JP2020108731A - パン生地の醗酵を制御するシステムおよび装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パン生地の内部温度を非侵襲で推定し、醗酵プロセスの温度制御を可能とするシステムを提供する。【解決手段】パン生地を収容する醗酵容器１と、醗酵容器を格納する醗酵室３と、パン生地の表面温度を非接触で検出する温度センサ４と、パン生地の高さを非接触で検出する高さセンサ５と、醗酵室内部の温度を制御する温度制御装置１１と、表面温度と高さを入力とし、温度制御装置を制御する生地状態判定装置６を備えるシステムである。生地状態判定装置は、表面温度と高さに基づいて、パン生地の内部温度を推定するための醗酵データベースを備え、推定されたパン生地の内部温度に基づいて、温度制御装置を制御することでパン生地の醗酵を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、醗酵プロセスにおけるパン生地の醗酵状態の超過または不足を判断する、パン醗酵状態監視の技術に関する。

パンを産業的に作成するプロセスは、混合、醗酵、および焼きなどのいくつかの段階を含む。混合の間、パン焼き器は、特定のレシピにしたがって、小麦粉を、イーストもしくは化学的醗酵剤などの醗酵剤、砂糖、塩、水、および他の材料と混合しブレンドして、パン生地を形成する。混合段階の後、醗酵段階の間、生地を膨らませる。混合の際、醗酵剤は他の材料と相互作用して、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）および二酸化炭素（ＣＯ_２）を発生させる。エタノールは独特の風味と香りをもたらし、二酸化炭素は生地の内部に気泡を作って生地を膨らませ、パンの仕上がりの質感に影響を与える。パン焼き器に醗酵の間に膨らんだ生地が入れられると、パン焼き器は高温でパンを焼いて、パンに特有の芳香および焼き色の焼いたパンを生成する。

これらの一連のステップにおいて、醗酵プロセスは、パンを産業的に製造する場合ほぼ半時間から８時間の作業時間を要する。したがって、醗酵に特に注意を払うことは美味しいパンを作成する秘訣である。更に、パン製造業は製造量が多い。製造に関する著しい懸念は、パンが十分に醗酵していないか、または適切な温度で制御されていない可能性がある点である。未醗酵のパン生地が焼きプロセスに入った場合、完成品に悪影響を与える傾向がある。具体的には、その味およびその仕上がりの見た目が影響を受ける場合がある。

工場での商業的なパン製造は多量の生地を処理するので、生地の最も内側の部分が適切に醗酵していることを担保するのは困難である。内部温度をチェックする一般的な手段は、熟練の作業者が温度計または熱電対を生地に直接挿入するものである。これは、プローブが生地に物理的に入り込んで温度を測定しなければならない、接触タイプのプロセスである。かかる作業はパンの美観を損ね、生地の汚染および損傷のリスクが高くなる。醗酵の適切さに関する判断は熟練の作業者の経験に基づき、人それぞれにより異なるため、かかる判断は、保守性の面でエラーを起こしやすく、効率や生産性の損失をもたらす。

特開２００７−９７４５８号公報 特開平８−９８７７７号公報 特開２００２−２８１８８７号公報 特開平２−０９２３２０号公報

特許文献１では、パン生地の醗酵状態をリアルタイムで測定することは、測定圧力を圧力基準と比較することにより、発生ガスを直接チェックすることによって、または閉じた容器に格納されている生地の高さ変化を測定することにより、生地の膨張を測定することによって実施可能であった。しかし残念ながら、その内部温度の直接チェックは、醗酵プロセスの間、温度計を生地に直接埋め込むことによって行われたため、汚染のリスクが高い。この技術を何らかの工場で使用する場合は、清潔な環境確保のために多くのチャンバーを要し、コストが増加する。

特許文献２では、高さ検出センサおよび温度検出センサに基づいてパンの醗酵状態の最適条件を測定する能力を提供することによって、ホームベーカリーの規模でパンを焼く装置である。この技術では、醗酵プロセスの出来具合は、まず醗酵前のパン生地の高さを検出し、この高さに対してｎ倍の高さになった時を最適醗酵状態と判断することで評価された。また、この最適状態は、生地の内部温度の値と相関しなかった。そのため、生地内部の温度が既に醗酵しているか否かを確認することはできなかった。それに加えて、適切な制御を有さない醗酵プロセスは、イーストを損なう恐れがあり、またはイーストを死滅させる。また、ホームベーカリーなどを用いたこの技術は、工場使用向けにはまだ実証されていない。

したがって、醗酵状態をチェックするための制御パラメータとして、醗酵しているパン生地の内部温度を有効に測定または推定する、自動化された非接触的方法が必要とされている。

特許文献３では、ガス検出センサを用いて生地の最適醗酵状態を判定する機能を提供してパンを製造する装置である。特許文献３では、醗酵終了点はＣＯ_２ガス排出量があらかじめ設定したレベルに達することのみで判断していた。この発明によれば、醗酵を非侵襲的に監視し、醗酵終了点を判断することができる。

特許文献４では、所定の時間に所定値に達したＣＯ_２ガス排出量に基づいて醗酵終了点を判断していた。そして、ＣＯ_２ガス排出量が設定した時間に目標値に達しなかった場合、醗酵終了点は第２の設定時間に基づいて遅延される。この発明によれば、ＣＯ_２ガス排出量を監視することで、醗酵を非侵襲的に監視し、醗酵終了点を調整することも可能である。

特許文献３および４は、醗酵終了点の調整に対するものである。しかし、パンの工業生産は厳密な処理時間管理を必要とすることが多く、醗酵終了点の調整が受け入れられない可能性もある。

本発明は、非侵襲でパンの製造状態を監視し、パン製造中の異常状態検出あるいはフィードフォワード制御を可能とするシステムを提供することを目的とする。

本発明の好ましい一側面は、パン生地を収容する醗酵容器と、醗酵容器を格納する醗酵室と、パン生地の表面温度を非接触で検出する温度センサと、パン生地の高さを非接触で検出する高さセンサと、醗酵室内部の温度を制御する温度制御装置と、表面温度と高さを入力とし、温度制御装置を制御する生地状態判定装置を備えるシステムである。生地状態判定装置は、表面温度と高さに基づいて、パン生地の内部温度を推定するための醗酵データベースを備え、推定されたパン生地の内部温度に基づいて、温度制御装置を制御することでパン生地の醗酵を制御する。

本発明の好ましい他の一側面は、パン生地を収容する醗酵容器と、醗酵容器を格納する醗酵室と、醗酵室内部の温度を制御する温度制御装置とを備える設備を制御する装置である。この装置は、パン生地の表面温度とパン生地の高さの情報を入力とし、温度制御装置を制御する生地状態判定装置を備える。生地状態判定装置は、表面温度と高さに基づいて、パン生地の内部温度を推定するための醗酵データベースを備え、推定されたパン生地の内部温度に基づいて、温度制御装置を制御する。

本発明の好ましい他の一側面は、パン生地を収容する醗酵容器と、醗酵容器を格納する醗酵室と、醗酵室内の温度を検出する温度センサと、パン生地の高さを非接触で検出する高さセンサと、醗酵室内の二酸化炭素量を検出するガスセンサと、醗酵室内の温度を制御する温度制御装置と、醗酵室内の温度と高さと二酸化炭素量を入力とし、温度制御装置を制御する生地状態判定装置を備え、生地状態判定装置は、高さと二酸化炭素量に基づいて、パン生地の醗酵状態を推定するための第１のデータベースを備え、推定されたパン生地の醗酵状態に基づいて、温度制御装置を制御する、パン生地の醗酵を制御するシステムである。

