JP2016527468A - マイクロ波エネルギーを用いた、農産物のフリーズドライを速める方法 - Google Patents

Abstract

マイクロ波エネルギーを用いて、皮を有する農産物のフリーズドライを速める方法であって、上記農産物を凍結させる工程と、上記農産物の上記皮をラプチャーする工程と、凍結およびラプチャーされた農産物への圧力を、昇華が可能な圧力に低減する工程と、上記農産物に対して第１のマイクロ波出力を印加して少なくとも３０Ｗ／ｋｇの初期マイクロ波出力密度を得る工程と、上記農産物の温度が閾値を超えた時に、第１のマイクロは出力よりも低い第２のマイクロ波出力を農産物に対して印加する工程とを含む。

Description

関連出願の相互参照

本出願は２０１３年７月１９日に出願された米国仮特許出願第６１／８５６，６０３号に基づく優先権を主張し、当該米国仮特許出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

本発明は一般にフリーズドライに関する。より詳細には、本発明は、マイクロ波エネルギーを用いた、農産物のフリーズドライを速める方法に関する。

フリーズドライは、物質を保存するためにその物質の水分をほとんど全て除去する処理工程である。「凍結乾燥」とも呼ばれるフリーズドライは、物質を凍結させ、物質の圧力を低減し、そして物質中の凍結した水分が昇華により気体化するように加熱することにより遂行される。フリーズドライは農産物（果物や野菜など）や医薬品（ワクチンなど）などの様々な製品の保存をするために使われている。

従来のフリーズドライに関してはいくつかの短所がある。昇華に必要な低圧では、対流加熱を用いることによる製品の加熱の効果は比較的低い。これは、製品の周りには、この製品を加熱するための気体の分子が相対的に少ないためである。このため、従来のフリーズドライ処理工程には伝導エネルギーがよく用いられる。この場合は通常、製品を加熱した面に接触するように配置する。伝導エネルギーは製品の外部を加熱し、上記製品の内部の加熱は伝導伝熱に依存する。

この方法の問題の一つは、接触面が乾燥するにつれて、接触面がより高い絶縁性の絶縁体となり、これにより製品内部への伝熱を次第に妨げるようになることである。内部の昇華が完了する前に接触面または加熱面が過度に熱くなってしまうと、製品は損傷を受けうる。このため、フリーズドライ処理工程中に与える伝導熱の量を注意深く制御する必要がある。この制約の結果として、従来のフリーズドライ処理工程はかなりの時間を必要とする場合がある。例えば、果物または野菜を対象とした従来のフリーズドライの典型的な時間は、乾燥の対象の農産物の形状、種類および量によるが、８〜４０時間の範囲内にある。農産物の外部の過熱は損傷の原因となりうるため、単に熱量を増加することではこの処理工程を速めることはできない。

イチゴ、ラズベリーおよびブルーベリーなどの丸ごとの農産物のフリーズドライにはさらなる問題がある。フリーズドライ時に、農産物の昇華が完了した部分の温度は６０℃にまで上がりうる。従来のフリーズドライのように乾燥時間が長い場合、上記農産物の一部または全部がこのような高温に何時間もさらされうる。農産物の丸ごとのもの、またはリンゴなどの農産物の大きな断片の場合、上述の問題は特に難題となる。これは、このような農産物が乾燥するのにより長時間かかり、かつ、熱に弱いためである。乾燥段階における過度の加熱は劣化しやすい風味、ビタミン、抗酸化物質などを損なう。最終的な農産物は優れた食感および良好な再水和特性を有しうるが、ビタミン、抗酸化物質および風味を損なっていることもありうる。

近年、フリーズドライ処理工程の高速化におけるマイクロ波エネルギーの使用が提案されている。マイクロ波エネルギーは伝導によって与えられる熱とは異なり、物質の外層を通り抜けて内部を熱し、昇華速度を速める。このように、マイクロ波エネルギーはフリーズドライに必要な時間およびエネルギーを減らすことができる可能性を有している。しかし、フリーズドライに必要な温度および圧力でのマイクロ波の使用には、熱暴走による農産物の損傷のおそれなど、いくつかの問題がある。低マイクロ波出力を用いれば、これらの影響を最小化することは可能であるが、乾燥時が長くなってしまう。同じように、一定の環境条件下でのフリーズドライ中により高いマイクロ波出力を用いると、非熱的プラズマ（すなわち、冷プラズマ）の放出および点火を生じさせ、その結果、農産物に熱傷または他の損傷を生じうる。

必要とされているのは、農産物のフリーズドライ時に、農産物に損傷を与えることなく高マイクロ波出力を印加することを可能にし、より短いフリーズドライ時間を可能にするマイクロ波フリーズドライ方法である。

