JP4041673B2 - 超急速冷凍方法およびその装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、食材や食品等の鮮度を維持して長期保存を可能にする、更には生体細胞の保存保管をも可能にする超急速冷凍方法およびその装置に関する。
背景技術
従来より、食材や食品等の鮮度を長期に亘って維持して保存する方法として種々の冷凍方法およびその装置が開発されている。しかし、魚介類等の生鮮食品を冷凍する場合に、（１）冷凍・解凍後の不快臭（２）色調の変化（２）味覚の低下および（４）ドリップ（解凍時の液汁の流出）の発生等を完全には防止することができなかった。前記（１）〜（３）は、繁殖した細菌により食材が腐敗することや食材が酸化することに起因し、また（４）のドリップは、冷凍に長時間を要することに起因するもので、食材、食品等の冷凍対象物内の自由水（タンパク質等に拘束されずに自由に移動することができる水）が凍結してできる氷の結晶が大きく成長し過ぎて粗大化し、これにより細胞組織が破壊されるためである。つまり、凍結開始から完了するまでの温度域である０〜−２０℃の温度域を通過する時間が長いため氷の結晶が大きく成長し過ぎて粗大化することに起因している。
そのため、これを防止する方法として、最近、特開平１０−１７９１０５号公報に示すような冷凍技術が提案されている。
この提案の冷凍技術は、冷凍対象物を液体冷媒に直接浸漬若しくは液体冷媒を撒布することで冷却速度を上げて冷凍することにより、冷凍時に生じる氷の結晶の成長を抑制して細胞組織の破壊を防止するとともに、加えて冷凍対象物に電磁エネルギ（具体的には遠赤外線）を付与することによって水のクラスタを小さくして（以下、小クラスタと記す）、当該小クラスタが冷凍対象物内部に浸透し易くし、その小クラスタの細菌の繁殖抑制作用によって冷凍対象物内の生菌数を抑制し品質の向上を図ろうとするものである。
しかしながら、上記提案方法では、液体冷媒としてメタノール、エタノール、アセトン等を使用し、冷凍対象物を直接浸漬できないことも多い。このため、前記冷凍対象物が前記液体冷媒に直接接触しないように包装容器等に収容するという冷凍前処理工程が必要であるか、または直接浸漬して凍結する場合には解凍後に表面に付着した液体冷媒を洗浄除去するという後処理工程が必要であり、手間がかかるとともに、前記処理にも時間がかかりその間に鮮度が低下してしまうという懸念がある。
更に、前記冷凍方法は、液体冷媒と接触することによる熱伝達で冷却および冷凍されるため、外側から内側に向かって冷気が伝達されることになる。よって、冷凍対象物の外側から凍結が始まって徐々に内側に進行していく、すなわち凍結層が最初に外側に形成されて徐々に内側へと広がっていく。そして、その際、冷気は最初に形成された外側の凍結層を通過して内側に伝達するので、該凍結層によってその伝達が大きく阻害される。このため、特に内心部については、凍結完了までに比較的長時間を要してしまい、細胞組織の破壊を充分に防止することが困難である。
そして、特に医療分野の生体移植における冷凍保存の場合には、細胞組織が破壊されること、および処置時間がかかることは致命的であり、当該提案の冷凍方法は採用し得ないものであった。
発明の開示
本発明は、以上の課題を解決するものであって、その目的は、冷凍対象物の前処理・後処理を要せずに、冷凍対象物を内外温度差なく均一に急速に、いわば瞬間的に凍結させて、食材、食品の鮮度を高く維持して長期保存を可能にするだけでなく、生体細胞の冷凍保存保管をも可能にする超急速冷凍方法およびその装置を提供することにある。
かかる目的を達成するために、本発明の一つの態様による超急速冷凍方法は、冷凍対象物に一方向の磁場を作用させつつ、該冷凍対象物の周囲温度を−３０〜−１００℃に冷却して急速冷凍するステップを備える。
上記構成によれば、例えば冷凍庫内などで冷凍対象物を急速冷凍する際に、冷凍対象物に一方向の磁場を作用させるので、この磁場によって、冷凍対象物の構成分子およびその中に含まれる自由水分子の電子スピンや核スピンによって生じる磁気モーメントを一方向に揃えることができて、冷気を冷凍対象物の内部まで急速に伝達することができる。すなわち、冷却の際の冷凍対象物内の内外温度差、つまり冷却むらを著しく小さくして急速に冷却することが可能となる。このため、外側から凍結することなく全体が均一に一斉に凍結する。また、冷凍対象物の外側から凍結しないため、熱伝達を阻害する外側の凍結層が形成されずに冷気を内部に効果的に伝達できて、内部の冷却速度を著しく向上する。したがって、冷凍対象物全体に亘ってその凍結開始から完了までの時間を極短時間にすることが可能となる。
また、冷凍対象物に磁場を作用させながら冷却することによって、冷凍対象物内の自由水を過冷却状態にすることができる（尚、この時には、後述するように、該磁場によって自由水のクラスタが小さくなりクラスタの食品の基質への水和反応が促進されて水和構造体をつくることで、冷凍対象物内の自由水が少なくなるので、更に過冷却は促進される）。そして、更に冷却することによって該過冷却状態の自由水は凍結を開始するが、既に氷になるための潜熱相当分の熱量は奪われており該凍結は急速に進行して、結果凍結開始から完了までの時間を極短時間にすることができる。
そして、このような二つの作用が合わさり、凍結の際に結晶成長を起こし易い温度域である、０〜−２０℃の温度域を極短時間で通過して、もって前記自由水の氷の結晶が粗大に成長することを抑制し微細な氷結晶が生成する。したがって、氷結晶は微細なため、凍結の過程で冷凍対象物の細胞組織を破壊することを可及的に防止し、解凍時のドリップの発生を抑止して鮮度を高いレベルで維持することが可能となる。
