| 研究課題/領域番号 |
23K03710
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
多田 幸生 金沢大学, 機械工学系, 教授 (20179708)
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| 研究分担者 |
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, 教授 (90432682)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2025年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2024年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2023年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | 凍結 / 過冷却 / 高周波超音波 / 交番磁場 / 食品 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
食品の凍結過程では，細胞内外の氷晶成長や細胞の脱水などのミクロ挙動が生じ，これが解凍後の品質低下の原因となる．そこで本研究では，高周波超音波とパルス交番磁場を併用して細胞内外の氷晶形成を制御し，食味を劣化させない高品質冷凍技術の開発を目的とする．具体的には，
１．高周波超音波と交番磁場が生体組織内の氷核生成と氷晶成長に及ぼす効果の解明
２．高周波超音波と交番磁場を受ける食品組織体の凍結・解凍モデルの構築
３．食品組織体を供試した凍結・解凍実証実験
を行い，食品全域を微細氷晶の状態で凍結させる方式を開発する．また，各種の食品に対する最適操作条件を求め，実用的な高品質凍結技術を確立する．
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| 研究実績の概要 |
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パルス交番磁場を利用した凍結過程における氷晶形成の能動的制御を追究する．すなわち，高周波超音波振動の付与によるミクロな振動およびパルス交番磁場による静電気的作用を利用して，細胞内外の水の過冷却の促進を図り，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，模擬食品として生理食塩水を供試し，パルス交番磁場が水溶液の過冷却に及ぼす影響について実験的に検討した．その結果，低過冷却度での核生成の抑制および過冷却度の分散を小さくする傾向が見られたが，平均的には有意な過冷却促進効果を確認するには至らなかった．また，交番磁場と交番電場の併用効果についても検討したが，電極を含めた試料容器の構造の問題もあり，実験データのばらつきが大きく，明確な結論を得るには至っていない．全体として，水溶液を対象とした実験では時間的な問題と試料容器の耐久性の観点から，再現性の高い核生成状態を得ることが難しく，十分な信頼性が保障される実験回数を達成することが難しい結果となった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
当初計画したパルス交番磁場を付与した水溶液の凍結実験は予定どおり実施された．しかし，水溶液を対象とした実験では試料容器の耐久性の観点から，再現性の高い核生成状態を繰り返し得ることが難しく，十分な信頼性が保障される実験回数を達成することが難しい結果となった．このため，交番磁場，および交番磁場と電場の併用が過冷却に及ぼす影響について信頼性の高いデータを取得することが難しく，様々な操作条件に対する磁場・電場の効果の検討を含めた研究の進展が遅れている．次年度は実験方法の見直しを行い，過冷却に及ぼす各種操作条件の影響を明らかにする．
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| 今後の研究の推進方策 |
過冷却度について信頼性の高いデータを多数同時に取得する方策として，磁場および電場を印加した状態で生体組織の凍結挙動を観察できる装置を新たに製作し，１回の凍結実験で多数の細胞の過冷却度の計測を行う．これにより，磁場および電場の強度と周波数が過冷却度に及ぼす影響を明確に捉え，様々な操作条件下での実験を行い，過冷却促進の可能性を追究する．また，高周波超音波を利用する方法については，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．構築された数値計算モデルを用いて，試料全域に最も微細な氷結晶を形成する超音波照射条件を導出する．解凍過程については，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の超音波の照射方式を解析的に求める．これらにより，高周波超音波を利用した生物試料の高品質凍結・解凍技術の解析手法を確立する．
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