JP4837228B2 - 脂肪含量を迅速に測定するための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、マイクロ波アシスト核磁気共鳴（ＮＭＲ）を用いた化学分析に関する。詳しくは、本発明は、ＮＭＲ及びマイクロ波放射線を用いて、サンプルの水分並びに、脂肪及び油の含量を測定することに関する。
【０００２】
発明の背景
本発明は、その材料の水分及び脂肪（及び油）の含量を知っておくと都合が良い食品又は他の材料の化学分析に関する。例えば、ホットドッグ及びチーズのような加工食品の商業生産では、脂肪及び油の含量を厳密に管理する必要がある。製造プロセス中に脂肪及び油の含量が変化すると、製品の品質に有害であり、生産経済性に悪影響を及ぼすことがある。より積極的な観点から、サンプルの脂肪含量は、質感、耐熱性、口あたり、及びフレーバ・リリースといった食品に関する有用な情報も提供する。更に、多くの食品は、食品が含有している脂肪及び油に関する様々な法定及び規定の標識と含量の要件が課せられている。脂肪及び油の含量についての情報は、種々の食品加工技術を管理するのに有益又は必要である場合が多い。
【０００３】
脂肪と油との間には殆ど化学的違いはなく、主たる違いは、脂肪は室温で固体であり、油は液体であるということであって、これは当業者には既知である。従って、「脂肪」及び「油」という用語は、本明細書中では区別なく用いることができる。
【０００４】
食品の水分及び脂肪含量を測定するための従来の方法としては、大規模な乾燥及び溶媒をベースとする化学的抽出が挙げられる。これらの従来の方法は時間がかかる。最も広範に用いられている試験法に固有のタイムラグによって、製造プロセスを最適な効率で運転することができない。更に、多くの方法は、費用がかかり、危険な場合が多く、廃棄問題を提起する溶媒を必要とする。従って、科学者は、サンプル中の脂肪及び油の含量を測定するための代わりの手段を求めてきた。
【０００５】
１９６０年代後半の科学者は、食品の脂肪及び油の含量を測定する代わりの手段としてＮＭＲを用いることを提案した。ＮＭＲ分析は、本質的には、ある種の原子の核が静磁場に配置され、次いで、第二振動電磁場に暴露されるときに起こる現象を測定する分光法である。ごく簡単に言えば、ＮＭＲ分析中、物質を、元素のある種の同位体の原子核の「スピン」に影響を与える電場中に配置する。核は、磁場に応答して特定の方向に配向する。第二無線周波数（ＲＦ）磁場（例えば、電波）を核に通す場合、ＲＦ場が特定の周波数に達すると、核中のプロトンは、再配向又は「フリップ」する。ＲＦ場を消失させると、核は、物質の分子構造に関するデータを提供するエネルギーを放出しながら「フリップ」バックする。核のこの往復配向は共鳴として知られている。
【０００６】
ＮＭＲ共鳴は、異なる材料に関して異なる周波数で起こる。液体では、ＮＭＲ共鳴のための周波数帯は比較的狭い。固体では、その周波数帯は広い。ＮＭＲ共鳴におけるこの違いにより、サンプルの固体成分のプロトンと、液体成分のプロトンとを区別することができる。この様式により、サンプルにおける液体及び固体の割合を決定できる。
【０００７】
「パルス」ＮＭＲと呼ばれるＮＭＲの別のタイプでは、サンプルは、サンプル中に存在するプロトン核磁気モーメントを磁化する（フリップする）無線周波数（ＲＦ）エネルギーのパルスに暴露される。そのパルスの後、プロトンは初期状態に戻る（緩和）が、プロトンの化学的環境、すなわちサンプルの組成を反映する特徴的な時間（緩和時間）をかけて戻る。パルスＮＭＲに関する代表的な（限定するものではないが）考察は、公開された英国特許出願ＧＢ２２６１０７２Ａに記載されている。
【０００８】
更に、適当な環境下で、ＮＭＲは、液体と固体を区別するだけではなく、化学化合物も区別できる。理論的には、理論的な環境下では、すべてのプロトンは、同じ周波数で共鳴するか、又は同じ時間で緩和すべきである。しかしながら、周囲に存在する電子によって所与のプロトンに作用している磁場が遮蔽されるので、プロトン周囲の電子密度に依存して、各プロトンは、わずかに異なる周波数で共鳴するか、又は異なる時間をかけて緩和する。その結果として、異なる化合物（及び化合物中の異なる官能基）は、異なる共鳴周波数及び異なる緩和時間を有する。これらの違いは、典型的には、用いられるＮＭＲのタイプに依存し、共鳴周波数又は緩和時間をプロットしているスペクトルに描かれたピークとして表される。
【０００９】
上記したように、ＮＭＲは、サンプルの成分を定量的に測定するための溶媒抽出の代替として有望である。しかしながら、そのような目的でＮＭＲを効率的に用いることは難しいことが分かっている。この難しさは、食品サンプルの脂肪及び油含量を測定する際に特に顕著である。
【００１０】
例えば、ＮＭＲ共鳴は、液体に関しては狭いバンドで起こり、この狭いＮＭＲ共鳴の領域を用いて、液体は固体から容易に区別される。従来の脂肪及び油の分析は、ＮＭＲ分析の前に、サンプル中のすべての脂肪及び油を溶かすことによって、これを利用している。多くの食品は含水量が比較的多いので、また含水量が多いと、通常はＮＭＲ分析が実行できなくなるので、食品サンプルは、典型的には、ＮＭＲ分析前に、完全に乾燥させなければならない。
【００１１】
