JP2900979B2 - 赤外atr法利用による乳酸発酵液の乳酸酸度測定法 - Google Patents
赤外atr法利用による乳酸発酵液の乳酸酸度測定法Info
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Description
(赤外ATR法)を用いた乳酸菌などの微生物による発
酵の制御方法に関する。さらに本発明は、乳酸発酵にお
ける発酵液中の乳酸酸度の測定方法に関する。
品、工業原料の生産などである。通常、これらの発酵の
制御は目的物質の生産量を、インラインセンサーによる
測定やバッチ式サンプリングによる分析などによって、
モニタリングしながら行われている。特に発酵食品の生
産にあたっては、発酵により生産される主要産物であ
る、有機酸やアルコールなどを指標として発酵状態を制
御するのが一般的であるが、このような主要産物の測定
に代えてpHや溶存酸素濃度、濁度などを測定すること
によって制御する場合もある。発酵食品のなかでも、乳
酸菌あるいは酵母を利用した発酵は、特に食品や飲料な
どの製造に古くから用いられている。例えば発酵乳、乳
酸菌飲料などは乳酸菌を用いた発酵の代表的な製品例で
あり、ビール、ワイン、清酒などは酵母を用いた発酵の
製品例である。
は以下に述べるようにして行われている。乳を原料とし
た乳酸発酵食品にあっては、牛乳、脱脂乳に脱脂粉乳あ
るいは濃縮乳を添加したりし、副原料を調合混和し、こ
れを常法に従い均質化、殺菌処理を行い、30〜50℃
に冷却後、混合乳酸菌スターターあるいは単独スタータ
ーを2〜3%接種し、30〜40℃に保温し、乳酸発酵
させて製造される。このとき発酵の停止は、通常、発酵
基質(上記の場合、乳あるいは、脱脂乳液または副原料
を添加した調製液)を冷却、又は加熱殺菌することによ
って行う。その発酵停止のタイミングの判定は、一般に
乳酸発酵によって生成した乳酸を、予めその濃度が測定
されているアルカリ標準液(通常、水酸化ナトリウム溶
液)を用いた滴定方法による乳酸酸度の測定あるいはp
Hを測定し、予めこの測定pHと酸度の相関関係を求め
ておき、この相関関係から決定している。しかし、これ
らの測定によって発酵停止を判定する方法は、計測が測
定者によるばらつきがあること、インライン測定に不向
きであること、温度による影響が大きいことなどの欠点
を有する。特に、乳酸酸度測定によって発酵停止を判定
する方法では、測定操作が煩雑なため測定時間に長時間
を要し、その測定の間に発酵が進み、停止のタイミング
が外れてしまい、過発酵となってしまうことがしばしば
あった。また、乳酸発酵では、インラインで発酵過程を
モニターする方法として、pHセンサーをタンク内に設
置してそのpH変化をモニターする方法も試みられてい
るが、pH電極の構造上から電極の内部液の基質中への
流出は避けられず、食品製造用のインライン測定法とし
ては不適当であった。
て実施されていた。即ち、製品により種々の発酵形態が
とられるが、一般的には、糖化した原料に酵母スタータ
ーを加えたもろみを発酵させ、通常、アルコール濃度5
〜20%に達した時点で発酵を終了させ、もろみ分離を
行う。この場合にもろみを採取し、ろ過を行い、このろ
液の分析を行うが、ろ過操作や分析に時間を要して適切
な発酵管理を行えないなどの問題点があった。
例はほとんどない。上記の問題を解決する手段として、
特公平2−9780では電磁誘導型の電気伝導率計を用
いた発酵管理法を提示しているが、この方法では電気伝
導率の温度による影響が大きく、電気伝導率の値が基質
成分によって大きく異なり、従来の乳酸酸度との対応が
一義的に決まらないなどの欠点がある。さらに、近赤外
線の吸光度測定により乳酸発酵を管理する方法も提案さ
れた(Giuseppe Vaccariら, "A Near-Infrared Spectro
scopy Technique for theControl Fermentation Proces
s: An Application to Lactic Fermentation",Biotechn
ology and Bioengineering, Vol. 43, p.913-917, 199
4) が、この方法は基質成分が発酵毎に異なった場合
に、吸光度と乳酸酸度などの管理値との回帰式を、再
度、求めなければならないという欠点があった。
させる方法とタンク内で発酵させた後に攪拌して製品に
する方法があるが、前者の場合、容器内の発酵状態をモ
ニターする必要があり、例えば特開平2−236141
