JP2008541706A - 製品の均質な加熱方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、製品を均質に加熱する方法に関する。当該方法によれば、製品は、交番電磁場、特にＨＦ場において加熱され、それにより製品の第１の領域は、第２の領域よりも強く加熱される。本発明の方法は、第１の領域が、少なくとも交番場における加熱プロセス前又は加熱プロセス中に、さらなる熱移動手段により冷却されること、第２の領域は、さらなる熱移動手段により加熱されることの、一方または両方を行うことを特徴とする。開示する方法により、高周波交番電磁場における加熱中の食品、医薬品、化粧品における温度プロフィールを均質化することが可能となる。
【選択図】なし

Description

［技術範囲］
本発明は、製品を均質に加熱する方法、特に、高周波交番電磁場において加熱される場合に、食品、医薬品や化粧品製品における温度プロフィールを均質化する方法に関する。

加熱プロセスは、とりわけ食品又は医薬品から病原菌を除去する(degerminate)のに必要とされ、それにより食品又は医薬品に耐久性をもたせる。例えばガラス又は缶詰における保存食品などの、食品の低温殺菌あるいは滅菌が挙げられる。

［技術の記述］
熱交換器又は蒸気オートクレーブを用いて製品を加熱する方法が知られている。例えば、牛乳は、プレート型熱交換器において低温殺菌中に加熱され、低温殺菌温度で規定時間保たれた後、再冷却される。この方法は、液体食品に関して確立されており、当面満足がいくものとわかっている。

野菜、果物、調理済み食料(ready meals)、ホットポット又は類似した内容物を含む保存食品用缶詰又はガラスは、ほぼ例外なくオートクレーブにおいて加熱され、それにより耐久性があるものとなる。オートクレーブでは、高温蒸気が１２０℃を超える温度で導入される。蒸気は、缶詰の外側上で凝結によりエネルギーを移動させる。そこから、加熱が専ら熱伝導により行われ、その結果、製品が缶詰の中央で所望の最終温度に達するのに３０〜６０分かかる。

これに類する状況が、例えばソース中の肉の塊などの液体マトリクス中の塊（piece）、又は果物調理品若しくはジャムとされた果物での製品の加熱で生じる。これらの懸濁物は、非常に長時間加熱しなくてはならない。所望の温度が固体塊内部にも達しなければならず、かつ熱が熱伝導により伝わるためからである。このことは、製品を非常に長時間加熱する必要があり、したがって製品の風味、ビタミン含有量、並びに稠度及び色彩のかなりの低下が起きることを意味する。この理由のため、保存食品用缶詰は、食味が非常に低下し、新鮮な生の製品、例えば果物と比較して顕著な変化を受ける。

低温殺菌、滅菌の目的で、あるいは他の理由で、加熱されなくてはならない製品としては、特に下記が挙げられる：
・周囲の液体相中の固体製品及び塊の製品（例えば、ソース中の魚又は肉、水又はジュース中の果物、果物の塊を伴うマーマレード、乳製品用の果物調理品、タンパク質の塊を伴う液体等）、
・包装材における液体、固体又は懸濁物としての充填食品、医薬品及び化粧品で、ブリスター、フィルム、チューブ、ソーセージの皮、天然ケーシング、ポリマー包装材料等、
・粘性若しくはペースト状の液体・固体を含有する液体、並びにペースト、ソース、クリーム、フォーム及び他の多相系であり、異種組成や固体・気体内容物のため、プレート型熱交換器又は管型熱交換器において加熱することができないか、あるいは不均質にのみ加熱することができるもの、
・加熱される熱交換器表面上で、エンクラステーション、コーティング、温度障害等を招く物質、及び
・非常に温度感受性である物質で、例えば医薬品、輸液、医療用流動食又はその他の、特に均一かつ穏やかに加熱されなくてはならない物質。

上述の物質及び物質混合物は、本特許出願において製品と称される。

加熱時間を短縮するための、したがって製品の品質を改善するための提唱される解決策は、交番電磁場による迅速な浸透性の加熱を包含する。マイクロ波加熱（５〜２０ｍｍという低浸透では、上述の製品の均一な加熱に不十分である）のほかに、高周波交番場（ＨＦ加熱）の使用が、この目的のために特に適切である。従来のＨＦヒーターは、平行に配列され、かつ例えば周波数２７．１２ＭＨｚ及び電圧２〜１０ｋＶを有する電気交番場が印加される２つの電極から構成される。これらの場は、電気伝導する湿潤固体及び懸濁液に深く浸透してそれらを加熱することが可能である。電磁場の完全に均一な特徴の理想的な場合では、物質は均一に加熱され得る。