本発明は、非侵襲でパンの製造状態を監視し、パン製造中の異常状態検出あるいはフィードフォワード制御を可能とするシステムを提供することを目的とする。

実施例のシステムの一例を示す概略図である。 実施例のデータベースの一例を示す表図である。 実施例のデータベースの一例を示す表図である。 実施例１の醗酵プロセス制御の一例を示すフローチャートである。 パン生地内部の温度分布を示すイメージ図である。 実施例２の醗酵プロセス制御の一例を示すフローチャートである。 醗酵の間の許容可能な内部温度に対する閾値と処理の一例を示す概念図である。 醗酵の間の許容可能な内部温度に対する閾値と処理の他の例を示す概念図である。 パン製造工場での大量生産に関する本実施例によるシステムの一例を示す概略図である。 実施例による醗酵４０分時点での正常醗酵状態に対するしきい値の一例を示すグラフ図である。 実施例における醗酵の監視及び制御の概念の一例を示す概念図である。 実施例におけるシステム醗酵監視・制御の概略ブロック図の一例である。 実施例における第１のデータベースの一例である。 実施例における醗酵制御のフローチャートの一例である。 酵母内部における代謝経路の一例である。 本実施例に従って醗酵室の温度を変えることにより、ｄＨ／ｄｔを設定目標値に達するように変える必要があることを示す異常状態検出の概略図の一例である。 本発明における第２のデータベースの一例である。 パン生地の配合を示す表図である。 標準条件、醗酵温度として２８℃、及びそのＨ_ｓｅｔ値において醗酵を監視した結果の一例のグラフ図である。 ４０分時点におけるＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}とＣＯ_２ガス排出量の相関とｄＨ／ｄｔの設定目標による異常検出の一例を示す概念図である。 本実施例による醗酵監視・制御システムの性能の一例を示すグラフ図である。

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

以下で説明される実施例は、醗酵プロセスの間のパン生地の内部温度を判断することによって、醗酵段階を監視する技術に関する。具体的な例では、ａ）パン生地を容器内に提供するステップと、ｂ）パン生地を含む醗酵容器を醗酵室に入れ、特定の状態（温度および湿度）でパン生地を醗酵させるステップと、ｃ）醗酵室に入れた後のパン生地の表面の少なくとも一部分における温度および高さの変化を感知するステップと、ｄ）温度および熱の変化を推定して、パン生地が、所定の基準による特定の時間後の醗酵段階の終わりであると判定可能であるか否かを判断するステップとを含む、時間に伴う内部温度変化によりパン生地の醗酵段階を監視する方法を対象とする。ステップｃ）で、醗酵容器の幅および長さでパン生地の形状が規定されるので、高さを測定することによって生地の体積を推定することができる。生地の体積および表面温度に基づいて、生地の内部温度を厳密に推定することができる。本実施例は、様々な改善が可能である。更に、本実施例は、温度プローブを手で挿入する必要がなく、醗酵段階状態のチェックとしてパン生地の内部温度を判断する、より正確で安全な方法を提供する。

図１は、本発明の一実施例によって提供される例示的なシステムの概略図である。システムは、醗酵容器１と醗酵室３を含み、醗酵容器１の中に、醗酵段階のため生地２が入れられる。生地２は、例えば小麦粉に水と、パンを醗酵させるパン酵母を加えて、ミキサーで混ぜ合わせたものである。

醗酵室３は醗酵容器１を清潔な状態と適切な温度に保つ。醗酵室３内に温度センサ４および高さセンサ５が設置される。温度センサ４および高さセンサ５と醗酵室３の温度制御装置１１は、生地状態判定装置６に接続される。温度センサ４および高さセンサ５は、醗酵室３の上部から醗酵容器１に対して特定の距離で位置づけることができる。生地２の全幅に渡って、温度センサ４および高さセンサ５によって測定可能としてもよい。

醗酵室３は、内部をパン酵母が醗酵するのに最適な温度と湿度に保つことができる。制御された環境下で、醗酵容器１内では、パン酵母が醗酵により、生地２に含まれる糖類を分解し、炭酸ガスを発生させる。醗酵で発生した炭酸ガスをグルテンが包みこみ、パンは柔らかに膨らむ。さらに、パン酵母は炭酸ガスだけでなく、エチルアルコールをはじめとする風味や香りを生成する。したがって、醗酵のプロセスはパンの品質に大きく影響する。醗酵が十分でないと、固くて平たいパンになってしまうし、醗酵させすぎた場合は、ふくらみが悪く、味や匂いも酸っぱくなってしまうなどの影響がでる。

醗酵室３内の環境は、例えば温度28度、湿度82％などであるが、生地やパン酵母の種類や、醗酵の状態に合わせて適切に制御されることが望ましい。本実施例では、生地２の内部の温度を非接触で推定することで、適切な温度制御を可能とする。

温度センサ４は、生地２の１または複数個所の表面温度を、生地２に触れることなく、迅速に測定することができる。温度センサ４には、例えば公知の赤外線（ＩＲ）温度計や赤外線カメラを用いることができる。高さセンサ５も、生地２に触れることなく測定が可能な検査器である、例えば公知のレーザ距離測定器や超音波距離計で構成される。

定期的に、温度センサ４は、フィードバックループを使用して１あるいは複数の箇所で生地２の表面温度を監視する。この測定から得られる信号は、感知部７に送信され格納される。温度センサ４の精度は、後の評価のための精度をもたらすのに十分に高精度であるべきである。

高さセンサ５は、例えば超音波距離計で構成する場合には、醗酵室３の固定された位置にある超音波送信器および受信器で構成することができる。検出のたびに、超音波送信器は、温度センサ４の動作と連動して、生地状態判定装置６からのコマンドにしたがって生地２の所定箇所（例えば頂部中央）に向けて超音波を送信する。高さセンサ５の一部である受信器は、生地２からの反射波を受信し、次に即時に感知部７に入力する。感知部７は、次に、波を放射する超音波送信器から生地２までの、また生地２から受信器までの超音波の伝達時間に基づいて、高さセンサ５と生地２表面の距離Ｄ１を測定する。例えば、高さセンサ５と醗酵容器１の底の距離をＤ２とすれば、生地２の高さＨは（Ｄ２−Ｄ１）となる。このようにして、生地２の高さＨを測定する。

生地状態判定装置６は、温度および熱の感知部７と、醗酵データベースの格納部８と、計算部９と、表示部１０とを実現するコンピュータで構成される。本実施例では、生地状態判定装置６の計算や制御等の機能は、コンピュータの記憶装置に格納されたプログラムがコンピュータの処理装置（プロセッサ）によって実行されることで、定められた処理を他のハードウェアと協働して実現される。コンピュータなどが実行するプログラム、その機能、あるいはその機能を実現する手段を、「機能」、「手段」、「部」等と呼ぶ場合がある。以上の構成は、単体のコンピュータで構成してもよいし、あるいは、入力装置、出力装置、処理装置、記憶装置の任意の部分が、ネットワークで接続された他のコンピュータで構成されてもよい。

温度および熱の感知部７は、予め決められた間隔の測定時間ごとに、温度センサ４から送信される表面温度感知信号および高さセンサ５から送信される高さ感知信号を、入力データとして連続して受信および記録するのに使用される。入力データの受信や記録は、コンピュータの構成として周知のインターフェースや記憶装置（半導体メモリや磁気ディスク装置）により行なわれる。

醗酵データベースの格納部８は、後に図２Ａおよび図２Ｂで詳細に説明する基準データベースを格納する。醗酵データベースの格納部８は、コンピュータの構成として周知の記憶装置により実現される。計算部９では、感知部７の入力データが計算され、醗酵データベースの基準と比較することによって評価を行なう。本実施例では、計算部９はコンピュータの記憶装置に格納されたプログラムを、コンピュータの処理装置が実行することで実装するものとした。更に、表示部１０は、計算部９からの計算および評価結果を表示するモニタを備える。生地状態判定装置６は、高さセンサ５や温度センサ４等のセンサと統合されていてもよく、あるいは、これらとネットワーク等を介して送受信が可能な構成でもよい。また、生地状態判定装置６は、コンピュータが通常備える追加の機能を備えてもよい。

生地状態判定装置６はまた、醗酵室３の温度を調整する温度制御装置１１に対する制御信号の出力を提供する、コントローラとしての機能を有してもよい。温度制御装置１１は、計算部９の制御に基づいて醗酵プロセスを自動化することができる。生地状態判定装置６は、制御信号を醗酵室３の温度制御装置１１に自動的に送って、醗酵室３の温度を上昇または低下させることができる。したがって、生地状態判定装置６は、醗酵段階プロセスを制御し、醗酵プロセスの効率および質を改善することができる。

