(57)【要約】  被凍結物を密閉容器の壁面から離間させて配置させた状態で、−１６℃以下の自然対流中で冷却し、過冷却を経由させた後、凍結させる。このとき、被凍結物及びその周囲の気体を室温から冷却を開始することが好ましい。また、構成分子が３原子以上からなる多原子分子気体又は該多原子分子気体を容器内の気体の熱容量が同分子数の乾燥空気の熱容量よりも大きくなるように含有する気体で、密閉容器内を満たすことが好ましい。
2012036167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被凍結物を密閉容器の壁面から離間させて配置させた状態で、−１６℃以下の自然対流中で冷却し、過冷却を経由させた後、凍結させることを特徴とする凍結方法。
【請求項２】
被凍結物及びその周囲の気体を室温から冷却を開始することを特徴とする請求項１に記載の凍結方法。
【請求項３】
構成分子が３原子以上からなる多原子分子気体又は該多原子分子気体を前記密閉容器内の気体の熱容量が同分子数の乾燥空気の熱容量よりも大きくなるように含有する気体で満たした前記密閉容器内で凍結させることを特徴とする請求項１または２に記載の凍結方法。
【請求項４】
前記被凍結物を自然対流で過冷却した後、前記被凍結物を強制対流で凍結させることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の凍結方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、食品、臓器、組織片、動物細胞、微生物等の凍結方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
動物細胞など低含水率物の被凍結物を凍結したとき、被凍結物の内部に発生した氷晶核（アイスシーズ）が大きなサイズの氷晶に成長し、被凍結物の細胞膜が損傷することによって、解凍時に損傷した細胞から水分が流出する。この流出水分（ドリップ）には細胞内液が含まれており、解凍時に発生するドリップ量は被凍結物の凍結品質に大きな影響を及ぼす。【０００３】
被凍結物の凍結速度が速いほど、氷晶サイズの成長を抑制することができる。そのため、環境温度との温度差が大きい、−５０℃以下の低温帯で急速に被凍結物を冷却することが行われている。しかしながら、低温帯に冷却するために多量の電力を必要とするので、省エネルギーの観点から好ましくない。【０００４】
そこで、特許文献１には、食品を収納庫内で−７℃で予冷して過冷却状態とした後、この収納庫内に冷気を流入させて急速冷却することにより、この食品を過冷却から凍結に遷移させる技術が開示されている。【０００５】
特許文献２には、冷凍庫等の庫内に液化炭酸ガスを噴出させて、その気化潜熱によって庫内を温度変化なく急速に冷却させることにより、庫内に収容されている食品等を凍結する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４２５３７７５号公報
【特許文献２】実開昭５１−５０４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された凍結方法では、食品の表層だけが凍結する部分凍結になり、長期間鮮度を保って保存することが困難であった。【０００８】
本発明は、以上の点に鑑み、確実に凍結させた上で、被凍結物の解凍時に発生するドリップ量の低下を図ることが可能な凍結方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の凍結方法は、被凍結物を密閉容器の壁面から離間させて配置させた状態で、−１６℃以下の自然対流中で冷却し、過冷却を経由させた後、凍結させることを特徴とする。
本発明の凍結方法によれば、被冷凍物を壁面から離間させて配置するので、被凍結物の周囲が気体で囲まれ、断熱性が増し、過冷度が大きくなる。さらに、低温の自然対流中で被凍結物を凍結させるので、過冷却解除後の凝固潜熱を短時間で吸熱することができ、解凍時に発生するドリップ量が少ない良質な冷凍が可能となる。
また、本発明の凍結方法において、被凍結物及びその周囲の気体を室温から冷却を開始することが好ましい。
この場合、雰囲気ガスを室温から冷却を開始することで、雰囲気ガスを予め冷却しておいた場合と比較して、被凍結物の初期冷却速度が遅くなり、過冷度を大きくすることができる。
