2017 Fiscal Year Research-status Report
食品のミクロからマクロ構造の３次元計測に基づく職人の調理加工技の定量化
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17K00826
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
都 甲洙 日本大学, 生物資源科学部, 教授 (40385993)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 眞直 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 産業利用推進室, 主席研究員 (30360837)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 調理と加工 / ミクロからマクロ計測 / 食品内部構造 / 気泡 / 氷結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，食品の調理・加工における職人の匠技を解明するため，「食品成分」，「水・氷結晶」，「気泡」のミクロからマクロ構造の３次元計測を行い，職人の調理・加工技を定量化する．本年度は，①現有の極低温マイクロスライサスペクトルイメージングシステム（CMSIS）にオートフォーカスおよび高倍率計測の機能追加，②CMSISにより食品のミクロからマクロ内部構造の３次元計測を計測した．
現有のCMSISにオートフォーカスおよび高倍率計測の機能追加するために，購入予定であった装置をデモし，機能テストを行った． CMSISにより食品のミクロからマクロ内部構造を計測するために，供試試料として市販のアイスクリームを用いた．気泡の含有率をオーバーラン（Overrun: OR）値は，同一体積におけるアイスクリームミックスとアイスクリームの重量の比で精度よく算出されるが，同じORの値であっても，気泡の大きさとその分布は最終品質に影響を与える. 気泡は光学顕微鏡，SEM，X線CT，MRIなどにより計測されるが，これらは，装置毎に計測範囲および空間分解能が異なり，試料のミクロからマクロ構造の計測が困難である．今年度は，CMtSISにより，同じサンプルからアイスクリーム中のミクロからマクロ気泡，氷結晶，乳製品の混合バランスの計測を行った．従来は，同じサンプルから気泡，氷結晶，乳製品を同時に計測することが困難であった．アイスクリームのおいしさは，従来のような気泡と官能検査，氷結晶と官能検査，たんぱく質，脂肪などの構成成分一つと官能検査による品質評価ではなく，アイスクリームの気泡，氷結晶，乳製品の混合バランスに基づく新たな品質評価法として応用されると考えられる．また，X線CTによる冷凍食品内の氷結晶・気泡を計測した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現有のCMSISにオートフォーカスおよび高倍率計測の機能追加するために，購入予定であった装置を用い，機能テストを行った．オートフォーカス顕微鏡は，切断面を基準として，Z軸を制御し，フォーカスを合わせる仕組みで，Z軸の最小分解能0.0782 μm/1パルスである．これによるテストでは，気泡を含まない試料および計測範囲に対し気泡の割合が少ない試料（低倍率）計測試料を用いた場合，オートフォーカス機能が再現された．しかし，計測範囲に対し気泡の割合が多い試料（高倍率）を用いた場合，オートフォーカスが困難であった．気泡は，切断面より凹み，オートフォーカスのための基準面の設定に困難を伴った．
CMSISにより食品のミクロからマクロ内部構造を計測するために，供試試料として市販のアイスクリームを用いた．XYステージの自動位置決めは，計測範囲194×154 µmに相当する50倍の対物レンズを用い，横軸移動量194 µmで６回，縦軸移動量154 µmで５回ずつ行い，同一断面から25枚の画像を取得・結合した．気泡形状は，面積，長軸，短軸を計測し，気泡の面積に相当する円直径を算出した．統合した画像の大きさは970×770 µmで，アイスクリーム内の最大気泡（長軸277.5µm）が３個ほど計測可能な範囲である．また，氷結晶，乳製品の計測を行った．この計測範囲において，最小0.8µm（ミクロ）から最大277.8 µm （マクロ）までの気泡計測が可能になった．
X線CTにより冷凍食品の氷結晶・気泡を計測した．供試材料は，市販のうどんを冷却虐待し，乾燥層と未乾燥層に大別される．乾燥層の氷結晶が昇華した跡，固形分，未乾燥層の氷結晶，試料骨格の濃縮層（乾燥後の固形分）計測，また，含水率を測定した．
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| Strategy for Future Research Activity |
１）アイスクリーム内部構造に基づく新たな品質評価法
アイスクリームの新たな品質評価法提案するために，気泡，氷結晶，乳製品の混合バランスを定量化する．具体的には，重量ORを測定，CMtSISによりミクロからマクロの気泡，氷結晶，乳製品を計測し，その体積割合による体積ORvを求め，アイスクリーム構成要素の混合バランスを定量化することにある．６段階オーバーランのコントロールが可能なソフトクリームフリーザーを用い，３種類（低・中・高OR）アイスクリームを製造する．CMtSISのXYステージによる自動位置決めは，計測範囲194×154µmに相当する50倍の対物レンズを用い，横軸移動量194µmで６回，縦軸移動量154µmで６回ずつ行い，同一断面から36枚の画像を取得し，これらの画像結合を作成する．結合画像から気泡，氷結晶，乳製品の識別，２値化を行い，それぞれの体積を求める．気泡の体積割合は体積ORvを算術に用いる．気泡，氷結晶，乳製品の混合バランスにより新たな品質評価法を構築する．
２）X線CTより冷凍食品の内部構造の３次元計測
冷凍食品の内部構造を評価するために，X線CTによりアイスクリーム内の気泡，氷結晶，乳製品の混合バランスを計測する．また，冷凍うどんの凍結保存期間による乾燥層と未乾燥層の基礎的なデータを得ることにある．
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| Causes of Carryover |
現有のCMSISにオートフォーカスおよび高倍率計測の機能追加するために，購入予定であった装置の機能テストを行った．その結果，計測範囲に対し気泡の割合が少ない試料を用いる場合，オートフォーカス機能が再現されたが，気泡の割合が多い試料を用いた場合，オートフォーカスが困難であった．オートフォーカス機能は，実験の時間短縮，今後の計測自動化など大きなメリットが存在するが，CMSISはXYステージの自動位置，ミクロトーム，熱交換器の温度制御，高倍率レンズなどの相互関係を考慮すると，高倍率でのオートフォーカス機能の実現には，色々なメカニカルおよびソフト的な問題点が考えられる．今後，本研究の目的である「食品のミクロからマクロ構造の３次元計測に基づく職人の調理加工技の定量化」を優先し，オートフォーカス機能は手動で対応し，XYステージ位置決めと赤外線カメラの画像取込を自動化し，研究を遂行する．このため，昨年購入予定であったオートフォーカス顕微鏡の代わりに，外部信号制御により画像の自動取り込みが可能な赤外線カメラを購入する．
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