図２Ａおよび図２Ｂは、生地状態判定装置６の格納部８が記憶している醗酵データベースの内容を示すテーブルの一例である。図２Ａに示す、表面温度・内部温度関係テーブル２０１は、パン生地の高さ（Ｈ）、表面温度（Ｔ_ｓ）、および内部温度（Ｔ_ｉ）の関係を説明している。図２Ａでは、パン生地の高さ（Ｈ）ごとに、表面温度（Ｔ_ｓ）と内部温度（Ｔ_ｉ）の関係を示すテーブルとなっているが、パン生地の高さ（Ｈ）と表面温度（Ｔ_ｓ）から、内部温度（Ｔ_ｉ）が導出できればよく、図２Ａのテーブル構成に限定されない。

表面温度（Ｔ_ｓ）および内部温度（Ｔ_ｉ）は、理想的には表面や内部の温度分布のデータとなるが、限定された１または複数の箇所のデータとしてもよい。複数の測定点のデータとする場合、それらの最高温度と最低温度が重要である。温度データに測定点の座標データを関連付けると、後述のように温度分布を可視化することも可能である。データの粒度は、要求される温度推定精度やデータ量の制約に従って定めればよい。

図２Ｂに示す、時間・温度テーブル２０２は、各醗酵時間１３における理想の内部温度１４を示している。例えば図２Ｂの時間・温度テーブル２０２の１行目は、醗酵開始から３０分後の時点では、パン生地の内部温度の範囲は２９度〜３１度の範囲が適切であることを示している。

図２Ａの高さ１５は高さセンサ５によって得ることができ、表面温度１６は温度センサ４によって得ることができる。生地状態判定装置６の計算部９は、高さ１５と表面温度１６に基づいて、表面温度・内部温度関係テーブル２０１を参照することによって内部温度１７を求める。

図２Ａ、図２Ｂのテーブルは予め作成して、生地状態判定装置６の記憶装置に格納しておく。図２Ａの表面温度・内部温度関係テーブル２０１は、量産時と同じ醗酵容器１、生地２および醗酵室３を用い、テスト用のパン生地の複数の測定点に熱電対等を挿入して測定する。表面温度を一定に維持すると、醗酵によりパン生地の高さが変化する場合がある。よって、表面温度を一定に保ちつつパン生地の高さを測定するとともに、内部温度を測定することにより、表面温度、内部温度、およびパン生地高さを関連付けたデータを取得することができる。

測定結果は、表面温度・内部温度関係テーブル２０１において、パン生地の高さ１５ごとに、表面温度１６と内部温度１７のデータを組にして格納部８に記憶しておく。なお、測定で取得された内部温度（Ｔ_ｉ）のデータ（数値）は、必ずしも表面温度（Ｔ_ｓ）とパン生地の高さ（Ｈ）に一対一で対応しない場合がある。例えば、表面温度が３０度で生地の高さが５０ｃｍでも、３０度で２０分維持された後と、３０度で３０分維持された後では、内部温度が違う場合がある。また、条件を変えて複数回の測定を行なった場合には、内部温度（Ｔ_ｉ）の数値がばらつく可能性がある。その場合は、パン生地の高さと表面温度に対応して得られた内部温度データのなかで、最低温度と最高温度の数値の組を内部温度（Ｔ_ｉ）のデータとしてもよい。このようなデータであっても、理想的な温度範囲からの逸脱を評価することは可能である。あるいは、平均値をデータとしてもよい。

図２Ａには明示していないが、表面温度１６は生地２表面の複数個所のデータとしてもよいし、内部温度１７も生地内部の複数個所のデータとしてもよい。生地２の全体にわたって温度制御を行なうためには、温度のサンプル点は多いほうが望ましい。

図２Ｂの時間・温度テーブル２０２により、理想の内部温度および醗酵時間が予め定められる。理想の醗酵状態では、生地２の内部温度は各醗酵時間１３における理想的内部温度１４の範囲内であることが望まれる。適切な温度範囲を逸脱すると、イースト菌や酵母の活動が妨げられたり、死滅したりするため、内部温度の把握と制御が重要である。時間・温度テーブル２０２の内容は、予め熟練の作業者のノウハウなどに基づいて作成し、格納部８に格納しておく。

生地高さ１５（Ｈ）、表面温度１６（Ｔ_ｓ）、および醗酵データベースによって、他の出力を提供することができる。内部温度１７（Ｔ_ｉ）だけではなく、生地２全体の分布温度を、醗酵プロセスの各段階を示す、２次元（２Ｄ）描画や３次元（３Ｄ）描画によって表すことができる。これら出力の選択は計算部９によって可能であり、選択された出力は表示部１０に表示される。

図３に示されるフローチャートで、生地状態判定装置６の動作を説明する。醗酵プロセスの開始時はステップＳ３０１であり、生地２が醗酵容器１に入れられ、生地状態判定装置６が時間の計数を開始する。ステップＳ３０２で、生地状態判定装置６はパン生地の表面温度（Ｔ_ｓ）の値を受信する。ステップＳ３０３で、生地状態判定装置６はパン生地の見かけの高さ（Ｈ）の値を受信する。次に、ステップＳ３０４で、生地状態判定装置６は表面温度・内部温度関係テーブル２０１に基づいて内部温度（Ｔ_ｉ）を計算する。

ステップＳ３０５で、生地状態判定装置６は、所定の時間後に内部温度（Ｔ_ｉ）の値が、事前に定めた所定値（あるいは範囲）ｔｅの値となっているか否かを判定する。これにより、初期段階で醗酵が正常に行なわれ、パン生地の内部温度が十分であるか否かを判断することができる。

内部温度（Ｔ_ｉ）の値が、事前に定めた所定の値（あるいは範囲）ｔｅとなっていない場合、ステップＳ３０６に進む。ステップＳ３０６では、醗酵プロセスが許容可能ではないかも知れないことをパン作業者に警告するため、警報を発信して潜在的問題を知らせる。この処理により、醗酵が行なわれていないなどの、醗酵の異常を早期に検知することができる。なお、一度内部温度（Ｔ_ｉ）の値が、事前に定めた所定の値（あるいは範囲）ｔｅに達したことを確認したら、その後はステップＳ３０５はスキップしてもよい。

内部温度（Ｔ_ｉ）の値が、事前に定めた所定の値（あるいは範囲）ｔｅとなっている場合、ステップＳ３０７に進む。ステップＳ３０７では、生地状態判定装置６は、内部温度（Ｔ_ｉ）の値が、時間・温度テーブル２０２に基づく所定の範囲内（下限ｔｍ以上、上限ｔｐ以下）にあるか否かを判断する。

内部温度（Ｔ_ｉ）の値が所定の範囲内にない場合、次にステップＳ３０８で、生地状態判定装置６は、内部温度（Ｔ_ｉ）の計算値が所定の閾値ｔｍ未満か否かを判断する。内部温度（Ｔ_ｉ）の計算値が所定の閾値ｔｍ未満の場合は、ステップＳ３０９で醗酵室３の温度を上昇させる。

別の基準はステップＳ３１０における、内部温度（Ｔ_ｉ）が所定の閾値ｔｐを上回るか否かである。内部温度（Ｔ_ｉ）の計算値が所定の閾値ｔｍ以上であるが、上限ｔｐ以上でもある場合、ステップＳ３１１で醗酵室３の温度を低下させる。

ステップＳ３０７の判断で、内部温度（Ｔ_ｉ）の値が所定の閾値内（下限ｔｍ以上、上限ｔｐ以下）にある場合、ステップＳ３１２において、事前に定めた所定の醗酵時間が経過したかどうかを判定する。醗酵時間が経過している場合には、ステップＳ３１３により、醗酵段階が終了したことを作業者に通知する。これにより、パン生地の醗酵プロセス処理は終了する。

