(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中波、短波、超短波のいずれかの周波数の電磁波を用いて、被冷凍体を誘電加熱し、前記誘電加熱により前記被冷凍体に吸収されるエネルギーよりも大きなエネルギーで冷却して、被冷凍体を凍結させることを特徴とする冷凍方法。
【請求項２】
誘電加熱は、氷の比誘電損率が水より大きくなる周波数の電磁波で行うことを特徴とする請求項１に記載の冷凍方法。
【請求項３】
誘電加熱は、５００ｋＨｚ以上６ＭＨｚ以下、あるいは３０ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下の周波数の電磁波で行うことを特徴とする請求項１に記載の冷凍方法。
【請求項４】
電磁波の照射手段は、アンテナであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍方法。
【請求項５】
電磁波の照射手段は、ＴＥＭセルであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍方法。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれかに記載の周波数の電磁波を発生する手段と、前記電磁波を被冷凍体に照射して誘電加熱する手段と、前記誘電加熱により前記被冷凍体に吸収されるエネルギーよりも大きなエネルギーで冷却して被冷凍体を凍結させる手段とを備えたことを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、魚介類、畜産物、野菜類、果実類などの生鮮食品、菓子類などの加工食品、臓器、血液などの細胞組織体などの冷凍方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
生鮮食品等を冷凍して、その解凍時に鮮度や味を維持するためには、組織体の細胞を破壊しないこと、および濃縮（細胞外に溶質が流出する）を抑制することが重要である。これらが起こると、解凍時に液汁の流出（いわゆるドリップ）が発生して品質低下を招くためである。通常、水分を有する生鮮食品、加工食品、生物の組織体などの細胞を破壊することなく冷凍するためには、最大氷結晶生成帯（被冷凍体によって異なるが、一般的には−１〜−５℃の氷結晶が最も成長する温度帯）を通過する時間（以下、有効凍結期間と称す）を短くすることが有効である。この有効凍結期間を短くすることにより、氷の結晶を小さくできるので細胞の破壊を防止できるとともに、濃縮を抑制することができる。
【０００３】
上記のような理由から、鮮度や味を維持する手段として、大型冷凍機や、液体窒素や液体二酸化炭素などの極低温液体が用いられている。これらを用いて冷凍することにより、有効凍結期間を短くでき、上記細胞破壊や濃縮を抑制することができる。
【０００４】
しかしながら、前者の大型冷凍機で急速冷凍すると、原理的に被冷凍体表面からの熱伝導により内部を冷却されるため、例えばマグロのように大きな食品になると冷凍が完結するまでに数分〜数時間要し、この間に被冷凍体の表面と内部との温度差を生じ、被冷凍体表面と内部との有効凍結期間差が大きくなり、特に被冷凍体表面の氷の結晶が大きくなって細胞が破壊されたり、濃縮がおこる場合があった。また、後者の極低温液体を用いる方法では、有効凍結期間を短くできるが、原料の供給が必要でコスト高になるという問題があった。
【０００５】
このような問題を解決する手段として、常温から氷結点付近まで比較的急速に冷却する急速冷却処理を行い、続いて、被冷凍体表面と内部との温度差を小さくするため、氷結点以下まで０．０１〜０．５℃／時間の緩慢な冷却速度で冷却するスロークーリング処理を行い、この後に急速冷凍を行う方法が、例えば特開平８−２５２０８２号公報に開示されている。
また、同公報に、破壊点（未凍結領域の下限点）以上の温度帯で、５００ＭＨｚ〜５ＧＨｚの周波数領域のマイクロ波を照射することも開示されている。
