JP7057877B2 - 凍結状態にある常温で液体状の物質の昇温方法 - Google Patents

Description

本発明は、凍結状態にある常温で液体状の物質の昇温方法に関するものであり、より詳細には、凍結状態にある常温時に液体状の物質を凍結点未満の所望の温度まで短時間で昇温し、内部まで均一に昇温可能な昇温方法に関する。

常温で液体状の食品や薬品等の品質を長期に亘って保持するために、所定の容器に入れ、凍結した状態で保存や輸送等に供されることが広く行われている。
例えば、果物や野菜のジュース等の場合には、果物等の生産地に近い場所で果汁を絞り、これを凍結することにより、新鮮な果物等から風味や栄養価に優れた果汁をその品質を損なうことなく凍結状態として保管又は輸送することができる。
このような凍結状態にある物質の解凍方法として、従来は、自然解凍や多段階冷凍冷蔵解凍の他、熱風を当てる解凍方法、マイクロ波を照射して解凍する方法等が提案されている。

また食品の解凍方法として、シャーベット氷を解凍媒体として使用した凍結食品解凍法も提案されている（特許文献１）。この方法は、表面積が大きく且つ水よりも熱伝導率の高い微細氷によって、凍結品の冷熱を奪い、短時間での高品質解凍を可能にするというものである。

特開２０１６－１５４４５３号公報

しかしながら、前述したような常温で液体状の果汁等の凍結品を自然解凍等の従来の解凍方法を利用すると、凍結品はその表面から溶け始めることから、凍結品の表面に液状の境界膜が形成される。この液状の境界膜が形成されると、熱伝達率が極端に低下するため、結果として中心部分まで完全に昇温することなく硬い芯が残った状態になる。また果汁等の凍結品は、凍結状態によっては、中心部分及び下部に果汁濃度が高い部分が形成される、凍結濃縮が生じる場合があり、果汁濃度の相違により凍結点が異なることから、やはり均一に解凍することが困難である。更に自然解凍等では凍結品全体を完全に解凍するには長時間を必要とし、その間に、腐敗、酸化、内容成分の分解、色の変化等の品質劣化が生じるおそれがあると共に、品質が劣化した物質の廃棄のためのコスト増の問題もある。また熱風やマイクロ波を用いた解凍方法では、時間は短縮できるとしてもエネルギーコストがかかると共に、熱風では凍結品表面の境界膜による問題があり、マイクロ波加熱では部分的な過加熱が生じやすく均一な昇温が困難である。

従って本発明の目的は、上述した問題が解決された凍結状態にある常温で液体状の物質の昇温方法を提供することであり、具体的には、凍結状態にある常温で液体状の物質を、該物質の凍結点付近の温度まで短時間で昇温し、内部まで均一な硬さの状態に解凍することで、品質劣化を抑制可能な昇温方法を提供することである。

本発明によれば、凍結状態にある常温時に液体状の物質を、当該物質の凍結状態に応じて、前記物質の凍結点未満の所望の温度に昇温させる方法であって、前記物質の凍結点未満の温度で流動性を有する流動性媒体を用い、該流動性媒体と前記凍結状態の物質との間で熱交換を行うことにより、前記凍結状態にある物質の温度を昇温させることを特徴とする昇温方法が提供される。

本発明の昇温方法においては、
１．前記流動性媒体が塩水から成るシャーベット氷であること、
２．前記凍結状態の物質を解凍直前の状態にまで昇温すること、
３．前記凍結状態にある物質が、２Ｌ以上の体積を有すること、
４．前記物質が、飲料、ゼリー、液卵、母乳、薬品、血液の何れかであること、
が好適である。

本発明の昇温方法によれば、常温で液体状の物質の凍結点未満の温度で流動性を有する流動性媒体を用いることにより、従来の解凍方法のように界面に熱伝導率を低下させる境界膜を形成することがないため、凍結状態にある常温で液体状の物質の冷熱を流動性媒体が効率よく奪って昇温させることができる。
しかも凍結状態にある常温で液体状の物質は、この物質の凍結点未満の所望温度まで昇温されることにより、固体の状態を保ったまま内部まで均一に昇温するため、品質劣化のおそれもない。
また凍結濃縮により、凍結品に濃度勾配があった場合でも、内部まで均一に昇温できる。

