JP7303411B2

JP7303411B2 - 酵母の発酵力を利用した水質判定法および水質判定装置および水質判定装置を備えた実験装置

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Publication number: JP7303411B2
Application number: JP2021154855A
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Inventors: 健次竹野
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Publication date: 2023-07-05
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Description

特許法第３０条第２項適用・公開日、公開した場所令和２年８月２２日、令和２年一般社団法人日本環境教育学会第３１回年次大会

本発明は、検水に適量の微生物を投入し、所定時間経過後に発生した酵母の発酵による気体の発生量から検水の水質を判定する水質判定法およびその水質判定装置およびその水質判定装置から水質の相違を比較する実験装置に関する。

この水質判定法および水質判定装置および実験装置により、どのような水質であるかが判定できるとともに、検水別の酵母の発酵による気体の発生量の差を比較することで、軟水の飲料水と中硬水の醸造用水など、水の違いによる酵母の発酵能力の比較や発酵作用について、小学校の児童や中学校の生徒でも測定および視覚的に認識できるものである。

小学校の総合的な学習や中学校の家庭科の時間において、酵母を用いた実験教育は以前から行われている。これは、微生物が造る発酵食品の学習において、パン生地が膨らむ原理と酵母の発酵能力を、ドライイーストを用いて発生した気体（二酸化炭素）による風船の膨らみを示すことで理解させている（非特許文献１）。
また、高等学校生物において代謝を学ぶ一つの単元として、ドライイーストとキューネの発酵管を用いたアルコール発酵の実験が取り上げられている（非特許文献２）。
これらの内容は、スクロースやグルコース等糖類の水溶液に重量割合で５％以上の酵母（ドライイースト）を加えて発酵液を作り、その発酵の過程で生成する物質や温度による反応速度の違いを比較することにより、パン生地が膨らむ原理やアルコール発酵について理解を深めるものである。

一方、日本酒の醸造においても清酒酵母による発酵力が必要であるが、醸造に用いる醸造用水の水質も重要である。これまでの研究によると、醸造に適した水はきれいで鉄分が少なく、硬度（Ｃａ^２＋とＭｇ^２＋の含有量、以下ＣａＣＯ_３換算）は一般の湧水や地下水よりもやや高い。また、旧国税庁では硬度の値が５３．４ｍｇ／Ｌ未満を軟水、５３．４－１０７ｍｇ／Ｌを中等度の軟水と識別しており（非特許文献３）、古くから名醸地として栄えてきた灘（兵庫県）、伏見（京都府）、西条（広島県）の醸造用水の水質でも、硬度が７８－１１４ｍｇ／Ｌの中等度の軟水で「中硬水」と呼ばれる水質であった（非特許文献４）。

以上のことから、日本酒の醸造に用いる水は、軟水よりも水の中に酵母の発酵を促進させるミネラルが適度に含まれている中硬水の方が発酵に有利と言うのが一般的である。

また、硬度の他に、酵母が糖からアルコール発酵を行うためにはカリウムやリンなども必要であり、これらの適量を複合的に含んでいる地下水は環境資源として貴重である。

これら醸造に適した中硬水等適度にミネラルを含む地下水は、保全すべき貴重な資源であることを小学校の児童や中学校の生徒に紹介する場合、種々のミネラル成分が生体の中でどのような代謝に関わっているかなど、いきなり複雑な生化学の説明をするのは不適当である。この場合、まず水の汚染や硬度など地下水による水質の違いを説明した後で、適度にミネラルを含んだ中硬水は酵母の増殖と発酵を助ける作用があることを説明する。そして、日本の地下水の多くはミネラル成分が少ない軟水であるが、日本酒の醸造が盛んに行われている灘や伏見、西条では中硬水の地下水が湧き出ており、その水質は汚染ではなく地質的に成り立っている貴重な水資源であることと、環境保全の大切さを認識してもらうのが一般的と思われる。しかし、それらは授業で知識として得ることはできても、目に見えないミネラルや酵母の働きを正しく理解することは難しい。

水の硬度やミネラル成分の定量分析には、キレート滴定法や原子吸光光度法が多く用いられている。しかし、これらは薬品を使った化学分析や分析機器を用いて行われている。このことから、容量の大きい電力を必要とする分析機器を設置できない理科室もあり、薬品の扱いに不慣れな小学生や中学生を対象とする実験教育には不向きである。

また、ドライイーストを用いて発酵の原理や微生物の働きを理解させる実験は多いものの、ドライイーストを用いた軟水と中硬水など水質の違いによる発酵能力を調べる実験および試験方法は先行技術文献に存在しない。

