JP2015159734A - 流動性食品材料の交流高電界殺菌方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流動性食品材料を、一対の電極が対向配置された流路内を連続的に通過させながら、電極間に交流高電圧を加えることによって、流動性食品材料を殺菌する交流高電界殺菌方法において、前記電極間に加える交流高電圧として矩形波交流を用い、かつその矩形波交流として、ある1サイクルの矩形波パルスと次の1サイクルの矩形波パルスとの間に、前記1サイクルの矩形波パルスの時間幅TOよりも大きい時間幅の休止期間(パルス間休止期間)TPを置いた矩形波交流を用いる。
【選択図】図2
Description
供給管29Aには、図示しない流動性食品材料供給源から、ポンプなどの加圧手段によって、流動性食品材料が連続的に供給されるようになっている。
一方、電極21A、21Bは、電源装置33に接続されており、この電源装置33から電極間距離1cmあたり10kV程度以上、望ましくは数十kV以上の交流高電圧が加えられるようになっている。
高電圧パルス殺菌方式は、食品材料に印加する電圧波形として、特に高電圧のパルス波形を用い、高電界による殺菌効果に加え、そのパルス電圧の急峻な立ち上がり、立下りによって菌の細胞膜を穿孔して細胞を効果的に破壊して、菌を死滅させようとするものである。このような高電圧パルス殺菌方式においても、前述の交流高電界殺菌方式と同様に、電気伝導度の大きい食品材料では温度上昇が過度に大きくなるという問題や、高粘度の食品材料には適用し難いなどの問題があり、そのため、交流高電界殺菌方式と同様に、実用化は進んでいない。
流動性食品材料を、一対の電極が対向配置された流路内を連続的に通過させながら、電極間に交流高電圧を加えることによって、流動性食品材料を殺菌する交流高電界殺菌方法において、
前記電極間に加える交流高電圧として矩形波交流を用い、かつその矩形波交流として、ある1サイクルの矩形波パルスと次の1サイクルの矩形波パルスとの間に、前記1サイクルの矩形波パルスの時間幅よりも大きい時間幅の休止期間(パルス間休止期間TP)を置いた矩形波交流を用いることを特徴とするものである。
流動性食品材料が前記電極間を通過する時間に応じて、前記矩形波交流における前記休止期間の時間幅TPと、1サイクルの矩形パルス(単位パルス)の時間幅TOとのうち、少なくとも一方を調整することを特徴とするものである。
したがって休止期間の時間幅TPと、単位パルスの時間幅TOとのうちの少なくとも一方を調整することによって、温度上昇幅を調整することができるのである。そこで、例えば、休止期間及び/又は単位パルスの時間幅の調整によって、確実な殺菌を実現できるような程度の十分な電圧を確保しながら、過剰な温度上昇を招かないように、温度上昇幅を小さく抑えることが可能となる。
流動性食品材料が前記電極間を通過する時間のほか、更に電極間の間隔の単位長さ当たりの印加電圧と、食品材料の電気伝導度と、交流高電圧が印加される直前の食品材料の温度とに応じて、前記矩形波交流における前記休止期間の時間幅(TP)と1サイクルの矩形パルス(単位パルス)の時間幅(TO)とのうちの少なくとも一方を調整することを特徴とするものである。
流動性食品材料が前記電極間を通過する時間と、電極間の間隔の単位長さ当たりの印加電圧と、食品材料の電気伝導度と、交流高電圧が印加される直前の食品材料の温度とに応じて、温度上昇幅が予め定めた範囲を超えないように、前記矩形波交流における前記休止期間の時間幅Tpと、前記矩形波交流における1サイクルの矩形パルス(単位パルス)の時間幅TOを決定することを特徴とするものである。
25℃での電気伝導度が、0.01S/cm以上の流動性食品材料を殺菌対象とすることを特徴とするものである。