マイクロ波エネルギーを用いた、皮を有する農産物のフリーズドライを速める方法であって、農産物を凍結させる工程と、農産物の皮をラプチャー（ｒｕｐｔｕｒｅ）する工程と、凍結およびラプチャーされた農産物の周りの雰囲気圧を、昇華を促進する圧力まで低減する工程と、農産物に対して第１のマイクロ波出力を印加して少なくとも３０Ｗ／ｋｇの最初のマイクロ波出力密度を得る工程と、農産物の温度が閾値を超えた時に、第１のマイクロは出力よりも低い第２のマイクロ波出力を農産物に対して印加する工程とを含む。

皮を有する農産物のフリーズドライの例示的な方法を示す図である。 マイクロ波フリーズドライ時にブルーベリーに対して印加した第１の出力および第２の出力ならびにそれに対応する初期の出力密度を示す図である。 従来のフリーズドライが行われた農産物と、マイクロ波フリーズドライが行われたた農産物とのそれぞれの例示的な農産物温度を示す図である。 ブルーベリーの切り口のパターンの例を示す概略図である。 圧力に対する破壊電圧を示す図である。 ヘドニックスケール値＝２のマイクロ波フリーズドライ済みブルーベリーを示す図である。 ヘドニックスケール値＝３のマイクロ波フリーズドライ済みブルーベリーを示す図である。 ヘドニックスケール値＝５.０のマイクロ波フリーズドライ済みブルーベリーを示す図である。 製品のマイクロ波フリーズドライに伴う、全印加エネルギー量および質量の変化の例を示す図である。また、残留水量および蒸発水量をも示す。

発明の詳細な説明

以下の説明に例示的な方法およびパラメーターなどを記述するが、本発明の範囲を限定するものではなく、例示的な実施形態の説明として提供する。

ここでマイクロ波エネルギーを用いた、農産物をフリーズドライする複数の方法を説明する。農産物の丸ごとのもの、または大きな断片に対して長い乾燥時間を必要とするフリーズドライ処理工程とは異なり、本明細書において説明する複数の工程は格段に短い乾燥時間を可能にする。この短い乾燥時間は、農産物に対して前処理を行って熱吸収性を高めて内圧上昇の可能性を低減し、その後昇華に適した圧力条件および温度条件下で、比較的高いマイクロ波出力を農産物に対して印加することによって可能となる。前処理は、熱暴走による農産物損傷、またはフリーズドライにおいて必要とされる一般的な温度条件および圧力条件下で高マイクロ波出力を農産物に印加することに伴う他の影響（たとえば、プラズマ放電または冷プラズマの点火）による農産物損傷の可能性を低減する。

皮を有する農産物のフリーズドライ
図１は皮を有する農産物のマイクロ波フリーズドライの例示的な処理工程１００を示す図である。以下、この処理工程を詳細に説明する。

ａ．農産物の凍結
ブロック１０２で農産物を凍結させてもよい。一つの例示的な処理工程では、農産物の温度が−２０℃になるように凍結させる。代替的な処理工程では、農産物の温度が、たとえば、−５℃、−１５℃または−３５℃になるように凍結させてもよい。一部の実施例では、農産物の糖含量に基づいて農産物の凍結温度を選択してもよい。

一部の実施例では、凍結温度がフリーズドライ処理工程の質および速さに影響を与えうる。たとえば、より低い温度はマイクロ波をより深く浸透させ、マイクロ波エネルギーが野菜および果物の大部分に深く浸透することを可能としうる。この場合、昇華が農産物の全体積にわたり起こりうる。

ｂ．農産物の皮のラプチャー（ｒｕｐｔｕｒｅ）
ブロック１０４で、凍結した農産物の皮をラプチャーする。ラプチャーは、例えば、突き刺すこと、穴を開けること、切ること、切り目をつけること（ｓｃｏｒｉｎｇ）、クロスハッチング（ｃｒｏｓｓ−ｈａｔｃｈｉｎｇ）、薄切りすること（ｓｌｉｃｉｎｇ）、皮を除去するか緩める化学的処理、または研磨を含んでもよい。ラプチャー工程は、フリーズドライ工程中の蒸気透過率を改善するような方法、または農産物の内圧を低く保つような方法であれば、どのように行ってもよい。ラプチャー工程は農産物を、１個のものとして実質的に無傷（ｉｎｔａｃｔ）な状態で残すことが好ましい。しかし、一部の市場においては農産物を実質的に無傷な状態に残さない方法で皮をラプチャーすることも容認されうる。たとえば、より大きい果物（たとえば、リンゴ）の断片に関しては、農産物は無傷な状態ではないが、従来のフリーズドライにおいて使用される薄いスライスよりも厚い断片であってもよい。

