JP6400835B2 - 水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置及び相転移検出方法 - Google Patents

水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置及び相転移検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、冷凍食肉等の食品サンプルにおいて、固体から液体への相転移を非破壊で検出可能な水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置及び相転移検出方法に関する。
食品加工工場では、前処理として凍結・搬入された原料食品を解凍する必要がある。解凍に要するエネルギは食品の成分や形状によって異なり、加えるエネルギが不十分であれば内部に氷結部分が残存し、後の加工工程に悪影響を及ぼす。また、過剰にエネルギを加えてしまうと品質の低下を招く。したがって、解凍に要するエネルギを適切に制御し、食品の品質を低下させることなく解凍させるためには、正確に原料の解凍状態をモニタリング・判定することが重要である。
現在、解凍状態を把握する場合、食品内部に熱電対を挿しこみ、中心温度から解凍完了を確認する方法が一般的である。また、非破壊で解凍状態を把握する手法として、放射温度計のような赤外光照射により非解凍物の温度を測定するものがある（特許文献１参照）。特許文献１に記載の解凍装置は、非解凍物が収容される容器本体部と、容器本体部を保持する容器収容部と、容器収容部の外周面に装着されて容器収容部を介して容器本体部内の非解凍物を解凍する加熱部と、容器収容部の底面に開口する開口部を介して露出する容器本体部の底面の温度を測定する放射温度計とを備えてなる。
一般的な熱電対の挿入による方法では、解凍状態を確認した食品は衛生的な観点から、その後の加工ラインに戻すことができない。また、全数検査が不可能であるため個体差（解凍のばらつき）まで把握することができない。一方、放射温度計を用いた方法では、表面温度のみの測定になるため内部を確認することは困難であり、また、赤外光を食品に照射すると、食品を加熱する虞があり、検出温度の精度が低くなる虞がある。さらに、これらの温度測定による方法では、解凍完了の判別は可能だが、潜熱帯に入った食品は温度変化が起きないため、解凍の進行状況まで把握することができない。
一方、医療や農学の分野において、近赤外光を用いた近赤外分光法が幅広く利用されている。この近赤外分光法は、その性質上、非破壊・非侵襲による測定が可能であるとともに、サンプルを加熱する虞がないため、特に食品分野において内容成分の定性・定量分析技術に利用されている（特許文献２参照）。特許文献２に記載の近赤外分光法は、蛋白質の含有量が既知のサンプルに対して蛋白質を吸収する領域の所定波長の近赤外線を照射して吸光度を求めた後、その吸光度を２次微分して２次微分吸光度を算出し、その２次微分吸光度を説明変数にするとともにサンプルの蛋白質の含有量を目的変数にして回帰分析を行って検量線を求め、その検量線により未知のサンプルの蛋白質の含有量を推定する。
特開２０１４−１８９５０１号公報 特開平５−６０６８５号公報
このように、特許文献２に記載の近赤外分光法によって、未知サンプルの蛋白質の含有量を推定することができるが、凍結したサンプルを解凍する際に、サンプルの相転移について近赤外分光法を利用することができれば、サンプルを加熱することなく非破壊及び非侵襲でサンプルの相転移を測定することができる。このため、近赤外分光法によって食品サンプルの相転移を非破壊で推定可能な検出方法及び検出装置が望まれている。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一つの実施形態は、水分を含有する食品サンプルの相転移を推定する際に、食品サンプルの相転移を加熱することなく非破壊で推定可能な水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置及び相転移検出方法を提供することを目的とする。
本発明の少なくとも一つの実施形態に係わる水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置は、
固体から液体に相転移可能であり水分を含有する食品サンプルを支持するための支持台と、
前記支持台に支持される食品サンプルに対して水及び氷の吸収ピークの波長を含む近赤外光を侵入させる光侵入手段と、
前記光侵入手段からの近赤外光が前記食品サンプル内を透過及び反射した近赤外光を経時的に分光するとともに光強度を測定する分光手段と、
前記分光手段により測定された近赤外光の分光データに基づいて、前記食品サンプル中の水及び氷の吸光度と凍結水分の氷重量比率を算出する吸光度氷重量比率算出手段と、
前記吸光度氷重量比率算出手段により算出された水及び氷の吸光度の微分値を算出する吸光度微分値算出手段と、
前記吸光度微分値算出手段により算出された前記吸光度の微分値と、前記吸光度氷重量比率算出手段により算出された前記凍結水分の氷重量比率とに基づいて検量線を作成する検量線作成手段と、
前記検量線作成手段により作成された検量線に基づいて、前記吸光度氷重量比率算出手段により算出された吸光度から算出される吸光度の微分値から未知の氷重量比率を推定する氷重量比率推定手段と、を備えるように構成される。
