こんにちは！製パン科学研究家の"BAKE FIRST"です（・ω・）ﾉｼ
パン生地の「発酵」という工程で、生地の中ではどんな化学反応が起こっているのかご存じですか？
「砂糖が炭酸ガスとアルコールに分解されてるんでしょ？」
と思ったあなた、実はそれだけではありません！
一般的なパンの教科書ではあまり触れられない、けどパン作り上達には欠かせない「発酵の科学」について解説します。
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パン作りにおける発酵…実は「呼吸＆発酵」
パン作りの基礎として最初に学ぶであろう「発酵」。
パン作りにおいて私たちが「発酵」と呼んでいる工程では、科学的に言うと実は発酵だけでなく呼吸も同時に起こっているのです。
どちらも糖分を餌にして炭酸ガスを放出する作用なので、肉眼では同じ現象のように見えますが厳密には大きく違う現象です。
ここで一旦、呼吸と発酵それぞれの現象についてその違いを解説します。
発酵と呼吸の違いは？
発酵と呼吸では生成する炭酸ガスの量が異なり、呼吸の方がより多くの炭酸ガスを生成します。
また、発酵ではアルコールを生成しますが、呼吸ではアルコールではなく水を生成します。
それぞれの現象が起こる条件と、どれくらい異なる現象なのか解説していきます。
パン生地の中で起こっている発酵ってどんな現象？
酵母菌は酸素が無い場合には、ブドウ糖を分解してエタノールを生成するアルコール発酵をします。
この時に起こる化学変化を、化学式で見てみましょう。
一つのブドウ糖を分解して、エタノール・炭酸ガスがそれぞれ２つ生成されます。この副産物として酵母菌が生きるために必要なエネルギーを２つ得られます。
パン生地をず～っと放置させておくと、次第にアルコール臭が帯びてきますし、普通に作ったパンでも特に焼き立ては微かにアルコール臭がしますよね。
これはすべて、アルコール発酵によって生成されたエタノールが原因です。
この微量のエタノールが、パンの複雑で芳醇な香りの一部として活躍します。
逆に、過発酵のパンはアルコール発酵しすぎてエタノールが通常より多くなってしまい、鼻につくアルコール臭がします。
パン生地の中で起こっている呼吸ってどんな現象？
酵母菌は酸素がある環境では呼吸を行います。
酵母菌が呼吸を行う際に起こっている化学変化を化学式で見ていきましょう。
一つのブドウ糖に対して６つの酸素を供給することで、炭酸ガス・水がそれぞれ６つ生成され、酵母菌の活動エネルギーは３８個も得ることができます。
アルコール発酵の時と比べて、同じ一つのブドウ糖から生成される炭酸ガスは３倍、活動エネルギーは１９倍もの差があります。
そして、多量のエネルギーが得られるため、特にパン生地内に存在する酵母菌の数が少ない場合ほど、呼吸によって増殖が活発に行われます。
（自家製酵母や少量イーストでのパン作りでは、パンチなどで酸素を供給することで酵母菌の頭数の増加が見込めますが、生イースト4％といった高配合の生地だと増加はほとんど見込めないようです）
発酵途中でパンチ（ガス抜き）をすることで発酵が促進されるのは、生地内の炭酸ガスと空気中の酸素を入れ替えることで呼吸が行われるためだとわかります。
また、自家製酵母を作るときに毎日一回は必ずふたを開けて混ぜたりするのは、酸素を供給して呼吸を促し、大量のエネルギーで増殖をさせる狙いがあるということです。
ミキシングの加減で発酵スピードが変わった！実はそれも呼吸が関わっていた
以前、高級食パン専門店でミキシングを通常よりかなり長く回してしまった生地が、温度はいつもと同じでも発酵スピードが若干早くなってしまった経験があります。
（若干とはいえ、明らかにわかる程度には早くなりました。）
ミキシングとは、生地の中に空気を混入させる工程でもあります。手ごねでも同様です。