ここで、上記磁場を作用させると過冷却状態となり、その後の凍結開始から完了までの時間を極短時間にできるのは以下のように考えられる。 冷却されると、冷凍対象物の分子および冷凍対象物内に含まれる自由水の分子の熱運動（この場合、殆どが分子を構成する原子間結合の伸縮振動、変角振動、分子の並進、回転運動等の熱分子運動に基づく熱振動であるため、以下熱振動と記す）が抑制されて、すなわち冷凍対象物の温度が低下する。そして、０℃以下の低温領域に移行する程前記熱振動が小さくなるが、電子スピンや核スピンの才差運動により、熱分子運動に基づく熱振動の低下が抑制され、電子スピンや核スピンによる熱振動が支配的となる。また、原子間結合にあづかる電子の軌道運動にも才差的運動を与えることにもなり、これによる影響も考えられる。ただし、通常は、電子スピンや核スピン同士で前記影響は相殺してしまって熱振動に与える影響は小さい。その結果この時点の振動は小さいため、自由水にあっては水素結合によって互いの分子の位置が固定されて氷の結晶となる。すなわち凍結が開始する。
しかし、磁場が作用すると、電子スピンや核スピンの磁気モーメントが一方向に揃うため、電子スピンや核スピンの才差運動の中心軸の方向が揃い易い。このため、電子スピンや核スピンの熱振動に与える影響が相殺し難くなり、電子スピンや核スピンによって熱振動は増長され大きくなる。そして、通常では凍結が開始する程まで冷却されているにも拘わらず、自由水分子の水分子相互間に作用する水素結合の振動は大きく保たれており、水素結合が固定されず氷となることができずに、結果過冷却状態となる。つまり、氷になるのに必要な潜熱に相当する熱量が奪われても、自由水は氷となることができずに不安定な水の状態のままでいる。そして、更なる冷却によってこの振動があるレベルよりも小さくなる、若しくは磁場の解除によって電子スピンや核スピンの振動に与える影響が互いに相殺されると凍結を妨げていた振動があるレベルよりも急激に小さくなり、水素結合によって互いの分子の位置が固定されて一気に凍結が進行する、すなわち凍結開始から完了までが極短時間で行われる。
以上のようなメカニズムで、磁場を作用させると過冷却状態にできて、その後の凍結開始から完了までが極短時間で行われると考えられる。
また、通常、冷凍対象物を構成するタンパク質や炭水化物の最小単位たる三次構造（種々のアミノ酸が一列につながってできた縮合高分子たる一次構造が丸まって略球状になったもの）の外表面に表出する極性基と水素結合して前記クラスタは結合水となるが、前記磁場を作用させることで、前記自由水分子の集合体たるクラスタを小さな集団（以下、小クラスタと記す）に分解できる。このため、前記三次構造の外表面に隙間なく、満遍なく小クラスタが結合して、単分子的な結合水層を形成し膜状に覆うようになる。すなわち、前記外表面全面に小クラスタが一様に単分子層状に付着して結合水膜を形成し、更に、この単分子層たる第１層の結合水に、分子間力によって水分子が結合して第２層、第３層の水和構造体をつくる。したがって、この結合水膜からなる水和構造体によって三次構造、すなわち冷凍対象物の酸化を防止できて鮮度を高度に維持することができる。
尚、前記結合水は、前記三次構造に強く引きつけられているため、その凝固点は降下して−１０〜−１００℃となっており、つまり通常は凍結しない水となっている。一方、小クラスタにすることで、三次構造の外表面に満遍なく自由水を結合させて、多くの自由水を結合水にすることができる。そのため、自由水の絶対量が減少して、自由水の結晶の粗大化を間接的に抑止することもできる。
更に、周囲温度を−３０〜−１００℃になるようにしているので、冷凍対象物表面の酸化を有効に抑止するとともに過剰な冷却を防止することができる。これは、−３０℃以上であると冷凍状態にあっても酸化が進行してしまうことを防ぎ得ず、−１００℃を超えて冷却しても冷凍サイクルの運転コストが嵩むだけで、酸化の進行の遅延効果はあまり高まらず経済的でないためである。
上記本発明の超急速冷凍方法では、前記一方向の磁場は、その強さが、１〜２００００Ｇｓの範囲における任意の固定値を基準とし該基準に対して正負方向に所定の範囲で、かつ５０又は６０Ｈｚの周波数でゆらぎ変動する。かかる構成によれば、冷凍対象物を急速冷凍する際に、磁場をゆらぎ変動するようにしたので、静磁場の作用に対する反作用、すなわち反磁場作用を緩和し、主たる磁場の作用による機能を有効に発現させることができる。
また、前記磁場がゆらぎ変動することによって磁束が変化し冷凍対象物内に電磁誘導が起こり、この電磁誘導によって生じた誘導起電力によってその内部に自由電子を誘起する。このため、冷凍対象物自身についてはこの自由電子によって還元されて、自身の酸化が防止される。また、冷凍庫内に存在する水分子や酸素分子にあっては、前記自由電子が付加されて、各々電子付加水（Ｈ_２Ｏｅ）やスーパーオキシドアニオン（Ｏ_２ ⁻）となり、この電子付加水およびスーパーオキシドアニオンはヒドロキシラジカル（活性酸素種・ＯＨ）等を生成するので、このヒドロキシラジカルによって細菌等の微生物の細胞膜を破壊することができ、もって生菌数を抑制することができる。
また、上記本発明の超急速冷凍方法において、前記冷凍対象物を１〜５ｍ／ｓｅｃの冷風で冷却するとともに、該冷風に可聴周波数帯域の音波を重畳する。かかる構成によれば、冷凍対象物に当てる冷風に音波を重畳しているので、該音波による空気の微小な圧力変動によって、冷凍対象物の表面や該冷凍対象物を載置するパンケースの表面に形成される、熱伝達を阻害する空気境界層を効果的に撹乱することができる。このため、熱伝達が良好となり、冷気による冷凍対象物の冷却速度が向上して急速な温度降下が可能となる。そして、その結果、自由水の氷の結晶の粗大化が生じる０〜−２０℃の温度範囲を短時間に通過させることができて、氷の結晶の成長を抑制することができる。
また、前記音波に可聴周波数帯域のものを使用しているので、冷凍対象物表面の前記結合水膜が破損されることが無く冷凍対象物表面の酸化を防止できる。すなわち、超音波周波数帯域等の周波数が大きい場合に生じる、冷凍対象物表面の結合水膜の剥離を防止することができる。
