(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍装置を備えた冷凍庫内に電場を発生させるための電場発生装置と、庫内に超音波を放射するための超音波発生装置と、冷凍対象物を庫内に保持するためのラック（４）とを設け、前記ラック（４）が、上下方向への通風が可能な格子状又は網状部材からなる棚を有し、キャスターを設けることにより該ラック（４）をカートとし、前記電場発生装置に放電電極（１０ａ）及びアース電極（１０ｂ）を設けるにあたって、冷凍庫内壁側にアース電極（１０ｂ）を設置するとともに、ラック（４）の一部又は全部を放電電極（１０ａ）により構成し、キャスターを絶縁体によって構成することにより、放電電極（１０ａ）とアース電極（１０ｂ）とが短絡することを防止する冷凍庫。
【請求項２】
前後左右方向の通風を許容するように該ラック（４）を構成した請求項１に記載の冷凍庫。
【請求項３】
前記ラック（４）が複数段の棚を備えた請求項１又は２の何れかに記載の冷凍庫。
【請求項４】
庫内温度を設定する機能と、時間に応じて設定温度を切り替える機能と、庫内と食品の温度を計測しそれらの温度を記録する機能とを有する制御装置を備え、該制御装置が電場及び超音波により対象物を均一且つ急速に冷凍する急速・均一冷凍モードと、−１℃〜−２５℃の範囲で温度設定をしてモードの開始から終了までの時間を任意設定できる冷凍保存モードとの２つのモードを有する請求項１乃至３の何れかに記載の冷凍庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として食品を均一且つ急速に高鮮度で冷凍する冷凍庫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
食品の鮮度を長期にわたって維持しつつ保存する方法として冷凍保存がある。しかし、通常の冷凍方法においては、食品を冷凍する際、食品内部の水が凍って氷の結晶が粗大化することにより食品の細胞破壊が発生し、食品の色調の変化、味覚の劣化、ドリップ（解凍時の液汁の流出）等が生じて食品の品質が低下するという問題があった。
【０００３】
冷凍時の細胞破壊による品質の低下を防止するには、冷凍時に食品が最大氷結晶生成温度域（およそ０℃〜−５℃）に留まる時間を短縮し、氷の結晶の粗大化を防止することが有効であると考えられる。
【０００４】
従来、これを実現する手段として、食品を−４０℃〜−７０℃で急速低温冷凍する手段や、電場を用いて急速冷凍する手段（特許文献１〜３参照）等が公知となっている。
【特許文献１】特許第２６９６３１０号公報
【特許文献２】実用新案登録第３０２００７７号公報
【特許文献３】特開２００４−８１１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、−４０℃〜−７０℃で急速低温冷凍した場合、冷凍対象物の表層の凍結層の存在により被冷凍物の内部への熱伝達が阻害され内部の冷凍が遅れるため、冷凍対象物内部では氷結晶が粗大化し、細胞破壊による食品の品質低下が起きるという欠点がある。また、−４０℃〜−７０℃という低温状態を作りだすための消費電力が高く、非経済的であるという問題もある。
【０００６】
