穀物製品のタンパク質消化率

概要

タンパク質の消化性は、現在注目されている研究テーマであり、食品業界にとっても大きな関心事である。タンパク質の品質を評価するために、さまざまなスコアリング方法が開発されている。穀類のタンパク質スコアは一般的に低いが、これはアミノ酸組成が最適でないことと、タンパク質消化率が低いことが原因である。

タンパク質の消化率は、外的要因と内的要因の両方の影響を受ける。外的要因の例としては、無傷の細胞構造などに巻き込まれて物理的にアクセスできないことや、抗栄養因子の存在などが挙げられる。主な内的要因としては、タンパク質のアミノ酸配列、タンパク質の折り畳みと架橋などが挙げられる。

食品の加工は一般的に、これらの外的要因と内的要因に影響を与えて全体の消化率を高めるように設計されている。しかし、タンパク質の場合、加工によって消化率が低下することもある。

この総説では、タンパク質の消化と消化率について、（擬似）穀類のタンパク質に焦点を当てて論じている。

キーワード：タンパク質消化率、穀類、疑似穀類、加工、抗栄養因子

1. はじめに

タンパク質は、すべての生きている細胞に豊富に存在しており、そのため、私たちの食生活には欠かせないものである。摂取されたタンパク質が人体で利用可能になるためには、基本的な構成要素であるアミノ酸や低分子ペプチドに加水分解されなければならない。そのために、ヒトの消化管には様々なタンパク質加水分解酵素（ペプチダーゼ）が存在する。タンパク質の生理的役割は非常に多様であり、純粋な窒素貯蔵分子としての機能、構造構築能力の提供、代謝活性酵素としての無数の反応の触媒、溶解性の低い成分や生理的に不安定な成分の輸送手段としての役割など多岐にわたる [1]。貯蔵機能を持つタンパク質は、通常、窒素を多く含むアルカリ性アミノ酸（アルギニン、リジン、ヒスチジンなど）を多く含む。

天然に存在する20種類のアミノ酸のうち、9種類が必須アミノ酸であると広く認められている。これらのアミノ酸、すなわち、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、スレオニン、トリプトファン、バリンは、動物の生物が通常の成長に必要な速度で、通常の細胞に利用可能な材料から合成することができない[2]ので、健康的なバランスのとれた食事の一部として摂取する必要がある。しかし、必須アミノ酸のリストには批判もあった[2]。さらに，食糧農業機関（FAO）は，食事性アミノ酸を個々の栄養素として扱うことを推奨している。そのため、食品表では、可能な限り、消化可能なアミノ酸や生物学的に利用可能なアミノ酸のデータを、個々のアミノ酸単位で示すべきである [3]。アミノ酸プロファイルは、イオン交換またはアミノ酸間の極性の違いを利用したクロマトグラフィー技術を用いて決定することができる[4]。

本来の状態では、タンパク質は通常、そのタンパク質のユニークなアミノ酸組成によって駆動される特定のコンフォメーションで折り畳まれている。この強固に折り畳まれたコンフォメーションが、タンパク質の消化性を妨げている。さらに，タンパク質は，しばしばタンパク質体[5,6]のような超分子構造を形成したり，細胞構造に物理的に巻き込まれたりする[7]。このような超分子構造は、加水分解酵素の基質へのアクセスをさらに制限する。

食品の加工には，食品の安全性の確保，保存期間の延長，消化性の向上などの目的がある。例えば、食糧不足のために消化できる食糧の量が制限されている状況では、食糧の栄養素を簡単かつ実質的に完全に消化・吸収することが最も重要である。食品の消化率を決定する成分の選択と加工の役割を説明するために、発展途上国と先進国の食生活におけるタンパク質の消化率を比較することができる。発展途上国の伝統的な食生活では、タンパク質の消化率は通常54〜78%であるのに対し、北米のような先進国の食生活では、タンパク質の消化率は90%に近いか、あるいは90%を超えている [8]。発展途上国の食品の消化率が低い理由は、精製度の低い原材料を使用していることと、加工があまり進んでいないことにある。食品加工は、分子や超分子の構造を（通常は破壊的に）変化させ、消化酵素が栄養素や生体高分子にアクセスしやすくすることで、食品の消化率を向上させる。タンパク質の場合、食品加工は通常、タンパク質のアンフォールディングを引き起こす。実際、加熱、強酸や強アルカリへの曝露、有機分子や乳化剤の存在は、通常、コンフォメーションの変化をもたらし、さらに深刻な場合には、タンパク質のフォールディングが不可逆的に失われたり、分子が切断されたりすることもある。変性によってタンパク質の構造が明らかになり、加水分解酵素へのアクセスが容易になるため、タンパク質の消化率が向上する。しかし同時に、タンパク質の変性は、水性環境から遮断されているタンパク質の疎水性パッチを露出させる。この疎水性効果は、コンフォメーションの変化によって突然可能になった他の相互作用と並行して、最終的にはタンパク質の凝集と消化率の低下につながる [9]。

この総説では、穀類、擬似穀類、およびそれらの製品におけるタンパク質の消化性を深く掘り下げる前に、タンパク質食品の品質スコアリングとタンパク質の消化について一般的な説明を行っている。穀類（疑似）タンパク質の消化性に対する加工の影響を評価した後、セリアック病における難消化性ペプチドの役割を議論し、最後に今後の研究の優先順位をいくつか挙げている。