大学等生物工学の実験では、日本酒醸造に用いられる清酒酵母を各種試験水により直接培養し、水の違いによる酵母の増殖と水の発酵能力を調べた文献があるが（非特許文献５）、微生物の培養に必要な培地の作成や実験操作に経験を有することから、初等および中等教育における実験としては不適である。

他方では、微生物を利用した水質評価として、バイオセンサーを用いた名水の水質判定法（特許文献１）や、バイオセンサー応用水質計（特許文献２）がある。
しかし、これらはアルコールガスセンサや溶存酸素電極を用いたものであり、二酸化炭素（気体）の発生量を直接比較することにより水の発酵能力を視覚的に認識および測定する本発明とは根本的に原理が異なる。また、上記の先行技術の装置は大型で費用もかかることから、理科室で複数の設置は難しい。また、センサー部の取り扱いや、装置の作動準備に生きた微生物の培養に熟練を要すため、初等教育や中等教育の実験には導入し難い欠点がある。

特開平０７－１２８３２５号公報（段落番号００１０）特開平０９－８９８３９号公報（段落番号００１０）

中居恵子、「もっと知ろう！発酵のちから」、ほるぷ出版、２０１７、ｐ．３０－３１（段落番号０００２）本川達雄、谷本英一、赤坂甲治、石浦章一、片山豪、曽我康一、舘野正樹、西田治文、藤田敏彦、渡辺雅隆、渡辺守、飯島和重、池田博明、稲葉浩介、木村進、高橋和成、平田泰紀、「生物」、啓林館、２０１９、ｐ．５９（段落番号０００２）国税庁醸造試験場、「国税庁所定分析法注解」、日本醸造協会、１９９３、ｐ．３０７（段落番号０００３）前重道夫、小林信也編、「最新日本の酒米と酒造り」、養賢堂、２０００、ｐ．２４３－２５３（段落番号０００３）佐々木慧、古谷大輔、竹野健次、佐々木健、「軟水による米麹からの無機成分の溶出と清酒酵母の発酵能に与える影響および軟水醸造法における意義」、生物工学会誌、２０１７、第９５巻、第５号、ｐ．２５４－２６１（段落番号０００９）

例えば小学校の児童や中学校の生徒に、適度にミネラルを含む中硬水の地下水が日本酒の醸造に適した貴重な資源であることを紹介する場合、水の硬度など地下水の水質の違いや、適度にミネラルを含んだ中硬水が酵母の発酵を助ける作用があることを説明するのが一般的と思われる。しかし、小学校の児童に、水に含まれている目に見えないミネラル成分やそれらが酵母の発酵の働きの関係について正しく理解することは、黒板等を用いた通常の教室での授業では難しい。

そこで、実際に水に含まれるミネラルや酵母の働きを児童や生徒に視覚的に理解させる実験方法が求められている。しかしながら、水の硬度やミネラル成分の定量分析には、キレート滴定法や原子吸光光度法など、薬品を使った化学分析や容量の大きい電力を必要とする分析機器を用いて行われているため、薬品を取り扱いが不慣れな小学生や中学生を対象とする実験教育には不向きである。

また、ドライイーストを用いて発酵の原理を理解させる実験は多いものの、軟水と中硬水など水質の違いによる発酵試験を行おうとした場合、ドライイースト自体にミネラル成分を含むため、従来の教科書等で記載されている、水に対する重量割合が５％以上の比較的高いドライイーストの濃度では、試験に用いる水に含まれる微妙なミネラル濃度の差が打ち消されてしまい、結果として軟水と醸造に用いられる中硬水などで発生する二酸化炭素の量は変わらなくなり、各試験水（検水）の発酵力を調べることができない。

本発明は、微生物の働きと水の違いによる発酵力の差を児童や生徒に視覚的で、かつ的確に理解しやすい実験方法を提供することを念頭に、高価な測定機器や熟練を要する微生物の培養技術も必要とせず、市販のドライイーストなど身近で安全な材料のみで実践できる簡易的な水質試験法と、その水質試験装置と、その水質試験装置を利用した実験装置の提供を目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明の酵母の発酵力による水質判定法は、検水に酵母と糖類を混合させて混合溶液とし、その後の検水中のミネラル成分に応じた酵母の発酵に伴う気体の発生量の大きさにより、検水の水質を判定する水質判定法であって、前記酵母と前記糖類と前記検水とを収納し混合させる混合容器と、前記検水と前記酵母と前記糖類との混合後に発生する該混合容器内での発生気体を取り込んで該発生気体の量を提示する提示容器とを設け、前記酵母はドライイーストを用い、前記検水と、該検水に対する初期濃度の重量割合が０．２％～０．３％に設定された前記ドライイーストと、前記糖類とを前記混合容器に投入して該混合容器内で混合させ、該混合から２日以上の時間経過後において、前記提示容器に提示された前記検水中の前記ドライイーストの発酵に伴う前記発生気体の量のレベルから前記検水の水質を判定することを特徴とする。