更には、冷気の風速を１〜５ｍ／ｓｅｃにしているので、対流熱伝達となって冷却速度を大きくしつつ、冷凍対象物表面の結合水膜の蒸発を抑止し冷凍対象物表面の酸化を防止することができる。つまり、風速が小さい場合には冷気と冷凍対象物間の熱伝達が小さくなって急速な温度降下による冷凍ができなくなるが、風速を１ｍ／ｓｅｃ以上としているのでこれを可及的に防止できる。また、風速が５ｍ／ｓｅｃを超えて大きくなると前記水膜が蒸発してしまい、冷凍対象物表面が露呈するためその表面が酸化してしまうが、５ｍ／ｓｅｃ以下としているのでそれも防止できる。
さらに、上記本発明の一の態様による超急速冷凍方法において、前記冷凍対象物に電場を作用させることができる。かかる構成によれば、前記電場によって冷凍庫内に存在する水分子や酸素分子に電子が付加されて、各々電子付加水（Ｈ_２Ｏｅ）やスーパーオキシドアニオン（Ｏ_２ ⁻）となり、この電子付加水およびスーパーオキシドアニオンはヒドロキシラジカル等を生成するので、このヒドロキシラジカルによって細菌等の微生物の細胞膜を破壊する。このため、冷凍時に電場を作用させることによって、細菌の生菌数を著しく減少することが可能となり、冷凍対象物の腐敗を抑制することができる。
本発明の他の態様による超急速冷凍装置の発明は、冷凍対象物の周囲の庫内温度を−３０〜−１００℃に冷却可能な冷凍庫と、該冷凍庫内の冷凍対象物に一方向の磁場を作用させる磁場発生手段とを備える。
前記磁場発生手段は、前記一方向の磁場の強さが、１〜２００００Ｇｓの範囲における任意の固定値を基準とし該基準に対して正負方向に所定の範囲で、かつ５０又は６０Ｈｚの周波数でゆらぎ変動する磁場を作用させるゆらぎ磁場発生手段とする。また、前記ゆらぎ磁場発生手段が、前記任意の固定値の強さの静磁場を作用させる静磁場発生手段と、前記所定の範囲でゆらぎ変動する磁場を作用させる動磁場発生手段とを有する構成としてもよい。かかる構成によれば、ゆらぎ磁場発生手段を静磁場発生手段と動磁場発生手段とに分離して構成したので磁場発生手段の選択の自由度が増す。
前記態様の超急速冷凍装置に、前記冷凍庫内の冷気を１〜５ｍ／ｓｅｃの風速で冷凍対象物に送風する送風手段と、該送風手段によって送風される冷風に、可聴周波数帯域の音波を重畳させる音波発生手段とを備える。また、前記超急速冷凍装置に、前記冷凍対象物に電場を作用させる電場発生手段を備えてもよい。この際、前記電場発生手段には、冷凍庫内に冷凍対象物を挟み込むように互いに対向して配設される少なくとも一対の電極と、該電極間に電位差を印加する電位差発生装置とを備えることができる。
前記冷凍庫は、庫内空間を画成する冷凍室画成壁と、該冷凍室画成壁の内壁面に設けられた遠赤外線吸収部材と、前記冷凍室画成壁を囲繞して設けられた断熱部材とを有するようにしてもよい。かかる構成によれば、冷凍対象物の輻射熱を遠赤外線吸収部材で吸収して冷却速度を向上することができるとともに、断熱部材によって庫内温度を維持できて冷却効率が向上する。また、この場合、前記静磁場発生手段として、前記冷凍室画成壁の外壁面に設けられて、庫内に静磁場を発生する永久磁石を採用し、前記動磁場発生手段としては、前記冷凍室画成壁の外側側方に設けられて、前記静磁場に対して順逆方向のゆらぎ変動する磁場を庫内に発生する電磁コイルを備えることができる。かかる構成によれば、静磁場発生手段として永久磁石を使用したので、ゆらぎ変動磁場を与える電磁コイルの容量を小さくすることができて、超急速冷凍装置のコストを低くすることができるとともに、消費電力も低くすることができる。また、前記電磁コイルを冷凍室画成壁の外側に設けたので、電磁コイルの発熱によって庫内の冷却が阻害されることも防止できる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の好ましい実施形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。第１図は本発明に係る超急速冷凍装置の一実施形態を示す正面図であって、第２図はその庫内中心断面を示す概略図である。また、第３図は、本発明に係る超急速冷凍装置の冷却速度を、従来の急速冷凍装置と対比して示すグラフである。
第１図及び第２図に示すように、本実施形態の超急速冷凍装置１は、庫内温度を−３０〜−１００℃に冷却可能な冷凍庫１１と、任意の固定値として１００Ｇｓを基準値とし、この基準値に対して正負方向に５Ｇｓのゆらぎ変動する磁場を冷凍庫１１の庫内中心に作用させるゆらぎ磁場発生手段たるゆらぎ磁場発生装置２１と、前記冷凍庫１１内の冷気を１〜５ｍ／ｓｅｃの風速で循環させる送風手段である送風機３１と、この送風機３１によって循環される冷風に、音圧レベルが２Ｐａで、かつそのエネルギーが１０^−２Ｗ／ｍ^２の可聴周波数帯域の音波を重畳させる音波発生手段たる音波発生装置４１と、前記冷凍庫１１の庫内中心に１００〜１０００ｋＶ／ｍの電場を作用させる電場発生手段たる電場発生装置５１とで構成される。
前記冷凍庫１１は、前面に開閉ドア１３ｃを有する密閉式の略直方体の本体１３と、この本体１３を冷却する冷凍機１７とからなる。
この冷凍機１７は、圧縮機１７ａ、凝縮器１７ｂ、キャピラリーチューブ（膨張弁）１７ｃ、蒸発器（エバポレータ）１７ｄとが円環状に繋がれて冷媒が循環するごく一般的な冷凍サイクルでなり、冷気を発生する前記蒸発器１７ｄ、キャピラリーチューブ１７ｃが本体１３の庫内に配され、圧縮機１７ａ、凝縮器１７ｂは庫外に配置されている。