2. タンパク質食品

タンパク質食品は、高品質のタンパク質が多く含まれているのが特徴である。代表的なタンパク質食品は、肉類、豆類、乳製品である。これらの食品は、それぞれ必須・必要とされるアミノ酸を豊富に含むアミノ酸プロファイルを持っている[2]。動物由来の製品は一般的に、人体の成長と代謝プロセスを維持するのに必要な比率で必須アミノ酸を提供するが、植物由来のタンパク源は一般的に、必須アミノ酸のレベルと比率が最適ではない。しかし、タンパク質の品質は、アミノ酸組成だけでなく、生成された加水分解物の消化性やヒトの消化管での吸収性も考慮する必要がある。例えば、あるタンパク質が非常に優れたアミノ酸組成を持っていても、十分に消化・吸収されない可能性があるのである。政策立案者にとって、タンパク質の必要量を勧告するためには、アミノ酸組成と消化率の両方の要素を考慮する必要がある。異なる供給源からのタンパク質の栄養価にはかなりの差があることが確立されているため [10]、タンパク質の品質を評価するさまざまな方法が開発されている。最も一般的なスコアリング方法の1つは、Protein Digestibility Corrected Amino Acid Score（PDCAAS）である [10,11]。PDCAASは次のように計算される。

PDCAAS=

• 試験蛋白質1g中の限界アミノ酸
• mg基準蛋白質1g中の同一アミノ酸mg
• ×糞便中の真の消化率

9種類の必須アミノ酸を適切な量と比率で含み、タンパク質の消化率が高い牛乳は、PDCAASの最大値が1.0とされている[12]。卵もPDCAASが最大値を示したタンパク質食品である。大豆は0.91,牛肉は0.92であるのに対し、リジンなどの必須アミノ酸が不足している小麦はPDCAASが0.42にとどまっている。ほとんどの穀類タンパク質は、動物由来の製品に比べてアミノ酸組成が劣るため、不完全なタンパク質源とみなされている[13,14]。ソルガムきびのアミノ酸組成はやや良好だが、ソルガムきびのタンパク質は消化が悪く、そのアミノ酸のバイオアベイラビリティが制限される [6]。ソルガムきびのPDCAASは,0.20という低い値が報告されている[15]。より新しいタンパク質品質スコアは、消化可能な必須アミノ酸スコア（DIAAS）であり、タンパク質中のすべての 消化可能な必須アミノ酸の含有量を、基準タンパク質中のこれらの消化可能なアミノ酸のレベルと比較する。この基準タンパク質は,0.5歳から3歳の子供が必要とするプロファイルに近い必須アミノ酸配列を持っている。この新しいスコアは、タンパク質の糞便消化率ではなく、真の回腸消化率を利用しているため、PDCAASよりも優れていると考えられている。小腸で吸収されなかったアミノ酸、ペプチド、タンパク質は、大腸で微生物群によって代謝される。さらに、PDCAASが1.0に切り捨てられることは、栄養価の高いタンパク質に関する重要な情報が捨てられることを意味している。DIAASは以下のように計算される。

DIAAS式の必須アミノ酸は、参照比率が最も低いアミノ酸である[16]。様々な（調理済み）穀類および擬似穀類のDIAAS値（玄米（DIAASは42,第一制限アミノ酸はリジン)精白米（37,リジン)ソバ（68,含硫アミノ酸)オート麦（43,リジン）。キビ（7,リジン)アワ（10,リジン)韃靼ソバ（47,含硫アミノ酸)全粒粉（20,リジン））を見ると、どの穀類も良質なタンパク源とは言えないことがわかる[16]。この値を考慮すると、全乳、ゆで卵、鶏胸肉のDIAASスコアは、それぞれ114,113,108である[17]。DIAASスコアの適用性と価値に関するより広範なレビューについては、MarinangeliとHouseによるレビューを参照してほしい[17]。

3. タンパク質の消化

消化の過程で、タンパク質は加水分解されて（小さな）ペプチドになり、最終的にはアミノ酸になり、人体に容易に吸収されるようになる。このプロセスに関与する酵素はペプチダーゼと呼ばれる。人間のペプチダーゼは、胃、膵臓、小腸に存在する。加水分解された小さなペプチドやアミノ酸は、小腸の腸細胞によって迅速かつ効率的に吸収されるはずである。ヒトの腸におけるペプチドの吸収については、LundquistとArtursson[18]が精査しており、この原稿の範囲外である。

カナダ保健省が発行している栄養成分表[19]には、タンパク質の1日あたりの摂取量（%）は記載されていない。これは、ほとんどのカナダ人が食事から十分なタンパク質を摂取しており、食事によるタンパク質の欠乏は、カナダでは健康上の問題とは考えられていないからである。さらに、食事で摂取したタンパク質の同化は非常に効率的であると考えられている [20]。研究によると、アミノ酸は、単一のアミノ酸や分離したタンパク質を摂取してから約10～20分後に血中に現れる。牛肉や卵、乳製品の一部として摂取されるような食品に含まれる無傷のタンパク質の場合、アミノ酸が血中に現れるまでに2時間以上かかることがある [3]。しかし、高齢者のような特定の欧米人集団にとっては、筋肉量や機能を維持するために、食品にタンパク質を強化することが望ましい場合がある [21,22,23,24]。