上記構成によれば、酵母としてドライイーストを用いることで、入手し易く、しかもこれまでの清酒酵母のように事前の培養が必要としないため、簡単に水質判定の試験が実施できる。しかも、ドライイーストを小さい初期濃度に設定したことにより、水質に応じて酵母の増殖と発酵に差が出やすく、検水別に含まれるミネラル成分に応じた発酵の相違を見ることが可能となることから、容易に水質が判定できる。

上記構成の水質判定法を実現する水質判定装置においては、前記混合容器内と前記提示容器内とを連通し前記混合容器内で発生した気体を前記提示容器内へ導く第１の管と、前記提示容器内の気体を吸い出す吸出し器と、該吸出し器のサクション側空間部と前記提示容器内とを連通し前記吸出し器の動作により前記提示容器内の気体を吸い出す第２の管が設けられ、前記混合容器には、前記検水と前記ドライイーストと前記糖類を投入する投入口が設けられ、該投入口には該混合容器内を密閉する栓が設けられているとともに、前記第１の管の一端部が該混合容器内の空間部に開口するように接続されている一方、前記提示容器は、内方容器と、該内方容器を収納し支持するとともに液体を貯蔵する水槽構造とされた外方容器とから構成され、前記内方容器は、下方部に開口部が設けられ、該下方部の空間部に前記第１の管の他端部が開口し、閉塞された上方部の空間部には第２の管の一端部が開口し、容器側面には液面高さを初期レベルに調整する０位置マーク部が設けられており、該内方容器が前記外方容器に支持されることで前記開口部を介して前記外方容器に貯蔵された液体が該内方容器内に導入される構成とされ、前記吸出し器の動作により前記内方容器内の前記液体の液面が前記０位置マーク部の高さとなるように調整され、前記混合容器内に前記ドライイーストと前記糖類と前記検水が投入されて混合された後の、前記内方容器内における前記液面の前記０位置マーク部からの変化代から前記発生気体の量のレベルが確認できるように構成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、前記発生気体の提示容器内の初期液面レベルが簡単に調整できるため、前記液面レベルの高さの変化代により前記混合容器内での気体発生量のレベルが確認でき、容易に水質が判定できる。なお、前記提示容器内の液面レベルの変化代を確認するだけでどのような水質であるかが判定できるため、特に初等、中等教育の教材に使用可能である。

また、上記構成の水質判定法を実現する簡単な水質判定装置としては、前記混合容器内と前記提示容器内とを連通し前記混合容器内で発生した気体を前記提示容器内へ導く導管が設けられ、前記混合容器は、前記検水と前記ドライイーストと前記糖類を投入する投入口が設けられ、該投入口には該混合容器内を密閉する栓が設けられているとともに、前記導管の一端部が該混合容器内の空間部に開口するように該混合容器に接続されている一方、前記提示容器は、前記導管の他端部が開口するとともに、気体を排出した状態で密閉される開閉部が備えられ、該開閉部が密閉された状態で前記導管を介して導入される前記混合容器内で発生した気体により膨らむ気体捕集袋から構成され、該気体捕集袋の膨らみの大きさから前記発生気体の量のレベルが確認できるように構成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、前記提示容器として気体捕集袋を用いるだけで、該気体捕集袋の膨らみの大きさを確認することにより容易に水質が判定できる。なお、前記気体捕集袋の膨らみ具合を確認するだけでどのような水質であるかが判定できるため、特に初等教育の教材に使用可能である。

前記提示容器として前記内方容器と前記外方容器から構成された水質判定装置を利用することで、水質や水質の相違が確認できる実験装置が構成できる。この実験装置においては、前記混合容器、前記第１の管、前記内方容器と外方容器から構成される提示容器、前記吸出し器、前記第２の管から成る１ユニットの水質判定装置を複数設け、前記ユニット毎の前記混合容器においては、該混合容器間で同一重量の、前記ドライイーストと前記糖類と前記検水が投入され、該混合容器間で前記検水のみ種類が相違する水とされ、前記ユニット毎の前記提示容器に示される液面高さの相違から水質の相違が確認できるように構成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、前記提示容器に示される液面高さが容易に比較できて、この液面高さの相違から、ドライイーストが発酵し易い水なのか否かを知ることができるとともに、水質の違いを容易に確認することができる。したがって、初等、中等教育の教材に使用可能である。

