JP6840131B2 - 食品処理において使用するための収容器具 - Google Patents

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Description

本発明は、高温高圧処理において使用するための収容器具およびシステムと、この収容器具を使用した高温高圧処理の方法とに関する。
高圧処理(HPP)は成熟した技術であり、その主な用途は、食品(例えば飲料)の低温保存、すなわち温度ではなく圧力により引き起こされる植物有機体の不活性化である。HPPだけでは、細菌胞子を不活性化することはできない。従来の缶詰製造法は、中心部の十分な加熱処理を確保するために長期間にわたり缶の外部を著しく過熱する必要があることから、それによって製造される製品は安全ではあるが低品質である。
高圧高温処理を利用することは、従来の熱処理に比べて複数の利点を有する。これらの利点としては、圧力上昇中に食品素材が高速で圧縮加熱される(すなわち加圧により処理材料の温度上昇が生じる)ことと、圧力除去中に高速で減圧冷却される(すなわち圧縮加熱の逆)こととにより熱負荷が軽減されることとが挙げられる。圧力および温度が組み合わされた場合に微生物胞子が相乗効果的な不活性化を示すことが判明している。その結果として、ある程度の不活性化を達成するために必要とされる温度がより低くなり、または熱のみによる不活性化と同等の温度での処理に必要とされる時間がより短くなる。これにより、熱負荷がさらに軽減されるため、風味、芳香、色味、栄養素等の食品の品質特性の保持に有利となる。
今日に至るまで、かかる高圧熱プロセスを実施するためには、圧縮流体および容器壁部を加熱することが可能である専用設計された高圧マシンが使用されなければならない。研究用システムおよび試験用システムにおいて実現可能である典型的な最高温度は、100℃未満である。この温度は、いくつかの用途にとっては十分であるが、通常は約121℃で実施される殺菌に関しては依然として低すぎる。
今日に至るまで、圧力および高温を組み合わせることが可能である入手可能な市販のHPPシステムは存在していない。高圧容器内の加熱(それが加熱された高圧容器壁部または収容器具内の内部ヒータによるものである場合)の必要性を伴うことなく高圧熱処理を可能にすることが望ましい。かかる加熱は、プロセス中の温度を維持するために電気抵抗プロセス、電気プロセス、対流プロセス、または他のプロセスによって実現され得る。もしかようなヒータシステムが利用可能であった場合には、食品、処理液体、および一般的には金属である高圧容器材料などの加熱対象材料を含む種々の材料が関与する点と、対流および伝導に起因して圧力保持時間中に熱損失が生じる点との結果として、加熱された高圧容器内での高圧熱処理中に温度勾配が現れる傾向となる。
Knoerzerら、「Journal of Food Engineering 98」、2010年、110〜119頁 Knoerzerら、「Journal of Food Engineering 96」、2010年、229〜238頁 Engineering Toolbox(www.EngineeringToolBox.com) online material database(www.matbase.com) Knoerzerら、「Food Engineering Reviews 2」、2010年、216〜225頁 Knoerzerら、「AIChE Journal 2007 Vol. 53 No11」、2996〜3010頁 KnoerzerおよびChapman、「Journal of Food Engineering 104」、2011年、404〜413頁
食品製品などの材料の商業規模処理に適した均一な高圧および高温処理を可能にするために、高圧高温処理用のより効率的かつ可制御的なシステムが必要である。
多層の収容器具であって、収容器具内の圧力伝達液体を使用して収容器具内の材料を高温高圧処理するための多層の収容器具が提供される。この多層の収容器具は、内方側部に接触状態となる圧力伝達液体を収容するためのプラスチックから形成された内方層と、内方層の外側に位置し内方層とは異なるプラスチックから形成された少なくとも1つのさらなる層とを備える収容器具壁部を有する。内方層は、その内方側部と接触状態にある圧力伝達液体の圧縮加熱係数と少なくとも同じ大きさの圧縮加熱係数を有し、少なくとも1つのさらなる層は、内方層よりも低い熱伝導率を有する。
あるセットの実施形態では、少なくとも1つのさらなる層は、25℃において0.35W・m-1K-1以下であり、好ましくは0.3W・m-1K-1以下であり、より好ましくは0.26W・m-1K-1以下である熱伝導率を有する。プラスチックの熱伝導率は、温度勾配により単位面積表面に対して鉛直方向における材料の単位厚さを通して伝達される熱の尺度である。25℃において0.3W(m K)以下の、好ましくは0.26W(m K)以下の熱伝導率を有するプラスチックの例は、例えばポリエステル、フェノール樹脂、ナイロン、ポリカーボネート、天然ゴム、合成ゴム、熱可塑性エラストマー、ポリメチルメタクリレート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどのハロゲン化ポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド、およびアクリルからなる群より選択され得る。
外側層において使用されるプラスチックの圧縮率は、高圧下において熱伝導率に著しい影響を及ぼすことを我々は発見した。したがって、典型的には、内方層の外側に位置する少なくとも1つのさらなる層もまた、収容器具壁部の内方層よりも低い圧縮率を有することになる。
材料を高温高圧処理するためのシステムであって、本明細書において説明されるような収容器具と、圧力伝達液体と、収容器具内の材料とを備えるシステムがさらに提供される。
さらなる態様では、材料を高圧熱処理するための方法であって、
(i)上述のような多層の収容器具を用意するステップと、
(ii)液体圧力伝達液体を用意するステップと、
(iii)多層の収容器具、圧力伝達液体、および材料を予熱するステップと、
