Study on application of HHO gas in food sterilization using plasma-based ion implantation

• Project/Area Number: 22K05504
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38050:Food sciences-related
• Research Institution: Hiroshima Institute of Technology
• Principal Investigator: 角川 幸治 広島工業大学, 生命学部, 教授 (60441507)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 武 広島工業大学, 工学部, 教授 (10197444)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: プラズマベース注入法 / 殺菌 / HHOガス / プラズマベースイオン注入法 / 耐熱性芽胞 / 非加熱殺菌

Outline of Research at the Start

本研究は、HHOガスを用いて、効率的かつ効果的な食品の新規非加熱殺菌技術の開発を目的として実施する。提案者らは、これまで、プラズマベースイオン注入法を用いて種々の耐熱性芽胞菌の殺菌条件の検討を行ってきたが、単独ガスを用いるよりも複合ガスを用いた方がより効果的である事を見いだした。そこで本研究は、より殺菌効果が高いと考えられるHHOガスを用い、新規食品殺菌装置の開発の基礎となる、HHOガス由来プラズマの長寿命化と、それを利用した殺菌メカニズムの理論的裏付けを行うべく実施する。

Outline of Annual Research Achievements

プラズマベースイオン注入(PBII)法にHHOガスを用いた食品殺菌技術の開発に向けて、HHOガス特有のプラズマ種が安定的に存在でき、より効率的な殺菌条件が維持できるHHOガスの供給方法、制御パラメーター等の最適化を行い、HHOガス由来のプラズマの長寿命化が出来る条件の特定を行うべく研究を行った。具体的には、耐熱性芽胞菌であるGeobacillus stearothermophilusに対してHHOガスを用いてPBII処理を行い、可能な限り温和な条件で殺菌が可能な条件の探索を行った。具体的にはガス圧、印加電圧、パルス幅、ディレイ時間等の運転パラメーターを変更し、酸素ガスを用いて実現した6Dを超える殺菌効果が得られるよう、殺菌条件の最適化を試みた。研究成果については、公表準備中であるため詳細なデータの記載は行わないが、HHOガスを用いることで、酸素ガスを用いた時のようなRV出力240VAといったような過激な条件を用いることなく7D以上の殺菌効果を得ることが出来る条件を見いだすことが出来た。また、ガス圧の違いによって、発生するプラズマ種が異なる可能性を見いだすことも出来た。現在は、この現象が殺菌効果にどのような違いを発生させるか検討を行っている。また、実際の食品素材を用いた評価も行っており、より安定的に食品素材の表面処理が行える条件について調査を継続しており、植物性素材、動物性素材に関わらず表面処理が行えている。その一方で、現在は、装置運用上の問題からRF出力付きの装置を用いた調査が行えないため、食品素材を使用した場合には、一般生菌数測定試験を行った場合、2D以上の殺菌効果を得ることは出来ていない。この点については、更なる条件の最適化を行っていき、表面加工と共に殺菌効果の向上に向けて研究を継続していく予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和4年度については、PBII処理装置を用いたプラズマ制御法をより詳細に行うためのデータ取りが出来た。その結果、耐熱性芽胞菌であるGeobacillus stearothermophilusに対しても、以前よりも印加電圧やRF出力を下げた状態で殺菌出来る条件についての情報が得られつつある。また、Escherichia coliやStaphylococcus aureusに対する殺菌効果についても、データの収集が順調に出来ている。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度は、これまでの研究で明らかになりつつあるPBII法の殺菌メカニズムについて、より明確にするべく研究を実施していく。具体的には、サンプルに対してイオンを衝突させる事で殺菌が可能となっているが、そのチャンバー内にHHOガスを導入することでなぜ殺菌効果が上がるのか、殺菌効果を上昇させる事が分かってきたパラメーターについて、なぜそのパラメーターの変更が殺菌に有効なのかについて、明らかにしていきたい。
その際に、シミュレーションの結果も適宜用いながら、必要に応じて、より殺菌効果が上がるよう装置の改良にも着手をしていきたい。

Research Products

• [Journal Article] Feasibility of food processing treatment using plasma-based ion implantation method (2023)
  • Author(s): Kakugawa, K., Noda, T., Umemoto, S., Nosaki, K., Tanaka, T., Vutova, K.
  • Journal Title: Innovations Volume: 11 Pages: 22-25
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] プラズマイオン注入法を用いた新規食品殺菌技術開発への挑戦 (2023)
  • Author(s): 角川幸治
  • Journal Title: 食品機械装置 Volume: 60 Pages: 10-17
• [Presentation] The Effect of Plasma-Based Ion Implantation Treatment on Food Ingredients (2023)
  • Author(s): Kakugawa, K., Noda, T., Umemoto, S., Nosaki, K., Tanaka, T.
  • Organizer: 2023 8th International Conference on Food and Environmental Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Feasibility of food processing treatment using plasma-based ion implantation method (2023)
  • Author(s): Kakugawa, K., Noda, T., Umemoto, S., Nosaki, K., Tanaka, T., Vutova K.
  • Organizer: VIII INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE HIGH TECHNOLOGIES BUSINESS. SOCIETY 2023
  • Int'l Joint Research