食品タンパク質はゲル形成性、起泡性、乳化性などの加工特性を有し、様々な加工食品に利用されている。タンパク質の加工特性はpH、加熱、酸化など、多様な環境要因によって変化する。例えば、鶏卵白タンパク質はゲル化性、起泡性および乳化性を有し、畜肉加工品、水産練製品、麺類、製菓など、幅広い加工食品に利用されている。卵白タンパク質の加熱ゲルの硬さやメレンゲの安定性はpHによって大きく変化することが知られている。また、乾燥卵白の乾熱処理は、加熱ゲルの強度を向上させる。このように、タンパク質の構造を変化させることで、加工特性を制御することが可能である。

ポリフェノールは植物の二次代謝産物であり、抗酸化性などの機能性が注目され、これまで健康機能に焦点を当てた研究が活発に行われてきた。一方で、ポリフェノールはタンパク質と相互作用することで、タンパク質の加工特性を変化させることが知られている。近年、ポリフェノールとタンパク質の相互作用を応用し、食品、特にゲルやエマルションなどのコロイド食品の品質を改善する研究報告が増加している。本稿では、ポリフェノールとタンパク質の結合様式、およびそれらの相互作用がゲル物性に及ぼす影響について解説する。

 

ポリフェノールとタンパク質の結合様式について、非共有結合と共有結合に分類し、それぞれについて述べる。

ポリフェノールとタンパク質は水素結合、疎水性相互作用、イオン結合などの非共有結合で相互作用し、これらの結合は水中で混合するだけでも形成される^1）。水酸基の数が多いポリフェノールはタンパク質と水素結合しやすく、芳香環の数が多いポリフェノールは疎水性相互作用を形成しやすい。

水素結合はポリフェノールの水酸基とタンパク質のカルボニル基などの極性基との間に形成される。水酸基が多いポリフェノールほど多くの水素結合を形成し、ポリフェノール-タンパク質間の結合はより安定となる。例えば、タンニン酸は多数の水酸基を有し、水素結合を介してタンパク質に安定的に結合する。

一方、ポリフェノールの芳香環は疎水性領域として作用し、タンパク質の疎水性アミノ酸残基と相互作用する^{2, 3）}。紅茶に含まれるテアフラビンやコーヒーに含まれるクロロゲン酸は、乳タンパク質であるβ-ラクトグロブリンと主に疎水性相互作用によって結合することが報告されている^4）。一般的に、芳香環を多く有するポリフェノールほど疎水性相互作用を形成しやすく、ポリフェノール‐タンパク質の複合体はより安定となる^5）。

イオン結合に関する報告は多くないが、負に帯電したポリフェノールの水酸基と、正に帯電したタンパク質の官能基との相互作用が示唆されている^6）。

共有結合の形成には、ポリフェノールを酸化してキノン体へ変換する必要がある。キノン体への変換は、加熱処理、アルカリ処理、超音波処理、フリーラジカル反応、あるいはポリフェノールオキシダーゼによる酸化反応によって誘導される。生成したキノンは、タンパク質の求核性アミノ酸側鎖（リジン、システインなど）と共有結合を形成する。これらの結合構造は、キノンとアミノ基との反応によって形成されるシッフ塩基（C=N）、またはキノンとアミノ基あるいはチオール基との反応によって形成されるマイケル付加物（C–N、C–S）である。

キノン体にしたアントシアニンおよび没食子酸では、アントシアニンの方がタンパク質への結合率が高い。これは、アントシアニンがカテコール構造とレゾルシノール構造の両方を有していることから、没食子酸よりも高い反応性を示したためと推察されている^1）。このことから、一分子内に複数のフェノール基を有するポリフェノールほど、タンパク質との共有結合が生じやすいことが示唆される。また、タンパク質の構造によっても共有結合の形成されやすさは異なり、アミノ基やチオール基を多く含むタンパク質ほど、ポリフェノールとの共有結合が生じやすいと考えられる。

 

タンパク質のゲル化性は食品の弾力性の付与、結着性の向上、保水性の改善などに利用されている。加熱などにより変性したタンパク質同士が相互作用し、三次元ネットワーク構造を形成することでゲル化する。タンパク質ゲルの物性は、そのネットワーク構造と密接に関係している。ポリフェノールは、タンパク質分子間相互作用に影響を及ぼし、ネットワーク構造を改質することで、ゲル物性を変化させる。