ラプチャーは、たとえば、手作業、自動機械または適切な化学溶液中で農産物を処理することなどによって行ってもよい。代替的な工程においては、皮のラプチャーは製品を凍結させる前に行ってもよい。たとえば、皮の一部を除去するための化学的処理工程の一部は、製品を凍結させる前であればより容易に行われる。

低い蒸気透過性を有する無傷な皮を有する丸ごとの農産物（ぶどう、クロフサスグリの実、アカフサスグリの実またはブルーベリー等）は、マイクロ波フリーズドライ時において氷の昇華に伴い比較的に高い内圧となる傾向がある。皮が伝熱と質量移動との両方を阻害するため、継続的な乾燥を可能にするための農産物からの蒸気の除去が容易に出来なくなる。フリーズドライ前に農産物を未処理のままにした場合、農産物に対して印加するマイクロ波出力を比較的低く保つ必要がある。これは、熱暴走による損傷、または以下に説明する、マイクロ波エネルギー特有の熱生成方式に伴う他の影響による損傷を避けるためである。

マイクロ波は水分子を励起して振動させることによって熱を生成する。水分子はその後、自らの運動エネルギー（熱）を周囲の分子に伝導する。この過程は「誘電加熱」と呼ばれる。しかし、マイクロ波エネルギーを氷の加熱に使う場合の効率は、水の加熱に使う場合の効率と比較してかなり低い。これは、氷の分子が水分子ほどは自由に振動しにくいためである。したがって、凍結した農産物にマイクロ波が吸収される可能性は比較的低い。

物質の加熱速度は、その物質がいかに上手くエネルギーを吸収出来るかに依存する。そしてエネルギー吸収はさらには物質の誘電定数および誘電損率に依存する。これらのパラメーターは農産物の温度に影響される。一般的に、農産物のより暖かい部分はより多くのエネルギーを吸収し、より速い速度でさらに暖かくなる。さらに、誘電損率は固体から液体へ（氷から水へ）の相転移と共に大きく変化しうる。このとき、エネルギー吸収は大きく増大しうる。この相転移は高い内圧の結果として起こりうる。高い内圧は、農産物に三重点を超えさせ固体が昇華するのではなく液体化することを可能にする。その後、液体の部分は固体の部分より多くのエネルギーを吸収し急激に昇温しうる。農産物がこの熱を十分に速く放熱することが出来ない場合、この影響は「熱暴走」につながる可能性がある。熱暴走は、農産物内において非常に高い温度を引き起こす原因となりうる。この非常に高い温度により、農産物は食感、外観、栄養素およびその他の特性を大きく損ないうる。

マイクロ波フリーズドライにおいて、氷の一部が昇華せずに液体化し、残りの氷よりもはるかに速く熱くなると熱暴走が起こりうる。この現象はマイクロ波出力の増加に伴い増大する。無傷な皮を有する農産物の場合、マイクロ波フリーズドライ前に皮をラプチャーして農産物内の昇華によって生成された蒸気をより容易に除去可能な状態にすることによって、熱暴走の可能性を低減することが出来る。また、皮をラプチャーすることによって、農産物の内圧と均衡温度（一般的に−１０℃〜−３０℃、例えば−２０℃）をフリーズドライ処理工程の大半にわたりより低く保つことが出来る。そうすると、均一に分散されるより高いマイクロ波出力およびより短い乾燥時間が可能となる。また、同時に農産物の品質と外観の維持が可能となる。

一部のケースにおいて、ラプチャーの方法が農産物の内表面積の一部を露出させる方法であれば（たとえば、農産物を皮よりも下の深さまで切る場合）、皮のラプチャーによる効果が増大しうる。たとえば、以下により詳細に説明するように、ブルーベリーの外表面から２.５ｍｍの初期深さまで切って皮をラプチャーすると、ブルーベリーの内面積の一部が露出し、より高いマイクロ波出力の使用が可能になりうる。しかし、この方法ではマイクロ波出力の増加は可能になるが、農産物の最終的な外観が犠牲になりうる。たとえば、農産物に数多くの切り目または深い切り目がある場合、ヘドニックスケール（Hedonic Scales）などの農産物外観スケールにおいてより低く評価されうる。たとえば、ブルーベリーの場合、切り目によって露出させられた表面積の全体積に対する比が約０.１２ｍｍ^２／ｍｍ^３未満であると、良好な外観を保ちつつもより高い出力が可能となりうる。