号公報には、発酵して固化する食品を容器に入れ、シー
ルした後、容器ごと減衰自由振動させ、減衰自由振動の
周期、又は減衰自由振動数及び振幅を測定して発酵を制
御する方法が開示されたが、この方法では、発酵停止の
タイミングを任意に設定することが不可能であった。ま
た、アルコール発酵では、特開昭60─149374号
公報に開示されるように、発酵にともなって生産される
炭酸ガスおよびエチルアルコールガスを赤外線分析計に
より測定して、発酵もろみの発酵状態を制御する方法が
提案されたが、ここではガス化した成分を測定している
のであって、もろみ中に含まれる成分量の変化を測定し
て、発酵状態を制御するものではなかった。以上のよう
に、これまでの微生物による発酵の制御方法には多くの
問題点があり、発酵状態を精度良く制御する方法は提案
されていなかった。
吸光度分析について検討を行い、その発酵制御への応用
について検討を行ったところ、微生物による発酵過程に
おいて、代謝によって濃度変化する成分の特異赤外吸収
波数で、赤外吸光度を測定し、該吸光度あるいは吸光度
変化量を測定することにより発酵状態の変化を確認する
ことが可能なことを初めて見いだすとともに、この特異
赤外吸収波数での吸光度の変化が、発酵液中の発酵産物
と強い相関関係を有することを見いだした。本発明は、
このような知見に基づいてなされたもので、微生物によ
る発酵過程を赤外線吸光度分析方法を用いて直接測定す
ることによる発酵の制御方法の提供が課題である。ま
た、この赤外線吸光度分析によって発酵液中の特定成分
の定量測定を行う方法を提供することを課題とする。
の吸収スペクトル分析を行うことにより、各物質の特異
的な吸収波数を求めることができる。糖質、アルコー
ル、有機酸類には1200〜1000cm-1にC−OH由
来の伸縮振動、1150〜1070cm-1にC−O−C由
来の逆対称伸縮、1085〜1050cm-1にC−O由来
の伸縮振動、1250cm-1にC−O由来の伸縮振動、1
200〜1040cm-1にC−O骨格の伸縮振動、104
0cm-1にC−Oの伸縮振動、925cm-1に同じくC−O
に基づく特異吸収が認められる。このように900〜1
200cm-1の波数領域は、糖質、アルコ−ル及び有機酸
類に共通の吸収波数であり、この波数領域をこれらの物
質の指紋領域とよばれている。しかし、この波数領域を
物質の定量分析に利用することはこれまで行われていな
かったが、本発明者らは、この指紋領域を物質、特に糖
質の定量に用いることに着目し、特願平6─52663
号として既に特許出願した。本発明者らは、この赤外線
吸収の指紋領域についてさらに研究を行った結果、指紋
領域での極大吸収の変化を発酵制御に適用できることを
見出し、本発明を完成させた。
を赤外線分光光度計により測定し、発酵開始前の測定値
との吸光度の差を求め、この測定値を予め測定した発酵
制御値、例えば乳酸発酵の場合、乳酸酸度の変化と吸光
度の変化の相関式を求めておき、吸光度変化から発酵状
態を知ろうとするものである。本発明方法によれば、乳
酸発酵中の溶液、例えばヨーグルトミックスのような多
成分が存在する溶液においても、容易に乳酸濃度を求
め、発酵を制御することができる。しかも、赤外線吸収
分析方法により、水の影響を除いて、定量分析を行うた
めには、従来から採用されている透過型の分析方法では
困難であるが、赤外ATR法を用いることにより、水の
吸収と測定しようとする物質の吸収波数の分離が容易と
なる。このような赤外ATR法の採用によって、水の吸
収を分離して上述した指紋領域の吸収を取り出すことが
可能となり、物質の定量が可能となった。図1及び図2
に赤外ATR法によって測定した、夫々水及びグルコー
ス水溶液の吸収スペクトルを示すが、空気中の吸収スペ
クトルを分離することが好ましい。このスペクトルに見
られるように、900〜1200cm−1の波数領域
が、糖質、アルコール及び有機酸由来の特異吸収であ
り、この吸収を測定することで、発酵過程で基質の変化
を測定することが可能となるのである。
4に示したように、発酵溶液中の発酵過程にともなって
減少するが、この現象は、本発明者らが初めて見いだし
たものである。この領域の吸収スペクトルの吸光度の減
少は発酵過程における基質の減少と対応すると考えられ
るが、この吸光度の減少量は、発酵の進行、即ち目的と
する発酵代謝産物の生成量と強い相関関係を有してい
る。即ち、予め溶液中の代謝産物と、特定の波数におけ
る吸光度と発酵の進行にともなう代謝産物の濃度変化を
測定し、濃度と吸光度の減少との関係を測定した一次式
