料理の化学

1912年1月の寒い朝、パリのコレージュ・ド・フランスの実験室で、ルイ＝カミーユ・マイヤールという医師であり化学者でもある人物が、砂浴の上で温められていく密閉したガラス管を見つめながら作業台に座っていた。それぞれの管の中には、グルコースと、グリシンと呼ばれるアミノ酸の透明な溶液が入っていた。熱が上がっていくにつれ、溶液は色を変えはじめ、水のような透明から淡い蜂蜜色へ、さらに琥珀色へ、そして最後には濃いコーヒーに近い色へと深まっていった。マイヤールは普通の意味で何かを料理していたわけではなかったが、それでも彼はちょうど今、人間の食生活において最も重要な風味形成プロセスを、ごく小さなスケールで再現したのだった。

数週間後、彼は自らの結果を科学アカデミーに持ち込み、Action des acides aminés sur les sucres: formation des mélanoïdines par voie méthodique という難解な題名の論文を発表した。彼が記述した反応、すなわち糖とタンパク質が加熱下でつつましく結びつくこの反応は、地球上のあらゆる焙煎、焼成、揚げ物、そして表面焼きの料理を支配する化学であることがわかった。本稿は、驚くほど奥深い答えを持つ単純な問いを投げかける。私たちが食べ物を調理し、発酵させ、保存するとき、化学的に実際には何が起きているのか。

糖とタンパク質はいかに共謀して風味を生むのか

マイヤールが発見した反応は今では彼の名で呼ばれており、それが何であるかを正確に述べておく価値がある。マイヤール反応は、遊離アミノ基、つまりアミノ酸の窒素を持つ末端が、グルコースやフルクトースのような還元糖のカルボニル炭素を攻撃したときに始まる。この最初の出会いはグリコシルアミンと呼ばれる不安定な化合物を生み、それはただちにアマドリ化合物として知られるより安定な中間体へと転位する。ここから先、化学は整然としたものではなくなる。アマドリ中間体は、互いに競合する多くの経路に沿って一度に断片化し脱水し、小さな揮発性分子の群れを放出しながら、マイヤールがメラノイジンと呼んだ大きな褐色の窒素含有ポリマーを蓄積していく。

これがマイヤール褐変を単純な化学反応式と区別する決定的な点である。それは一つの段階ではなく、連鎖反応なのだ。マイヤール生成物というただ一つのものは存在しない。どの糖を、どのアミノ酸を、どれだけの水があり、表面がどれほど高温になるかに応じて、この反応は数百種もの異なる揮発性香気化合物を生み出す。これらの揮発成分こそが、表面を焼いた肉の皮、トーストしたパン一切れ、焙煎したコーヒー、褐変した玉ねぎが、いずれも異なる香りを持ちながら共通の香ばしい奥行きを共有する理由である。一方でメラノイジンは褐色そのものであり、反応が続くかぎり蓄積しつづける。

マイヤール反応はおよそ摂氏140度を超えると効率よく進行する。これこそが、この反応が食べ物の乾いた高温の表面でのみ起こり、温度が水の沸点を超えられない水分の多い内部では決して起こらない理由である。これはまた、蒸し料理や茹で料理が淡い色の食べ物を生み、ローストや揚げ物が褐色の皮を生む理由でもある。この反応には、熱と還元糖と遊離アミノ基がすべて同じ場所にそろっている必要があり、それら三つすべてをそろえられるのは乾いた表面だけなのだ。

なぜ玉ねぎをカラメル化するのはステーキを褐変させるのと同じではないのか

台所での褐変をすべて一括りにしたくなるが、実際にはまったく異なる二つの化学が並んで進行していることが多く、それらは区別する価値がある。先に述べたとおり、マイヤール反応は還元糖と遊離アミノ基の両方を必要とし、窒素を含むメラノイジンに加えて膨大な香気化合物の宝庫を生み出す。カラメル化はまったく別物である。それはアミノ酸をいっさい関与させない、糖だけの熱分解と脱水なのだ。