本発明の昇温方法は、凍結状態にある常温で液体状の物質（以下、「凍結品」ということがある）を、当該物質の凍結状態に応じて、前記物質の凍結点未満の所望の温度に昇温させる方法であって、前記物質の凍結点未満の温度で流動性を有する流動性媒体を用い、該流動性媒体と前記凍結状態の物質との間で熱交換を行うことにより、前記凍結状態にある物質の温度を昇温させることを特徴とする。
前述したとおり、凍結状態にある常温で液体状の物質を従来公知の自然解凍等の方法で昇温させると、界面に熱伝導率の低い境界膜が形成されることから、効率よく物質から冷熱を奪うことが困難であった。本発明では、常温で液体状の物質の凍結点未満の温度で流動性を有する流動性媒体を用いることにより、このような境界膜を形成することなく、効率よく昇温対象である凍結品と流動性媒体の熱交換が可能になる。
尚、「冷熱」とは、相対的に温度の高い流動性媒体から温度の低い凍結品へエネルギーが移動する際に、一方で、凍結品から流動性媒体へ移動すると観念できるマイナスのエネルギーのことをいう。

すなわち、本発明で使用する流動性媒体は、凍結品の凍結点未満の温度で流動性を有していることから、大きな接触面積で凍結品との熱交換が可能である。しかもこの流動性媒体は凍結品との温度差は小さいことから境界膜を形成することがないと共に、凍結品を過剰に昇温することがなく、凍結品を固体の状態のまま均一に昇温できるため、品質を劣化させるおそれもない。
尚、本明細書において、「凍結点」とは、「凝固点」及び「融点」と同じ概念であり、常温で液状の物質の凍結点とは、物質が均一に溶けた状態で、氷結状態から溶け始める温度を意味する。尚、凍結点は、ＪＩＳ Ｋ ００６５に準拠して測定することができる。

［常温で液体状の物質］
本発明の昇温方法で昇温される対象は、凍結状態にある常温で液体状の物質であり、前述したとおり、かかる凍結品は、自然解凍等の従来公知の方法で昇温させると、界面に液状膜を形成してしまうため、効率よく熱交換することが困難であるが、本発明の昇温方法によれば、液状膜の形成が抑制されるため効率よく昇温することができる。
常温で液体状とは、液状，ゲル状，エマルジョン等であり、少なくとも液体を有して流動性を有するものであればよく、この液体中に固形分が存在していてもよい。
本発明の昇温方法は、常温で液体状の物質であって、品質保持のために凍結状態で保存や輸送することが必要な物質に好適に使用でき、これに限定されないが、果汁等の飲料、ゼリー、液卵、母乳、薬品、血液等に特に好適に使用できる。
また、凍結品は、通常、缶等の金属製容器や、ボトル、パウチ等の樹脂製容器に充填された後、凍結されたものをいうが、容器等に充填されない内容物そのものが凍結したものも想定できる。

［流動性媒体］
本発明の昇温方法において、凍結品との間で熱交換する流動性媒体としては、被昇温対象である常温で液体状の物質の凍結点未満の温度で流動性を有することが重要である。すなわち、被昇温対象物である物質の凍結点未満で流動性を有することにより、凍結品と大きな接触面積で接触して効率よく凍結品と熱交換することができる。
このような流動性媒体は、微細な氷と液体（水溶液）の固液二相混合物であるシャーベット氷（アイススラリー）から成る。シャーベット氷は、凍結品から奪った冷熱を氷として蓄えることができると共に、氷は蓄熱能力及び融解潜熱が大きいことから、シャーベット氷の温度を一定に維持することができ、安定して凍結品を昇温させることが可能である。
流動性媒体の水溶液の溶質としては、塩（塩化ナトリウム）、砂糖、尿素、エチレングリコール、プロピレングリコールエタノール等を例示することができる。また微細氷は、数百μｍ程度の直径の粒状である。
本発明においては、このようなシャーベット氷の氷充填率、溶質の種類及び濃度を調整することによって、凍結品の凍結点未満で流動性を有する流動性媒体とすることができる。