一般に、タンパク質の消化には、消化管全体で3つの異なる段階があると言われている [20]。

– 胃相

胃における主なタンパク質加水分解活性は、酸性のpH条件で活性化される2種類のペプシンに由来する。最初の加水分解生成物は、かなり大きなポリペプチド、いくつかの小さなペプチド、さらにいくつかの遊離アミノ酸である。しかし、胃を切除した人でも食事で摂取したタンパク質を消化・吸収できることから、このタンパク質の消化段階は重要ではないことがわかっている。

– 膵臓段階

タンパク質の消化においてより重要なこの段階では、トリプシン、キモトリプシン、エラスターゼ、カルボキシペプチダーゼAおよびBなど、膵臓で生成されるタンパク質分解酵素の混合物が使用される。この段階では、pHが上昇しているため、胃のペプチダーゼは不活性化されている。トリプシン、キモトリプシン、エラスターゼはエンドペプチダーゼで、アミノ酸鎖の途中のペプチド結合を切断する。これらの酵素はそれぞれ、基質の一次構造に沿った非常に特定のアミノ酸を認識している。一方，カルボキシペプチダーゼは，基質のC末端から単一のアミノ酸を除去するエキソペプチダーゼである[25,26]。これら5つの主要な膵臓ペプチダーゼの触媒的な相補性により，タンパク質が適切に加水分解されて遊離アミノ酸やオリゴペプチドになる。

– 小腸期

小腸のブラシボーダー膜には、N末端のアミノ酸を順次除去して短いオリゴペプチドを加水分解するアミノペプチダーゼNが存在する。この腸のブラシボーダーに存在する酵素は、プロリン含有ペプチドに対して高い特異性を示す。膵臓の酵素はプロリンを含むペプチド結合を加水分解することができない。これらのアミノペプチダーゼ以外にも、タンパク質を構成するアミノ酸まで完全に加水分解するメタロエンドペプチダーゼがいくつか見つかっている。小腸の中間部である空腸は、アミノ酸の吸収に適した場所である。また、食餌性ペプチドの生物学的アクセス性とバイオアベイラビリティを正確に測定するための試験管内試験消化プロセスを設計する際には、ブラシボーダーペプチダーゼを有する空腸相を見落としてはならないという研究結果もある[27]。後者の部分は、様々な乳タンパク質混合物を2つの異なる試験管内試験手順に供給した後に結論付けられた。これらのモデルから生じたペプチドは、その後、これらの空腸ブラシボーダーペプチダーゼを含むシステムに供給された。試験管内試験の方法の後、ペプチドと達成された加水分解の程度はある程度異なっていた。ブラシ・ボーダー・ペプチダーゼ処理後には、加水分解の程度の違いはなくなった[27]。しかし、現在のほとんどの試験管内試験消化性試験法は、これらのブラシ・ボーダー・ペプチダーゼを考慮に入れていない[28,29,30]。

小腸で消化吸収されなかったタンパク質、ペプチド、さらには遊離アミノ酸は、最終的に大腸にたどり着き、腸内細菌叢によって発酵される。大腸で起こる一般的なタンパク質変換反応は、脱アミノ化と脱炭酸であり、最終的には短鎖脂肪酸とアミンの生成につながる[31]。これらの反応生成物は、炎症の調整やシグナル伝達など、さまざまな生体反応の引き金となる[31]。上に挙げた酵素の他に、消化管内で変化するpH条件も、タンパク質の消化に重要な役割を果たす。多くのタンパク質は、胃の中の酸性条件下でその構造を失い、タンパク質の加水分解を助ける [32]。

4. タンパク質の消化性

タンパク質の消化性は、タンパク質の内部および外部の要因に左右される。内部要因としては、タンパク質のアミノ酸プロファイル、タンパク質の折りたたみと架橋などがある。外部要因には、pH、温度、イオン強度条件、乳化剤などの二次分子の存在、抗栄養因子などがある。食品加工はこれらの要因、ひいてはタンパク質の消化率に大きな影響を与える。以下では、タンパク質消化率の違いをもたらす内的・外的要因と、穀物のタンパク質消化率に対する加工の影響を取り上げる。さらに、内的要因と外的要因の両方が、植物の発育過程における生育条件（干ばつや熱ストレスなど）によって影響を受ける可能性がある[33]。しかし、植物のタンパク質消化率に影響を与える収穫前のパラメータは、本稿の範囲外である。