また、前記提示容器として気体捕集袋から構成された水質判定装置を利用することでも、水質や水質の相違が確認できる実験装置が構成できる。この実験装置においては、前記混合容器、前記導管、前記気体捕集袋から構成される提示容器から成る１ユニットの水質判定装置を複数設け、前記ユニット毎の前記混合容器においては、該混合容器間で同一重量の、前記ドライイーストと前記糖類と前記検水が投入され、該混合容器間で前記検水のみ種類が相違する水とされ、前記ユニット毎の前記提示容器に示される前記気体捕集袋の膨らみの大きさの相違から水質の相違が確認できるように構成されていることを特徴としている。

上記構成によれば、前記気体捕集袋の膨らみの大きさが容易に比較できて、この気体捕集袋の膨らみの相違から、ドライイーストが発酵し易い水なのか否かなど水質の違いを視覚的に確認することができる。したがって、特に初等教育の教材に使用可能である。

以上説明したように、本発明の酵母の発酵力を利用した水質判定法および水質判定装置および水質判定装置を備えた実験装置によれば、酵母として、入手し易く、清酒酵母のように事前の培養を必要としないドライイーストに着目し、検水に対するドライイーストの初期濃度を、検水中の酵母の増殖と発酵に差が出やすい濃度としたことで、高度なセンサーや分析計を用いることなく容易に水質が判定できる。
また、検水別の酵母の発酵力の相違を容易に確認できるため、実験装置として、初等教育、中等教育の教材に活用できる。

本発明の第１実施形態の水質判定装置および水質判定装置を並べた実験装置を示す正面図。本発明の第２実施形態の水質判定装置および水質判定装置を並べた実験装置を示す正面図。本発明の第１実施形態の水質判定装置における提示容器内の状態を示す図であって、図３（ａ）は初期状態を示す図、図３（ｂ）は提示容器内に発生気体が取り込まれた状態を示す図。各種初発ドライイースト濃度による０日と５日後の培養液の濁りの図。各種初発ドライイースト濃度による５日後の気体発生量の図。本発明を実験教材とした児童への教育効果の図。清酒酵母の時系列の増殖と気体発生量の図。

本発明を実施する形態として、第１実施形態を図１に示し、第２実施形態を図２に示す。
図１の第１実施形態は、酵母の発酵による気体の発生量を検知できる水質判定装置Ａ１００と、この水質判定装置Ａ１００を２個（２ユニット）並べられた実験装置を示し、図２の第２実施形態は、酵母の発酵による気体の発生量のレベルを視認できる水質判定装置Ｂ２００と、この水質判定装置Ｂ２００を２個（２ユニット）並べられた実験装置を示している。

図１において、水質判定装置Ａ１００は、混合容器１が設置され、混合容器１の投入口１ａより乾燥酵母であるドライイースト、糖類、試験水（検水）が投入され、混合液ＷＡが生成される。なお、ドライイーストは試験水に対して０．２％～０．３％の重量比割合に設定される。

混合容器１内には攪拌用回転子２が設けられ、混合容器１の下方に設置されたマグネチックスターラー３にて攪拌用回転子２が混合容器１内で回転し、混合液ＷＡを均一にする。
投入口１ａには混合容器１内を密閉する栓４が取り付けられており、栓４には発生気体通過管５と培養液取り出し管１４が貫通するようにして固定されている。そして、培養液取り出し管１４は混合容器１内の下方部まで伸びて混合液ＷＡが位置する箇所で開口しており、発生気体通過管５は混合容器１内の上方部で開口して混合容器１内で発生する二酸化炭素（気体）が取り出せるようになっている。

発生気体通過管５は、管連結部６を介して発生気体導入管７および発生気体誘導管８と繋がっており、発生気体誘導管８は後述する内方容器１０内の下方部に開口している。

内方容器１０は、下端の開口部９により下方部のみが開口する透明の円管形状とされ、内方容器１０より一回り大きく上端部が開口した円管形状の外方容器１３に上方から挿入されて、外方容器１３の上端部に載置されることで支持されている。そして、外方容器１３に液体を入れることで、開口部９を介して内方容器１０内に液体が侵入し、内方容器１０内は下方部が液体層、上方部が気体層に形成されるようになっている。
なお、外方容器１３も透明の容器となっている。

内方容器１０には、混合容器１内において均一となった混合液ＷＡ中のドライイーストの発酵により発生した二酸化炭素（気体）が、発生気体通過管５と管連結部６と発生気体導入管７と発生気体誘導管８により構成された管（第１の管）を経由して導入され、内方容器１０内に存在する液体の層より上方に溜まるようになっている。
よって、内方容器１０に導入される二酸化炭素（気体）の量が多くなるほど、内方容器１０内の上方部の気体圧力が高くなり、この気体圧力が高いほど、下方に位置する液体の液面レベルを押し下げるようになる。