これらの方法では、上記スロークーリング処理の過程、およびマイクロ波照射の過程で、氷結点以下の過冷却状態（液相を保った状態）が維持でき、結果として被冷凍体表面と内部との温度差を小さくすることができるため、被冷凍体表面の氷の結晶が大きくなって細胞が破壊されたり、濃縮が起こることを防止できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、もともと上記過冷却状態は不安定なため、振動や電場などの外乱が加わると容易に過冷却状態が破壊される。また、一旦被冷凍体表面に氷の結晶が生成すると、この状態で液相の被冷凍体内部にマイクロ波が吸収され、被冷凍体表面と内部の温度差はいっそう広がり、被冷凍体表面で氷の結晶成長が局部的に進み、細胞組織の破壊、濃縮を逆に増大させる危険があった。
また、冷却速度０．０１〜０．５℃／時間のスロークーリングでは、冷凍完了までに時間がかかりすぎるという問題もあった。
【０００７】
この発明は上記の問題を解決するためになされたもので、被冷凍体表面と内部との温度差を小さくした状態で、過冷却状態（およびこれに近い状態）を維持できる、また、氷が生成しても、結晶成長を小さくして、被冷凍体の細胞破壊およおび濃縮を抑制し、生鮮食品等の品質の低下を防止できる冷凍方法、および冷凍装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる第１の冷凍方法は、中波、短波、超短波のいずれかの周波数の電磁波を用いて、被冷凍体を誘電加熱し、前記誘電加熱により前記被冷凍体に吸収されるエネルギーよりも大きなエネルギーで冷却して、被冷凍体を凍結させるものである。
【０００９】
この発明に係わる第２の冷凍方法は、前記第１の発明の誘電加熱を、氷の比誘電損率が水より大きくなる周波数の電磁波で行うものである。
【００１０】
この発明に係わる第３の冷凍方法は、前記第１の発明の誘電加熱を、氷の比誘電損率の特異領域である５００ｋＨｚ以上６ＭＨｚ以下、あるいは３０ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下の周波数の電磁波で行うものである。
【００１１】
この発明に係わる第４の冷凍方法は、前記第１の発明の電磁波の照射手段を、アンテナにしたものである。
【００１２】
この発明に係わる第５の冷凍方法は、前記第１の発明の電磁波の照射手段を、ＴＥＭ（Transverse Electromagnetic）セルにしたものである。
【００１３】
この発明に係わる第１の冷凍装置は、前記第１ないし第５のいずれかの発明の電磁波を発生する手段と、前記電磁波を被冷凍体に照射して誘電加熱する手段と、前記誘電加熱により前記被冷凍体に吸収されるエネルギーよりも大きなエネルギーで冷却して被冷凍体を凍結させる手段とを備えたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における生鮮食品等の冷凍方法を温度と時間の関係で表した説明図である。この冷凍方法においては、まず、被冷凍体を冷却し、被冷凍体表面の温度が最大氷結晶生成帯に近づいた時点で高周波誘電加熱を開始する。この時高周波誘電加熱により被冷凍体が吸収するエネルギーより大きなエネルギーで冷却することにより、冷却エネルギーは被冷凍体に奪われ、被冷凍体表面と被冷凍体内部の温度は、最大氷結晶生成帯内で、ほぼ同じ温度となる。その後冷却エネルギーは被冷凍体の温度を更に下降させるために消費され、被冷凍体表面温度が最大氷結晶生成帯下限を超える。この時点で、誘電加熱を終了し、被冷凍体の温度をさらに下降させ、生鮮食品等の冷凍を行う。
上記で説明した最大氷結晶生成帯の範囲は、被冷凍体が変われば変わるが原理的には同じである。
【００１５】