ＨＦ加熱の目的は、温度感受性物質の迅速かつ均一で、したがって穏やかに加熱することである。温度感受性物質は、熱交換器で従来のように加熱することを、許容できないか、又はあまり許容しにくいのである。

多くの場合、ＨＦ加熱を選択することにより、製品の断面全体にわたって均一に製品を加熱する。例えば低温殺菌、滅菌又は調理のためである。しかしながら、空気中で均質な電磁場を発生するＨＦヒーターにおいて、極磁界（extreme field）及び温度不均質が、上述の製品の処理（operation）中に起こり、このことが、浸透性加熱の利点を排除し、かなりの製品損傷をもたらし得ることが示されている。

例えば、かなりの温度過昇が、充填固体の場合に、特に包装材料の縁上で、外側で及び製品上の極端に薄い点上で起こる。製品の過熱及び製品への損傷は、これらの点で起こり得る。固体の内部領域は、この場合、外部領域の高い製品損傷温度にもかかわらず、不十分にしか加熱されない。

電極が（例えば、石英ガラスの）非伝導性管に取り付けられているＨＦ加熱管が使用される場合にも、同じ効果が観察され得る。非常に粘性のペースト状の液体又は懸濁液は、加熱のために管に通して供給され得る。ここでかなりの損傷が、主に管壁上で見られる。顕著な過熱がここで起こる。管壁上での高温にもかかわらず、管の中央には温度が十分に到達しない。この結果として、外側が加熱される従来の管型熱交換器で見られるように、類似した問題が、管断面における温度不均質、及び管壁上でのコーティングの形成とともに発生する。

不均質加熱のさらなる不都合点は、より高温の点での電気伝導率の変動に起因する。高温の点では多くの場合、電気伝導度が高まっており、これは多くの場合、高温の点ではＨＦ場で、より一層迅速に加熱されることを意味する。このプロセスは、高温の点が偏って加熱されるため、いわゆる「ホットスポット」の形成を招き得る。したがって、温度不均質がますます強まる。

電極の幾何学的形状を適合させることにより電極間の電場及びエネルギー密度を均質化する試みにもかかわらず、従来技術の既知の方法を使用して過熱及び温度不均質を防止することにおいて、成功は達成されてない。温度はたいてい、製品の外側上で実質的に増大される一方で、製品の内部の点では、温度はしばしば遥かに低い。このことは特に、例えば充填される場合にＨＦ場で加熱される固体に、並びにＨＦ加熱管における非常に粘性の液体及び懸濁液に当てはまる。

したがって、従来技術のＨＦヒーターの不都合は、以下の通りに要約され得る。
・製品又は管断面にわたる不均質な加熱、
・製品におけるより高温の点が常により迅速に加熱されることによる、不均質なＨＦ場の発生、
・製品の幾つかの点での、多くの場合外側上での温度障害。

本発明の目的は、製品をより均質に加熱することができる方法を示すことである。特に、上記方法は、製品において温度分布を均質化することを主旨とし、それにより温度不均質を低減又は防止する。

［発明の説明］
上記目的は、請求項１に記載の方法により達成される。上記方法の好適な実施形態は、従属請求項の主題を構成し、又は下記で記載する実施形態から推定され得る。

製品の均質な加熱のために提唱される方法では、製品は、交番電磁場、好ましくはＨＦ場へおかれる。この場合、ＨＦ場は、およそ１０ｋＨｚ〜およそ３００ＭＨｚの周波数範囲の電磁場を指し、ここで製品は、誘電加熱により加熱される。産業上の利用のために公開される（released）周波数１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ又は４０．６８ＭＨｚが使用されることが好ましい。しかしながら、概して、他の周波数もまたＨＦ加熱に適している。上記方法では、製品の第１の領域が、第２の領域よりも交番場により強く加熱される。そして、少なくとも交番場における加熱前又は加熱中に、さらなる熱移動手段により冷却されること、上記第２の領域は、さらなる熱移動手段により加熱されること、の一方又は両方を行うことを特徴とする。

したがって、本発明の方法では、温度均質化は、交番電場による製品の加熱に重ねられ、対流又は熱伝導によりさらなる比熱移動により均質化される。

温度均質化は、製品のより低温の点のさらに加熱すること、製品の高温の点をさらに冷却することにより達成される。本発明の特に好適な実施形態では、このプロセスは、交番場、好ましくはＨＦ場において直接行われる。これについて、一例として以下に記載する実施形態を参照する。

製品のさらなる加熱・冷却は、種々の方法で達成することができる。

本発明の方法の好適な実施形態では、適切な熱媒体への熱の移動により、製品において、あるいは製品又は包装の外側から、過剰な熱を加熱管から放出する。この熱媒体は、例えば、熱媒油(thermal oil)、水等であってもよく、これは製品を直接循環するか、あるいは熱交換器表面により又は包装材料により製品と分離される。