前記一対の電極が対向配置された流路内に流動性食品材料を導入する前の段階で、流動性食品材料を予め予熱しておくことを特徴とするものである。
前記一対の電極が対向配置された流路内に流動性食品材料を導入する際の流動性食品材料の温度が40〜70℃の範囲内となるように予熱しておくことを特徴とするものである。
前記予熱を通電加熱によって行うことを特徴とするものである。
また、矩形波交流における休止期間の時間幅や各単位パルスの時間幅を調整することによって、食品材料に与える電力量、ひいては食品材料の温度上昇幅を調整することができ、そのため食品材料の種類や殺菌すべき菌種等に応じて、適切に温度上昇幅を抑えながら、充分な殺菌効果を得ることができる。
すなわち、図示しない流動性食品材料供給源から、加圧バルブやポンプなどの加圧手段によって、供給管29Aを経て醤油などの流動性食品材料が流路25内に連続的に供給され、一対の平板状の電極21A、21B間において、流動性食品材料に電源装置33から交流高電圧が印加される。なお流路25に導入される流動性食品材料は、予め通電加熱(ジュール加熱)方式や、高温水蒸気などの加熱媒体を用いた例えば二重管加熱方式などの外部加熱(熱交換加熱)方式などによって、予め所定温度まで予熱されていることが望ましいが、その予熱に関しては、後に改めて説明する。
その関係を、図6もしくは図7に示す。なお図6、図7において鎖線は間引いた単位パルスを示す。また実線が間引いた状態での矩形波交流を示す。
結局、流速と電極間流路長さとに応じてパルス間休止期間TPの長さを調整することによって、流動性食品材料が電極間を通過する間において食品材料に印加される単位パルスの数が調整され、ひいては流動性食品材料が電極間を通過する間に食品材料に与えられる電力量が調整されるから、温度上昇幅を適切に調整(抑制)して、過度な温度上昇が生じないように設定することができる。
すなわち、本発明の交流高電界殺菌方法を実施するに当たって、所期の殺菌効果を確実に得るためには、矩形波交流印加開始の初期温度(したがって予熱する場合の予熱到達温度)を正確に制御することが望まれる。その観点からすれば、熱交換方式の予熱では、到達温度を正確に制御することが困難であることが多く、これに対して通電加熱方式では、熱交換方式よりも容易かつ正確に到達温度を制御することができる。また通電加熱方式では、熱交換加熱よりも短時間で食品材料を昇温させることができるから、流動性食品材料を連続的に流しながら予熱する場合においては、熱交換加熱方式よりもライン長(加熱のための流路長さ)を短くして、設備の小型化、能率向上を図ることができる。したがって本発明の交流高電界殺菌方法を実施するに当たっての予熱方式としては、通電加熱が最適である。
整流器によって得られた直流電流をチョッピングして、高周波矩形パルス電流を発生させるインバータ回路と、
前記発振器からの基準高周波信号が加えられてその基準高周波信号をベースとして前記インバータ回路の動作を制御するためのインバータ制御信号を発生するインバータ制御信号発生回路と、
前記インバータ回路の出力の高周波矩形パルス電流の電圧を変圧して、前記電極間に加える高電圧パルスを得るための出力トランスと
を有し、
前記インバータ回路が、前記基準高周波信号の1サイクルに対応する1サイクルの矩形パルスに引き続き、所定の休止期間を置いてから次の1サイクルの矩形パルスが発生するという断続パルス電流を出力するように、前記インバータ制御信号発生回路によって制御されるように構成された電源装置。
なおゲート駆動回路55は、制御ユニット37内の後述するインバータ制御部57のインバータ制御信号発生回路、例えばゲート信号発生回路58からのゲート制御信号(インバータ制御信号に相当する)S3によって制御される。
