JP2016202009A

JP2016202009A - 加圧解凍殺菌法

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Publication number: JP2016202009A
Application number: JP2015083223A
Authority: JP
Inventors: 恒男芝; Tsuneo Shiba; 学古下; Manabu Furushimo; 翼福田; Tasuku Fukuda; 野口琢史; Takashi Noguchi; 森川篤史; Atsushi Morikawa
Original assignee: NAT FISHERIES UNIV; NATIONAL FISHERIES UNIV; Toyo Koatsu Co Ltd
Current assignee: NAT FISHERIES UNIV; NATIONAL FISHERIES UNIV; Toyo Koatsu Co Ltd
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-04-15
Also published as: JP6590184B2

Abstract

【課題】食品の変色や変性が生じないとされる約１２０〜２００MPa、５分〜６０分の加圧で、添加物の働きを借りずに、また高温条件を使用せずに、従来よりも強い殺菌力で、食品の殺菌を達成する、加圧解凍殺菌方法の提供。
【解決手段】凍結物を加圧殺菌するに当たり、当該凍結物を適切な断熱材で覆うことで、凍結物の表面の先行融解を防ぎ、かつ昇温速度を最適化して当該凍結物のすべての部分の温度が設定圧力時に最大氷晶生成温度帯を通過するように加圧・加温速度を制御する加圧解凍殺菌方法。更に、加圧媒体に不凍液を使用し、加圧媒体の温度を設定圧力時の融点以下に調整して表面の先行融解を防ぎ、かつ当該凍結物の温度が設定圧力時に最大氷晶生成温度帯を通過するように加圧・加温速度を制御する加圧殺菌方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、食品の変色や変性を起こすことなく、食品を殺菌する方法に関する。

近年健康や生食への関心から、食品成分の分解が起きにくく生の風味が保たれる非加熱殺菌法が注目されている。非加熱殺菌法のうちでも、超高圧殺菌法（１００〜８００MPaでの処理法）は、加圧圧力が瞬時に被加圧物体に均等にいきわたるので、品質管理上優れた技術として期待されている。

しかしながら、食品中の細菌を圧力で殺すには、現状の技術では４００MPa以上の圧力が必要であって、この圧力ではタンパク質の変性がおきるので食肉や魚の殺菌には不向きである。また、４００MPaもの圧力を可能にする機械は高価なので、処理コストがかさんでしまうという問題もある。

食品の変性がおきない超高圧力は２００MPa以下といわれており（非特許文献１）、装置も廉価となる２００MPa以下の圧力で食品を殺菌することが求められているが、今までのところ、この圧力では食品の安全性を保証するほどの殺菌力は得られていない。

２００MPa以下での加圧殺菌力を高める方法として、抗菌剤等を併用する方法も開発されているが、これは消費者の安全志向に逆らうだけでなく、例え抗菌剤を併用しても２００MPa以下では十分な殺菌力は得られていない。

さらに、食品中に酸素が溶存していると加圧殺菌力が減じるとして、食品中の酸素を炭酸ガスや窒素ガスに置き換えて加圧殺菌する方法（特許文献１）も開発されているが、この方法において効果を発揮しているのは３００MPaの圧力であって、２００MPa以下での圧力での効果は報告されていない。また、酸素を炭酸ガスに置き換えて加圧殺菌する方法は、飲料にのみ利用可能であって、固形の食品には適用できない。

抗菌剤等の添加物を併用せずに超高圧殺菌力を講じる方法として、加圧と減圧を繰り返して殺菌力を高める方法も開発されているが、この方法であっても、２，０００kgf/cm²（すなわち１９６MPa）の圧力で、食品の品質に影響しない４０℃未満の温度では、細菌数は5分の1程度にしか減っていない（特許文献２）。また、この方法では急激な加圧・減圧を繰り返す必要があるので、高圧容器容積に比べて装置が巨大になり高価となるので、食品の加工現場に導入するのは実質的に難しい。

超高圧殺菌の効果を上げる方法として、常温でよりも０℃以下のほうが殺菌能力が向上すること（以下これを「サブゼロ効果」と呼ぶ）を利用した殺菌方法も開発されている(特許文献３)が、以下に例示するように、この方法であっても２００MPa以下の圧力では充分な殺菌ができていない。

すなわち特許文献３では、食品を凍らしたままの状態で加圧殺菌する方法が報告されているが、「２，０００kgf/cm²（すなわち１９６MPa）以下では殺菌の目的を達成せず」と述べるとともに、２，５００〜６，５００kgf/cm²の圧力を用いても細菌数の減少は１０⁻²のオーダーでしかない、つまり１００分の１にしか減らないことが示されている。

