| 研究課題/領域番号 |
17K06192
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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, 准教授 (90432682)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 凍結 / 過冷却 / 超音波振動 / 核生成 |
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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，模擬食品として純水を供試し，高周波超音波振動が水の過冷却に及ぼす影響について検討した．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は得られなかった．次に，模擬食品としての寒天ゲルを対象に超音波照射下での一方向凍結実験を行った．その結果，高周波超音波の吸収に伴う発熱作用が顕著に現れることを見出した．そこで，この効果を利用した組織体凍結の制御について検討を進めた．冷却熱流束に対して適切な出力の超音波を付与することで組織全域を過冷却状態へ移行させ，それを解除することで組織体全域を急速凍結できることが示された．なお,交番磁場については現時点では過冷却に及ぼす明確な効果は得られなかった.
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初計画した (1) 高周波超音波振動を付与した水の凍結実験，(2) 高周波超音波振動を付与した組織体の凍結実験は予定どおり実施された．その結果，低過冷却度での核生成が抑制される傾向がみられたが，より大きな過冷却度の条件では超音波振動による過冷却促進効果は見られず，本研究の目標である大幅な過冷却促進が難しいと判断した．他方，(2)の実験では，高周波超音波の吸収に伴う発熱作用が見出され，それを利用した組織体の温度分布の制御が可能であることが見出されたのは望ましい結果である．この方法で，組織体全域を過冷却状態になるように冷却することが可能となり，それを解除することが組織体全域を急速凍結できることが実証されたことは本年度の成果であると考えている．また，本年度は凍結試料内に形成される氷結晶構造を可視化観察し，凍結損傷の指標となる氷結晶サイズおよび数密度を計測する装置が新たに製作された．次年度はこの装置を用いて，過冷却状態から凍結させることで試料内に形成される氷晶径の微細化を図れることを定量的に確認する予定である．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られる．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成30年度は前年度の結果をもとに，高周波超音波振動の付与に伴う発熱作用を利用した組織体の凍結制御に重点をおいて研究を推進する．具体的には，(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．(2)数値計算モデルを用いて，過冷却状態から急速凍結する領域の長さと操作条件の関係，最大過冷却度と操作条件の関係を導出する．（3）その結果をもとに，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．(4)前年度製作した氷晶径の観察装置を用いて，過冷却状態から凍結した試料内に形成される氷晶径を測定し，本手法による氷結晶の微細化効果を明らかにする．また，前年度に開発された凍結手法を用いて過冷却状態から急速凍結させた試料を，高周波超音波照射による加熱効果を利用して高品質解凍する手法についても検討を進める．具体的には，高周波超音波を照射しながら解凍することで，試料内部の解凍速度の向上を図り，それにより解凍過程で生ずる氷結晶の粗大化による損傷を軽減する方法について実験的に検討する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
平成29年度経費のうち，426,826円の繰り越しが生じたのは，模擬食品の凍結・解凍挙動を観察する装置に窒素ガス供給装置を取り付ける予定であったが，装置の設計が遅れたため，本年度の購入を見合わせた．このため，426,826円を次年度に繰り越し，次年度に窒素ガス供給装置を購入する計画である．これにより，凍結・解凍の様相をより明瞭に観察できると考えられる．
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