サンプルを乾燥後、通常は、サンプル中に存在しているすべての脂肪及び油が融解し、更に、サンプル中に残っている液体が脂肪のみであると考えられるまで、サンプルを加熱する。脂肪及び油を融解させることは、脂肪及び油の一部がサンプルからこぼれ出ることも意味している。結果として、サンプルをオーブンから取り出し、ＮＭＲ分析の準備をするとき、サンプルはもはや元のサンプルが含んでいたのと同じ量の脂肪及び油を含んでいない。更なる短所としては、非常に高温な熱対流オーブン又は従来の電子レンジといった積極的な加熱手法を用いてサンプルの乾燥を速めると、サンプルの化学構造が変化し（例えば、肉を料理する）、ＮＭＲの結果が変わり、分析の正確さが低下するか、あるいはそれどころか不正確さが増す可能性がある。
【００１２】
従来の乾燥手法と関連のある問題を防止するために提案された１つの方法は、ＮＭＲ分析を行う前に、サンプルから水を化学的に除去する方法である。英国特許出願ＧＢ２，２６１，０７２号は、炭化カルシウム又は酸化カルシウムといった乾燥剤を添加することによって、サンプルから水を化学的に除去することを提案している。しかしながら、これらの乾燥剤の添加は、予期される含水量に基づいていなければならない。従って、乾燥剤を添加する際には誤操作は不可避である。そのような誤操作はサンプルの重量に影響を与え、おそらくは、それにより、脂肪及び油含量に関するＮＭＲ分析（水分がサンプル中に残留している場合）の結果は不正確なものとなる。
【００１３】
簡単に言えば、脂肪及び油含量を測定するための現在の方法は、高度の統計的な不確かさを有するか、又は連続製造プロセスには適していない。従って、既知の方法に固有の不正確さを有していない、サンプルの脂肪及び油含量を測定するための方法及び装置に関する必要性が存在している。おそらく、この新規な方法及び装置は、サンプルの油脂含量を迅速且つ正確に測定することによって、より効率的な総合的製造プロセスを提供する。
【００１４】
発明の目的及び要旨
従って、脂肪及び油含量のＮＭＲ測定を妨げると考えられる量で水分も含有するサンプルの含水量並びに、脂肪及び油含量を迅速且つ正確に測定するための方法及び装置を提供することが、本発明の目的である。
【００１５】
本発明は、脂肪及び油含量のＮＭＲ測定を妨げると考えられる量で水分も含有するサンプルの脂肪及び油含量を迅速且つ正確に測定する方法によって、上記目的を達成する。本発明の方法は、サンプルを計量し、そしてそのサンプルをマイクロ波周波数の電磁放射線に暴露することによって乾燥することを含む。サンプルを支持しているパッドと共にサンプルを完全に乾燥させた後、そのサンプルをＮＭＲ分析器に移す。ＮＭＲ分析器は、脂肪及び油と関連のあるサンプルにおけるプロトンの応答を同定する。サンプルのＮＭＲ応答を、既知の脂肪及び油含量を有する類似のサンプルのＮＭＲ応答と比較する。この比較を、乾燥工程前、乾燥工程中及び乾燥工程後に集められた重量データの分析と関連させることによって、サンプル中の脂肪及び油含量を定量的な測定が達成される。
【００１６】
また、本発明は、脂肪及び油含量のＮＭＲ測定を妨げると考えられる量で水分も含有するサンプルの脂肪及び油含量を迅速且つ正確に測定するための装置を用いて、上記目的を達成する。本発明による装置は、脂肪及び油を含有するサンプルを受容するためのサンプルパッドと、サンプルを乾燥させるためのマイクロ波線源とを含む。マイクロ波線源は、サンプル及びサンプルパッドを受容するためのキャビティへとマイクロ波が伝わるようになっている。サンプルの乾燥前、乾燥中及び乾燥後にサンプル及びサンプルパッドを計量するための天秤が、キャビティ内に、少なくとも天秤の皿と共に存在している。更に、本装置は、サンプルの諸成分のＮＭＲ応答を測定するためのＮＭＲ分析器を含む。好ましい態様では、ＮＭＲ分析器及びマイクロ波装置は、互いに十分に近接して位置しており、マイクロ波キャビティからＮＭＲ分析器へとサンプルを移す間に、サンプルが有意に温度低下するのを防止する。
【００１７】
本発明の上記及び他の目的と利点、並びに同じものが達成される様式は、以下の添付の図面と関連して成される具体的な説明に基づいてより明確になる。
【００１８】
具体的な説明
本発明は、脂肪及び油含量のＮＭＲ測定を妨げると考えられる量で水分も含有するサンプルの脂肪及び油含量を迅速且つ正確に測定するための方法及び装置である。本発明の理解を助けるために、ＮＭＲの背景理論を簡単に再検討することは有益である。読み手の啓発のためＮＭＲの古典的な電磁気理論を示す。しかしながら、当業者であれば、量子力学理論のようなＮＭＲの他の理論も適用できることは理解できる。しかし、これらの理論に関する詳細な考察は本発明の好ましい態様を理解するには必要がない。
【００１９】
ある種の原子の核は「スピン」と呼ばれる特性を有する。この特性は、しばしば、磁石でできているコマと同様な現象として視覚化される。言い換えれば、スピンを有する原子の核は、角運動量と磁気モーメントも有する。このことを考察するために、例として水素原子の核（例えば、プロトン）が役立つ。
【００２０】
ここで、図１ａ〜１ｄを参照すると、一定の磁場Ｃに配置したとき、磁気モーメント１０及び角運動量１２を有するプロトンは磁気トルクを受け、トルクにより、プロトンの磁気モーメント１０は一定の磁場Ｃに対して平行に並ぶ。また、プロトンの磁気モーメントは、磁場に対して平行な軸（Ｚ）に沿って歳差運動する。
【００２１】