(iv)収容器具内に処理対象の材料を配置し、材料に圧力を印加するために材料に関連する容器内に圧力伝達液体を供給するステップと、
(v)収容器具内の圧力伝達液体に圧力を印加するステップと
を含み、
内方層が、圧力伝達液体に対して圧縮加熱を与え、少なくとも1つのさらなる層が、低い熱伝導率(断熱)により収容器具からの熱損失を軽減する、方法が提供される。
多層の収容器具、圧力伝達媒体、および材料は、好ましくは40℃〜150℃の範囲内の目標温度を処理対象材料に生じさせることとなる温度にまで予熱され、印加される圧力は、100〜1000MPaの範囲内である。より好ましくは、多層の収容器具、圧力伝達液体、および材料は、50℃〜130℃の範囲内の圧縮下におけるプロセス温度を生じさせる温度にまで予熱され、印加される圧力は、300〜800MPaの範囲内である。
この収容器具および方法により、標準的な(すなわち低温)HPPマシンの使用が可能となり、それにより、熱高圧処理中に収容器具内容物を加熱するための内部ヒータなどの、専用のHPP装置に対する要件を伴わずに高温での均一な処理(圧力および温度に関して)が可能となる。さらに、高圧処理中に圧力伝達液体中にわたる温度の効率的な調整により、これまで熱のみによる処理で必要とされてきたものよりも短い加熱期間および/または低い温度が可能となる。これは、処理時間のさらなる短縮化および過酷な条件のさらなる軽減によってより高い処理効率と食品品質のより効果的な保持とが可能となる食品製品処理においては、非常に大きな利点を有する。
詳細な説明
収容器具の内方層は、その内方側部と接触状態にある圧力伝達液体と少なくとも同じ大きさの圧縮加熱係数を有する。本明細書において、圧縮加熱係数という言及または別の材料(圧力伝達液体など)に対する圧縮加熱係数という言及は、周囲圧力および周囲温度(25℃)にて決定される圧縮加熱係数または相対係数を指す。一般的に言えば、この相対係数は、システムおよびプロセスの動作条件下における材料の相対係数と周囲温度にて一致する。一般的には、内方層のプラスチック材料の選択が、動作温度よりも高い融点を有するプラスチック材料を選択することをさらに伴う点が理解されよう。したがって、一般的には、プラスチックは、60℃超の、好ましくは90℃超の、およびより好ましくは少なくとも120℃の融点を有する。
あらゆる材料の圧縮加熱係数は、以下の等式に従って決定され得る。
Figure 0006840131
ここで、Tは絶対温度Kを示し、Pは圧力Paを示し、kcは圧縮加熱係数Pa-1を示し、αpは、熱膨張係数K-1を示し、ρは密度kgm-3を示し、Cpは比熱容量Jkg-1K-1を示す。
システムの動作条件下において材料の圧縮加熱係数を決定するための具体的な方法は、Knoerzerら、「Journal of Food Engineering 98」、2010年、110〜119頁、およびKnoerzerら、「Journal of Food Engineering 96」、2010年、229〜238頁によって、圧力および温度に対応して、ならびに圧力をかけられる材料の熱膨張係数、密度、および比熱容量に応じて設定される。圧縮加熱係数を決定するために、調査対象となる材料は、ある特定の温度に予熱され、次いで圧力が700〜800MPaのオーダで印加される。この圧力レベルにて、熱電対により測定されるような試験対象の材料中にわたり温度が均一になるまでプロセスが維持される。次いで、圧力は短時間内に除去され、圧力および温度が記録される。次いで、この記録された圧力/温度プロファイルは、種々の圧力レベルにて勾配に関して評価され、上述の刊行物中の等式3により圧縮加熱係数が各圧力レベルおよび温度レベルに関して導かれる。このプロセスは、二次元フィッティングを可能にするのに十分なデータが収集されるまで、種々の初期温度(圧力下において種々の温度を生じさせる)について繰り返され、それにより圧力および温度の組合せに対する圧縮加熱特性の等式を得る。このプロセスは、広範囲の圧力および温度に対するプロセスの効率ならびに材料の挙動を確認するために利用され得る一方で、プラスチック材料は、大気圧力および周囲温度(25℃)での圧縮加熱係数を考慮して選択され得る。
熱伝導率は、安定状態条件下で単位温度勾配により単位面積表面に対して鉛直の方向において材料の単位厚さを通して伝達される熱量として定義され得る。周囲圧力での共通材料の熱伝導性の表は、Engineering Toolbox(www.EngineeringToolBox.com)またはonline material database(www.matbase.com)などにおいて容易に入手可能である。
圧縮率は、本明細書で言及される場合には、圧力(または平均応力)変化に対する応答としての固体の相対体積変化の尺度である。圧縮率の数値は、具体的な材料についての密度および音速に関する容易に入手可能な情報から計算され得る。ここで、圧縮率(βs)は、以下のように表され得る。
Figure 0006840131
ここで、ρは密度であり、cは音速である。
「備える(comprise, comprises, comprised, comprising)」という用語が本明細書(特許請求の範囲を含む)で使用される場合に、これは、述べられた特徴、整数、ステップ、もしくは構成要素の存在を具体的に示すものとして、しかし1つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、もしくは構成要素、またはそれらの群の存在を排除しないものとして解釈されるべきである。