上記水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置によれば、吸光度氷重量比率算出手段によって、分光手段で測定された近赤外光の分光データに基づいて、食品サンプル中の水及び氷の吸光度と凍結水分の氷重量比率を算出し、吸光度氷重量比率算出手段により算出された水及び氷の吸光度の微分値を吸光度微分値算出手段が算出し、吸光度微分値算出手段により算出された吸光度の微分値と、吸光度氷重量比率算出手段により算出された凍結水分の氷重量比率とに基づいて、検量線作成手段が検量線を作成する。このため、食品サンプルの吸光度を検出して吸光度の微分値を算出すれば、この微分値から検量線を用いて凍結水分の氷重量比率を推定することができる。従って、食品サンプルの解凍時において、食品サンプルの相転移を、食品サンプルを加熱することなく非破壊で推定することができる。また、近赤外線は透過しやすい性質があるため、食品サンプルへの照射時に食品サンプルを加熱する虞はない。よって、水分を含有する食品サンプルの相転移を推定する際に、食品サンプルの相転移を加熱することなく非破壊で推定可能な水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置を実現することができる。
また、幾つかの実施形態では、
前記吸光度微分値算出手段により算出される水及び氷の吸光度の微分値は、該吸光度の２次微分値であるように構成される。
この場合、吸光度微分値算出手段により算出される水及び氷の吸光度の微分値は、該吸光度の２次微分値とすることで、水及び氷の吸光度の変化の程度の大きさを表すことができ、水及び氷の吸収ピークを明確にすることができる。このため、氷重量比率推定手段によって氷重量比率を推定する際の氷重量比率の精度をより向上させることができる。
また、幾つかの実施形態では、
前記検量線作成手段は、前記算出された凍結水分の氷重量比率を目的変数とし、前記算出された水及び氷の吸光度２次微分値を説明変数として回帰分析を行って検量線を作成するように構成される。
この場合、検量線作成手段は、算出された凍結水分の氷重量比率を目的変数とし、算出された水及び氷の吸光度２次微分値を説明変数として回帰分析を行って検量線を作成する。ここで、吸光度２次微分値によって水及び氷の吸収ピークを明確にすることができるので、凍結水分の氷重量比率と水及び氷の吸光度２次微分値との相関関係を高くすることができる。よって、回帰分析によって作成される検量線の精度を高めることができる。
また、幾つかの実施形態では、
前記光侵入手段は、近赤外領域(750〜1500nｍ)の波長が得られ、水及び氷の吸収ピークを有する波長を含む近赤外光を発光する光源を有するように構成される。
この場合、光侵入手段は、近赤外領域(750〜1500nｍ)の波長が得られ、水の吸収ピークを有する波長の近赤外光と、氷の吸収ピークを有する波長の近赤外光を含む。このため、食品サンプル内を透過・反射して分光手段で受光される近赤外光も水の吸収ピークを有する波長の近赤外光と氷の吸収ピークを有する波長の近赤外光を含む広い波長範囲で測定しているので、特定の波長にノイズの影響を排除することができ、分光手段で測定される近赤外光の分光データの精度をより向上させることができる。
また、幾つかの実施形態では、
前記水分を含有する食品サンプルは、内臓、肉、若しくは前記内臓及び前記肉の混合体を含む加熱粘調体、ゲル状食品を含む。
この場合、内臓、肉、若しくは内臓及び肉の混合体を含む加熱粘調体、ゲル状食品は、水分を含有する。水分は凍結時に固体となり、温度上昇にともなって液体に相転移可能である。このため、内臓、肉、若しくは内臓及び肉の混合体を含む加熱粘調体、ゲル状食品は、固体から液体に相転移が可能であるので、上述した食品サンプルの相転移検出装置によって、内臓、肉、若しくは内臓及び肉の混合体を含む加熱粘調体、ゲル状食品の相転移を検出することができる。
また、本発明の少なくとも一つの実施形態に係わる水分を含有する食品サンプルの相転移検出方法は、
固体から液体に相転移可能であり水分を含有する食品サンプルに対して水及び氷の吸収ピークを含有する近赤外線を照射して、経時的に前記食品サンプル中に含まれる水及び氷の吸光度を算出するとともに、凍結水分の氷重量比率を算出し、
前記算出された前記吸光度の微分値と前記凍結水分の氷重量比率とに基づいて検量線を作成し、
前記作成された検量線に基づいて、算出された吸光度の微分値から未知の氷重量比率を推定する。
上記水分を含有する食品サンプルの相転移検出方法によれば、分光手段で測定された近赤外光の分光データに基づいて、経時的に、食品サンプル中の水及び氷の吸光度と凍結水分の氷重量比率を算出し、算出された水及び氷の吸光度の微分値を算出し、この算出された吸光度の微分値と算出された凍結水分の氷重量比率とに基づいて検量線を作成する。このため、吸光度の微分値が算出できれば、この微分値から検量線を用いて凍結水分の氷重量比率を推定することができる。従って、水分を含有する食品サンプルの相転移を、食品サンプルを加熱することなく非破壊で推定することができる。また、近赤外線は透過しやすい性質があるため、食品サンプルへの照射時に食品サンプルを加熱する虞はない。よって、水分を含有する食品サンプルの相転移を推定する際に、食品サンプルの相転移を加熱することなく非破壊で推定可能な水分を含有する食品サンプルの相転移検出方法を実現することができる。
また、幾つかの実施形態では、
前記検量線は、前記算出された吸光度の２次微分値を算出し、前記算出された凍結水分の氷重量比率を目的変数とし、前記算出された水及び氷の吸光度２次微分値を説明変数として回帰分析を行って作成する。