本発明においては、流動性媒体として食品用途にも安全に使用できる塩水から成るシャーベット氷を好適に使用することができる。塩水から成るシャーベット氷は、塩分濃度及び氷充填率を適宜変更することによって、シャーベット氷の温度を調整することができる。すなわち、塩分濃度及び氷充填率を高くすることにより、シャーベット氷の温度を下げることができる。
流動性媒体の好適な流動性を確保するためには、氷充填率は５～３０％の範囲にあることが望ましい。５％未満だと、温度の保持機能が乏しく、３０％を超えると、流動性が不十分となり、凍結品の表面に氷が形成され易くなり凍結品表面での熱伝達が低下する虞がある。

ここで、所望の温度及び氷充填率の塩水からなるシャーベット氷を製造する方法について説明する。一般的に、塩分濃度ｄ（％）と凍結点（融点／凝固点）Ｔｅ（℃）との関係は、下記式（１）
Ｔｅ＝－０．５５９ｄ＋０．０００１１８ｄ^２―０．０００５６８ｄ^３・・・（１）
で近似される。
まず流動性を確保するための所望の氷充填率を決め、凍結品を解凍するための所望の温度を決定する。そして、その温度を塩水の凍結点（融点／凝固点）とする塩分濃度を上記式（１）から求め、求めた塩分濃度の塩水を生成する。
例えば、シャーベット氷の温度を－１．５℃にするためには、氷充填率を３０％とした場合、上記式（１）より、塩分濃度は、２．６％となる。予め製造しておいたシャーベット氷を、この塩水の塩分濃度を保ちながら、塩水に少しずつ投入し、塩水の温度が所望の温度に下がるまで塩分の追加と、シャーベット氷の投入を行う。そして、塩水の温度が所望の温度まで下がったら、所望の氷充填率となるようにシャーベット氷の投入量を調整すればよい。

あるいは、上記式（１）から塩分濃度を求めて、所望の氷充填率の氷分が全て水である場合の初期塩分濃度を計算し、その塩分濃度の塩水を生成する。例えば、シャーベット氷の温度を－１．５℃にするためには、氷充填率を３０％とした場合、上式より、最終的な塩分濃度が２．６％となり、氷が生成する前の初期塩分濃度は１．８％となる。生成した塩水を、当該塩水の凍結点まで温度を下げて所望の氷充填率となるまで氷を生成すればよい。
尚、上記式（１）は、塩水以外では、ｄを溶質の濃度（％）として、エタノールの場合、
Ｔｅ＝－０．３５８ｄ－０．００８１４ｄ^２－０．００００７８８ｄ^３
で近似され、エチレングリコールの場合、
Ｔｅ＝－０．３０２ｄ－０．００２２６ｄ^２－０．０００１２５ｄ^３
で近似され、プロピレングリコールの場合、
Ｔｅ＝－０．２６７ｄ－０．００２５３ｄ^２－０．０００１３８ｄ^３
で近似されることが知られている。

［昇温方法］
本発明の昇温方法においては、上述した凍結品、及びこの凍結品の凍結温度未満の温度に調整された流動性媒体を用い、これらを凍結品に直接的又は容器等を介して間接的に接触させて熱交換することにより、凍結品を凍結点未満の所望の温度に昇温する。
尚、凍結品の昇温目標温度は、凍結品の凍結状態に応じて決定され、凍結品が均一に凍結されている場合には、凍結点未満であり、特に凍結点よりも－０．５℃程度低い温度を目標にすることが望ましい。一方、凍結品が凍結濃縮している場合には、凍結品の外側部分は水分が多い氷であるので、このような場合には、溶けきった物質の凍結点ではなく、水の凍結点（０℃）未満の所望の温度となるまで昇温させる。その場合、凍結点（０℃）よりも－０．５℃程度低い温度を目標にすることが望ましい。

