2023 Fiscal Year Annual Research Report
Advanced imaging and modeling technologies in postharvest science: quality evaluation of cellular and tissue-based products based on multidimensional information
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21H04748
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
田中 史彦 九州大学, 農学研究院, 教授 (30284912)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 良奈 九州大学, 農学研究院, 助教 (80817263)
今泉 鉄平 岐阜大学, 応用生物科学部, 准教授 (30806352)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 農業工学 / 画像解析 / モデリング / 品質評価 / AI / Digital Twin / GC-MS/MS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、生体内の時空間的な4D動態を「見える化」することを目的とする。（１）青果物細胞組織のナノ・マイクロ構造の観察と解析「造り」では、昨年度に続き、青果物組織の健全性評価手法として電気インピーダンス法の応用を進めた。共焦点レーザー顕微鏡で観察される青果物の細胞膜損傷や、貯蔵や加工処理で増減する糖、酸などの内在成分量が計測される誘電緩和の挙動に影響を及ぼすことが明らかとなった。それらはHaydenモデルやHaydenモデルの静電容量を位相が周波数によらず一定となる定位相要素で置き換えたCPEモデルで解析することで定量化が可能となった。（２）マルチフィジックス・シミュレーションによる細胞組織諸物性値の推算「模し」では、細胞－空隙間の移動現象をより厳密にモデル化するため、細胞膜のガス移動抵抗を定量するとともに、液相への気体溶存量温度依存式を導入し、果肉内におけるガス拡散モデルを深化させた。また、果実内の各部位で呼吸速度を計測することで、呼吸が細胞密度とガスのパスウェイの発達程度に密接に依存すること明らかにした。さらに、細胞質内でのガス拡散がパスウェイの連続性や存在比に強く依存し、ガス拡散は並列モデルにより近似できることを明らかにした。これをスケールアップして、呼吸を含む青果物内の酸素および二酸化炭素ガス濃度変化を予測し、嫌気呼吸にスイッチしない適切な雰囲気ガス組成制御と可食コーティング処理条件を明らかにした。なお、青果物の代謝はGC-MSMSを用いて計測した。（３）バイオスペックル法による細胞アクティビティの計測と活性度マッピング「活き」では、モモの赤肉症の非破壊判別を可能とした。赤肉症は外観からその判別が難しく、商品としての価値・信頼性を著しく損なう原因となる。バイオスペックル動画のFFT周波数解析から振幅累積和を算出し、罹患の有無をAI判別することを可能とした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究は、昨年度に引き続き、（１）青果物細胞組織のナノ・マイクロ構造の観察と解析「造り」、（２）マルチフィジックス・シミュレーションによる細胞組織諸物性値の推算「模し」、（３）バイオスペックル法による細胞アクティビティの計測と活性度マッピング「活き」の３中課題で構成し、いずれでもダイナミックに変化する青果物の特性・品質を評価する新たな解析フレームワークの確立に資する成果をあげている。（１）では、研究計画予定通り、先端的な観察機器による微細構造解析と電気インピーダンス法の応用によって青果物組織の健全性評価に資する研究を進め、誘電緩和モデルによる定量化に成功した。（２）では、青果物内部における諸現象をより厳密に予測するために、ガスの溶存や細胞膜のガス抵抗、ガス拡散並列モデルを用いるなど、より現実に即したモデルへと進化させた。（３）では、バイオスペックルの周波数分析と機械学習を組み合わせることで、モモの健全果判別を可能にするなど研究計画以上の大きな進展を得た。（４）青果物細胞の健全性を診断し、日持ち選別などより社会実装に資する段階に達しており、研究の進捗状況は極めて良好であると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
全体的に大きな研究の変更はなく、前年度に引き続きデータの蓄積と分析を行うとともに、最終年度に当たる今年度は研究成果の取りまとめも行う。それぞれの中課題については以下の通りである。（１）青果物細胞組織のナノ・マイクロ構造の観察と解析「造り」では、引き続き、マルチスケール解析を進め、青果物構造や形態の変容を分析する。微細構造の健全性を評価する手法としては、引き続き、画像観察とインピーダンス法による電気的特性を計測し、構造変化と電気的特性の関係を明らかにする。また、青果物の健全性維持を目的とし、昨年度設定した「守り」の小課題では、バイオマス由来可食コーティング処理による品質保持効果について化学分析も含めてさらに考究する。（２）マルチフィジックス・シミュレーションによる細胞組織諸物性値の推算「模し」では、昨年度までに開発したｎ次元物性値配置モデルを用いたマルチフィジックス解析を行い、化学反応を伴う熱・ガス拡散解析について研究を深化させる。（３）バイオスペックル法による細胞アクティビティの計測と活性度マッピング「活き」では、各周波数の揺らぎの原因を追究するとともに、日持ち選果や健全果選果に向けた実用的な研究にも取り組む。
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