先日チーズ製造時のpHについて調べていると、アメリカの非営利科学団体ACSが発行している「ChemMatters | DECEMBER 2017/JANUARY 2018 9 」に以下のような記事を見つけました。
酸性化とチーズ製造について簡単に記載されているので参考までに日本語にしたものを掲載します。原文を見たい方は以下のURLで見ることが出来ます。
https://www.acs.org/education/resources/highschool/chemmatters/past-issues/2017-2018/december2017/cheesy-science.html
記事の日本語訳
チーズは保存可能なミルクであり、ミルクよりも何週間も何年も長持ちしますし、種類も豊富です。
しかし、私たちはいつからチーズを食べるようになったのでしょうか？
正確な起源はわかりませんが、好奇心の旺盛な人か、お腹を空かせた人が乾燥して何週間も放置されたミルクの底にあったものを食べたのが始まりではないかと思います。そしてそれがチーズの原型だったと思われます。
人類は、冷蔵やその他の現代技術よりもずっと以前から、化学や生物学の実用的な知識を使って食べ物を保存してきたのです。チーズを作るには、バクテリアがミルク中の糖を消化し、乳酸が生まれます。ミルクに乳酸が加わるとpHが下がり、有害な生物の繁殖が妨げます。
ミルクをチーズにすることで、その賞味期限は約3週間から20年、あるいはそれ以上に延びるのです。
すべてのチーズはミルクから始まります。ミルクは牛、ヤギ、羊の乳ですが、水牛など他の哺乳類も世界各地でミルク生産に利用されています。
チーズ作りの基本は、牛乳に有益な細菌を加え、牛乳をカードと呼ばれる柔らかい白い物質に凝固させ、カードをカットして型に入れてプレスすることでチーズに出来ます。しかし、おいしいチーズを作るには、牛乳が適切な温度と適切なpHに保たれている必要があります。
「酸度とpHを理解していなければ、チーズとチーズ製造を完全に理解することはできません」と、バージニア州バーリントンにあるチーズ研究所の教授、ポール・カインドステットは言います。
pHは溶液中の水素イオン（H+）の濃度を測定するもので、ほとんどの溶液は0～14の範囲にあります。溶液が酸性になるほどpHは低くなり、7を「中性」、7を超えると「アルカリ性」とみなされます。牛乳のpHは6.6～6.7です。pHは対数スケールなので、1単位で10倍違います。pH6の溶液はpH7の溶液の10倍のH+濃度になります。この対数スケールにより、一見微妙なpH差も非常に大きなものとなります。
チーズを作るには、牛乳を大きなタンクに送り込み、適切な温度に温め乳酸菌を加えます。この工程では、中温菌と高温菌という2種類の菌が使われます。中温菌は、通常20～45℃の温度で最もよく増殖します。チェダー、ゴーダ、コルビーなど、まろやかなチーズの製造に使われます。高温菌は45～122℃の間で繁殖し、グリュイエール、パルメザン、ロマーノなど、よりシャープなチーズの製造に使用されます。
タンク内で乳酸菌は、乳糖（C12H22O11）と呼ばれる牛乳に含まれる糖を、以下のように乳酸（CH3CHOHCOOH）に発酵させます。
C 12 H 22 O 11 + H 2 O ⇾ 4 CH 3 CHOHCOOH
乳酸が多く生成されると、牛乳のpHは下がります。「pHは乳酸菌の活動を示す指標です」と、バージニア州レディングにあるスプリングブルック・ファームのチーズ製造者のジェレミー・スティーブンソンは言います。「pHが変化すると、乳酸菌が元気に生きていることがわかるのです。pHを測定することで、乳酸菌の活性を確認し、新鮮な牛乳がチーズになるための正しい手順を踏んでいることを確認します」。
乳酸菌が増殖し、最適な温度で発酵した後、ミルクは凝固し、液体からしっかりとしたプリンのような素材に変化します。この変化は1～2時間かかりますが、牛乳に含まれるカゼインタンパク質があるからこそ可能なのです。カゼイン分子はミセルと呼ばれる球状に集合します。外側の層はマイナスに帯電しているため、ミセルはミルクの中で分散した状態を保つことができます。チーズを形成するには、タンパク質が凝固するか、互いにくっつく必要があります（図2）。
クリームチーズのようなソフトタイプのチーズは、ゆっくりと凝固します。乳酸菌が乳酸を生成すると、カゼインミセルのもう一方の層は極性がますます低くなります。ミセルはpH5.3くらいで、くっつき始め、24時間後のpH4.6で完全に凝固します。
コルビーやスイスなどのハード系チーズは、より早い凝固段階とより硬いカードを必要とするためチーズ製造者はレンネットと呼ばれる物質を添加します。レンネットに含まれるキモシン酵素は、ミセル表面のマイナスに帯電した末端を切断します。極性を失ったミセルは水に反発され、互いにくっつき始めます。ミセルは鎖を形成し、四方八方に伸びて三次元のマトリックスに絡み合って乳脂肪分子を閉じ込めます。牛乳が酸性であるほど（pHが低いほど）、この凝固が速く起こり、カードはより硬くなります。
レンネットは、子牛の第四胃の中に存在しています。
レンネットの性質はどのように発見されたのでしょうか？当時はまだ酵素の存在は知られていませんでした。子牛の胃袋で作った容器に入れると、牛乳が早く固まることに気づいた先陣がいたと思われます。そこで、胃袋を乾燥させたものやエキスを加えても同じ効果が得られたことで、チーズの技術革新が生まれました。