前記本体１３は、奥行１．０ｍ×高さ１．５ｍ×幅０．８ｍの庫内空間を画成する冷凍室画成壁１３ａと、その外周囲を隙間をもって覆い、外部を画成する外郭壁１３ｂとからなる二重壁構造であり、この外郭壁１３ｂと前記冷凍室画成壁１３ａとの間には図示しない断熱部材が介装されるとともに、前記冷凍室画成壁の全内壁面には図示しない遠赤外線吸収部材がコーティングされて庫内の冷却効率を高める構成となっている。尚、本実施形態にあっては、冷凍室画成壁１３ａとしてアルミニウム板を使用し、その全内壁面に遠赤外線吸収率９５％のセラミックコーティングを施しているが、内壁面にプレート状の遠赤外線吸収部材を配設しても良い。
庫内の略中央には、食材、食品等の冷凍対象物３が載置される載置台１９が配置される。この載置台１９は、略コ字状の門形フレームを前後に対向配置して、アングル等の棒状部材で相互に接続した格子状のフレーム体１９ａと、このフレーム体１９ａの高さ方向の適宜間隔に固設された係止具１９ｃによって支持されるパンケース１９ｂとからなり、このパンケース１９ｂ上に冷凍対象物３が載置される。そして、前記パンケース１９ｂは、前記係止具１９ｃ上に着脱自在に係止されて、前記フレーム体１９ａ内に複数段の着脱自在の棚部を形成する。
この載置台１９の図示する右側方には、前記した蒸発器１７ｄが配置される。この蒸発器１７ｄは銅パイプを数回折り曲げて形成され、その内部に流れる冷媒が気化する時の潜熱で庫内を冷却する、つまり庫内冷気を生成するものであり、前記した庫外の圧縮機１７ａや凝縮器１７ｄ、キャピラリチューブ１７ｃと配管等で環状に接続されて庫内温度を−３０〜−１００℃に冷却可能な冷凍サイクルを構成する。
この蒸発器１７ｄと前記載置台１９との間には、前記庫内冷気を循環させる送風手段たる送風機３１が配置されている。この送風機３１は、モータ等により回転するフィン３１ａによって、蒸発器１７ｄで冷却された冷気を載置台１９上の冷凍対象物３に向けて水平方向に送風するものであり、各冷凍対象物３に対して均等な風速の冷風が送風されるように、高さ方向および奥行き方向に適宜間隔で複数台が配設される。そして、冷凍対象物３の位置での風速を１〜５ｍ／ｓｅｃの範囲で調整可能となっており、この風速は主に冷凍対象物の種類に応じて設定される。
尚、当該冷気の風速を１〜５ｍ／ｓｅｃにしているので、対流熱伝達となって冷却速度を大きくするとともに、冷凍対象物表面の結合水膜の蒸発を抑止して冷凍対象物表面の酸化を防止することができる。つまり、風速が小さい場合には対流熱伝達が有効にできず、冷気と冷凍対象物間の熱伝達が小さくなって急速冷凍ができなくなるが、風速を１ｍ／ｓｅｃ以上としているので、これを可及的に防止できる。また、風速が５ｍ／ｓｅｃ以上と大きい場合には、結合水膜が蒸発してしまい、冷凍対象物表面が露呈するためその表面が酸化してしまうが、５ｍ／ｓｅｃ以下としているのでそれも防止できる。
この冷風は、冷凍対象物３を冷却することで自身は暖まるため、冷凍対象物３と当接した後、対向する冷凍室画成壁面に沿って上昇し、天井下面および冷却器１７の後方の冷凍室画成壁面を伝って該蒸発器１７ｄへ戻るという循環経路を形成する。
この循環経路の一部である天井下面直下には音波発生装置４１が配置される。この音波発生装置４１は、５０若しくは６０Ｈｚの商用交流電源に接続された電磁コイル（図示なし）の振動によって空気の振動を起こして音波を発生する装置である。そして、その音波は、前記商用交流電源の周期と同じ５０若しくは６０Ｈｚ、およびその整数倍の倍音からなる可聴周波数帯域の低周波音であり、前記循環する冷風に重畳されて冷凍対象物３に当てられる。そして、この音波による空気の微小な圧力変動によって、冷凍対象物３の表面やこの冷凍対象物３を載置するパンケース１９ｂの表面に形成される、熱伝達を阻害する空気境界層を撹乱して、熱伝達が良好になるようになっている。
尚、前記音波に可聴周波数帯域のものを使用しているので、冷凍対象物３表面の結合水膜が破損されることが無く冷凍対象物３表面の酸化を可及的に防止できる。すなわち、超音波周波数帯域等の周波数が大きい場合に生じる、冷凍対象物３表面の結合水膜の剥離を防止することができる。
また、該音波は、その音圧レベルが２×１０^−４Ｐａ、かつそのエネルギーが１０^−１０Ｗ／ｍ^２から、同音圧レベルが６０Ｐａ、かつそのエネルギーが１０Ｗ／ｍ^２までの範囲を適用することが望ましく、この範囲を適用することで、結合水膜の剥離および騒音を防止しつつ、空気境界層を効果的に撹乱することができる。
前記電場発生装置５１は、前記載置台１９の各パンケース１９ｂ毎にその直上に配置される電極板と、最下段のパンケース１９ｂの直下に配置された電極板と、これら電極板に一枚置きに接続されて交流の高圧電位、すなわち高圧交流電位を印加する高圧交流電位発生装置５１ｃと、この高圧交流電位発生装置５１ｃが接続されない残りの電極板に接続されるアース部５１ｄとからなる。前記電極板は、前記高圧交流電位発生装置５１ｃによって高圧交流電位が印加される第１電極板５１ａと、アース部５１ｄを介して地面に接地される第２電極板５１ｂとに大別され、両者が上下方向に交互に配置されている。そして、第１電極板に高圧交流電位が付与されると、第１電極板と対向する上下の第２電極板との間の空間に、周期的に方向が反転する電場が生起され、その空間に位置するパンケース１９ｂ上の冷凍対象物３に鉛直方向の前記電場が作用するようになっている。この時、前記第１、第２電極板が交互に配置されているので、冷凍対象物３に作用する電場の方向は、第２図に波線で示すように、上下の隣接する棚部には互いに逆向きに作用する（但し、高圧交流電位が第１電極板に付与されるため、波線で示した電場の方向は周期的に反転する）。また、前記第１電極板５１ａは、図示しない絶縁材を介してフレーム体１９ａに固設されており、前記高圧交流電位発生装置５１ｃ以外とは電気的に完全に絶縁されている。そして、前記第２電極板５１ｂも、図示しない絶縁材を介してフレーム体１９ａに固設されており、アース部５１ｄ以外とは電気的に完全に絶縁されている。