この場合検量線は、算出された吸光度の２次微分値を算出し、算出された凍結水分の氷重量比率を目的変数とし、算出された水及び氷の吸光度２次微分値を説明変数として回帰分析を行って作成する。ここで、吸光度２次微分値は、水及び氷の吸収ピークを明確にすることができるので、凍結水分の氷重量比率と水及び氷の吸光度２次微分値は相関の程度が高い関係にある。よって、回帰分析によって作成される検量線の精度を高めることができる。
また、幾つかの実施形態では、
前記水分を含有する食品サンプルは、内臓、肉、若しくは前記内臓及び前記肉の混合体を含む加熱粘調体、ゲル状食品を含む。
この場合、内臓、肉、若しくは内臓及び肉の混合体を含む加熱粘調体、ゲル状食品は水分を含有する。水分は凍結時に固体となり、温度上昇にともなって液体に相転移可能である。このため、内臓、肉、若しくは内臓及び肉の混合体を含む加熱粘調体、ゲル状食品は、固体から液体に相転移が可能であるので、上述した食品サンプルの相転移検出方法によって、内臓、肉、若しくは内臓及び肉の混合体を含む加熱粘調体、ゲル状食品の相転移を検出することができる。
本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、水分を含有する食品サンプルの相転移を推定する際に、食品サンプルの相転移を加熱することなく非破壊で推定可能な水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置及び相転移検出方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る食品サンプルの相転移検出装置の全体構成を概略的に示した構成図である。 支持台に支持された食品サンプルに近赤外光が照射された状態を説明するための支持台の内部構造図である。 図２中のＡ矢視に相当する部分の部分拡大図である。 食品サンプルの相転移検出装置のブロック図である。 近赤外光の光吸収スペクトルにおいて、氷と水で異なる吸光ピークがあることを説明するためのグラフである。 食品サンプルの相転移検出方法を説明するためのフローチャートである。 蒸留水の解凍過程における光吸収スペクトルの推移を表すグラフである。 測定対象物を「蒸留水」とした場合において、解凍時の水及び氷の相転移を示すグラフであり、同図（ａ）及び同図（ｂ）は、近赤外光の水の吸収ピークにおける吸光度２次微分値と氷重量比率との関係を示し、同図（ｃ）は、近赤外光の氷の吸収ピークにおける吸光度２次微分値と氷重量比率との関係を示す。 測定対象物を「蒸留水」とした場合において、氷重量比率を目的変数とし吸光度２次微分値を説明変数としたときの重回帰分析を行った結果を示すグラフである。 食品サンプルを「かまぼこ」とした場合において、解凍時の水及び氷の相転移を示すグラフであり、同図（ａ）及び同図（ｂ）は、近赤外光の水の吸収ピークにおける吸光度２次微分値と氷重量比率との関係を示し、同図（ｃ）は、近赤外光の氷の吸収ピークにおける吸光度２次微分値と氷重量比率との関係を示す。 食品サンプルを「かまぼこ」とした場合において、氷重量比率を目的変数とし吸光度２次微分値を説明変数としたときの重回帰分析を行った結果を示すグラフである。 食品サンプルを「鯛のすり身」とした場合において、解凍時の水及び氷の相転移を示すグラフであり、同図（ａ）及び同図（ｂ）は、近赤外光の水の吸収ピークにおける吸光度２次微分値と氷重量比率との関係を示し、同図（ｃ）は、近赤外光の氷の吸収ピークにおける吸光度２次微分値と氷重量比率との関係を示す。 食品サンプルが「鯛のすり身」である場合において、氷重量比率を目的変数とし吸光度２次微分値を説明変数としたときの重回帰分析を行った結果を示すグラフである。 食品サンプルを「マグロの切り身」として場合において、解凍時の水及び氷の相転移を示すグラフであり、同図（ａ）及び同図（ｂ）は、近赤外光の水の吸収ピークにおける吸光度２次微分値と氷重量比率との関係を示し、同図（ｃ）は、近赤外光の氷の吸収ピークにおける吸光度２次微分値と氷重量比率との関係を示す。 食品サンプルを「マグロの切り身」とした場合において、氷重量比率を目的変数とし吸光度２次微分値を説明変数としたときの重回帰分析を行った結果を示すグラフである。 食品サンプルを「豚モモ肉」とした場合において、解凍時の水及び氷の相転移を示すグラフであり、同図（ａ）及び同図（ｂ）は、近赤外光の水の吸収ピークにおける吸光度２次微分値と氷重量比率との関係を示し、同図（ｃ）は、近赤外光の氷の吸収ピークにおける吸光度２次微分値と氷重量比率との関係を示す。 食品サンプルが「豚モモ肉」である場合において、氷重量比率を目的変数とし吸光度２次微分値を説明変数としたときの重回帰分析を行った結果を示すグラフである。 食品サンプルを「寒天」とした場合において、解凍時の水及び氷の相転移を示すグラフであり、同図（ａ）及び同図（ｂ）は、近赤外光の水の吸収ピークにおける吸光度２次微分値と氷重量比率との関係を示し、同図（ｃ）は、近赤外光の氷の吸収ピークにおける吸光度２次微分値と氷重量比率との関係を示す。 食品サンプルを「寒天」とした場合において、氷重量比率を目的変数とし吸光度２次微分値を説明変数としたときの重回帰分析を行った結果を示すグラフである。
以下、添付図面に従って「水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置」及び「相転移検出方法」の実施形態について、図１〜図１９を参照しながら説明する。本実施形態では、水分を含有する食品サンプルとして、「かまぼこ」と鯛の「すり身」とマグロの「切り身」、「豚モモ肉」、「寒天」を例にして以下説明する。なお、この実施形態に記載されている構成部品の材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