次いで、一定磁場Ｃに対して垂直であって、且つプロトンの歳差運動速度と同じ周波数（すなわち、ラーモア周波数）で振動する、交流磁場Ａ（例えば、ＲＦ磁場）にプロトンを暴露すると、プロトンの磁気モーメント１０は、一定磁場に対して平行な方向（すなわち、Ｚ軸）から傾く。プロトンの磁気モーメントは、拡大する円錐のように、より大きな角度１４で歳差運動し始める。
【００２２】
交流磁場Ａを連続印加することにより、磁気モーメント１０の遠位末端は、Ｘ−Ｙ平面に達するまで下方にドライブされる。図３ｃに示すような、プロトンの磁気モーメント１０を下方へＸ−Ｙ平面までドライブするのに充分に持続するラーモア周波数の交流磁場Ａのパルスは、９０度パルスと呼ばれている。この位置において、磁気モーメント１０は、近くに配置されている電気導体１６を横切ることにより、その電気導体１６中で流れる電磁ポテンシャル又は電流を誘導することができる掃引磁場を創り出しながら、円周路で回転する。ＮＭＲ分光法のための基礎を形成するそのような電流は検出することができる。交流電流Ａが除かれると、プロトンの磁気モーメント１０は「緩和」（崩壊とも言われる）し、最後には、その元の位置に戻る。磁気モーメントの再配向及び再配置は共鳴と呼ばれる。
【００２３】
ＮＭＲの分析能は、（１）共鳴周波数、及び（２）ほとんどの核の緩和時間の両方が、核の分子環境又は近くの化学結合に依存して、極めてわずかにであるが、測定可能な程度で変化するという現象から得られる。言い換えれば、特定の核のＮＭＲ応答は、周囲の原子と、その原子間の結合のタイプとによって影響される。例えば、上記したように、液体の核（すなわち、水中の水素プロトン）は、固体の核に比べて共鳴が異なる。適当な装置を用いると、ＮＭＲは、２種類の化学官能基及び３種類以上の化学官能基でも区別できる。メチル基中のプロトンは、エチル基中のプロトンに比べて共鳴が異なり、すなわち異なる化学シフトを有する。
【００２４】
本発明は、マイクロ波手法とＮＭＲ現象の両方を用いて、サンプルの含水量並びに、脂肪及び油含量を測定する。特に、本発明は、サンプルの脂肪及び油含量の正確なＮＭＲ測定を妨げると考えられる量で水分（すなわち、水中の水素プロトン）も含有するサンプルの脂肪及び油含量を測定するのに有用である。一の態様では、本発明は、サンプルの水分並びに、脂肪及び油含量を迅速且つ正確に測定する装置を含む。広い意味では、本発明は、サンプルを乾燥させるための装置、サンプルを保持するための担体又はパッド、及びサンプルのＮＭＲ分析を行うためのＮＭＲ分析器を含む。更に詳しい意味では、図２を参照して、本発明に従った装置は、サンプル２２を乾燥させるためのマイクロ波線源２０と、サンプル２２及びサンプルパッド２６を受容するための、マイクロ波線源２０からのマイクロ波が伝わるようになっているキャビティ２４とを含む。マイクロ波発生器２０及びキャビティ２４は一緒になって、ひとまとめに３０で示されるマイクロ波装置を形成する。また、その装置は、乾燥前、乾燥中及び乾燥後にサンプル２２を計量するためのキャビティ２４に、少なくとも天秤の皿を有する天秤２８も含む。
【００２５】
本発明のＮＭＲ分析は、化学シフト法又はパルスと緩和の手法を用いて実行できると理解される。前者の手法では、化学シフトスペクトルが得られ、後者の手法では、信号強度対時間のプロットが得られる。いずれか一方又は両方を簡便に説明するために、本明細書では「ＮＭＲ応答」という用語を用いる。また、性能が更に向上している磁石が、ＮＭＲ装置及び他の用途のために開発されていることも理解される。従って、そのようなより良い磁石により、本発明の方法及び装置において、性能を含む両方のタイプのＮＭＲ装置の性能は有意に向上する（又は、ＮＭＲ装置の大きさを縮小させる、若しくは性能の向上と大きさの縮小の両方）ことが期待される。
【００２６】
適当なマイクロ波装置３０としては、SMART SYSTEM ５（商標）のようなノースカロライナ州マシューズにあるCEM Corporation によって製造されているいくつかのマイクロ波装置のいずれかが挙げられる。しかしながら、そのような装置は、本発明に従って用いることができる装置の一例であって、限定するものではないことが理解される。好ましくは、マイクロ波装置３０は、マイクロ波放射に暴露されるときにサンプルの温度をモニターするためのセンサー３４を備えている。適切な技術及び装置は、その内容全体を参照により本明細書中に援用する"Method and Apparatus for Measuring Volatile Content" という米国特許第６，２２７，０４１号に記載されている。好ましくは、センサー３４は、マイクロ波源の電力出力を調節して乾燥プロセスの間の温度を一定温度に維持することができる共鳴インバーター３２のような制御装置に接続される。そのような能力を有する装置は、米国特許第６，０８４，２２６号及び１９９９年６月３０日に出願された米国特許出願第０９／３４３，３４９号（米国特許第 号）に記載されており、前記の特許及び出願は、"Continuously Variable Power for Microwave Assisted Chemistry" という名称で、この出願と共にノースカロライナ州マシューズにあるCEM Corporationに通常に譲渡されており、また、参照によりその内容全体は本明細書中に援用される。
【００２７】