本発明による多層の収容器具の概略断面図である。 HPP用の既知のタイプのものであってもよい圧力容器内に収容された図1による多層の収容器具を備える本発明による高圧熱処理用のシステムの長手方向断面図である。 15分間にわたる高圧熱処理中の単一壁部PTFE収容器具の頂部、中間部、および底部における水(圧力伝達液体として使用される)の温度の変化を経時的に示すグラフである。 15分間にわたる高圧熱処理中の本発明による2層(PTFE外方層、PP内方層)収容器具の頂部、中間部、および底部における水(圧力伝達液体として使用される)の温度の変化を経時的に示すグラフである。 15分間にわたる高圧熱処理中の本発明による3層(PTFE外方層、PP中間層、およびHDPE内方層)収容器具の頂部、中間部、および底部における水(圧力伝達液体として使用される)の温度の変化を経時的に示すグラフである。 15分間にわたる目標殺菌温度での高圧熱処理中の本発明による2層(PTFE外方層、HDPE内方層)収容器具の頂部、中間部、および底部における水(圧力伝達液体として使用される)の温度の変化を経時的に示すグラフである。 15分間にわたる目標殺菌温度での高圧熱処理中の本発明による3層(PTFE外方層、PP中間層、およびHDPE内方層)収容器具の頂部、中間部、および底部における水(圧力伝達液体として使用される)の温度の変化を経時的に示すグラフである。 15分間にわたる目標殺菌温度での高圧熱処理中の本発明による3層(PVC外方層、PP中間層、およびHDPE内方層)収容器具の頂部、中間部、および底部における水(圧力伝達液体として使用される)の温度の変化を経時的に示すグラフである。 15分間にわたる目標低温殺菌温度での高圧熱処理中の本発明による3層(PTFE外方層、PP中間層、およびHDPE内方層)収容器具の頂部、中間部、および底部における水(圧力伝達液体として使用される)の温度の変化を経時的に示すグラフである。
本発明は、中の圧力伝達液体を使用して中の材料を高温高圧処理するための多層の収容器具およびシステムを提供する。この多層の収容器具は、内方側部と接触状態にある圧力伝達液体を収容するためのプラスチックから形成された内方層と、内方層の外側に位置し内方層とは異なるプラスチックから形成された少なくとも1つのさらなる層とを備える収容器具壁部を有する。内方層は、その内方側部と接触状態にある圧力伝達液体と少なくとも同じ大きさの圧縮加熱係数を有し、すなわち特定の圧力レベルにおいて少なくとも同一の圧縮加熱を被り、少なくとも1つのさらなる層は、第1の層よりも低い圧縮率を有し、したがって圧力下においてより低い熱伝導率を有する。
収容器具壁部の内方層は、その内方側部と接触状態にある圧力伝達液体の圧縮加熱係数と少なくとも同一の大きさの圧縮加熱係数を有する。高温高圧処理中の収容器具の動作においては、これが、圧力伝達液体から層への熱損失をもたらし得る温度勾配を回避させるか、または、内方層の圧縮加熱係数が圧力伝達液体よりも高い場合には収容器具が高圧処理中に層から圧力伝達液体へと熱を供給するかのいずれかの結果をもたらす。
あるセットの実施形態では、内方層の圧縮加熱係数(kc)は、周囲温度および周囲圧力にて少なくとも6.2×10-11Pa-1であり、好ましくは周囲温度および周囲圧力にて少なくとも8×10-11Pa-1である。一連の容易に入手可能なプラスチック(および水)の圧縮加熱係数(25℃および大気圧にて)をTable 1(表1)に示す。
Figure 0006840131
内方層の外側に位置する少なくとも1つのさらなる層の熱伝導率は、25℃において、一般的には0.33W・m-1K-1以下であり、好ましくは0.3W・m-1K-1以下であり、より好ましくは0.26W・m-1K-1以下である。特に好ましい一実施形態では、内方層の外側に位置する少なくとも1つのさらなる層の熱伝導率は、25℃において0.2W・m-1K-1以下である。
内方層の外側に位置する少なくとも1つの収容器具層は、好ましくは内方層よりも低い圧縮率を有する。このより低い圧縮率は、圧力下において内方層よりも低い熱伝導率を実現するのを支援する。内方層の外側に位置する少なくとも1つの層のこの圧縮率は、好ましくは2.5×10-10Pa-1以下である。あるセットの実施形態では、この圧縮率は、2×10-10Pa-1以下である。
低圧縮率および低熱伝導率の組合せは、典型的には圧力保持時間中に良好な断熱性をもたらして低温の高圧用器壁部と容器を囲む加圧液体などの材料とに向かう恐れのある熱損失(著しい温度勾配に起因する)を抑制する。
複数の容易に入手可能なプラスチック(および水)の圧縮率および熱伝導率(25℃および周囲圧力にて)をTable 2(表2)に示す。
Figure 0006840131
内方層の外側に位置する層について所要の熱伝導率および圧縮率を有する適切な材料の例としては、ポリエステル、ナイロン、ポリカーボネート、天然ゴム、ABSなどの合成ゴム、フェノール樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリイミド(PI)、ポリフルオロアルコキシアルカン(PFA)、熱可塑性エラストマー、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などのアクリル、ポリプロピレン(PP)、ポリ塩化ビニル(PVC)などのハロゲン化ポリオレフィン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)からなる群より選択される少なくとも1つのプラスチックが含まれる。あるセットの実施形態では、外側層は、PMMA、PVDF、PP、およびPTFEからなる群より選択される。PMMAおよびPVDFは、低い圧縮率および低い熱伝導率により特に好ましい。
あるセットの実施形態では、内方層は、中密度または高密度のポリエチレンであり、収容器具は、内方層の外側に位置する少なくとも2つの層をさらに備え、これらの少なくとも2つの外側層は、ポリエステル、ナイロン、ポリカーボネート、天然ゴム、合成ゴム、フェノール樹脂、熱可塑性エラストマー、ポリメチルメタクリレート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどのハロゲン化ポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド、およびアクリルからなる群より選択される。あるセットの実施形態では、内方層の外側に位置するこれらの層は、PPまたはABSの層と、PTFE、PVC、PVDF、およびPMMAより選択されるプラスチック層とを備える。