ステップＳ３１２において、事前に定めた所定の醗酵時間が経過していないと判定された場合、処理はステップＳ３０２に戻り、パン生地の表面温度および高さの両方の検出と監視を続ける。

以上は、本実施例の簡単な構成例である。パン生地２の内部温度を推定する点を複数取ることにより、パン生地２の内部温度分布を知ることができる。

図４は２次元（２Ｄ）描画で表現された、パン生地の内部温度分布例である。図４では、高さ３０ｃｍと１００ｃｍのパン生地２の断面の温度分布が、色またはコントラストの違いにより表現されている。このような表示を用いると、生地高さ（Ｈ）、表面温度（Ｔ_ｓ）から、生地の内部の状況を視覚的に把握することが容易になる。

図３の内部温度の判定処理（ステップＳ３０８、ステップＳ３１０など）では、パン生地２の内部が全体にわたって、適切な温度に保たれているかを判断することが好ましい。例えば、ステップＳ３０８で、パン生地の一部分でも内部温度が下限値ｔｍを下回っている場合、その部分では醗酵が行なわれていない可能性がある。この場合、そのパンは全体として不良となることがある。よって、パン生地２の一部でも内部温度が下限値ｔｍを下回っている場合、ステップＳ３０９で醗酵室の温度を上昇させる。また、ステップＳ３１０で、パン生地の一部分でも内部温度が上限値ｔｐを上回っている場合、その部分では過醗酵が起きたり酵母が死滅するおそれがある。よって、パン生地２の一部でも内部温度が上限値ｔｐを上回っている場合、ステップＳ３１１で醗酵室の温度を低下させる。

以上説明した実施例によれば、パン生地の中心温度をオンラインで測定あるいは推定して温度制御を行なうことにより、パン生地の不適切な醗酵の可能性を大幅に低減し、また温度測定時のセンサの挿入によるパン生地に対する汚染および損傷のリスクを低減することができる。生地に直接接触することなく内部温度レベルを監視することによって、パン焼き器は、醗酵プロセスの出来具合のより良好な指示が可能となる。これにより、標準の時間および温度のレシピよりも良好な制御レベルを提供する。それに加えて、内部温度レベルの異常なレベルから、生地状態の不良を早期に検出することができる。内部温度、およびその時間的変化は、醗酵室または醗酵容器内部の温度、ならびに生地醗酵プロセスの出来具合を制御するための指標として使用される。

実施例２では、他の実施形態を説明する。物理的な構成は実施例１と同一でよく、生地状態判定装置６によるソフトウェア的な処理を変更する。実施例２では、２段階で醗酵状態を評価することになる。１段階目は事前に「醗酵データベース」の作成を行う。醗酵データベースは醗酵データベースの格納部８に記憶する。２段階目は、醗酵データベースを記憶した生地状態判定装置６を用いて、生地表面温度、雰囲気温度、生地高さの情報から、生地内部の温度の推定（計算）と醗酵終了の判断を行う。

醗酵データベースの作成においては、例えば小型醗酵容器（ビーカーサイズ）にパン生地を入れて、熱電対を複数本差込み醗酵槽の雰囲気温度、生地表面温度、生地内部温度を測定し、その時の生地の比熱、熱伝導率、密度を評価し、醗酵データベースを作成する。この場合、醗酵データベース作成は、温度や時間を変化させた多くの実験ケースが必要になるため、実験室の小型醗酵装置を用いて行うことが好ましい。ただし、実施例１と同様に、製造現場の大型装置を用いてもよい。製造現場と同様の設備を用いると、測定した物性値をそのまま用いることが可能である。

醗酵容器１は生地２の縦横方向（地面に水平方向の断面）の大きさを制限するので、生地２の形状や体積は高さ（Ｈ）によって推定できる。そこで、生地２の熱力学的な物性値が醗酵データベースから得られれば、熱伝導方程式を解くことにより表面温度（Ｔ_ｓ）から生地内部の所定の箇所の内部温度（Ｔ_ｉ）が計算できる。

図５は、計算部９が実行する醗酵状態の判定による温度制御の処理手順例のフローチャートである。パンの原料を混練して得られた生地２を醗酵容器１に入れ、これを予め所定の醗酵温度に保持された醗酵室３内に移動させて、醗酵を開始する(S001)。次に醗酵容器１内の生地２の高さHを、高さセンサ５により１点以上測定する(S002)。その測定値が予め設定した高さHRより低ければ、醗酵は不十分と評価し、醗酵を継続する(S003)。その測定値が予め設定した高さHRに達していれば、パン生地２は十分に醗酵した（十分に膨らんだ）として、醗酵を終了する(S004)。このように、パン生地の高さが所定値に到達したことをもってパン生地の醗酵終了を判定することができる。内部温度が所定のレベルに達したとき、生地は実質的に膨らみ終えており、更なる時間によって生地の体積が著しく増えることはない。また、パン生地の醗酵開始からの時間が所定時間経過したことをもって、パン生地の醗酵終了を判定することもできる。

醗酵が不十分の場合には、引き続き、生地２の表面温度T_Sを温度センサ４により１点以上測定する(S005)。このとき、醗酵室の雰囲気温度T_Cも１点以上測定することで、さらに高精度の制御が可能である。また、必要に応じて醗酵容器１の表面温度を測定することも有効である。雰囲気温度測定のための雰囲気温度センサには、温度センサ４を利用してもよいし、雰囲気温度や容器の表面温度の測定のために、温度センサの種類や数を追加することも可能である。以下の説明ではT_SとT_Cを測定する例を説明する。

上記で測定した高さH、生地表面温度T_S、雰囲気温度T_Cのうち、少なくとも1種類以上の測定値を用いて、事前に取得したパン生地の物性値データベースから生地内部の物性値を選定する(S006)。

選定する物性値は、生地の密度ρ、比熱CP、熱伝導率k、発熱密度Qとし、それぞれ、高さH, 表面温度T_S, 雰囲気温度T_Cにより醗酵データベース内で整理されている。すなわち、醗酵データベースが含む情報は以下のとおりである。
・密度： ρ(H, T_S, T_C)
・比熱： C_P(H, T_S, T_C)
・熱伝導率： k(H, T_S, T_C)
・発熱密度： Q(H, T_S, T_C)
高さH, 表面温度T_S, 雰囲気温度T_Cから取得された生地の物性値(ρ、C_P、k、Q)を用いて、次の熱伝導方程式を逆計算することで、生地内部温度T_Iの分布を推定することができる(S007)。

熱伝導方程式でδT／δtは微小領域における温度Tの時間変化である。一般には、密度ρ、比熱C_P、熱伝導率kは場所の関数となるが、パン生地の状態を均一として扱い近似してもよい。また、発熱密度Qは場所と時刻の関数となるが、一定として扱ってもよい。また、雰囲気温度T_Cは表面温度T_Sと等しいとして、雰囲気温度T_Cを省略することも可能であるが、これを用いると、雰囲気温度と生地表面温度の差による熱伝達、輻射電熱を考慮することができるため、推定精度の向上が期待できる。

次に内部温度T_Iの評価結果、および生地表面温度T_Sの測定結果の最高値T_MAXから、醗酵槽の温度制御を実施する(S008−S012)。T_MAXは内部温度T_Iおよび生地表面温度T_Sに分布がある場合には、その最高温度とする。図６に、計算部９が実行する上記最高温度T_MAXによる制御方式の区分例を示す。最高温度T_MAXが酵母が死滅する温度T_Dより高い場合は、酵母の死滅により良好な醗酵が得られないため、異常と判断し、醗酵を停止する(S008−S009)。生地の最高温度T_MAXが酵母の死滅温度T_Dよりも低いが、最適な醗酵温度から逸脱する場合は醗酵室内の温度を調節する。