一部の場合において、農産物が内空洞を有する場合、内部空洞が露出するように農産物の皮をラプチャーしてもよい。内部空洞を有する農産物の例としては、中空の芯を有するイチゴが挙げられる。内部空洞があると、アンテナ効果およびプラズマ放電によって、マイクロ波処理時に農産物が損傷を受ける可能性が高くなるおそれがある。マイクロ波処理前に農産物をラプチャーして内部空洞を露出させることによって、フリーズドライ処理工程時に農産物の内圧がより低く保たれ、アンテナ効果の可能性が低くなる。この場合、内部空洞が露出させられるなら、農産物をどのようにラプチャーしてもよい。具体的なラプチャー手法は、農産物の種類および最終的なフリーズドライ農産物に求められる特徴によって異なる。この特徴は、フリーズドライの際に農産物が実質的に無傷な状態であるべきか、あるいは、複数個の断片に分けられた状態であるべきかをも含む。

マイクロ波オーブンの場合、「アンテナ効果」とは、マイクロ波エネルギーによってオーブン室内の空気の電位が破壊電圧を超えることにより、空気がイオン化しプラズマ放電が可能になることを意味する。これは、マイクロ波エネルギーを特定の場所に集中させてしまうというオーブン室の欠陥によって起こりうる。あるいは、マイクロ波処理をされる農産物の特徴によって起こりうる。フリーズドライにおいて一般的である低い内圧でマイクロ波エネルギーを使用する場合、アンテナ効果が起こる可能性が高くなる。これは、図５に示すように、このような内圧では破壊電圧がより低いためである。プラズマ放電はマイクロ波オーブン内の農産物に大きな損傷を与えるおそれがある。

ｃ．昇華を可能にするための雰囲気圧の低減
ブロック１０６で農産物の周りの雰囲気圧を、昇華が可能な圧力まで低減する。農産物を真空槽に入れ、真空槽内の圧力を低減することによって雰囲気圧を低減してもよい。一つの例示的の処理工程において、ブロック１０６で圧力を１ｍｂａｒに低減する。代替的な処理工程において、圧力を０.５ｍｂａｒ、０.１ｍｂａｒ、０.０５ｍｂａｒまたは０.０３ｍｂａｒに低減してもよい。一部の場合において、昇華に達するための最小限の圧力よりも圧力を低下することが望ましいことがありうる。圧力がより低くなると、熱暴走の可能性が低くなりうる。また、図５に示す最低破壊電圧領域を回避しうる。

雰囲気圧を低減するために使用する真空槽は、昇華時に農産物をタンブル（ｔｕｍｂｌｉｎｇ）させるための機構（例えば、回転可能なドラム、ターンテーブルまたは撹拌器）を有してもよい。上記機構はより均一な温度分布を確保し、過熱による農産物損傷の可能性を低くするためのものである。

ｄ．第１のマイクロ波出力の農産物に対する印加
ブロック１０８で第１のマイクロ波出力を真空槽内にある農産物に対して印加する。第１のマイクロ波出力をある質量の農産物に対して印加すると第１のマイクロ波出力密度、すなわち、第１の「単位質量（例えば、キログラム）あたりの出力（例えば、ワット数）」を得る。フリーズドライ処理工程の進行に伴い、（氷の昇華に伴い）農産物の質量が減り、そして出力を一定に保てば出力密度が変化する。

第１のマイクロ波出力は、農産物内に熱を生成することによって昇華を促進する。一つの例示的な処理工程において、ブロック１０８で３０Ｗ／ｋｇの最初のマイクロ波出力密度に達する。このマイクロ波出力密度は農産物内の水分の急速な昇華を可能にするのに十分高い。代替的な実施形態において、最初の達するマイクロ波出力密度は２０Ｗ／ｋｇ、５０Ｗ／ｋｇ、６０Ｗ／ｋｇ、９０Ｗ／ｋｇ、１２０Ｗ／ｋｇ、１５０Ｗ／ｋｇ、１８０Ｗ／ｋｇ、２１０Ｗ／ｋｇまたは６００Ｗ／ｋｇであってもよい。比較的高い出力密度による農産物損傷の可能性はブロック１０４の前処理によって抑制される。一部の実施例において、第１のマイクロ波出力はフリーズドライ処理工程の大半において印加してもよい。

一部の実施例において、最初のフリーズドライ時に過熱点を生じさせずに農産物に対して印加可能な最も高い出力密度を決定することによって第１のマイクロ波出力を決定してもよい。その後、この最大出力密度を得るために使用する出力をブロック１０８における第１のマイクロ波出力として選択することが出来る。図２はマイクロ波フリーズドライ時にブルーベリーに対して印加した例示的なマイクロ波出力と、それに伴うマイクロ波出力密度とを示す。フリーズドライ処理工程時における農産物の質量減少に伴いマイクロ波出力密度は変化する。