空気を混入させるということは、酸素を混入させることでもあります。その工程がいつもより長く行われてしまったということは、それだけ多く酸素が生地内に抱き込まれたとも言えます。
当然、呼吸は促され、膨らむのが早くなります。
逆に、全然捏ねないで作った生地を、まったくパンチもせずそのまま作ると明らかにボリューム不足なパンができます。
捏ねないパン作りの製法で、途中にパンチの工程が多く挟んであるのは、単に生地骨格であるグルテンの強化だけではなく、酸素の供給という点でも大事だからです。
※ただし使う材料や製法によっては、むしろパンチもせず作り進めた方が良い場合もあるでしょう。あくまで一般論です。
酵母菌は糖の分解に酵素の力を使っている
先ほど掲載した化学式のような反応は、すべて酵母菌がもつ「酵素」の力を使うことで起こる現象です。
ダイエット用語でもよく聞く「酵素」、これは生き物には欠かせない物質です。我々人間も体内で酵素をフル活用しています。
栄養を吸収する際には、吸収できる分子レベルまで一旦分解（消化）する必要がありますし、体内に蓄えられた脂質などをエネルギーに変えるにも、酵素の力で分解する必要があります。
使わなくなった筋力が衰えていくのも、酵素の力で筋肉が分解されるから。
下手に糖質制限しすぎても筋トレ効果が落ちるのも、筋肉を分解することで足りないエネルギーを補ってしまうから。
酵母菌の発酵においては、ブドウ糖や果糖を分解する「チマーゼ」という酵素が使われます。
これは酵母菌が元々もっているものです。
（果糖もブドウ糖と同じ化学式ですが、構造がやや異なります。なので分解されることによる化学式は同じです。）
そして、ショ糖（上白糖やグラニュー糖などの砂糖）を配合するパンでは、一旦ショ糖をブドウ糖+果糖に分解する必要があります。
これには「インベルターゼ」というショ糖分解酵素が使われます。
砂糖を配合しない生地では、生地中の麦芽糖をブドウ糖+ブドウ糖に分解する必要がありますが、これには「マルターゼ」という酵素が使われます。
そして、砂糖を配合しない生地では麦芽糖すら足りません。その場合は、「アミラーゼ」という酵素が小麦粉のでんぷんを麦芽糖に分解して、発酵に必要な糖分を供給します。
アミラーゼは酵母菌が持っていない酵素ですが、小麦粉自体がもともと保有しているので、じっくり時間をかけて熟成させることで発酵に必要な糖分を生成できます。
そのため、フランスパンなど砂糖を入れないパン作りでは、イーストをたくさん入れてしまうと熟成による糖分の製造が追いつかなくなってしまいます。
モルトエキス（またはモルトパウダー）には、アミラーゼが豊富に含まれているため、これを添加すると熟成がよりスムーズに進み、糖分の供給スピードも高まります。
また、粉の種類によってもアミラーゼの含有量は異なり、真っ白い薄力粉は極端に少なく、逆に石臼挽きの強力粉などは酵素が元々多いうえに、製粉による酵素の壊れも少ないので熟成がよりスムーズに進みます。
パン作りでは酵母菌がチマーゼを用いてブドウ糖を分解することを発酵と呼ぶ一方で、小麦粉やモルトに含まれる酵素がデンプンやたんぱく質を分解して甘味物質や旨味物質を生成するような働きを「熟成」と呼ぶことが多いです。
この熟成についてはこちらの記事でより詳細に解説しています。
これも一般的なパンの教科書などではあまり触れられませんが、知っておくと生地への理解が深まるのでぜひ読んでみてください。
酵母菌が活発に活動する環境とは？
活動温度
酵母菌は4～40℃の温度帯で活動します。その中でも35～38℃の温度帯が最も活発になります。
「いやいや、酵母菌は32℃が一番活発だよ！」
という人もいますが、どちらも正解と言えます。
32℃近辺はガス発生もそこそこ活発で、増殖も活発です。