を立てておき、その波数の吸光係数を求めることで、代
謝産物の量を知ることができ、代謝産物の量から発酵の
状態を制御することができる。換言すれば、予め赤外A
TR法によって、任意の波数における成分ごとの、吸光
係数を求めておけば、赤外ATR吸光法によって発酵途
中の発酵溶液の測定を行うだけで、代謝産物の濃度を求
めることが可能となり、結果的に発酵状態を容易に制御
することができる。本発明における赤外ATRによる測
定は、液体の測定に使用できるものであれば、どのよう
な装置で実施しても使用可能である。本発明方法で使用
するATR吸収セルは、図3に代表的な構造を示すが、
これ以外の構造のセルであっても溶液の測定が可能なも
のであれば使用可能である。また、赤外線ATR分析装
置は、分散型、フーリエ変換型いずれであっても良い
が、特にフーリエ変換型が特に好ましい。このような赤
外ATR分析装置を生産ライン中に組み込むことによっ
て、オンライン非破壊分析測定装置とすることも可能で
ある。
より発酵過程を制御する方法は、これまで報告や発表さ
れたことがなく全く新しい考えである。本発明の実施例
では、乳酸発酵の例を示すが、乳酸発酵以外の発酵であ
っても、900〜1200cm-1の指紋領域に特異吸収
波数を持つ基質が代謝され、この特異吸収の減少が、代
謝産物の増加との相関関係を有するものであれば、本方
法によって測定及び発酵制御が可能である。このよう
な、本発明方法の適用できる発酵の例としては、グルコ
ース、乳糖、蔗糖、澱粉、麦芽糖などの糖質を基質とし
て、乳酸、酢酸、クエン酸などの各種有機酸を産生する
場合や、糖を基質としてエタノールなどのアルコール発
酵を行う場合などの発酵制御があげられる。
は基質に存在する乳糖を細胞内に取り込み、βガラクト
シダーゼによりグルコースとガラクトースに分解し、嫌
気的な代謝経路を通って乳酸発酵を行い、理論的には1
分子の乳糖から4分子の乳酸を生成させる。この量的関
係は実際は厳密には成立せず、ダイアセチルなどの微量
代謝産物への経路を通るものもあり、この量的関係は菌
の種類によって異なる。しかし、一定のスターター又は
乳酸菌株を用いる乳酸発酵における発酵制御値としての
乳酸酸度と基質内の消費乳糖等の糖類濃度との関係は線
形関係になり、この糖類濃度の変化を赤外ATR法によ
り測定すれば、この吸光度あるいは吸光度変化量を発酵
制御値として用いることができる。また、この吸光度変
化を従来の乳酸酸度のような発酵制御値に変換すること
ができる。このようなATR法による測定は、極めて短
時間に測定することが可能であり、結果として短時間の
高精度の発酵制御が可能となる。即ち、乳酸発酵の場
合、このようにして得られた基質の吸光度変化と乳酸酸
度の間には一次的な相関関係が成立し、吸光度変化を求
めることで、乳酸酸度を短時間に決定することができる
ので、赤外吸光度の測定により発酵過程をモニタリング
して制御することが可能となる。本発明では発酵過程の
乳酸発酵液の波数900〜1200cm −1 に特異吸収
をもち、発酵に従って濃度が減少する基質の特異吸収の
減少を、赤外線全反射減衰(ATR)法により測定し、
この吸光度あるいは吸光度変化量により乳酸発酵液の乳
酸酸度を測定する。 本発明では、波数1075cm −1
の吸光度を測定することがこの波数が乳酸発酵において
吸収が大きく変化するので好ましい。 特に、次式により
波数960cm −1 と1184cm −1 の吸光度により
補正した1075cm −1 の吸光度( 1075 )を測定
し、この値を用いて予め測定したR 1075 と乳酸酸度
との相関関係から乳酸酸度を測定することが好ましい。 R 1075 =〔(A 960 −A 1184 )×(960−
1075)/(960−1184)〕+(A 1075 −
A 960 ) (式中、A 960 ,A 1184 ,A 1075 は波長96
0cm −1 ,1184cm −1 ,1075cm −1 にお
ける吸光度をそれぞれ示す。)
る酵母によるアルコール発酵の制御もできる。測定に当
っては、発酵溶液を予め従来の発酵制御指標で測定し、
同一試料について赤外ATR法で吸光度変化を測定して
おく。即ち、吸光度の変化は、スターター接種前の吸光
度を測定し、各発酵時間の吸光度から差し引くことで、
吸光度の変化を求めることができる。また、吸光度の変
化は、指紋領域全体の吸光度の絶対量変化として表すた
めに、以下の実施例に示すように、指紋領域の極小吸収
波数960cm-1と1184cm-1を基にした補正値を
吸光度としてもよい。通常は、この極小吸収の平均吸収