ｅ．農産物の温度が閾値を超えているかの判定
再び図１について説明する。ブロック１１０で農産物の一部または全部が閾温度を超える温度に到達したかを判断する。ブロック１０８で氷の大半が昇華した後、農産物は熱損傷を受けやすくなる。農産物の損傷を避けるため、ブロック１０８で印加した比較的に高いマイクロ波出力をこの時点以後のフリーズドライ処理工程において低減してもよい。出力を低減してもよい時点の決定については、たとえば、農産物の温度を監視し、閾値を超えた時に出力を低減してもよい。局部的な過熱点を検出するために複数の箇所の温度を監視してもよい。

一つの例示的な処理工程において、ブロック１１０における閾温度は４０℃である。代替的な処理工程において閾温度はたとえば、６０℃、４０℃、３０℃、２５℃、１５℃、０℃、−１０℃または−２５℃であってもよい。一部の実施例において、閾温度は平衡温度に依存しうる。たとえば、フリーズドライ処理工程の初期段階において、平衡温度は（たとえば）−３０℃である。この時点で、−２０℃の局部温度は熱暴走の高いリスクを示す可能性がある。フリーズドライ処理工程の後期段階において平衡温度が上昇すると、−２０℃の局部温度であってもよい場合がある。したがって、一部の実施例において、閾温度は、農産物の平衡温度との差の観点から決定してもよく、一定値であってもよく、また、他の方法で計算してもよい。

閾温度は、農産物の特性、処理工程時間の経過、望ましいフリーズドライ時間または最終的なフリーズドライ農産物の望ましい特徴の何れかに基づいて選択してもよい。温度の監視については、たとえば、マイクロ波の使用に対応可能である赤外線カメラによって行ってもよい。

ｆ．第２のマイクロ波出力の農産物に対する印加
ブロック１１２では、第２のマイクロ波出力を農産物に対して印加する。農産物の一部または全部が閾値以上の温度に達するとき、第１のマイクロ波出力よりも低い第２のマイクロ波出力を農産物に対して印加してもよい。フリーズドライの最終段階において農産物の含水量は非常に少ない。第２のマイクロ波出力は、この最終段階の時に農産物が過熱しないために十分に低い出力であってもよい。一つの例示的な処理工程において、ブロック１１２における第２のマイクロ波出力は第１のマイクロ波出力の６５％である。代替的な処理工程において、第２のマイクロ波出力は第１のマイクロ波出力の７５％、第１のマイクロ波出力の５０％または第１のマイクロ波出力の３５％であってもよい。また、農産物内の熱の均等化が可能になるようにマイクロ波出力の印加を一定の期間の間止めてもよい。一部の実施形態において、マイクロ波出力の印加を数秒間（例えば５、１０、１５、２０または３０秒間）止める。他の実施形態においてマイクロ波出力の印加を数分間（例えば１、２、３、４または５分間）止める。

マイクロ波フリーズドライの所要時間
上述したように、農産物のマイクロ波フリーズドライに必要な時間は農産物に対して印加した出力に依存する。より高い出力はより短い時間での乾燥を可能にする。たとえば、前処理を施されていないブルーベリーのフリーズドライは、最初の出力密度が約８Ｗ／ｋｇの場合、約３０時間を要する場合がある。ブルーベリーの皮をラプチャーすることによって１００Ｗ／ｋｇ（または１００Ｗ／ｋｇ以上、たとえば、３５０Ｗ／ｋｇ）の最初のマイクロ波出力密度が乾燥工程の大半において可能となる。たとえば、処理済みのブルーベリーは、損傷を受けず、良好な最終的外観を有したまま、約４〜８時間でマイクロ波フリーズドライが出来る。

処理時における農産物のタンブルまたは移動
一部の実施形態において、処理時に農産物のタンブルまたはその他の移動を行う。タンブルさせることは一般的に、処理時に農産物全体レベルにおけるエネルギーの均等化を可能にする。特定の環境条件（たとえば、処理室の形状・寸法、農産物の形状、農産物の構成物）およびマイクロ波出力によって、上述したアンテナ効果が生じうる。そしてアンテナ効果によってプラズマ放電（例えば、冷プラズマの発火）が生じうる。タンブル中の農産物におけるプラズマ放電は一般的に、静置された農産物におけるプラズマ放電よりも低いマイクロ波出力で起こることが観察されている。

