2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of high-quality freezing-thawing technique of food by utilizing high-frequency ultrasonic wave and alternating magnetic field
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20K04305
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
多田 幸生 金沢大学, 機械工学系, 教授 (20179708)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大西 元 金沢大学, 機械工学系, 助教 (80334762)
春木 将司 金沢大学, 機械工学系, 准教授 (90432682)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 凍結 / 解凍 / 高周波超音波 / 交番磁場 / 過冷却 / 食品 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コールドチェーンの発達に伴って食品を安全かつ美味しく凍結保存する技術の確立が求められている．凍結保存は原理的には，低温化と活性水分の低減により生化学反応の抑制を図るものであるが，凍結の過程で細胞レベルのミクロ現象が生じ，これが各種の凍結損傷に繋がる．したがって，食品の品質を劣化させない効果的な凍結技術の開発が課題となる．本研究では，高周波超音波振動ならびに交番磁場を利用した過冷却域の拡大による氷晶形成の能動的制御を追究する．すなわち，高周波超音波の付与によるミクロな振動作用および交番磁場による静電気的作用を利用して，組織体内の過冷却領域の拡大を図り，それによる高品質な凍結を実現する冷却技術の開発を目標とする．
本年度は，模擬食品として寒天ゲル供試し，前年度確認された高周波超音波の付与に伴う発熱作用を利用した組織体の凍結・解凍制御に重点をおいて研究を推進した．その結果，高周波超音波の吸収に伴う発熱作用を利用した組織体内の温度制御により組織体全域を最大過冷却状態に移行させるための超音波出力と冷却液条件が解析的に明らかにされ，その妥当性が確認された．また，解凍制御については，超音波照射を併用した流動水溶液による模擬食品の急速解凍実験行い，各種の超音波照射方式の効果について検討した．その結果，最大氷結晶融解帯を通過する昇温速度を超音波出力と関連づけて明らかにし，超音波利用の有効性が明らかにされた．さらに，変動磁場を付与する装置を新規に製作し，水の過冷却に及ぼす変動磁場の効果についてのデータ収集を進めた．
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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
当初計画した(1) 高周波超音波を付与した組織体の凍結・解凍モデルの構築，(2)試料表面を品質維持で必要な５℃以下に維持しながら組織全域を急速解凍するために有効な超音波の照射方式の検討，(3)交番磁場が組織体内の過冷却に及ぼす効果の実験的検討，について予定どおり実施した．
(1) 高周波超音波振動を付与した組織体の凍結・解凍モデルの構築については，高周波超音波の吸収に伴う発熱作用を組み込んだ伝熱計算により，組織体全域を最大過冷却状態に移行させるための超音波出力と冷却液条件が解析的に明らかにされ，実験結果との比較によりその妥当性が明らかにされた．本手法を実用化する際に有用な解析であり，本年度の成果であると考えている．なお，組織体内の温度の経時変化を計算するための数値計算はプログラム作成に作業に時間がかかっているため，次年度に実施する．
(2) 高周波超音波を付与した組織体の解凍実験では，試料表面を品質維持で必要な５℃以下に維持しながら組織全域を急速解凍するために有効な新たな超音波照射方式を検討し，超音波出力を時間的に変化せる多段照射方式の有効性が実験的に見出された．
（3）交番磁場が過冷却に及ぼす効果の検討については，最大100mTの交番磁場を付与するための実験装置を新規に製作した．蒸留水を用いた冷却実験を行ったが，実験データ数が不足しているため，過冷却度と磁場強度および交番周波数との関係について信頼性の高い結論を得るには至っていない．基礎データの収集を継続する必要があると考えている．
以上のことから，本研究はおおむね予定どおりに進行していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である令和４年度は，高周波超音波の付与に伴う発熱作用を利用した組織体の凍結・解凍制御の解析モデルの構築を完了し，本手法を実用化するために必要な実験結果と解析手法の整備に重点をおいて研究を推進する．具体的には，凍結制御については，(1)時間領域差分法（FDTD法）を用いた超音波照射下での試料の冷却・昇温過程の数値計算モデルを構築し，実験結果と計算結果の比較検討を行い，モデルの妥当性を検証する．解凍制御については，(2)試料表面を品質維持で必要な５℃以下に維持しながら組織全域を急速解凍するために有効な超音波の照射方式（超音波照射出力を時間的に制御）について実験及び数値計算により検討する．また， (1)と(2)の結果をもとに，魚肉等を用いた食品の凍結・解凍実験を行い，本手法の有効性を検証する．(3)現在，未解明となっている過冷却に及ぼす変動磁場の効果については，最大100mTの交番磁場を付与するための実験装置を用いて水の冷却実験を行い，過冷却度と磁場強度および交番周波数との関係について基礎データを収集し，分析を行う．
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| Causes of Carryover |
令和3年度経費のうち，482,455円の繰り越しが生じたのは，コロナウイルス感染症拡大のため，当初参加を予定していた学会がオンライン講演会となり，旅費の執行がなかったこと，および磁場装置の設計が遅れたため専用コイルの発注を延期したことなどが理由である．このため，482,455円を次年度に繰り越し，均一磁場を付与するためのコイルの製作費用の一部に充当する計画である．
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