はじめに

私たちは何気なく牛乳を美味しく飲んでいるが、よく考えてみるとミルクは解らない事だらけで不思議な事が沢山ある。この不思議な事を突き詰めて考えると生命そのものに突き当たる場合もある。

牛乳から脂肪を取ると脱脂乳になり、脱脂乳をpH4.6にするとカゼインとホエイに分かれる。このカゼインにはαs1、αs2、β、κの4種類がある。
一方、ホエイの中には主にホエイタンパク質と乳糖がある。後はカルシウムとリンで、これは牛乳の中に豊富に含まれている。更にホエイタンパク質にはβラクトグロブリン（β-Lg）、乳糖の合成に関連するαラクトアルブミン（α-La）、他にも免疫グロブリン（IgG）、牛の血清アルブミン（BSA）、ラクトフェリン（Lf）など多くの機能性に富んだタンパク質が沢山入っている。今回はこの内からカゼイン、ホエイタンパク質、乳糖、カルシウム、リンを中心にお話する。

1.牛乳はなぜ白いのか？

まず牛乳は何故白いのかについてお話します。皆さん普段飲んでいる牛乳は白いのが当たり前と思っている方が大半ですが、この牛乳が白い事は非常に意味が深い話となっています。

何故白いかと言うと、電子顕微鏡で脱脂乳を見ると、黒いツブツブが沢山見えます。 この黒い粒子の事をカゼインミセルといっている。この大きさはバラツキがあるものの、40～600nm（ナノメーター）のコロイド粒子である。（ナノメーターとは百万分の一ミリメーターの事）この粒子に光が当たると乱反射し、この為に白く見える。即ち、カゼインミセルはコロイド粒子でこのコロイドに光が当たって、乱反射する。この現象をチンダル現象といい、高校の頃の化学の教科書に出て来る言葉である。ここで問題は何故カゼインはこの様なツブツブの粒子となっているのか、ここに奥の深い訳がある。もう1つの神秘は、水に溶けないリン酸カルシウムをミルクは如何に大量に供給しているのかである。ミルクの中にはカルシウムやリンが豊富に含まれている事は皆さん良くご承知の通りで、このリン酸カルシウムは骨や歯の主要成分であり、また生命の維持にこのカルシウムやリンは不可欠である。ところが中性付近ではこのリン酸カルシウムは殆んど水に溶けない。もし、これが簡単に水に溶けたら我々は骨無し動物になってしまう。私が子供の頃は、宇宙人は蛸みたいな生物の漫画があったが、無重力の宇宙空間に長期間滞在すると、骨や筋肉が弱ってしまう。宇宙飛行士の古川さんが宇宙から帰還した時に1人では歩けない状態になっていたのは良く覚えておられる通りです。

このリン酸カルシウムが殆んど水に溶けないのは、コップの中に水を入れてその中に砂が入っている様な状態で、この状態では牛の乳腺が詰まり子供にミルクを与える事が出来ない事になる。したがって、このリン酸カルシウムを大量にかつ安定に供給するシステムを生物が作り出し、哺乳類が誕生して今日に至っている。このリン酸カルシウムを安定供給する仕組みとして、このカゼインミセルの中にリン酸カルシウムを取り込むという方法を考え出した。これは生物として偉大な、革命的な発明であった。この様に、カゼインミセルはミルクの中で極めて大事な存在である。

この様にミセルの内側にリン酸カルシウムを大量に包み込んでいます。この為に水に溶けないリン酸カルシウムを子供に与える事が出来ている。このミセルの表面には、κカゼインが比較的多く分布している。また、牛乳からミネラルを除く（脱塩）か、或いはpHを5.5以下にするとこのリン酸カルシウムは溶け出して、ミセルがバラバラに分解し、より小さな集合体（約20ナノメーター）となる。この小さな集合体の事をサブミセルと呼ぶ場合がある。この状態となると牛乳の白い色が消え、ホエイ色の黄緑色に変わってくる。この様に哺乳類にとって大切なカゼインミセルであるが故に、1970年頃から多くの研究者がこのミセルについて研究を行なっている。