あるセットの実施形態では、収容器具壁部は、好ましくは連続的である少なくとも3つの層を備える。内方層が、水よりも高い圧縮加熱を実現するプラスチックを含み、中間層が、内方層よりも低い圧縮加熱を示すが中間的な圧縮率を有し、したがって(外方層よりも高い)圧縮加熱および(内方層よりも良好な)断熱性をもたらし、中間層の外側に位置する第3の層は、中間層よりも低い圧縮加熱を示す。あるセットの実施形態では、内方層は高密度ポリエチレン(HDPE)であり、中間層はポリプロピレン(PP)であり、中間層の外側に位置する層は、PMMA、PVC、PET、PES、PI、PVDF、およびPTFEからなる群より選択される。あるセットの実施形態では、中間層の外側に位置する層は、PMMAまたはPVDFである。
多層の収容器具壁部の具体的な例としては、以下の層、すなわち(内方層から内方層よりも外側にある層に向かって順に)HDPE/PP/PMMA、HDPE/PP/PVDF、HDPE/PP/PTFE、HDPE/PP、HDPE/PMMA、HDPE/PVDF、HDPE/PP/PEEK、HDPE/PP/PI、HDPE/ABS、HDPE/ABS/PMMA、およびHDPE/ABS/PVDFの層を備える壁部を有する収容器具が含まれる。
好ましくは、この多層壁部は、内方壁部、中間壁部、およびさらなる壁部の連続構成を備える。これらの壁部は、溶着されてもよく、または例えば摺動可能に係合されるように構成されたそれぞれ異なる直径の円筒状層などの分離可能層を密着させて配置して形成してもよい。
収容器具壁部の層の厚さは、収容器具の寸法と所要の断熱性および圧縮加熱の度合いとを考慮して選択されてもよい。あるセットの実施形態では、層は、1mm〜50mmの範囲内の厚さのものである。
収容器具は、一般的には多層構造を備える側壁部および底壁部を備える。収容器具は、様々な形状および寸法で調製され得る。あるセットの実施形態では、収容器具は、円筒状側壁部と、この側壁部上に封着された閉端壁部とを備える。円筒状側壁部および好ましくはさらに端壁部は、多層構造のものである。あるセットの実施形態では、収容器具は、封着された端壁部の対向側に開口を備え、この開口から圧力が収容器具の圧力伝達液体に対して印加される。好ましいあるセットの実施形態では、収容器具開口は、ピストンを備え、このピストンは、収容器具側壁部の内部に対接して封止し、収容器具の外部からピストンに印加された圧力に応答して可動である(それにより圧力伝達液体に圧力を印加する)。ピストンは、単層構造または多層構造のものであってもよく、あるセットの実施形態では、本明細書で前述したような多層構造を備える。好ましいあるセットの実施形態では、ピストンは、収容器具の内方層と同一であり得る圧縮加熱材料から構成された単一層である。
一般的には、収容器具が、円筒状側壁部および端壁部を備えることにより、より大きな直径の円筒状高圧チャンバなどの円筒状高圧チャンバ内に嵌入するように構成された多層の収容器具を形成することが好ましい。好ましくは、この多層の収容器具は、収容器具に対しておよび高圧チャンバ内において外部から印加される圧力に応答して円筒状側壁部内において可動であるピストンを備える。このピストンは、収容器具の側壁部に対接してシールを形成する外縁エッジを有し得る。収容器具側壁部の内方側部に対接して封止するピストンを使用することにより、加圧の開始が防止される。ピストンは、収容器具の内方層として存在する圧縮加熱プラスチックから形成され得る。また、ピストンは、多層構造のものであってもよいが、一般的には単層構造が適切であることが判明している。
あるセットの実施形態では、本明細書で前述したような収容器具と、圧力伝達液体と、収容器具内の材料とを備える、材料を高温高圧処理するためのシステムが提供される。
あるセットの実施形態では、収容器具は、圧力伝達液体に対して高圧を印加するために圧力チャンバ内に収容される。好ましくは、圧力チャンバは、ピストンにより収容器具内で圧力伝達液体から分離された液体圧力媒体を収容し、このピストンは、圧力媒体により印加される圧力に応答して圧力伝達液体におよび処理対象の材料に圧力を伝達する。
さらなる一態様では、材料を高圧熱処理するための方法であって、
(i)本明細書で説明されるような多層の収容器具を用意するステップと、
(ii)液体圧力伝達液体を用意するステップと、
(iii)多層の収容器具、圧力伝達液体、および材料を予熱するステップと、
(iv)収容器具内に処理対象の材料を配置し、材料に圧力を印加するために材料に関連する容器内に圧力伝達液体を供給するステップと、
(v)収容器具内の圧力伝達液体に圧力を印加するステップと
を含み、
内方層は、圧力伝達液体に対して圧縮加熱を与え、少なくとも1つのさらなる層は、収容器具からの熱損失を軽減する、方法が提供される。
収容器具および内容物を高圧処理にかける前に利用される予熱温度は、処理対象の材料に対して決定され、圧力レベルおよび目標温度に基づく。目標温度は、40℃〜150℃の範囲内である。好ましくは、予熱温度は、50℃〜130℃、およびより好ましくは60℃〜121℃の範囲内のプロセス温度をもたらすことになる。プロセス中の圧力は、例えば400MPa〜800MPaなど、100MPa〜1000MPa(1000および10000バール)であってもよい。圧力保持時間は、1秒〜30分であることが可能である。好ましいあるセットの実施形態では、圧力は、30秒〜5分の範囲内で維持される。予熱温度は、あるセットの実施形態では圧力、目標温度、ならびに処理される材料、加圧流体、および選択される内方層の圧縮加熱特性を含むシステムの動作条件に依拠するが、30℃〜100℃、好ましくは40℃〜90℃、および最も好ましくは40℃〜70℃の範囲内である。あるセットの実施形態では、圧力伝達液体は、水性液体であり、材料は、食品製品であり、予熱温度は、30℃〜100℃、好ましくは40℃〜90℃、および最も好ましくは40℃〜70℃の範囲内であり、高圧処理中に実現される温度は、40℃〜150℃、より好ましくは50℃〜130℃、および最も好ましくは60℃〜121℃の範囲内である。
好ましいあるセットの実施形態では、圧力伝達媒体および材料の温度は、圧縮加熱の結果として加圧後すなわち圧力保持時間の間に目標温度よりも5℃以上低い温度に維持される。このようにすることで、システムは、他の場合に可能となるものよりも長期間にわたり内容物の温度を所要レベルに維持するために加熱された高圧用器壁部または外部から印加されるもしくは収容器具内で実施される任意の他の加熱形態による、収容器具内容物のさらなる加熱の必要性を伴うことなく動作され得る。
