高校生の研究テーマで使えるカラメル化について紹介したいと思います。
カラメル化とは何か
カラメル化とは、糖類を加熱した時に起きる複雑な酸化反応のことです。
糖類を180℃で加熱すると脱水や酸化を経て褐色物質であるカラメルが生成します。
糖の種類によってカラメル化が起こる温度は異なります。
反応が複雑なので反応機構はまだよくわかっておらず、重合したフランや4分子脱水したグルコースが含まれると考えられています。
↑カラメルの推定構造
（キャラメル - Wikipediaフリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』から引用）
↑フルクトース を加熱してできたカラメルを水に溶かしたもの
似たような反応にメイラード反応というものがあります。こちらは糖だけの反応ではなく、糖とアミノ酸を加熱した時に起きる反応です。
カラメル化をテーマにする利点
- 必要な材料が主に糖類のみ
- あまり知られていない
- 反応が複雑でわからないことが多い
の3つを挙げました。
1.必要な材料が主に糖類のみ
前述したように、カラメル化は糖の反応なので、加熱器具と糖があればできるのです。
ほとんどの高校は糖類くらいはあるはずなので、材料が無いからすぐにはできないといったことにはならないでしょう。
また、糖類は他の化学薬品と比べて安価で安全であるところもポイントです。
2.あまり知られていない
コーラなどの成分表に「カラメル色素」という表記を見たことありませんか。
名前からもわかるとおり、これはカラメル化を用いて製造される着色料です。
カラメル色素は知っていても、カラメル化という反応自体は知らない方も多いのではないでしょうか。
意外と知られていないんですよね。
そのおかげで高校生レベルの研究が少なく内容が被りにくいです。
一応SSH生徒研究発表会やJSECで賞を取ったりと、大きな成果を上げている研究もあります。あることにはあるのですが普通に課題研究を調べる際には出てこなかったでしょう。
3.反応が複雑でわからないことが多い
これも前述していますが、カラメル化は様々な反応が起きており、反応機構はよくわかっていません。
これはまだ研究されていない事柄が多いとも考えられ、まだまだできることがたくさんあることを示しています。
先行研究がない研究をやりたい、という方にはぴったりだと思いますよ。
研究例
私個人が知っている/考えた研究例を挙げたいと思います。
1.糖アルコールはカラメル化するのか
糖アルコールというのはアルドースやケトースのカルボニル基が還元された糖のことで、カラメル化しないといわれています。
例えばガムに入っているキシリトールなんかが有名でしょう。
しかし、糖アルコールを加熱するとカラメルのような物質が生成したという研究結果があったのです。
それが、京都府立桃山高等学校の「糖アルコールはキャラメル化を起こすのか」という研究です。
以下に研究の考察の一部を引用しています。
是非リンク先で研究の全容も確認してみて下さい。
「加熱してもキャラメル化しないといわれている糖アルコールが今回の実験で色が変わり甘いにおいがしたため、糖アルコールもキャラメル化するのではないか」
もしカラメル化するのであればカラメル化する条件を、やっぱりカラメル化しないのであればなぜカラメル化しないのかを調べてみるといいと思います。
カラメル化するのかしないのかはっきりせず、しないとしても何故しないのかもわかりませんからね。
この研究の欠点を挙げるなら、糖アルコールがほとんどの高校にはないというところでしょう。やるなら取り寄せてもらうしかありません。
2.カラメル化の反応速度について
英語版のwikipediaには、カラメル化は酸性条件下か塩基性条件下で反応速度が加速されるとの記載がありました。
なので酸性度を変えてやることでどれだけ反応速度が上がるかを調べる実験ができそうです。
（普通に考えるとphが中性から離れているほど反応速度が速くなりそうです。）
また、糖蜜などのカラメル化では、糖に含まれる不純物が反応速度を加速させるとも記載されていました。
おそらく糖蜜に含まれる何かが影響しているのでしょう。
そこで調べてみると、糖蜜には金属イオンが多く含まれていることと、金属イオンもカラメル化反応を促進することがわかりました。
金属イオンと糖を混合させ、水に溶かして加熱し何度でカラメル化するのかを調べることができればいけそうです。
加熱する方法について、1番好ましいのは油浴です。油浴なら温度を一定にしやすいのでどの温度でカラメル化したかを決めやすいからです。油浴が無い場合はガスバーナーやガスコンロを使って加熱し、うまいこと温度を測りましょう。あるいは電子レンジでもいいでしょうね。
金属イオンが影響しているとして、もし温度に差異が生じるのならばイオン半径が関係していると思います。当然ながら他にも要因はあるでしょう。
また、糖の種類を変えてみたり、なんなら複数の糖を混合してやってみたり、糖と金属イオンの比率を変えてみたりといろいろできそうです。
どの実験にも言えるのですが、どういう状態になったときにカラメル化が起きた（または完了した）と定義することが重要です。
ここで挙げた例は先行研究がどこかにある可能性があるので、研究を行いたい人は先行研究をよく調べてから行ったほうがいいです。
まとめ
カラメル化はまだまだ研究できるテーマが残っていると思うので是非研究テーマに選んでみてください。