ここでそのミセルの代表的な考え方を二つ紹介する。1つは、「サブミセルモデル」というもので、サブミセルはこの図ではドーナッツ型に見えるが、実際には小球形です。サブミセルモデルではサブミセルが集まってミセルを構成しているという考え方であり、その集合体の内部が疎水的な領域となっており、外側が親水的な性質を持っている。このモデルではミセルの外側にκカゼインを多く含有するサブミセルが分布し、内側にはκカゼインをあまり含まないサブミセルがあってこの大きなミセルを構成している。このサブミセル間にリン酸カルシウム（CP）が存在するモデルとなっている。このCPの構造モデルに水酸化カルシウムが付くとハイドロキシアパタイトになる。

もう1つの考え方は、リン酸カルシウムの「ナノクラスターモデル」と言われているもので、ナノクラスターとはリン酸カルシウムの小さな凝集体と考えられている。このモデルでは中心がリン酸カルシウムのナノクラスターといわれるもので、その周りにカゼインがヒゲ状となっている。このモデルではサブミセルは持っていない。その後多くの研究者がこのカゼインミセルについて様々なモデルを提唱しているが、これらは上記の２つのモデルの派生的な改良型となっている。

このカゼインミセルについて具体的に視覚化する様々な写真が提出されており、これが多くのモデルが提唱される原因ともなっている。1つは、弊社にてイオンスパッタリング法で電子顕微鏡撮影したもので、岩状のサブミセル様形状が写っている。一方、もう1つのクライオTEM法による電子顕微鏡写真では前者の様な岩状形状は写っておらず、全体が一様均一にモヤとした形状となっている。この写真はナノクラスターモデルの1つの根拠となっている。もう1つの写真は、弊社が2010年に発表したもので、原子間力顕微鏡を使って観察した。カゼインミセルは多くの粒子の集合体として見えるが、その粒子間には比較的大きな隙間がある。これらはどれが本当のカゼインミセルを表しているのかは不明であるが、多くの観察結果が存在する事が、多くのカゼインミセルモデルが提案される基になっている。

他にも多くの物理化学的手法にてこのカゼインミセルの解析が行なわれているが、このモデルの真偽に関しては依然として決着していない 。

2.チーズ作りとカゼインミセル

このカゼインミセルを脱塩操作するとミセル粒子が小さくなり、pHを中性付近から酸性に下げるとpH5.3付近でカゼインミセル中のリンが溶出される。このリン酸カルシウムはカゼインミセルを構成する骨格をなしている事からこれらの操作によりミセル構造が破壊される事を示している。

一方、カゼインの等電点が4.6であるのでこのpHでゼータ電位を測定するとプラスマイナス零の値となり、カゼインの沈殿が観察される。ところが、このカゼインミセルのゼータ電位測定では、pH5.3付近でも零となり、カゼインミセルの水和性が高まる現象が観察されている。

この現象はチーズ製造での「パスタフィラータ製法」と関連している。このパスタフィラータ製法とは、モッツアレラチーズの作り方、即ちpH5.2から5.4位の間で60℃のお湯に入れて練って引っ張る操作を繰り返す製法である。弊社の「さけるチーズ」も基本的にはこのパスタフィラータ製法に基づいている。この操作の結果、チーズの組織が繊維状となりこれがさけるチーズの特徴となっている。この製法はこれまでに示したカゼインミセルの諸性質と深く係わっている。この詳細については未だ解明されていない点が多いが、この研究が進むとチーズ製造にて多くの改良がなされると期待されている。
さて、チーズ製造で、原料乳の加熱が過ぎると良いチーズが出来ない事は良く知られている。
原料乳の加熱温度が高すぎるとカードが良好に出来ない、特に80℃を越えるとカード生成不良となる。
この原因の詳細については、未だ明確には解明されていない。 この原料乳加熱では、ホエイ中のβラクトグロブリンがカゼインミセルと結合してレンネットとの反応が起こり難くなっているとの考え方がある。実際に、カゼインミセルをβラクトグロブリンの非存在での加熱状態を写した写真では、カゼインミセルが連なったゲル構造が認められる。