4.1. 内部要因

ペプチダーゼは、特定の種類のアミノ酸に隣接したペプチド結合を加水分解する高い特異性を示すことが多い。したがって、タンパク質のアミノ酸プロファイルは、特定のペプチダーゼによる加水分解に対するタンパク質の感受性を決定する。さらに、これらのアミノ酸とペプチド結合は、ペプチダーゼが容易にアクセスできる必要がある。タンパク質の配列上のプロリンリッチなストレッチは、一般的にタンパク質鎖の柔軟性を低下させ、ペプチダーゼによる加水分解に対して高い耐性を持つことが知られている。例えば、グルテンタンパク質はプロリン濃度が高いことが特徴であり、これが消化性を低下させる原因の一つとなっている。また、タンパク質の折り畳みが強固であったり、タンパク質が凝集していたりすると、ペプチド鎖へのアクセスが制限されるため、加水分解が遅くなる。タンパク質の溶解度に影響を与える要因は、タンパク質の消化率にも影響を与える。Martinez-Belascoら[34]は、保存中のトウモロコシのトルティーヤに含まれるタンパク質の消化率を研究した際に、タンパク質の消化率と二次的なβ構造（すなわち、βシートおよびβターン構造）のレベルとの間に負の相関関係があると述べている[34]。これらの二次構造の消化率が低いのは，その高い疎水性に起因すると考えられた。βシート構造とβターン構造の両方が、粘弾性のある小麦粉生地の形成に重要な役割を果たしていることが示された[35]。より高度な構造レベルでは、単一のタンパク質内およびタンパク質間の架橋がタンパク質の消化性に大きな影響を与える。GeigerとHarris[36]は、ペプシンによる羊毛タンパク質の消化性を研究した。羊毛タンパク質は、ジスルフィド架橋によって結合されたペプチド鎖の緻密なネットワーク構造を特徴としている。これらのジスルフィド結合を還元し、続いて（部分的に）再酸化すると、架橋度が低いサンプルの消化率は、架橋度が高いタンパク質よりもはるかに高いことがわかった。製パンにおいて、ジスルフィド結合の形成は、生地の粘弾性とガス保持能力、および最終的なパンの品質に重要な役割を果たしている[37,38]。

4.2. 外的要因

タンパク質の消化性を低下させる外的要因は、抗栄養因子の存在と、ペプチダーゼからタンパク質を守る細胞構造などへの物理的な巻き込みである。

植物（および（擬似）穀類）に見られ、タンパク質の消化性を制限する最もよく知られた抗栄養因子は、

• プロテアーゼ阻害剤（トリプシンおよびキモトリプシン阻害剤など)タンニンおよびフィチン酸塩である[8,39,40]
• マメ科植物や穀類に含まれるヘマグルチニン／レクチン
• マスタードやカノーラのタンパク質製品に含まれるグルコシノレート
• 綿実のタンパク質製品に含まれるゴシポール
• マメ科植物やオート麦、茶に含まれるサポニン
• 酵母のタンパク質製品に含まれるウリシン酸塩基

などもその一例である[8,41]。

• レクチンは、触媒作用のない糖結合タンパク質で、タンパク質の加水分解を妨害し、それ自体がタンパク質分解に対する高い抵抗性と広いpH範囲での安定性を持つことで知られている[41,42]。

そのため、私たちが日常的に口にする生鮮食品や加工食品にも含まれている。レクチンは伝統的に食中毒の原因とされてきたが、最近では食品や飼料に含まれる生物活性タンパク質としてレクチンにアプローチするという見方が広まっている[42]。

トリプシンやキモトリプシン阻害剤のようなペプチダーゼインヒビターもタンパク質であるが、温度処理や消化管内の加水分解条件に非常に影響を受けやすい[40]。キモトリプシン阻害剤は、消化管で最も重要なペプチダーゼの2つである（キモ）トリプシンを不活性化することで、タンパク質の消化率を低下させる。しかし、トリプシン阻害剤の場合、これらの抗栄養因子を不活性化するには、単純な加熱処理で十分な場合が多い。トリプシンインヒビターはもともとタンパク質質であるため、加熱処理、赤外線照射、煮沸、フレーク化などによって比較的容易に不活性化することができる。しかし、Clementeら[43]は、トリプシンインヒビター活性のかなりの部分が耐熱性であることを発見した。

逆に、熱に安定した抗栄養因子は、例えばタンニン[4]やフィチン酸塩[41,44]である。タンニンは天然の水溶性ポリフェノールで，水環境下ではタンパク質と複合体を形成して沈殿する。タンニンは、タンパク質（ペプチダーゼやタンパク質基質）やミネラルと相互作用することで、食品中の加水分解活性を低下させる[41]。タンニンの中には、酸やアルカリの条件、あるいは酵素によって容易に加水分解されるものがある。一方、凝縮型タンニンは重合した分子であり、加水分解に対して非常に強い抵抗力を持っている [8]。凝縮型タンニンは、私たちの食べ物に含まれるタンニンの中で最も多いタイプである。タンニンは、ソルガム、キビ、さまざまな種類の豆やエンドウ豆に多く含まれている。熱処理はタンニン濃度に影響を与えないため、タンニンを減らすための代替技術処理として、脱皮、浸漬、化学物質の添加、発芽などが開発された[8,45]。