加圧下では０℃以下の温度域で凍らない不凍域が存在するが、特許文献４ではこの不凍域を使った食品の保存方法を報告している。すなわち豆腐を−１０℃、１５００kgf/cm²下で、凍らせずに２０日間品質を維持することに成功している。つまり−１０℃の不凍域で細菌の増殖が抑制されているが、除圧後も効果が発揮されるかについては言及していない。すなわち−１０℃であれば細菌の増殖が停止するのは自明のことであって、この方法は超高圧を単に不凍域を形成させるために使っているに過ぎない。

不凍域での加圧殺菌実験として、非特許文献２では、−２８℃に冷凍したリステリア菌液を−２９℃に調整した圧力チャンバー内に入れて２０７MPaで２３分間加圧し、加圧終了と同時にチャンバー内の圧力を３秒以内に大気圧までに減圧する実験を行っているが、この実験で得られた定常期の細菌数の減少は１０^−２のオーダーでしかない。

以上説明したように、食品が変色や変性しないとされる２００MPa以下での圧力で、熱や抗菌剤等を使用せずに食品等を効果的に加圧殺菌する方法は未だ開発されていない。

特許第3063279号特公平3-46102号公報特公平8-13258号公報特公平7-87758号公報

池内義秀, 吉岡慶子, 鈴木敦士食肉加工分野への高圧利用をめぐる最近の情勢．「高圧力の科学と技術」 16,［1］日本高圧力学会、ｐ 17-25 (2006) Picart, L., Dumay, E., Guiraud, J. P., & Cheftel, C. (2005). Combined high pressure-sub-zero temperature processing of smoked salmon mince: phase transition phenomena and inactivation of Listeria innocua. Journal of food engineering, 68(1), 43-56.

本発明は、食品の変色や変性が生じないとされる約１２０〜２００MPa、５分〜６０分の加圧で、添加物の働きを借りずに、また高温条件を使用せずに、これまでに報告された約２００MPaでの加圧殺菌力よりも強い殺菌力で、食品の殺菌を達成することを目的とする。

高圧下では氷の融点が０℃以下に降下し、最大氷晶生成温度帯は０℃以下に観察される。すなわち２０９．９MPaもの圧力では氷の融点は−２１．９９℃にまで下がる。
本発明者は、このような温度・圧力域で凍結物を加圧解凍処理すると、最大氷晶生成温度帯通過時に加圧殺菌力が最も高くなることを見出し、本発明に至ったものである。
なお、最大氷晶生成温度帯とは、食品の凍結に際し、氷晶が生成する温度域のことであって、水の凝固点（融点）温度はこの温度域に含まれる。本発明では、凍結物の表面の解凍が開始してから凍結物の内部のすべてが解凍するまでの温度域を、「最大氷晶生成温度帯」と定義する。

そして、「最大氷晶生成温度帯を通過するときの設定圧力時の殺菌力」＞＞「最大氷晶生成温度帯を挟む上下の温度域を通過する時の設定圧力時の殺菌力」であり、「設定圧力時に最大氷晶生成温度帯を通過する時の殺菌力」＞＞「昇圧中ならびに降圧中に最大氷晶生成温度帯を通過する時の殺菌力」なので、本発明では、凍結物のすべての部分の温度が、設定圧力（最大圧力）において、凍結物の最大氷晶生成温度帯を通過するようにして、前記本発明の目的を達成しようとするものである。

なお最大氷晶生成温度帯通過後の０℃への上昇が融点の０℃への復帰よりも遅い場合は、加圧下で一旦解凍した凍結物が、大気圧下では再凍結する。

つまり加圧解凍処理の殺菌効果を最大にするには、凍結物が設定圧力、すなわち最大圧力にまで昇圧した後に加圧下でのすべての部分の解凍が開始し、当該設定圧力の保持時間内に凍結物の加圧下での解凍が終了するようにする必要がある。このような操作で、凍結物のすべての部分の温度が設定圧力の保持時間内に最大氷晶生成温度帯を通過することになる。さらに、凍結物に対する伝熱量を少なくして、凍結物の解凍開始から終了するまでの時間をできるだけ長くすることが望ましい。凍結物の解凍開始から終了までの時間の延長に成功し、保持時間内に解凍が終了しない場合には、保持時間を長くすればよい。