ＮＭＲ装置は、好ましくは、パルスＮＭＲ装置である；すなわち、化学シフト（共鳴）ではなくＲＦパルス後のプロトンの緩和時間を測定してから、信号強度対時間のプロットを提供する装置。パルスＮＭＲの詳細な理論及び操作、並びにフーリエ変換を用いて関連する情報を有用な形態で提示することは、当業において充分に理解されているので、本明細書では、それらの基礎となっていて良く理解されている概念及び実行に関してではなく、本発明に関して考察することとなる。しかしながら、適切なパルスＮＭＲ装置は、限定されないが、英国オックスフォードにあるOxford Industries plcを含む多くの販売元から入手可能である。
【００２８】
本明細書中で使用する「プロトンの緩和時間を同定する」という用語は、限定されないが、フーリエ変換を用いて信号強度対緩和時間のプロットを作成し、それによって脂肪及び油に関する所望の情報を提供することを含む、このようなデータのあらゆる適切な解釈をも意味していることが理解される。
【００２９】
本発明に従った装置で用いられるサンプルパッド２６は、特許請求の範囲に記載されるＮＭＲ分析法において用いるために具体的に設計される。上記したように、ＮＭＲ分析を用いる脂肪及び油の測定のための現在の方法は、融解の間の流出によりある割合の脂肪及び油が失われてしまうので、信頼性の高い測定値が得られない傾向がある。特許請求の範囲に記載される発明は、マイクロ波乾燥装置からＮＭＲ分析器へと直接移すことができ且つＮＭＲ分析用のサンプル全体を保護するサンプルパッドを取り入れることによって、この不確かさを排除又は低減する。
【００３０】
サンプルパッド２６は、マイクロ波放射線に対して実質的に透過性であって、且つ、サンプル中の脂肪及び油に存在しているプロトンのＮＭＲ応答を妨害するか又は隠蔽すると考えられる原子を含まない。本明細書を通じて使用する「脂肪及び油に存在しているプロトンのＮＭＲ応答を妨害するか又は隠蔽すると考えられる原子を含まない」という特徴付けは、ＮＭＲ測定を妨害し得ると考えられる原子がサンプルパッド中に全くないことを意味していると理解すべきである。この特徴付けは、製品が、この場合はサンプルパッドが、前記原子を、ＮＭＲ分析に関する効果が統計的に有意でない程度に少量含有することを意味している。好ましくは、パッドは、低質量、多孔性、親水性及び親油性である。パッドが親水性であると共に多孔性であることにより、サンプルを乾燥させる前に流出し得る元のサンプル中に存在しているいかなる液体でも保持されるので、元のサンプルについて正確な重量測定が可能となる。パッドが親油性であると共に多孔性であることにより、サンプルの乾燥中に融解された脂肪又は油がサンプルパッド中に確実に保持されるので、サンプルの乾燥後に正確に重量測定することができる。また、サンプルパッドは、ＮＭＲ分析器の分析室中に挿入するのに充分な大きさで且つ柔軟でなければならない。サンプルパッドを作製するために用いる適当な材料としては、石英ファイバー又はガラスファイバーが挙げられ、マイクロ波手法における前記材料の使用は、例えば、本明細書と共に通常に譲渡され且つ山椒によりその内容全体を本明細書中に援用する米国特許第５，３７８，８７８号に同様に記載されている。
【００３１】
また、本発明に従った装置は、好ましくは、油、融解脂肪、及び他の液体に関して無孔性であって、且つサンプル中の脂肪及び油に存在するプロトンのＮＭＲ応答を妨害又は隠蔽すると考えられる原子を含まないシート材料も含む。この材料は、ＮＭＲ分析中サンプル及びサンプルパッドを包む。シート材料は、ＮＭＲ分析の間サンプルの一体性を保つのに役立つ。ポリテトラフルオロエチレンポリマー（ＰＴＦＥ）、テフロン、又は上記特徴を有する他の同様な材料は、シート材料として用いるのに適している。ＰＴＦＥシートは、例えば、 カリフォルニア州サンディエゴにあるRideout Plastics Company，Inc．から"e-com plastics"という商標で市販されている。
【００３２】
本発明に従った装置は、元のサンプルの水分及び脂肪の含量を定量的に評価するためのＮＭＲ分析器３６及びプロセッサー３８も含む。更に、多くの食品に関して、サンプルの残りの部分（すなわち、水、油又は脂肪以外の部分）は、殆ど完全にタンパク質（肉、魚、乳製品）又は完全に炭水化物（果実及び野菜）であることが知られている。従って、初期サンプルの測定重量を含水量及び脂肪及び油含量の結果を組合せて用いると、元のサンプルに存在しているタンパク質又は炭水化物の絶対量及び割合量を決定できる。
【００３３】
本発明のプロセッサーは、重量損失に基づいて含水量を計算でき、元の重量に基づいて脂肪及び油含量を計算でき、ＮＭＲ分析器によって測定される脂肪及び油の量を計算できる任意の適当な装置であることができる。従って、プロセッサー３８は、好ましくは、マイクロ波装置３０とＮＭＲプロセッサー３８の両方からデータを集め、そのデータを用いて、サンプルの含水量並びに脂肪及び油含量を計算する。殆どの目的にとって、パーソナルコンピュータと同じ又は同様なプロセッサーは、適当なソフトウェアと組合せたときに極めて申し分なく動作する。適当なプロセッサーとしては、Intelから市販されているPENTIUM（登録商標）クラスのプロセッサー（例えば、Pentium， Pentium ＩＩ，及び Pentium ＩＩＩ） 及びAMDから市販されているCELERON（登録商標）クラスが挙げられるが、これらに限定されない。所望の結果を計算するために用いられる前記のプロセッサー、及びソフトウェアのタイプは、当技術分野において充分に理解されており、広範に市販されているので、本明細書では詳しく説明しない。