内方容器１０内の上方部には液面レベル調整用管（第２の管）１１の一端が開口し、この液面レベル調整用管１１の他端は、液面レベル調整用気体吸出し器（吸出し器）１２のサクション側に開口しており、液面レベル調整用気体吸出し器（吸出し器）１２を動作させることで内方容器１０内の上方部の気体圧力が調整され、内方容器１０内の液面レベルの高さが調整できるようになっている。
内方容器１０の側面には、内方容器１０内部に二酸化炭素が導入される前に、内方容器１０内の初期液面レベルを合わせる０位置マーク部Ｘが印されており、その下方に０位置マーク部Ｘを０として連続する目盛り部Ｚが印されている。

図３は、図１に開示された内方容器１０、外方容器１３、液面レベル調整用管１１、液面レベル調整用気体吸出し器１２、発生気体導入管７、発生気体誘導管８を取り出した図であり、図３（ａ）は、混合容器１内での混合液ＷＡ中のドライイーストの発酵前の時点であって、液面レベル調整用気体吸出し器１２を動作させて、内方容器１０内の液体の液面を０位置マーク部Ｘに合わせている状態を示し、図３（ｂ）は、混合容器１内での混合液ＷＡが均一になった時点から２日以上経過した時点であって、内方容器１０内に導入され二酸化炭素の量に応じて、内方容器１０内の液体の液面がＹの高さまで押し下がった状態を示している。

内方容器１０内の液体の液面高さＹを目盛り部Ｚから読み取ることで、混合容器１内に発生した二酸化炭素（気体）の量のレベルが確認できる。すなわち、内方容器１０内の液面高さＸからＹまでの変化代から、混合容器１内に発生した二酸化炭素（気体）の量レベルが確認できる。
なお、内方容器１０内に液面レベルセンサー（図示省略）を配置させて、この液面レベルセンサーによる内方容器１０内の液面高さの検知から、混合容器１内に発生した二酸化炭素（気体）の量を換算し、その気体の量を表示器（図示省略）に表示させても良い。
また、内方容器１０の気体が貯まる上方空間部に圧力センサー（図示省略）を配置し、圧力センサーの出力による圧力上昇代から混合容器１内に発生した二酸化炭素（気体）の量を換算し、その気体の量を表示器（図示省略）に表示させても良い。

図１において、培養液取り出し管１４は培養液取り出し器１５に接続されており、培養液取り出し器１５を動作させて、水質判定の試験開始後の酵母の菌体濃度や、基質（栄養）である糖類の消費を測定するための培養液を経時的に取り出すことができ、時間ごとの糖類の消費と気体の発生量および微生物の増殖との関係性を得ることができる。

なお、図１において水質判定装置Ａ１００が２個並べられた実験装置においては、混合容器１間において試験水（検水）のみ相違させ、混合容器１間において同量の、ドライイースト、糖類、試験水が投入される。ドライイーストは試験水に対して０．２％～０．３％の重量比割合に設定されている。
混合容器１内での混合液ＷＡ中のドライイーストの発酵前の時点において、それぞれの液面レベル調整用気体吸出し器１２を動作させて、それぞれの内方容器１０内の液体の液面を０位置マーク部Ｘの位置に合わせ、その後、２日以上経過した時点において、それぞれの内方容器１０内の液体の液面位置Ｙを目盛り部Ｚで読み取ることで、それぞれの内方容器１０内における液面のＸからＹまでの変化代が把握でき、水質が判定できる。また、これにより、試験水別のドライイーストの発酵力の違い、水質の違いが確認できる。

次に、図２に示す第２実施形態の水質判定装置Ｂ２００について説明する。なお、第１実施形態の水質判定装置Ａ１００と相違する構成要素についてのみ説明する。

図２において、ジッパー（開閉部）１６ａを備えるとともに発生気体導入管（導管）７が接続された気体捕集袋１６が、図１に示す内方容器１０と外方容器１３から成る提示器に代わって設けられており、気体捕集袋１６は混合容器１内で発生する二酸化炭素の量に比例して膨らむようになっている。この気体捕集袋１６の膨らみの大きさを視認することで水質判定を可能としている。

なお、図２において水質判定装置Ｂ２００が２個並べられた実験装置においては、図１に示した水質判定装置Ａ１００が２個並べられた実験装置と同様に、混合容器１間において試験水（検水）のみ相違させ、混合容器１間において同量の、試験水に対して０．２％～０．３％の重量比割合に設定されたドライイースト、糖類、試験水を投入し、混合容器１内での混合液ＷＡ中のドライイーストの発酵前の時点において、それぞれの気体捕集袋１６のジッパー１６ａを開いて気体捕集袋１６内の気体を外へ排出した後閉じて、その後、２日以上経過した時点において、それぞれの気体捕集袋１６の膨らみ具合から水質が判定でき、気体捕集袋１６の膨らみ具合を比較することで、試験水別のドライイーストの発酵力の違い、水質の違いが確認できる。