また、設定圧力は高くしたほうが殺菌力は高まるが、その上限は処理対象物に含まれる成分の変質や変色が起こらない圧力であり、食品により多少の上下はあるが、多くは２００MPa程度である。
一方、下限は、必要な殺菌力の効果が表れる１２０MPa程度である。

設定圧力の保持時間内に最大氷晶生成温度帯を通過するようにするには、例えば、凍結物を適切な断熱材で覆って加圧媒体からの伝熱を制限したり、あるいは加圧媒体に不凍液を使用して加圧媒体の温度を設定圧力時の融点より低くすることで、圧力上昇期間中の凍結物の表面の先行解凍を防ぎ、適切な断熱材を選択したり、あるいはヒーターを利用して加圧速度に基づいて昇温速度を調整し、あるいは凍結物の昇温速度に基づいて装置の加圧速度を調整して、設定圧力が保持されている間に、最大氷晶生成温度帯を通過するよう、即ち加圧下での凍結物のすべての部分の解凍が設定保持時間内に開始・終了するように制御すればよい。

加圧装置内の凍結物の昇温速度を直接測定できない場合は、大気圧下での氷の融解時の温度変化を調べて高圧装置内の温度変化を推定して加圧速度を調整する。具体的には加圧媒体と同じ温度のなかに凍結物を入れて、凍結物の温度変化を熱電対で調べる。この方法で調べる昇温速度は高圧容器内の昇温速度とほぼ同じと考えられるので、加圧装置内での凍結物の昇温速度を推定できる。
しかし、加圧下では氷が溶けるための潜熱は大気圧下で氷が溶けるのに必要な潜熱よりも小さくなり、設定圧力時の最大氷晶生成温度帯通過時間は大気圧下でよりも短くなる。そこで設定圧力時の最大氷晶生成温度帯通過時間は設定圧力時の融点温度近辺で１℃上昇するのにかかる時間と氷の比熱ならびに潜熱の大きさから推定することになる。

本発明では、予め殺菌すべき対象物を加圧解凍処理に用いる設定圧力時の融点以下に冷凍しておく必要がある。

本発明によれば、変色や変性を起こすことなく、また、殺菌剤などの添加物を一切使用せずに、約２００MPa以下の圧力下で、食品の細菌汚染レベルを１億分の１から1千分の１以下に減らすことができる。

セラミックプレートで断熱した場合の凍結物の温度変化を示すグラフセラミックより断熱性の高いプレートで断熱した場合の凍結物の温度変化を示すグラフテフロンプレートで断熱した場合の凍結物の温度変化を示すグラフテフロンより断熱性の高いプレートで断熱した場合の凍結物の温度変化を示すグラフテフロンよりさらに断熱性の高いプレートで断熱した場合の凍結物の温度変化を示すグラフ実施例で使用した凍結物実施例で使用した超高圧装置の概念図

本発明者は冷凍鯨肉を４℃の加圧媒体（水）を用いて２００MPaで解凍殺菌実験を繰り返す中で、殺菌数の減少が１０分の１〜１０００分の１の範囲で安定しないことに悩んでいたが、このことは圧力が設定圧力に達する前にクジラ肉が表層から深部に向かって順次融解が進んでしまうためだと考えた。すなわち０℃以上（具体的には４℃）では２００MPaで２０分加圧しても細菌数は１０分の１程度にしか減らないことをすでに観察していたので、仮に全体の１０％に相当する表層が設定圧力に達する前に融解してしまえば、この部分の大量に生き残った細菌が全体にいきわたるので、結果的には全体の細菌数は表層の細菌数が１０倍に希釈された細菌の減少数、すなわち１００分の１にしか減らないことに気付いた。つまり残りの９０％で細菌数が仮に１，０００，０００分の１に減ってしまったとしても、先行して融解する表層が全体の１０分の１であれば、全体の細菌数の減少は、見かけ上１００分の１であり、先行して融解する表面の割合が１００分の１であれば、見かけ上の細菌数の減少は１０００分の１である。

そこでポリエチレン袋に入れた１mLあたり１０^８細胞に調整した大腸菌液を小麦粉で作ったペースト液で包み、さらにこの菌懸濁液を１０mm厚のセラミックや大理石、さらにはテフロンプレートで挟んだ状態で凍らせ、４℃加圧媒体でこれを２００MPaで２０分加圧解凍処理したところ、用いたプレートの内で温度拡散率の最も小さな、すなわち断熱性が最も高いテフロンプレートのときにのみ凍結物の中心部が設定圧力（２００ MPa）到達後に凍結物の温度が２００MPaでの氷融点、すなわち最大氷晶生成温度帯（約−２０℃近辺）に達し、かつその時点では凍結菌懸濁液表面から深部に向かっての温度勾配がほぼ消失し、細菌数が１０の０乗のオーダーにまで減り、殺菌効果が最大になった。