まず、最高温度T_MAXが温度上限T_Uを超える場合には醗酵室内の温度を低下させる(S010-S011)。逆に醗酵温度が醗酵に適した下限値T_Lよりも低い場合は、加熱手段により醗酵室内の温度を上昇させ、醗酵を促進させる(S012−S013)。また、生地の温度が醗酵に適した温度範囲にある場合は、現状の醗酵室内温度を維持するように温度制御装置を運転する。処理S001からS013は、基本的に醗酵プロセス中、周期的に実行される。その後、生地の高さHを測定し、所定の高さを超えた場合、適切な醗酵が行われたと判断し、醗酵を終了する(S004)。なお、所定の高さや、温度T_D、T_U、T_Lなどの制御用の値は、事前にユーザが設定してデータベースの一部として生地状態判定装置６に記憶しておくものとする。

上記の生地内部温度、表面温度による醗酵槽雰囲気温度の調節処理は、最高温度T_MAXの値に応じて温度制御装置をON−OFFするものである。さらにこれに加えて、生地の高さHの値に応じて温度制御装置をON−OFFすることもできる。また、醗酵時間ｔに応じて温度制御装置をON−OFFすることもできる。

図７は、他の温度制御方式を説明するグラフ図である。醗酵室３の加熱・冷却は、図６のように生地の最高温度T_MAXにより、ON−OFF制御しても構わないが、図７のように温調機の出力を連続的に変化させても良い。

醗酵室３の温度の調整は、通常のエアコンのように温度制御された空気を醗酵室内に送風することで行うが、加熱に限定すれば、醗酵室内にパネル式のヒーターを設置しても構わない。

本実施例では、表面温度などから熱伝導方程式を解いて熱の拡散をシミュレーションできる。このとき、初期値として最初の温度分布を入力する必要がある。具体的な熱の拡散シミュレーションの手順は以下のようになる。
（１）パン生地２を醗酵容器１に入れるときに生地の内部温度を測る。パン生地は練り上げた直後なので、内部温度は表面の温度あるいは室温と同じで、分布は均一としてよい。
（２）醗酵工程開始(S001)。
（３）非接触で生地の高さ、表面温度等を測る(S002、S005)。
（４）熱伝導方程式を解いて、次の表面温度等測定時における内部温度を推定する(S006、S007)。
（５）内部温度を判定する(S008、S010、S012)。
（６）内部温度が適切ならそのまま、不適切なら温度調整する(S009、S011、S013)。
（７）（３）に戻る。

熱伝導方程式を解くときには、（３）で測った表面温度等が次の測定時まで一定として計算する。ただし、（６）で温度を調整する場合には、温度が変わってしまう。そこで、表面温度等の測定間隔に比べて温度調整のレスポンスが早い場合には、温度調整後の温度を使って熱伝導方程式を解く。あるいは、表面温度等の測定間隔が短いときには、線形に温度が変化するとして熱伝導方程式を解くなどの修正をおこなってもよい。

本実施例では、実際の工程と平行して温度シミュレーションを行っているということになる。この方式は一度誤差が生じると回復が出来ないので、表面温度等の測定間隔は短くすることが望ましい。

図８は、パン製造工場での大量生産に関する本発明の実施例によって提供される例示的システムである。システムは、閉じた容器または醗酵室３を含み、生地２Ａ，２Ｂ、および２Ｃが、醗酵段階のため、ホイールを備えた醗酵容器１Ａ、１Ｂ、および１Ｃに入れられる。各醗酵容器１Ａ、１Ｂ、および１Ｃ上には、温度センサおよび高さセンサが別々に搭載される。この場合、醗酵容器１の数は３つなので、示される温度および高さセンサはそれぞれ、４Ａ、４Ｂ、および４Ｃ、ならびに５Ａ、５Ｂ、および５Ｃである。醗酵室３の温度制御装置１１は、生地状態判定装置６に接続される。温度センサ４Ａ、４Ｂ、および４Ｃ、ならびに高さセンサ５Ａ、５Ｂ、および５Ｃは、互いに並列に、次に醗酵室３の最高地点から特定の距離で位置づけられてもよく、醗酵容器１Ａ、１Ｂ、および１Ｃの全幅が、それら自体の温度センサおよび高さセンサによって推定されてもよい。

それぞれの醗酵容器１およびセンサに対する制御方法は、生地の１つの容器を収容する実施例１あるいは２の例と同じである。各醗酵容器１が収容している生地２の内部温度が非接触で推定され、適切な温度範囲内に有るかどうかがそれぞれ評価される。温度が高すぎるあるいは低すぎる場合には、温度制御装置１１により醗酵室３内の温度が制御される。本実施例では、醗酵室３内に複数の醗酵容器１が格納されるので、醗酵室３内部の温度分布をコントロールできるようにすることが好ましい。例えば、図８の例では、醗酵容器
１Ｃの周辺のみ温度を下げるように制御する。

以上説明した実施例によれば、パン製造工場でのパン生地の膨化／醗酵プロセスにおける制御パラメータとして使用される内部温度の値を非接触で推定可能である。醗酵作業中、生地の表面温度を測定し、生地の熱物理的性質のデータベースを利用することで、醗酵状態チェックの非破壊的で汚染が少ない方法を提供することができる。特にイースト生地に関して、より詳細にはパン生地に関して、醗酵プロセスの効率および質を改善する、生地醗酵段階の間の内部温度変化を監視するシステムおよび方法を提供することができる。結果として、完成した醗酵済み製品のいくつかの特性を制御することができ、醗酵プロセ
スの効率を改善することができる。

本発明者らは、生地の高さ（Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}）とＣＯ_２ガス排出量の相関関係を、醗酵処理中の生地の異常状態を検出するために利用できることを見出した。この相関関係を用いることで、非侵襲的かつ汚染の少ない方法で醗酵状態が監視できる。そして、生地の醗酵状態に従って醗酵のフィードフォワード制御が可能となる。本発明者らは、上記知見を応用することで、生地の醗酵を監視・制御するシステムを構築・開発した。

実施例のシステムの一例は、パン生地を含む醗酵容器と、醗酵容器を収納するための醗酵室と、醗酵室の温度を測定するための温度検知装置と、生地の高さを検出するための高さ検知装置と、醗酵中の生地からのＣＯ_２ガス排出量を監視するためのガス検知装置と、閉鎖型醗酵室内の温度を加熱及び冷却するための温度制御装置と、生地の高さとＣＯ_２ガス排出量から判定した醗酵状態に基づいて温度を制御するための生地状態判定装置とを備える。

システムはまた、醗酵室の温度と、生地の高さとＣＯ_２ガス放出量の相関関係に基づいて、醗酵状態が正常状態であるか異常状態であるかをチェックするための醗酵データベースを含む。

本実施例によれば、生地に直接接触せずに、生地の高さ（Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}）の変化及びＣＯ_２ガス排出量を監視することで、パン生地の非侵襲、低汚染を達成することができる。更に、簡単な監視・制御システムで、醗酵処理の制御が可能になる。本実施例は、生地醗酵処理の自動化に適している。更に、醗酵終了点を目標醗酵時間に制御することが可能である。

図９は、横軸を生地の高さ（Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}）、縦軸をＣＯ_２ガス排出量として、所定の醗酵室の温度（Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}）下で４０分経過後の、パン生地の配合を変えた各種サンプルの状態をプロットしたものである。

醗酵処理を非侵襲的に監視するために、本発明者らは種々の醗酵状態パラメータを調査し、図９に示すように、生地の高さ（Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}）とＣＯ_２ガス排出量の相関関係が、醗酵処理中の生地の異常状態を検出するために利用できることを見出した。すなわち、生地の高さ（Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}）とＣＯ_２ガス排出量の両者で規定される数値により、醗酵状態が間接的に推定できるということを見出した。

図９のグラフ中で、点線で示される上限と下限の間が、醗酵の正常範囲を示している。４種類のマークでプロットされているサンプルは、パン生地において、夫々塩（Salt）、砂糖（Sugar）、水（Water）、イースト（Yeast）の分量を、基準値から所定量変更したものである。黒い三角で示されているイースト2.0ｇ、2.3ｇは、イーストの量が少ない場合であり、醗酵が不十分と考えられる。バツ印で示される塩1.96ｇ、2.04ｇは、塩の量が多い場合であり、グルテンが生成されず、パン生地からＣＯ_２が抜けてしまっているためＣＯ_２排出量が多いとと考えられる。

