発酵食品を作っていると、外から強く加熱していないのに、麹や納豆、発酵中の原料が温かくなることがあります。この現象は「発酵で温度が生まれる」というより、微生物が栄養を分解して増殖・代謝するときに熱が発生し、その熱が周囲へ逃げきれないことで発酵物の温度が上がる現象です。
発酵中に温度が上がることがあるのは、酵母、乳酸菌、麹菌、納豆菌などの微生物が糖や有機物を代謝する際に熱を放出し、発生する熱量が放熱量を上回ると、その熱が発酵物の内部に蓄積するからです。温度上昇の大きさは、微生物の種類、増殖速度、原料量、水分、酸素供給、容器の大きさ、断熱性、撹拌や送風などによって変わります。
発酵で「温度」が生じるわけではない
温度は物体の熱的な状態を表す量であり、何もないところから新しく生じるものではありません。発酵中に起こっているのは、微生物の代謝に伴う発熱と、その熱による温度変化です。
微生物は食品中の糖、でんぷんの分解物、アミノ酸、有機酸などを利用して生命活動を行います。これらの化学反応では、取り込んだエネルギーのすべてが細胞成分やATPなどの形で保存されるわけではなく、一部は熱として周囲へ放出されます。
発生した熱がすぐに空気や容器へ逃げれば温度はあまり上がりません。しかし、発生する熱のほうが放熱より大きければ、発酵物の内部に熱が蓄積して温度が上昇します。
微生物の代謝でなぜ熱が出るのか
酵母や細菌、カビなどの微生物は、栄養成分を分解しながらATPなどの形で利用可能なエネルギーを得ています。この過程には多数の酵素反応が関わり、化学エネルギーの一部が熱として放出されます。
たとえば酵母では、糖の代謝や呼吸に伴って発熱が起こります。酵母の代謝を熱量計で測定した研究でも、細胞の代謝活動に伴う熱生成が観測されています。
細菌やカビでも同様に、増殖や基質分解が活発になると代謝熱が増えます。そのため、微生物の活動が活発な時間帯と発熱が大きい時間帯が対応することがあります。
納豆では発熱と菌の増殖が対応する
日本の伝統発酵食品である納豆では、発酵中の発熱が実際に測定されています。
日本食品科学工学会誌に掲載された研究では、納豆発酵中の熱量を測定したところ、丸大豆を用いた条件で二段階の発熱が観察されました。また、納豆菌の増殖を示す曲線と熱の発生パターンがよく対応しました。
これは、納豆菌が大豆中の成分を利用して増殖・代謝するときに熱が生じ、その活動の変化が発熱量にも現れることを示しています。
研究では、発熱速度が大きくなる温度帯も調べられており、工業的な納豆製造で使われる品温と対応する結果が得られています。発酵温度は微生物の活動を変え、微生物の活動はさらに発熱量を変えるため、両者は互いに影響し合います。
麹づくりでも温度が上がるのはなぜか
麹づくりでは、蒸した米や麦などの表面で麹菌が増殖します。麹菌は原料を分解しながら菌糸を伸ばし、アミラーゼやプロテアーゼなど多くの酵素を作ります。
この増殖と代謝でも熱が発生します。特に麹は、水の中ではなく湿った固体表面で菌が増殖する固体発酵なので、発生した熱が均一に逃げにくい場合があります。
麹を厚く積んだ状態では、内部ほど熱がこもりやすくなります。そのため伝統的な製麹では、麹をほぐす、広げる、積み替えるなどして温度を調整します。現代の製麹装置でも送風や温度制御が重要です。
食品発酵の培養環境を扱った2024年の解説でも、微生物の増殖は温度、水分、酸素、培地成分などに大きく影響されるため、発酵室や製造設備で環境を管理する重要性が指摘されています。
固体発酵では熱がこもりやすい
麹、テンペ、一部の発酵食品や固体培養では、微生物が水分を含む固体原料の表面や内部で増殖します。このような固体発酵では、液体発酵に比べて混合や熱移動が難しくなることがあります。
海外の固体発酵研究では、発酵槽を大型化すると熱と物質の移動が不均一になり、温度勾配が生じやすいことが大きな課題として整理されています。
Aspergillus oryzaeを小麦上で培養した固体発酵の研究でも、混合を行うことで熱移動が改善し、温度の不均一を抑えられることが報告されています。逆に、熱を十分に取り除けない大きな発酵槽では、微生物が作った熱によって内部温度が上がりすぎる可能性があります。
発酵物が多いほど温度が上がりやすいのはなぜか
少量の発酵物では、表面積に対して体積が小さく、熱が周囲へ逃げやすい傾向があります。一方、大量の原料をまとめると、内部で発生する熱量が増えるうえ、中心部から表面まで熱が移動する距離も長くなります。
そのため、同じ微生物と原料を使っても、小さな容器ではほとんど温度が上がらないのに、大きな発酵槽では内部温度が大きく上がることがあります。
これは、発生熱量と放熱能力のバランスが変わるためです。食品工場で発酵槽を大型化するときに温度制御が難しくなるのも、このスケール効果が関係します。
断熱されると温度は上がりやすくなる
発酵容器や発酵物が断熱されていると、発生した熱が外へ逃げにくくなります。
たとえば、厚い原料層、保温性の高い容器、周囲を布や断熱材で覆った状態などでは、同じ代謝熱でも内部へ蓄積しやすくなります。反対に、薄く広げたり、風を通したり、冷却面を設けたりすると熱を逃がしやすくなります。