このように、混合容器１内で、発酵を行う酵母、酵母の基質（栄養）となる糖類、そして試験水（検水）に含まれるミネラルの量に応じて酵母が基質を消費しながら増殖と発酵を行うようになり、酵母として入手し易いドライイーストを用い、このドライイーストを試験水に対して０．２％～０．３％の重量比割合に設定することで、上記の増殖と発酵の差が出やすくなって、水質の相違による発酵力の相違（二酸化炭素発生量の相違）が大きくなることで、水質判定が容易となる。

なお、試験水（検水）は相違する水とされ、地下水、河川水、水道水、市販のペットボトルの水等の種類が相違する水や、地下水のみ、あるいは水道水のみといった同一種類の水においても、地域が違えば相違する水とし、当実施形態の水質判定法および水質判定装置および実験装置において、酵母の発酵力を利用しての水質判定が行える。

さらに発展して、試験水（検水）にお茶やジュース、清涼飲料水などにも、酵母の発酵力を利用した水質判定を行うことが可能である。

発酵力試験において、投入する初期の微生物の最適量を求めるため、試験水１００ｍＬに対するドライイーストの初期投入量を０．１、０．２、０．３、０．５、１．０ｇ（重量割合で０．１、０．２、０．３、０．５、１．０％）で３０℃、５日間、上記第１実施形態の水質判定装置Ａ１００にて発酵試験を行った。その試験結果を、図４の微生物の増殖である培養液の濁りと図５の気体発生量に示す。
ここで、図４は混合液ＷＡの発酵後であることから培養液の濁り（吸光度）とした。
なお、０日のグラフは混合液ＷＡの発酵前のデータであり、ドライイーストの初期濃度（初期の重量割合）別での混合液ＷＡの、発酵前から発酵後５日経過時点における混合液ＷＡの濁りの進化（０日と５日の培養液の濁りの差）が分かるように表示した。
混合液ＷＡの発酵前（０日のグラフ）において、ドライイーストの初期の重量割合が大きいほど培養液の濁り（吸光度）が高くなっている理由は、ドライイーストは乾燥酵母であり透明に溶解せずに濁るため、ドライイーストの重量割合が大きいほど濁りが増すためである。
図５において、発生する気体は二酸化炭素が殆どである。

本試験結果は、水の総硬度が約１５ｍｇ／Ｌの軟水の湧き水と、約１００ｍｇ／Ｌの中硬水である醸造用地下水を用いて実験したものであるが、ドライイーストの初期の重量割合が０．１％では初期の菌体濃度が低いため、５日間の培養では増殖が不十分であり、軟水および中硬水ともに気体（二酸化炭素）の生成が少なく両者の差は微差であった。逆にドライイーストの初期の重量割合が０．５％以上では初期の菌体濃度が高いため、持ち込みのミネラル成分が多くなり、軟水および中硬水ともに気体（二酸化炭素）が活発に生成され、こちらも両者の差は微差であった。

結果として、初期のドライイーストの濃度（重量割合）が０．２および０．３％で培養した場合に気体（二酸化炭素発生量）の発生量に差が現れた。特に０．２％では両者の差は８００ｍＬと最も大きく、明確な違いが現れた。この結果から、軟水や中硬水など微妙な水質の違いでも、本発明の水質判定法および水質判定装置にて菌体の増殖と二酸化炭素の発生量の差が明確となり、児童や生徒に認識できる初発のドライイーストの混合割合が見出せた。

この試験により見出した、初発のドライイースト０．２～０．３％という培養条件と関連する培養装置について先行技術文献を調べたところ、特許文献のみならず各学術雑誌や教科書にも掲載されておらず、本発明により初めて示すことが出来た独自のものである。

上記第１実施形態の水質判定装置Ａ１００を小学校の教育現場に持ち込み、児童への授業実践とアンケート調査により教育効果の検証を行った。内容は、広島県の酒造地区に所在する小学校第４学年の５クラス１７２人を対象に、総合的な学習の時間で「地域の水について」という題材で授業実践を行った。

