食べ物にズームインすると、何が見えますか?最初に気付くのは、食物の複雑な構造すべての細部です。ズームインすると、おそらくいくつかのセルに遭遇します。さらに詳しく「見る」と、これらの細胞が再び多くの異なる分子で構成されていることがわかります.そして、これらの分子は再び原子で構成されています.
これらの分子と原子は私たちの食品を形成し、食品の構造、栄養価、および調理または加工中に発生する可能性のある反応の種類を決定します.これらの原子と分子をある程度理解することは、あなたの食べ物や、時々特定の知識を想定しがちな私たちのブログのより詳細な投稿を理解するのにきっと役立つでしょう.
分子と原子という言葉が読み進めるのを怖がらせる場合は、それらが何であるか、どのように機能するかを説明し、炭水化物、タンパク質、脂肪という 3 つの非常に重要な分子グループを紹介します。この記事を最後まで読めば、化学はもうそれほど怖くないはずです :-)
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紹介:食物中の原子
食品化学はしばしば原子から始まり、原子は分子を形成し、食品化学で研究するのはこれらの分子です.それでは、この食品化学の基礎シリーズを原子から始めましょう。
原子は分子の構成要素であり、この世界のすべては原子で構成されています。原子は光学顕微鏡では見ることができません。原子は非常に小さく、通常は 10 億分の 1 メートルです!
さまざまな種類のアトムがありますが (これについては後で説明します)、各アトム タイプは同様の方法で構築されます。すべての原子の基本的な構成要素は、陽子、中性子、電子の 3 つの基本的な「ピース」です。原子の種類が異なれば、これらのビルディング ブロックの数も異なりますが、同じタイプのビルディング ブロックが含まれます。
陽子、中性子、電子
これら 3 つのビルディング ブロックの重要な概念は、それぞれが電荷を持っているということです。陽子は正の電荷を持ち、電子は負の電荷を持ち、中性子はその名前が示すように電荷を持たず、中性です。
原子の陽子と中性子は原子の中心 (原子核) を形成し、負に帯電した電子はこの中心の周りをわずかに離れて浮遊します。電子は、陽子や中性子に比べて小さいです。それらは核から離れて浮いているので、これらは原子間でより簡単に交換される傾向があります.化学反応や分子を作る際に重要な役割を果たします。
陽子の役割:元素の決定
原子内の陽子の数によって、見ている原子の種類が決まります。これらのタイプの原子は「要素」とも呼ばれます。世界には限られた数の元素 (または原子タイプ) があり、わずか 118 です。これらはすべて、化学の授業で聞いたことがある、いわゆる元素の周期表にグループ化されています。最も単純な要素には陽子が 1 つしかなく、後続のすべての要素には追加の陽子が 1 つあり、最大 118 までです。
電子は非常に簡単に交換できますが、陽子と中性子には当てはまりません。これらが交換される反応がありますが、ほとんどの食品化学では起こりません (核化学を考えてみてください)。
この投稿では、食品に最も一般的な要素 (幸いなことに、118 すべてではありません) を見ていきますが、導入として、どの要素が存在するかを理解することをお勧めします.歌を通してそれを行うより良い方法はありますか?
中性子が同位体を決定
そのため、電子は陽子と中性子の原子核の周りを「旋回」し、化学反応で重要な役割を果たします。陽子の数で元素が決まりますが、中性子は何をするのでしょうか?中性子の数によって、元素の同位体が決まります。食品の場合、これはあまり関係ありませんが、核化学にとっては非常に重要な概念です。そのため、ここではこれ以上説明しません。
食品に含まれる最も一般的な元素 (原子の種類)
118 の要素があるため、化学者はそれらに名前を付ける便利な方法を見つけなければなりませんでした。常に完全な名前を使用すると、特に分子を説明し始めるときに混乱を招く可能性があります。分子は再び原子で構成されています。したがって、各要素には、1、2、または 3 文字の独自の省略形があります (周期系の動画でわかるように)。
食物の中には、比較的少数の共通原子があります。それらのうち、特に一般的なのは、炭素、酸素、窒素、水素の 4 つです。最も重要なものについて説明しましょう:
- 炭素 (C):これは、食品に含まれるほとんどの分子の構成要素です。脂肪、炭水化物、タンパク質にとって重要です。炭素がなければ、食品中のほとんどの分子を形成できません。
- 酸素 (O):酸素は、あらゆる種類の化学反応に関与するのに特に適しています。酸素には非常に多くの利用可能な電子があり、2 つの分子を互いに結合させたり、分子をバラバラに分割したりするためによく使用されます。
- 窒素 (N):この原子は、タンパク質を作るのに不可欠です。窒素がなければタンパク質は形成されません。窒素基は、反応が起こる一般的な場所でもあります。
- 水素 (H):おそらく最も一般的な原子ですが、ほとんどの系ではそれほど興味深いものではありません。水素はしばしば分子内の空きスペースを「埋めます」。酸と塩基について話してみると、これが非常に重要な原子であることがわかります!