一部の実施形態において、異なるマイクロ波出力密度の印加と同時に、農産物を断続的に（または異なるレベルで）タンブルまたは移動させる。これは、望ましくない令プラズマの発火の影響を制約または排除するためである。一つの実施形態において、農産物を第１の期間（「Ｘ」）静置し、その後第２の期間（「Ｙ」）タンブルさせる工程を交互に行う。農産物が静置されているとき（「Ｘ」の期間）に、より高い第１のレベル（「Ｎ」）でマイクロ波出力密度を印加する。その後、農産物がタンブルさせられるとき（「Ｙ」の期間）に、より低い第２のレベル（「Ｍ」）でマイクロ波出力密度を印加する。一部の実施形態において、第１の期間（「Ｘ」）における出力密度（「Ｎ」）は、第２の期間（「Ｙ」）における出力密度（「Ｍ」）よりも２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％または８０％高くてもよい。

実験結果：丸ごとのブルーベリー
以下に記載の４つの異なる手法の何れか一つを用いて、丸ごとのブルーベリーの皮をラプチャーする処理を行い、その後にブルーベリーをマイクロ波フリーズドライした。代替的な処理工程では、２つ以上の手法を用いて農産物の皮をラプチャーしてもよい。

ａ．ラプチャー手法
手法１：３０℃の苛性ソーダの５％溶液にブルーベリーを浸漬させて、皮を農産物から緩める。その後、ベリーを洗浄し皮を吸取りによって取り除く。このラプチャー手法はブルーベリー凍結前に行った。

手法２：針を用いてブルーベリー１個当たり４回皮に穴を開ける。この手法はブルーベリー凍結後に手動で行った。

手法３：ブルーベリーをサンディングタンブラーを使用して１５ＲＰＭで皮を研磨する。この手法はブルーベリー凍結後に行った。

手法４：図４に示すように、ブルーベリーの外表面から２.５ｍｍの初期深さまで切る。この工程はブルーベリー凍結後に、３ｍｍの固定ブレードを用いて手動で行った。この試験において、ブルーベリーの直径は約１２ｍｍであった。それぞれのブルーベリーに対して一回切り込みをつけた。切り込みがブルーベリー内部まで届くため、このラプチャー方法はブルーベリーの内表面の一部を露出させた。

ｂ．フリーズドライのパラメーター
丸ごとのブルーベリーを凍結させその皮を上述の手法のいずれかを用いてラプチャーした後、１２ｋｇの丸ごとのブルーベリーを、０.３〜１ＲＰＭで回転しているタンブル真空槽に入れた。圧力を０.２ｍｂａｒに低減し、第１のマイクロ波出力を印加した。第１のマイクロ波出力の決定については、上で図１に関して説明したように、出力密度試験を用いて決定した。

ブルーベリーの温度を槽内の３ヵ所において監視した。これは、熱暴走の可能性を示す過熱点がブルーベリーにおいて発生することを検出するためであった。過熱点を検出したとき、出力を第２のマイクロ波出力に低減させた。この第２の出力をフリーズドライ処理工程が完了するまで使用した。乾燥工程が完了した後、フリーズドライ済みのベリーをドラムから出してヘドニックスケールを用いて評価した。

ｃ．ヘドニックスケールを用いた評価
ヘドニックスケールを用いてフリーズドライ済みのブルーベリーの外観を評価した。ヘドニックスケールは、農産物およびその他の製品の視覚的な魅力を評価するためによく使われる。フリーズドライ済みのブルーベリーの評価に用いた５段階ヘドニックスケールについては以下の通りである。

１：不可：農産物は例えば熱傷したような外観である場合がある。

２：良くない：複数の果物が果糖によって房状に結合している場合がある。また、皮の一部が取れている場合がある。また、その他の重度の外観的欠点がある場合がある。

３：可：認識可能な果物縮小がある場合、またはその他の中程度の外観的欠点がある場合がある。

４：良い：農産物の形は基本的に保たれているが、皺や他の軽度の外観的欠点がある場合がある。

５：非常に良い：製品の形、色、匂いおよびその他の品質特徴が保たれている。視覚的な魅力があり、欠点は少ない（もしくは存在しない）。

ヘドニックスケールにおける評価が４未満の農産物は一般的に高品質スナック業界には不適切とされる。農産物が容認範囲内の味および食感を有しても、その外観は一部の消費者に受け入れられない可能性がある。

例えば、図６はヘドニックスケールにおいて「２」と評価されたフリーズドライ済みブルーベリーを示す。このブルーベリーは果糖によって房状に結合している。このように房状になることは、果物の内圧が昇華工程において三重点より上昇するときに起こりうる。凍結した果糖溶液の一部は昇華せずに液体化してしまい、その後果物から沸騰している果糖溶液が流れ出る。

