中学受験理科｜卵白は冷ませば元に戻る？｜たんぱく質の変性と凝固

生の卵白を加熱すると白く固まります。氷がとけた後に冷やせば再び氷になるように、ゆでた卵白も冷ませば生へ戻るのでしょうか。ふつうの冷却だけでは元の透明で流れる卵白には戻りません。加熱でたんぱく質の立体的な状態が変わり、分子同士が集まって構造を作るためです。単なる水の液体と固体の切り替えではないことがポイントです。

変性と、集まって固まること

たんぱく質は長い分子が折りたたまれた形を持っています。加熱などでその形が変化することを変性と呼びます。変性した分子が互いに関わって集まり、流れにくい構造になることが凝固につながります。この説明を「分子が全部ばらばらの材料に分解された」と置き換えるのは適切ではありません。形の変化と、化学的に細かく切り離される変化は区別します。

白く見えるのは、できた構造によって光の散らばり方が変わるためです。透明でないことから水分がなくなったと判断することはできません。固まった卵白にも多くの水が含まれています。見た目、流れやすさ、質量はそれぞれ別の観察項目で、どれか一つだけで全体の状態を決めないことが大切です。

水が減ると割合の分母が変わる。数値は本文の例題模型。形は模式図です。

例題1｜ふた付き容器の重さ

卵白20gをふた付きの容器に入れました。加熱で固まりましたが、容器外へ水分や物質は出ず、容器内の水滴も含めて測ります。内容物全体の質量は何gですか。また、固まったことだけから水が蒸発して外へ出たと言えますか。

答え・解説：全体は20gのままです。容器内で水蒸気や水滴に分かれることはあり得ますが、外へ出ていないなら内容物の合計は変わりません。質量が同じでも、流れる状態から固まった状態への変化は起きます。「重さが変わらないから何も変化していない」という結論も誤りです。

例題2｜加熱後に減った量の内訳

模型として、卵白20gを水18gと水以外2gからなるものとします。ふたをせず加熱し、水だけが3g外へ逃げました。残った試料の全質量と、水以外の成分の質量割合を求めましょう。

答え・解説：残りは17gで、水以外の割合は2÷17×100、約11.8％です。最初の10％より増えましたが、水以外の成分が新しく0.3gなど増えたわけではありません。分母となる全質量が小さくなった結果です。固まった部分の水分量を、外見だけで決めないための計算です。

冷やす順序をそろえた対照実験

加熱前、加熱直後、冷却後の三つを観察すると、温度が下がれば元に戻るかを確かめられます。熱い試料と冷たい未加熱試料を比較するだけでは、今の温度の違いと、過去に加熱した影響が混じります。両方を同じ室温まで戻して比べることで、加熱履歴による違いを見やすくできます。冷却前の写真しかない資料では、可逆性まで結論しないようにします。

卵白には複数のたんぱく質が含まれ、変化する温度や進み方が同一ではありません。資料に特定の加熱温度と時間があるときは、その条件の結果として読みます。温度が高いほど何秒でも同じ結果になる、ある一つの温度で全量が瞬時に切り替わる、と単純化しすぎないことが重要です。容器の中心が温まるまでの遅れも考える必要があります。

食べ物を題材にしていても、実験の試料を味見して確かめる必要はありません。透明度、流動性、一定の力で押した変形など、観察可能な指標を決めます。「硬くなった」という感想を数字で比較するには、試料の厚さや温度、押す時間までそろえます。加熱の有無以外がばらばらなら、硬さの差をたんぱく質だけの違いとは言えません。身近な現象ほど、普段の印象を条件付きの説明へ書き換える練習になります。

切った固まりから水が出ても、とけたとは限らない

凝固した卵白を置いたり力を加えたりすると、水分が出てくることがあります。水滴が現れたことを、たんぱく質の構造が全部元の液体に戻った証拠としてはいけません。固体状の構造の中に保持されていた水が移動した場合も考えられます。水の移動と分子の状態の変化は別の観察対象です。出てきた液の量を測る実験なら、残った固まりと液の合計を追うと収支を確かめられます。

生卵白をかき混ぜて泡立てた場合にも、分子の形や集まり方が関係します。しかし、加熱で白く固まった試料と泡立てた試料を、同じ白色だから同じ内部構造と見なすのは早計です。泡には気体が入り込み、見かけの体積が大きくなるという要素があります。体積が増えたこととたんぱく質の量が増えたことは違います。空気を含める前後で何を測ったかを確認します。

加熱の強さを比べる実験で、湯の温度が同じでも試料の中心温度が同じとは限りません。試料が厚いほど中心まで熱が伝わるのに時間がかかる場合があるためです。容器外の温度計の値を、試料内部の全点の温度として扱わないようにします。時間を長くして均一に近付ける条件と、短時間だけ外側を温める条件では、断面の固まり方が違っても不思議ではありません。

未加熱試料を測る時刻と加熱試料を測る時刻が大きく離れる場合には、乾燥などの経時変化も混じります。同じ時間置く対照を設けるのは、待ったこと自体の影響を分けるためです。卵白という身近な材料でも、透明か白色かという見た目だけの二択では、変化の理由を言い尽くせません。履歴、温度、含水量、気泡の有無を表の別々の列へ置くと、説明が具体的になります。