からの差として測定に用いた波数の吸光度を補正すれば
よい。以下に実施例を示し、本発明方法をさらに詳細に
説明するが、本発明は実施例の方法に限定されるもので
はない。
s bulgaricusと Streptococcus thermophilus の混合ス
ターターを用いた乳酸発酵による発酵乳の生産管理に適
用可能なことを示す。赤外分光分析計は、パーキンエル
マー社製の1600型フーリエ変換赤外分光分析計を使用
し、この装置にATR装置として、ZnSeガラス製の液体
測定用セルを取り付けたGRASEBY SPECIA
L LIMIT社製の装置を使用した。このセルは、図
3の厚み 3.8mm、長さ59.2mm、45°カットのものを使用
した。これとコンピューター(SONY RCT-300) を接続し
て、ソフトウェアにIRデータマネージャー(PERKIN E
LMER IRDM)を用いて測定した。なお、測定は25°C の
温度で行った。この条件下で、予め赤外ATR法によっ
て水の吸収スペクトルを測定した。次いで10% 、12% 、
14% 重量濃度の各還元脱脂粉乳に、重量濃度3%になるよ
うLactobacillus bulgaricusと Streptococcus thermop
hilus の混合スターターを添加し、吸収スペクトルから
水の吸収スペクトルを差し引いた差スペクトルを測定し
た。各濃度の還元脱脂粉乳を恒温槽内で37°Cで発酵
させた。1時間毎にサンプリングして水酸化ナトリウム
標準水溶液による滴定法によって、乳酸発酵の発酵制御
値である乳酸酸度を測定し、同時に赤外ATR法によっ
て差スペクトルを計測し、指紋領域における差スペクト
ルの経時変化を図4に示した。この差スペクトルにおけ
る最も高いピークは1075cm-1近傍にあり、このピー
クは糖類のC−O−Cの伸縮振動に由来する。さらに差
スペクトルでは波数960cm-1と1186cm-1に極小吸
収を有しており、この時の吸光度から、1075cm-1の
補正吸光度を求めた。この補正吸光度R1075は、107
5cm-1の補正吸光度をR1075として、次の数1式で求め
た。
cm-1と1186cm-1の吸光度の各極小値の2点を結ぶ線
をベースラインとして、吸光度の極大値である波数10
75cm-1の吸光度を補正するものである。
吸光度R1075と測定した乳酸酸度との関係を図5に示
す。各濃度における還元脱脂粉乳を基質とする試料の補
正吸光度R1075と乳酸酸度とは線形関係にあり、その傾
きは還元脱脂粉の濃度によらず一定の値となった。この
結果から、この赤外吸光度の変化と乳酸酸度の変化量の
関係を表す1次式の係数は次の数2式から得られる。
本の直線の共通の傾きである。
にあるので、予めその傾きを算出しておけば、R1075変
化量から乳酸発酵で乳糖が消費され、乳酸に代謝される
過程を直接制御できる。このことは赤外吸光度を測定す
ることで、上記数2式から乳酸酸度を求めることができ
ることを示している。即ち、発酵生産の系が変わって
も、赤外吸光度と乳酸酸度の1次式を求めることができ
れば、R1075変化量から、発酵制御を行うことができる
のである。実際に測定した乳酸酸度と赤外ATR法によ
って測定した吸光度から得た乳酸酸度を夫々求め、乳酸
酸度の経時変化として図6に示した。図6に示すように
実際に測定した乳酸酸度と赤外ATR法によって測定し
た乳酸酸度とは一致しており、乳酸発酵の制御に本発明
方法を適用できることが確認された。従ってヨーグルト
などの発酵乳の生産において、赤外吸光度の変化を測定
することで発酵停止に最適な時間を決定することができ
た。
7℃の恒温槽内で還元脱脂粉乳濃度12% で乳酸発酵させ
た。このとき、スターターの接種濃度を1%、3%、5
%の条件下で発酵させた。赤外ATR法による測定は、
実施例1と同様にして行った。得られた補正吸光度R
1075と乳酸酸度量の関係を図7に示した。図7によれ
ば、補正吸光度R1075と乳酸酸度との関係は、同様に線
形関係にあり、その傾きはスターターの接種濃度によら
ず一定で、しかも実施例1で得られた傾きに一致した。
一方、この傾きを用いて実施例1と同様に実際に測定し
た乳酸酸度と赤外ATR法によって測定した吸光度から
得た乳酸酸度を夫々求め、乳酸酸度の経時変化として図
8に示した。図8に示すように実際に測定した乳酸酸度
と赤外ATR法によって測定した乳酸酸度とはほぼ一致
した。またスターターの接種濃度を変えても発酵制御に
は影響のないことが判明した。本発明方法の実施によっ
て、乳酸酸度を滴定法により測定するとき以上の測定精