【００３４】
上記したように、本発明に従った装置で用いられるＮＭＲ分析器は、所望の範疇のサンプル中に存在する脂肪及び油を測定できる、ＮＭＲベンダーから市販されているＮＭＲ分析器のいくつものタイプのうちのいずれかであることができる。
【００３５】
本発明に従った装置は、好ましくは、装置の部材が、互いに近接して配置されていて、乾燥装置からＮＭＲ分析器へとサンプルを移すのに要する時間が短縮されるように適応されている。移動時間が短縮されると、マイクロ波装置３０とＮＭＲ分析器３６との間にあるサンプルを移動しているときに起こり得るサンプルにおける熱損失も最少になる。本方法のこの側面は、以下で更に説明する。
【００３６】
本発明の更なる態様は、サンプルの脂肪及び油含量に関するＮＭＲ測定を妨害すると考えられる量で水分も含むサンプルの脂肪及び油含量を迅速且つ正確に測定する方法を包含する。本発明のこの態様は、サンプルを計量する工程、マイクロ波周波数の電磁放射線にサンプルを暴露することによってサンプルを乾燥させる工程、ＮＭＲ分析器へとサンプル全体を移す工程、サンプルのＮＭＲ応答を測定して、脂肪及び油と関連のある特徴を同定する工程、及び既知の脂肪及び油含量を有する同様なサンプルからのＮＭＲデータと、該サンプルのＮＭＲ応答を比較して、サンプル中に存在する脂肪及び油含量を測定する工程を含む。
【００３７】
乾燥させる前にサンプルを計量することは、サンプルの含量を最終決定するのに必要である。初期重量を測定していないと、個々の成分の重量割合を測定するのは困難である。好ましくは、サンプル２２は、既知の重量を有するサンプルパッド２６上に配置して計量する。サンプルパッド２６は、好ましくは、既に上で説明したタイプのものである。サンプル及びサンプルパッドは、乾燥工程前に、独立した天秤で計量することができる。好ましくは、サンプル及びサンプルパッドは、マイクロ波装置３０の一部分であるキャビティ２４の中にある天秤２８上に配置する。最も典型的には、天秤の皿のみがキャビティ中へと延びている。天秤は、好ましくは、サンプル及びサンプルパッドの重量を電子的に記録できるプロセッサーに対して（入出力通信できるように）接続する。キャビティ２４内に天秤２８を配置することによって、乾燥工程中の水分の流出によって起こる重量変化を連続してモニターすることもできる。最後に、キャビティ２４の中に天秤２８を配置すると、サンプルを妨害することなく最終乾燥後重量測定を得るための方法が提供されるので、プロセスの効率が増し、潜在的なデータ破壊の原因が排除される。乾燥工程中に観察され記録される重量変化は、元のサンプル中に存在する水分の量及び重量割合を計算するのに必要なデータを提供する。ＮＭＲ応答は、通常、比率量又は割合量ではなく、脂肪及び油の総量を表しているので、この重量変化は、サンプル中に存在する脂肪及び油の重量割合を決定するのに必要なデータも提供する。
【００３８】
当業者は、「乾燥」という用語は相対的な用語であると認識している。本明細書中で用いている「乾燥」又は「乾燥した」という用語は、サンプル中に存在する水分が、ＮＭＲ分析によって測定される脂肪及び油スペクトルを隠蔽しない又は妨害しないレベルまで低下しているポイントを意味している。このレベルの「乾燥」は、当業者には容易に利用できる適当な統計的分析及び実験データを用いて、統計的に決定できる。
【００３９】
サンプルの実際の乾燥は、マイクロ波周波数の電磁放射線にサンプル２２及びサンプルパッド２６を暴露することによって達成される。電磁スペクトルに精通している当業者は充分に理解しているように、「マイクロ波」という用語は、しばしば、約１０００から５００，０００ミクロン（μ）の波長及び約１×１０⁹から５×１０¹¹ヘルツ（Ｈｚ）の対応周波数を有する放射線を一般的に意味している。しかしながら、これらは任意の境界であって、他の情報源では、約１０⁸Ｈｚから１０¹²Ｈｚの周波数及び約３００センチメートル（ｃｍ）から０．３ミリメートル（ｍｍ）の波長を有するマイクロ波を指している。米国での商業目的及び消費者目的のため、利用可能なマイクロ波周波数は、連邦通信委員会によって規制され、一般的には、一定の周波数、例えば２４５０メガヘルツ（ＭＨｚ）に限定される。
【００４０】
容器を外部から加熱して、中の試薬を加熱するいくつかの従来の加熱法とは対照的に、マイクロ波放射線は直接に試薬を加熱し、マイクロ波エネルギーによって影響を受けない例えば既に説明したサンプルパッドのような容器中で行うことができ、実際に望ましく行うことができる。従って、マイクロ波放射線は、化学的サンプルを極めて迅速に加熱する傾向があり、また、前記放射線が加減されない限り高温まで加熱する傾向がある。従って、本発明に従った方法は、好ましくは、サンプルを加熱するのに用いられるマイクロ波放射線を加減することによって、サンプルを適度に乾燥させる工程を含む。前記の事柄は、既に上で説明したように、その内容全体を本明細書に完全に引用したものとする上記の特許及び出願において説明されている技術及び装置を用いて、又は適当な情報及び調節を提供する任意の他の技術によって達成できる。マイクロ波放射線を加減又は調節することによって、乾燥プロセス中において、実質的に一定の温度にサンプルを保つことによって得られる利点も提供する。乾燥プロセス中に一定の温度を達成することによって、乾燥工程の温度に適合する又は厳密に適合する温度で好ましく行われるＮＭＲ分析を行うための目標設定が提供される。乾燥工程とＮＭＲ分析との間の温度が均一であることは、特に、同じ又は同様な材料から成る繰り返される又は連続のサンプルに関して、本方法の正確さを向上させることが、本発明にしたがって決定された。