収容器具システムは、例えば薬品、食物製品(液体、半固体、および固体の食品製品を含む)、化学材料および/または生物材料、ならびに収容器具内の条件下において化学反応または生体反応を起こす反応物などの多様な材料の処理において使用され得る。あるセットの実施形態では、この材料は、圧力伝達液体と混合されても、圧力伝達液体中で溶解されても、または圧力伝達液体中に懸濁されてもよい。
特に好ましいあるセットの実施形態では、収容器具内で処理されることとなる材料は、食品素材であり、圧力伝達媒体は、水性媒体である。この実施形態では、圧力および温度プロファイルは、食品製品の低温殺菌または殺菌を実現するように設定され得る。
図面を参照すると、図1には、高圧高温処理のために圧力伝達媒体および材料を受けるための内部空間(5)を画成する、円筒状側壁部(2)と、底壁部(3)と、可動圧縮ピストン(4)を備える壁部を備える収容器具(1)の概略断面図が示される。側壁部(2)および底壁部(3)は、プラスチック材料、特に高密度ポリエチレン(HDPE)から形成された圧縮加熱のための内方層(6)と、内方層よりも低い圧縮加熱係数および圧縮率(すなわち圧力下におけるより低い熱伝導率)を有する中間層(7)と、25℃において0.3W/(m K)以下の、好ましくは0.26W/(m K)以下の熱伝導率などの低い熱伝導率と、圧力下において低い熱伝導率を維持するために層(6)および(7)よりも低い圧縮率とを有する外方層(8)とを備える3つの連続層から形成される。ピストン(4)は、HDPEなどの圧縮加熱用のプラスチックから形成される。
あるセットの実施形態では、このプロセスは、以下のステップを、すなわち
1.食品製品と、収容器具の全ての層(6、7、および8)を含む収容器具(1)内の圧縮流体とを、共にまたは別個にのいずれかで所要の初期温度(加圧後に圧力伝達液体および処理対象の材料に目標温度を与え得る温度)まで予熱するステップと、
2.分離されている場合には収容器具の全ての層(6、7、および8)を組み合わせ、水性液体などの予熱された圧力伝達液体および食品製品で内部空間(5)を充填し、圧縮流体および食品製品と接触状態にある内部層と同一材料から作製された予熱された蓋(可動ピストン)(4)で閉じるステップと、
3.高圧マシン内に収容器具を移送するステップと、
4.収容器具に高圧を(目標圧力および所要の圧力保持時間で)印加して、圧力伝達液体および容器内で処理されることとなる材料の圧力勾配およびしたがって加圧によりピストン(4)が収容器具チャンバ内に移動する結果をもたらすステップと、
5.圧力を除去する(周囲圧力まで)ステップと、
6.高圧マシンから収容器具を除去するステップと、
7.収容器具から食品製品を取り出すステップと
を含む。
図2は、図1による多層構造を有し底部(13)、側壁部(14)、および開口端部(15)を備える円筒状収容器具(12)内において圧力伝達液体(11)中の材料を高圧熱処理するためのシステム(10)の一実施形態を示す。ピストン(16)が、収容器具側壁部(14)の内方側部に対してシールを形成し、処理中に印加される圧力に応答して収容器具(12)内で可動となる。好ましくは、ピストンは、収容器具(12)の内方層と対応する材料からなる単一層である(図1のピストン(4)および内方層(6)を参照)。
このシステムの動作において、収容器具(12)は、側壁部(18)、端壁部(19、20)、および圧力流体用の開口(21)を有する圧力容器(17)内に配置される。
動作時に、圧力流体(22)は、圧力下において開口(21)を介して圧力容器(17)内へと押し込まれて、収容器具(12)に対して圧力を印加し、多層の収容器具(12)の底部(13)の方向にピストン(16)を付勢することによって、圧力伝達液体(11)に対して圧力を印加する。
収容器具(12)内の圧力流体(22)および圧力伝達液体(11)を介して収容器具(12)およびピストン(16)に対して圧力が印加されることにより、結果として収容器具(12)および特に収容器具(12)の内方層(図1では(6))の断熱加熱がもたらされる。
容器(17)および収容器具(12)は、水平、垂直、または他の配向などの任意の適切な配向にて配置され得る。収容器具に圧力を印加するのに適した圧力容器およびシステムは、当技術において既知である。
次に、本発明の上記の一般原理を具現化した実験を参照する。しかし、以下の説明は上記の説明の一般原理を限定するものではない点が理解されよう。
(実施例)
(実施例1)
標準的な(低温)高圧システムにおける高圧熱処理の実験的研究
Avure35L高圧マシンにおいて試験を実施した。システムの温度を周囲温度(約18℃)に維持し、入りの圧縮流体は約15℃であった。
図1を参照として説明される、しかし比較例およびシステム1についてはより少数の層を有する点において異なる円筒状壁部収容器具を使用して、3つの収容器具システムを調査した。
比較システム - 1つの層のみ(PTFE)
本発明のシステム1 - 2つの層(PTFE外方層、PP内方層)
本発明のシステム2 - 3つの層(PTFE外方層、PP中間層、およびHDPE内方層)
圧力を600MPaに設定し、圧力保持時間を15分に設定した。一方で、商業的プロセスでは5分を超えることはめったにない(典型的には3分)。保持時間を延ばした理由は、比較的過酷な例の条件下において本発明を立証するためであった。
収容器具材料および収容器具内部の水の予熱温度を、Knoerzerら、「Journal of Food Engineering 96」、2010年、229〜238頁、およびKnoerzerら、「Journal of Food Engineering 98」、2010年、110〜119頁に従い、圧力下において(600MPaにて)予測目標温度(圧縮加熱条件におけるすなわち加圧中に熱損失がない状態における)をもたらす56〜58℃に設定した。
・水:それぞれ78.5℃および81℃
・PTFE:それぞれ78℃および80℃
・PP:それぞれ81℃および83℃
・HDPE:それぞれ86℃および89℃
このデータから理解されるように、外方層(PTFE)は、圧縮加熱を殆ど被らず、それは収容器具内容物(水)よりも若干低く、中間層(PP)は、収容器具内容物をちょうど上回る圧縮加熱を示すが、水と接触状態にある内方層(HDPE)は、収容器具内容物よりも高い圧縮加熱を示し、したがって材料の断熱特性により熱損失を抑制するだけでなく、内部ヒータとしても同時に機能して圧力保持時間中に熱損失をさらに抑制することも可能となる。