一方、文献１〜３の方法は、電場を発生させ庫内及び食材の熱伝導効率を促進することで冷凍や解凍を行い、細胞破壊による食品の品質低下を防止する方法である。しかし、この方法を用いても、食品を冷凍する際に食品が最大氷結晶生成温度域に留まる時間をある程度までしか短縮できないために結晶の粗大化が生じ、細胞破壊による食品の品質低下を招くという欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため本発明の冷凍庫は、第１に冷凍装置を備えた冷凍庫内に電場を発生させるための電場発生装置と、庫内に超音波を放射するための超音波発生装置と、冷凍対象物を庫内に保持するためのラック４とを設け、前記ラック４が、上下方向への通風が可能な格子状又は網状部材からなる棚を有し、キャスターを設けることにより該ラック４をカートとし、前記電場発生装置に放電電極１０ａ及びアース電極１０ｂを設けるにあたって、冷凍庫内壁側にアース電極１０ｂを設置するとともに、ラック４の一部又は全部を放電電極１０ａにより構成し、キャスターを絶縁体によって構成することにより、放電電極１０ａとアース電極１０ｂとが短絡することを防止することを特徴としている。
【０００８】
第２に、前後左右方向の通風を許容するように該ラック４を構成したことを特徴としている。
【０００９】
第３に、前記ラック４が複数段の棚を備えたことを特徴としている。
【００１０】
第４に、庫内温度を設定する機能と、時間に応じて設定温度を切り替える機能と、庫内と食品の温度を計測しそれらの温度を記録する機能とを有する制御装置を備え、該制御装置が電場及び超音波により対象物を均一且つ急速に冷凍する急速・均一冷凍モードと、−１℃〜−２５℃の範囲で温度設定をしてモードの開始から終了までの時間を任意設定できる冷凍保存モードとの２つのモードを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
電場を発生させることで熱伝達効率が向上し、庫内の冷気を超音波加振することで冷気が均一化され、冷凍効率が向上する。上記方法により冷凍時に食品が最大氷結晶生成温度域に留まる時間を短縮させ、食品内部の氷結晶粗大化による防止細胞破壊を抑制することにより、食品を冷凍処理しても品質を維持することが可能となる。
【００１２】
対象物を冷凍処理する際に電場と超音波を併用することにより冷凍効率が向上するため、−１５〜−２５℃という比較的高温度域で急速冷凍が可能になり、消費電力の減少により高い経済性を実現する。
【００１３】
庫内温度を設定する機能と、時間に応じて温度設定を切り替える機能と、庫内と冷凍対象物の温度を計測しそれらの温度を記録する機能とを有する制御装置を備えることにより、冷凍庫は対象物を急速冷凍するモードから冷凍保存するモードに移行することが可能となり、恒常的に急速冷凍するモードになっていることによる消費電力の増大という問題を解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１乃至３に記載された本発明に係る装置の実施形態につき説明する。冷凍庫１は本例では１８００×１８００×２５００（ｍｍ）程度のサイズであり、冷凍装置と、電場発生装置と、超音波発生装置と、制御装置と、各装置の電源からの漏電を防止するため絶縁体とを備える。また、冷凍庫１は冷凍対象物を収納する冷凍室２と、庫内の空気を冷却する冷却室３とから構成され、冷凍室２には冷凍対象物を置くための上下方向への通風が可能な格子状又は網状部材からなる複数段（本例では５段）の棚を有するユニット状のラック４が設置されている。このラック４は前後左右方向への通風を許容し、全体を冷凍室２より出し入れ可能なキャスター付のカートにすることもできる。なお冷凍室２には冷凍庫１外への開口部５を設け、ドア６により開口部５の開閉を行う。
【００１５】
冷凍装置は、冷却室３と、冷凍機７と、冷凍室２の空気を冷却室３へ送り込むためのファンと一体化された冷却器８ａと、冷却室３の空気を冷凍室２へ送り出すためのファンと一体化された冷却器８ｂとからなる。冷凍室２の空気は冷却器８ａにより冷却されながら冷却室３ａ、３ｂに順次送り込まれる。冷却室３ｂに送り込まれた空気は冷却器８ｂにより冷却されて冷凍室２へ送り出される。送り出された空気は冷凍室２を冷却し、再び冷却器８ａ、８ｂによる冷却循環を繰り返して冷凍室２内の対象物を冷凍する。