先ず、本発明の実施形態に係わる水分を含有する食品サンプルの相転移検出方法を説明する前に、水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置の実施形態について説明する。水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置１は、図１に示すように、光侵入装置５と支持台１０と分光装置３０と氷重量比率推定装置４０とを有してなる。光侵入装置５は、近赤外光を発光可能な光源であり、例えばハロゲン光源である。
光侵入装置５から出射される近赤外光は、光ファイバーケーブル６を通って支持台１０に支持された食品サンプルＳ（図２参照）に導かれる。支持台１０は、食品サンプルＳを収容可能な収容部１１と、収容部１１の底部から下方へ延びて収容部１１を上方位置に保持する脚部１５とを有してなる。収容部１１は、直方体状に形成された枠体１８の上部周囲に合成樹脂製の複数の板１２（例えば、アクリル板）を取り付けて箱状に形成されている。収容部１１は、これらの板１２によって遮光されて、外部から収容部１１内に可視光及び近赤外光の侵入を防止している。収容部１１の手前側の板１２は、開閉可能に構成されて、収容部１１内に食品サンプルＳの出し入れが可能である。
収容部１１内の底面１２ｂを構成する板１２の中央部上には、図２に示すように、食品サンプルＳを載せるための敷板１９が設けられている。敷板１９は、本実施形態では、多孔質性のスポンジシートである。敷板１９の中央部には、光ファイバーケーブル６から投光される近赤外光を通すための孔部１９ａが敷板１９の幅方向に間隔を有して一対設けられている。なお、敷板１９は、食品サンプルＳを載せることが可能であればよく、合成樹脂材料製の板でもよい。
光ファイバーケーブル６の一端部は、収容部１１の底面部に配設された板１２に設けられた挿入孔部１２ａの下側から挿入された状態で保持されている。光ファイバーケーブル６の一端部には、図３に示すように、光ファイバーケーブル６よりも大径のプラグ８が接続されている。プラグ８内には、レンズ９（例えば、収差のない非球面レンズ）が設けられている。このレンズ９は、光ファイバーケーブル６から投光される近赤外光を食品サンプルＳに照射可能に形成されている。
また、敷板１９の他方側の挿入孔部１２ａには、他の光ファイバーケーブル７の一端部が挿入されている。この光ファイバーケーブル７の一端部には、光ファイバーケーブル６よりも大径のプラグ８が接続されている。プラグ８内には、レンズ９（例えば、収差のない非球面レンズ）が設けられている。このレンズ９は、食品サンプルＳ内を透過及び反射する近赤外光を光ファイバーケーブル７内に集光するように形成されている。したがって、一方の光ファイバーケーブル６の一端部から投光された近赤外光は、食品サンプルＳ内を透過及び反射して他方の光ファイバーケーブル７内に受光される。
他方の光ファイバーケーブル７の他方側の端部には分光装置３０が接続されている。分光装置３０は、図１に示すように、光侵入装置５で発光された近赤外光が食品サンプルＳ内を透過・反射して他方の光ファイバーケーブル７を介して受光した近赤外光を波長毎に分光するとともに光強度を測定する。分光装置３０で測定された分光データは氷重量比率推定装置４０に送られる。
氷重量比率推定装置４０は、図４に示すように、分光装置３０からの分光データを処理するものであり、例えばパソナルコンピュータである。氷重量比率推定装置４０は、凍結した食品サンプルＳの解凍時に、分光装置３０からの分光データに基づいて食品サンプルＳ中に含まれる水及び氷の吸光度を算出するとともに、水及び氷の吸光度から凍結水分の氷重量比率を算出する吸光度氷重量比率算出部４１と、算出した吸光度を２次微分して吸光度２次微分値を算出する吸光度微分値算出部４３と、算出された吸光度２次微分値を説明変数にするとともに、凍結水分の氷重量比率を目的変数として重回帰分析を行って検量線を作成する検量線作成部４５と、検量線に基づいて、吸光度氷重量比率算出部４１により算出された吸光度から算出される吸光度の２次微分値から未知の氷重量比率を推定する氷重量比率推定部４７と、を備える。
ここで、近赤外光について説明する。近赤外光は、これを水や氷に照射すると、水の場合と氷の場合でそれぞれが対応する異なる波長で吸収される性質を有する。図５の縦軸は近赤外光の吸光の程度を示し、縦軸の下方へ進むに従って吸光の程度が大きくなることを示している。図５の横軸は近赤外光の波長を示している。近赤外光は、図５に示すように、水の場合には波長が約９６８ｎｍで特異的に吸収され、氷の場合には波長が約１０２６ｎｍで特異的に吸収されることが分かる。本実施形態の水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置１は、水及び氷に対して近赤外光の吸収スペクトルの吸収ピークが相違する性質を利用したものである。
次に、水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置１を用いて食品サンプルの相転移検出方法について説明する。先ず、食品サンプルＳを使用する前に、食品サンプルの相転移検出装置１によって蒸留水の相転移について確認する。初めに、図示しないシャーレ（例えば、直径φ６０ｍｍ）に蒸留水を所定量（例えば、２７ｇ）入れる。そして、このシャーレを図示しない恒温槽内（例えば、−３５℃）に入れて、蒸留水を凍結させる。蒸留水の凍結後、蒸留水を常温の環境下において解凍させる。
