高濃度プロテインドリンクの沈殿を防ぐための分散技術とpH調整

高濃度プロテインドリンクの沈殿問題とは

高濃度プロテインドリンクは筋力増強や栄養補助を目的に市場が拡大しています。
しかしタンパク質濃度が上がるほど、時間経過に伴う沈殿や凝集が顕著になり、飲み口の悪化や栄養成分の分布不均一を招きます。
販売者にとってはクレームや返品を避けるため、沈殿を抑えた製剤設計が必須です。

沈殿を引き起こす主な要因

タンパク質の種類や処理履歴によって沈殿挙動は異なりますが、共通して以下の要因が影響します。

1. たんぱく質濃度の過飽和
2. 熱変性やせっ化による凝集核の発生
3. pHが等電点付近に近づくことで荷電反発力が低下
4. ミネラル添加によるイオン架橋
5. 低温保存時の可溶性低下（コールド凝集）

これらの要因を制御するには、分散技術とpH調整の両輪でアプローチすることが効果的です。

分散技術による沈殿防止策

高せん断ホモジナイザーの活用

回転式ホモジナイザーやマイクロフルイダイザーにより、タンパク質の一次凝集体を微細化できます。
粒径が小さく揃うとブラウン運動による浮遊性が向上し、沈降速度が低下します。
処理圧を上げすぎると熱発生による変性リスクがあるため、インライン冷却を組み合わせると良好な結果が得られます。

超音波分散

20〜40 kHz の超音波キャビテーションは、高粘度系でもエネルギーを均一に供給できます。
短時間でタンパク質凝集体を解砕し、さらに表面改質により疎水性相互作用を弱める副次効果があります。
ただし過剰照射はタンパク質の一次構造破壊につながるため、最適条件のスクリーニングが必須です。

複合乳化剤・安定剤の添加

カゼインナトリウムや大豆レシチンなど界面活性をもつリン脂質系は、タンパク質粒子表面に吸着して静電・立体反発を付与します。
さらにペクチン、CMC、キサンタンガムといった高分子増粘剤を少量併用すると、系全体の粘度が微増し沈降を遅延させます。
クリアドリンクを志向する場合は、分子量の小さいアセチル化ペプチドやサポニン系乳化剤が透明性を維持しやすく有用です。

加熱と酵素処理による粒子サイズ制御

サブパスチャライズ（70 ℃付近）で部分変性させた後に、プロテアーゼで限定加水分解すると、親水性が高まり再凝集を抑えられます。
この方法はホエイプロテインに特に効果が高く、分子サイズ分布が狭くなることで沈殿が劇的に減少します。

pH調整の理論と実践

等電点からの離隔

タンパク質は等電点付近で正負の電荷が相殺され、凝集が急増します。
ホエイプロテインの等電点は pH4.6 付近、カゼインは pH4.6〜4.8 です。
製品 pH を等電点より 1 単位以上離すと荷電反発が働き沈殿しにくくなります。
酸性寄りにする場合はクエン酸、乳酸、リン酸を、アルカリ側にする場合は炭酸水素ナトリウムや水酸化カルシウムを使用します。

緩衝系の設計

高濃度プロテイン系ではタンパク質自体が緩衝能を持つものの、温度変化や連続生産で pH ドリフトが起こりやすいです。
0.05〜0.2 mol/L 程度のリン酸−クエン酸塩系やリン酸−水酸化ナトリウム系を組み合わせることで、pH 変動を±0.1以内に維持できます。
緩衝塩はナトリウム量が増えるため、減塩訴求の場合はカリウム塩やマグネシウム塩への置換が推奨されます。

ミネラルとイオン強度の最適化

カルシウムやマグネシウムは栄養強化の観点で添加されますが、二価陽イオンがタンパク質間架橋を形成し沈殿を助長する場合があります。
クエン酸や乳酸とのキレート形成により遊離イオン濃度を調整すると沈殿抑制と栄養強化を両立できます。
また食塩濃度が高いとタンパク質の疎水性相互作用が増すため、イオン強度 0.1 mol/L 以下を目安にレシピ設計を行います。

分散状態の評価方法

遠心沈降試験

最終製品を 3000 g・30 分遠心し、上澄みと沈殿の質量比を測定します。
沈殿率を 5 %以下に抑えることを開発指標とする企業が多いです。

粒径分布測定

レーザー回折法で D50（50％累積粒径）が 1 µm 以下、D90 が 5 µm 以下に収まると長期安定性が高い傾向です。
分散プロセスの再現性を評価する際にも有用なKPIとなります。

官能評価と賞味期限試験

沈殿が少なくても粘度過多や粉っぽさが出ると消費者満足度は下がります。
製造後 3 か月、25 ℃保管で定期的にパネルテストを行い、口当たり、にごり、後味の変化を確認します。

処方開発のステップと具体例

ホエイプロテインアイソレート 10 %（w/v）を用いた200 mLドリンクを例に、沈殿なしの処方フローを示します。

1. 原料水にリン酸二水素カリウム 0.15 mol/L とリン酸一水素カリウム 0.05 mol/L を溶解し pH6.8 に調整。
2. 40 ℃でホエイプロテインを溶解しながら撹拌し、同時にレシチン 0.3 % を添加。
3. 70 ℃で10 分間保持し軽度変性させた後、氷水で急冷しタンパク質の再凝集を防止。
4. マイクロフルイダイザー 80 MPa, 2 pass で粒径を微細化。
5. キサンタンガム 0.05 %、スクラロース、バニラ香料を添加し、pH を6.8±0.05に再調整。
この処方で遠心沈降後の沈殿率 1 %以下、3 か月常温保存でも外観変化なしの結果が得られます。

法規制と表示のポイント

日本では清涼飲料水規格に該当する場合、pH 2.0〜4.0 で保存料・殺菌工程の要件が厳格になります。
乳等省令に基づく乳飲料の場合は乳固形分 3 %以上が必要で、安定剤の総量は0.5 %以下に制限されます。
プロテイン含量やミネラル強化を表示する際は、栄養成分表示基準に従い、1 食分あたりの含有量を明示します。
高たんぱくを謳う場合、エネルギーとのバランスや過剰摂取に関する注意喚起も不可欠です。

まとめ

高濃度プロテインドリンクの沈殿を防ぐには、粒子を微細化し再凝集を抑える分散技術と、等電点からの離隔や緩衝系設計による pH 調整が鍵となります。
ホモジナイズや超音波、乳化剤・増粘剤の複合利用で物理的安定性を、リン酸塩やクエン酸塩の緩衝で化学的安定性を高めることで、長期保存でもクリアかつ飲みやすい製品が実現します。
評価指標を設定し段階的に処方を最適化することで、消費者満足度の高い高濃度プロテインドリンクを市場投入できるでしょう。