すなわち一定圧力を用いて、かつ凍結物よりも高い温度の加圧媒体を用いてする加圧解凍処理で最大の殺菌効果を得るには、凍結物のすべての部分の温度が、設定圧力に達したのちに、その設定圧力時の融点、すなわち最大氷晶生成温度帯に達するように調整する必要があり、そのためには、凍結物を温度拡散率の小さな断熱材で包むことが有効であることがわかった。すなわち加圧解凍処理では、融点付近での加圧、すなわち最大氷晶生成温度帯での加圧が重要である。なお、「最大氷晶生成温度帯」とは、段落〔００１６〕で定義されている「温度域」をいう。

一方、加温速度を遅らせて融点よりも低い温度での加圧時間を増やしても、つまりサブゼロ効果を高める試みをしても、設定圧力時間内に凍結物の加圧下での解凍が開始・終了しない場合には、むしろ加圧殺菌力が低下するので、加圧解凍殺菌において最大の殺菌力を発揮するには、加圧解凍処理中では、設定圧力保持時間内に最大氷晶生成温度帯を通過するように制御することが重要である。

図１の場合で説明すると、例えば４度に調整した加圧媒体を満たした高圧容器内に−５０℃で凍結させた凍結物を収納し、圧力を１分あたり８０MPaの昇圧速度で２００MPaまで昇圧させ、この設定圧力を２０分間保持した後、圧力を下降させた。各圧力時の融点は、圧力の上昇に伴い−２０℃近辺にまで低下し、圧力の下降に伴い上昇する。
凍結物をセラミックのような断熱性の低いプレートで覆った（挟んだ）場合、凍結物の温度上昇速度が大きいので、凍結物の温度は２００MPaに達する前に昇圧途中の圧力時の融点に達し、その後は凍結物そのものから潜熱を吸収するので、凍結物の温度は融点に沿って下降する。図１の例では、圧力が設定圧力になる前に、凍結物のすべてが解凍し、その後温度が上昇している。この例のように、断熱性の低い材料を使用した場合は、凍結物の温度は設定圧力より低い圧力時に最大氷晶生成温度帯（薄い網掛け部分）を通過するので、高い殺菌力を発揮できない。

次に、図２の例は、凍結物をセラミックよりも断熱性の高いプレートで覆った場合で、凍結物の温度上昇速度はセラミックプレートの時よりも小さいので、圧力が設定圧力である２００MPaに達した後も凍結物は２００MPaでの融点温度に維持され、解凍が終わると加圧媒体の温度にまで上昇する。このプレートの場合、トータルの最大氷晶生成温度帯通過時間がセラミックプレート時よりも長くなり、かつ設定圧力（加圧解凍処理中の最大圧力）時にも最大氷晶生成温度帯（濃い網掛け部分）を通過するので、セラミックプレートの時よりも殺菌力が強くなる。

次に、図３の例は、凍結物を図２の例のプレートよりもさらに断熱性の高いテフロンプレートで覆った場合で、凍結物の温度上昇速度は、図２の例のプレートの時よりもさらに小さくなるので、凍結物の温度は設定圧力の２００MPaに達したのちに融点に達し、設定圧力の保持時間内に最大氷晶生成温度帯を通過する。すなわちトータルの最大氷晶生成温度帯通過時間が図１の例のプレート時よりも長くなり、かつ設定圧力（加圧解凍処理中の最大圧力）時にのみ最大氷晶生成温度帯を通過するので、図２の例のプレートの時よりも殺菌力が強くなる。

次に、図４、５の例は、凍結物をテフロンプレートよりもさらに断熱性の高いプレートで覆った場合で、凍結物の昇温速度が融点の上昇速度よりも遅いので、圧力が下降し始めると、一部解凍していた場合であれば再凍結がおき（図４）、保持時間内に融点に達しない場合（図５）は、加圧解凍処理時間中は凍ったままである。すなわち図４の場合は、加圧下での一部の解凍が、圧力降下時に起きるので、図３の場合よりも殺菌力が小さくなる。また一方で図５の場合は最大氷晶生成温度帯を通過しないので殺菌力は図１の場合よりも小さくなる。図４、５のような場合には保持時間を長くすれば高い殺菌力が得られるが、図３に比べて作業効率が悪い。