【００４１】
乾燥工程中、サンプル及びサンプルパッドは、好ましくは、サンプル中に存在する脂肪及び油の少なくとも一部分、好ましくは大部分、最も好ましくはすべてが完全に溶解するまで、加熱する。脂肪及び油を溶解させることは、脂肪及び油のいくらかがサンプルから流出することを必ずしも意味していない。親油性サンプルパッドは、サンプルから流出する脂肪及び油を捕集又は吸収し、それによって、サンプル中の脂肪及び油含量が後のＮＭＲ分析のために保持され、且つそれによって、結果の正確さが増す。
【００４２】
サンプルを充分に乾燥させ、脂肪及び油を溶かし、必要な重量測定を行った後、サンプルとサンプルパッド全体を、ＮＭＲ分析器３６へと迅速に移す。好ましい態様では、サンプル２２及びサンプルパッド２６は、ＮＭＲ分析器中に配置する前にシート材料で包む。サンプル及びサンプルパッドをシート材料中に包むと、ＮＭＲ分析器へと移すときに、サンプルの一体性を保持するのに役立つ。シート材料は、油、融解した脂肪、及び他の液体に対して多孔性であるべきであり、、またサンプルの脂肪及び油中に存在するプロトンのＮＭＲ応答を妨害又は隠蔽すると考えられる原子がその中に存在しているべきではない。上記したように、ＰＴＦＥは、この目的に適する材料である。「包む」という用語は、特許請求の範囲に記載される発明を限定するものではなく、ＮＭＲ分析に適する方法でサンプル及びサンプルパッド（従って、脂肪及び油の全て）を捕捉する任意の物理的技術を用いることができると理解される。
【００４３】
サンプル及びサンプルパッドをシート材料で包んだら、そのサンプル及びサンプルパッドを、好ましくは乾燥工程と実質的に同じ温度において、ＮＭＲ分析すると、サンプルの成分に関するＮＭＲ応答データが得られる。
【００４４】
次に、サンプルのＮＭＲデータを処理装置に入力し、ＮＭＲ技術で既知の計算を用いて数学的に操作して、サンプル中の脂肪及び油の量を定量できる。別法として、サンプルのＮＭＲ応答を、既知の脂肪及び油含量を有するサンプルに関するＮＭＲデータと比較して、サンプル中の脂肪及び油の量を決めても良い。比較法を用いるとき、本発明の方法は、既知の脂肪及び油含量を有するサンプルの複数のＮＭＲスペクトルを発生させる工程を含むこともできる。比較スペクトルは、サンプルを分析した後に集めることもできるが、その場合、全分析を行うのに要する時間量が増す傾向がある。
【００４５】
既知のサンプルから得られる既知のＮＭＲ応答データの使用は、品質管理又は他の同様な目的のために、同じ材料から成るサンプルを試験する分析に一般的に最も適する。言い換えれば、例として食品を用いると、特定の肉製品のサンプルは、予期されるプロフィール内に入る水分／脂肪／油／タンパク質含量を殆ど常に有する。結果として、マッチング目的又は比較目的のために必要とされる多くの既知のＮＭＲデータのセット数は、まったく妥当であり、いくつかの場合では、むしろ少ない。
【００４６】
なお更なる態様では、本発明は、ＮＭＲ測定用のサンプルを含む。サンプルは、少なくともいくらかの脂肪及び油を含む有機部分を含む。有機部分を、マイクロ波放射線に対して実質的に透過性であって、且つサンプル中の脂肪及び油中に存在するプロトンのＮＭＲ応答を妨害又は隠蔽すると考えられる原子を含まないサンプルパッド上に配置する。サンプル及びサンプルパッドは、サンプル中の脂肪及び油中に存在するプロトンのＮＭＲ応答を妨害又は隠蔽すると考えられる原子を含まない、本発明のはじめに記載したシート材料中に包むことによって固定される。
【００４７】
図３は、特許請求の範囲に記載される発明をその中に統合でき、且つ現在の製造プロセスを改良する１つの方式を説明している流れ図である。特に、図３は、ホットドッグ又はソーセージのような腸詰め肉製品の製造に関する。原料は、パレット、樽、ゴンドラ又は他の通常の手段を介してプロセスに提供される。原料中の計算された脂肪及び油含量を基準にして、製品の組成を調整して、脂肪及び油含量の割合を許容レベル内にすることができる。この情報は、原料供給者とも共有して、適当な原料を調製する場合において、将来の使用のために役立てることができる。更に、図３は、最終製品を、原料と同じ方法で試験できることも示している。
【００４８】
図６及び図７は、食品サンプルのいくつものタイプのための較正曲線であって、それを用いて既知のサンプルに対してＮＭＲ分析器を較正する。
較正の後、較正された装置を用いて各サンプルを分析すると、以下の結果が得られた：
アイスクリーム：

これらの結果から、本発明にしたがって測定されたこれらのサンプルの脂肪含量は、これらのサンプルの実際の脂肪含量と殆ど完全に相関していることが分かる。
【００４９】