また、本発明の凍結方法において、構成分子が３原子以上からなる多原子分子気体又は該多原子分子気体を、容器内の気体の熱容量が同分子数の乾燥空気の熱容量よりも大きくなるように含有する気体で満たした密閉容器内で被凍結物を凍結させることが好ましい。【００１０】
この場合、被凍結物の周囲を覆う気体が、構成分子が３原子以上からなる多原子分子気体又は該多原子分子気体を容器内の気体の熱容量が同分子数の乾燥空気の熱容量よりも大きくなるように含有する気体であり、これらの気体は空気の主成分である２原子から構成される窒素分子や酸素分子よりも１モルあたりの熱容量（モル比熱）が大きい。【００１１】
温度差や初期圧力が同じであれば、熱伝達率は自然対流中では被凍結物に接触している流体の比熱容量によって決まり、前記多原子分子気体は空気より熱伝達率が大きい。よって、過冷却状態を解除した後は、雰囲気ガスを空気とした場合に比べて、熱伝達率が大きくなり被凍結物の凍結速度を速くすることが可能となる。【００１２】
そして、凍結速度が速くなることで潜熱放出時間が短くなり、凝固潜熱により０℃付近の凍結温度に曝される時間が短縮される。よって、被凍結物の内部に発生した氷晶核が大きなサイズの氷晶に成長して被凍結物の細胞膜を損傷させる程度を軽減することができる。よって、解凍時に発生するドリップ量を低下させることが可能となる。【００１３】
なお、被凍結物の容積と比較して、密閉容器内の容積を十分に大きなものとする必要がある。よって、被凍結物は、容積の小さな組織片、動物細胞、微生物などの研究用試料などであることが好ましいが、充分冷凍室内の容積が確保できる冷凍倉庫内等では食品等の容積の大きなものを凍結させることもできる。【００１４】
なお、被冷凍物を中心部まで深度の深い過冷却状態にするためには、初期冷却速度は緩慢な速度が好ましいが、過冷却解除後はできるだけ速い速度で冷却し、凝固潜熱を短時間で吸熱することで良質な冷凍が可能となる。【００１５】
そこで、本発明の凍結方法において、前記被凍結物を自然対流で過冷却した後、前記被凍結物を強制対流で凍結させることによって、凍結時の冷却速度を速くすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】試料を凍結後解凍した時のドリップ率を示すグラフ。
【図２】試料を凍結後解凍した時のドリップ率と雰囲気ガスの定圧モル比熱との関係を示すグラフ。
【図３】試料を凍結後解凍した時のドリップ率を示すグラフ。
【図４】試料を凍結後解凍した時のドリップ率を示すグラフ。
【図５】試料を凍結後解凍した時のドリップ率を示すグラフ。
【図６】本発明に係る凍結器具の説明図。
【図７】本発明に係る別の凍結器具の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
〔凍結原理〕
凍結時の被凍結物の損傷には、吸熱速度に比例して損傷が大きくなる割れによる損傷と、吸熱速度に反比例して小さくなる氷晶サイズ成長による損傷がある。被凍結物の保存及び解凍時を考慮せず、凍結時のみについて考察する場合には、凍結時の損傷は前記２つの損傷の和として考えることができる。
【００１８】
被凍結物における凍結時の割れは、被凍結物の外層部にヒビ割れが発生したり変形したりする損傷である。割れは、表層から吸熱するために最初に凍結した外層部が内部の凍結時に膨張することによって生じる。被凍結物における氷晶サイズ成長による損傷は、被凍結物の内部に発生した氷晶核が成長し、被凍結物に発生する氷晶のサイズが大きくなることによって生じる。
【００１９】
被凍結物が、動物細胞など含水率が６５％〜８５％と低く厚みが薄い場合、割れによる損傷が少なく、被凍結物における氷晶サイズ成長による損傷が被凍結物の損傷の主要因になる。一方、被凍結物が、単細胞微生物など含水率が９０％を超えて高い場合、割れによる損傷が被凍結物の損傷の主要因になる。
【００２０】
氷晶サイズの成長は、被凍結物を急速に冷却して、凝固潜熱により０℃付近の凍結温度に曝される時間を短縮することによって抑制することができる。そのためには、凍結速度を速くして凍結させることが重要である。しかし、低温帯で冷却すると、多量の電力を必要とするので省エネルギーの観点から好ましくない。
