JP6825228B2 - イオンセンサ、イオン濃度の測定方法、および発酵物の製造方法 - Google Patents
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さらに、本発明は、上記イオンセンサを用いたイオン濃度の測定方法、および上記イオンセンサを用いた発酵物の製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明のイオンセンサにおいて、前記固体材料は、発酵物の原料、中間品、製品の何れかの液体に浸漬した際の電位が、前記液体中のイオン濃度に依存しない特性を有していてもよい。
また、本発明のイオンセンサにおいて、前記固体材料は、発酵物の原料、中間品、製品の何れかの液体に浸漬した際の電位が、前記液体中のイオン濃度に対して線形に変化する特性を有していてもよい。
また、本発明のイオンセンサにおいて、前記固体材料は、塩化物イオンに感応性を有する材料からなっていてもよい。
また、本発明の発酵物の製造方法において、前記基準値αをpH3.5以上pH5.5以下としてもよい。
また、本発明の発酵物の製造方法において、前記イオンセンサのイオン電極に備える前記固体材料として、前記発酵物の原料液およびその発酵後の生成物の中に含まれるイオンであって、かつ水素イオンよりも発酵期間における濃度変化が小さいイオンに対して、感応性を有するものを用いてもよい。前記イオンは塩化物イオンとしてもよく、前記発酵物を、ヨーグルトまたはチーズとしてもよい。
また、本発明の発酵物の製造方法において、前記発酵物をチーズとし、前記加熱するステップを経て得られたチーズ前駆体を、前記pH計が表示するpH値が基準値βに達するまで凝固させるステップを有していてもよい。
図1(a)は、本実施形態に係るイオンセンサ100の構成の概略図である。イオンセンサ100は、イオン感応性を有する固体材料(イオン感応性材料)を備え、参照極として機能するイオン電極101(Ion Selective Electrode(ISE))と、作用極として機能する半導体センサ102を備えている。Ag/AgCl電極との電位差ΔEの絶対値|ΔE|が大きいと、より優れたセンサ特性(再現性など)が得られる。例えば、1.5〜1.9となるように設けられたSi−ISFETを、半導体センサ102として選択してもよい。
被測定液中のイオン濃度を、上述したイオンセンサ100を用いて測定する方法について説明する。イオンセンサ100の駆動方法としては、ソース接地法、ソースフォロー法などの既知の電界効果トランジスタの駆動方法を使用することができる。以下、ソース接地法による駆動方法を例示する。
図6は、上記実施形態の変形例1に係るイオンセンサ110の断面図である。イオンセンサ110は、電界効果オランジスタ112のゲート酸化膜の構成、および駆動回路との接点の構成において、図1、4を用いて説明したイオンセンサ100と異なっている。具体的には、電界効果トランジスタ112を構成する酸化膜12、イオン感応膜13が、チャネル領域11C上だけでなくソース領域11S上、ドレイン領域11D上も覆っている。また、電界効果トランジスタ112の駆動回路113との電気的な接点が、基板11の側面側に設けられている。その他の部分(イオン電極、駆動回路)の構成については、イオンセンサ100と同様である。したがって、イオンセンサ110でも、上述したイオンセンサ100と同等の効果を得ることができる。
図7は、上記実施形態の変形例2に係る電界効果トランジスタ122の断面図である。電界効果トランジスタ122は、ダイヤモンドISFETと呼ばれるものであり、基板21の一方の主面21aにダイヤモンド薄膜27を有している点、フィールド酸化膜を有していない点において、図4に示した電界効果トランジスタ102と異なっている。なお、電界効果トランジスタ122は、ダイヤモンド薄膜27の接液部に酸化膜を有していないことから、ダイヤモンドSGFET(electrolyte Solution Field−Effect Transistor)と呼ばれることもある。