常温で液体状の物質は、缶等の金属製容器や、ボトル、パウチ等の樹脂製容器に充填された後、凍結されるが、凍結品と流動性媒体の間の熱伝達率を低下させないためにも、容器は熱伝導率のよい材質から成ることが望ましく、好適には金属製容器であることが望ましい。
本発明の昇温方法においては、凍結品の比表面積が小さいほど容器表面での熱伝達効率が高くなるため、凍結品は体積が大きいほど効率よく昇温することができる。凍結品の種類、およびその形状にもよるが、２Ｌ以上の容量で昇温操作に賦することが望ましい。

本発明の昇温方法においては、容器に充填された状態の凍結品を、流動性媒体が充満された容器中に浸漬し、凍結品を解凍直前の状態まで昇温することが好適である。固体から液体への相変換には大きなエネルギーを要するが、解凍直前の固体の状態で昇温を止めることにより、凍結品表面に液状膜を形成することなく、昇温時間を短縮でき、効率が良い。また、凍結品の内部まで均一の温度で昇温できるため、凍結品の内部に硬い芯が残ることなく、昇温後の凍結品が取扱い易いものにすることができる。しかも解凍直前の状態なので品質劣化を防止できる。
また流動性媒体が充満された容器中は、経時により凍結品との界面付近の温度が容器外壁付近の温度に比して低くなる温度勾配を生じるので、流動性媒体を撹拌或いは循環して流動性場体の温度を均一化することが望ましい。これにより効率よく凍結品を昇温することができる。

（実施例１）
果汁濃度１００％のオレンジ果汁飲料が、容積２５Ｌ（直径２８５ｍｍの円筒で高さ約３７０ｍｍのペール缶）のスチール製容器に充填され、－４０℃で冷凍された凍結品を入手した。このスチール製容器入り凍結品のおおよそ中心位置（直径方向の中心位置で上端から１６０ｍｍ位置）及び、高さ方向中心位置で外側部分（容器辺から２５ｍｍ離れた位置）に温度計測のための熱電対を設置した。この凍結品を塩分濃度２．６％、氷充填率３０％の塩水から成るシャーベット氷（目標温度－１．５℃）中に浸漬して、凍結品の内部の温度が－４０℃から－１０℃まで昇温する時間を計測したところ、約２時間であった。また、そのときの凍結品の外部の温度は－９℃であり、凍結品の内部の温度との温度差も小さく、均一に短時間で昇温することができた。

（比較例１）
実施例１で用いた凍結品と同じものを、室温１５℃で自然解凍を行った。実施例１の昇温時間である２時間経過後の状態は、中心温度－２５℃、外側温度－２０℃であり、全く解凍できていない状態であった。

本発明の昇温方法は、凍結状態にある常温で液体状の物質を、凍結品の凍結温度未満の所望の温度に短時間で内部までに均一に昇温することができ、しかも品質劣化のおそれもないことから、果汁、液卵、薬品、血液等の凍結品の解凍に好適に利用することができる。

Claims (5)

1. 凍結状態にある、常温時に液体状の物質を、当該物質の凍結状態に応じて、前記内容物の凍結点未満の所望の温度に昇温させる方法であって、
   前記物質の凍結点未満の温度で流動性を有する流動性媒体を用い、該流動性媒体と前記凍結状態の物質との間で熱交換を行うことにより、前記凍結状態にある物質の温度を昇温させることを特徴とする昇温方法。
2. 前記流動性媒体が塩水から成るシャーベット氷である請求項１記載の昇温方法。
3. 前記凍結状態の物質を解凍直前の状態にまで昇温する請求項１又は２記載の昇温方法。
4. 前記凍結状態にある物質が、２Ｌ以上の体積を有する請求項１～３の何れかに記載の昇温方法。
5. 前記物質が、飲料、ゼリー、液卵、母乳、薬品、血液の何れかである請求項１～４の何れかに記載の昇温方法。