図７はヘドニックスケールにおいて「３」と評価されたフリーズドライブルーベリーを示す。このブルーベリーは認識可能な縮小を示している。この縮小は、氷の一部の液体化に伴う毛管力によって起こりうる。

図８はヘドニックスケールにおいて「５」と評価されたフリーズドライブルーベリーを示す。このブルーベリーは、図４に関して説明したように、１回切り込んだものである。

ｄ．結果
上述したブルーベリーのテストケースについて、１２ｋｇのブルーベリーに対する結果を以下の表１に示す。ヘドニックスケールにおける評価は、複数の評価者による評価の平均値である。

表１に示すように、無傷な皮を有する丸ごとのブルーベリーに対して印加可能な最大出力密度は８.３Ｗ／ｋｇであった。出力密度がこの数値を超えた場合、ブルーベリーに過熱点が生じた。出力密度が８.３Ｗ／ｋｇの場合、対応する出力は０.１ｋＷであり、未処理の丸ごとのブルーベリーのフリーズドライは約３０時間を要する。この条件でフリーズドライしたブルーベリーの外観は「４.５」と評価された。

化学的前処理によって皮を除去したとき、過熱点を発生させずにマイクロ波出力密度を６６.７Ｗ／ｋｇにまで（そして出力を０.８ｋＷにまで）著しく高めることが出来た。しかし、その後のブルーベリーの外観は「良くない」を意味する「２」と評価された。このブルーベリーは端部に白い果肉が生じた。このようなブルーベリーは一部の市場において受け入れられる可能性があるが、高品質スナック業界においてはその可能性は低い。

針を用いてブルーベリーに穴を開けたときの最大出力密度は、研磨処理を施されたブルーベリーの最大出力密度と同程度のものであったが、針による処理を施されたブルーベリーはヘドニックスケールにおいてより高く評価された（研磨＝「４」、針＝「４.５」）。過熱点を生じさせずに印加された最大出力密度は、未処理の丸ごとのブルーベリーに対して印加可能な出力密度の約２倍であった。このように、ブルーベリーに研磨処理または穴開け処理を施すと、受け入れられる外観を保ちつつ、未処理のブルーベリーに比較して短いフリーズドライ時間が可能になりうる。

上述のようにブルーベリーを切ったときに最も良い結果を得た。この皮のラプチャー手法を用いた場合、マイクロ波出力密度を１００Ｗ／ｋｇに（そして対応する出力を１.２ｋＷに）高めることが出来、外観評価も非常に好ましいものとなった。図８は、上述のように皮を一回の切り込むことによってラプチャーした後にマイクロ波フリーズドライを行ったブルーベリーを示す。このブルーベリーはヘドニックスケールにおいて「５」と評価された。この評価は高品質スナック業界において受け入れられる範囲内である可能性が高い。

複数の切り込みの影響
複数の切り込みを採用することの、最大マイクロ波出力および外観に対する影響を確認すべく追加の実験を行った。

凍結した丸ごとのブルーベリーの皮に１つ、２つまたは３つの切り込みを、図４に示すような切り込み方で行うことによってラプチャーした。それぞれの切り込みによってブルーベリーのより多くの面積が露出し、より高いマイクロ波出力密度でのフリーズドライが可能になった。比較するために一部のブルーベリーを２等分に切った。上の表に示すように、最大マイクロ波出力密度は、切り込み数と全体積に対する切り込みによって露出した表面積の比率とに相関があった。

表２は用いられた切り込み数と、全体積に対する切り込みによって露出した表面積の比率と、ブルーベリーに損傷を与えずに印加できる最大出力密度と、外観評価の結果とを示す。表２に示すように、より多くの切り込みをいれることによってより多くの表面積を露出させる場合、損傷を与えないマイクロ波出力密度を高めることが出来るが、フリーズドライ済みのブルーベリーの外観はより低く評価されてしまう。それぞれの断片の露出表面積の全体積に対する比を約０.１２ｍｍ^２／ｍｍ^３未満に保った場合、外観がより高く評価された。

ブルーベリーを２等分に切った場合に最も高い出力密度が可能となったが、外観評価は最低の「２.０」となった。熱傷またはその他の可視的な損傷がなくても、２等分に切ったブルーベリーは比較的魅力に欠けるものとされる。これは、白くなっている可能性のあるフリーズドライずみ果物の内部があらわにされるためである。従って、２等分に切った果物は高品質スナック業界において受け入れられない可能性がある。

表２に示すように、切り込み数（ならびに対応するマイクロ波出力密度および出力）と最終的なフリーズドライ農産物の好ましい外観とのトレードオフとなる可能性がある。

表３はブルーベリーの場合の結果を示すが、他の農産物の場合においても露出表面積の全体積に対する比の変化によって、同様のトレードオフが発生する可能性があることは当業者が認識するであろう。