前記電場の強さは、第１電極板５１ａに印加される高圧交流電位、およびこの電極板５１ａ・パンケース１９ｂ間距離とによって決定するが、冷凍対象物３に応じて前記高圧交流電位によって調整され、１００〜１０００ｋＶ／ｍの範囲で設定される。また、前記高圧交流電位は時間に対して正弦的に変化するように調整されている。
この電場が庫内に作用すると、庫内に存在する水分子や酸素分子に電子が付加されて、各々電子付加水（Ｈ_２Ｏｅ）やスーパーオキシドアニオン（Ｏ_２ ⁻）となるが、この電子付加水およびスーパーオキシドアニオンはヒドロキシラジカル等を生成するので、このヒドロキシラジカルによって細菌等の微生物の細胞膜を破壊することができる。このため、冷凍時に電場を作用することによって、細菌を制菌することが可能となり、冷凍対象物３の腐敗を抑止して品質を向上することができる。尚、冷凍対象物３の表面の細胞も前記ヒドロキシラジカルによって破壊されるが、その量は冷凍対象物の全体からみれば無視できるレベルである。
ここで、電場を１００〜１０００ｋＶ／ｍにしているのは、１００ｋＶ／ｍより小さいとヒドロキシラジカルの生成が少なくて生菌効果が小さいためで、１０００ｋＶ／ｍを超えると放電の虞があるからであるが、現実的には２ｋＶ／ｍ〜６０ｋＶ／ｍの範囲が適当である。
前記ゆらぎ磁場発生装置２１は、冷凍庫１１の庫内中心に静磁場を作用させる静磁場発生手段２１ａと、同庫内中心に該静磁場の強さの５％の振幅で、かつ該静磁場の正負方向にゆらぎ変動する磁場を作用させる動磁場発生手段２１ｂとからなる。前記静磁場発生手段２１ａは、１５００Ｇｓのフェライト板の永久磁石２１ａであり、１．０ｍ×０．１ｍ×０．０５ｍの矩形板で、一方の長辺がＮ極で他方の長辺がＳ極の極性を有するものである。そして、この永久磁石２１ａは、前記冷凍室画成壁１３ａの側壁外面に、上にＮ極側の長辺が位置するように、適宜間隔で複数枚が配設される。残りの三方の側壁外面にも極性の向きが同じになるように配設されて、庫内中心に位置する載置台１９上の冷凍対象物３に鉛直方向の静磁場を作用させるようになっている。本実施形態にあっては、上記１５００Ｇｓの永久磁石２１ａにより庫内中心の静磁場は１００Ｇｓに設定されているが、永久磁石の選定によってその静磁場の強さは変更可能である。尚、地磁気（０．３Ｇｓ〜０．５Ｇｓ）よりも大きければ、前述した磁場による作用は得られるため、１Ｇｓ以上であれば如何なる磁場でも良く、永久磁石の製造限界等を考慮すると１〜２００００Ｇｓの範囲が適当である。
また、前記動磁場発生手段は、電流を流すことにより磁場を発生する電磁コイル２１ｂであり、前記冷凍室画成壁１３ａの外側側方に冷凍室を挟んで２台設けられる。そして、この電磁コイル２１ｂは、電磁コイル２１ｂの軸が鉛直方向に向いて設置されるとともにある一定周波数の交流電流が流されることで、前記静磁場と平行に、前記周波数で順逆方向に正弦的に周期変動する磁場を庫内中心に作用する。そして、前記静磁場と前記変動する磁場、つまり動磁場が重ね合わされて、ゆらぎ変動する磁場が庫内中心に作用する。
例えば、本実施形態にあっては、前記電磁コイル２１ｂに５０若しくは６０Ｈｚの商用交流電源２２によって交流電流を流して、前記静磁場の強さの５％である±５Ｇｓの動磁場を形成するが、この動磁場と前記１００Ｇｓの静磁場とが重ね合わされて、庫内中心には９５〜１０５Ｇｓの範囲および５０若しくは６０Ｈｚの周期で正弦的に変動するゆらぎ磁場が作用するようになっている。
尚、磁場の変動の範囲を、前記静磁場の強さの５％の振幅の範囲、すなわち静磁場の強さを基準にして正負方向に各々５％の範囲としているが、該振幅は大きい程良い。但し、電磁コイルの電力消費を考慮すると、その振幅は１Ｇｓ〜１００Ｇｓの範囲が現実的である。
ここで、上記磁場の作用について説明する。
冷却中に上記磁場が冷凍対象物３に作用すると、この磁場によって冷凍対象物３の構成分子およびその中に含まれる自由水分子の電子スピンや核スピンによって生じる磁気モーメントが一方向に揃うので、冷気は冷凍対象物３の内部まで急速に伝達する。すなわち、冷却の際の冷凍対象物３内の内外温度差、つまり冷却むらが著しく小さくなり、内部まで急速冷却される。また、外側から凍結しないため、熱伝達を阻害する外側の凍結層が形成されずに冷気を内部に効果的に伝達できて、内部の冷却速度も著しく向上する。結果、冷凍対象物３全体に亘って均一に一斉に凍結し、その凍結開始から完了までの時間を極短時間にすることが可能となる。
また、冷凍対象物３に磁場を作用させながら冷却すると、冷凍対象物３内の自由水が過冷却状態になる（尚、この時には、後述するように、該磁場によって自由水のクラスタが小さくなりクラスタの食品の基質への水和反応が促進されて水和構造体をつくることで、冷凍対象物内の自由水が少なくなるので、更に過冷却は促進される）。そして、更に冷却することによって凍結を開始するが、既に氷になるための潜熱相当分の熱量は奪われており該凍結は急速に進行し、それと共に冷凍対象物３は急速に温度降下する。
結果、この二つの作用が相まって、前記自由水の凍結開始から完了までの時間が極短くなる、すなわち氷の結晶成長を起こし易い温度域である０〜−２０℃の温度域を急速に温度降下する。もって前記自由水の氷の結晶が粗大に成長することが抑制されて微細な氷結晶が生成し、該氷結晶は微細なため、凍結の過程で冷凍対象物３の細胞組織を破壊することが可及的に防止され、解凍時のドリップの発生も抑止されて、鮮度を高いレベルで維持することが可能となる。
また、通常、冷凍対象物３を構成するタンパク質の三次構造の外表面に表出する極性基と水素結合してクラスタは結合水となるが、前記磁場を作用させることで、自由水分子の集合体たるクラスタは小さな集団に分解される。このため、前記三次構造の外表面に隙間なく、満遍なく小クラスタが結合して膜状に覆うようになる。すなわち、前記外表面全面に小クラスタが一様に単分子層状に付着して結合水膜を形成する。したがって、この結合水膜によって三次構造、すなわち冷凍対象物３の酸化を防止できて鮮度を高度に維持することができる。