茶ポリフェノールであるエピガロカテキンガレートは卵白加熱ゲル^7）およびゼラチンゲル^8）を硬化させることが報告されている。卵白ゲルでは、タンパク質の凝集促進および熱変性温度の低下を介して、ゲルネットワークが強化されると考えられている。ゼラチンゲルでは、ポリフェノールがゼラチン鎖と水素結合を形成することで、分子間相互作用が強化され、ゲル強度が向上すると推察されている。

酸化ポリフェノール（キノン体）はタンパク質と共有結合を形成し、非共有結合の形成の場合と比較して、より強い物性改変効果を示す。例えば、カフェ酸の酸化物はゼラチンゲルの弾性率を約3倍に向上させることが報告されている^9）。また、没食子酸の酸化物もゼラチンゲルの破断荷重を約2倍に増加させる^10）。

これらの効果は、キノン体がタンパク質分子を架橋する作用に起因すると考えられている。キノン体に二分子以上のタンパク質が共有結合することで、タンパク質分子間が橋渡しされるように分子間架橋が形成される。ゼラチンゲルの場合、ゼラチン分子間がキノン体によって架橋されることで分子鎖同士が接近し、コラーゲン様三重らせん構造の形成が促進され、その結果、ゲルの弾力性が向上すると考えられている^9）。

魚すり身ゲルを用いて、フェルラ酸、タンニン酸、カテキン、およびカフェ酸の酸化物の物性改変効果を比較した研究では、タンニン酸の酸化物が最も強い破断荷重の増加作用を示した。この結果は、タンニン酸が多くのフェノール性水酸基を有し、タンパク質との共有結合形成数が多いためであると考えられている^11）。

以上のように、共有結合の導入は、タンパク質ゲルの物性の改変に有効である。植物に普遍的に存在するフラボノイドやフェノール酸の場合、タンパク質と共有結合を形成させるためには、酸化処理によるキノン体への変換が必要である。一方、筆者らは、酸化処理を施さなくてもタンパク質と共有結合するポリフェノールをオリーブ葉から見出した。オリーブ葉由来セコイリドイドであるオレアセインは、分子内に2つのホルミル基を有し、タンパク質のアミノ基およびチオール基と共有結合する。一分子のオレアセインが二分子のタンパク質と結合することで、タンパク質分子間に架橋が挿入される。筆者らはこれまでに、オレアセインを豊富に含むオリーブ葉抽出物を開発し、様々なタンパク質ゲルの物性に及ぼす影響を解析してきた。

卵白ゲルにオリーブ葉抽出物を1.0%添加すると、破断応力は3.1倍、弾性率は2.1倍に向上する。この機械強度の向上作用はフラボノイド類を主要成分とする植物葉抽出物よりも顕著であり、オレアセイン特有の作用であると考えられる。オレアセインによるタンパク質架橋作用により、ゲルネットワーク構造が緻密化し、機械強度が向上したものと推察される。

さらに、オリーブ葉抽出物はゼラチンゲルの物性を劇的に変化させる。ゼラチンゲルに0.5%のオリーブ葉抽出物を添加すると、破断応力は11.6倍に増加し、さらに80℃以上で加熱してもゾル化せず、弾力のあるゲル状態を維持する。これは、オレアセインによってゼラチン分子間が共有結合を介して架橋され、物理ゲルから化学ゲルへと転換したためである^12）。

卵白ゲルやゼラチンゲルに加え、オリーブ葉抽出物は、かまぼこ^13）、ソーセージ^14）、ヨーグルト^15）などの食品においても硬化作用を示すことが明らかとなっている。さらに、食品の硬化作用に加えて、ソーセージにおける脂質酸化および微生物増殖の抑制、ヨーグルトにおける離水抑制効果も示されている。オレアセインは、オリーブオイルにも含まれ、十分な食経験を有することから、食品品質を改良する新規食品素材として有用であると考えられる。

 

近年、ポリフェノールとタンパク質の相互作用、およびそれに伴う加工機能の変化に関して、国内外で研究が活発に進められ、研究報告数も急増している。今後、ポリフェノールの構造とタンパク質の加工機能との関係を詳細に解析することで、ポリフェノールを利用したタンパク質性食品の品質を精密に制御する技術の開発へと展開できるものと期待される。