図９のデータは、パン生地の材料配分を変化させ、醗酵時間に対する生地の高さ（Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}）とＣＯ_２ガス排出量を測定し、出来上がったパンを検査することで、実験的に得ることができる。本実施例では、所定の醗酵時間の後に、所定のパン生地高さまでパン生地が膨らんでいる場合、これを正常と判定し、そうでないものは異常と判定している（後述の図１５参照）。このような知見に基づき、醗酵中のパン生地の異常状態を検出し、醗酵をフィードフォワード制御することにより、所定時間に生地が目的の高さに到達するように、醗酵状態を回復することができる。

なお、図９の例では、異常を判定する時間を４０分後にしているが、３０分後等に変更してもよく、適宜設定してよい。発明者らの検討によると、一般に時間は長いほうが判定しやすいが、長すぎると醗酵異常を正常に戻すための時間的余裕が少なくなってくる。

図１０により、本実施例のフィードフォワード制御の概念を説明する。醗酵容器１にパン生地２を供給し、パン生地２を含む醗酵容器１を醗酵室３に投入し、パン生地を特定の条件（特定の温度及び湿度）で醗酵させる。醗酵室３内の雰囲気温度（Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}）は、雰囲気温度センサ１０１で測定され、生地表面の高さ（Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}）は高さセンサ５で測定される。生地からのＣＯ_２ガス流出量はガスセンサ１０２で測定される。

本実施例では、Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}におけるＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}とＣＯ_２ガス排出量の相関値を評価し、事前に第１のデータベースとして準備しておく（ステップＳ１００１）。そして、センサで測定した生地表面の高さ（Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}）およびＣＯ_２ガス流出量と、第１のデータベースを比較することで、一定時間経過後にその時点における醗酵生地の状態が許容可能か否かを判定する（ステップＳ１００２）。異常状態が検出された場合に、第２のデータベースに基づき、醗酵室３の温度（Ｔ_ｓｅｔ）の変化を推定し、温度制御装置１１で醗酵室３内の温度を制御する（ステップＳ１００３）。

図１１により、本実施例の装置構成と図１０のステップＳ１００１における第１のデータベースの構築について説明する。最初に、醗酵室３を所定の温度（Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}）で維持する。次いで、所定の成分比で混合されたパン生地２を醗酵容器１に入れた後、この生地を醗酵室３に入れて醗酵を開始する。醗酵の進行とともに、生地の高さ及びＣＯ_２排出量が増加する。よって、醗酵の進み具合を知るために、高さセンサ５及びガスセンサ１０２によって生地の高さ（Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}）とＣＯ_２ガス排出量を測定する。

生地状態判定装置６には、雰囲気温度センサ１０１、高さセンサ５、ガスセンサ１０２、醗酵室の温度制御装置１１が接続されている。雰囲気温度センサ１０１、高さセンサ５及びガスセンサ１０２は互いに平行に、醗酵室３の最高点から一定の距離を置いて配置してもよい。

雰囲気温度センサ１０１は、温度計、熱電対、サーミスタ、又は赤外線（ＩＲ）検出器で構成することができる。任意に設定した測定時間において、雰囲気温度センサ１０１はフィードバックループを用いて醗酵室３を監視する。雰囲気温度センサ１０１の信号は、醗酵室３内の雰囲気の温度を測定できる。この測定により得られた信号は、温度・高さ・ガス検知部１０３に送信され保存される。

高さセンサ５は、実施例１〜３と同様に、たとえば超音波送受信機から構成することができる。センサーイメージングやレーザのような、パン生地２の高さを検出するための他の種類のセンサも使用可能である。

ガスセンサ１０２は赤外線（ＩＲ）検出器で構成できる。ＩＲセンサは、測定手段として二酸化炭素による赤外線の吸収を利用する。ＩＲセンサに代え、光学式、電気化学式や半導体式など、公知の二酸化炭素センサを用いてもよい。電気化学式は電気化学反応を利用して検出するものである。半導体式は、酸化スズのような半導体を使用して二酸化炭素を検出するものである。

また、システムは、温度・高さ・ガス検知部１０３、データベースの格納部８、計算部９及び表示部１０を含む生地状態判定装置６を備える。

温度・高さ・ガス検知部１０３は、各測定時間に雰囲気温度センサ１０１から得られる醗酵室３の温度検知信号、高さセンサ５からの高さ検知信号、及びガスセンサ１０２からのガス検知信号から得られる、連続的に入力されたデータを受信するために使用される。

データベースの格納部８は参照データベースを格納する記憶装置（例えば磁気ディスク装置や半導体メモリ）であり、第１のデータベースについては図１２に、第２のデータベースについては図１６に詳細に説明する。

図１２は、データベースの格納部８内の醗酵状態に関する第１のデータベースの一例である。第１のデータベースは、あらかじめ測定された醗酵時間１２０１の関数として、所定の生地成分１２０２と測定された醗酵状態との関係を示す多数のデータ１２０３を含む。更に、第１のデータベースは、醗酵室３の温度１２０４、パン生地の高さ１２０５、ＣＯ_２ガス排出量１２０６、及び醗酵生地の品質値１２０７のような変動値についての詳細を表す。これらは、予め実験を行ってデータを取得し、第１のデータベースとしてデータベースの格納部８に記憶する。第１のデータベースには、図９に示したような知見に基づき、パン生地の高さ１２０５とＣＯ_２ガス排出量１２０６が所定上限値を上回る場合、パン生地の塩分量が不適切（例えば多すぎる）との情報を含んでもよい。またパン生地の高さ１２０５とＣＯ_２ガス排出量１２０６が所定下限値を下回る場合、パン生地のイースト量が不適切（例えば少なすぎる）との情報を含んでもよい。

図１０のステップＳ１００２における異常状態検出法について説明する。生地状態判定装置６は、温度・高さ・ガス検知部１０３で得られたＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}と、Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}において得られたＣＯ_２ガス排出量を、第１のデータベースと比較し、特定時点における醗酵状態（正常であるか異常であるか）を判定する。

図１２に示した第１のデータベースによれば、図９に示したように、所定のパン生地の配合について、所定温度Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}及び任意の醗酵時間における、パン生地高さＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}及びＣＯ_２ガス排出量の値から、醗酵生地の品質値を知ることができる。このためには、所定のパン生地の所定温度の醗酵に関するデータ１２０３について、パン生地の高さ１２０５とＣＯ_２ガス排出量１２０６から、醗酵生地の品質値１２０７を参照すればよい。

図９に示すように、入力されたセンサからのＴ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}におけるＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}とＣＯ_２ガス排出量との相関値が正常状態の範囲内であれば、醗酵状態は正常と判定される。しかし、正常状態の範囲外であれば、異常状態であると判定される。

また、生地状態判定装置６は、図１０のステップＳ１００３のフィードフォワード制御において、計算部９での醗酵状態判定に基づいて温度制御装置１１を制御するための制御信号の出力を行う、生地状態制御部としての機能を有してもよい。生地状態判定装置６は、醗酵制御モデルに基づいて醗酵室３内の温度を上昇又は低下させるために、醗酵室３の温度制御装置１１に制御信号を送信する。従って、生地状態判定装置６は、醗酵処理を制御し、醗酵処理の効率及び質を向上させることができる。

図１３に示すフローチャートにより、温度制御装置１１の動作を詳細に説明する。図１３に示すように、生地成分の原材料を混練して得られた生地を醗酵容器１に投入し、醗酵容器１を所定の醗酵温度にあらかじめ維持した醗酵室３に移して醗酵処理を開始する（Ｓ１３０１）。

次いで、生地の高さＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}、ＣＯ_２ガス排出量、及び醗酵室の温度（Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}）を、予め定めた時間（例えば４０分醗酵後）に測定する（Ｓ１３０２）。

図９に示したように、計算部９では、Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}、ＣＯ_２ガス排出量及びＴ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}の測定値を用いて、測定値とあらかじめ取得した第１のデータベースとを比較することにより、生地の醗酵状態を判定する（Ｓ１３０３）。

Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}におけるＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}及びＣＯ_２ガス排出量の相関値が正常状態範囲内かどうかを判定して分岐を行う（Ｓ１３０４）。

相関値が正常状態範囲であれば醗酵は正常状態であると判定し、温度制御装置１１を作動させて醗酵室３内のその時点における温度を維持して醗酵を継続する（Ｓ１３０５）。

Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}におけるＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}及びＣＯ_２ガス排出量の相関値が正常状態の範囲外であれば異常状態であると判定する。その異常状態の原因は、あらかじめ測定した第１のデータベースから定義することができる。すなわち、生地高さＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}及びＣＯ_２ガス排出量との相関値が、正常状態範囲の上限値を超えているか判定する（Ｓ１３０６）。図９で説明したように、生地高さＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}及びＣＯ_２ガス排出量との相関値が、正常状態範囲の上限を超えている場合、塩分の量の管理に問題があることが推定される。この場合、パン生地から過剰にＣＯ_２ガスが放出されており、パン生地の微細構造に好ましくない変化が想定される。このため、醗酵状態は不合格と判定される（Ｓ１３１２）。パン生地の微細構造が所望の状態でない場合、不可逆的で回復ができない場合があるので、この場合には醗酵プロセスは失敗であったとして終了してもよい。

生地高さＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}及びＣＯ_２ガス排出量との相関値が、正常状態範囲の上限値を超えていない場合（すなわち、Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}及びＣＯ_２ガス排出量の相関値が正常状態範囲の下限未満である場合）、醗酵は異常と判断され、第２のデータベースを参照することで異常状態を回復させるために必要な設定温度Ｔ_ｓｅｔが決定される（Ｓ１３１７）。

先に図９で説明したように、Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}及びＣＯ_２ガス排出量の相関値が正常状態範囲の下限未満である場合には、イーストが足りずに醗酵が不十分であることが推測される。イーストは生物であるため、物理的に同量を投入しても、効果にばらつきがあることが考えられる。このような異常では、温度をフィードフォワード制御することで、醗酵を促進させ醗酵プロセスを正常に戻すことが期待できる。

Ｔ_ｓｅｔの値は、Ｔ_ｓｅｔ＞Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}に設定して温度を上昇させるか（Ｓ１３０８）、Ｔ_ｓｅｔ＜Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}に設定して温度を低下させるか（Ｓ１３０９）のいずれかによって操作される。

Ｓ１３０５、Ｓ１３０８、Ｓ１３０９の各工程で醗酵制御を実施した後、パン生地高さＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}を測定し、設定した時間に高さが所定の高さＨ_ｓｅｔ以上になるかどうかを判定する（Ｓ１３１０）。パン生地の高さが十分であれば、適切な醗酵が行われ、醗酵が終了したと言える（Ｓ１３１１）。しかし、それらの工程によって、パン生地高さがＨ_ｓｅｔ値に到達できなかった場合、醗酵状態は十分でないと判定される（Ｓ１３１２）。

図１４は、酵素活性に注目した酵母内部の代謝経路を示す概念図である。ここで、PCはピルビン酸カルボキシラーゼ酵素、AHはアルコール脱水素酵素である。一方、NAD+とNADHはそれぞれ酸化型と還元型のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを示す。図１４に示すように、醗酵処理中のＣＯ_２ガス排出の発生は酵素活性により制御され、温度に依存する。

時間当たりのパン生地高さの変化量ｄＨ／ｄｔは、醗酵異常が発生した場合に変更する必要がある。本発明者らは、アレニウス方程式を採用して醗酵制御モデルを構築した。

（式中、Ｈ、ｔ、Ｎ、Ｅ、Ｒ及びＴは、それぞれ生地の高さ、醗酵時間、定数係数、活性化エネルギー、ガス定数及び醗酵温度である。）
上記式を実行するために、種々の異常状態についての定数係数（Ｎ）及び活性化エネルギー（Ｅ）の値が必要である。このために、理想的には異常状態のあらゆる場合について種々の温度（１／Ｔ）における生地の高さの経時的変化（ｄＨ／ｄｔ）を含む第２のデータベースがあらかじめ準備される。現実的には、想定される典型的な異常状態について、データベース化しておけばよい。

図１５は、本実施例に従って醗酵室３内の温度を変化させることによって、ｄＨ／ｄｔを設定目標に達するように変化させる必要があることを示す概念図である。図１５(a)には横軸に時間、縦軸にパン生地高さを表示している。図１５(a)において、実線で示す醗酵異常のサンプルでは、パン生地高さの変化率ｄＨ／ｄｔが小さく、所定時間内に目標高さＨ_ｓｅｔに到達できない。そこで、図１５(b)に示すように、縦軸に示す醗酵室温度をＴ_ｓｅｔに変更（この場合は上昇）してｄＨ／ｄｔを大きくする必要がある。必要なｄＨ／ｄｔの値は図１５(a)のグラフの傾きから知ることができる。必要なｄＨ／ｄｔを得るために必要な温度は、第２のデータベースから得る。

図１６は、第２のデータベースの一例である。横軸は１／Ｔであり、縦軸は（ｄＨ／ｄｔ）の対数である。黒丸でプロットした箇所で、目的ｄＨ／ｄｔを得るための醗酵室温度を摂氏で併記している。第２のデータベースは前述のように、アレニウス方程式によって計算して求めておく。

図１７は、本実施例で使用した標準的な生地レシピ（Standard）及び、図９の知見を得るために調査した生地成分（Dough component）の範囲（Investigated range）を示す。成分は、小麦粉、水、塩、イースト、塩、砂糖、スキムミルク、無塩バターである。醗酵処理が実行されると、醗酵室の温度（Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}）、生地の高さ（Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}）及びＣＯ_２ガス排出量が監視され、同時に温度・高さ・ガス検知部１０３を介して生地状態判定装置６に入力される。

異常状態の検出及びフィードフォワード制御を実施するには、所定のパン生地高さ（Ｈ_ｓｅｔ値）及び設定時間による醗酵の成功目標の設定が必要である。

図１８は、醗酵の成功目標の例であり、模範的な配合のパン生地を用いて、所定温度、所定時間で醗酵を行った例である。このようなデータは実験的に得ればよい。判定基準を、醗酵温度２８℃において、醗酵時間７０分後にパン生地高さ９０ｍｍになるように設定する。黒い三角及び線は、それぞれＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}及びＣＯ_２ガス排出量の測定結果である。もちろん図１８は一例であり、他の成功目標を設定してもよい。

図１９にて、醗酵異常の検出とフィードフォワード制御の原理を説明する。図１９の左側のグラフは、図９と同様のものでありＨ_{ｓｕｒｆａｃｅ}及びＣＯ_２ガス排出量の相関から、醗酵異常を判定することができる。いま黒い三角で示されるイースト量を変化させたサンプルのうち、正常範囲内にあるイースト2.5ｇのサンプルと、イースト異常であるイースト2.3ｇのサンプルに着目する。

既述のように、Ｈ_{ｓｕｒｆａｃｅ}及びＣＯ_２ガス排出量の相関関係を第１のデータベースと比較することで、イースト2.3ｇのサンプルの４０分での異常状態を検出することができる。更に、この異常状態を制御して所定時間後にＨ_ｓｅｔ値に到達させるには、図１９の右側のグラフのように、現在のパン生地高さと目標パン生地高さ（Ｈ_ｓｅｔ値）との差ΔＨと、現在時間と目標時間（Ｓｅｔ ｔｉｍｅ）との差Δｔから目標ｄＨ／ｄｔを求め、図１６に示すように第２のデータベースを参照することにより、必要なＴ_ｓｅｔを判定することができる。