図3、図4、および図5は、1層構成(PTFE)、2層構成(PTFE、PP)、および3層構成(PTFE、PP、HDPE)のそれぞれについて、Knoerzerら、「Food Engineering Reviews 2」、2010年、216〜225頁に記載されているように、サーモエッグ(thermo-egg)すなわち圧力および温度安定性データロガーを使用して収容器具の頂部位置、中間位置、および底部位置にてプロセス全体にわたり収容器具内部で取得された温度プロファイルを示す。図3〜図9では、グラフ同士が、グラフの高温領域において分離する場合に、頂部収容器具位置、中間収容器具位置、および底部収容器具位置が、それぞれ最上グラフ、中間グラフ、およびより低いグラフに対応している。
図3において分かるように、目標温度が、最上位置から離れた圧力上昇の終了時にほぼ到達し得る一方で、温度は、圧力保持時間の開始後にほぼ即座に低下していく。異なる温度における水の密度差に起因してより低温の水が底部へ移動する一方で、より温かい水が頂部へと上昇することにより、最上位置は、約1〜2分の間保持され得る。最終的に、これは、非常に顕著な密度成層と、頂部-底部間における最大で6℃の著しい温度差と、底部位置におけるほぼ12℃の全体最大熱損失とをもたらす。熱損失の原因は、PTFE層の熱伝導と、収容器具内容物と外部圧縮流体と容器壁部との間の60℃超の非常に著しい温度勾配とに起因する。この単層構成は、若干のみの高温および非常に短い保持時間のみでの高圧処理に適し得る。
図4は、熱のより良好な保持を示す。約79℃の目標温度が達成され、プロセス開始後の約5分間にわたり保持される(約0.5℃がその時間中に損失されるが分布は依然として均一である)。その後、密度成層が生じ、3℃超の頂部-底部間の温度差が展開され、最低温位置における圧力保持時間の終了時の全熱損失は、5℃超となる。
図5は、圧力保持時間の終了時においても、すなわちあらゆる経済的に実現可能な高圧プロセスよりも著しく長い15分後においても温度が非常に良好に保持されているのを示す。最大値である約1℃が、最低温スポットにて損失される。これらの温度は、依然として均一であり、圧力保持時間に入って10分後に目標温度にある。温度の若干の上昇が初めの数分間に見られるが、これは、内方層(HDPE)の温度がより高いことにより生じるものであり、これはこの層の機能が内部ヒータとしての役割を果たすことを示す。
これらの例は、ある特定の用途に対して必要とされるプロセス条件に応じて単一層構成、二重層構成、および三重層構成での使用が可能である多層の収容器具のコンセプトを立証する。
(実施例2)
本発明が標準的な(低温)高圧システムにおける高圧熱処理という目的に対して効果を有することを立証するための数値モデリング研究
最大で共通の殺菌温度(すなわち121℃)までの温度に熱を保持する能力を評価するために、市販のソフトウェアパッケージであるCOMSOL Multiphysics(COMSOL AB、Stockholm、Sweden)を使用して数値モデリング研究を実施した。適用した方法は、例えばKnoerzerら、「AIChE Journal 2007 Vol. 53 No11」、2996〜3010頁、ならびにKnoerzerおよびChapman、「Journal of Food Engineering 104」、2011年、404〜413頁などに記載されるようなものであった。
以下のプロセス条件を選択した。
・初期温度(圧力前):90℃
・目標圧力:600MPa
・圧力下における目標温度(圧縮加熱後):
・水:120.6℃
・PTFE:114℃
・PP:119℃
・HDPE:126℃
・保持時間:5分
・流体領域(すなわち収容器具内のプロセス流体)における自然対流
・伝導および対流を介した熱伝達
・周囲温度(すなわち外方層の外部の):20℃
1層構成は、著しい熱損失および密度成層の展開を示す(すなわち収容器具の底部においては低温領域、頂部においてはより温かい領域)ことが判明した。また、これは、2層構成においても殆ど目立たないがある程度見ることができる。
3層構成は、圧力保持時間の終了時においても120.6℃の目標温度付近の均一な温度分布を示す。
Table 3(表3)は、3つのシナリオに関する圧力保持時間の終了時における収容器具における平均温度、最高温度、および最低温度を示す。1層構成(PTFEのみ)は、最低点では25.6℃の熱損失をもたらし、平均では16.7℃の損失をもたらし、これは、ある程度においてはPTFEの最大圧縮加熱が収容された水の最大圧縮加熱よりも低いためより低温の収容器具壁部で開始することによって、しかしさらには圧力保持時間の間の伝導および対流による熱損失が著しいことによって引き起こされる。
これは、2.6℃のみの平均熱損失と8.6℃の最大熱損失(収容器具の底部にて)とを示す2層構成(PP内方層/PTFE外方層)の場合には、特に殆ど目立たない。
3層構成(HDPE内方層/PP中間層/PTFE外方層)は、熱を最も良く保持し、平均の温度低下はわずかに0.6℃であり、最大の温度低下は2.6℃である。
Figure 0006840131
この実施例もまた、収容器具内容物と圧縮流体と収容器具外部の高圧用器壁部との間の温度勾配が約100℃と非常に高い場合であっても、収容器具のコンセプトと、標準的な(低温)高圧マシンにおける高圧熱処理のためのその使用とを実証する。
(実施例3)
商業的殺菌温度での標準的な(低温)高圧システムにおける高圧熱処理の実験的研究
Avure35L高圧マシンにおいて試験を実施した。システムの温度を周囲温度(約18℃)に維持し、入りの圧縮流体は約12℃であった。
円筒状壁部収容器具を使用して、以下の3つの収容器具システムを調査した。
本発明のシステム4 - 2つの層(PTFE外方層、PE内方層)
本発明のシステム5 - 3つの層(PTFE外方層、PP中間層、およびHDPE内方層)
本発明のシステム6 - 3つの層(PVC外方層、PP中間層、およびHDPE内方層)