【００２１】
また、過冷却経由で凍結させる場合は、被冷凍物の深部まで過冷度を大きくすることで過冷却解除後の凝固潜熱放出時間を短縮することができ、良質な冷凍が可能となる。凝固潜熱放出時間の短縮には、接触冷媒の熱容量は大きいほうが熱伝達率が大きいので好ましい。
【００２２】
特に、少量の被凍結物を過冷却経由で凍結する場合、雰囲気ガスの熱容量を大きくすることにより、凝固潜熱の吸熱速度を速くすることができる。その理由は、温度差や初期圧力が同じであれば、熱伝達率は自然対流中では被凍結物に接触している流体の比熱容量によって決まるため、接触冷媒の熱容量を大きくすることで被凍結物の凍結速度を速くすることができるからである。
【００２３】
具体的には、例えば、被凍結物を吊り下げる、網状の棚に載せることによって、被凍結物のほぼ周囲全体をこのような気体で覆うことにより、このような雰囲気を形成することができる。
【００２４】
そして、構成分子が３原子以上からなる多原子分子気体であれば、空気よりモル比熱が大きい。このような気体として、例えば、炭酸ガス、水蒸気、フロン、メタン、エタン、プロパン、ブタンなどが挙げられる。
【００２５】
このように、被凍結物の周囲を空気よりモル比熱が大きい気体を混合して覆い、自然対流させながら過冷却温度領域で被凍結物を凍結させる。なお、過冷却経由での凍結が可能な温度領域は、約−１０℃〜−４０℃である。そこで、被凍結物を密閉容器内に壁面に接触しないように吊して、炭酸ガスなどの比熱容量の大きいガスを混合して密閉し、前記温度帯の冷凍室に入れて冷却する。また、密閉容器内の雰囲気ガスの熱容量は、被凍結物と雰囲気ガスの温度差と雰囲気ガスのモル比熱とモル数の積であることから、同じガスであれば、温度差が大きいほど熱容量が大きくなる。しかし温度差が大きくなり過ぎると当初の冷却速度が上がり過冷度が低下する。そこで、適度な温度範囲が存在する。冷凍庫内温度が−１０℃以上では温度差が小さく、熱容量が不足してドリップが多くなる。また、−３０℃以下では初期冷却速度が速すぎて過冷度が下がりドリップが増加する。庫内温度が、約−１５℃〜−２５℃が最適温度帯である。
【００２６】
そこで、−１５℃〜−２５℃の低温条件で、自然対流下で過冷却を自然解除すれば、被凍結物に割れが生じず、しかも凝固潜熱放出時間を短縮することができ、好ましい。
【００２７】
〔評価方法〕
従来、凍結や解凍による被凍結物の質は、凍結解除時のドリップ量、凍結解除後の弾性値、凍結時の氷結晶サイズを測定する方法や官能テストによって評価していた。しかし、これらは被凍結物の部位などによって評価値が大きく異なり、評価の精度や再現性に問題があった。そのため、凍結による被凍結物の質に余程大きな差がなければ、凍結の優劣を区別できず、新たな凍結方法を開発する障害となっていた。
【００２８】
そこで、本願の発明者は、まず、動物細胞などの低含水率物のモデルとして高野豆腐を用い、解凍時のドリップ量を測定することによって凍結の質を評価する方法を開発した。
【００２９】
低含水率被凍結物のモデルとして、１．５重量％の寒天水溶液に高野豆腐の粉末を混合して成形した試料を用いた。高野豆腐は凍り豆腐とも呼ばれ、豆腐を凍結乾燥させた保存食である。この試料の含水率は約８０％であり、６５％〜８５％である魚介や獣肉等の肉類の含水率に近い。
【００３０】
具体的には、高野豆腐をおろし金で摺りおろして粉末状にした。そして、沸騰した１．５重量％の寒天水溶液に水重量に対して７重量％の高野豆腐粉末を混合し，５分間撹拌後容器に容れ、氷水で容器を冷却して内容物を凝固させた。そして、容器内の結露した水滴を除去した後、内径１２ｍｍの円筒形状の型を用いて型抜き成形を行い、直径１２ｍｍ、高さ１０ｍｍの円筒形状の試料を得た。さらに、この成形した試料をチャック付きビニール袋に収納して、４℃で１日間冷蔵した。
【００３１】
この試料を用いて、以下のようにドリップ率を求めた。
【００３２】
まず、凍結前の試料の重量Ｗepを測定した後、試料を容器や袋に入れず各種条件下で凍結させた。そして、試料を凍結状態のままフィルターとドリップ容器を設けた遠沈管（スピッツ管）に入れ、スイングローター式遠心機を用いて２２０Ｇで４０分間遠心することで、自然解凍させた。そして、遠沈管から試料を取り出して重量Ｗerを測定し、凍結前後の試料の重量差に基づき、式（１）で凍結ドリップ率Ｒerを求めた。