フィチン酸またはフィチン酸塩は、植物に自然に存在し、金属キレート作用があることが知られている。植物のフィチン酸塩は、発芽時にミネラル源として機能する。人間や動物の消化管内では、フィチン酸塩は必須ミネラルを封じ込め、これらの生物学的利用率を低下させる。フィチン酸塩は、ペプチダーゼが活性化するために必要なミネラル補酵素と競合したり、タンパク質と直接相互作用することで、タンパク質の消化性を阻害する。フィチン酸塩の含有量は押出成形（高温・高せん断処理）によって減少させることができるが、 従来の熱処理ではフィチン酸塩レベルに影響を与えない[41,44]。さらに、熱処理はフィチン酸塩を加水分解することが知られている酵素であるフィターゼを不活性化する。米、小麦、キビなどの穀類では、フィチン酸塩は主に穀粒外層に存在し、通常は製粉工程で除去される。逆に、トウモロコシでは、フィチン酸塩は胚乳に含まれている[46]。

食物繊維もまた、タンパク質の加水分解の妨げになるとされている。しかし、食物繊維の効果は純粋に物理的なものである可能性がある。すなわち、消化管内容物の粘性を高めることで、加水分解酵素が基質に素早く拡散してアクセスできなくなる可能性がある [47]。

ペプチダーゼ活性に影響を与える抗栄養因子についてのより包括的なレビューについては、Gilaniらによる優れたレビューを参照されたい[8]。

4.3. 加工の影響

一般に、食品加工は、生体高分子を消化過程で利用しやすくすることで、食品の栄養価を高めることを目的としている [41]。植物性食品では、エネルギーと栄養の適切な抽出を確保するために、デンプンのゼラチン化、細胞壁の破壊、毒性や抗栄養因子の不活性化を行う必要がある。

タンパク質の消化性に関しては、非常に初期の研究で、生の卵白は非常に難消化性であり、摂取時に深刻な胃腸障害を引き起こすことが指摘されている [48]。加工（ここでは加熱）すると、卵白タンパク質の消化率は大幅に向上する。初期の研究では、タンパク質の消化性を阻害する抗トリプティック因子またはタンパク質の特殊な化学的構成が指摘されていた。卵白に含まれるさまざまなタンパク質成分のうち、アルブミン分画は非常に消化されにくい成分であることが判明した。一方、生卵黄はよく消化され、利用される。生卵黄を食べたときに胃腸に不快感がある場合は、この部分に脂肪が多く含まれていることが原因であると考えられる[48]。その後の研究では、調理済み卵タンパク質と生卵タンパク質の真の回腸消化率は大きく異なり、それぞれ約90%と50%であることが確認された[49,50]。特定のペプチダーゼを用いた試験管内試験では、生卵白のオバルブミンはわずかにしか消化されないか、あるいは消化されないことが示されたが、熱凝固した卵白タンパク質はペプシンによる消化の影響を受けやすいことがわかった [50]。

4.3.1. 粒子サイズの縮小と物理的サイズの分離

穀類や擬似穀類は、食品の原材料として使用される前に、しばしばサイズダウンや粉砕のプロセスを経る。この粉砕工程では、細胞構造がせん断され、タンパク質マトリックスが環境（および加水分解酵素）にさらされる範囲が拡大される。純粋な物理的サイズ縮小プロセスは、タンパク質の消化性を高めることになる。

穀類の空気分級は、物理的性質や化学組成が異なる分級品を得るための、安価でクリーンな技術である。これらの画分は通常、機能性や栄養学的品質の点でも異なる。例えば、ふすまを分級すると、少なくともいくつかの分級が得られ、その中にはかなり高いタンパク質が含まれている。Ranhotraら[51]が分離したこれらの高タンパク画分の1つは、タンパク質含有量が高いだけでなく、第1制限必須アミノ酸であるリジンの量がこの画分で多く測定されたことから、アミノ酸プロファイルも優れてた。さらに、この画分の見かけのタンパク質消化率ははるかに高かったようである[51]。

4.3.2. 熱処理と圧力処理

タンパク質の消化率は一般的に熱変性によって向上する[32]。処理の厳しさとタンパク質の種類に応じて、タンパク質はしっかりと折りたたまれた構造を失い、加水分解酵素がペプチド鎖にアクセスしやすくなるか、あるいは凝集してしまう。熱処理によって消化性が向上する例として、豆の加工が挙げられる。豆類は、浸漬と調理の工程を経ることが多く、BarampamaとSimard[52]は、この工程によってタンパク質の消化率が向上することを発見した。

しかし、タンパク質のアンフォールディングは、最終的に（高密度の）凝集体を形成し、タンパク質の消化性を低下させる可能性がある[53]。実際、加熱処理中にソルガムタンパク質間でジスルフィド結合などが形成されると、タンパク質の 消化率が低下する[54]。また、試験管内試験条件下での消化率の低下は、タンパク質間の疎水性相互作用が引き金となっていることが研究で 示されている[54]。したがって、加熱処理はタンパク質の消化率に相反する効果をもたらす。トリプシンインヒビターの熱による不活性化は、タンパク質の消化率スコアにプラスの影響を与えるはずであるが、加熱処理によって引き起こされるタンパク質の変性と凝集は、タンパク質の消化率を低下させる [8]。強烈な加熱処理は、最終的にはアミノ酸残基の劣化や分解を引き起こす可能性さえある [32]。