上記誘電加熱とは、高周波電界中の誘電体（絶縁体）の誘電損失現象を利用して加熱する方法であり、周波数３００ｋＨｚ〜３ＭＨｚの中波、あるいは３〜３０ＭＨｚの短波、あるいは３０〜３００ＭＨｚの超短波を用いた誘電加熱を高周波誘電加熱という。上記電磁波を被冷凍体に照射すると、比較的温度の高い被冷凍体内部に吸収される特性があり、さらに、マイクロ波（３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚ）を用いた誘電加熱に比べ、電力半減深度（電磁波エネルギーが物体内部に吸収され半分になる深さ）が大きく内部まで均一にエネルギーを与えることができ、被冷凍体全体として温度分布を均一化できる。
【００１６】
さらに、上記誘電加熱によって、誘電体に吸収されるエネルギーＰ［Ｗ／ｍ３］を、数式で表すと、次式のようになる。
Ｐ＝（１／１．８）×ｆ×ｖ２×εｒ”×１０−１０            （１）
εｒ”＝εｒ’×ｔａｎδ                                  （２）
ここで、ｆ［Ｈｚ］は周波数、ｖ［Ｖ／ｍ］は電界の大きさ、εｒ”は比誘電損率、εｒ’は比誘電率、ｔａｎδは誘電体損失角である。したがって、上記数式（１）より、誘電体（被冷凍体）に吸収されるエネルギーＰは、物質の比誘電損率εｒ”に比例することがわかる。
【００１７】
また従来から、高周波誘電加熱の周波数領域の比誘電損率は、大部分の周波数領域で、水は氷に比べて桁違いに大きいことが知られていたが、本発明者らは、詳細に氷の誘電損失の周波数依存性を調べた。そして、Ｅｌｌｉｓｏｎらの文献（Ｅｌｌｉｓｏｎ  Ｗ  Ｊ，Ｊ  Ｍｏｒｅａｕ：Ｊ．Ｍｏｌ．Ｌｉｑ．Ｖｏｌ．６８，Ｎｏ．２／３，ｐ１７１−２７９，１９９６）、および真鍋らの文献（真鍋武嗣、Ｈ．ＬＩＥＢＥ、Ｇ．Ｈｕｆｆｏｒｄ：電情通学会技報、ｖｏｌ．８７，Ｎｏ．３６７，ｐ１−６，１９８８）から水（約２５℃）の比誘電率、比誘電損率を、Ｈｕｆｆｏｒｄらの文献（Ｇ  Ｈｕｆｆｏｒｄ：Ｉｎｔ．Ｊ．ｏｆ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｎｄ  Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ  Ｗａｖｅｓ，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．７，ｐ．６７７−６８２，１９９１）から氷（約−５℃）の比誘電率、比誘電損率を、白樫らの文献（白樫了ら：日本機械学会熱工学講演会論文集、ｐ４３〜４４、１９９９）から特異領域における氷の比誘電損率を鑑み、図２に示す水と氷の比誘電率εｒ’、および比誘電損率εｒ”と周波数の関係を得た。そしてこれより、
（１）５００ｋＨｚ以上６ＭＨｚ以下の周波数領域において、氷の比誘電損率の特異領域があり、水と氷との比誘電損率差が極めて小さくなる
（２）３０ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下の周波数領域において、氷の比誘電損率の特異領域があり、水と氷との比誘電損率が逆転する
ことを把握し、最大氷結晶生成帯においても被冷凍体の氷部分に多くのエネルギーを吸収させることを見出した。つまり、氷を加熱することで氷の結晶が大きく成長することを抑制し、氷結晶の微細化と均一分布化を達成でき、被冷凍体の細胞破壊や濃縮を抑え、生鮮食品等の品質の低下を著しく防止できることがわかった。
【００１８】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２における生鮮食品等の冷凍方法を実現できる冷凍装置を示す構成図であり、１は高周波誘電加熱機、２は三極管やトランジスタなどで構成される高周波発生電源、３はインダクタンス、４はキャパシタンス、５は印加電極、６は発振用回路、７は被冷凍体、８は冷凍機、９は冷却用熱交換器、１０は圧縮機、１１は電磁波遮断シールド、１２は断熱シールド、１３は冷凍庫、３７は絶縁台、４２は温度検出部である。