制御ユニット37は、基本的には、プログラマブルコントローラ49と、サイリスタ制御部50と、インバータ制御部57を有している。また操作ユニット39は、主操作部61と、パルス制御操作部63を有している。
高周波発振器65は、例えば5kHz〜50kHz程度の高周波信号を発生するためのものであり、本例では発振周波数が可変となるように、自励発振器が使用されている。もちろん場合によっては、水晶振動子などを用いた他励発振器を使用することも可能である。
このような断続パルスを発生する状態(第2の状態)は、交流高電界殺菌に好適である。
そしてまた、休止期間TPの長さの調整によって、出力トランス59からの出力Scのパルス電圧高さを調整することができる。
図10において、ゲート信号発生回路58は、高周波発振器65からの基準高周波信号を波形整形して、高周波パルス信号とするための波形整形回路77と、その波形整形回路77から出力される高周波パルス信号のパルスを間引くための間引き回路79とを備えている。そして間引き回路79には、その間引き動作をON/OFF制御するためのON/OFF制御回路81と、間引き動作の間引き間隔(間引き幅)を制御するための間引き幅制御回路83とが接続されている。上記のON/OFF制御回路81には、パルス制御操作部63のON/OFFスイッチ71が接続され、また間引き幅制御回路83には、パルス制御操作部63の休止期間調整操作手段としての可変抵抗器73が接続されている。
一方、ON/OFFスイッチ71のON時においては、波形整形回路77によって波形整形されたパルス信号(連続パルス)が、間引き回路79によって間引きされて、断続パルス信号となり、その断続パルス信号がゲート信号S3としてゲート駆動回路55に送られる。このとき、休止期間調整操作手段としての可変抵抗器73によって間引き幅制御回路83に設定した間引き幅でパルスの間引き幅(パルス間休止期間Tpに相当)が制御される。また高周波発振器65の発振周波数を調整することによって、単位パルスP0の時間幅TOが制御される。
そしてこのようなジュール加熱装置91における環状電極941〜947は、その一つ置きに電源装置33Bの一方の出力端子、他方の出力端子に接続されている。ここで、電源装置33Bとしては、前述の図8に示した電源装置33と同様な構成のものが使用されている。但し、その電源装置33Bは、パルス制御操作部63のON/OFFスイッチ71がOFFとされた状態で使用される。
流動性食品材料に相当する試験液として、電気伝導度(ジーメンス毎メートル;S/m)を調整したリン酸バッファー液を使用し、図1に示すような装置を用いて、交流高電界殺菌方法を実施した。実験条件は次の通りである。
<試験液条件>
試験液:リン酸バッファー液
電気伝導度(25℃での基準電気伝導度):0.1S/m(下記の電極間流路入り口温度70℃に換算すれば0.19S/mに相当)
粘度(25℃での粘度):1mPa/s
初期温度(電極間流路入り口温度):70℃
流量:60L/h
<電極条件>
電極間距離:4mm
流路に沿った電極長さ:4mm
電極幅:6mm
電極間通過時間:5.76ミリ秒
流量:60L/h
<矩形波交流印加条件>
印加電圧:3000V(単位距離当たり電界強度:750V/cm)
電圧波形:図3に模式的に示したように、単位パルスP0間にパルス間休止期間TPを有し、かつ単位パルス内微小休止期間Tm、Tm´を有する矩形波交流
但し、
単位パルス(1サイクルのパルス)P0の時間幅TO:50μsec
単位パルス内微小休止期間Tm、Tm´:2μsec
パルス間休止期間TP:3200μsec
(単位パルスP0内の半波パルスの時間幅TU、TD:23μsec)
このような条件で試験液に交流高電界を加える実験を行ったところ、流路の出口温度は約75℃となることが判明した。すなわち、温度上昇幅は約5℃であった。