細菌には増殖に最適なpHの範囲があります。この範囲外の溶液では細菌の増殖を防ぎます。同様に、酵素も特定の範囲のpH値に対して最適な働きをします。レンネット酵素にとって理想的な環境を作るには、ゴーダやチェダーはpH6.55、モッツァレラやブリーチーズはpH6.45で凝固が最適とされています。
牛乳が凝固したら、出来上がったカードを小さく切り分け、プリンのような固形物から、液体のホエーに浮いた立方体に変化させます。ホエーは、タンパク質が含まれているため、pHが下がっても沈殿することはありません。ホエータンパク質はリンを含まないので、牛乳の水分に溶け込んだままなので、その結果液体のホエーが排出され、水分が取り除かれ、残った乳成分がさらに濃縮されます。ホエーはチーズ製造の副産物である液体で、水溶性タンパク質を含み、スキムミルクの代用品や肥料として使用されることもあります。
カードがホエーを多く排出するため、最終的にはより乾燥したチーズになります。スイスチーズなど一部のチーズでは、カードを加熱してさらに水分を除去する。
チーズのカードは型に移され、完全に水分を切り、チーズの最終的な形が作られます。チーズの種類によって、カードの処理方法が異なるため、お店やファーマーズマーケットで買うチーズのような形や固さが生まれます。pHが低く、柔らかく、のびやすいカードをお玉で抄って袋に入れ、一晩吊るして水切りします。硬いチーズ用のカードは、ホイールや大きなブロックに成形され、プレスされるか、重しがかけられます。加圧することでホエーを排出し、カードが最終的なチーズの形にまとめられます。
異なる酸性化速度
すべての牛乳はほぼ同じpHで始まり、ほとんどのチーズは同じようなpHで仕上がりますが、異なるタイプのチーズを作るには、酸性化の速度、つまりpHが下がる速さが重要です。これは、発酵から生じる自然の摂理です。例えば、ゴーダチーズのカードを型に押し込むときは、pH6.5程度になるように、モッツァレラチーズのカードはpH5.25程度になるようにする必要があります。しかし、出来上がったときのpHは、ゴーダの方がモッツァレラよりも酸性が強い。味や食感の違いは、酸性化の速度の違いや、異なるカルチャーを加えることで実現されています。
適切なタイミングで適切なpHを得るために、チーズ製造者は測定に頼っています。「芸術と科学のミックスです」と、ネブライカ州レイモンドにあるブランチド・オーク・ファームのオーナー兼チーズ製造者、クリスタ・ディットマンは言う。「科学を理解し、測定ツールを持つことは必要ですが、いつ、何をすべきかという直感を養うことも必要です」。ディットマンは、紙製のテストストリップを使って、チーズに成長する重要な時点でpHを測定しています。この情報をもとに、工程を進めるタイミングを計ります。
「モッツァレラチーズを作る際には、たくさんのpHを測定しますが、書き留めるのは、1）開始時、2）レンネットを加えた時、3）終了時の3つだけです。
3）終了時です」とDittmanは言います。「クワルクのような典型的なソフトタイプのチーズの場合は、ホエイを時々チェックします」。
クリームチーズやカッテージチーズのように、そのまま店頭に並ぶチーズもあります。ブリーやカマンベールなどの柔らかいチーズは、2ヶ月ほど熟成させます。硬いチーズは何十年も熟成させることができます。チーズは、温度と湿度が管理された環境で、種類によってさまざまな期間、熟成されます。チーズが熟成する過程で、バクテリアがタンパク質を分解し、味や食感が変化する。タンパク質は、まず中程度の大きさに分解され（ペプチド）、さらに小さな大きさに分解されます（アミノ酸）。
さらに、アミノ酸が分解され、アミンという風味の強い分子になります。それぞれの段階で、より複雑なフレーバーが生み出されるのです。
これらのチーズはそれぞれ牛乳から始まりますが、異なるバクテリアカルチャーと異なる酸性化速度が、それぞれの品種をユニークなものにしています。乳酸生成を利用して食品を保存することは、数千年の歴史を持つプロセスであり、今日でも美味しい食品を生み出しています。
参考文献
Aiken, K. The Top 10 Most Popular Pizza Toppings (Infographic). The Huffington Post, Nov 12, 2013: http://www.huffingtonpost.com/2013/11/12/ popular-pizza-toppings_n_4261085.html [accessed Sept 2017].
乳糖不耐症： 原因. Mayo Clinic, Feb 9, 2016: http://www.mayoclinic.org/diseases- conditions/lactose-intolerance/basics/causes/ con-20027906 [accessed Sept 2017].
太字にした所は特に重要なところだと思っています。以前モッツァレラチーズを作るとギシギシした硬いチーズしかできなかったことがあり、いろいろ試した結果、レンネットを入れる際のpHをレンネットの指摘pHである6.2に近づけると柔らかいチーズになることを発見しました。それ以降硬いモッツァレラチーズは作っていません。
クリスチャンハンセン 社で製造している各種乳酸菌の酸性化速度の図を参考までに掲載します。
上段が TCC-3、下段がCHN-11の温度別酸性化速度の図です。
TCC-3ではミルクの温度が43℃の場合、乳酸菌を投入してからモッツァレラチーズに加工するpH5.25になるまで3時間半程度の時間がかかります。