この生鮮食品等の冷凍装置においては、高周波誘電加熱機１は、高周波発生電源２、インダクタンス３、キャパシタンス４、平行板電極５を発振用回路６で接続して構成し、キャパシタンス４と例えば平行板電極からなる印加電極５とを制御して発振周波数を制御する。被冷凍体７は例えば二枚の平行板電極間に挟む。冷凍庫１３内は冷凍機８の冷却用熱交換器９で冷却され、低温雰囲気をつくることができる。
【００１９】
本実施の形態において、印加電極５として平行平板電極を示したが、電極形状は、不平行平板型、格子状、コイル状、円筒状、ローラ状などでもよい。また、移動式のものであってもよい。
【００２０】
また、本実施の形態では、発振周波数の変更によって電波障害を起こす恐れを防止するために、電磁波遮断シールド１１を設けているが、不要な場合は除いてもよい。
【００２１】
実施の形態３．
次に、上記実施の形態２の冷凍装置を用いて、被冷凍体７としてマグロの切り身を用い、前記実施の形態１の概念を示唆するために、被冷凍体７表面と内部の温度を測定した。図４は、本発明の実施の形態３による冷凍方法において被冷凍体を冷却したときの冷凍曲線である。被冷凍体７であるマグロの切り身は約２００ｇのものを用いた。発振周波数は、インダクタンス３とキャパシタンス４を制御して４７ＭＨｚ（氷の比誘電損率が水より大きくなる特異領域）にセットし、出力レベル約２．５Ｗで、被冷凍体７の表面温度が５℃に降下した時点で照射を開始し、被冷凍体７の表面温度が最大氷結晶生成帯の下限（−５℃）を超えた時点で、照射を終了することにより高周波誘電加熱を行った。この間出力レベルは約２．５Ｗ一定とした。本実施の形態の効果を示唆するために、図５に、誘電加熱を用いない従来の冷凍方法による被冷凍体の冷凍曲線を示している。
【００２２】
図４に示した本実施の形態の冷凍方法においては、氷の比誘電損率が水より大きくなる周波数の電磁波を用いて、被冷凍体を誘電加熱し、前記誘電加熱による吸収エネルギーよりも大きなエネルギーで冷却して凍結させたので、氷の結晶成長を抑制して冷凍することができ、氷結晶の微細化と均一分布化を達成できた。図５に示した従来の冷凍方法に比し、被冷凍体７表面と、被冷凍体７内部の有効凍結期間のずれ２０ａ、２０ｂが小さくなったことでも確認できる。
【００２３】
実施の形態４．
発振周波数を変えた他の実施の形態として、上記実施の形態２の冷凍装置を用いて、発振周波数２７．１２ＭＨｚ（特異領域外ではあるが氷と水の比誘電損率差が小さい）の場合の冷凍曲線を得た。図６は本発明の実施の形態４による被冷凍体の冷凍曲線である。本実施の形態では、特異領域外の高周波誘電加熱により、一旦被冷凍体に氷の生成が起こり、均一化と逆の効果を生じることを避けるために、被冷凍体表面の温度が最大氷結晶生成帯に近づいた時点で誘電加熱を行い、最大氷結晶生成帯近傍で誘電加熱を終了した。
本実施の形態では、氷の比誘電損率が水より大きい周波数４７ＭＨｚを用いた前記実施の形態３ほどの効果は、得られなかったが、従来の電磁波を照射しない冷凍方法に比べ、最大氷結晶生成帯上限の通過において、被冷凍体７表面と内部の有効凍結期間のずれ２０ａが約７分から５分とやや改善された。
【００２４】
実施の形態５．
発振周波数を変えた他の実施の形態として、上記実施の形態２の冷凍装置を用いて、発振周波数２ＭＨｚ（特異領域外ではあるが氷と水の比誘電損率差が小さい）の場合の冷凍曲線を得た。図７は本発明の実施の形態５による被冷凍体の冷凍曲線である。
本実施の形態では、上記実施の形態４と同様に、特異領域外の高周波誘電加熱により、一旦被冷凍体に氷の生成が起こり、均一化と逆の効果を生じることを避けるために、被冷凍体表面の温度が最大氷結晶生成帯に近づいた時点で誘電加熱を行い、最大氷結晶生成帯を越えしばらく後に誘電加熱を終了した。本実施の形態においても、氷の比誘電損率が水より大きい周波数４７ＭＨｚを用いた前記実施の形態３ほどの効果は、得られなかったが、従来の電磁波を照射しない冷凍方法に比べ、最大氷結晶生成帯上限の通過において、被冷凍体７表面と内部の有効凍結期間のずれ２０ａが約７分から４分とやや改善された。
【００２５】
実施の形態６．
