| 研究課題/領域番号 |
26420141
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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, 准教授 (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)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 凍結 / 過冷却 / 超音波振動 / 交番電場 / 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，超音波振動と変動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，超音波の付与によるミクロな振動および変動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，昨年度に引き続き，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，出力5W以上の超音波振動を付与した場合，過冷却度の平均値は通常冷却と比べ若干大きくなったが，通常冷却の平均値の99%の信頼区間を上回るには至らず有意差は確認されなかった．しかし，超音波振動を付与することで約13K以下の低過冷却度での核生成が抑制され，また過冷却度の分散が小さくなることが見出された．
次に，変動磁場が食品の凍結に及ぼす影響を検討する基礎として，交番電場を付与したオニオンセルの一方向凍結実験を実施した．その結果，微少電流印加（1.2～30μA程度）により，過冷却度が最大2K程度促進される結果が得られ，電流印加による過冷却促進の可能性が見られた．一方，印加電流がさらに増えると，細胞の凍結温度は逆にcontrolよりも高くなり，過冷却の解除作用が現れた．これらの電流印加の効果は冷却速度によって異なる傾向を示した．しかし、試料の個体差の影響を受けやすい実験であるため，実験回数を増やしてデータの信頼性を高めながら，印加電圧と電場周波数の影響についてさらに検討する必要がある．
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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) 超音波振動を付与した水の凍結実験，(2)交番電場を付与した組織細胞の凍結実験は予定どおり実施された．その結果，低下冷却度での核生成が抑制される現象が見られた点は望ましい結果である．しかし，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ことが予想される．このため，操作条件を変えた実験の継続と，新たな効果を併用した協同効果の発現などの可能性についても検討を進める必要があると考えられる．また，変動磁場の効果については，製作した装置系では大きな誘導電流を発生させるのが難しかったことから，交番電場を試料に直接付与し，印加電流が細胞の過冷却凍結に及ぼす影響を実験的に検討する方法を採用した．データ数が不足しているが，過冷却を促進し，細胞凍結を抑制する傾向が一部みられたが，個体差の影響を加味してより詳細に検討する必要がある．これらより，次年度に予定している超音波振動と変動磁場を併用した実験を行うための基礎データが得られた．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28年度は今年度の結果をもとに，水溶液の過冷却促進を実現するための操作条件を超音波振動と交番電場の２通りについて実験的に追究するとともに，そのメカニズムについても検討する．具体的には，(1)今年度の実験において弱い過冷却促進効果が見られた振幅変調超音波振動に注目し，超音波出力および周波数を様々に変化させた実験を行い，氷核の生成・成長の阻止に効果的な操作条件を探索する．(2)交番電場を付与した組織細胞の凍結実験を行い，各細胞の過冷却度に及ぼすその効果を印加電流および電場周波数と関連づけて明確にする．(3)細胞の集合体からなる食品の凍結・解凍モデルを構築し，その妥当性を検証する．また，そのモデルを用いて様々な種類の外力を受けた食品の凍結挙動について解析を進める．以上の結果をもとに，食品を高品質冷凍する方法について総合的に検討する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
細胞の凍結挙動を観察するために高速度ビデオが必要となったが，本年度当初の計画では購入を予定していなかっため，予算が不足し，購入できなかった．このため，337,964円を次年度に繰り越し，次年度予算と合わせることで高速度ビデオを購入する計画とした．
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| 次年度使用額の使用計画 |
次年度使用額と次年度予算とを合わせることで，顕微鏡に取り付ける高速度ビデオを購入する予定である．これにより，細胞膜内面での核生成の状態を正確に把握できると考えられる．
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