一方、印加する矩形波交流の電圧波形を、パルス間休止期間TPの無い連続パルス状の矩形波交流に代えた場合の温度上昇幅を、計算によって求めた。矩形波交流印加条件は次の通りである。
印加電圧:3000V(単位距離当たり電界強度:700V/cm)
電圧波形:図5に模式的に示したように、単位パルスP0間にパルス間休止期間を持たず、単位パルス内微小休止期間Tm、Tm´を有する矩形波交流
但し、
単位パルス(1サイクルのパルス)P0の時間幅TO:50μsec
単位パルス内微小休止期間Tm、Tm´:2μsec
パルス間休止期間TP:3200μsec
(単位パルスP0内の半波パルスの時間幅TU、TD:23μsec
ここで、パルス間休止期間を置かない点以外は、実験例1と同じ条件であり、上記のパルス間休止期間を持たない矩形波交流によって与えられる電力量から、温度上昇幅を計算によって求めた。
すなわち、流路入り口温度70℃における電気伝導度0.19S/mは、電気抵抗値にして877.2Ωに相当する。そこでI=E/Rの関係から、3000Vの印加電圧では電流値は3.42Aと推定される。さらに電力量P=I/Eの関係から、与えられた電力量は、10.26kWと推定される。さらにその電力が与えられた時の発熱量Qは、Q(kcal)=P(kW)・860の関係から、8823.6kcalと推定される。そして試験液の比熱を1.0と置き、また試験液の比重を1.0と置けば、このときの昇温幅は、約147℃と推定される。したがって、試験液は初期温度(70℃)から約147℃温度上昇して、217℃になると推定される。
このような結果から、パルス間休止期間Tpを設けた矩形波交流を用いることによって、温度上昇幅を小さく抑制して、過度な温度上昇を防止できることが確認された。
前述のように、試験液を通電加熱(ジュール加熱)によって所定温度まで予熱し、続いて、交流高電界殺菌として、パルス間休止期間を有する矩形波交流を印加し、保持、冷却後、培養して大腸菌の菌数を測定する実験を行った。その具体的条件は次の通りである。
<試験液条件>
試験液:リン酸バッファー液
電気伝導度(25℃での基準電気伝導度):0.1S/m
粘度(25℃での粘度):1mPa/s
初期温度:15℃
流量:60L/h
<通電加熱による加熱条件(交流高電界殺菌前の余熱条件)>
目標加熱温度:55℃
保持:55℃到達後、交流高電界印加まで3秒
<交流高電界殺菌の電極条件>
電極間距離:4mm
流路に沿った電極長さ:4mm
電極幅:6mm
電極間通過時間:5.76ミリ秒
<交流高電界殺菌の矩形波交流印加条件>
電極間入り口温度(交流高電界殺菌の初期温度):55℃
電極間通過時間:5.76msec
印加電圧:3000V(単位距離当たり電界強度:750V/cm)
電圧波形:図3に模式的に示したように、単位パルスP0間にパルス間休止期間TPを有し、かつ単位パルス内微小休止期間Tm、Tm´を有する矩形波交流
但し、
単位パルス(1サイクルのパルス)P0の時間幅TO:50μsec
単位パルス内微小休止期間Tm、Tm´:50μsec
パルス間休止期間TP:3200μsec
(単位パルスP0内の半波パルスの時間幅TU、TD:23μsec)
<矩形波交流印加後の冷却条件>
印加後(電極間通過後)、4秒で冷却開始
<菌数測定条件>
市販の大腸菌簡易検査キットを使用して、×1、×10、×100、×1000、更に必要に応じて×10000の希釈率で希釈したサンプルを培養し、各希釈サンプルの1mL当たりの菌数を測定した。
予熱のための通電加熱温度(したがって矩形波交流印加のための電極間入り口温度)を60℃とした以外は、実施例1と同じプロセス、条件で実験を行った。
この実施例2において、矩形波交流印加直後(電極間通過直後)の試験液温度は、約65℃となっていることが確認された。したがってこの実施例2における矩形波交流印加による温度上昇幅も、実施例1と同様に、約5℃であった。なおこの実施例2でも、矩形波交流印加後、4秒で冷却を開始しているから、65℃での保持時間は約4秒である。