上記実施の形態では、本発明の実施の形態における被冷凍体７の表面と内部との最大氷結晶生成帯上限および下限を超える時間差、すなわち有効凍結期間のずれ２０ａ、２０ｂを比較したが、鮮度および食感に関し、定量的な評価を行うため、氷の結晶が大きいほど多くなるドリップ量の比較を行った。ドリップ量は、本発明の実施の形態および従来の冷凍方法により冷凍したマグロの切り身を、冷凍開始から２４ｈｒ経過後、冷蔵庫（約１０℃の暗所）で自然解凍して測定した。表１は、本実施の形態の冷凍方法によるドリップ量と、型崩れ、食感を示したものである。
本発明による冷凍方法では、いずれもドリップ量を、従来の冷凍方法より少なくすることができ、型崩れもなく、食感も改善できることが確認できた。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
上記実施の形態１ないし６では、被冷凍体７として、いずれもマグロの切り身を用いたが、マグロ本体のような大きなものでは、さらに顕著な差が期待できる。また、マグロ以外の豚肉、豆腐などの食品、血液などの組織体でも同様の効果が確認できた。
【００２８】
また、上記実施の形態１ないし６では、氷の比誘電損率が水より大きくなる周波数、あるいは氷と水の比誘電損率差が小さい周波数という観点で周波数を選択したが、適正な周波数は、温度や被冷凍体に含まれる塩分、油、タンパク質、糖質などの不純物によって変化するので、被冷凍体に合わせて最適値を選ぶことが望ましい。
【００２９】
実施の形態７．
図８は、本発明の実施の形態７による生鮮食品等の冷凍装置を示す構成図であり、図において、１は高周波誘電加熱機、７は被冷凍体、８は冷凍機、９は冷却用熱交換器、１０は圧縮機、１１は電磁波遮断シールド、１２は断熱シールド、１３は冷凍庫、３１は高周波発振器、３２は高周波用アンプ、３３はアンテナ、３４は電磁波、３７は絶縁台、４２は温度検出部である。
この冷凍装置においては、例えば４７ＭＨｚの高周波を高周波発振器３１で発生させ、高周波用アンプ３２で増幅し、アンテナ３３から冷凍庫１３に、電磁波を照射するので、１００Ｗ程度以下の低出力の電磁波を広範囲に照射することが可能である。したがって、マグロや肉類などの大物が積み重ねられた冷凍庫においても、被冷凍体７を均一に加熱することができる。
【００３０】
上記アンテナ３３の長さは一般的に１／４波長以上必要であるため、例えば５０ＭＨｚの電磁波の波長６ｍに対し１．５ｍとなりスペースを要するため、ヘリカルアンテナ方式など小型化可能なものを用いることが好ましい。バイコニカルアンテナ、対数らせんアンテナ、対数周期アンテナ、ダイポールアンテナ、ループアンテナ、パラボラアンテナ、長導線アンテナなどであってもよい。また、マイクロストリップアレイ方式、特に高誘電体セラミックにアンテナを平面積層した通称セラミックアンテナは小型化、平面化に適しているため好ましい。
【００３１】
実施の形態８．
図９は、本発明の実施の形態８による生鮮食品等の冷凍装置を示す構成図であり、図において、７は被冷凍体、８は冷凍機、９は冷却用熱交換器、１０は圧縮機、１２は断熱シールド、１３は冷凍庫、３１は高周波発振器、３２は高周波用アンプ、３４は電磁波、３６はＴＥＭセル、３７は絶縁台、３８は外部方形導体、３９は中心導体板、４０は同軸コネクタ、４１は同軸終端負荷である。
この冷凍装置においては、例えば外部方形導体３８、中心導体板３９、同軸終端負荷４１からなるＴＥＭセル３６が設けられているので、高周波電気信号を強電界の電磁波に変換して、被冷凍体７に照射でき、強電界の電磁波を外部に漏らさず発生させることが可能となり、電磁波シールド１１が省略できる。したがって装置構成を簡略にすることができる。
【００３２】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。中波、短波、超短波のいずれかの周波数の電磁波を用いて、生鮮食品を誘電加熱し、前記誘電加熱による吸収エネルギーよりも大きなエネルギーで冷却して、凍結させたので、電磁波エネルギーは、比較的温度の高い被冷凍体内部に吸収され、被冷凍体全体として均一な温度分布を得ることができる。