さらに、pH、イオン強度、製品全体の組成によって、タンパク質の構成と消化率に対する熱処理の効果が決まる。「適切な」条件での加熱処理は、ラセミ化、メイラード反応、あるいはジスルフィド結合やリシノアラニン（LAL、アルカリ条件で特に促進される）やイソペプチド結合などの共有結合の形成を促進する可能性がある [8,32,55]。アルカリ/熱処理は，タンパク質中のD-アミノ酸の形成（ラセミ化）を誘発し，タンパク質の品質を劇的に低下させる（ラットの成長をモニタリングして評価）[8]。これらのD-アミノ酸は、L-アミノ酸に比べて特定の分解反応を受けやすいだけでなく、タンパク質の加水分解を妨げ、その結果、必須アミノ酸のバイオアベイラビリティーに影響を与える可能性がある。マメ科植物や小麦のグルテンタンパク質を強化したパスタ製品を異なる温度で乾燥させたところ、高温での乾燥はアミノ酸のバイオアベイラビリティーを低下させることがわかった。このバイオアベイラビリティの低下の原因は、メイラード反応を含むタンパク質の構造的修飾にある[56]。ジスルフィド結合の形成とは別に、タンパク質を多く含む食品の加熱処理によって、リジンとグルタミン酸またはアスパラギン酸との間に共有結合のイソペプチド結合が形成されることがある。この反応はリジン含量の純減につながるが、イソペプチド結合は容易に加水分解可能であると思われる。そのため、イソペプチド結合の形成はリジンのバイオアベイラビリティに影響を与えないと考えられる。しかし、イソペプチド結合による過剰な架橋は、最終的に消化酵素に対するタンパク質鎖のアクセス性を低下させる可能性がある[32]。アルカリ性条件下で形成される別のタイプの共有結合は、ハードプレッツェルなどのシリアル製品に形成されるLAL結合である[32,57]。しかし、リジンのバイオアベイラビリティに対するイソペプチド形成の準保護効果は、例外的なものである。熱処理により、リジンの側鎖にあるε-アミン基の誘導体化反応が起こることが多い。これにより、リジンは必須アミノ酸として利用できなくなる。アミン基が反応する分子の例としては、還元糖、酸化ポリフェノール、酸化脂質などがある。加工後の利用可能なリジン含量は、1-フルオロ-2,3-ジニトロベンゼンを用いて測定することができる[4]。

シリアルの加工におけるアルカリ処理は、プレッツェルの形成に限定されない。コーン・トルティーヤの製造時に、ニクタマリゼーションとも呼ばれるトウモロコシのアルカリ（加熱）処理を行うと、タンパク質の消化率が低下することも明らかになっている[34]。

高静水圧処理は、加熱殺菌の代替技術として最近注目されている新しい技術である。シリアル小麦粉をベーキングに使用する前に高圧前処理を行ったところ、得られたパンサンプルのタンパク質消化率はほとんど低下しなかった。このわずかな減少（あったとしても）の説明として考えられるのは、タンパク質ネットワークや分子内／分子間ジスルフィド結合の形成である[58]。圧力処理はタンパク質の変性を引き起こすが、変性の深刻さは処理パラメータに大きく依存する[59]。さらに、高圧調理は、フィチン酸塩、タンニン、トリプシンインヒビターなどの抗栄養素の破壊にもつながる。そのため、タンパク質の消化率の低下と上昇の両方を記述した研究が見られる。例えば、米の高圧調理は通常の調理よりもタンパク質消化率を低下させるが [60]、高圧調理はササゲの試験管内試験タンパク質消化率を向上させることも報告されている [61]。さらに、高圧処理はソルガムのタンパク質に対する調理による消化率低下の影響を回避または回復させることが証明されている[62]。

4.3.3. 押出成形と爆砕

押出成形は、食品の化学的、物理的、栄養的特性を変化させる熱機械的な複合処理であり、シリアルベースのス ナックや朝食用シリアル製品を製造するための一般的な技術である。押出成形技術は、シリアルベースのスナック食品の製造以外にも、小麦粉の特性を変えるためにも使用される。押出成形は、栄養素の消化率を大幅に向上させることがわかっている[28,63]。物理的／化学的な分解による分子の切断と抗栄養因子の不活性化については、よく知られている[41,63]。例えば、穀類のふすま画分では、フィチン酸塩、ポリフェノール、トリプシンインヒビターのレベル／活性を大幅に低下させるために押出し成形が行われている[41]。DahlinとLorenz [64]は、ライ麦、冬小麦、キノア、トウモロコシ、キビ、低タンニンおよびタンニン含有ソルガムという7種類の穀物の押出成形全粒粉の試験管内試験消化率（トリプシンを使用）を研究した。その結果、7種類の全粒粉のタンパク質消化率は、押出し工程の条件を慎重に選択することで向上させることができた [64]。Omosebiら[63]は、プロテイン・トウモロコシ、ダイズ・プロテイン・コンセントレート、キャッサバ・デンプンからなる乳児用粉ミルクを押し出し調理したところ、同様にタンパク質消化率が向上したと報告している。