蒸留水の解凍時に、経時的に、図１に示すように、支持台１０の収容部１１内に凍結した蒸留水（以下、「凍結蒸留水」と記す）を含むシャーレを設置し、光ファイバーケーブル６を介して光侵入装置５から照射される近赤外光を凍結蒸留水に照射し、凍結蒸留水内を透過・反射した近赤外光を光ファイバーケーブル７を介して分光装置３０で受光させる。分光装置３０では、受光した近赤外光を分光するとともに光強度を測定する。そして、分光装置３０で測定された近赤外光の分光データ（波長及び光強度）に基づいて、氷重量比率推定装置４０が吸光度を算出する。吸光度Ａは、以下の式で算出される。
Ａ＝−ｌｏｇ１０（Ｉ／Ｉ０）
ここで、Ｉ０は入射光強度を示し、
Ｉは透過光強度を示す。
そして、氷重量比率推定装置４０は、算出された吸光度Ａから波長に対する吸光度Ａの２次微分値Ｂを算出する。即ち、Ｂ＝ｄ２Ａ／ｄλ２である。
また、分光データの測定後に、シャーレを支持台１０から取り出してシャーレ内に溶けて溜まった水を除去して凍結蒸留水の氷重量を測定する。そして、氷重量のデータを氷重量比率推定装置４０に入力し、氷重量比率推定装置４０は氷重量データに基づいて氷重量比率Ｃを算出する。氷重量比率Ｃは、以下の式で算出される。なお、氷重量の測定は、作業者が天秤等を用いて測定する。
Ｃ＝１００×（氷量ｇ）／（全水分量ｇ）
このようにして算出された吸光度２次微分値を縦軸にとり、横軸に波長を取って、波長に対する吸光度２次微分値の関係を示したグラフを図７に示す。図７では、氷重量比率の減少と共に、水と氷の吸収スペクトルがシフトしていることが確認できる。即ち、近赤外光は、水を吸収する吸収スペクトルのピークと氷を吸収する吸収スペクトルのピークが互いに異なる波長を有していることが確認できる。
また、水の吸収ピークにおいて、算出された吸光度２次微分値を縦軸にとり、横軸に算出された氷重量比率を取って、氷重量比率に対する吸光度２次微分値の関係を示したグラフを図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す。また、氷の吸収ピークにおいて、算出された吸光度２次微分値を縦軸にとり、横軸に算出された氷重量比率を取って、氷重量比率に対する吸光度２次微分値の関係を示したグラフを図８（ｃ）に示す。これらのグラフから氷重量比率と吸光度２次微分値との間に高い精度（決定係数Ｒ２＝０．９２７、０．９６３、０．８３５）の検量線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を作成することができる。
さらに、算出された吸光度２次微分値を説明変数にし、凍結水分の氷量比率を目的変数として重回帰分析を行った結果を図９に示す。図９より、吸光度２次微分値の組み合わせにより、凍結水分の予測する氷量比率を高い精度（決定係数Ｒ２＝０．９６６）で表現できることが確認できる。
次に、実際の食品サンプル（かまぼこ）を用いて、本実施形態の食品サンプル（かまぼこ）の相転移検出方法について、図１、図２、図６を参照しながら説明する。先ず、図６に示すように、食品サンプルを作成する。本実施形態では、市販の「かまぼこ」を所定の大きさ（例えば、縦寸法４７ｍｍ，横寸法３５ｍｍ，高さ寸法１５ｍｍ）に切断したものをサンプルとする。そして、食品サンプルＳを恒温槽内で凍結させる（例えば、-３０℃で凍結させる。）。そして、食品サンプルＳの凍結後、食品サンプルＳを常温の環境下で解凍させる。
食品サンプルＳの解凍時には、図１及び図２に示すように、食品サンプルＳを支持台１０の収容部１１内に設置し、光侵入装置５から照射される近赤外光を食品サンプルＳに照射し、食品サンプルＳ内を透過・反射した近赤外光を分光装置３０で受ける。分光装置３０では、受光した近赤外光を分光するとともに光の強度を測定する。そして、測定された近赤外光の分光データ（波長及び光強度）に基づいて、氷重量比率推定装置４０の吸光度氷重量比率算出部４１が吸光度及び算出された水及び氷の吸光度Ａから氷重量比率を算出する。そして、吸光度微分値算出部４３により算出された吸光度Ａから波長に対する吸光度Ａの２次微分値Ｂを算出する。吸光度Ａの算出方法は前述したので省略する。
そして、食品サンプルＳに近赤外光が照射されると、食品サンプルＳを支持台１０から取り出して解凍を継続する。そして、食品サンプルＳを取り出してから所定時間経過後に、再び食品サンプルＳを支持台１０の収容部１１内に設置して、前述した方法で分光データ（波長及び光強度）を測定して、吸光度氷重量比率算出部４１が吸光度Ａ及び氷重量比率を算出し、吸光度微分値算出部４３が吸光度Ａの２次微分値Ｂを算出する。このようにして、食品サンプルＳが完全に解凍するまで、経時的に、分光データ（波長及び光強度）を測定し、且つ吸光度Ａ、吸光度Ａの２次微分値Ｂ、氷重量比率を算出する。
一方、食品サンプルＳ（かまぼこ）の氷重量比率は、カロリメトリ法によって測定する。カロリメトリ法による氷重量比率の算出方法は、先ず、水と凍結させた食品サンプルＳ（かまぼこ）を用意し、これらを断熱容器（例えば、デュワー瓶）内に入れ、これらが均一温度になるまで攪拌する。このとき、攪拌の初期の水及び凍結食品サンプルの温度と、攪拌後の均一温度を測定する。カロリメトリ法は、攪拌時に水が失う熱量Ｑ１と食品サンプルＳが吸収する熱量Ｑ２が等しい関係から氷重量比率を算出する。