したがって、製品又は充填製品又は加熱管は、外側上で水が循環され得る。このことは、例えば加熱管として二重ジャケット管を使用することにより、あるいは水浴中に充填製品を配置させること、又は充填製品に水流を循環させることにより達成することができる。ここで、水は、より低温、又は高くても目指される製品の最大温度と同じ温度を有するべきである。これにより、熱が温度過昇を伴う区域から放出されることが保証される。管壁又は製品包装材料と製品との間の接触点は、製品点の電気伝導率を低減させること、及び温度均質化を達成することにより冷却される。いわゆるホットスポット及び局所過熱は、これらの点で防止され得る。水のほかに、熱媒体として適切な他の媒質を、当然のことながら使用してもよい。

本発明の方法のさらなる実施形態では、液体又は気体媒質は、熱を移動させるのに使用され、この媒質は、ＨＦ場で加熱されないか、又はほんのわずか加熱されるに過ぎない。蒸留水又は脱イオン水は、この意味では不活性液体として特に適切である。この水は、ＨＦ場におけるいかなる加熱にもほとんどさらされない。したがって、ＨＦ場の領域において直接的に、ＨＦ場自体を通る冷却媒質を加熱することなく、製品の高温区域から、高い加熱容量を有する冷却媒質へ非常に迅速に熱を放出することが可能である。

本出願の特に好適な実施形態では、充填製品は、脱イオン水又は蒸留水を用いた規定温度の水浴を通って誘導される。したがって、例えば９０℃に加熱されるべきである充填製品は、最初に例えば４０℃の温度を有する冷却水浴を通って誘導され得る。この方策により、水浴中の製品に交番電場、特にＨＦ輻射が負荷されると同時に、製品のこの領域及び外部区域を、９０℃を遥かに下回る値へと冷却させることが可能である。他方で、内部領域は冷却されず、その結果、概して、均質な加熱を最大９０℃の温度まで得ることができる。必要である場合、製品は、ＨＦ場を離れた後、水浴へ供給することができ、この浴は、９０℃の温度を有する。ここで、次に外部領域は、所望の標的温度へ加熱されて、その温度で維持される。迅速な加熱にもかかわらず、このプロセスは、９０℃よりも高い温度が製品内に広がるのを可能にする。

同様に、熱運搬媒質により、熱がより冷たい領域へ、例えば加熱管の中央へ導入されることが可能であり、また多くの場合、このことは好適であり得る。この目的で、例えば熱交換器管は、加熱管の中央に導入されてもよく、例えば、その管を通って、熱水が流れる。同様に、この方策により、製品における温度分布を均質化することが可能となる。管又は製品の内側への材料の導入（この材料は、ＨＦ場で極めて迅速に加熱される、例えば金属）は、別の適切な方法である。したがって、熱は、特に製品の中央で発生させることができる。

温度過昇を回避するさらなる可能性は、液体部分を有する製品を加熱する場合、系圧力を、液体部分の沸点が製品が加熱されるべき標的温度にほぼ等しい値へ低減させることに存する。２００ｈＰａ（２００ｍｂａｒ）の圧力が水系中で発生される場合、水の沸点は６０℃に低減される。したがって、例えば製品温度値が６０℃を超えないことが必要である場合、そして製品組成上可能な場合、小量の製品について、製品の高温区域で特に蒸発され得る。続いて、蒸気は、加熱管又は包装材料にある、より冷たい製品点へ流れることができ、これは、高温面を従来のように加熱する場合の蒸気キャビテーションに類するものである。そこで、蒸気は冷たい製品点上で直接凝縮され、それらを加熱する。迅速な凝縮により、包装材料の破裂又は加熱管中の圧力の増加が回避される。また、この方策の結果として、熱伝導及び対流によって熱移動し、輻射加熱され、温度均質化が達成される。

例示的な実施形態：液体懸濁液用の加熱管
イチゴ、砂糖及びゲル化剤から構成される果物調理品１００ｋｇを、ＨＦ加熱管に供給した。石英ガラス管を加熱管として使用して、アルミニウム電極を外側上に取り付けて、それらの電極へＨＦ場を印加した。第１の試験では、果物調理品をＨＦ場に通した。高い製品粘性、及び製品の付随するより長い保持時間により、コア流と比較して、３０°Ｋの温度過昇が石英ガラス管の内部上に発生した。

製品をコア流で適切に加熱するために、温度７０℃が内側において得られるように、供給速度を調節しなくてはならなかった。１００℃を超える温度は、この場合では管壁で得られ、これは、果物調理品の品質を相当悪化させた。