特許文献6等に開示されているように、発酵食品のpHと発酵の進捗とは相関があるため、発酵タンク内に発酵物を収容し、イオンセンサ100を用いてそのpHを測定することにより、発酵工程の進捗管理を行うことができる。発酵食品としては、種類による限定がなく、例えば、ヨーグルト、チーズ、酒、醤油、味噌、納豆等が挙げられる。
[ステップS1]
まず、発酵タンクTに、適用例2として後述する、pH値が既知のCIP(Clean−in−Place)洗浄液を充填する。
[ステップS2]
次に、充填した洗浄液中のpH値を、pH計を用いて測定し、測定値が既知の値となるように、pH計を校正する。
[ステップS3]
次に、発酵タンクT内の洗浄液を、pH値が既知の発酵物の原料液で置換する。発酵物としてヨーグルトを製造する場合には、牛乳、脱脂(粉)乳、生クリーム等の一種類または複数種類を原料液として用いる。
[ステップS4]
次に、pH計を用いて牛乳のpH値を測定し、測定値が既知の値となるように、pH計を校正する。
[ステップS5]
次に、原料液に乳酸菌(スターター)等の種菌を添加する。
[ステップS6]
次に、種菌が添加された原料液を、所定の温度で加熱して発酵させる。
[ステップS7]
pH計が表示する加熱中の原料液のpH値を随時確認し、発酵完了の状態に対応するpHの基準値αが検出された時点で、加熱を停止し、発酵物を得る。なお、発酵物としてヨーグルトを製造する場合、pHの基準値αは3.5以上5.5以下であればよいが、4以上5以下である方が好ましい。
食品・飲料品・薬品の製造ラインでは、製造が終了する毎に、製造に用いたタンクや配管等の洗浄・殺菌が行われる。洗浄・殺菌に用いた薬品は、再利用によるコスト削減のために回収される。このような洗浄液の回収を実施するCIP(Clean−in−Place)システム(洗浄液回収システム)では、洗浄剤と洗浄水の入れ替えにおける識別等のために、センサが必要とされている。通常の場合、このセンサとして導電率計が用いられるが、導電率の変化量は洗浄液(CIP洗浄液)ごとに異なるものであり、導電率の変化量が小さい洗浄液の識別を、導電率計の出力値に基づいて行うことは難しい。
本実施形態に係るイオンセンサ100は、配管P内を流れる流体Fのイオンセンシングに適用することができる。図11は、配管Pと配管Pに付設したイオンセンサ100とを備えた、pH計測システムの構成の概略図である。配管P内の所望の位置に、イオン電極101および電界効果トランジスタ102が配置され、配管P内を流れる流体Fに浸漬される状態となっている。配管Pの材料としては、例えばステンレス、銅等が挙げられるが、特に限定されるものではない。
例えば特許文献7等に開示されているように、チーズの製造工程において、チーズの原料・中間体・生成物の品質とpH値には相関があり、発酵工程中に、常時pH管理を行うことが有効である。具体的には、発酵タンク(パットともいう)内にチーズの原料を収容し、加熱しながら、イオンセンサを用いてそのpHを測定することにより、発酵工程の進捗管理を行うことができる。
まず、洗浄工程として、チーズ発酵工程に使用する発酵タンクを含む発酵装置(パットともいう、撹拌はねなどを含む場合がある;以下、チーズ発酵容器と呼ぶ)に、例えば適用例2として挙げたような、pH値が既知のCIP(Clean−in−Place)洗浄液を充填する。
[ステップS12]
次に、センサ校正工程として、必要に応じて、充填した洗浄液中のpH値を、pH計を用いて測定し、測定値が既知の値となるようにpH計を校正する。
[ステップS13]
次に、置換工程として、チーズ発酵容器内の洗浄液を、pH値が既知のチーズ原料乳で置換する。
[ステップS14]
次に、センサ校正工程として、必要に応じて、置換した原料乳のpH値をpH計を用いて測定し、測定値が既知の値となるようにpH計を校正する。
[ステップS15]
次に、加熱殺菌工程として、低温殺菌(例えば、65℃で約30分間)を行う。具体的には、チーズ発酵容器内の温度を65℃程度とし、約30分間の熱処理を行う。