凍結物の温度が設定圧力保持時間内に最大氷晶生成温度帯を通過する、すなわち、凍結物の加圧下での解凍が設定圧力保持時間内に開始・終了するように調節した時に殺菌力が最大となる。

以下、実施例１として、加圧媒体に水を用いるため、加圧媒体の温度を設定圧力時の融点以下にまで下げられない場合に、凍結物の温度を圧力保持時間内に最大氷晶生成温度帯を通過させる方法を、また、実施例２として、加圧媒体に不凍液を使って加圧媒体の温度を設定圧力時の融点以下に調整できる場合に、加温・加圧速度を最適化して凍結物の温度が設定圧力の保持時間内に最大氷晶生成温度帯を通過するように制御して加圧解凍殺菌力を高じる方法を、それぞれ紹介する。

設定圧力時の融点よりも高い温度の加圧媒体を使って加圧解凍殺菌をする場合に、凍結物を適切な断熱材で覆って、設定圧力に達する前に凍結物の温度が設定圧力時の融点に達するのを防ぎ、かつ設定圧力時に解凍が開始・終了するようにして加圧解凍殺菌力を高じる方法を説明する。

なお食品には乾燥食品や、細菌の増殖に適した食肉や魚、飲料水などがある。そのような環境に分布する細菌は死滅期であったり、定常増殖期、さらには指数増殖期であったりと様々である。また同じ細菌株であっても、指数増殖期の細胞よりも定常増殖期の細胞の方が耐圧性である。そこで広範囲の食品に利用可能な技術であることを紹介するために、以下の実施例では耐圧性の強い定常増殖期の細胞を、耐圧性を高める効果の強いスキムミルク液に懸濁して実験した。

定常増殖期の大腸菌を１mLあたり１０^８細胞のオーダーで１％スキムミルク（Difco社製）液１に懸濁し、この７mLをポリエチレン袋２に入れて，空気を押し出しながら圧延シーラーで密封して４×４cmの包装試料を作製した。これを水８０mL、小麦粉５０gで調製したペースト３（３６mL）とともに１０×１０cmのポリエチレン袋４に入れて空気層を押し出しながら密封した。この時、菌液包装試料が中心になるように調整し、１０×１０×１cmのテフロンプレート（ナフロン^TM PTFEシート No.9000, ニチアスCo.,）５で上下を挟み−５０℃で一晩凍結したものを図６に示す。
図７に示すように、この包埋凍結試料６を高圧容器８内で、４℃の加圧水媒体７を用いて２００MPaで２０分加圧解凍殺菌処理し、生菌数の変化を調べた。

なお、三方向をテフロンで囲まなかったのは、膨張と収縮圧力を吸収するためである。また水と小麦でできたペーストの温度拡散率は大理石とテフロンの中間、すなわち９．８×１０-^７（M^２S-^１）であり、加圧媒体（水）と接する面積はプレートが接する面積の２０分の１程度なので、ペーストからの熱伝導は無視しうる。

凍結物の温度変化、ならびに計算によって求めた昇圧中の氷の融点と潜熱の値を使って、凍結物が融点に達する時間と融解が終わるまでの時間を推定した。融点については、各圧力時（０．１、６１．０、１１１．３、１５５．０、１９４．７MPa）の氷の融点の既知データに基づいて圧力と融点の散布図を得、これを基に切片を０℃・０．１MPaにした線形近似の計算式を得て各圧力時の融点を推定した。潜熱については融点と同様にして、切片を０．１MPa・３３４kJ/kgにした線形近似の式を得て、各圧力時の潜熱を推定した。計算は、圧力が一定速度で上昇するとの前提に基づいて行った。
凍結物は９９％以上が水なので、氷の融点ならびに潜熱を用いても問題はない。また凍結物の温度変化は、使用した食品加工用の超高圧装置では、加圧容器内の温度変化は測定不可能なので、大気圧下の４℃水中に実際の凍結物を入れ、これに温度センサーを刺して調べた温度変化から推定した。

〔比較例１〕
実施例１の方法で得られた細菌包装試料を、１０×１０×１cmの大理石プレート（ビアンコカララ、イタリア産）で挟み−５０℃で一晩凍結した。
つぎにこの包埋凍結試料を４℃の加圧水媒体を用いて２００MPaで２０分加圧解凍殺菌処理し、生菌数の変化を調べた。なお、大理石は氷と温度拡散率が同じで、テフロンの約１０倍である。