予熱のための通電加熱温度(したがって矩形波交流印加のための電極間入り口温度)を65℃とした以外は、実施例1と同じプロセス、条件で実験を行った。
この実施例3において、矩形波交流印加直後(電極間通過直後)の試験液温度は、約70℃となっていることが確認された。したがってこの実施例2における矩形波交流印加による温度上昇幅も、実施例1と同様に、約5℃であった。なおこの実施例3でも、矩形波交流印加後、4秒で冷却を開始しているから、70℃での保持時間は約4秒である。
この比較例1では、各実施例と同様に電気伝導度(25℃での基準電気伝導度)を0.1S/mに調整した15℃の試験液(リン酸バッファー液)について、通電加熱の目標加熱温度を60℃として、通電加熱のみにより殺菌を行ない、その後15℃に冷却して、各実施例と同様にサンプルを希釈し、大腸菌の菌数の測定を行った。
なおこの比較例1において、通電加熱により60℃に到達してから冷却を開始するまでの時間は約5秒である。したがってこの場合の60℃での保持時間は約5秒である。
この比較例2では、通電加熱の目標加熱温度を65℃とした点以外は、比較例1と同様に通電加熱のみによって殺菌を行った。
この比較例2において、通電加熱により65℃に到達してから冷却を開始するまでの時間は約5秒である。したがってこの場合の65℃での保持時間は約5秒である。
この比較例3では、通電加熱の目標加熱温度を70℃とした点以外は、比較例1と同様に通電加熱のみによって殺菌を行った。
この比較例3において、通電加熱により70℃に到達してから冷却を開始するまでの時間は約5秒である。したがってこの場合の70℃での保持時間は約5秒である。
実施例4は、交流高電界殺菌の矩形波交流として、単位パルスP0間のパルス間休止期間TPの条件を、実施例1〜3の場合よりも短くし、また通電加熱による加熱条件(予熱条件)を、目標加熱温度(したがって交流高電界殺菌の初期温度)を3段階に異ならせて実施した実施例である。各条件は次の通りである。
<試験液条件>
実施例1と同じ。
<通電加熱による加熱条件(交流高電界殺菌前の余熱条件)>
目標加熱温度:40℃、45℃、50℃の3段階の異なる温度で実施した。
保持:上記の到達後、交流高電界印加まで3秒保持した。
<交流高電界殺菌の電極条件>
実施例1と同じ。
<交流高電界殺菌の矩形波交流印加条件>
電極間入り口温度(交流高電界殺菌の初期温度):40℃、45℃、50℃の3段階で実施した。
電極間通過時間:5.76msec
印加電圧:3000V(単位距離当たり電界強度:750V/cm)
電圧波形:図3に模式的に示したように、単位パルスP0間にパルス間休止期間TPを有し、かつ単位パルス内微小休止期間Tm、Tm´を有する矩形波交流。但し、パルス間休止期間TPは、実施例1よりも短い800μmとした。単位パルス(1サイクルのパルス)P0の時間幅TO、単位パルス内微小休止期間Tm、Tm´は実施例1と同じ。
<矩形波交流印加後の冷却条件>
実施例1と同じ。
<菌数測定条件>
実施例1と同じ。
実施例5は、交流高電界殺菌の矩形波交流として、単位パルスP0の時間幅TOの条件を、実施例1とは変えた実施例である。すなわち、単位パルスP0の時間幅TOを、実施例1〜3の50μsecよりも短い25μsecに変更した。そのほかの条件は、実施例2と同じである。
実施例6は、試験液としてその電気伝導度を、実施例1の場合よりも高い0.2S/mに調整したものを用いた例である。そのほかの条件は、実施例1と同じである。
実施例7は、試験液として、その粘度が、実施例1の場合よりも高い102.5mPa/sに調整されたフルーツソースを用いた例である。なお電気伝導度は0.2S/mである。また流速は実施例1と同じとした。そのほかの条件も、実施例1と同じである。
