私の専門である食品物性学は、食品のおいしさに関わるテクスチャーを物理的に捉えて数式化し、その特性をひも解いていく学問です。澱粉の研究を始める前は、応用的な立場から様々な食品の物性（硬さや粘りなど）を調べていましたが、いつのまにかこの研究に集中することになりました。きっかけは、研究室での実験で、奇妙な現象を発見したことでした。

あるとき、本学の先輩教員から「今、日本で米が余っている。澱粉にアルカリを加えると、室温でも糊（のり）になるらしい。加工食品に使える結着剤にならないか」と持ちかけられました。そこでまず、米澱粉にNaOH溶液を加えた分散液の粘度が等温でどのように時間変化するか、その過程をゼミの学生に調べてもらいました。

すると、その粘度―時間データ系列の形は、通常の熱水糊化で得られる凸型（最初に急上昇し、徐々に高い平衡値に落ち着く形）ではなく、凹型から凸型へ移行するS字型（公園の滑り台を下から辿るように、最初ゆっくり上昇し、途中で急上昇。その後、再びなだらかに高い平衡値に近づく形）を示しました。この奇妙な現象はまったく予想外のものでした。元々理論物理学の研究者だった私は、この現象に取り組めば、「実験による現象発見から理論的解明までを自己完結できるかもしれない」と考えました。

この現象を理論的に扱うためには、S字型の粘度増大曲線を記述できる数学的モデル（数式）が必要です。しかし、従来の伝統的モデルでは凸型の増大曲線しか、再現できません。そこで、モデルに現れる粘度変数をすべて逆数にしてみました。すると、典型的なS字型粘度―時間曲線が導かれました。

しかし、実験で得られるデータ群には、条件によって、下の凹部と上の凸部のバランスが変わるという多様性がありました。そこで逆数型を一般化して、べき乗型にしました。すると、べき指数の値（1が伝統的モデル、−1が逆数型に対応）を調整することで、すべてのデータ系列群を包括的に分類することに成功しました。「指数が１より小さい」ことは、NaOH と澱粉の相互作用によって「糊化部が孤立している」ことを意味します。

炊飯などに関わる、熱水中の澱粉糊化過程での粘度増大データ系列の形は、凸型です。ためしに、これらのデータに「べき乗型解析モデル」を適合させると、驚くべきことに、指数1の伝統的モデルよりも、指数が1より大きいモデルの方がデータに良くフィットしました！これは、次のことを意味します。糊化中、糊化部と未糊化部が協同して全体の粘度を上げている。つまり、NaOH糊化の場合と逆のことが起こっている！

これらの結果は次のことを意味します。澱粉の糊化過程では「全体の粘度が糊化部と未糊化部、それぞれの粘度の足し算にならない」。科学の世界ではこの性質を「非線形性」と言います。例えば9と1を半分ずつ足すと、5という両者の平均値になります。しかし、NaOH糊化では、9という大きな粘りを持つ糊化部が孤立して全体へ貢献しにくくなる。その結果、全体の粘度は5未満、例えば3 にしかならない。逆に、熱水糊化の過程では、糊化部と未糊化部が協同し、全体の粘度が平均値5を超えて7 になる、というわけです。

「孤立性」や「協同性」はサッカーやバスケットボールのようなチームスポーツで考えるとわかりやすいでしょう。チーム内に強力なエース・ストライカーや優秀なシューターがいても、その選手にパスが通らなければ得点できない（エースの孤立）。逆に、チーム内の連携が良ければ、個々の能力の足し算の結果以上に高いチーム力を発揮する（協同性）。2019年ラグビー・ワールドカップで活躍した日本代表のスローガン「ONE TEAM」は後者を象徴しています。