〔比較例２〕
実施例１の方法で得られただ細菌包装試料を、１０×１０×１cmのセラミックプレート（アルミナA601D、京セラ）で挟み−５０℃で一晩凍結した。つぎにこの包埋凍結試料を４℃の加圧水媒体を用いて２００MPaで２０分加圧解凍殺菌処理し、生菌数の変化を調べた。セラミックの温度拡散率はテフロンの約１００倍である。

〔比較例３〕
細菌懸濁液を１０×１０×２．５cm容のポリエチレン袋、すなわち実施例１の場合の外容積と等しくなるように設計したポリエチレン袋に細菌懸濁液を入れ、プレートに挟まずに−５０℃で一晩凍結した後に、４℃の加圧水媒体を用いて２００MPaで２０分加圧解凍殺菌処理し、生菌数の変化を調べた。本比較例は、表面の先行融解を許した場合の加圧解凍殺菌力を調べるものである。

〔比較例４〕
実施例１の方法で得られた細菌包装試料を、これを凍らせずに大気圧下の４℃水溶液中で加圧処理し、生菌数の変化を調べた。

〔結果〕
実施例ならびに比較例の結果を表１に示す。すなわち温度緩衝帯の働きをするプレートで菌懸濁液を挟んで凍結したものを加圧解凍した実施例１ならびに比較例１ならびに比較例２の場合は、菌懸濁液を温度緩衝帯で挟まずに凍結して加圧解凍した場合の比較例３よりも、いずれも高い殺菌力が示された。また２００MPaでの融点、すなわち最大氷晶生成温度帯は−２０℃と−２２℃の間だが、大理石とセラミックの比較例１と比較例２の場合は図１の場合に相当し、２００MPaに達するよりも前に菌懸濁液の温度が昇圧途中での圧力の融点に達し、かつ解凍が終了している。一方唯一テフロンプレートの実施例１の場合は図３の場合に相当し、２００MPa到達後に融点に達し、最大圧力の保持時間内に加圧下での解凍が終了していることがわかる。また実施例１の殺菌力は比較例１や比較例２よりも大きい。

Log No：加圧前の細菌数、Log N：加圧後の細菌数；高圧容器には実施例と比較例を同時に入れたので、２００MPa到達時間は同じになっている。太枠部分は計算式により求めた値。

すなわち加圧解凍処理では、設定圧力の保持時間内に最大氷晶生成温度帯を通過するように、加温・加圧速度を調整した時に殺菌力が最大になる。

本実施例では小麦粉ペーストと硬性の素材を用いて凍結物を包んだが、適当な断熱性が得られるのであれば、可塑性の断熱材で凍結物を包んで加圧解凍処理すれば、昇圧途中での部分的な解凍が生ぜず、かつ凍結物への加圧が均一に行われるので高い殺菌力が得られる。

〔試験例１〕
プレートの断熱効果、すなわち設定圧力に達する前に凍結物の表面温度が設定圧力時の融点を超えることを防ぐ効果を明らかにするために、一次元非定常伝導伝熱の基礎式で、時間tと位置xに関する偏微分方程式、∂T／∂t＝α・∂^２T／∂x^２、（αは温度拡散率）、を差分化して得られる下記の計算式を表計算ソフトエクセル内で使って凍結物の温度変化を調べ、加圧容器内の圧力が２００MPaに到達する時点（表１参照）のプレートと接する凍結物表面の温度を推計した。

すなわち上式では、整数n、pを使ってプレート内の位置XをnΔＸ（ΔＸ＝０．００１m；n=0がプレートと凍結物の境界点、n=10がプレート表面）と、また解凍が始まってからの時間tをPΔＴ（ΔＴ＝０．１秒）で区切って計算した。

〔試験結果〕
その結果は表２に示すように、温度拡散率の最も小さなテフロンプレートで菌懸濁液を挟んだ場合にのみ、氷表面温度が設定圧力到達後に設定圧力時の融点（ここでは仮に−２０℃と想定）に達することが分かった。つまりテフロンプレートで菌懸濁液を挟んだ場合には凍結物の表面温度が設定圧力の保持時間開始前に融点を超えることはない（図３のパターン）。

したがって、実施例１の結果からわかるように、設定圧力時の融点よりも高い温度の圧力媒体を使った加圧解凍殺菌法では、適切な断熱材で凍結品を遮蔽して加圧解凍処理すれば、菌数を最大で１億分の１にまで殺菌することができる。
また、プレートとして大理石を用い実施例１に準ずる実験を１２０MPaで行ったところ、殺菌効果（-Log N/No）は３．３、すなわち細菌数は約１０００分の１に減少した。