実施例8は、通電加熱(ジュール加熱)による予熱を行わず、初期温度15℃の試験液に直接矩形波交流を印加して、交流高電界殺菌を行った実施例である。すなわち、交流高電界殺菌の矩形波交流印加条件のうち、電極間入り口温度は15℃である。なお試験液の流量は、実施例1の場合の1/10の6L/hとした。その他の条件は実施例1と同じとした。
21A、21B・・・電極
25・・・流路
SA、SB・・・矩形波交流
P0・・・単位パルス(1サイクルの矩形波パルス)
TO・・・単位パルスの時間幅
TP・・・休止期間(の時間幅)
Claims (8)
- 流動性食品材料を、一対の電極が対向配置された流路内を連続的に通過させながら、電極間に交流高電圧を加えることによって、流動性食品材料を殺菌する交流高電界殺菌方法において、
前記電極間に加える交流高電圧として矩形波交流を用い、かつその矩形波交流として、ある1サイクルの矩形波パルスと次の1サイクルの矩形波パルスとの間に、前記1サイクルの矩形波パルスの時間幅TOよりも大きい時間幅TPの休止期間を置いた矩形波交流を用いることを特徴とすることを特徴とする流動性食品材料の交流高電界殺菌方法。 - 請求項1に記載の流動性食品材料の交流高電界殺菌方法において、
流動性食品材料が前記電極間を通過する時間に応じて、前記矩形波交流における前記休止期間の時間幅TPと、1サイクルの矩形パルス(単位パルス)の時間幅TOとのうち、少なくとも一方を調整することを特徴とする流動性食品材料の交流高電界殺菌方法。 - 請求項2に記載の流動性食品材料の交流高電界殺菌方法において、
流動性食品材料が前記電極間を通過する時間のほか、更に電極間の間隔の単位長さ当たりの印加電圧と、食品材料の電気伝導度と、交流高電圧が印加される直前の食品材料の温度とに応じて、前記矩形波交流における前記休止期間の時間幅TPと1サイクルの矩形パルス(単位パルス)の時間幅TOとのうちの少なくとも一方を調整することを特徴とすることを特徴とする流動性食品材料の交流高電界殺菌方法。 - 請求項1〜請求項3のいずれかの請求項に記載の流動性食品材料の交流高電界殺菌方法において、
流動性食品材料が前記電極間を通過する時間と、電極間の間隔の単位長さ当たりの印加電圧と、食品材料の電気伝導度と、交流高電圧が印加される直前の食品材料の温度とに応じて、温度上昇幅が予め定めた範囲を超えないように、前記矩形波交流における前記休止期間の時間幅TPと、前記矩形波交流における1サイクルの矩形パルスの時間幅TOとを決定することを特徴とする流動性食品材料の交流高電界殺菌方法。 - 請求項1〜請求項4のいずれかの請求項に記載の流動性食品材料の交流高電界殺菌方法において、
25℃での電気伝導度が、0.01S/cm以上の流動性食品材料を殺菌対象とすることを特徴とする流動性食品材料の交流高電界殺菌方法。 - 請求項1〜請求項5のいずれかの請求項に記載の流動性食品材料の交流高電界殺菌方法において、
前記一対の電極が対向配置された流路内に流動性食品材料を導入する前の段階で、流動性食品材料を予め予熱しておくことを特徴とする流動性食品材料の交流高電界殺菌方法。 - 請求項6に記載の流動性食品材料の交流高電界殺菌方法において、
前記一対の電極が対向配置された流路内に流動性食品材料を導入する際の流動性食品材料の温度が40〜70℃の範囲内となるように予熱しておくことを特徴とする流動性食品材料の交流高電界殺菌方法。 - 請求項6もしくは請求項7に記載の流動性食品材料の交流高電界殺菌方法において、
前記予熱を通電加熱によって行うことを特徴とする流動性食品材料の交流高電界殺菌方法。
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