一方、βラクトグロブリンの存在下で過熱した写真ではミセル上に微粒子様に見えるβラクトグロブリンが存在しており、このためレンネットの反応が妨げられていると解釈できる。また、この加熱、未加熱のカゼインミセルのレンネット酵素との反応をGMP（κカゼイングリコマクロペプチド）の遊離や形成カード硬度を観察すると、この加熱、未加熱ではカード形成時間や硬度に大きな差が認められるが、一方酵素反応で遊離されるGMPは殆んど差異が認められない。この現象の解明にはカゼインミセルの構造や性質を更に詳細に研究する事が必要である。もし、この現象が解明されると、高温殺菌原料乳を使用したチーズ製造が可能になり、また殺菌温度を変える事で様々な性質のチーズを作る事が出来るのではと期待されている。

3.ミルクは虫歯に良い

哺乳類が誕生する以前は、爬虫類や鳥類、昆虫類、魚類などは卵生の生物であり、その仔は卵を栄養として育つ。この世に哺乳類が出現したという事は、ミルクが卵に比較して栄養や生命活動を行ううえではるかに便利で有利であったからと思われる。

ではカゼインはどのくらい前から存在していたのか、米国在住のカワサキ先生が面白い論文を発表されており、哺乳類以前の爬虫類の化石の遺伝子解析を行なうと、原始カゼイン遺伝子が爬虫類の歯のエナメル質（リン酸カルシウムであるハイドロキシアパタイト）に存在しているのを確認した。この事から、カゼインは歯にリン酸カルシウムを供給する役割を担っていたと推測されている。この説に従えば、原始カゼインはリン酸カルシウムを歯に供給し、更に進化してより大量にリン酸カルシウムを歯、骨などの供給する必要から原始カゼインが進化して、現在のようなカゼインミセルとなり、大量のリン酸カルシウムを包み込む仕組みを作り上げてきたと考える事ができる。したがって、この仕組みが哺乳類の現在の繁栄を支えていると考えられる。

この原始カゼインの役割をみても、ミルクが虫歯予防に良い事が分かる。欧米では当然と考えられているが、日本ではこの様なミルクの虫歯予防効果を知っている人は少ない。歯医者さんでもご存知の方は少ないのが日本の実態である。2003年に国連WHOが世界の関連論文を調査して、歯の健康リスクを上げる要因と下げる要因について調べた。その結果、ほぼ確実に虫歯予防に効果があると認められたのが硬質チーズであり、その可能性が高いと認められたのは牛乳であった。逆に砂糖は確実に虫歯リスクを増加させると報告されている。キシリトールが虫歯予防に良い事は、大量のコマーシャルによって知らない人はいないが、牛乳もキシリトールと同様同程度に虫歯予防に効果がある事はこの報告でWHOが認めている。更に、硬質チーズはこのキシリトールや牛乳以上に確実に効果があるとされている。この様に、欧米では一般的にこの事は知られているが、日本では殆んど知られていない。

この虫歯予防効果の理由は簡単で、砂糖を摂取すると数分で口中pHが5.5を下回る。このpH5.5は歯のエナメル質のハイドロキシアパタイト中のリン酸カルシウムを溶出させ、虫歯の要因となる。一方、pHが5.5を下回らなければ歯からリン酸カルシウムが溶け出す事は無いので虫歯の要因とならない。実際にチーズを食べると口中のpHは5.5以下に下がらないので、虫歯予防となる。これは、チーズ中のタンパク質がpH緩衝作用を示すためである。もし、虫歯となっても、原始カゼインがリン酸カルシウムの供給を目的としていたのなら、牛乳やチーズのカゼインからリン酸カルシウムが供給されて開いた穴を塞ぐと考えられる。