【００３３】
また、氷の比誘電損率が水より大きくなる周波数の電磁波を用いて、生鮮食品を誘電加熱し、前記誘電加熱による吸収エネルギーよりも大きなエネルギーで冷却して、凍結させたので、氷の結晶成長を抑制して冷凍することができ、ドリップ量の低減、型崩れを防止でき、被冷凍体の鮮度を維持することができる。
【００３４】
また、氷の比誘電損率の特異領域である５００ｋＨｚ以上６ＭＨｚ以下、あるいは３０ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下の周波数の電磁波を用いて、生鮮食品を誘電加熱し、前記誘電加熱による吸収エネルギーよりも大きなエネルギーで冷却して凍結させたので、一旦被冷凍体表面に氷結晶が生成しても、液相の被冷凍体内部に電磁波は吸収されにくく、被冷凍体表面と内部の温度差を広げることなく、氷の局部成長を抑制できる。
【００３５】
また、電磁波の照射手段をアンテナにしたので、電磁波を広範囲に照射することができ、被冷凍体が大物であったり、積み重ねられた状態でも、被冷凍体を均一に加熱することができる。
【００３６】
また、電磁波の照射手段をＴＥＭセルにしたので、強電界の電磁波を外部に漏らさず、安全に誘電加熱することができる。
【００３７】
また、中波、短波、超短波のいずれかの周波数、あるいは氷の比誘電損率が水より大きくなる周波数を発生する手段と、前記電磁波を生鮮食品に照射して誘電加熱する手段と、前記誘電加熱による吸収エネルギーよりも大きなエネルギーで冷却して凍結させる手段とを備えたので、氷の結晶成長を抑制して冷凍することができ、ドリップ量の低減、型崩れを防止でき、被冷凍体の鮮度を維持することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による生鮮食品等の冷凍方法を示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１による水と氷の比誘電率および比誘電損率と周波数の関係を示す特性図である。
【図３】この発明の実施の形態２による生鮮食品等の冷凍装置を示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３による温度と経過時間の関係を示す特性図である。
【図５】従来の生鮮食品等の冷凍方法による温度と経過時間の関係を示す特性図である。
【図６】この発明の実施の形態４による温度と経過時間の関係を示す特性図である。
【図７】この発明の実施の形態５による温度と経過時間の関係を示す特性図である。
【図８】この発明の実施の形態７による生鮮食品等の冷凍装置を示す構成図である。
【図９】この発明の実施の形態８による生鮮食品等の冷凍装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１  高周波誘電加熱機、２  高周波発生電源、３  インダクタンス、４  キャパシタンス、５  印加電極、６  発振回路、７  被冷凍体、８  冷凍機、９  冷却用熱交換器、１０  圧縮機、１１  電磁波遮断シールド、１２  断熱シールド、１３  冷凍庫、２０ａ、２０ｂ  有効凍結期間のずれ、３１  高周波発振器、３２  高周波用アンプ、３３  アンテナ、３４  電磁波、３６  ＴＥＭセル、３７絶縁台、３８  外部方形導体、３９  中心導体板、４０  同軸コネクタ、４１同軸終端負荷。
【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】
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【図８】
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【図９】
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