水が失う熱量Ｑ１と食品サンプルが吸収する熱量Ｑ２との関係は、以下の通りである。
Ｑ１＝Ｇ×（Ｔｆ−Ｔ１）×ｃ１＋Ｇ×ｒ×Ａ／１００＋Ｇ×（Ｔ−Ｔｆ）×ｃ２
Ｑ２＝Ｇｗ×（Ｔ２−Ｔ）×ｃｗ
ここで、Ｇは、サンプル重量（g）であり、
Ｇｗは、水重量（g）であり、
Ｔ１は、サンプル初期温度（℃）であり、
Ｔ２は、水初期温度（℃）であり、
Ｔｆは、凍結温度（℃）であり、
Ｔは、終結温度（℃）であり、
ｒは、サンプル潜熱（Ｊ／ｇ・℃）であり、
Ａは、氷重量比率（％）であり、
ｃ１は、サンプル比熱（凍結点以下）（Ｊ／ｇ・℃）であり、
ｃ２は、サンプル比熱（凍結点以上）（Ｊ／ｇ・℃）であり、
ｃｗは、水比熱（凍結点以上）（Ｊ／ｇ・℃）である。

Ｑ１＝Ｑ２の方程式を解くことで、実測の氷重量比率Ａが算出される。
このようにして算出された氷重量比率を横軸にとり、縦軸に算出された吸光度２次微分値をとって、氷重量比率波長に対する吸光度２次微分値の関係を示したグラフが図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）である。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、水の吸収ピークの波長が９３７ｎｍ、９６７ｎｍである場合であり、図１０（ｃ）は、氷の吸収ピークの波長が１０２２ｎｍである場合である。
これらの算出された吸光度２次微分値及び氷重量比率に基づいて、検量線作成部４５は算出された吸光度２次微分値を説明変数にし、凍結水分の氷量比率を目的変数として重回帰分析を行う。したがって、氷重量比率と吸光度２次微分値との間に高い精度（決定係数Ｒ２＝０．９５５、０．９５５、０．９２９）の検量線Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６を得ることができる。これらの検量線Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６に基づいて、氷重量比率推定部４７によって吸光度の２次微分値から未知の氷重量比率を推定できる。
ここで、氷の吸収ピークにおいて、算出された氷重量比率を縦軸にとり、横軸に実測された氷重量比率を取って、実測の氷重量比率に対する算出された氷重量比率の関係を示したグラフが図１１である。このグラフから算出される氷重量比率は、実測の氷重量比率に対して高い相関（決定係数Ｒ２＝０．９５７）があることが確認できる。
次に、食品サンプルＳとして「鯛のすり身」を用いた場合の結果を図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）、図１３に示す。「鯛のすり身」のサンプルは、市販の鯛のすり身を樹脂製の型内に入れて整形し、所定の大きさ（例えば、縦寸法３５ｍｍ，横寸法３５ｍｍ，高さ寸法２４ｍｍ）に作成したものを用いた。なお、吸光度２次微分値及び氷重量比率の算出方法、氷重量比率の測定方法（カロリメトリ法）は、前述した食品サンプルＳが「かまぼこ」の場合と同様であるので、その説明は省略する。
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、水の吸収ピークの波長が９３９ｎｍ、９５９ｎｍである場合の氷重量比率に対する吸光度２次微分値の関係を示し、図１２（ｃ）は、氷の吸収ピークの波長が１０２５ｎｍである場合の氷重量比率に対する吸光度２次微分値の関係を示している。
これらの算出された吸光度２次微分値及び氷重量比率に基づいて、検量線作成部４５は算出された吸光度２次微分値を説明変数にし、凍結水分の氷量比率を目的変数として重回帰分析を行う。したがって、氷重量比率と吸光度２次微分値との間に高い精度（決定係数Ｒ２＝０．９３５、０．９４６、０．９５４）の検量線Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９を得ることができる。これらの検量線Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９に基づいて、氷重量比率推定部４７によって吸光度の２次微分値から、「鯛のすり身」の未知の氷重量比率を推定できる。
ここで、氷の吸収ピークにおいて、算出された氷重量比率を縦軸にとり、横軸に実測される氷重量比率を取って、実測の氷重量比率に対する算出された氷重量比率の関係を示したグラフが図１３である。このグラフから算出される氷重量比率は、実測の氷重量比率に対して高い相関（決定係数Ｒ２＝０．９５５）があることが確認できる。
次に、食品サンプルＳとして「マグロの切り身」を用いた場合の結果を図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）、図１５に示す。「マグロの切り身」のサンプルは、市販のマグロの柵を切断して、所定の大きさ（例えば、縦寸法６０ｍｍ，横寸法４０ｍｍ，高さ寸法４０ｍｍ）に作成したものを用いた。なお、吸光度２次微分値及び氷重量比率の算出方法、氷重量比率の測定方法（カロリメトリ法）は、前述した食品サンプルＳが「かまぼこ」の場合と同様であるので、その説明は省略する。
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、水の吸収ピークの波長が９４０ｎｍ、９６３ｎｍである場合の氷重量比率に対する吸光度２次微分値の関係を示し、図１４（ｃ）は、氷の吸収ピークの波長が１０３０ｎｍである場合の氷重量比率に対する吸光度２次微分値の関係を示している。
