食品のゼータ電位制御による分散系の安定化技術

ゼータ電位とは何か―食品分散系における役割

ゼータ電位は、コロイド粒子表面と周囲液体との界面に形成される電気的二重層から生じる静電ポテンシャルです。
この電位の大きさと符号が、粒子間の静電反発力を決定し、食品分散系の凝集や沈降のしやすさに直接影響します。
例えば乳飲料やドレッシング、植物性ミルクのようなエマルション製品では、ゼータ電位が高いほど粒子同士が反発し、分散状態を長期にわたり維持できます。

食品分散系の典型例

エマルション（油滴―水系）

マヨネーズ、ドレッシング、アイスクリーム原液などは、油滴が水中に分散した系です。
油滴表面の界面活性剤やタンパク質が帯電し、その電荷量がゼータ電位として現れます。

サスペンション（固体微粒子―液体系）

カカオ飲料、抹茶飲料、プロテインシェイクでは、固体微粉末が水中に浮遊しています。
ここでも粒子表面の電荷が凝集抑制の鍵を握ります。

泡（ガス―液体系）

ビールの泡やメレンゲでは気泡表面のタンパク質膜が負に帯電し、泡同士の合一を遅らせています。

ゼータ電位測定の基本

食品工場や研究所では、レーザー光散乱法（PALS）や電気泳動ライト散乱法（ELS）で測定します。
試料の希釈、pH調整、温度一定化が必要で、測定条件を統一しないと再現性が損なわれます。

ゼータ電位に影響を与える主因

pH

タンパク質の等電点付近ではゼータ電位がゼロに近づき、急速に凝集が進みます。
ヨーグルトの場合、発酵でpHが下がるとゼータ電位が減少し、ゲル化につながります。

イオン強度

食塩やカルシウムを添加すると、電気的二重層が圧縮され、実効ゼータ電位が低下します。
チーズ製造でカルシウム濃度を高めると乳タンパクが凝集しやすくなるのはこのためです。

界面活性剤・タンパク質

アニオン性、カチオン性、両性の界面活性剤を使い分けることで、油滴や粉体表面の電荷を自在に設計できます。
乳化剤のリン脂質やサポニン、分離大豆タンパクなどは、同時に泡安定化剤としても機能します。

熱処理・酵素処理

加熱変性や酵素分解でタンパク質の疎水性部位が露出すると、粒子表面の電位分布が変わります。
UHT処理飲料で沈殿を防ぐには、前処理として高圧ホモジナイズとpH調整を併用し、ゼータ電位を高く保つことが有効です。

ゼータ電位制御の実践技術

pHシフト法

製造工程でpHを一旦大きく外し、タンパク質を十分帯電させたのち、最終pHに戻す方法です。
これにより粒子間の架橋が抑えられ、冷却後も凝集しにくくなります。

電解質の段階添加

塩やカルシウムを少量ずつ添加し、ゼータ電位の閾値をモニタリングしながら目的の粘度・安定性に調整します。
スポーツドリンクのように低粘度を維持したい場合は、イオン強度を0.02 M以下に制限するのが一般的です。

複合界面活性剤システム

低HLBの脂肪酸モノグリセリドと高HLBのポリグリセリン脂肪酸エステルを組み合わせ、油滴表面に密な電荷層を形成します。
焼成菓子用のW/O/Wエマルションでは、この技術で水相粒子を油相に閉じ込めつつ離水を防ぎます。

ポリ電解質コーティング

正に帯電したキトサンで負荷ゼータ電位を逆転させ、酸性環境でも沈殿しにくい抹茶粉末飲料を開発できます。
さらにキトサンは抗菌性も付与するため、保存性向上という副次効果も得られます。

高圧処理・超音波分散

高圧ホモジナイズやキャビテーション超音波で粒径をナノスケールに縮小し、表面積あたりの電荷量を増大させます。
植物性ミルクのクリーミー感と物理的安定性を同時に向上させる手法として注目されています。

食品分野での応用事例

飲料の沈殿防止

β-カロテン強化飲料では、カロテン結晶表面にアニオン性ペクチンを吸着させ、ゼータ電位を−40 mV以上に保つことで6か月安定を実現しました。

低脂肪マヨネーズのクリーミー感維持

油相を大幅にカットした代替マヨネーズにおいて、複合タンパク質-多糖複合体を油滴表面に配置し、−50 mV前後のゼータ電位を確保。
少量の油でも分散が崩れず、粘弾性が向上しました。

高プロテインバーの砂糖析出抑制

バー生地内部の乳糖結晶のゼータ電位を調整し、結晶成長を抑えることで砂糖の白化現象を低減しました。

品質保証と法規制に関するポイント

日本では食品添加物の使用基準、清涼飲料水規格基準に準じて、pHや電解質濃度を設定する必要があります。
ゼータ電位測定データは、製造ロット間の品質ばらつきを示す指標としてHACCP文書に組み込むケースが増えています。

トラブルシューティング―よくある課題と対策

ゼータ電位は高いのに沈降が起こる

粒径が大きい、密度差が大きい場合は物理沈降が優勢です。
高圧ホモジナイズで粒径を小さくし、粘度を上げるガム類添加と併用すると効果的です。

pH調整後に風味が悪化

クエン酸やリンゴ酸の使用量が多い場合、苦味や酸味が際立ちます。
クエン酸ナトリウムなど緩衝塩を用い、総酸量を抑えながらpHだけを調整すると官能品質を維持できます。

今後の展望―スマートファクトリーとAI制御

リアルタイムでゼータ電位をモニタリングできるインラインセンサーの開発が進んでいます。
AIが粒子径分布とゼータ電位データを学習し、pHや界面活性剤添加量を自動制御するスマートプラント構想も具体化しています。
将来的には、個別ニーズに合わせたカスタム飲料を、ゼータ電位制御で即時製造するマスカスタマイゼーションも期待されます。

まとめ―ゼータ電位制御で食品安定化を次のステージへ

ゼータ電位は食品分散系の安定化を左右する最重要パラメータです。
pH、イオン強度、界面活性剤、機械的分散技術を組み合わせれば、従来難しかった低カロリー・高栄養・長期保存の製品開発が可能になります。
測定技術と制御技術の進化により、ゼータ電位管理は品質保証と商品差別化の切り札となりつつあります。
食品企業はゼータ電位の可視化と最適化を通じて、安全でおいしく、機能性も高い次世代製品を創出していくことが求められます。