尚、前記結合水は、前記三次構造に強く引きつけられているため、その凝固点は降下して−１０〜−１００℃となっており、つまり通常は凍結しない水となっている。一方、小クラスタにすることで、三次構造の外表面に満遍なく自由水を結合させて、多くの自由水が結合水となる。そのため、自由水の絶対量が減少するので、自由水の結晶の粗大化を間接的に抑止することができる。
更にこの磁場をゆらぎ変動させると、静磁場の作用に対する反作用、すなわち反磁場作用を緩和し、主なる磁場の作用による機能を有効に発現させることができて、前述した磁場の効果を著しく向上することができる。
また、前記磁場がゆらぎ変動することによって磁束が変化し冷凍対象物内に電磁誘導が起こり、この電磁誘導によって生じた誘導起電力によってその内部に自由電子を誘起する。このため、冷凍対象物自身についてはこの自由電子によって還元されて、自身の酸化が防止される。また、庫内に存在する水分子や酸素分子にあっては、前記自由電子が付加されて、各々電子付加水（Ｈ_２Ｏｅ）やスーパーオキシドアニオン（Ｏ_２ ⁻）となり、この電子付加水およびスーパーオキシドアニオンはヒドロキシラジカル等を生成するので、このヒドロキシラジカルによって細菌等の微生物の細胞膜を破壊することができ、もって生菌数を抑制することができる。
次に、上述した本実施形態の超急速冷凍装置の冷凍特性を、従来の急速冷凍装置と比較して調査した結果について説明する。
調査方法としては、その機差を調査するために、各急速冷凍装置に同じ冷凍対象物を収納するとともに庫内温度の冷却パターンを同じにして、冷凍対象物が目標温度（−５０℃）になるまで冷凍し、その時の冷凍対象物中心温度の変化を調査した。また、その後−５０℃で４ヶ月間冷凍保存し、解凍後の冷凍対象物の品質を調査した。
調査条件を表１に、また調査結果として、冷凍過程の冷却速度を第３図に、解凍後の冷凍対象物の品質を表２および表３に各々示す。

第３図に示すように、冷凍庫の庫内温度の冷却パターンは本発明の超急速冷凍装置も従来の急速冷凍装置も一致させており、冷凍開始時に−４０℃に設定して、開始から２０分までの間は１℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却し、２０分以降は庫内温度を−６０℃に保持した。
冷凍対象物中心温度を見ると、冷凍開始の１０℃から−２℃までの冷却曲線は、従来と本発明とは一致しており、緩慢なカーブを描きながらゆっくりと温度低下している。しかしながら、冷凍開始から４５分経過して−２℃になったところで、本発明の超急速冷凍装置の冷凍対象物中心温度が急速に低下して、５８分に−２０℃に達している。すなわち、前述したように、凍結開始から完了までの温度域、すなわち凍結する過程の自由水の氷が粗大な結晶に成長する０〜−２０℃までの温度域を１３分という短時間で通過している。そして、その１５分後、すなわち冷凍開始から７０分にて目標の冷凍対象物中心温度は−５０℃に達している。これに対して、従来の急速冷凍装置は、図示していないが、冷凍開始から１８０分経過しても目標の−５０℃には到達していなかった。
また、冷凍対象物を−５０℃の温度で４ヶ月間冷凍保存後、解凍した後の各生鮮食料品の品質および生菌数を表２に示すが、従来の急速冷凍装置はドリップがあり変色して不快臭を放っているのに対して、本発明の超急速冷凍装置にあってはいずれの発生も無く、鮮度を冷凍開始時と同じ高いレベルに維持できることがわかる。更には、生菌数についても従来の場合は減少していないが、本発明にあっては著しく減少しており、特に大腸菌にあっては絶滅している。

このように、本発明によれば、冷凍対象物の細胞の破壊を防止するとともに、酸化等を抑止して、更には生菌を死滅させて腐敗を抑止することで鮮度を良好に維持できることが判明した。ちなみに、表１以外の条件であっても、本願発明の範囲については同様の効果があることを確認している。
尚、参考として、ジュース等の他の食材についても上記と同様の方法で調査をした。結果を表３に示すが、ジュースやワインについては冷凍・解凍後に水と果汁の分離が生じておらず、またオレンジやケーキについても外観・形状、味覚の変化が無く良好な結果が得られた。これは、ジュースやワインについては、果汁やワイン成分の三次構造の外表面に一様に結合水膜が形成されていて、この三次構造が周囲の水と容易に水和できるためである。また、オレンジやケーキについては、その三次構造外表面に形成された結合水膜によって酸化が防止されるとともに、解凍後にはこの結合水が自由水となって、解凍前と同じ状態、すなわちオレンジやケーキ中に均一に分布するためである。

第４図は前記実施形態の変形例を示す超急速冷凍装置の庫内中心断面図である。
ここで、本変形例は前記実施形態における動磁場発生手段たる電磁コイルの向きや配置を変更したものであり、その構成は概ね前記実施形態と同じであるため、同一の部材には同一の符号を付してその相違点についてのみ説明する。
図示するように電磁コイル２１ｃは、前記冷凍室画成壁１３ａの上壁外方に一台設けられる。そして、この電磁コイル２１ｃは、その軸が水平方向に向いて配置されるとともにある一定周波数の交流電流が流されることで、前記静磁場と垂直につまり水平方向に、前記周波数で順逆方向に正弦的に周期変動する変動磁場を庫内中心に作用する。つまり、庫内中心には、前記静磁場、およびこれに直交する方向の前記変動磁場たる動磁場が重ね合わされて作用するようになっている。
そして、この変形例によれば、静磁場にて冷凍対象物内の自由水分子の電子スピンや核スピンの磁気モーメントが一方向に揃うが、この静磁場と方向が直交する動磁場によって、前記磁気モーメントの向きは周期的に変えられて振動させられ、また動磁場に起因した電磁誘導により変動電場が生じ、該変動電場によって水分子の電気双極子が振動させられる。そして、特に水分子間相互に作用する水素結合が振動し水素結合の固定化を抑制するため、前述した過冷却状態が生じやすくなる。