次に加圧媒体の温度を設定圧力時の融点以下に調整して凍結物の表面の先行解凍を防ぎ、加温・加圧速度を最適化して凍結物の温度が設定圧力の保持時間内に最大氷晶生成温度帯を通過、すなわち凍結物の解凍が開始・終了するように制御して加圧解凍殺菌力を高じる方法を実施例２と実施例３で説明する。

加圧媒体の温度を設定圧力時の融点以下にするには、０℃以下でも凍らない不凍液、望ましくは２０９．９MPaでの融点−２１．９９℃でも凍らない不凍液を加圧媒体に用いる必要がある。そのような不凍液はエタノールの様な有機溶媒であって、これら有機溶媒を使った加圧操作を行うには、水を使った高圧容器よりも耐圧性の高い高圧容器が必要で、かつ加圧溶媒の送液系を有機溶媒に耐性の物で構成しなければならない。当然のことながらそのような高圧装置は限られるので、水を加圧媒体に用いる通常の高圧装置を使用した場合の技術も必要である。そこでここでは、水で構成される一次加圧媒体中に不凍液で構成される二次加圧媒体を設け、この二次加圧媒体の温度を設定圧力時の融点以下にして、加温・加圧速度を最適化して設定圧力時間に最大氷晶生成温度帯を通過するように制御して加圧解凍殺菌力を高じる方法を説明する。

なお二次加圧媒体を用いる際には、二次加圧媒体を収納する可塑性の容器、さらには凍結物を所定の位置に安定させる構造が必要になるので、以下説明する方法においては可塑性の容器として有機溶媒に耐性のポリエチレン製のフリーザーバッグ、さらには凍結物を所定の位置に安定させる構造には硬性の材料で出来ていて通液孔を備えた容器、あるいは３mm角のアクリル棒で外寸法が先の容器と同じになるように設計された格子構造を使った。加温・加圧速度を最適化する方法としては、加圧速度に合わせて最適の断熱性を備えた容器を使って加温速度を調節する方法を説明する。

すなわち定常増殖期の大腸菌を１mLあたり１０^９細胞の密度で１％スキムミルク液に懸濁し、これをポリエチレン（ＰＥ）でできたボトルに空気層が残らぬように密封し、このＰＥボトルをポリエチレン袋に真空包装し、さらにＰＥとアルミニウムでできたラミネートフィルムバッグに真空包装した。この菌懸濁液を、ＰＥでできたフリーザーバッグ内の厚さが１０mmの大理石プレートでできた内容量３９０mLの蓋つき容器に入れ、このフリーザーバッグを−５０℃に調整したエタノールで空気層を残さないように満たして密封し、−５０℃室に一晩静置した。これを４℃に制御された水を加圧加温媒体に用いた加圧法で加圧を開始し、１９４MPa、２０分で加圧解凍処理した。処理前、処理後の大腸菌の生菌数の変化を調べて加圧解凍処理による殺菌効果を調べた。

なお今回１９４MPaを用いたのは、氷の融点が−２０℃の時の圧力が１９４．７MPaと特定するものと１９３．３MPaと特定するものの２つがあるので、その中間値を採用しているからである。
またＰＥボトルをポリエチレン袋やラミネートバッグに真空包装したのは、エタノールがボトル内に染み込むのを三重に防御するための処置である。フリーザーバッグを密封した段階で、フリーザーバッグ内に収まるエタノール量は容器の種類に関わらず常に一定（６５０mL）なので、凍結菌懸濁液の温度上昇速度の差は硬性の容器やアクリル容器の断熱効果の差によって制御されている。大理石容器の蓋には内径８mmの穴が３つあいているので、大理石容器が加圧で壊れることはない。菌懸濁液と二次加圧媒体を一緒に−５０℃に保存したのは、加圧媒体を設定圧力時の融点以下に調整する最も簡単な方法である。

別の比較例としては、アクリルで出来た格子を用いたもの（比較例５）と大理石容器の代わりにテフロン容器を用いたもの（比較例６）を用意した。

なお使用した食品加工用の超高圧装置では、加圧容器内の温度変化は測定不可能なので、−２０℃到達時間と−２０℃での最大氷晶生成温度帯の時間長は、大気圧下の４℃水中に、実施例２、比較例５と比較例６のフリーザーバッグを浸漬して温度変化を調べて−２０℃到達時間を特定し、この時の−２１℃〜−２０℃への温度上昇速度と凍結物の重さと氷の−２０℃での潜熱、さらにはエタノールと容器の熱容量を使った計算により最大氷晶生成温度帯の時間を推計した。