4 つの「大きな」アトムの後に、議論する価値のあるいくつかのアトムがあります:
- リン (P) と硫黄 (S):タンパク質化学において興味深い役割を果たします。
- ナトリウム (Na) と塩化物 (Cl):塩は基本的にこれら 2 つの組み合わせであり、ナトリウムと塩化物です!
- カルシウム (Ca):骨にとって重要なミネラル。
分子
分子は、互いに反応して安定した成分を形成する原子のより大きな構造です。ほとんどの原子はそれ自体では安定ではありません。空気中に純粋な酸素原子はありません。代わりに、2 つの酸素原子が反応して 1 つの酸素分子 (O2) を形成します。 ）。水素 (H2 ).
たった今学んだ原子の略語を使用して、これらの原子のどれが分子内にすべて存在するかを示します。各分子は、これらの原子の異なる組み合わせになります。原子は、異なる方法と順序で互いに結合します。
分子は、それらが構成されている原子の文字を表示し、分子内にこの原子がいくつ存在するかを示すために小さな下付き数字を使用して表されます (酸素分子と水素分子について行ったように)。化学者にとって、これらの分子式は、研究しているプロセスを記述するために不可欠です。
別の投稿で、これらの式について詳しく説明します。
分子の構造
分子内にどの原子が存在するかを知ることは非常に役立ちます。しかし、それは化学者に完全なストーリーを伝えているわけではありません.代わりに、これらの原子が互いにどのように結合しているかを知る必要もあります。原子が互いに結合する方法は、それらが反応する方法に大きく影響します.
同じ化学式を持つ分子がありますが (同じ種類と数の原子で構成されています)、まったく異なる構造、つまり構造式を持っています。これらは、最初は似ているように見えても、実際にはかなり異なる反応と動作をすることがあります。
食品からの例は、グルコースとフルクトースです。どちらも同じ原子で構成されています:C6 H12 O6 .ただし、それらの化学構造と挙動はまったく異なります (甘味料の詳細については、こちらを参照してください)。
今のところ、これらの分子がどのように構築され、描画され、表示されるかについては掘り下げません。代わりに、食品中の最も一般的な分子グループである炭水化物、タンパク質、脂肪を見て、これまでに学んだことを適用してみましょう.これらの分子は「多量栄養素」とも呼ばれ、栄養の観点から私たちにとって不可欠です.分子の 3 つのグループには非常に異なる特徴があり、食品の仕上がりに影響を与えます。それらは、例えば、風味の発達や味だけでなく、褐変反応において主要な役割を果たします.
炭水化物
炭水化物は、炭素 (C)、酸素 (O)、および水素 (H) 原子から構成されます。ほとんどの炭水化物は、次の化学式で表すことができます:Cx H2y Oy .つまり、水素原子の数は酸素の2倍です。炭素原子の数は、酸素原子と水素原子の数に関連している必要はありません。 (注:この規則にはいくつかの例外があります!)
炭水化物は糖類とも呼ばれます。糖類について話すとき、一般的な分割は、単糖類、二糖類、オリゴ糖類、および多糖類の 4 つのグループに分けられます。分割は、分子のサイズに基づいて行われます。
単糖類は最小の炭水化物であり、分割してさらに小さな糖類を形成することはできません。グルコースとフルクトースは、おそらく最もよく知られている単糖です。どちらも同じ化学式を持っています:C6 H12 O6 .それにもかかわらず、それらはわずかに異なる方法で構築されているため、体の中で完全に異なる反応を示します.
二糖類は次に小さい糖類です。それらは常に 2 つの単糖から構築されます。例えば、ラクトースはグルコースとガラクトースから作られます。スクロース (通常のテーブル シュガー) は、フルクトースとグルコースから作られます。
次のステップはオリゴ糖で、オリゴ糖は 2 つ以上、通常は 3 ～ 10 の単糖から作られます。これらの分子は植物によく見られ、構造を与えます。オリゴ糖は、植物の繊維部分を形成することがよくあります。
最後になりましたが、多糖類です。これらは、10 個以上の単糖で構成される巨大な分子です。それらは複雑な構造を形成することができ、単糖は必ずしも 1 つの長い鎖を形成するわけではなく、複雑なネットワークを形成することができます。多糖類はすべて単糖類でできていますが、かなり異なる振る舞いをする可能性があります.食品中の多糖類の一般的な例はデンプンです (ここでも、アミロースとアミロペクチンという 2 つの異なる多糖類で構成されています)。
タンパク質
タンパク質は、明確な分子構造を持つ私たち人間にとってもう 1 つの主要な栄養素です。タンパク質は本質的に分子の非常に長い鎖であり、いくつかの側鎖は非常に複雑に折り畳まれています.タンパク質は炭水化物よりもはるかに大きいです。ほとんどのタンパク質は分子式を書き留めることができませんが、それらはあまりにも多くの異なる原子で複雑になっています.