この二つのプロセスは温度においても異なる。カラメル化は摂氏160度あたりで始まり、これはマイヤールの閾値よりいくらか高く、その生成物はメラノイジンではなくカラメルとフランと呼ばれる一群の化合物である。玉ねぎをゆっくりと深い褐色になって甘くなるまで調理するとき、あなたは二つの反応を同時に目にしている。玉ねぎの中の糖がカラメル化し、玉ねぎのアミノ酸がそれと同じ糖とマイヤール経路を通して反応しているのだ。一方、純粋なグラニュー糖から飴を煮詰めるときには、マイヤール化学はほぼまったく起こらずカラメル化が得られる。鍋の中にはアミノ基を供給するタンパク質が存在しないからだ。この違いを認識すれば、カラメルが甘く一面的な味なのに、マイヤールの皮が香ばしく複雑な味になる理由が説明できる。

熱が加わる前に風味を組み立てる微生物たち

食品化学のすべてが高温で起こるわけではない。その多くは体温かそれ以下で、生きた微生物によって駆動されて起こる。そしてこれを初めて正しく理解したのはルイ・パスツールだった。1857年の乳酸発酵に関するものと1860年のアルコール発酵に関するものという二つの基礎的な論文において、パスツールは発酵が自然発生的な分解ではなく、生きた微生物の嫌気的な酵素反応であることを確立した。酵母と細菌は酸素なしで働き、糖を酸、アルコール、二酸化炭素へと変え、そうすることで牛乳をヨーグルトやチーズに、キャベツをザワークラウトに、ぶどう果汁をワインに、生地をパンに変えてしまう。

パスツールは発酵を説明するだけにとどまらなかった。1864年に彼は低温殺菌を特許化した。これは食べ物を調理せずに腐敗微生物を殺す、短時間の穏やかな加熱である。この区別は重要だ。低温殺菌は意図的に穏やかであり、ワインを酸っぱくしたり牛乳を腐らせたりする微生物を破壊できるほどの熱はあるが、食べ物の性質を変えてしまうほど高温ではない。発酵と低温殺菌は同じ洞察の二つの側面であり、それは食べ物の運命がその活動を利用することも止めることもできる微生物の集団によって支配されている、というものだ。その洞察は工業微生物学の創始的な化学となり、パスツールがワイン樽の中で研究したのと同じ酵素反応が、今ではインスリンの微生物生産から植物由来肉の設計に至るまで、現代のバイオテクノロジーを駆動している。

パンを膨らませるタンパク質の足場

パンはもっと詳しく見るに値する。なぜならパンは、台所のどんなものにも劣らないほど見事なタンパク質化学に依存しているからだ。小麦粉はおおよそ半分がグリアジン、半分がグルテニンであり、これは性格のまったく異なる二つの貯蔵タンパク質のグループである。グリアジンは小さく、ほぼ球状の単量体で、伸展性、すなわち生地が伸びようとする性質をもたらす。グルテニンは大きなポリマーで、ジスルフィド結合によって架橋され、広がる凝集体を形成し、弾性、すなわち生地が跳ね返ろうとする傾向をもたらす。

これらのタンパク質は、乾いた小麦粉の中で単独でいるかぎり、特筆すべきことは何もしない。しかし小麦粉が水を含み、こねられると、グリアジンとグルテニンは結びついてグルテンネットワークとして知られる連続した粘弾性のマトリックスを形成する。このネットワークがパンの足場である。酵母が生地の中の糖を発酵させると二酸化炭素を放出し、グルテンネットワークはその気体を無数の小さなポケットに閉じ込め、それぞれの泡のまわりを破れることなく伸びていく。これこそが生地を膨らませるものであり、焼き上がったパンに開いた弾力のあるクラム（内相）を与えるものだ。こねが足りなければネットワークは弱すぎて気体を保持できず、パンは詰まったままになる。パンの空気を含んだ構造全体は、突き詰めればグリアジンの伸びとグルテニンのしなりのあいだのバランスであり、それがパスツールの発酵微生物によって内側から膨らまされているのである。