【００１６】
電場発生装置は、ＡＣ１００Ｖの電源で５００Ｖ〜１５００Ｖの出力電圧を有し、冷凍庫１の外部に設置された変圧器内臓の高電圧発生装置９と、この高電圧発生装置９と電気的に接続されている放電電極１０ａと、電気的に接地されているアース電極１０ｂとを備えている。ラック４がステンレス製の放電電極から構成されているのでラック４そのものが放電電極１０ａになり、冷凍庫１内壁側にアース電極１０ｂを形成し又は設置する。また放電電極１０ａとアース電極１０ｂが短絡することを防止するため、ラック４と冷凍庫１内壁の間に碍子１１が設けられており、ラック４がカートである場合はキャスターを絶縁対で形成すれば足りる。超音波発生装置は、冷凍庫１の外部に設置された超音波発振器１２と、冷凍庫１の内部に備え付けられた超音波振動子１３とから構成され、この例では電源ＡＣ１００Ｖにおいて出力１５０Ｗ、振動数２８ｋＨｚのものを用いた。
【００１７】
制御装置は温度制御盤１４と、電圧制御盤１５と、超音波制御盤１６とからなる。温度制御盤１４は、庫内温度の設定、時間に応じた設定温度の切り替え、庫内と食品の温度の計測及び計測値の記録を制御する機能を有する。電圧制御盤１５は、高電圧発生装置９の出力電圧、装置の停止・作動の制御機能を備え、超音波制御盤１６は、超音波の振動数や振幅を調節する機能を備えている。各装置の電源からの漏電を防止するための絶縁体は、冷凍庫と冷凍庫を接地する面との間に設けられた碍子１１により構成されている。
【００１８】
次に上記装置による本発明の急速冷凍方法について説明すると、本発明においては電場発生装置と超音波発生装置により、冷凍室２内に電場を発生させ、超音波を放射させながら対象物を急速冷凍する。その際、高電圧発生装置９は放電電極１０ａに５００Ｖ〜１５００Ｖの電圧を印加し、放電電極１０ａであるラック４からアース電極１０ｂへ放電し、冷凍庫１内に電場を発生させる。また、超音波発振器１２は超音波振動子１３を介して冷凍庫１内へ例えば２８ｋＨｚ程度の超音波を放射する。
【００１９】
電場及び超音波を用いることによって対象物を急速且つ均一に冷凍し、冷凍終了後温度制御盤１４を用いて冷凍庫を急速冷凍するための設定から−１℃〜−２５℃の温度域で対象物を冷凍保存するための設定に切り替える。その際、温度制御盤１４により保存期間を任意設定し、電圧制御盤１５で電場発生装置を必要に応じて作動又は停止させ、超音波制御盤１６で超音波発生装置を必要に応じて停止又は作動させる。
【００２０】
上記のように本発明においては、冷凍庫１内に電場を発生させ熱伝達効率を向上させ且つ超音波を放射し冷気を均一化させるので、対象物を冷凍する際の冷凍効率が高まる。その結果、−１５℃〜−２５℃という温度域での急速冷凍が可能となる。この温度域は通常の低温急速冷凍で用いる−４０℃〜−７０℃の温度域と比較して消費電力を低く抑えることを可能にする。
【００２１】
また、冷凍対象物が水分を含み且つ細胞を備えた肉、魚などの食品である場合、食品に含まれる水分が冷凍されて氷となる際に氷結晶が粗大化し食品内の細胞破壊が起きて食品の品質が低下してしまうという問題がある。しかし、冷凍効率の向上により冷凍時に食品が最大氷結晶生成温度域に留まる時間が短縮されるので、この問題も解決される。
【００２２】
なお、通常の緩慢冷凍と、電場を用いた急速冷凍と、電場及び超音波を用いた急速冷凍とでは冷凍時の時間―温度特性は図４のようになる。同図の特性によると、冷凍時に冷凍対象物が最大氷結晶生成温度域に留まる時間が最も短いのは電場及び超音波を用いた急速冷凍方法であり、この方法が他の方法に比べて冷凍時の氷結晶粗大化を最も抑制している。ちなみに各線図の冷凍途中の一時的な温度上昇ピークは凝固潜熱による対象物内の温度上昇現象を表わす。