尚、本変形例にあっては、前記鉛直方向の静磁場に、水平方向の動磁場を作用させたが、前記静磁場と異なる方向の動磁場を作用させれば、前述した水分子の振動を増長させる効果が得られる。このため、動磁場の方向は、静磁場に対して垂直な方向に限るものではなく、つまり、前記冷凍対象物に、前記一方向の磁場と異なる方向に、所定の強さで正負方向にゆらぎ変動する変動磁場を作用させるようにすればよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
（ａ）本実施形態においては、送風機３１で送る冷風に音波を重畳して空気境界層を撹乱したが、送風機３１のフィン３１ａの振動によっても脈動状ではあるが空気の圧力変動を生じることができて前記音波と類似の効果がある。このため、このフィン３１ａの振動を低減せずに逆に有効利用しても良い。
また、音波は、動磁場発生手段たる電磁コイルの振動によっても発生し、該音波は、前記商用交流電源と同じ周期の５０若しくは６０Ｈｚ、およびこれの整数倍の倍数からなる低周波数域のものであるが、これを有効利用してもよい。但し、音波の音圧レベルおよびエネルギーは前述した範囲が望ましい。
（ｂ）本実施形態においては、対となる電極板５１ａ、５１ｂを上下方向に対向して配置して、鉛直方向に電場を作用したが、１００〜１０００ｋＶ／ｍの強さの電場が冷凍対象物に作用するようになっていればこれに限るものではなく、対となる電極板を横方向に対向して配置し、冷凍対象物３に水平方向に電場が作用するようにしても良い。
また、本実施形態においては、電位発生装置として高圧交流電位発生装置を使用して、時間に対して正弦的に周期変動させて高圧交流電位を付与したがこれに限るものではなく、ステップ状に周期変動させても良いし、高圧直流電位発生装置によって静電位を付与して、すなわち電位を周期変動させずに一定の電場を作用させても良い。
（ｃ）本実施形態においては、磁場が鉛直方向に作用するようにしたが、一方向の磁場が冷凍対象物３に作用すればこれに限るものではなく、磁場が水平方向に作用するようにしても良い。例えば、冷凍室画成壁１３ａの天井壁外面や底壁外面に永久磁石２１ａを配設するとともに、その外方に電磁コイルを、そのコイルの軸が水平方向に向くように設けることで、前記水平方向の磁場を形成することができる。
また、本実施形態においては、任意の固定値を基準値とし該基準値に対して正負方向に５％のゆらぎ変動する磁場を、永久磁石によって形成される静磁場に、電磁コイルによる、前記静磁場の５％の動磁場を重ね合わせて達成したが、この方法に限るものではなく、以下のようして、永久磁石を用いない構成にて達成することもできる。例えば、前記商用交流電源２２に代えて、前記基準値の磁場を形成する大きさの直流電流を流せて、かつこの直流電流値を±５％の範囲で周期的に変動制御可能な特殊電源に前記電磁コイル２１ｂを接続させてもよい。
更には、本実施形態においては、ゆらぎ変動する磁場として、時間に対して正弦的に周期変動する動磁場を使用したがこれに限るものではなく、ステップ状にを周期変動する動磁場を使用しても良い。
（ｄ）本実施形態においては、冷凍機１７の冷凍サイクルを構成するのに、一般的に使用される圧縮機１７ａ、凝縮器１７ｂ、キャピラリーチューブ１７ｃ、蒸発機１７ｄからなるものを使用したが、冷凍対象物の周囲温度（庫内温度）を−３０〜−１００℃に冷却できればこれに限るものではない。
（ｅ）本実施形態においては、庫内冷気を冷凍対象物の周囲に送風して冷却した、すなわち冷凍対象物を冷却する冷媒として気体を用いたが、冷凍対象物の周囲温度を−３０〜−１００℃に冷却可能で、かつ前述した冷凍前処理・後処理工程を行える場合には、冷媒としてメタノール、エタノール等のアルコール類やエチレングリコールなども適用可能である。この場合の具体的な方法としては、庫内中心に液体冷媒を入れた容器を配置して、庫内中心に磁場を、必要があれば電場も加えて作用させながら、液体冷媒中に冷凍対象物を浸漬冷凍させる等が想定される。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明によれば、冷凍対象物に一方向の磁場を作用させつつ、その周囲温度を−３０〜−１００℃に冷却して急速冷凍するので、凍結の過程で冷凍対象物の細胞を破壊することを防止できるとともに、冷凍対象物を構成する三次構造の外表面の結合水膜によって酸化を防止することができるので、冷凍前の鮮度を解凍後に再現することが可能となる。
また、周囲温度を−３０〜−１００℃になるようにしているので、冷凍サイクルの運転コストが嵩むことなく効率良く冷凍対象物表面の酸化を抑止することができて、冷凍保存時のランニングコストを低く抑えることができる。
このようにして、冷凍対象物の鮮度を高度に維持することができ、品質の良い食材、食品を消費者に安価に供給することができる。また、血液や皮膚および神経細胞についても、これらを破損することなく冷凍可能であるため、生体移植等に使用される移植用の臓器もその機能を損なうことなく冷凍ができて、多数の人命を救うことができる。
前記一方向の磁場がゆらぎ変動するようにすれば、静磁場の作用に対する反作用、すなわち反磁場作用を緩和し、主なる磁場の作用による機能をよりいっそう有効に発現させることができる。また、冷凍対象物内に誘起された自由電子によってその酸化を防止できるともに、冷凍庫内にヒドロキシラジカル等を生成して、該ヒドロキシラジカルが細菌等の微生物の細胞膜を破壊するので生菌数を抑制することができる。したがって、冷凍対象物の腐敗を防止して鮮度を向上することができ、品質の良い食材、食品を消費者に供給することができる。