圧力を600MPaに設定し、圧力保持時間を15分に設定した。一方で、商業的プロセスでは5分を超えることはめったにない(典型的には3分)。保持時間を延ばした理由は、比較的過酷な例の条件下において本発明を立証するためであった。
収容器具材料および収容器具内部の水の予熱温度を、Knoerzerら、「Journal of Food Engineering 98」、2010年、110〜119頁に記載の手順に従って決定されるような圧縮加熱特徴に従い、圧力下において(600MPaにて)予測目標温度(圧縮加熱条件におけるすなわち加圧中に熱損失がない状態における)をもたらす約94℃に設定した。
・水:それぞれ124.5℃
・PTFE:それぞれ118℃
・PVC:それぞれ115℃
・PP:それぞれ123.4℃
・HDPE:それぞれ130.5℃
このデータから理解されるように、外方層(PTFE)は、圧縮加熱を殆ど被らず、それは収容器具内容物(水)よりも低く、中間層(PP)は、収容器具内容物をちょうど下回る圧縮加熱を示すが、水と接触状態にある内方層(HDPE)は、収容器具内容物よりも高い圧縮加熱を示し、したがって材料の断熱特性により熱損失を抑制するだけでなく、内部ヒータとしても同時に機能して圧力保持時間中に熱損失をさらに抑制することも可能となる。
図6、図7、および図8は、本発明のシステム4、システム5、およびシステム6のそれぞれについて、Knoerzerら、「Food Engineering Reviews 2」、2010年、216〜225頁に記載されているように、サーモエッグすなわち圧力および温度安定性データロガーを使用して収容器具の頂部位置、中間位置、および底部位置にてプロセス全体にわたり収容器具内部で取得された温度プロファイルを示す。グラフ同士が、グラフの高温領域において分離する場合に、頂部収容器具位置、中間収容器具位置、および底部収容器具位置が、それぞれ最上グラフ、中間グラフ、およびより低いグラフに対応している。
図6において分かるように、目標温度は、圧力上昇の終了時に到達し、温度は、3分間超(商業的に実現可能なプロセスにとって十分な時間)にわたり121℃超(商業的熱殺菌の場合の目標温度)に保持され得る。約5分後に、中間位置および底部位置は、約3.5℃を損失しており、5分を超えると、中間位置および頂部位置の温度は、商業的殺菌温度未満に低下する。最終的に、継続する熱損失により、非常に顕著な密度成層と、頂部-底部間における最大で6℃超の著しい温度差と、15分の保持時間の終了時に底部位置において約15℃の全体最大熱損失とがもたらされる。
図6は、商業的殺菌温度における熱の著しくより良好な保持を示す。約124℃の目標温度(94℃の開始温度で)が達成され、プロセス開始後の5分後には1℃未満の損失が頂部にて起こり、わずか約2.5℃が底部位置および中間位置にて損失するが、依然として商業的殺菌温度よりも高い温度にある。その後、密度成層が生じ、約6℃の頂部-底部間の温度差が展開され、最低温位置における圧力保持時間の終了時の全熱損失は、12℃超となる。これは、かなり大きく思われるかもしれないが、ここで思い出すべきは内容物とHPPマシンとの間の温度差が100℃超である点である。また、これは、実施例2(数値モデリング研究)に十分に匹敵するものであり、プロセス開始における予熱温度およびしたがって目標温度における差が約4℃である点に留意されたい。
Figure 0006840131
図8は、3層を有するが、PVC層に代わり外方PTFE層を有する同一のプロセスを示す。初期温度を約92℃と幾分かより低くし、したがって内容物の目標温度もまた122℃とより低かった。同様の挙動を見ることができたが、圧力保持時間の間にわたり若干より高い熱損失が見られた。また、5分後の熱損失は幾分かより高く、しかし商業的殺菌温度を5分間にわたり保持することが可能である。
これらの例は、ある特定の用途に対して必要とされるプロセス条件に応じて様々な層構成(それぞれ複数の層および層材料の両方の観点から)での使用が可能である多層の収容器具のコンセプトをさらに立証する。
(実施例3)
商業的低温殺菌温度での標準的な(低温)高圧システムにおける高圧熱処理の実験的研究
Avure35L高圧マシンにおいて試験を実施した。システムの温度を周囲温度(約18℃)未満に維持し、入りの圧縮流体は約12℃であった。
円筒状壁部収容器具を使用して、以下の1つの収容器具システムを調査した。
本発明のシステム7 - 3つの層(PTFE外方層、PP中間層、およびHDPE内方層)
圧力を600MPaに設定し、圧力保持時間を15分に設定した。一方で、商業的プロセスでは5分を超えることはめったにない(典型的には3分)。保持時間を延ばした理由は、比較的過酷な例の条件下において本発明を立証するためであった。
収容器具材料および収容器具内部の水の予熱温度を、Knoerzerら、「Journal of Food Engineering 98」、2010年、110〜119頁に記載の手順に従って決定されるような圧縮加熱特徴に従い、圧力下において(600MPaにて)予測目標温度(圧縮加熱条件におけるすなわち加圧中に熱損失がない状態における)をもたらす約94℃に設定した。
・水:それぞれ93.7℃
・PTFE:それぞれ92.8℃
・PP:それぞれ94.6℃
・HDPE:それぞれ101.2℃
このデータから理解されるように、外方層(PTFE)は、圧縮加熱を殆ど被らず、それは収容器具内容物(水)よりも若干低く、中間層(PP)は、収容器具内容物よりも若干高い圧縮加熱を示すが、水と接触状態にある内方層(HDPE)は、収容器具内容物よりも著しく高い圧縮加熱を示し、したがって材料の断熱特性により熱損失を抑制するだけでなく、内部ヒータとしても同時に機能して圧力保持時間中に熱損失をさらに抑制することも可能となる。
図9は、本発明のシステム7について、Knoerzerら、「Food Engineering Reviews 2」、2010年、216〜225頁に記載されているように、サーモエッグすなわち圧力および温度安定性データロガーを使用して収容器具の頂部位置、中間位置、および底部位置にてプロセス全体にわたり収容器具内部で取得された温度プロファイルを示す。グラフ同士が、圧力保持時間の終了時に向かって分離する場合に、頂部収容器具位置、中間収容器具位置、および底部収容器具位置が、それぞれ最上グラフ、中間グラフ、およびより低いグラフに対応している。