これらの算出された吸光度２次微分値及び氷重量比率に基づいて、検量線作成部４５は算出された吸光度２次微分値を説明変数にし、凍結水分の氷量比率を目的変数として重回帰分析を行う。したがって、氷重量比率と吸光度２次微分値との間に高い精度（決定係数Ｒ２＝０．７０２、０．９６０、０．９７６）の検量線Ｌ10、Ｌ11、Ｌ12を得ることができる。これらの検量線Ｌ10、Ｌ11、Ｌ12に基づいて、氷重量比率推定部４７によって吸光度の２次微分値から、「マグロの切り身」の未知の氷重量比率を推定できる。
ここで、氷の吸収ピークにおいて、算出された氷重量比率を縦軸にとり、横軸に実測された氷重量比率を取って、実測の氷重量比率に対する算出された氷重量比率の関係を示したグラフが図１５である。このグラフから算出される氷重量比率は、実測の氷重量比率に対して高い相関（決定係数Ｒ２＝０．９８８）があることが確認できる。
次に、食品サンプルＳとして「豚モモ肉」を用いた場合の結果を図１６（ａ）、図１６（ｂ）、図１６（ｃ）、図１７に示す。「豚モモ肉」のサンプルは、市販の例えばブロック肉を切断して、所定の大きさ（例えば、縦寸法５０ｍｍ，横寸法４０ｍｍ，高さ寸法３０ｍｍ）に作成したものを用いた。なお、吸光度２次微分値及び氷重量比率の算出方法、氷重量比率の測定方法（カロリメトリ法）は、前述した食品サンプルＳが「かまぼこ」の場合と同様であるので、その説明は省略する。
図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、水の吸収ピークの波長が９３９ｎｍ、９６３ｎｍである場合の氷重量比率に対する吸光度２次微分値の関係を示し、図１６（ｃ）は、氷の吸収ピークの波長が１０３１ｎｍである場合の氷重量比率に対する吸光度２次微分値の関係を示している。
これらの算出された吸光度２次微分値及び氷重量比率に基づいて、検量線作成部４５は算出された吸光度２次微分値を説明変数にし、凍結水分の氷量比率を目的変数として重回帰分析を行う。したがって、氷重量比率と吸光度２次微分値との間に高い精度（決定係数Ｒ２＝０．８１６、０．９７９、０．９５３）の検量線Ｌ13、Ｌ14、Ｌ15を得ることができる。これらの検量線Ｌ13、Ｌ14、Ｌ15に基づいて、氷重量比率推定部４７によって吸光度の２次微分値から、「豚モモ肉」の未知の氷重量比率を推定できる。
ここで、氷の吸収ピークにおいて、算出された氷重量比率を縦軸にとり、横軸に実測された氷重量比率を取って、実測の氷重量比率に対する算出された氷重量比率の関係を示したグラフが図１７である。このグラフから算出される氷重量比率は、実測の氷重量比率に対して高い相関（決定係数Ｒ２＝０．９８５）があることが確認できる。
次に、食品サンプルＳとして「寒天」を用いた場合の結果を図１８（ａ）、図１８（ｂ）、図１８（ｃ）、図１９に示す。「寒天」のサンプルは、市販の寒天粉末を用いて、所定の大きさ（例えば、縦寸法３５ｍｍ，横寸法３５ｍｍ，高さ寸法２５ｍｍ）に作成したものを用いた。なお、吸光度２次微分値及び氷重量比率の算出方法、氷重量比率の測定方法（カロリメトリ法）は、前述した食品サンプルＳが「かまぼこ」の場合と同様であるので、その説明は省略する。
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、水の吸収ピークの波長が９３９ｎｍ、９６３ｎｍである場合の氷重量比率に対する吸光度２次微分値の関係を示し、図１６（ｃ）は、氷の吸収ピークの波長が１０３３ｎｍである場合の氷重量比率に対する吸光度２次微分値の関係を示している。
これらの算出された吸光度２次微分値及び氷重量比率に基づいて、検量線作成部４５は算出された吸光度２次微分値を説明変数にし、凍結水分の氷量比率を目的変数として重回帰分析を行う。したがって、氷重量比率と吸光度２次微分値との間に高い精度（決定係数Ｒ２＝０．９３３、０．９６６、０．８７６）の検量線Ｌ16、Ｌ17、Ｌ18を得ることができる。これらの検量線Ｌ16、Ｌ17、Ｌ18に基づいて、氷重量比率推定部４７によって吸光度の２次微分値から、「寒天」の未知の氷重量比率を推定できる。
ここで、氷の吸収ピークにおいて、算出された氷重量比率を縦軸にとり、横軸に実測された氷重量比率を取って、実測の氷重量比率に対する算出された氷重量比率の関係を示したグラフが図１９である。このグラフから算出される氷重量比率は、実測の氷重量比率に対して高い相関（決定係数Ｒ２＝０．９６７）があることが確認できる。
なお、前述した実施形態では、回帰分析によって、吸光度２次微分値から凍結水分の氷量比率を高い精度で算出したが、以下の方法で算出してもよい。回帰分析を行う際に、９４０ｎｍ、９６０ｎｍ、１０２０ｎｍ付近における吸光度二次微分値のうち、１つまたは複数を説明変数として氷重量比率を推定する。以下に、説明変数の数を変えて回帰分析を行った結果を示す。なお、表中の値は決定係数Ｒ２の値である。
Figure 0006400835
また、微分処理以外でも、吸光度データに対してMSC処理またはSNV処理を行った値を用いて帰分析を行っても氷重量比率を高い精度で算出することが可能である。
また、前述した実施形態では、光侵入装置５としてハロゲン光源を用いたが、近赤外領域(750〜1500nｍ)の波長が得られ、水及び氷の吸収ピークを有する波長を含む近赤外光を発光する光源(900〜1100nｍ近辺)であればよく、例えば、クセノン系光源などを用いてもよい。あるいは、水や氷の吸収ピークを有する波長であってかつ分光データより２次微分値が求められる複数の光源を用いてもよい。この場合には、食品サンプルＳに照射される近赤外光は、水の吸収ピークを有する波長の近赤外光と氷の吸収ピークを有する900〜1100nｍ近辺の波長の近赤外光のみである。このため、食品サンプルＳ内を透過・反射して分光装置３０で受光される近赤外光も水の吸収ピークを有する波長の近赤外光と氷の吸収ピークを有する波長の近赤外光のみである。従って、他の波長の近赤外光の影響を排除することができ、分光装置３０で測定される近赤外光の分光データの精度をより向上させることができる。