【００２３】
さらに、急速冷凍後に冷凍庫を急速冷凍するための設定から冷凍保存するための低消費電力モードの設定に切り替えることができるため、省エネルギーに資することができる。また、電場や超音波が不要な場合には電場発生装置や超音波発生装置を停止することにより消費電力をさらに低減することができ、冷凍保存期間を自由に設定できるので冷凍対象物の出庫時期に適時対応することもできる。
ちなみに、−１℃は対象物が冷凍された状態を保つことのできる上限域の温度であるが、それ以下の温度は通常の業務用冷凍庫の温度域（−２０℃±５）に至る範囲内で、対象物の種類や性質に応じて任意に選択設定できる。
【００２４】
次に、本発明の冷凍庫を用いて発明者が行った実験により、電場と超音波を併用した場合の結果について説明する。
【００２５】
＜実験１＞
まず、本発明の冷凍庫を用いた水の冷凍実験を行った。
［実験方法］
通常の冷凍庫で水を冷凍させた場合と、本発明の冷凍庫で水を急速冷凍させた場合とで、水の温度変化を測定しそれぞれを比較した。
［実験結果］
図５は冷凍した際の時間に対する水の温度変化を示したグラフである。同図（Ａ）が通常の冷凍庫を用いて冷凍した場合であり、同図（Ｂ）が本発明の冷凍庫を用いて冷凍した場合である。
【００２６】
［考察］
図５（Ａ）と（Ｂ）を比較すると、両方ともに冷凍庫内の温度は−２０℃前後でほぼ一定であるのに対して、水（氷）温は本発明の冷凍庫を用いて冷凍した場合の方が通常の冷凍庫を用いて冷凍した場合より急速に下がっており、より速く冷凍されていることが確認された。また、水が最大氷結晶生成温度域に留まる時間も、冷凍庫１を用いて冷凍したものの方が通常の冷凍庫を用いて冷凍したものより短いことが確認できた。
本発明の冷凍庫を用いることで急速冷凍可能な理由は、電場発生及び超音波放射により熱の冷凍効率が向上することに加えて、冷凍庫内に交番電場（電界）を発生させるので水分子の双極子が回転し内部摩擦熱が発生し凝固潜熱とあいまって水の過冷却状態（水が最大氷結晶生成温度域に留まっている状態）が回避され、水が素早く氷結することが理由の一つとして考えられる。また、水に振動エネルギーを与えると氷核を形成し凍結する現象が知られており、水を超音波加振することで水の過冷却状態が回避さることも急速冷凍可能な理由の一つと推測される。
【００２７】
＜実験２＞
次に本発明の冷凍庫を用いてアサリを冷凍処理し、細胞組織への影響を観察する実験を行った。
［実験方法］
中国産アサリ（殻長３７±１ｍｍ，重量８．４〜９．５ｋｇ）を通常の冷凍庫と本発明の冷凍庫で冷凍した。その後、それらのアサリを温室で１時間自然解凍して、その後化学的に固定を行った。ちなみに、光学顕微鏡で観察するアサリは４％パラホルムアルデヒド（リン酸緩衝液ｐＨ７．４）で殻ごと化学的固定を行い、電子顕微鏡で観察するアサリは１．５％グルタルアルデヒド（リン酸緩衝液ｐＨ７．４）にて殻ごと化学的固定を行った。その後、殻から閉殻筋（貝柱）、軟体部（足、外套膜、肝臓）を切り出して再度化学的固定を行った。光学顕微鏡で観察するものは通常のパラフィン包埋を行い、切片を作成してヘマトキシリン・エオシン染色を行った。また、電子顕微鏡で観察するものはオスミウム酸による二重固定後、タンニン酸による導電染色とアルコール上昇系列による脱色とＴブチルアルコールによる置換とをした後、白金パラジウムにてコーティングした。そして、これらの試料を光学顕微鏡及び電子顕微鏡で観察した。
［実験結果］
図６〜９は顕微鏡で撮影したアサリの体組織の写真であり、図６〜８は光学顕微鏡で撮影しており、図９は電子顕微鏡で撮影している。また、図６、９はアサリの閉殻筋組織、図７はアサリの肝膵臓組織、図８はアサリの足組織をそれぞれ示す。なお、各図の（Ａ）は通常の冷凍庫で冷凍処理したアサリの写真であり、各図の（Ｂ）は本発明の冷凍庫で冷凍処理したアサリである。