図9において分かるように、目標温度は、圧力上昇の終了時に到達し、温度は、15分の保持時間のほぼ全体にわたり90℃超(商業的熱低温殺菌の場合の目標温度)に保持され得る。事実上無視し得る温度低下が、経済的に実現可能な3〜5分の圧力保持時間内に観察される。密度成層が、圧力保持時間の終了時に向かって幾分か見られ、頂部-底部間の温度差は2℃未満であり、15分の保持時間の終了時における底部位置の全体最大熱損失は約4.5℃であり、これは、HPP容器に進入する収容器具内容物と圧力媒体との間の温度差が約80℃であることを前提とすると注目に値する。
さらに、この実施例は、商業的熱低温殺菌温度用の多層の収容器具コンセプトを実証する。
1 収容器具
2 円筒状側壁部
3 底壁部
4 可動圧縮ピストン
5 内部空間
6 内方層
7 中間層
8 外方層
10 システム
11 圧力伝達液体
12 円筒状収容器具
13 底部
14 側壁部
15 開口端部
16 ピストン
17 圧力容器
18 側壁部
19 端壁部
20 端壁部
21 開口
22 圧力流体

Claims (15)

  1. 多層の収容器具であって、前記収容器具内の圧力伝達液体を使用して前記収容器具内の材料を高温高圧処理するための収容器具であり、内方側部に接触状態となる前記圧力伝達液体を収容するためのプラスチックから形成された内方層と、前記内方層の外側に位置し前記内方層とは異なるプラスチックから形成された少なくとも1つのさらなる層とを備える収容器具の壁部を有し、前記内方層は、前記内方側部と接触状態にある前記圧力伝達液体の圧縮加熱係数と少なくとも同じ大きさの圧縮加熱係数を有し、前記少なくとも1つのさらなる層は、周囲圧力および周囲温度にて前記内方層よりも低い熱伝導率を有し、前記収容器具の壁部は、円筒状の側壁部と、前記側壁部に封着された端壁部とを備え、前記収容器具は、外縁エッジを有するピストンを備え、前記ピストンは、前記収容器具の側壁部に対してシールを形成し、前記収容器具の外部から前記ピストンに対して印加される圧力の変化に応答して前記収容器具の側壁部内で可動である、多層の収容器具。
  2. 前記内方層の外側に位置する前記少なくとも1つのさらなる層は、25℃において0.33W・m-1K-1以下である熱伝導率を有する、請求項1に記載の多層の収容器具。
  3. 前記内方層は、周囲温度および周囲圧力にて少なくとも6×10-11Pa-1 の圧縮加熱係数を有する、請求項1または2に記載の多層の収容器具。
  4. 前記内方層の外側に位置する前記少なくとも1つの層の圧縮率は、2.5×10-10Pa-1以下である、請求項1から3のいずれか一項に記載の多層の収容器具。
  5. 前記内方層の外側に位置する前記少なくとも1つの層は、ポリエステル、ナイロン、ポリカーボネート、天然ゴム、合成ゴム、熱可塑性エラストマー、ポリメチルメタクリレート、塩素化ポリオレフィン、ポリイミド、およびアクリルからなる群より選択される少なくとも1つのプラスチックから形成される、請求項1から4のいずれか一項に記載の多層の収容器具。
  6. 前記内方層は、ポリエチレンから形成される、請求項1から5のいずれか一項に記載の多層の収容器具。
  7. 前記内方層の外側に位置する前記少なくとも1つの層は、ポリプロピレン、PTFE、PMMA、PVC、PEEK、PET、PI、およびPVDFからなる群から選択される、請求項6に記載の多層の収容器具。
  8. 前記少なくとも1つのさらなる層は、前記内方層に隣接する中間層と、前記中間層の外側に位置するさらなる層とを備え、前記中間層及び外側の層は、前記内方層よりも低い熱伝導率、圧縮率、および圧縮加熱係数を有する、請求項1から7のいずれか一項に記載の多層の収容器具。
  9. 前記層同士は連続的である、請求項1から8のいずれか一項に記載の多層の収容器具。
  10. 材料を高圧熱処理するためのシステムであって、請求項1から9のいずれか一項に記載の収容器具と、水性の圧力伝達液体と、前記収容器具内の前記材料とを備える、システム。
  11. 前記収容器具は、前記圧力伝達液体に高圧を印加するために圧力チャンバ内に収容され、
    前記圧力チャンバは、前記ピストンにより前記収容器具内で前記圧力伝達液体から隔離された液体状の圧力媒体を収容し、前記ピストンは、前記収容器具の内部に対接して封止し、前記圧力媒体により印加される圧力に応答して前記圧力伝達液体に圧力を伝達する、請求項10に記載のシステム。
  12. 材料を高圧熱処理するための方法であって、
    (i)請求項1から9のいずれか一項に記載の多層の収容器具を用意するステップと、
    (ii)液体圧力伝達液体を用意するステップと、
    (iii)40℃〜150℃の範囲内のプロセス温度(圧力下における)を生じさせ、前記多層の収容器具、前記圧力伝達液体、および材料を予熱するステップであって、印加される前記圧力は、100〜1000MPaの範囲内であるステップと、
    (iv)前記収容器具内に処理対象の前記材料を配置し、前記材料に圧力を印加するために前記材料に関連する前記収容器具内に前記圧力伝達液体を供給するステップと、
    (v)前記収容器具内の前記圧力伝達液体に圧力を印加するステップと
    を含み、
    前記内方層は、前記圧力伝達液体に圧縮加熱を与え、前記少なくとも1つのさらなる層は、前記収容器具からの熱損失を軽減する、方法。
  13. 前記多層の収容器具、前記圧力伝達媒体、および前記材料は、50℃〜130℃の範囲内の圧縮加熱後のプロセス温度を生じさせる温度にまで予熱され、印加される前記圧力は、300〜800MPaの範囲内である、請求項12に記載の方法。
  14. 前記圧力は、1秒〜30分の範囲内の期間にわたる範囲内で維持される、請求項12または13に記載の方法。
  15. 前記圧力伝達媒体および前記材料の温度は、圧力印加中の圧縮加熱の結果として加圧後に目標温度/プロセス温度よりも5℃以上低い温度に維持される、請求項12から14のいずれか一項に記載の方法。
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