度で、実際的な発酵制御が可能となった。
本発明方法による吸光度測定が乳酸酸度測定に代えて使
用可能であることが裏付けられた。実施例1、2で示し
た測定結果に基づいて、吸光度変化量と乳酸酸度変化量
の相関関係を求めた。各測定結果は次のように処理し
た。乳酸滴定酸度は、発酵前の滴定酸度を予め測定し、
この測定結果を差し引き、乳酸酸度の変化量とした。赤
外吸光度は、発酵前の吸光度を実施例1に従って測定
し、補正を行った値を求め、この値を各吸光度から差し
引き吸光度変化量とした。このように処理したデータを
図9のようにプロットした。両者は直線性を示し、両者
の相関関係を求めたところ、下記の数3式の回帰式を得
た。
る。
求めることができる。また、赤外吸光度は乳酸滴定酸度
と密接な相関関係があり、数2式と発酵開始前の乳酸酸
度を知ることで容易に発酵製品の酸度を測定することが
可能であった。
酵制御方法が提供される。また本測定方法は短時間で測
定することが可能であり、インラインセンサーとして用
いて、発酵中の代謝産物の変化を同時に定量することも
可能となる。
す。
スペクトルを示す。
示す。
法による差スペクトルの1時間おきの経時変化を示す。
正吸光度と滴定による乳酸酸度の相関関係を示す。
ける補正吸光度と滴定による乳酸酸度の関係を示す。
変化量と、赤外ATR法で測定した発酵中の吸光度変化
量との相関関係を示す。
Claims (3)
- 【請求項1】 発酵過程の乳酸発酵液の波数900〜1
200cm −1 に特異吸収をもち、発酵に従って濃度が
減少する基質の特異吸収の減少を、赤外線全反射減衰
(ATR)法により吸光度の減少として測定し、この吸
光度あるいは吸光度変化量により乳酸発酵液中の乳酸酸
度を測定する乳酸酸度の測定方法。 - 【請求項2】 波数1075cm −1 に特異吸収のある
基質の特異吸収の減少を測定する請求項1に記載の乳酸
酸度の測定方法。 - 【請求項3】 次式により波数960cm −1 と118
4cm −1 の吸光度により補正した1075cm −1 の
吸光度(R 1075 )を測定し、この値を用い、予め測
定した(R 1075 )の吸光度と乳酸酸度との相関関係
から乳酸酸度を測定する請求項1に記載の乳酸酸度の測
定方法。R 1075 =〔(A 960 −A 1184 )×(960−
1075)/(960−1184)〕+(A 1075 −
A 960 ) (式中、A960,A 1184 ,A 1075 は波長96
0cm −1 ,1184cm −1 ,1075cm −1 にお
ける吸光度をそれぞれ示す。)
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JP21530394A JP2900979B2 (ja) | 1994-08-17 | 1994-08-17 | 赤外atr法利用による乳酸発酵液の乳酸酸度測定法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP21530394A JP2900979B2 (ja) | 1994-08-17 | 1994-08-17 | 赤外atr法利用による乳酸発酵液の乳酸酸度測定法 |
Publications (2)
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP4674309B2 (ja) * | 2005-08-18 | 2011-04-20 | 国立大学法人三重大学 | 食品の味覚情報の取得装置 |
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JP2014126383A (ja) * | 2012-12-25 | 2014-07-07 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 有機物製造方法、有機物製造プロセスモニタ方法、及び有機物製造プロセスモニタ装置 |
JP6103956B2 (ja) * | 2013-01-24 | 2017-03-29 | サッポロビール株式会社 | 乳酒の製造方法及び乳酒 |
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1994
- 1994-08-17 JP JP21530394A patent/JP2900979B2/ja not_active Expired - Lifetime
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