適当な配合物を調製した後、最終製品（例えば、ホットドッグ）を試験して、脂肪及び油含量が許容可能レベル内にとどまっていることを確認する。特許請求の範囲に記載される発明により、複数のサンプルの迅速分析が可能となるので、製造プロセスを最大効率で運転できる。
【００５０】
本発明の方法は、サンプルを計量する工程から始まるので、脂肪、油、及び水分の割合を迅速且つ直接に計算できる。
【００５１】
図４及び図５は、本発明に従った装置のそれぞれ前部及び後部の斜視図である。図４では、マイクロ波装置は全体に番号４０で示してあり、またＮＭＲ分析器は全体に番号５０で示してある。マイクロ波装置４０は、適当なキャビティ、マイクロ波線源、及び天秤を含む任意の適当な装置であることができるが、好ましい態様では、参照によりその内容全体を本明細書中に援用する１９９９年９月１７日に出願された同時係属中で通常譲渡された"Microwave Volatiles Analyzer and High Efficiency Cavity" という出願番号第０９／３９８，１２９号（ＷＯ ０１／２０３１２）で開示され説明されている装置である。装置４０は、分析器４０のカバー部分４１の下にあるマイクロ波キャビティ（図示されていない）を含む。マイクロ波源は、好ましくは、マグネトロン又は共鳴インバーターである。マイクロ波装置４０は、更に天秤も含んでいて、それは、図４に示してある下部ハウジング４２の中に含まれている。また、図４には、本明細書のはじめに説明した操作パッド４３及びディスプレイ４４も図示してある。図４に示してあるマイクロ波装置４０は、紙並びにディスプレイ４４に結果を出力するスモールテーププリンター４５も含む。
【００５２】
はじめに記したように、ＮＭＲ装置５０は、好ましくは、英国オックスフォードにあるOxford Industries plcから市販されている装置である。ＮＭＲ装置５０は、それぞれ上部５１及び５２から形成されているハウジングを含む。適当なサンプルホルダー５３は、その中にサンプルを保持するために上ハウジング５１に配置される。このタイプのＮＭＲ装置の詳細な操作法は既知であり、本明細書では詳細に説明しないが、装置５０は、静磁場を生成する磁石、ならびにプロトンを束縛し、次に上記方法でプロトンの緩和時間を測定するＲＦ場を提供する振動電磁場源を含む。
【００５３】
図５は、装置４０及び５０それぞれの後部を図示している。図５は、マイクロ波装置４０が、適当なファン５４、電源スイッチ５５、及び装置４０のプロセッサーによって生成されるデータ以上のものが望まれる又は必要とされる場合には、他の適当な装置と、典型的には得られたデータに基づいて更なる計算を行うことができるＰＣ又はマッキントッシュベースのコンピュータと装置４０を接続するための各出力ポート５６、５７及び６０を含むことを図示している。
【００５４】
別の側面では、本発明は、ＮＭＲサンプル用の包装材料を含む。図８は、サンプル中に存在するプロトンのＮＭＲ応答を妨害又は隠蔽すると考えられる原子を含まないシート材料から作られる包装材料６２を図示している。本発明の方法はマイクロ波法でサンプルを乾燥させるので、またサンプルは、マイクロ波装置において２つのサンプルパッド（例えば、図の８パッド６３）の間に典型的に配置されるので、シート６２は、食品サンプル５９、又は食品サンプルとパッド６３の両方を完全に包むのに充分に大きい面積を有するが、シート６２が、サンプルの周囲に、好ましくはサンプルとサンプルパッド両方の周囲に巻かれる場合に、ＮＭＲ分析器のサンプル場部分内に適合させるのに充分に小さい。好ましくは、図９の６４で概略示されている包まれたパッド及びサンプルパッドは、ＮＭＲ分析器５０（図４及び図５）の中に配置される前に、折り畳まれて、適当なホルダー６５（図１０）の中に配置される。ホルダー６５は、典型的には、形状は円筒形であり、同様に、サンプルのＮＭＲ応答を隠蔽又は妨害しない材料から作られる。ＮＭＲ使用に適する材料は、当業者には既知であり、過度に実験を行わずとも、所望の又は必要な材料を選択できる。
【００５５】
シート６２は、好ましくはフルオロカーボン材料、最も典型的にはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から作られる。好ましくは、シート６２は、包むのに用いられるパッドに比べていくぶん大きいが、通常は、約２．５倍以下の面積である。典型的なマイクロ波サンプルパッドは、通常は数インチの長さ及び幅（例えば、４×５インチ；１０．２×１２．７ｃｍ）を有するので、シート材料６２は好ましくはわずかに大きい。
【００５６】
閲覧者が過度の実験を行わずとも本発明を実施できるように、本発明を一定の好ましい態様に関して詳細に説明してきた。しかしながら、当業者には、本発明の範囲及び精神から逸脱せずに、ある程度まで、成分及びパラメーターの多くを変えるか又は改良できることは容易に認識される。更に、タイトル又は見出しなどを提供して、この文書に関する閲覧者の理解を高めているが、それらによって、本発明の範囲が限定されると考えるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１ａ〜図１ｂは、ＮＭＲ放射を生成する核磁気モーメントの動きに関する連続概略図である。
【図２】 図２は、本発明に従った装置の概略図である。
【図３】 図３は、本発明の一の実行を示している流れ図である。
【図４】 図４は、本発明に従った装置の一の態様に関する斜視図である。