【００３３】
Ｒer＝１００×（Ｗep−Ｗer）／Ｗep  ・・・  （１）
【００３４】
一方、凍結前の試料の重量Ｗerを測定した後、凍結していない試料をスイングローター式の遠心機を用いて２２０Ｇで４０分間遠心した。そして、遠心後の試料の重量Ｗcを測定し、遠心前後の試料の重量差に基づき、式（２）で遠心ドリップ率Ｒcを求めた。
【００３５】
Ｒc＝１００×（Ｗc−Ｗep）／Ｗep  ・・・  （２）
【００３６】
最後に、凍結ドリップ率Ｒerと遠心ドリップ率Ｒcとの差から、式（３）でドリップ率Ｒeを求め、凍結条件によるドリップ率Ｒeの違いを比較した。
【００３７】
Ｒe＝Ｒer−Ｒc  ・・・  （３）
【００３８】
ただし、試料の製造にバラツキがあるため，ドリップ率Ｒeの比較は同じ製造ロットの試料を用いて行った。
【００３９】
成形後１日間密閉袋内で試料を冷蔵保存するので、表面の水滴が袋に付着するとともに袋内で一定量の水分が蒸発するため、誤差を小さくすることができた。さらに、遠心中に解凍させるので、解凍中に発生するドリップを寒天や高野豆腐に再吸収させることなく、分離することができた。また、スイングローター式遠心機を使用するので、試料を垂直方向に圧搾することができ、誤差を小さくすることができた。
【００４０】
〔評価結果〕
試料を壁に接触しないよう密閉容器内に吊り下げて、試料の容積の５００倍の大容積を有する密閉容器内の雰囲気ガスを、それぞれ炭酸ガスを２０体積％混合した空気（Ａｉｒ＋ＣＯ２）、水蒸気を飽和させた空気（Ａｉｒ＋Ｈ２Ｏ）、乾燥剤を入れて乾燥させた空気（Ａｉｒ）、アルゴンガスを２０体積％混合した空気（Ａｉｒ＋Ａｒ）として、密閉容器を−１６℃の冷凍庫内に入れ、自然対流で試料を凍結させた。このときのそれぞれのドリップ率Ｒeを図１に示す。
【００４１】
図２にこれら雰囲気ガスの定圧モル比熱（定圧モル熱容量）とドリップ率との関係を示した。図２から、Ａｉｒ＋ＣＯ２、Ａｉｒ＋Ｈ２Ｏ、Ａｉｒ、Ａｉｒ＋Ａｒの順に、すなわち、定圧モル比熱が大きいほど、ドリップ率Ｒeが大きいことが分かる。これは、雰囲気ガスの比熱容量が大きいほど、被凍結物の凍結速度が速くなり、氷晶の成長が抑制され、氷晶サイズ成長による被凍結物の損傷が軽減されたためであると考えられる。
【００４２】
さらに、図３は同容積の密閉容器内に試料を２個収納した場合と４個収納した場合のドリップ率を示すグラフである。図３から、収納数が少ないほうがドリップ量が少ないことが分かる。これは、被凍結物１個あたりの雰囲気ガスの熱容量が大きいほど、ドリップ量が少ないことを示している。
【００４３】
なお、図１及び図２の各雰囲気ガスにおけるドリップ率の差が小さかった理由は、密閉容器内へのガスの混合比率が低かったためであると考えられる。しかし、ドリップ率の測定バラツキは小さく、上記の傾向を強く示唆している。
【００４４】
従って、大容積の密閉容器内で少量の被凍結物を過冷却経由で凍結させる場合、空気より比熱容量の大きい気体を雰囲気ガスとすれば、空気を雰囲気ガスとした場合よりも、被凍結物の解凍時に発生するドリップ量が低下し、凍結品質が良好になることが分かる。
【００４５】
次に、試料を壁に接触しないよう前記密閉容器内に吊り下げて、密閉容器内の雰囲気をそれぞれ空気として、密閉容器を−２０℃の冷凍庫内に入れ、自然対流で試料を凍結させた。このとき、密閉容器及びその内部の空気を予め−２０℃とした予冷空気と、常温のままの常温空気とした。これらのドリップ率Ｒeを図３に示す。
【００４６】
図４から、−２０℃に予冷した空気のほうが室温（＋２０℃）から冷却した場合よりもドリップ率Ｒeが大きいことが分かる。従って、大容積の密閉容器内で少量の被凍結物を凍結する場合、雰囲気ガスを室温にしておくことが好ましいことが分かる。このことは試料温度と雰囲気温度の差が小さいとドリップ量が少ないことを示している。室温は、＋１０℃以上であることが望ましい。
【００４７】
図５は密閉容器内に密閉容器の壁面から離して試料を吊り下げて凍結させた場合のドリップ率と、密閉容器の床面に試料を接触させて凍結させた場合のドリップ率を示したグラフである。図５から、密閉容器の壁面から離して試料を冷却するほうがドリップ量は少ないことが分かる。このことは試料周囲を雰囲気ガスで囲むとドリップが少ないことを示しており、気体は固体に比べて非常に断熱性が高く、初期冷却速度が緩慢なほうが良質な冷凍ができることを示している。