食品素材の変化過程に「非線形性」が現れたこと。さらに、澱粉という同一対象について、協同性と孤立性が条件次第で共に現れたこと。他に類のない発見でした。

さらに、発見は続きました。次は、糊化が進行する「速さ」についてのものです。過去の澱粉糊化研究では、「糊化の進行を表す速さ＝速度定数」が過程全般にわたって「一定」と仮定されてきました。一方、世界中の研究者の努力により、澱粉粒の内部は均一でなく、樹木の年輪や玉ねぎのように、外側から中心に向かって、硬い結晶相と柔らかい非晶相が交代的に現れる複雑な多層構造を形成していることが明らかになっています。この事実を踏まえるなら、澱粉粒に水やイオンが侵入し、内部を破壊し続ける糊化という変化が「一定の速さ」で進むと考えるのは、不自然ではないでしょうか。

実際、米澱粉の粘度増大データを眺めると、進行が速い部分や遅い部分が混じっているように見えます。そこで、速度定数の段階的変化を扱うことが可能な新しい解析方法を考案してデータに適用したところ、確かに、糊化速度が段階的に変化していることがわかりました。

そして、結果を見ると、速度定数が低い区間と高い区間が交代的に出現！つまり、糊化は遅く、速く、遅く、速く、・・・とリズミカルに進行していたのです。これらの結果を論文にまとめる際、その「遅・速」交代リズム（速度振動）は、澱粉粒子の結晶と非晶が交代的に現れる内部構造の反映であろう、という仮説を提示しました。

しかし、論文が出版された後、重大な疑問が浮かびました。澱粉は多数の粒子の集まりで、粒径は揃っていない。従って、各粒子の結晶相や非晶相の厚さや硬さも粒子毎に異なるはず。それなら、粒子ごとの糊化進行の振動周期もずれるので、各粒子が作る振動リズムは粒子集団全体で相殺し、澱粉分散液の粘度増大速度の振動にはつながらない。しかし、現実に、米澱粉の糊化速度定数は大小に振動していた・・・（実験の失敗？）。

私はあえて実験を疑わず、次のように考えました。「個々の澱粉粒の構造から生じる膨潤速度の振動」に加え、その振動が「粒子集団内で相殺されず、増幅させる」ための「同期機構」が働いた。「同期」とは、粒子毎の振動が（多少ずれていたとしても、リズムが相殺されずに）揃うことです。多数の振動子間での同期は「集団同期」と呼ばれます。個々の澱粉粒の膨潤速度の振動について集団同期が働き、粒子群全体として粘度増大速度の振動が生まれた。

「同期」は現代物理学におけるキーワードの一つで、昔、振り子を利用する柱時計で見つかったと言われています。振り子時計を同じ壁に２つ並べると、２つの振り子の振動がずれていても、半日ほど経つと動きが揃い始める。しかし、片方を壁の反対側に置くと同期しない。壁を通じた相互作用によって振動が同期したのです。また周期のずれが大きすぎると同期しません。集団同期の例としては、「コンサート終了後のアンコールの手拍子がいつのまにか揃う」があります。

研究室ではその後、このような現象が米以外の澱粉でも見られるのか、そして、集団同期の成立条件の一つである「振動周期の近似性」を壊すとどうなるのか。これらを確かめるため、まずトウモロコシ澱粉で調べました。すると、驚くべきことに、速度定数どころか、粘度そのものが上下に数回振動しました！ さらに、トウモロコシと米の澱粉を半分ずつ混ぜると、トウモロコシ単独で見られた粘度振動がほぼ消えました。「粒子の同質性によって起こる集団同期機構が速度定数や粘度の振動を生む」という仮説の正しさが高まってきました。

以上、思わぬ発見からスタートした研究ですが、実験および理論研究を通してナゾと発見が次々と湧き出て、スリリングな展開となりました。澱粉分散液の粘度というマクロな観測量の時間変化を調べて理論的に解析・考察すると、澱粉の内部構造やイオンとの相互作用、粘度合成上の非線形性、粒子間での集団同期機構といった、ミクロな側面が影響を及ぼしていることが明らかになりました。澱粉ワールドの豊かさ、奥深さを感じます。

現在、澱粉は、食品以外の対象、例えば、化石燃料に依存しない生分解性プラスチック素材の候補としても世界中で注目されています。私たちの研究の視点やスタイルは、海外の研究者に真似できない独自のものです。将来の応用につながる基礎研究として、できるだけ深く広く掘り下げたいですね。