追加の実験として、上述した手法によるブルーベリーの前処理の影響を把握すべく１.２ｋＷの出力を印加して水分の２０％を昇華させた。

表３に示すように、前処理を施されていないブルーベリーは出力が１.２ｋＷのフリーズドライ後、外観は非常に低く評価された。化学的処理によるラプチャー、針によるラプチャーおよび研磨によるラプチャーを行ったブルーベリーのそれぞれも同様に低く評価された。このようなブルーベリーの外観は図６に示すブルーベリーと同様のものとなるであろう。

一方、模式図である図４に示すように一回切り込んだブルーベリーは、高い出力を耐えることができ、かつ、外観も好ましく評価された。このようなブルーベリーは図８に示すベリーと同様の外観となるであろう。

上述のテストケースから、昇華前にブルーベリーを切り込むことによって、上述した他の手法の前処理と比較して高いマイクロ波出力が可能となり、また、高品質スナック業界に適合した外観評価が保たれることが明らかである。前処理手法の選択が果物の種類、対象の市場、求められる外観およびその他の要因によることは当業者が認識するであろう。

実験結果：丸ごとのイチゴ
表４は、丸ごとのイチゴのマイクロ波フリーズドライにおける乾燥パラメーターおよび乾燥時間を示す。この実施例では、昇華前にイチゴを凍結させその皮に穴を開けた。

実験結果：切ったリンゴの断片
表５は、切ったリンゴの断片のマイクロ波フリーズドライにおけるタンブリング速度およびマイクロ波出力設定を示す。このフリーズドライにおいて、異なる出力を印加して、断続的にタンブルを行った。

上記の試験プロトコルは、タンブルによって農産物全体においてより高い平均マイクロ波出力密度およびエネルギー分布を可能とし、同時に冷プラズマ点火を抑制または回避した。

上述の説明は当業者が本発明の異なる実施形態を実現し使用することを可能にするためのものであり、具体的な装置、手法および応用法の説明はあくまでも例示的なものである。上述の実施例の種々の変更は当業者に容易に分かるものである。種々の実施形態の意図および範囲から離れることなく、ここに明示する基本原理を他の実施例および使用法に応用することが可能である。したがって、種々の実施形態はここに明示する実施例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲内で変更することが可能である。

Claims (19)

1. マイクロ波を用いて、皮を有する農産物のフリーズドライを速める方法であって、
   上記農産物を凍結させる工程と、
   上記農産物の上記皮をラプチャーする工程と、
   凍結およびラプチャーされた上記農産物の周囲の圧力を、昇華が可能な圧力に低減する工程と、
   上記農産物に対して第１のマイクロ波出力を印加して少なくとも３０Ｗ／ｋｇの初期マイクロ波出力密度を得る工程と、
   上記農産物の温度が閾値を超えたときに、上記第１のマイクロ波出力よりも低い第２のマイクロ波出力を上記農産物に対して印加する工程とを含むことを特徴とする方法。
2. ラプチャーされた皮を有する上記農産物が実質的に無傷であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 上記農産物を凍結させる前に上記皮をラプチャーすることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 上記圧力を０.６ｍｂａｒ未満に低減することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 上記圧力を０.０５ｍｂａｒ未満に低減することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 上記農産物が−２０℃以下の温度に凍結されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 切り込むことよって上記農産物の上記皮をラプチャーすることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 上記農産物に切り込みを入れることによって露出する表面積の上記農産物の全体積に対する比が０.１２ｍｍ^２／ｍｍ^３未満になるように上記皮を切ることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 上記農産物の上記皮を複数の切り込みによってラプチャーすることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 上記農産物の内部空洞を露出させるように上記農産物の上記皮をラプチャーすることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. フリーズドライ済みの上記農産物がヘドニックスケールにおいて少なくとも３.５と評価されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 上記皮を化学的処理によってラプチャーすることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 上記皮に穴を開けることによって上記皮をラプチャーすることを特徴とする、請求項１か１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 上記皮を研磨によってラプチャーすることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 少なくとも上記昇華の一部の期間の間に上記農産物をタンブルさせることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 少なくとも第１の期間の間、上記農産物をタンブルさせ、少なくとも第２の期間の間、上記農産物を静置することを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 上記第１の期間の間に、上記第２の期間におけるマイクロ波出力よりも低レベルのマイクロ波出力を印加することを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 上記第２の期間の間に印加されるマイクロ波出力が、上記第１の期間の間に印加されるマイクロ波出力よりも、少なくとも２０％高いことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 上記第２の期間が上記第１の期間よりも先に起こることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。

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