この授業による授業前と授業後で、地域の水および水質と酵母の発酵の関係について、題材に対する関心度や理解度の変化、そして郷土愛の変化をアンケートにより調べた。アンケートは各質問の回答を得点化し、『強く当てはまる』を４点から『全く当てはまらない』を１点の４件法として児童の平均を求め、授業前後の平均得点の変化（児童の変容）を求めた。さらに、児童の変容を客観的に抽出するため「対応のある２標本ｔ検定」にかけて、授業前と後の平均点の差の有意性を求めた。

この授業のアンケート結果をもとに、授業前後の児童の変容を図６に示す。これによると、水質や環境への興味関心が３．１２から３．７４へと１５．５％上がっていた。次に、内容の理解も２．８７から３．７６へ２２．３％の理解度上昇が見られた。また、郷土愛の強さは元々高い水準ではあったが３．６０から３．８２（５．５％上昇）と若干ではあるが、上昇した。これら授業前後における平均値の差の有意性を求めるため、両側検定のｔ検定を行ったところ、いずれもｐ＜０．００１であり、本発明を用いた授業が環境への興味関心、水質とお酒造りの理解度、郷土愛への向上に繋がる、環境教育教材への可能性を見出せた。

以上の結果から、本発明の水質判定の実験法が児童や生徒に目に見えない小さな微生物の力を認識させ、生命反応の不思議さの探求につながる手法になりうると思われる。また、水質とお酒造りの関係性とともに、発展として地下水などの「水」は貴重な資源であることを理解させ、水や水質をどのように保全すればよいのか考えさせる環境教育の教材にも活用できる。

さらに、応用例として本発明の方法と先行の生物工学の手法（非特許文献５）を組み合わせて、軟水の湧き水と中硬水の醸造用地下水を用いた清酒酵母の培養実験を行った。本実験は、微生物を増殖させる培地の作成や滅菌作業を伴うため初等教育の実験には不向きだが、滅菌した培地に清酒酵母の前培養液を２％接種後、本発明の培養装置に装着することで持ち込みのミネラルの影響を抑えて、試験水の違いによる酵母の増殖と発酵能力を調べた。その結果を図７に示す。この実験から、軟水の湧き水と中硬水の醸造用地下水による清酒酵母の増殖と発酵の差が、上記滅菌した培地に清酒酵母の前培養液を２％接種後、本発明の培養装置に装着した時点から２日経過した時点で明確になった。
なお、ドライイーストであっても清酒酵母と同じく酵母であり、ドライイーストの経時的な増殖と発酵の差は、上記の清酒酵母のそれと同様の傾向を示すと考えられる。
以上のことから、微生物種を換え、例えばメタン生成菌によるメタン発酵の試験や、水素生成菌による水素生産など、各種生物工学の実験にも利用できる。

また、本発明の培養液取り出し管１４および培養液取り出し器１５により、培養期間中に培養液を他の微生物による影響なく取り出すことができ、微生物の栄養である糖類など基質消費の測定だけでなく、他の微生物を培養した場合の、微生物が生合成する各種生成物についても、経時的に測定が可能となる。

本発明は用いる微生物であるドライイーストの初期重量割合を０．２から０．３％にして、試験水に含まれるミネラルの含有量に応じた発酵による気体（二酸化炭素）の発生量を比較することで、各種試験水が持つ発酵のしやすさを判定する方法および装置である。このことから、まず高等学校の生物においては「代謝」の単元における「発酵」についての実験教育に利用可能である。ここでは、「発酵」を学ぶ主目的である、酵母のアルコール発酵について、気体（二酸化炭素）の発生を視認でき、酵母の発酵の現象を見ることにより、原理の理解に役立つものと思われる。

次に、小学校や中学校の総合的な学習の時間や家庭科などにおいて、各地の地下水や湧き水を採取して実験することで、各試験水（検水）の発酵のしやすさを認識することができ、児童や生徒でも水質や環境保全についてなど、環境教育の教材にも利用できるものと思われる。

また、微生物の種類を換えることによりメタン発酵や水素生産の試験、そして装置に光を照射することで、藻類などから酸素を発生させる光合成の実験を行うこともできる。さらに、微生物が合成する医薬品など有用物質生産の実験にも利用でき、初等から高等教育の教材だけでなく、各種食品開発や排水処理からエネルギー変換など発酵産業や生物工学分野への応用が可能と思われる。

１混合容器
１ａ投入口
２攪拌用回転子
３マグネチックスターラー
４栓
５発生気体通過管（第１の管、導管）
６管連結部（第１の管、導管）
７発生気体導入管（第１の管、導管）
８発生気体誘導管（第１の管）
９開口部
１０内方容器（提示容器）
１１液面レベル調整用管（第２の管）
１２液面レベル調整用気体吸出し器（吸出し器）
１３外方容器（提示容器）
１４培養液取り出し管
１５培養液取り出し器
１６発生気体捕集袋
１６ａジッパー（開閉部）
１００水質判定装置Ａ
２００水質判定装置Ｂ
ＷＡ混合液
Ｘ０位置マーク部
Ｚ目盛り部