なお、前述した実施形態では、内臓及び肉の混合体を含む加熱粘調体の一例として、「かまぼこ」について説明したが、かまぼこ以外に、ちくわ、はんぺん、おでんのボール、ちくわぶ、なると、つみれ等でもよい。また、前述した実施形態では、肉の一例として、「鯛のすり身」、「マグロの切り身」、「豚のモモ肉」を説明したが、カツオ、サバ等の魚肉、牛、鳥等の獣肉でもよい。さらに、肉以外に、牛、豚、鳥等の獣肉の内臓でもよい。また、前述した実施形態では、ゲル状食品の一例として「寒天」を説明したが、ゼラチン、豆腐、コンニャク等でもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。
１ 水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置
５ 光侵入装置（光侵入手段）
６、７ 光ファイバーケーブル
１０ 支持台
１１ 収容部
１２ 板
１２ａ 挿入孔部
１２ｂ 底面
１５ 脚部
１８ 枠体
１９ 敷板
１９ａ 孔部
３０ 分光装置（分光手段）
４０ 氷重量比率推定装置
４１ 吸光度氷重量比率算出部（吸光度氷重量比率算出手段）
４３ 吸光度微分値算出部（吸光度微分値算出手段）
４５ 検量線作成部（検量線作成手段）
４７ 氷重量比率推定部（氷重量比率推定手段）
Ｌ１〜Ｌ１８ 検量線
Ｓ 食品サンプル

Claims (5)

  1. 固体から液体に相転移可能であり水分を含有する食品サンプルを支持するための支持台と、
    前記支持台に支持される食品サンプルに対して水及び氷の吸収ピークの波長を含む近赤外光を侵入させる光侵入手段と、
    前記光侵入手段からの近赤外光が前記食品サンプル内を透過及び反射した近赤外光を経時的に分光するとともに光強度を測定する分光手段と、
    前記分光手段により測定された近赤外光の分光データに基づいて、前記食品サンプル中の水及び氷の吸光度と凍結水分の氷重量比率を算出する吸光度氷重量比率算出手段と、
    前記吸光度氷重量比率算出手段により算出された水及び氷の吸光度の微分値を算出する吸光度微分値算出手段と、
    前記吸光度微分値算出手段により算出された前記吸光度の微分値と、前記吸光度氷重量比率算出手段により算出された前記凍結水分の氷重量比率とに基づいて検量線を作成する検量線作成手段と、
    前記検量線作成手段により作成された検量線に基づいて、前記吸光度氷重量比率算出手段により算出された吸光度から算出される吸光度の微分値から未知の氷重量比率を推定する氷重量比率推定手段と、
    を備え、
    前記吸光度微分値算出手段により算出される水及び氷の吸光度の微分値は、該吸光度２次微分値であり、
    前記検量線作成手段は、前記算出された凍結水分の氷重量比率を目的変数とし、前記算出された９４０ｎｍ付近及び９６０ｎｍ付近の水の前記吸光度２次微分値の２つのピーク値、及び、１０２０ｎｍ付近の氷の吸光度２次微分値のピーク値を説明変数として回帰分析を行って検量線を作成することを特徴とする水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置。
  2. 前記光侵入手段は、近赤外領域(７５０〜１５００ｎｍ)の波長が得られ、水及び氷の吸収ピークを有する波長を含む近赤外光を発光する光源を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置。
  3. 前記水分を含有する食品サンプルは、内臓、肉、若しくは前記内臓及び前記肉の混合体を含む加熱粘調体、ゲル状食品を含む
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水分を含有する食品サンプルの相転移検出装置。
  4. 固体から液体に相転移可能であり水分を含有する食品サンプルに対して水及び氷の吸収ピークを含有する近赤外線を照射して、経時的に前記食品サンプル中に含まれる水及び氷の吸光度を算出するとともに、該算出された水及び氷の吸光度から凍結水分の氷重量比率を算出し、
    前記算出された水及び氷の吸光度の微分値と前記凍結水分の氷重量比率とに基づいて検量線を作成し、
    前記作成された検量線に基づいて、算出された吸光度の微分値から未知の氷重量比率を推定し、
    前記算出された水及び氷の吸光度の微分値は、該吸光度２次微分値であり、
    前記検量線は、前記算出された凍結水分の氷重量比率を目的変数とし、前記算出された９４０ｎｍ付近及び９６０ｎｍ付近の水の前記吸光度２次微分値の２つのピーク値、及び、１０２０ｎｍ付近の氷の吸光度２次微分値のピーク値を説明変数として回帰分析を行って作成される
    ことを特徴とする水分を含有する食品サンプルの相転移検出方法。
  5. 前記水分を含有する食品サンプルは、内臓、肉、若しくは前記内臓及び前記肉の混合体を含む加熱粘調体、ゲル状食品を含む
    ことを特徴とする請求項４に記載の水分を含有する食品サンプルの相転移検出方法。
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