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課題研究テーマが決まらない人向け「カラメル化」について

高校生の研究テーマで使えるのに意外と使われていないカラメル化について紹介したいと思います。

 

※研究例を追記するかもしれません。

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、着色料のカラメルを作る際に利用されています。

 

参照:キャラメル化 - Wikipedia

 

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。

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 ↑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

 

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。

 

実際に作ってみたものです。

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カラメル化をテーマにする利点

  1. 必要な材料が主に糖類のみ
  2. あまり知られていない
  3. 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ね。

 

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。

参照:糖アルコール - Wikipedia

 

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」

出典:http://www.kyoto-be.ne.jp/momoyama

hs/mt/ssh/pdf/H26youshisyuu.pdf

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か。

 

当然化学の先生に取り寄せてもらえば解決するんですけどね。

 

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。

参照:Caramelization - Wikipedia

 

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、糖蜜など糖に含まれる不純物が反応速度を加速され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。

 

調べてみると、糖蜜には金属イオンが多く含まれてることがわかりました。これが原因でしょうか。

 

そこで、容易に入手できる金属塩化物を使った実験を考えましたので例に挙げます。

 

以下実験の大まかな流れです。

①NaClなどの金属塩化物とスクロースを混ぜ水を加えて加熱。

②着色したらその温度を測り記録。

③温度をグラフか何かにまとめて考察。

 

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それはイオン半径が関係しているだろうと思います。当然ながら他にも要因はあるでしょう。

 

 

 

 

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。