【図５】 図５は、本発明に従った装置の一の態様に関する斜視図である。
【図６】 図６は、本発明に従った較正曲線である。
【図７】 図７は、本発明に従った較正曲線である。
【図８】 図８は、本発明の方法及び装置の別の側面を示す斜視図である。
【図９】 図９は、本発明の方法及び装置の別の側面を示す斜視図である。
【図１０】 図１０は、本発明の方法及び装置の別の側面を示す斜視図である。

Claims (17)

1. 脂肪及び油含量のＮＭＲ測定を妨害すると考えられる量で水分も含有するサンプルの脂肪及び油含量を迅速且つ正確に測定する方法であって：
   サンプルを、マイクロ波放射線に対して実質的に透過性であり、そしてサンプル中の脂肪及び油におけるプロトンのＮＭＲ応答を妨害又は隠蔽すると考えられる原子を含まないサンプルパッド上に配置し；
   サンプル及びサンプルパッドを計量し；
   その後、該サンプル及びサンプルパッドをマイクロ波周波数の電磁放射線に暴露することによって、サンプル中の脂肪及び油の少なくとも一部が融解するのに十分な温度でサンプルを乾燥させ；
   サンプル及びサンプルパッドを、サンプル中の脂肪及び油におけるプロトンのＮＭＲ応答を妨害又は隠蔽すると考えられる原子を含まないシート材料に包むことにより、サンプルパッド上のサンプル全体を、ＮＭＲ分析器からのパルス 無線周波数に応答するサンプル中のプロトンの緩和時間を測定するプロトンパルスＮＭＲ分析器へ移し；
   サンプルのパルスＮＭＲ応答を乾燥工程と実質的に同じ温度で測定し、脂肪及び油に関連するプロトンのパルスＮＭＲ応答を同定し；
   サンプルのパルスＮＭＲ応答を、既知の脂肪及び油含量を有する類似サンプルの既知のパルスＮＭＲ応答と比較してサンプル中の脂肪及び油含量を測定し、サンプルの重量に基づいてサンプル中の脂肪及び油含量を計算する；
   ことを含む前記方法。
2. サンプルを乾燥させる工程の後にサンプル及びサンプルパッドを再計量し；そして、
   乾燥中の重量変化に基づいてサンプル中の水分の割合を計算する；
   ことを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. サンプルパッドが、低質量、多孔性、親水性、及び親油性である、請求項１に記載の方法。
4. サンプルパッドが、ガラスファイバー及び石英ファイバーからなる群より選択される材料から形成される、請求項１に記載の方法。
5. サンプルを乾燥させる工程の間、サンプルを実質的に一定の温度に保持することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 複数のサンプルに対して行われる、請求項１に記載の方法。
7. 複数のサンプルの分析は、サンプル間で実質的に一定の温度で行われる、請求項６に記載の方法。
8. 包むためのシート材料がポリテトラフルオロエチレンである、請求項１に記載の方法。
9. 乾燥工程の後、迅速にＮＭＲ応答を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
10. 更に、既知の脂肪及び油含量を有するサンプルの複数のＮＭＲ応答を発生させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
11. 第二のサンプルのために請求項１の工程を繰り返すことを含む、請求項１に記載の方法。
12. 水分を含有するサンプルの脂肪及び油含量を迅速且つ正確に測定するための装置であって：
    マイクロ波放射線に対して実質的に透過性であり、そしてサンプル中の脂肪及び油におけるプロトンの化学シフトを妨害又は隠蔽すると考えられる化学シフトを与える原子を含まない、脂肪及び油を含有するサンプルを受容するための柔軟なサンプルパッド；
    サンプルを乾燥させるためのマイクロ波放射線源；
    前記マイクロ波放射線源からの放射線が伝わるようになっている、サンプル及びサンプルパッドを受容するためのキャビティ；
    前記キャビティ中に少なくとも天秤の皿を有する、サンプル及びサンプルパッドを計量するための天秤；
    サンプルとサンプルパッドを受容し、サンプル及びサンプルパッドのプロトンパルスＮＭＲ緩和を測定するためのプロトンパルスＮＭＲ分析器；そして
    天秤とＮＭＲ分析器からデータを集め、サンプルパッド上のサンプルの水分含量、脂肪含量、及び油含量を計算するための、天秤及びＮＭＲ分析器と接続されたプロセッサー、を含む前記装置。
13. サンプルパッドが、低質量、多孔性、親水性及び親油性である、請求項１２に記載の装置。
14. サンプルパッドがガラスファイバー及び石英ファイバーからなる群より選択される材料から形成される、請求項１２に記載の装置。
15. 更に、電力をマイクロ波放射線源へ調節して供給するための共鳴インバーターを含む、請求項１２に記載の装置。
16. 更に、サンプル中の脂肪及び油におけるプロトンのＮＭＲ応答を妨害又は隠蔽すると考えられる原子を含まないシート材料（６２）を含み、該シート材料が、ＮＭＲ分析の間サンプル及びサンプルパッドを包む、請求項１２に記載の装置。
17. シート材料がポリテトラフルオロエチレンである、請求項１６に記載の装置。

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