Claims

検水に酵母と糖類を混合させ、その後の検水中の酵母の発酵に伴う気体の発生量の大きさにより検水の水質を判定する水質判定法であって、
前記酵母と前記糖類と前記検水とを収納し混合させる混合容器と、
前記酵母と前記糖類と前記検水との混合後に発生する該混合容器内での発生気体を取り込んで、該発生気体の量のレベルを提示する提示容器とを設け、
前記酵母はドライイーストを用い、
前記検水と、該検水に対する初期濃度の重量割合が０．２％～０．３％に設定された前記ドライイーストと、前記糖類とを前記混合容器に投入して該混合容器内で混合させ、
該混合容器内で混合から２日以上の時間経過後において、前記提示容器に提示された前記検水中の前記ドライイーストの発酵に伴う前記発生気体の量のレベルから前記検水の水質を判定することを特徴とする酵母の発酵力による水質判定法。
請求項１に記載の水質判定法に用いられる水質判定装置であって、
前記混合容器内と前記提示容器内とを連通し前記混合容器内で発生した気体を前記提示容器内へ導く第１の管と、
前記提示容器内の気体を吸い出す吸出し器と、
該吸出し器のサクション側空間部と前記提示容器内とを連通し前記吸出し器の動作により前記提示容器内の気体を吸い出す第２の管が設けられ、
前記混合容器には、前記検水と前記ドライイーストと前記糖類を投入する投入口が設けられ、
該投入口には該混合容器内を密閉する栓が設けられているとともに、
前記第１の管の一端部が該混合容器内の空間部に開口するように接続されている一方、
前記提示容器は、内方容器と、該内方容器を収納し支持するとともに液体を貯蔵する水槽構造とされた外方容器とから構成され、
前記内方容器は、下方部に開口部が設けられ、該下方部の空間部に前記第１の管の他端部が開口し、閉塞された上方部の空間部には第２の管の一端部が開口し、容器側面には液面高さを初期レベルに調整する０位置マーク部が設けられており、該内方容器が前記外方容器に支持されることで前記開口部を介して前記外方容器に貯蔵された液体が該内方容器内に導入される構成とされ、
前記吸出し器の動作により前記内方容器内の前記液体の液面が前記０位置マーク部の高さとなるように調整され、前記混合容器内に前記ドライイーストと前記糖類と前記検水が投入されて混合された後の、前記内方容器内における前記液面の前記０位置マーク部からの変化代から前記発生気体の量のレベルが確認できるように構成されていることを特徴とする水質判定装置。
請求項１に記載の水質判定法に用いられる水質判定装置であって、
前記混合容器内と前記提示容器内とを連通し前記混合容器内で発生した気体を前記提示容器内へ導く導管が設けられ、
前記混合容器は、前記検水と前記ドライイーストと前記糖類を投入する投入口が設けられ、
該投入口には該混合容器内を密閉する栓が設けられているとともに、
前記導管の一端部が該混合容器内の空間部に開口するように該混合容器に接続されている一方、
前記提示容器は、前記導管の他端部が開口するとともに、気体を排出した状態で密閉される開閉部が備えられ、該開閉部が密閉された状態で前記導管を介して導入される前記混合容器内で発生した気体により膨らむ気体捕集袋から構成され、該気体捕集袋の膨らみの大きさから前記発生気体の量のレベルが確認できるように構成されていることを特徴とする水質判定装置。
請求項２に記載の水質判定装置を備えた実験装置であって、
前記混合容器、前記第１の管、前記提示容器、前記吸出し器、前記第２の管からなる１ユニットの水質判定装置を複数設け、
前記ユニット毎の前記混合容器においては、該混合容器間で同一重量の、前記ドライイーストと前記糖類と前記検水が投入され、該混合容器間で前記検水のみ種類が相違する水とされ、前記ユニット毎の前記提示容器に示される液面高さの相違から水質の相違が確認
できるように構成されていることを特徴とする実験装置。
請求項３に記載の水質判定装置を備えた実験装置であって、
前記混合容器、前記導管、前記提示容器からなる１ユニットの水質判定装置を複数設け、
前記ユニット毎の前記混合容器においては、該混合容器間で同一重量の、前記ドライイーストと前記糖類と前記検水が投入され、該混合容器間で前記検水のみ種類が相違する水とされ、前記ユニット毎の前記提示容器に示される前記気体捕集袋の膨らみの大きさの相違から水質の相違が確認できるように構成されていることを特徴とする実験装置。