一方で35以上では温度が高くなるほど酵母菌にとってはストレスとなり、増殖をやめる代わりにガス発生がより活発になります。子孫繁栄よりも自らの生き残りにエネルギーを費やしているということでしょうか？
高温だと55℃以上で酵母菌は死滅します。
10℃以下から著しく活動量が低下し、４℃未満では休眠状態となります。
ですが、酵母菌は冷凍しても完全には死滅しないため、生地を一旦冷凍して作る冷凍法が可能となっています。
（現在、様々なメーカーで多岐にわたるイーストが開発されており、冷凍しても活性が衰えないものや、冷蔵温度帯でほぼ完全に活動が止まるものなど様々です。）
pH環境
酵母菌は水素イオン指数（pH）が5～6の弱酸性環境において一番活発に働きます。
手に強酸がかかると焼けただれてしまったり、強アルカリがかかるとヌルヌルと溶けていくのは、どちらもたんぱく質が変性してしまうから。
酵母菌も生物ですからたんぱく質があります。糖分を分解してエネルギーを得るには酵素の力を利用しています。この酵素もたんぱく質で出来ています。
なので、pHが低すぎても高すぎても酵母菌は生存できなくなります。
加えてこのpHは生地のグルテンの締まり具合にも影響します。
酸性になるほどグルテンは引き締まり、行き過ぎると柔軟性に欠けブチブチと切れる生地になります。アルカリ性になるほど生地は締まりが弱くなりやわらかくなります。
生地のガス保持力が最も高まるのは程よい締まりのある弱酸性ですが、アルカリ性のほうが生地が柔らかいため内側から弱い力でも膨らませやすいという特徴もあります。
新品で硬くて膨らませにくい風船と、手でよく伸ばして膨らませやすい風船の違いをイメージするとわかりやすいでしょう。
酵母菌の活性だけでは説明しきれないのがpHの問題です、非常に奥が深いですね。
水分は必要不可欠
酵母菌の活動には水分が必要不可欠です。
ドライイーストやインスタントドライイーストは、水分を極限まで除去することによって常温でも活動が進まないように作られています。
これは人間も同じことが言えますが、まず餌（ブドウ糖）を消化（分解）するには酵素の力を使います。この酵素は水分がある環境でのみ働くことが出来ます。
人間も食事で適度な水分を取らなければ、あらゆる消化器官で酵素が働きにくくなり消化不良となります。
そしてパン生地においては水分が多い生地ほど酵素が活発に動けるため、必然的に酵母菌の発酵も少し早くなります。
「水分が多い→生地が柔らかい→事前に伸ばした膨らませやすい風船のような状態」という構図だけでなく、酵素の動きも関係しているのです。
最適な条件下での酵母菌増殖スピードは？
これらすべての環境条件が最適な場合、酵母菌は約２時間で倍量にまで増殖します。
ちなみに酵母菌は細胞分裂とはちょっと違う「出芽」という方法で増えていきます。親となる個体から小さな子体が生成され、次第に大きくなり独立します。
パン生地の発酵見極め方法
発酵についての科学的な知識を得ることで、目の前にある生地がいま何をしていてどういう状況なのかを想像することができるようになります。
これにより、自分の理想とするパンを生み出す最善策が見えてくるわけですが、実際にパン生地の状態で発酵具合を見極めるスキルはやはり必要です。
発酵見極め方法に関してはこちらの記事で詳しく紹介しています。
「え、フィンガーチェックと、大きさで判断するんじゃないの？」ぐらいにしか思い浮かばなかった方は、ぜひ見直してみてください。
まとめ
パン作りにおける「発酵」という工程では、実は発酵だけでなく様々な現象が同時に起こっている。
それを知るだけでパン作りへの理解がより深まり、様々なケースに対応することが上手になります。
ぜひこの記事で得た知識を普段のパン作りでも意識してみてください！
2023/05/11
by BAKE FIRST（製パン科学研究家）
