つまり、溶液中にバラバラに存在していた多糖類が、部分的に結合（架橋）することで、その部分を基点として網目状ネットワークを構築し、溶液全体がゲルになるといわれています。この結合した点を架橋点とも表現します。
右記写真の左側は、ゲル化したカラギナンの構造の電子顕微鏡写真です。このように多糖類同士がお互いに結合し、網目構造を構築することでゲル化しています。一方、右側の写真のようにそのままではゲル化しないタマリンドシードガムの場合には、構造をとらず多糖類がバラバラに存在しています。このような網目状のネットワークがゼリー以外の分野にも様々な効果を生み出す要因となっています。

澱粉、寒天、ペクチンなどのゲルは、上記に記したような均一に分散した流動性のある液体を冷却して作られます。高温の液体状態では、多糖類分子がランダムな状態で分散していますが、温度の低下と共に、分子間の相互作用が著しく上昇し、分子鎖同士が絡まりあい、架橋点ができることで網目状構造を形成します。このような架橋点は水素結合を主としており、その他にイオン結合、共有結合、疎水結合など色々な結合力によって生じています。

一方で、メチルセルロース等は、加熱することでゲルとなり、冷却すると再び液状になります。メチルセルロースは水溶液中では水と結合することで溶解していますが、高温度になると熱運動のために水和状態が減り、疎水基の結合が起きることでゲル化するといわれています。
その他にカードランも加熱によって不可逆性のゲルを生成しますが、これは加熱によって分子構造の変化が起こり、分子間にネットワークを形成することで起きると考えられています。

一般的なゲル化に用いる多糖類の特性を以下の表にまとめました。 以下の表は、あくまでも一例です。同じ多糖類であっても製品のグレードやメーカーによって違いはありますし、反応性も異なりますので、注意してください。

ゲル化に使用される多糖類のゲル化特性

優れている ◎ > ◯ > △ > ✕ > 劣る

※本表は、代表的な例を示したものであり、その他の含有物や多糖類の製品、グレードによって結果が異なる点に、ご注意ください。

このように、一口にゲル化といってもその要因や、ゲル化を開始する温度は様々であることがお分かりいただけると思います。これらを製品の特長や製造設備、ゲル化させる溶液の含有成分などを考慮して、多糖類を選択してください。

さて、このような様々な条件でゲルを形成する多糖類ですが、どのようなメカニズムでゲル化が起こっているのか、少し詳しく見てみましょう。 先ほど、ゲル化する際には、部分的に結合することで網目構造が作られると述べましたが、そのメカニズムとして、一般的に以下のモデルが提唱されています。

① 2重らせんモデル（カラギナン等）

② エッグボックスモデル（アルギン酸ナトリウム等）

③ 分子間相互作用モデル（キサンタンガム-ローカストビーンガム等）

④ 糖や酸を利用した水素結合モデル（タマリンドシードガム、HMペクチン等）

水素結合による分子の会合により起こるゲル化は、糖やアルコールの存在による水分活性の低下や、酸性条件による電気的反発力低下により、水素結合が強化され、より分子鎖が強く結合されることで網目構造が形成されます。

⑤ 加熱によるゲル化モデル（カードラン等）

多糖類の加熱によるゲル化は、疎水結合が関与してゲル化すると考えられています。 代表的な加熱によりゲル化する多糖類としては、カードランやメチルセルロースが挙げられます。

一般的なゲルの調製方法

水和・溶解→加熱→必要に応じたゲル化因子（イオン、酸、糖など）の添加→冷却、となります。 ここで、ポイントとなるのが加熱とゲル化因子の添加です。多糖類をゲル化させたい場合、各種ゲル化に用いる多糖類に応じた温度まで加熱した後に冷却することが重要となります。これは、加熱によって分子の配列を一旦バラバラにしないとうまく均一なゲルを形成できないからです。
その他にもイオンや酸などのゲル化因子を投入する際には、入れるタイミングや溶液の温度、適切な添加量を加えないとゲル化しなくなったり、不均一なゲルとなり、所定の能力を発揮しないこともあるため注意が必要です。

ゲルの評価方法

実際にゲル化向け多糖類を選択するポイントには、「熱や酸への安定性」「糖、pH、イオン、たんぱく質等の他成分条件」、そして最後に重要となるのが、「外観、テクスチャー」です。 熱や酸への安定性は、加熱工程が多くの場合に必要となるゲル化では、最終製品への影響が大きいため、重要となります。特に酸性条件で加熱を行うような過酷な条件下では、多糖類の構造が壊れてしまうこともあるため注意が必要です。 次に「糖、pH、イオン、たんぱく質等の他成分条件」ですが、ゲル化の因子でもあるこれらの成分は、当然ゲルの状態や溶解性にも影響を及ぼします。そのため、ゲル化させるためだけの目的で添加する場合にはコントロールが可能ですが、こういった成分を含む液を固めるような用途の場合には、影響を受ける事を考慮にいれたゲル化剤の選択が必要になります。

ご覧のとおり、硬いゲルは弾力も少なく、切った断面がそのまま見えるような物性を示します。やわらかいゲルは弾力もありながら、弱い力で切断できる様子が確認できます。一方、弾力のあるゲルは非常にプルンとしており、上手に切れないほどの弾力を示します。

一般的なゲル化に用いる多糖類のテクスチャーの違い

その他の一般的なゲル化に用いる多糖類のテクスチャーの違いを比較した表を示します。テクスチャーとは、喫食した際の食感や肌触りなどの感触のことで、硬さだけでなく、粘性や付着性、弾力などの感覚を指します。このようにゲル化では、様々なテクスチャーを作り出すことができます。その他にも、ゲルにとって離水が問題となる場面が多く、様々な離水防止策がとられます。しかし、離水が多いゲルも悪い面ばかりではなく「みずみずしい」や「フレーバーリリースが良い」などの良い評価につながることもあります。こういった様々な特性やテクスチャーを踏まえて目的に合わせた多糖類を選択してください。