【００２８】
［考察］
図６、８においては、各図（Ｂ）より（Ａ）の方が白い部分が多く氷結晶粗大化の痕跡が多く認められ、より細胞破壊の影響が深刻である。また図７では、同図（Ａ）より（Ｂ）の方が肝膵臓を構成する円形の細管構造が維持されており、冷凍による組織傷害が抑制されている。さらに図９では、同図（Ｂ）より（Ａ）の方が多くの筋組織の解離しており、冷凍による組織傷害が深刻である。
以上のように本発明の冷凍庫を用いて冷凍処理したアサリは、通常の冷凍庫を用いて冷凍処理したアサリと比較して冷凍処理による組織破壊がほとんど認められず、高鮮度で冷凍処理されたことが確認できた。
【００２９】
このように本発明の冷凍庫を用いることで高鮮度の冷凍処理ができるのは、冷凍効率を高めて急速冷凍を行うため食品が最大氷結晶生成温度域に留まる時間が短縮されて食品内の氷結晶の粗大化が防止され細胞破壊が抑制されることが大きな理由の一つとして考えられる。また、電場により食品の細胞組織が帯電しその帯電部分同士の斥力が氷結晶形成による細胞への圧迫に対抗して細胞破壊を抑制することも、理由の一つと推測される。
【００３０】
さらに、介在した電子が細胞内の水分子と結びついて氷結晶化する水分を減少させることや、超音波加振することで食品内部の水分子が振動し水分子間の結合が抑制されて氷結晶の粗大化が防止されることも、高鮮度冷凍処理可能な理由と考えられる。なお、上記効果により食品表層の氷結晶化も防止され、食品表層と内部の冷凍効率の差も小さくなるものと考えられる。
【００３１】
＜実験３＞
本発明の冷凍庫を用いて冷凍処理された食品をＭＲＩ装置用いて観察し、冷凍処理された食品の鮮度を調べる実験を行った。
［実験方法］
この実験ではＭＲＩ装置（本実験では、Ｐｈｉｌｉｐｓ社製  Ｇｙｒｏｓｃａｎ  ＮＴのＭＲＩ装置を使用）を使うことにより生体内のプロトン密度を画像化し、局所的なＴ１値を算出した。プロトンとは水素原子のことを意味し、一般にこのプロトン密度が高いほど細胞組織が維持されていることになる。また、Ｔ１値とは、Ｔ１緩和時間と呼ばれ水分子運動の指標として多く用いられ、細胞組織が維持されているほど水分子運動は制限されるためこの値が短くなる。
【００３２】
本実験では、通常の冷凍庫と本発明の冷凍庫を用いてそれぞれ１０個、計２０個のアサリを冷凍処理した後に自然解凍させ、ＭＲＩ装置によりそれらのアサリのプロトン密度を画像化し、Ｔ値１を測定した。
冷凍条件は庫内温度−２０℃とし、冷凍時間は２４時間とした。また、実験で用いたアサリは中国産であり、アサリの状態を均一化するため、これらのアサリを３日間にわたって水槽で蓄養（１日１回適量のプランクトンを餌食）した。その後、ポリスチレン製の袋にアサリを入れて密閉し、その状態で実験を行った。
【００３３】
［実験結果］
図１０〜１２は冷凍処理したアサリのプロトン密度を画像化したものである。また、各図（Ａ）は通常の冷凍庫で冷凍処理されたアサリのプロトン密度画像であり、（Ｂ）は本発明の冷凍庫で冷凍処理されたアサリのプロトン密度画像である。なおプロトン密度画像は、白が濃いほどその部分のプロトン密度が高く組織が維持されていることを意味する。
【００３４】
表１はアサリ１０個の前後の閉殻筋の各Ｔ１値（計２０箇所）を通常の冷凍庫と上記実施例の冷凍庫とで冷凍処理したものについてそれぞれ示したものである。
【００３５】
【表１】
0004640990.tif 000002
【００３６】
［考察］