[ステップS16]
次に、発酵工程として、原料乳または殺菌乳が、チーズ製造のための乳酸醗酵に適した温度(例えば33℃)となるように、チーズ発酵容器内の温度を調整する。
[ステップS17]
次に、原料乳または殺菌乳に、乳酸菌(スターターともいう;1種類もしくは複数種類)等の種菌を添加する。
[ステップS18]
pH計が表示する加熱中の原料乳のpH値を随時確認し、所定のpHの基準値αが検出された時点で、所望の発酵状態に至ったと判断し、乳酸発酵工程を終了して、次の工程に移行する。pHの基準値αは、凡そ6.7とするのが好ましい。
[ステップS19]
次に、凝固工程として、醗酵乳を凝固させ、レンネット(酵素)を添加してカード(チーズの固形物)を得る。必要に応じて撹拌を行い、攪拌後に静止させる。pH値を随時確認し、所定のpHの基準値βが検出された時点で、所望の発酵状態に至ったと判断し、凝固工程を終了して次の工程に移行する。pHの基準値βは、凡そ6.5以下とするのが好ましい。
[ステップS20]
次に、カード切断工程として、カードを切断することで表面積を大きくして、カードから水分(ホエー)が出やすくする。
[ステップS21]
次に、撹拌加熱工程として、静かに撹拌し、徐々に温度を上げる。これにより、カードが収縮して弾力性が得られる。その後、カードからのホエイ抜きを行い、加塩し、カードを熟成させる。
例えば特許文献6に開示されているように、発酵食品のpHと発酵の進捗とは相関がある。また、例えば特許文献8に開示されているように、発酵食品の酸度と発酵の進捗とも相関がある。イオンセンサは導電率計を備えていてもよく、pH値とともに導電率値を測定し、予め得ている導電率と酸度との関係式から酸度に換算し、pH値と酸度により発酵工程の管理を行ってもよい。測定の対象となる発酵食品としては、特に限定されないが、例えばヨーグルト、チーズ、酒、醤油、味噌等が挙げられる。
(発酵物の製造方法)
発酵食品(発酵物)であるヨーグルトの製造過程において、図8の発酵物の製造装置300を用いて、発酵工程の進捗管理を行う方法(発酵物の製造方法)を実施した。
[ステップS1−1]
まず、発酵タンクTに、アルカリ性のCIP(Clean−in−Place)洗浄液として、NaOHを充填した。
[ステップS2−1]
次に、充填したアルカリ性CIP洗浄液中のpH値を、pH計を用いて測定し、測定値が既知の値13となるように、pH計を校正した。
[ステップS1−2]
次に、発酵タンクT内のアルカリ性CIP洗浄液を、酸性のCIP洗浄液として、HNO3で置換した。
[ステップS2−2]
次に、この酸性CIP洗浄液中のpH値を、pH計を用いて測定し、測定値が既知の値0.5となるように、pH計を校正した。
[ステップS3]
次に、発酵タンクT内の酸性CIP洗浄液を、ヨーグルトの原料である牛乳で置換した。
[ステップS4]
次に、pH計を用いて牛乳のpH値を測定し、測定値が既知の値6.7となるように、pH計を校正した。
[ステップS5]
次に、牛乳にABCT種菌を添加した。
[ステップS6]
次に、種菌が添加された牛乳を、42℃で加熱して発酵させた。
[ステップS7]
pH計が表示する加熱中の原料液のpH値を随時確認し、発酵完了の状態に対応するpHの基準値4.2が検出された時点で、加熱を停止し、ヨーグルトを得た。
1S・・・ソース領域、1a・・・一方の主面、2・・・ゲート酸化膜、
3・・・イオン感応膜、4・・・フィールド酸化膜、5S・・・ソース電極、
5D・・・ドレイン電極、6・・・保護膜、11・・・基板、
11C・・・チャネル領域、11D・・・ドレイン領域、11S・・・ソース領域、
12・・・酸化膜、13・・・イオン感応膜、21・・・基板、
25D・・・ドレイン電極、25S・・・ソース電極、26・・・保護膜、
27・・・ダイヤモンド薄膜、27a・・・表面、100・・・イオンセンサ、
101・・・イオン電極、101A・・・筐体、101B・・・固体膜、
101a・・・開口部、102・・・電界効果トランジスタ、103・・・駆動回路、