【００４８】
図４及び図５から、当初の冷却速度が緩慢で、過冷却解除後は速い冷却速度が好ましいことが分かる。
【００４９】
〔凍結器具〕
本発明に係る凍結器具１は、図６に示すように、密閉容器２内に、内部に被凍結物を収容する吊下体３を吊り下げる吊棒４が設けられている。吊下体３は、ここでは、樹脂製の網状の袋やネットである。密閉容器２は、−１０℃〜−２０℃の冷凍庫内（図示せず）に設置して冷却される。
【００５０】
そして、密閉容器２は、隔膜５によって内部空間が上下に二分割されており、これら空間は隔離されている。上部空間に吊下体３は配置されている。
【００５１】
上部空間には上部給気管６が、下部空間には下部給気管７がそれぞれ接続されている。そして、上部給気管６及び下部給気管７には、液化炭酸ガスが充填されたガスボンベ８がそれぞれレギュレータ９，１０を介して接続されている。また、上部給気管６及び下部給気管７には、それぞれ給気弁１１，１２が介設されている。  
【００５２】
さらに、上部空間には上部排気管１３が、下部空間には下部排気管１４がそれぞれ接続されている。上部排気管１３及び下部排気管１４には、それぞれ排気弁１５，１６が介設されている。
【００５３】
以下、凍結器具１を用いた凍結方法について説明する。
【００５４】
まず、細胞や微生物などの被凍結物を内部に収容した吊下体３を、蓋（不図示）を介して密閉容器２内の吊棒４に吊り下げる。そして、前記蓋を閉めて、密閉容器２を密閉する。この段階では、全ての弁１１，１２，１５，１６は閉じている。
【００５５】
そして、上部排気弁１５を開けて上部空間内の空気を上部排気管１３を介して排気するとともに、下部給気弁１２を開けて下部空間内に下部給気管７を介して炭酸ガスを供給する。上部空間が充分に排気され、且つ下部空間に炭酸ガスが充満した後、上部排気弁１５及び下部給気弁１２を閉じる。
【００５６】
次に、下部排気弁１６を開けて上部空間内の炭酸ガスを下部排気管１４を介して排気するとともに、上部給気弁１１を開けて上部空間内に上部給気管６を介して炭酸ガスを供給する。下部空間が充分に排気され、且つ上部空間に炭酸ガスが充満して、隔膜５が容器下面に密着した後、下部排気弁１６及び上部給気弁１１を閉じる。そして、この状態で、密閉容器２を−１０℃〜−２０℃の前記冷凍庫室内に設置して冷却する。
【００５７】
このような凍結器具１を用いることにより、内部空間の炭酸ガス濃度を非常に高めることができる。よって、密封容器２内の雰囲気ガスの熱容量を大きくすることができ、熱伝達率を上げて凍結することができ、解凍時に発生するドリップ量を低下させることができる。なお、炭酸ガスの代わりに、室温の空気に水蒸気を飽和させて用いてもよい。
【００５８】
また、本発明に係る凍結器具として、図７に示すように、気密袋２１を用いてもよい。この気密袋２１には、気密チャック２２が設けられており、気密チャック２２を閉じることにより、気密袋２１内が気密状態に保たれる。
【００５９】
さらに、気密袋２１の内部には、被凍結物を収容する吊下体２３が設けられている。吊下体２３は、樹脂製の網状の袋やネットである。また、気密袋２１には、内部の気体を排気するために、また、内部に炭酸ガスを充満させるために、弁付き口２４が設けられている。
【００６０】
このような気密袋２１を用いれば、内部に当初残存する空気量が少ないので、その内部を炭酸ガスを充満させることにより、炭酸ガス濃度を高くすることができる。保つことができる。よって、気密袋２１内の雰囲気ガスの熱容量を大きくすることができ、被凍結物を過冷却を経由して凍結することができ、解凍時に発生するドリップ量を低下させることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012036167.tif 000009
【国際調査報告】
2012036167.tif 000010
2012036167.tif 000011
2012036167.tif 000012
2012036167.tif 000013
2012036167.tif 000014
2012036167.tif 000015