4.乳はなぜ健康によいのか

乳は骨にも良い作用を示すが、乳が骨の主要成分であるカルシウムとリンを供給するばかりではなく、この他にカゼインやMBPなどのタンパク質がコラーゲンの合成を補助する作用もある。骨はカルシウムが主体であるが、その他にも骨格となるタンパク質が大切であり、ミルクはその両方を満たす事ができる。ちなみにMBPとは牛乳中のホエイタンパク質の一種で、骨を作る細胞を活性化し、骨を壊す細胞を抑える働きがある。

他にもミルクは健康に良い事が知られているが、特にメタボを抑える効果がある。米国において体重が100kg前後の被験者に対して500kcal減の食事制限を実施し、その間カルシウム供給をサプリメントや乳製品で行う実験では、乳製品カルシウム摂取群の腹囲減少効果が最も高かった。 この牛乳の健康効果は現代になって新たに解った事ではなく、大化の改新の時代の古文書にも牛乳・乳製品が健康に良い事が既に記されている。
カゼインミセルの重要性が更に解明されると、より良い製品の開発に結びつき、更なる健康効果を持つ製品の提供も可能となる。また哺乳類の誕生の秘密にも迫る事が出来る。

5.乳糖の不思議

最後に乳糖の不思議について考えてみたい。

乳糖はグルコースとガラクトースから出来ているミルクの中にしか存在しない二糖類である。我々は摂取した乳糖を乳糖分解酵素でグルコースとガラクトースに分解して吸収するが、年齢と共にこの乳糖分解酵素が減ってきて、お腹がゴロゴロする人が増えてくる。私もこの酵素の活性が落ちているのでお腹がゴロゴロしていいのだが、実は大丈夫である。何故かと言うと、この乳糖分解酵素を出す乳酸菌、すなわちヨーグルトを食べているからである。このガラクトースとグルコースから合成されたものが乳糖であるが、この乳糖の一番の役割はエネルギー源である。しかし単にエネルギー源であると考えると、グルコースとガラクトースをそれぞれ単独で与えても良いはずであり、何故に乳糖とする必要があるのかとの疑問が起こる。

母体で乳糖を作る為には、その合成酵素（ガラクトシルトランスフェラーゼ）が必要である。ところが、この酵素のみでは効率的に乳糖が合成されない。その為生体はホエイタンパク質の1つであるαラクトアルブミンをこの合成に利用している。このαラクトアルブミンの起源は多く生物で見られるリゾチームであり、歴史的に2億年から4億年もかけて進化してきた。

これはサッカーに例えると、乳糖合成酵素であるガラクトシルトランスフェラーゼだけでは乳糖が合成されないため、アシスト役が必要となった。その任務を担ったのがリゾチームであり、長い年月をかけて変化し、αラクトアルブミンになったと解釈できる。新生児は誕生と共に雑菌豊富な世界に生み出される。この雑菌の中には良い菌と悪い菌があり、この悪い菌を体内で増やしたくない。そこで、乳糖を分解して餌として利用できるのは味方である良い菌、これを分解できない菌は敵である悪い菌として、敵と味方の識別の為にこの乳糖存在意義の複雑さがあると私は考えている。
最後のまとめとして、今のミルクの研究は種々発展を遂げているが、それを更に進める事で新しい乳製品や効率的な製造法の開発が出来ると共に、ミルクの健康効果もわかってくる。
更には生命の神秘解明にも役立つのではと思っている。

弊社のメッセージに「未来はミルクの中にある」があるが、これはサイエンスの面からみても奥の深いメッセージであり、これを進めていく事で我々の生活がもっと豊かになると思っている。

以上