103W・・・配線104・・・測定容器、105・・・壁、
110・・・イオンセンサ、111・・・イオン電極、
112・・・電界効果トランジスタ、113・・・駆動回路、
122・・・電界効果トランジスタ、200・・・イオン濃度測定装置、
300・・・発酵物の製造装置、D・・・ドレイン電極、F・・・流体、
I・・・測温器、L・・・被測定液、M・・・発酵物、P・・・配管、
S・・・ソース電極S1〜S7・・・ステップ、T・・・発酵タンク。
Claims (9)
- イオン感応性を有する固体材料を備え、参照極として機能するイオン電極と、
作用極として機能する電界効果トランジスタと、
前記電界効果トランジスタのソース電極とドレイン電極との間、および、前記ソース電極と前記イオン電極との間に電圧を印加する駆動回路と、を備え、
前記固体材料は、発酵物の原料、中間品、製品の何れかの液体に浸漬した際の電位が、前記液体中のイオン濃度に依存しない特性、または、前記液体中のイオン濃度に対して線形に変化する特性を有しており、
前記固体材料は、前記イオン電極を被測定液に浸漬した際に、前記被測定液の接液が可能とされている、
ことを特徴とするイオンセンサ。 - 前記固体材料は、塩化物イオンに感応性を有する材料からなることを特徴とする請求項1に記載のイオンセンサ。
- 請求項1または2のいずれかに記載のイオンセンサを用いた、被測定液中のイオン濃度の測定方法であって、
前記イオン電極と前記電界効果トランジスタとを被測定液に浸漬するステップと、
前記駆動回路を用いて、前記電界効果トランジスタの前記ソース電極と前記イオン電極との間に電圧を印加するステップと、
前記駆動回路を用いて、前記電界効果トランジスタの前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に電圧を印加するステップと、
前記電圧の印加に伴って前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を流れる電流の値に基づいて、前記被測定液中のイオン濃度を測定するステップと、を有することを特徴とするイオン濃度の測定方法。 - 発酵タンクにpH値が既知の洗浄液を充填するステップと、
pH計を用いて前記洗浄液中のpH値を測定し、測定値が既知の値となるように、前記pH計を校正するステップと、
前記洗浄液をpH値が既知の発酵物の原料液で置換するステップと、
前記pH計を用いて前記原料液中のpH値を測定し、測定値が既知の値となるように、前記pH計を校正するステップと、
前記原料液に種菌を添加するステップと、
前記pH計が表示するpH値が基準値αに達するまで、前記種菌が添加された原料液を加熱するステップと、を有し、
前記pH計として、請求項1または2のいずれかに記載のイオンセンサを用いることを特徴とする発酵物の製造方法。 - 前記基準値αを3.5以上5.5以下とすることを特徴とする請求項4に記載の発酵物の製造方法。
- 前記イオンセンサのイオン電極に備える前記固体材料として、前記発酵物の原料液およびその発酵後の生成物の中に含まれるイオンであって、かつ水素イオンよりも発酵期間における濃度変化が小さいイオンに対して、感応性を有するものを用い、
前記発酵物を、ヨーグルトまたはチーズとすることを特徴とする請求項4または5のいずれかに記載の発酵物の製造方法。 - 前記イオンが塩化物イオンであることを特徴とする請求項6に記載の発酵物の製造方法。
- 前記発酵物をチーズとし、
前記加熱するステップを経て得られたチーズ前駆体を、前記pH計が表示するpH値が基準値βに達するまで凝固させるステップを有することを特徴とする請求項4〜7のいずれか一項に記載の発酵物の製造方法。 - 前記発酵物をヨーグルトとし、
前記加熱するステップにおいて、被加熱体のpH値が前記基準値αに達した後、さらに前記被加熱体の酸度が基準値γに達するまで加熱を続けることを特徴とする請求項4〜7のいずれか一項に記載の発酵物の製造方法。
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