図２０は、実施例のモデルに基づく醗酵制御の結果を示しており、２８℃における正常状態（黒い三角のマークで示す）と制御で回復された異常状態（白い三角マークおよび黒丸で示す）を示している。図２０に示すように、２８℃で醗酵を行っていた場合、パン生地高さは白い三角のマークのように推移し、高さが不足であった。この結果、４０分後に異常状態が検出された。その後、生地状態判定装置６によって制御された温度制御装置１１を介して、Ｔ_{ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ}をＴ_ｓｅｔに迅速に変更した。この例では、Ｔ_ｓｅｔは３２℃である。醗酵室の温度をＴ_ｓｅｔに変更することで、パン生地高さは黒い丸のマークのように回復した。異常状態であっても、所定の設定時間で所定のパン生地高さに到達するという設定目標を達成するように制御が可能である。この例では、７０分後にパン生地高さ９０ｍｍに到達するように、温度Ｔ_ｓｅｔを制御している。このように、フィードフォワード制御を実施することにより、黒い三角マークのように正常な醗酵の場合と同様の結果を得ることができる。

実施例４においても、実施例３（図８）と同様に、製パン工場における大量生産に適する形態を採用することができる。ハードウェア構成はほぼ同じであり、センサ、データベースおよび制御システムを実施例４で説明したものに置換すればよい。

１ 醗酵容器
２ パン生地
３ 醗酵室
４ 温度センサ
５ 高さセンサ
６ 生地状態判定装置
７ 温度および熱感知部
８ データベースの格納部
９ 計算部
１０ 表示部
１１ 温度制御装置

Claims (22)

1. パン生地を収容する醗酵容器と、
   前記醗酵容器を格納する醗酵室と、
   前記醗酵室内の温度を検出する温度センサと、
   前記パン生地の高さを非接触で検出する高さセンサと、
   前記醗酵室内の二酸化炭素量を検出するガスセンサと、
   前記醗酵室内の温度を制御する温度制御装置と、
   前記醗酵室内の温度と前記高さと前記二酸化炭素量を入力とし、前記温度制御装置を制御する生地状態判定装置を備え、
   前記生地状態判定装置は、
   前記高さと前記二酸化炭素量に基づいて、前記パン生地の醗酵状態を推定するための第１のデータベースを備え、
   前記推定されたパン生地の醗酵状態に基づいて、前記温度制御装置を制御する、
   パン生地の醗酵を制御するシステム。
2. 前記生地状態判定装置は、
   前記第１のデータベースにより、前記高さと前記二酸化炭素量があらかじめ設定された上限を上回る場合醗酵不良と判定して醗酵プロセスを終了する、
   請求項１記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
3. 前記生地状態判定装置は、
   前記第１のデータベースにより、前記高さと前記二酸化炭素量があらかじめ設定された下限を下回る場合、前記温度制御装置を制御して、前記醗酵室内の温度を制御する、
   請求項１記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
4. 前記生地状態判定装置は、
   時間当たりのパン生地の高さの変化量と当該変化量を実現するために必要な温度との関係を示す第２のデータベースを備え、
   前記醗酵室内の温度を制御する際に、前記第２のデータベースにより、前記醗酵室内の温度の設定値を決定する、
   請求項３記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
5. 前記生地状態判定装置は、
   所定の時間において所定のパン生地の高さに到達するように、前記醗酵室内の温度の設定値を決定する、
   請求項４記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
6. 前記生地状態判定装置は、
   前記第１のデータベースにより、前記高さと前記二酸化炭素量があらかじめ設定された上限を上回る場合、前記パン生地に含まれる塩分量が不適切と判定する、
   請求項１記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
7. 前記生地状態判定装置は、
   前記第１のデータベースにより、前記高さと前記二酸化炭素量があらかじめ設定された下限を下回る場合、前記パン生地に含まれるイースト量が不適切と判定する、
   請求項１記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
8. パン生地を収容する醗酵容器と、
   前記醗酵容器を格納する醗酵室と、
   前記パン生地の表面温度を非接触で検出する温度センサと、
   前記パン生地の高さを非接触で検出する高さセンサと、
   前記醗酵室内部の温度を制御する温度制御装置と、
   前記表面温度と前記高さを入力とし、前記温度制御装置を制御する生地状態判定装置を備え、
   前記生地状態判定装置は、
   前記表面温度と前記高さに基づいて、前記パン生地の内部温度を推定するための醗酵データベースを備え、
   前記推定されたパン生地の内部温度に基づいて、前記温度制御装置を制御する、
   パン生地の醗酵を制御するシステム。
9. 前記醗酵データベースは、
   前記表面温度と前記高さに対して、前記パン生地の内部温度を対応付けた表面温度・内部温度関係テーブルを含む、
   請求項８記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
10. 前記醗酵データベースは、
    各醗酵時間における理想の内部温度を示す時間・温度テーブルを含む、
    請求項８記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
11. 前記生地状態判定装置は、
    前記推定されたパン生地の内部温度が、前記時間・温度テーブルが示す理想の内部温度より低い場合には、前記醗酵室の温度を上げるように前記温度制御装置を制御し、
    前記推定されたパン生地の内部温度が、前記時間・温度テーブルが示す理想の内部温度より高い場合には、前記醗酵室の温度を下げるように、前記温度制御装置を制御する、
    請求項１０記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
12. 前記生地状態判定装置は、
    前記推定されたパン生地の内部温度が、醗酵開始から所定の時間後に事前に定めた所定値となっているか否かの判定を行ない、所定値となっていない場合には警報を発信する、
    請求項８記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
13. 前記醗酵データベースは、
    前記表面温度と前記高さの関数として、パン生地の熱物理的性質を格納したデータベースを含む、
    請求項８記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
14. 前記醗酵室内部の雰囲気温度を測定する雰囲気温度センサを備え、前記生地状態判定装置は前記雰囲気温度を入力とし、
    前記醗酵データベースは、
    前記表面温度、前記高さ、および前記雰囲気温度の関数として、パン生地の熱物理的性質を格納したデータベースを含む、
    請求項１３記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
15. 前記パン生地の熱物理的性質は、
    パン生地の密度ρ、比熱CP、熱伝導率k、および発熱密度Qの少なくとも一つである、
    請求項１３記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
16. 前記生地状態判定装置は、
    前記パン生地の熱物理的性質を用いて、熱伝導方程式を逆計算することで、パン生地の内部温度の分布を推定する、
    請求項１３記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
17. 前記醗酵データベースは、
    温度の閾値として、T_D＞T_U＞T_Lの少なくとも３つを保持し、
    前記生地状態判定装置は、
    前記推定されたパン生地の内部温度T_MAXに基づいて、
    T_MAX＞T_Dであれば、警報を発信し、
    T_MAX＞T_Uであれば、前記醗酵室の温度を下げるように前記温度制御装置を制御し、
    T_L＞T_MAXであれば、前記醗酵室の温度を上げるように前記温度制御装置を制御する、
    請求項８記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
18. 前記内部温度T_MAXは、前記推定されたパン生地の内部温度に分布がある場合は、最高の温度である、
    請求項１７記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
19. 前記パン生地の高さが所定値に到達したか、前記パン生地の醗酵開始からの時間が所定時間経過したかのいずれかをもって、パン生地の醗酵終了を判定する、
    請求項８記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
20. 前記生地状態判定装置は、
    前記推定されたパン生地の内部温度の情報を、二次元または三次元の描画で表す表示装置を更に備える、
    請求項８記載のパン生地の醗酵を制御するシステム。
21. パン生地を収容する醗酵容器と、前記醗酵容器を格納する醗酵室と、前記醗酵室内部の温度を制御する温度制御装置とを備える設備を制御する装置であって、
    前記パン生地の表面温度と前記パン生地の高さの情報を入力とし、前記温度制御装置を制御する生地状態判定装置を備え、
    前記生地状態判定装置は、
    前記表面温度と前記高さに基づいて、前記パン生地の内部温度を推定するための醗酵データベースを備え、
    前記推定されたパン生地の内部温度に基づいて、前記温度制御装置を制御する、
    パン生地の醗酵を制御する装置。
22. 前記パン生地の表面温度を非接触で検出する温度センサと、前記パン生地の高さを非接触で検出する高さセンサとを備える、
    請求項２１記載のパン生地の醗酵を制御する装置。

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