発酵中の温度は「微生物が何度の熱を作るか」で決まるのではなく、発熱と放熱の差によって決まります。
酸素供給も発熱量に影響する
微生物の代謝は、酸素条件によって変わります。麹菌や納豆菌のように酸素を必要とする微生物では、酸素供給が増えると、一定の範囲で増殖や呼吸が活発になり、発熱も増えることがあります。
一方、酸素が不足すると微生物の増殖や代謝が抑えられ、発熱が低下する場合があります。
ただし、風を送れば発熱量が増えるだけではありません。送風には酸素を供給すると同時に、熱と水分を外へ運び出す作用もあります。したがって、通気は微生物の活動を支える役割と、発酵物を冷却する役割の両方を持っています。
水分も温度変化に関係する
水分は微生物の増殖に必要ですが、同時に発酵物の熱の動きにも影響します。
水は比較的多くの熱を蓄えることができるため、水分量が違えば同じ発熱量でも温度の上がり方が変わります。また、水が蒸発するときには大きな熱が奪われるため、蒸発は重要な冷却手段になります。
固体発酵の研究では、大型化した発酵槽の温度制御に蒸発冷却が重要になることが報告されています。ただし、蒸発が進みすぎると原料が乾燥し、微生物が利用できる水分が不足するため、温度と水分を同時に管理する必要があります。
温度が上がるほど発酵は速くなるのか
発酵温度が上がると、一定の範囲では酵素反応や微生物の増殖が速くなり、発酵が活発になることがあります。その結果、代謝熱も増え、さらに温度が上がる方向へ働く場合があります。
しかし、温度が高ければ高いほどよいわけではありません。微生物にはそれぞれ生育しやすい温度範囲があり、高温になりすぎると酵素や細胞膜が損傷し、増殖や発酵が弱くなります。
つまり、発酵中の発熱には、温度上昇によって活動が高まりやすい範囲と、温度が上がりすぎて活動が低下する範囲があります。このため、工業的な発酵では温度を測定し、必要に応じて冷却や撹拌を行います。
液体発酵でも熱は出る
発酵熱は固体発酵だけの現象ではありません。酵母や乳酸菌を使う液体発酵でも、微生物が糖などを代謝すれば熱は発生します。
ただし、液体は撹拌しやすく、冷却管やジャケットなどを使って熱を取り除きやすいため、温度上昇を制御しやすい場合があります。
酒類や工業発酵では、大型タンク内で大量の微生物が活動するため、発生する代謝熱も無視できません。外から加熱していなくても、冷却しなければ発酵液の温度が上がる場合があります。
発熱量から微生物の活動を測ることもできる
微生物が代謝すると熱が出る性質を利用し、発熱量から微生物活動を評価する「微生物熱測定」という方法があります。
日本熱測定学会の解説では、食品中の微生物増殖や土壌微生物による基質利用を、発生する熱の時間変化として測定できることが紹介されています。
この方法では、発熱速度が最大になる時間や総発熱量などから、微生物の増殖や代謝状態を評価できます。発酵中の温度変化が、微生物活動を反映する情報の一つになることを示しています。
発酵中の温度管理が重要な理由
温度は、微生物の増殖速度だけでなく、作られる酵素、酸、有機物、香気成分などにも影響します。そのため、温度が想定より高くなったり低くなったりすると、発酵速度や最終的な風味が変わることがあります。
また、目的の微生物より別の微生物が増えやすい温度帯になると、品質や安全性に影響する可能性もあります。
発酵食品づくりでは、発熱を完全になくすのではなく、目的の微生物が働きやすい範囲に温度を保つことが重要です。そのために、原料量、通気、撹拌、容器、室温、冷却などを調整します。
まとめ
発酵中に温度が上がることがあるのは、酵母、乳酸菌、麹菌、納豆菌などの微生物が栄養を分解して増殖・代謝するときに熱を放出するためです。発生する代謝熱が、空気や容器などへ逃げる熱より大きくなると、発酵物の内部に熱が蓄積して温度が上がります。
温度上昇の程度は、微生物の種類や活動量だけでなく、原料量、水分、酸素供給、容器の大きさ、断熱性、撹拌、送風、蒸発などによって変わります。特に麹などの固体発酵では熱がこもりやすく、温度管理が重要です。
したがって、「発酵で温度が生じる」というより、「発酵に伴う微生物の代謝で熱が発生し、熱収支によって発酵物の温度が変化する」と考えるのが正確です。
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参考資料
- 飯島明彦ほか「納豆発酵中の熱量測定」日本食品科学工学会誌
- 坂宮章世・田中晶善「微生物熱測定と，その食品微生物学および土壌微生物学への応用」熱測定
- 吉田敦子「食品発酵分野における微生物の役割と培養環境」室内環境
- Nagel FJ, et al. Temperature control in a continuously mixed bioreactor for solid-state fermentation. Biotechnology and Bioengineering, 2001.
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