食べ物を腐らせないための四つの古い方法

冷蔵庫が登場するはるか以前から、人々は化学によって食べ物を食べられる状態に保ってきた。そして古典的な方法は、それぞれ異なる仕組みで働く四つの経路にきれいに分けられる。第一は塩漬けであり、塩と亜硝酸塩が食べ物の水分活性を下げ、微生物が必要とする自由水を奪う。一方で亜硝酸塩はとくにボツリヌス症の原因菌である Clostridium botulinum を抑制する。第二は燻製であり、木の煙に乗って運ばれるフェノール化合物とアルデヒドで食べ物を覆う。これらの分子は本物の抗菌物質であり、同時にあの特徴的な燻製の風味ももたらす。第三は冷蔵であり、今日最もなじみのある方法で、アレニウスの法則によって働く。化学反応と酵素反応は温度が下がるにつれて遅くなるので、食べ物を冷やすことは、そうでなければ食べ物を腐らせるはずの微生物の代謝をただ遅くするにすぎない。

第四の経路は缶詰であり、これには正確な起源がある。1809年、ニコラ・アペールというフランスの菓子職人が、密閉した容器に入れて加熱した食べ物は長期間保つことを突き止めた。これは閉じた器の中での熱による滅菌にほかならない技術である。アペールはなぜそれが機能するのか誰も理解していない数十年前にこれを成し遂げた。それを説明することになる細菌説はパスツールの未来にあったからだ。それでも彼の方法は確かなもので、工業的な食品保存の創始的な技術となった。塩漬け、燻製、冷蔵、缶詰というこれら四つの経路をあわせると、食べ物を安全に食べられる状態に保つための化学的な領域全体を覆うことになる。

香辛料の刺激的な分子と、一つの根強い俗説

香辛料は文字どおり別の意味で風味豊かな食品化学である。植物は刺激的な二次代謝産物の小さな宝庫を作り出し、その多くは風味づけと抗菌的な防御の両方を兼ねている。化学式 C18H27NO3 を持つカプサイシンは唐辛子の燃えるような化合物だが、組織をまったく傷つけない。代わりにそれは、本物の熱を感知するのと同じ神経受容体であるTRPV1受容体に結合する。これが辛い唐辛子が熱く感じられる理由だ。黒胡椒はピペリンという別の分子を通してそのピリッとした刺激を届け、ニンニクはアリシンを生み出す。アリシンは鱗片が砕かれて酵素がその基質に出会ったときにのみ生成される化合物である。これらの化合物の抗菌的な側面は付随的なものではない。それは、香辛料をふんだんに使う料理が温暖な気候に集まりがちな理由を説明するのに役立つ。食べ物を刺激的にするのと同じ分子が、食べ物が腐るのを防ぐのにも役立つからだ。

そこで私たちは、どんな台所においても最も根強い主張の一つにたどり着く。肉を焼き固めると肉汁が閉じ込められる、という考えだ。それは満足のいく物語だが、間違っている。焼いたステーキの褐色の皮はマイヤール反応の生成物、すなわち風味豊かなメラノイジンと香気化合物の層であって、いかなる種類の防水の障壁でもない。注意深い計量研究は、表面を焼いたローストが焼いていないものと本質的に同じ割合の水分を失うことを、繰り返し示してきた。表面を焼くことには価値があるが、それは風味と色のためであって、水分のためではない。皮は化学であり、閉じ込められた肉汁は俗説なのだ。

重要なポイント

料理とは応用化学であり、その風味のほとんどは、1912年にパリでルイ＝カミーユ・マイヤールが記述した一つの連鎖反応にさかのぼる。そこでは遊離アミノ基がおよそ摂氏140度を超えて還元糖のカルボニルを攻撃し、アマドリ中間体を経て転位し、数百種もの揮発性香気化合物と褐色のメラノイジンへと断片化する。これは、摂氏160度近くで始まる、糖だけのアミノ酸を含まない熱分解であるカラメル化とは別物である。ルイ・パスツールは発酵を微生物の嫌気的な酵素反応として確立し（1857年と1860年）、1864年に穏やかな低温殺菌を特許化した。一方でパンが膨らむのは、小麦のグリアジンとグルテニンのタンパク質が粘弾性のグルテンネットワークを形成し、酵母が生み出す二酸化炭素を閉じ込めるからである。塩漬け、燻製、冷蔵、缶詰（最後のものは1809年にニコラ・アペールが創始した）という四つの古典的な保存経路は、それぞれ別個の仕組みで働き、カプサイシンのような香辛料はTRPV1のような受容体を通して作用しながら同時に抗菌物質としても働く。そして、焼き固めると肉汁が閉じ込められるというおなじみの信念は、繰り返された計量研究の証拠に照らせば、ただ単に誤りなのである。