表３に示した実施例ならびに比較例の結果からわかるように、実施例２では凍結物の温度は設定圧力の１９４MPa到達後に、すなわち１９４MPa時の融点の−２０℃に到達している（図３のパターン）が、比較例５では１９４MPa到達前（図１のパターン）、そして比較例６では、凍結物の温度が融点に達するのは圧力が降下し始めるころ（図４のパターン）である。また推計される最大氷晶生成温度帯の長さは実施例２の場合においてのみ設定圧力時間内に最大氷晶生成温度帯を通過する。すなわち設定圧力時間内に加圧下の解凍が開始・終了した時に加圧解凍殺菌力が最大になることがわかる。

また実施例２に準じて加圧保持時間を１０分にしたときの殺菌効果は３．７であった。

なお圧力媒体の温度を設定圧力時の融点にどこまで近づけられるかは、「圧力釜の蓋が閉まるまでの時間＋蓋が閉まってから設定圧力に到達するまでの時間」と「圧力媒体の昇温速度」とのバランスで決まる。

実施例２に準じ、二次加圧媒体と凍結物の温度を、熱電対を利用して同時に測定したところ、凍結物が−２０℃に達したのは１０．７分後であり、表３に示す１９４MPaへの平均到達時間に相当する４．８分、すなわち１０．７分の４．８分前の二次加圧媒体の温度は−２７℃であった。すなわち、この様な値を参考にし、開始時の二次加圧媒体の温度を設定すれば、設定圧力到達時の加圧媒体の温度を設定圧力時の融点に近づけることができる。

なお実施例では凍結物を高圧容器内の適当な断熱性を持った容器内に入れて、加圧速度と加温速度の最適化を実現させたが、高圧容器内に温度センサーを設置して、断熱性容器を使わずに、加圧媒体に不凍液だけを用いて、最適の加温速度を電子制御によって実現させて加圧解凍殺菌を行っても、所定の目的を達成することができる。

次に実施例２の方法で食肉を加圧解凍殺菌する方法を説明する。

すなわち１mLあたり１０^９細胞の大腸菌を含有する菌液を、無菌的にミンチした１００倍容の豚肉にかき混ぜ、これをポリエチレンでできた袋に空気層ができぬように密封し、４×４cmの豚肉包装を得、さらにこの包装をアルミとポリエチレンでできたラミネート袋に真空包装した。この包装をポリエチレンでできたフリーザーバッグ内の厚さが１０mmの大理石でできた内容量３９０mLの蓋つき容器に入れ、このフリーザーバッグを−５０℃に調整したエタノールで空気層を残さずように満たして密封し、−５０℃室に一晩静置した。これを４℃に調整した水を加圧加温媒体に用いた加圧法で加圧を開始し、１９４MPa、２０分の加圧解凍殺菌処理をした。処理前、処理後の大腸菌の生菌数の変化を調べて加圧解凍殺菌処理による殺菌効果を調べた。
なお食肉では細菌の増殖が見込めるので、菌液には定常増殖期のもののほか、指数増殖期の細胞も用いた

すなわち表４に示す様に、定常増殖期の大腸菌に汚染された豚肉の細菌数を実施例３の方法であれば約１万分の１にまで、また指数増殖期の細胞であれば２０分の加圧で約１００万分の１にまで減少させることが出来る。

本発明を用いれば、生の食肉・魚肉、乾燥食品、飲料など、すべての食品の細菌汚染レベルを安全なレベルにまで下げることができる。また、本発明の殺菌方法は、食品以外に蛋白質を含有する医薬品や化粧品などにも応用できる。

１菌懸濁液
２、４ポリエチレン袋
３小麦粉ペースト
５断熱プレート
６包埋凍結物
７加圧媒体
８高圧容器

Claims

凍結物を加圧殺菌するに当たり、当該凍結物の温度が設定圧力時に最大氷晶生成温度帯を通過するように加圧・加温速度を制御することを特徴とする加圧解凍殺菌方法。
凍結物を適切な断熱材で覆うことで、凍結物の表面の先行融解を防ぎ、かつ昇温速度を最適化して当該凍結物のすべての部分の温度が設定圧力時に最大氷晶生成温度帯を通過するように加圧・昇温速度を制御することを特徴とする請求項１の加圧解凍殺菌方法。
加圧媒体に不凍液を使用し、加圧媒体の温度を設定圧力時の融点以下に調整して表面の先行融解を防ぎ、かつ当該凍結物の温度が設定圧力時に最大氷晶生成温度帯を通過するように加圧・加温速度を制御することを特徴とする請求項１の加圧殺菌方法。