図１０〜１２の各図の（Ａ）、（Ｂ）のアサリを比較すると、通常の冷凍庫を用いてアサリの冷凍処理をした場合と本発明の冷凍庫を用いてアサリの冷凍処理を行った場合とでは明確に白い部分に差が認められ、通常の冷凍庫を用いてアサリの冷凍処理をした場合より本発明の冷凍庫を用いてアサリの冷凍処理を行った場合の方がアサリの組織を維持して冷凍処理が行えたことが確認できた。
【００３７】
また表１において通常の冷凍庫を用いてアサリの冷凍処理をした場合と本発明の冷凍庫を用いてアサリの冷凍処理を行った場合とでＴ１値の長さを比較しても、本発明の冷凍庫を用いて冷凍処理したアサリの方が平均的にみてＴ１値が短く、細胞組織がより維持されている様子が分かる。以上のように本発明の冷凍庫を用いて冷凍処理したアサリの細胞破壊が抑制されている様子が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に関する冷凍庫の実施形態を示す正面図である。
【図２】同じく冷凍庫の側断面図である。
【図３】同じく冷凍庫の上面図である。
【図４】冷凍時の食品の温度推移を表すグラフである。
【図５】冷凍した場合の水の温度推移を表すグラフで、（Ａ）は通常の冷凍庫を用いて冷凍した場合であり、（Ｂ）は本発明に係る冷凍庫を用いた冷凍した場合である。
【図６】アサリの閉殻筋組織を光学顕微鏡で撮影した写真で、（Ａ）は通常の冷凍庫を用いて冷凍処理したアサリであり、（Ｂ）は本発明に係る冷凍庫を用いた冷凍処理したアサリである。
【図７】アサリの肝膵臓組織を光学顕微鏡で撮影した写真で、（Ａ）は通常の冷凍庫を用いて冷凍処理したアサリであり、（Ｂ）は本発明に係る冷凍庫を用いた冷凍処理したアサリである。
【図８】アサリの足組織を光学顕微鏡で撮影した写真で、（Ａ）は通常の冷凍庫を用いて冷凍処理したアサリであり、（Ｂ）は本発明に係る冷凍庫を用いた冷凍処理したアサリである。
【図９】アサリの閉殻筋組織を電子顕微鏡で撮影した写真で、（Ａ）は通常の冷凍庫を用いて冷凍処理したアサリであり、（Ｂ）は本発明に係る冷凍庫を用いた冷凍処理したアサリである。
【図１０】ＭＲＩ装置により冷凍処理されたアサリのプロトン密度を画像化したもので、（Ａ）は通常の冷凍庫を用いて冷凍処理したアサリであり、（Ｂ）は本発明に係る冷凍庫を用いた冷凍処理したアサリである。
【図１１】ＭＲＩ装置により冷凍処理されたアサリのプロトン密度を画像化したもので、（Ａ）は通常の冷凍庫を用いて冷凍処理したアサリであり、（Ｂ）は本発明に係る冷凍庫を用いた冷凍処理したアサリである。
【図１２】ＭＲＩ装置により冷凍処理されたアサリのプロトン密度を画像化したもので、（Ａ）は通常の冷凍庫を用いて冷凍処理したアサリであり、（Ｂ）は本発明に係る冷凍庫を用いた冷凍処理したアサリである。
【符号の説明】
【００３９】
１      冷凍庫
２      冷凍室
３      冷却室
４      ラック（カート）
５      開口部
６      ドア
７      冷凍機
８ａ    冷却器
８ｂ    冷却器
９      高電圧発生装置
１０ａ  放電電極
１０ｂ  アース電極
１１    碍子
１２    超音波発振器
１３    超音波振動子
１４    温度制御盤
１５    電圧制御盤
１６    超音波制御盤
【図１】
0004640990.tif 000003
【図２】
0004640990.tif 000004
【図３】
0004640990.tif 000005
【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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【図１０】
0004640990.tif 000012
【図１１】
0004640990.tif 000013
【図１２】
0004640990.tif 000014