は，整腸作用やメタボリックシンドロームの予防などさまざまな機能が知られているが，わが国においては食物繊維の摂取不足が続いている．難消化性グルカンは，美味しく食物繊維を補える素材として，人々の食生活と健康の維持・増進に貢献できると期待している．