本発明の方法により実施された第２の試験では、二重ジャケット石英ガラス管を使用した。果物調理品を再び、管の内側へ供給した。６０℃の蒸留水を外部ジャケットに流した。過剰な熱は、蒸留水により管壁から放出させることができ、その結果、製品は管の内部で７０℃に均質に加熱され、製品部分は、外壁上でより熱くならなかった。均質な低温殺菌が達成された。

例示的な実施形態：充填食品用のヒーター
第１の実施形態では、ヒーターは、互いに４０ｃｍの距離での４０ｃｍ×４０ｃｍの寸法の２つの平行板電極から構成される。電圧１０ｋＶ及び周波数２７．１２ＭＨｚを、電極に印加することにより、高周波数場が電極間の空隙に発生される。保存食品用の１０００ｍｌのガラスに粉砂糖中につけた果物を充填して、ねじ込みキャップで密封した。保存食品用ガラスを高周波場へ導入して、２０℃から９０℃へ加熱した。

果物混合物を加熱する速度は低かった。さらに、１００℃を超える高温は、ガラスの底部で及びねじの縁用の段部(shoulder)上で得られた。

第２の実施形態では、電極間の間隙を、その壁及び底部が電気絶縁材料（例えば、ホウケイ酸塩ガラス）で構成される立方形状の水たらいで満たした。水たらいを温度７０℃の脱イオン水で充填した。電極電圧は１０ｋＶであり、周波数は２７．１２ＭＨｚであった。第１の実施形態で記載されるのと同じ設計及び同じ中身を有する保存食品用ガラスを水浴へ導入して、１２０秒で２０℃から９０℃へ加熱した。加熱速度は、ヒーターの第１の実施形態よりもおよそ１００倍分高かった。底部上及びガラスの段部上での温度増加は、水浴の冷却作用のため、第１のヒーター実施形態よりも遥かに低く保つことができた。

同様に、第２の実施形態における方法は、プラスチックフィルム袋中の製品、プラスチックビーカー中の製品及びプラスチックバケツ中の製品にも適切である。

Claims (13)

1. 製品を交番電磁場、特にＨＦ場において加熱し、該製品の第１の領域を第２の領域よりも強く加熱し、
   前記第１の領域を、さらなる熱移動手段により少なくとも前記交番場における加熱前又は加熱中に冷却すること、前記第２の領域を、さらなる熱移動手段により加熱すること、の一方または両方を行うことを特徴とする、製品の均質な加熱方法。
2. 前記第１の領域と第２の領域の一方または両方は、前記熱移動手段としての熱媒体と接触されることを特徴とする、請求項１に記載の製品の均質な加熱方法。
3. 前記熱媒体は、前記製品を循環する液体又は気体媒質であることを特徴とする、請求項２に記載の製品の均質な加熱方法。
4. 前記第１の領域と第２の領域の一方または両方は、前記熱移動手段としての少なくとも１つの熱交換器と接触され、該熱交換器は熱媒体を流すことを特徴とする、請求項１に記載の製品の均質な加熱方法。
5. 前記製品は、内体積及び外体積を有する二重ジャケット管として設計される加熱管において加熱され、前記製品は、前記内体積へ導入されて、熱媒体が前記外体積を通って流れることを特徴とする、請求項１に記載の製品の均質な加熱方法。
6. 前記製品は、内体積及び外体積を有する二重ジャケット管として設計される加熱管において加熱され、前記製品は、前記外体積へ導入されて、熱媒体が前記内体積を通って流れることを特徴とする、請求項１に記載の製品の均質な加熱方法。
7. 前記製品は、前記熱移動手段として液体媒質へ導入される充填製品であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製品の均質な加熱方法。
8. 前記液体媒質は水浴であることを特徴とする、請求項７に記載の製品の均質な加熱方法。
9. 媒質が、加熱されない前記熱媒体として使用されるか、又は少なくとも前記交番場により前記製品よりも低い温度へ加熱されることを特徴とする、請求項２〜７のいずれか１項に記載の製品の均質な加熱方法。
10. 媒質が、前記交番場により前記製品よりも高い温度へ加熱される前記熱媒体として使用されることを特徴とする、請求項２〜７のいずれか１項に記載の製品の均質な加熱方法。
11. 前記熱媒体は焼き戻されることを特徴とする、請求項２〜１０のいずれか１項に記載の均質な加熱方法。
12. 前記製品は、軸上に固体材料の１つの要素又は複数の要素が配列される加熱管において加熱され、材料は、この領域において前記製品よりも高い温度へ、前記交番場において熱くなることを特徴とする、請求項１に記載の製品の均質な加熱方法。
13. 液体部分を有する製品、特に水性製品が、標的温度へ加熱される場合に、前記液体部分の沸点が前記標的温度にほぼ等しい圧力が設定されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の製品の均質な加熱方法。