とはいえ、その長いチェーンには継続的に繰り返されるパターンがあります。この長い鎖を形成するために反応したのは、いわゆるアミノ酸の長鎖です.現在、23 種類の異なるアミノ酸が知られており (下の図ではそれぞれ異なる R 基を持っています)、それらを組み合わせると、すべてのタンパク質を作成できます。アミノ酸は、1 本の長い鎖を形成することによってタンパク質を形成します。 OH基はNH2と反応します グループ化 (水分子を放出) して、2 つのアミノ酸間の結合を形成します。
炭水化物とは異なり、タンパク質の大きさに基づく区別はありません。さまざまなタンパク質がたくさんあり、それらはすべて巨大で非常に複雑になる傾向があります.それは非常に長いアミノ酸鎖であるため、鎖内で多くの相互作用が発生する可能性があります.異なる側基 (上の図の R-) は相互作用できます。鎖内の分子のように「結合」することはありませんが、互いに反発したり引き付け合ったりすることができます。さまざまな相互作用が発生する可能性があります。これらの相互作用により、長いストランドが折り畳まれたり、あらゆる種類の 3 次元構造に渦巻いたりする可能性があり、これらは再び特定の方法で組織化されます。
タンパク質分子の全体的な形状は、その活性にとって非常に重要です。その形状は、この長いアミノ酸鎖がどのように折り畳まれて回転するかによって決まります。 3D 構造が破壊されると、タンパク質は非常に異なる振る舞いをします。これは、卵を調理したり、酵素 (特定の種類のタンパク質) を加熱したり、肉を調理したり、チーズを作ったりするときに見られます!
脂肪
最後になりましたが、脂肪です。低脂肪食品が随所に見られますが、脂質を摂らずにはいられません。私たち人間にとって脂肪は、タンパク質や炭水化物と同じくらい重要です。
脂肪は、脂質と呼ばれる分子のより大きなグループに属し、脂肪は脂質の特定のサブグループです。すべての脂質は疎水性分子です (水を嫌います)。脂肪ではない脂質の例はコレステロールです。
脂肪の化学的に正しい説明は、トリグリセリドです。脂肪が室温で液体の場合、一般に油と呼ばれます。トリグリセリドという名前は、脂肪の基本構造を表しています。1 つのグリセロール分子に 3 つの脂肪酸が結合しています (以下を参照)。
タンパク質や炭水化物の場合と同様に、さまざまな脂肪がたくさんあります.さまざまな脂肪酸がたくさんあり、それらをさまざまな方法で組み合わせて、さまざまなトリグリセリドを形成することができます!
上の脂肪酸の構造図では、A を見ることができます。この A は、この時点から始まる多くの異なる鎖が存在する可能性があるという事実を表しています。 A は常に炭素原子の長い鎖で構成されます。この鎖の炭素原子の数は、わずか 4 個から 20 個以上の炭素原子までさまざまです。
別の非常に重要な特性は、炭素原子間にいわゆる二重結合があるかどうかです。下の画像でわかるように、これらの二重結合は、分子が直線を形成する代わりに方向を変える可能性があります.二重結合のない脂肪酸は飽和と呼ばれ、二重結合のあるものは不飽和です。
トリグリセリドに含まれる脂肪酸の種類によって、実際の脂肪または油の特性が決まります。それらの 1 つは融点です。
脂肪酸の鎖が長いほど、脂肪の融点は高くなります。分子が小さいほど動きやすいため、液体になるには低い温度が必要です。同じことが二重結合を持つ分子にも当てはまります。二重結合が脂肪酸にねじれを引き起こすタイプのものである場合、それは融点を下げます.理由は、これらのよじれにより、脂肪が互いに隣り合うように構造化するのが難しくなるためです.
私たちの知識を応用する
残念ながら、これはすべて非常に理論的なものでした.しかし、今こそ、いくつかの知識が生き返るのを見る時です!
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- 次のようにタンパク質が生き返る様子をご覧ください:
- グルテン
- チーズ
- 魚
- 脂肪が生き返るのを見る:
- オリーブオイル（酸化に注意）
- 揚げ物
- ラード
- アイスクリーム
- 砂糖が生き返る様子をご覧ください:
- ハニカム
- クッキー
- キャロットケーキ