また、音波によって冷凍対象物の冷却速度が更に向上して急速冷凍ができるので、細胞の破壊を確実に防止できる。可聴周波数帯域の音波を使用し、更に冷気の風速を１〜５ｍ／ｓｅｃに設定すれば、冷凍対象物表面の水膜が破損されることが無くその酸化を防止しつつ冷却速度を上げることができる。
さらに前記冷凍対象物に電場を作用させれば、冷凍庫内に存在する水分子や酸素分子は、各々電子付加水（Ｈ_２Ｏｅ）やスーパーオキシドアニオン（Ｏ_２ ⁻）となるが、これらはヒドロキシラジカル等を生成し、該ヒドロキシラジカルが細菌等の微生物の細胞膜を破壊するので生菌数を抑制することができる。したがって、冷凍対象物の腐敗を防止して鮮度を向上することができ、品質の良い食材、食品を消費者に供給することができる。
また、静磁場発生手段と動磁場発生手段とを分離して構成すれば、磁場発生手段の選択の自由度が増す。したがって、費用対効果を勘案して安価な手段を採用することにより冷凍装置のコストを低くすることができる。
冷凍庫画成壁の内壁面に遠赤外線吸収部材を設けるとともに冷凍室画成壁の外周に断熱部材を囲繞して設ければ、庫内温度を効率的に維持できて、冷却のための消費電力の低減が図れる。
静磁場発生手段として永久磁石を使用すると、ゆらぎ変動磁場を与える電磁コイルの容量を小さくして、冷凍装置のコストを低くできるとともに、消費電力も低減することができる。また、前記電磁コイルを冷凍室画成壁の外側に設ければ、電磁コイルの発熱によって庫内の冷却能力が落ちることを防止できて、冷却のための消費電力の低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る超急速冷凍装置の一実施形態を示す正面図であって、第２図はその庫内中心断面を示す概略図、第３図は本発明に係る超急速冷凍装置の冷却速度を、従来の急速冷凍装置と対比して示すグラフ、第４図は本発明に係る超急速冷凍装置の変形例の庫内中心断面を示す概略図である。

Claims (5)

1. 冷凍対象物に一方向の磁場を作用させつつ、該冷凍対象物の周囲温度を−３０〜−１００℃に冷却して急速冷凍するステップと、
   前記冷凍対象物を１〜５ｍ／ｓｅｃの冷風で冷却するとともに、該冷風に可聴周波数帯域の音波を重畳するステップと、
   を備え、
   前記一方向の磁場は、その強さが、１〜２００００Ｇｓの範囲における任意の固定値を基準とし該基準に対して正負方向に所定の範囲で、かつ５０又は６０Ｈｚの周波数でゆらぎ変動する超急速冷凍方法。
2. 冷凍対象物に一方向の磁場を作用させつつ、該冷凍対象物の周囲温度を−３０〜−１００℃に冷却して急速冷凍するステップと、
   前記冷凍対象物を１〜５ｍ／ｓｅｃの冷風で冷却するとともに、該冷風に可聴周波数帯域の音波を重畳するステップと、
   前記冷凍対象物に電場を作用させるステップと、
   を備え、
   前記一方向の磁場は、その強さが、１〜２００００Ｇｓの範囲における任意の固定値を基準とし該基準に対して正負方向に所定の範囲で、かつ５０又は６０Ｈｚの周波数でゆらぎ変動する超急速冷凍方法。
3. 収容されている冷凍対象物の周囲の庫内温度を−３０〜−１００℃に冷却可能な冷凍庫と、
   該冷凍庫内の冷凍対象物に一方向の磁場を作用させる磁場発生手段と、
   前記冷凍庫内の冷気を１〜５ｍ／ｓｅｃの風速で冷凍対象物に送風する送風手段と、
   該送風手段によって送風される冷風に、可聴周波数帯域の音波を重畳させる音波発生手段と、
   を備え、
   前記磁場発生手段は、前記一方向の磁場の強さが、１〜２００００Ｇｓの範囲における任意の固定値を基準とし該基準に対して正負方向に所定の範囲で、かつ５０又は６０Ｈｚの周波数でゆらぎ変動する磁場を作用させるゆらぎ磁場発生手段である超急速冷凍装置。
4. 収容された冷凍対象物の周囲の庫内温度を−３０〜−１００℃に冷却可能な冷凍庫と、
   該冷凍庫内の冷凍対象物に一方向の磁場を作用させる磁場発生手段と、
   前記冷凍庫内の冷気を１〜５ｍ／ｓｅｃの風速で冷凍対象物に送風する送風手段と、
   前記送風手段によって送風される冷風に、可聴周波数帯域の音波を重畳させる音波発生手段と、
   前記冷凍対象物に電場を作用させる電場発生手段と、
   を備え、
   前記磁場発生手段は、前記一方向の磁場の強さが、１〜２００００Ｇｓの範囲における任意の固定値を基準とし該基準に対して正負方向に所定の範囲で、かつ５０又は６０Ｈｚの周波数でゆらぎ変動する磁場を作用させるゆらぎ磁場発生手段である超急速冷凍装置。
5. 庫内空間を画成する冷凍室画成壁と、該冷凍室画成壁の内壁面に設けられた遠赤外線吸収部材と、前記冷凍室画成壁を囲繞して設けられた断熱部材とを有し、前記庫内空間に収容された冷凍対象物の周囲の庫内温度を−３０〜−１００℃に冷却可能な冷凍庫と、
   前記冷凍室画成壁の外壁面に設けられて、前記庫内空間に静磁場を発生する永久磁石と、前記冷凍室画成壁の外側側方に設けられて、前記静磁場に対して順逆方向のゆらぎ変動する磁場を前記庫内空間に発生する電磁コイルとを有し、前記冷凍庫内の冷凍対象物に、１〜２００００Ｇｓの範囲における任意の固定値を基準とし該基準に対して正負方向に所定の範囲で、かつ５０又は６０Ｈｚの周波数でゆらぎ変動する一方向の磁場を作用させるゆらぎ磁場発生装置と、
   前記冷凍庫内の冷気を１〜５ｍ／ｓｅｃの風速で前記冷凍対象物に送風する送風機と、
   該送風機によって送風される冷風に、可聴周波数帯域の音波を重畳させる音波発生装置と、
   前記冷凍庫内に冷凍対象物を挟み込むように互いに対向して配設される少なくとも一対の電極と、該電極間に電位差を印加する電位発生装置とを有し、前記冷凍対象物に電場を作用させる電場発生装置と、
   を備えた超急速冷凍装置。

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