爆砕調理とは、穀物を高圧の膨張室で短時間加熱する技術である。所定の時間が経過した後、チャンバーを開くと、急激な圧力低下により、穀物中の水分が瞬間的に蒸発して、穀物が急激に膨張する。Huangら[29]は、爆発パフィングによって、パフ化した穀物（大麦、米、小麦）のタンパク質消化率が向上することを見出した。しかし、彼らはキビのタンパク質消化率の改善を観察しなかった。消化率の向上は、パフ化した穀物の構造がよりオープンになり、ペプチダーゼ活性に対するタンパク質のアクセス性が向上したことによって説明された [29]。Llopart と Drago [65]は，ソルガムをパフ化した後，同様のタンパク質消化率の向上を観察した。ここでは、穀類の胚乳における細胞壁の断片化が、消化率向上の主な原因であるとも述べられている。逆に、Parkerら[66]が行った研究では、ソルガムのタンパク質消化率はポッピングの影響を受けなかった。品種の違いと加工条件が、タンパク質消化率に大きな役割を果たしていると考えられる。

4.3.4. 発酵と発芽

発芽や発酵の際には、無数の加水分解酵素が放出されたり合成されたりして、抗栄養因子（フィターゼなど）を分解したり、バイオポリマー（タンパク質など）を加水分解したりする [67]。キビのタンパク質の消化率は、デコルティケーション、発芽、発酵、パーボイリングなどの簡単な処理工程によって高めることができる [54]。加工時には抗栄養成分が減少し、タンパク質が分解される一方で、タンパク質の抽出率が上昇する [54]。また、還元剤の存在は、ジスルフィド架橋に作用することで、タンパク質の消化率を高めることが示されている。さらに、さまざまな種子（パンの実、カシューナッツ、フルーテッドパンプキン）のタンパク質消化率は、煮沸と発酵によって改善することができた。これらの種子には、タンニン、フィチン酸、トリプシンインヒビターが存在し、タンパク質の消化率を低下させる。ボイルするとタンニン含有量が大幅に減少し、発酵はフィチン酸とトリプシンインヒビター活性を減少させる最も効果的な処理方法であることが証明された[68]。Ogodoら[69]は、発酵させたソルガムきび粉について、タンパク質消化率に同様の効果があることを発見した。これらの研究者は、加水分解酵素が、不溶性の高い貯蔵タンパク質をより単純で可溶性の高い製品に変換したのではないかと推測している。さらに、発酵中のpH低下はペプチダーゼの酵素活性を促進し、タンパク質の溶解性を高める可能性がある[69]。

4.3.5. タンパク質の加水分解

タンパク質の機能性（乳化、起泡、および／またはゲル形成の特性）を高めるために、タンパク質はしばしば、比較的高い分子量を持つペプチドに穏やかに加水分解される [70]。乳タンパク質の場合、加水分解は試験管内試験のタンパク質消化率を増加させた[71]。同様の効果は、植物や穀物のタンパク質にも見られた。Koopmanら[72]は、タンパク質の加水分解物は、そのままのタンパク質に比べて消化が促進されることを示した。また、腸からの吸収が促進され、骨格筋タンパク質へのこれらのアミノ酸の迅速な取り込みが促進される[72]。

4.3.6. 製パンプロセス

製パンは水和、発酵、加熱ステップを含む複雑な手順であるため、上記の処理ステップのいくつかを組み合わせる必要がある。Wuら[73]は、グルテンを含む小麦粉とグルテンを含まない小麦粉を用いて製パン中のタンパク質消化率の変化を調査した。タンパク質消化率は発酵/プルーフィング中に増加し、焼成中に再び減少することが示された。さらに、同じ研究者[73]は、小麦粉のタンパク質消化率が総ポリフェノールおよび食物繊維の含有量と逆相関していることを発見した。ポリフェノールは、消化酵素の認識部位に結合し、加水分解反応を阻害すると考えられている。さらに、ポリフェノールによるタンパク質の架橋が起こり、タンパク質の消化性がさらに制限される可能性がある[73]。

KostekliとKarabaya [40]は、穀類の小麦粉、生地、パンのサンプルにおけるトリプシンおよびキモトリプシン阻害剤の活性レベルを調査した。パンは毎日の食生活に欠かせないものなので、これらの阻害剤のレベルとその活性に関する情報は非常に重要である。加工中、トリプシンインヒビター活性は、発酵と焼成によって減少した。キモトリプシンインヒビター活性は、逆に発酵中の全粒粉製品で増加した[40]。精白小麦粉とは対照的に、全粒粉、生地、パンではトリプシンインヒビターの活性は検出されなかった。この理由として考えられるのは、プロテアーゼインヒビターとふすま成分（おそらく複合多糖類）との間で複合体が形成され、トリプシンインヒビターが不活性化されることである[40]。

焼成後のグルテン蛋白質の蛋白質消化率の抑制は、蛋白質の変性に起因している。小麦粉を米粉に置き換えることで、ビスケットのタンパク質消化率が向上した [74]。さらに、焼いた製品の栄養プロファイルを改善するという点では、使用する穀類を多様化することで、小麦の最適ではないアミノ酸組成を補うことができる [75,76]。

5. 難消化性蛋白質

食物性タンパク質に含まれるいくつかの特定のドメインは、消化に対して非常に安定しており、腸の粘膜バリアを通過できることさえ示唆されている。これらのペプチドは、人間の健康に有益である（例：生理活性ペプチド)あるいは免疫反応を引き起こす（例：食物アレルギー）という仮説が立てられている[77,78,79]。

擬似）穀類の貯蔵タンパク質は、動物性タンパク質よりも消化率が低い。例えば、ソバのタンパク質は、胃腸での吸収率が低い。そばのたんぱく質の利用性の低さは、高レベルのプロテアーゼ阻害剤とタンニン、およびたんぱく質、特にアルブミン画分のたんぱく質分解活性に対する感受性の低さに起因する[39]。さらに、キビは他の穀類に比べてデンプンとタンパク質の消化率が低いことで知られている[30]。もうひとつの穀類であるソルガムは、主に半乾燥熱帯地域で栽培されているが、湿式調理後のタンパク質消化率が非常に低い。ソルガムとキビのタンパク質消化率の低さは、内部の緻密な粒構造、ポリフェノールとフィチン酸の存在、ジスルフィドおよび非ジスルフィド架橋の形成、タンパク質の疎水性、湿潤調理時に誘発される二次構造の変化に起因する[9]。ソルガムではカフィリン分子のタンパク質架橋が、キビではパニシンの疎水性凝集体の形成が、おそらくタンパク質の消化率を低下させる主な要因となっている [6,9]。テフのタンパク質は比較的よく消化されるが、テフをインジェラに調理することで、その消化率をさらに高めることができる [80]。

小麦タンパク質は多くの食生活の乱れと関連している。最もよく知られているのはセリアック病で、遺伝的に影響を受けやすい人がグルテンを含む穀物を摂取することで発症する疾患である。小麦のグリアジンと、それに比べて低分子量のグルテニンには、免疫原性ペプチドが存在する[81]。α-グリアジンのこれらのセリアック病開始ペプチドの様々なものが同定されている。これらの免疫原性エピトープのいくつかの例は、グリア-α9（PFPQPQLPY）およびグリア-α20（FRPQQPUPQ）である[82]。グルテン蛋白質の異常なアミノ酸組成（プロリンとグルタミンの含有量が多い）は、消化管でのこれらの蛋白質の完全な消化を妨げる。ほとんどの人にとって，このペプチドは何の問題も起こさないが，世界人口の1%がセリアック病を患っていると推定されており[83]，これらの人の場合，これらのペプチドが自己免疫反応のカスケードを引き起こし，重篤な腸管障害につながる．セリアック病に苦しむ人々のために，いくつかの研究者が解決策の開発を試みている．これらの解決策の1つとして，グルテンタンパク質をペプチダーゼ混合物（例えば，パパイヤ非特異的エンドペプチダーゼと3つの微生物ペプチダーゼ（Aspergillus oryzae leucine aminopeptidase, Aspergillus melleus endopeptidase with activity against hydrophibic amino acid residues and Penicillium citrinum deutorlysin））で前処理することが挙げられる[84]。これらのペプチダーゼは、上記のプロリンに富むペプチドを消化することができ、その結果、免疫原性ペプチドの濃度を下げることができる。その他の戦略としては、このような消化管反応を引き起こさない小麦品種の開発 [81]や、穀類の対象となる加工が挙げられる。そのような新しい穀類のひとつが、デュラム小麦と野生の大麦の交配種であるトリトルデウムである[85]。トリトルデウムは、通常の小麦よりも免疫原性エピトープの数が少ないことが示された。この新しいシリアルは、グルテンの摂取量を減らしたい人のダイエットに適しているが、消化時に生成されるグルテンの免疫原性ペプチドが残っているため、セリアック病を患っている人には適していない[85]。加工はグルテンの物理化学的特性に大きな影響を与え、それゆえに消化安定性に影響を与え、それゆえにタンパク質の抗原性にも影響を与える[86]。Rahamanら[86]は、せん断自体はタンパク質の消化性に影響しないが、pHと温度はグルテンの消化性と生成される加水分解物の抗原性に大きく影響することを発見した。pH3では、グルテンは酸性の脱アミドを受け、タンパク質の加水分解が促進され、抗原性の低い小さなペプチド画分が生成される[86,87]。タンパク質を加熱すると、タンパク質が凝集し、消化に対するタンパク質の抵抗力が増す [86] 。

6. 展望

穀類や疑似穀類のタンパク質は、アミノ酸組成が最適ではなく、タンパク質の消化率が低いため、高品質とは見なされない。タンパク質の消化率は、研究対象のタンパク質やその環境に特有の様々な要因の組み合わせによって影響を受けることが多い。したがって、タンパク質の消化率は、食品加工を選択することで調整することができる。

しかし、加工がタンパク質消化率に及ぼす影響はそれほど単純ではなく、加工条件の厳密な管理が必要である。さらに、欧米の一般的な食生活では、タンパク質の消費は通常、制限要因ではないため、タンパク質の消化率を高める必要性には疑問が残る。

しかし、例外として注目すべきは、欧米の高齢者層で、筋肉量と機能を維持するために、食事から十分なタンパク質を摂取する必要がある。穀類のタンパク質を摂取する際に懸念されるのは、最適とは言えないアミノ酸比率であり、人間が成長と健康的な代謝を維持するために摂取すべきアミノ酸比率とは一致しない。小麦やトウモロコシを中心とした伝統的な食生活を超えて、より多様な穀類や擬似穀類を摂取することで、これらの最適ではない比率を部分的に補うことができる。