(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
野菜・果実ジュースの濃縮対象物に行う凍結濃縮方法において、
冷媒からの凍結熱の供給を受ける伝熱面に沿い濃縮対象物を流動させ、該伝熱面に直角に氷結晶を成長させるとともに、前記伝熱面に供給される冷媒温度を濃縮の進行に伴い徐々に低下させ、残留濃縮液の凝固点以下に維持させて、層状凍結を行うようにしたことを特徴とする野菜・果実ジュースの凍結濃縮方法。
【請求項２】
前記冷媒温度は濃縮対象物の凝固点に対し、マイナス側に約１〜１０℃程度低く保持したことを特徴とする請求項１記載の野菜・果実ジュースの凍結濃縮方法。
【請求項３】
前記濃縮対象物の凍結界面での流動は、凍結面への固形物の付着を可能とする速度を下限とし、その下限速度より大きい凍結界面線速度を保持するとともに、流動する固形物により凍結界面上の氷結晶が剥脱可能の速度を上限として、その速度より小さい凍結界面に沿って流動する濃縮対象物の線速度（以下凍結界面線速度という）を保持するようにしたことを特徴とする請求項１記載の野菜・果実ジュースの凍結濃縮方法。
【請求項４】
氷結晶の成長速度を５０ｍｍ／ｈ以下の範囲で、前記凍結界面線速度を０．５〜６ｍ／ｓに設定したことを特徴とする請求項３記載の野菜・果実ジュースの凍結濃縮方法。
【請求項５】
前記層状凍結において、野菜・果実ジュースの場合、氷結晶の成長速度（ｍｍ／ｈ）と前記凍結界面線速度（ｍ／ｓ）との比が１〜２０であることを特徴とする請求項１記載の凍結濃縮方法。
【請求項６】
前記比が１〜１０であることを特徴とする請求項５記載の凍結濃縮方法。
【請求項７】
野菜・果実ジュースの濃縮対象物を製氷機内で循環させながら、製氷機周囲から冷媒により冷却し、伝熱面と直角に氷結晶を成長させて凍結濃縮をする請求項１記載の凍結濃縮方法を用いた装置において、
前記濃縮対象物を循環させる内筒と冷媒を循環させる外筒からなる多重管と、内筒同士をループ状に結合して濃縮液循環路を形成させるループ配管と、外筒に冷媒供給する冷熱源と、前記ループ配管に濃縮対象物を供給する原液タンクと、濃縮物を回収する濃縮物タンクと、制御部とより構成したことを特徴とする野菜・果実ジュースの凍結濃縮装置。
【請求項８】
前記複数の外筒を並列状に結合して冷媒の循環回路を形成したことを特徴とする請求項７記載の野菜・果実ジュースの凍結濃縮装置。
【請求項９】
前記多重管が二重管であることを特徴とする請求項７記載の野菜・果実ジュースの凍結濃縮装置。
【請求項１０】
前記内筒には、前記濃縮対象物を循環させる前に予め氷層を形成させる手段を設けたことを特徴とする請求項７記載の野菜・果実ジュースの凍結濃縮装置。
【請求項１１】
前記制御部は、野菜・果実ジュースの凍結界面線速度の設定機構及び前記伝熱面に供給される冷媒温度を制御する機構を具えたことを特徴とする請求項７記載の野菜・果実ジュースの凍結濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、凍結濃縮法に関し、野菜・果実ジュースからなる濃縮対象物の凍結濃縮に際し、前記濃縮対象物の本来の品質を保持して安定的に高濃縮品を製造できる野菜・果実ジュースの凍結濃縮方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より液状食品から水を除去する方法としては、基本的には水分を氷晶にして除去する凍結濃縮法があり、その他に、蒸気にして除去する蒸発濃縮法と、液相のまま除去する逆浸透圧濃縮法がある。
前記蒸発濃縮法の真空蒸発法では加熱及び蒸発に伴い、加熱臭の生成、芳香成分の分解や逸散、褪色や褐変及びビタミンＣなどの栄養成分の減少などの品質の変化が起き、そのため果汁のような加熱による香味の減少や変質の起りやすい嗜好飲料の分野においては問題がある。そのため、冷却することにより果汁に含まれる水分を氷結晶にして析出分離する凍結濃縮法が注目されるようになり、特に懸濁結晶法による方法・装置が知られており、果汁あるいは調味料（エキス）などの濃縮技術として実用化されている。
【０００３】
前記懸濁結晶法においては、氷結晶に付着する濃縮液や氷結晶間を埋める濃縮液を分離する手段として、圧縮、遠心分離、洗浄等の手段が使用されている。
前記圧縮手段は付着液の分離が不十分で、また遠心分離手段においては濃縮液が多量の空気と接触するため低沸点成分の芳香成分が散逸し食品濃縮液としての
価値を喪失することになるため、上記低沸点成分の散逸の恐れがなく溶質が濃縮側に略回収される洗浄塔操作法が使用されている。
【０００４】
図２に、従来から凍結濃縮に使用されている懸濁結晶法による濃縮装置が示してある。本装置によると、製氷機５１と、再結晶器５２及び氷洗浄機５３とを主構成とし、原料溶液５０を供給ポンプＰ１、循環ポンプＰ２により（弁Ｖ１を開、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を閉の状態とし）製氷機５１に適量送り込み該製氷機で製氷した氷を再結晶器５２内の濾過器５２ａで氷を除去された溶液を循環ポンプＰ２により製氷機５１に送り込み循環させる。
製氷機５１の内部では表面掻き取り式熱交換器の表面に形成された氷を掻き取り、微結晶氷（種氷）を含む溶液（スラリ）５１ａを再結晶器５２に送り込む。再結晶器５２内で前記スラリ５１ａを撹拌することにより微結晶氷は次第に成長して大粒の成長氷となる。循環系内の母液の濃度が規定濃度に達したら製氷機５１の運転を止め、濃縮溶液を系外に取り出す。同時に再結晶器５２内の成長結晶スラリをＶ４を介して氷洗浄器５３に送る。
氷の表面は母液で覆われているため、氷粒表面の浄化が必要である。その浄化には表面融解による自然洗浄と清浄低温水による強制洗浄を使用する。使用済み洗浄溶液（低濃度母液）はＶ２を介して装置内に戻して再濃縮する。氷洗浄器５３内の氷は冷熱回収器５３ａで冷熱を回収し、融解水の一部は洗浄用として再利用され、残りは系外に取り出される。
【０００５】
上記従来の凍結濃縮方法はいずれも、濃縮操作により多数の氷結晶が濃縮液中に生成するため、
ａ、氷結晶と濃縮液とを固液分離する操作が非常に煩雑となる、
ｂ、固液分離の際に溶質の損失を生じる、
ｃ、濃縮液の粘度が高くなると、氷結晶と濃縮液との分離が困難になる。
等の問題があった。
また、従来の凍結濃縮法では、低ＲＩ果汁を濃縮する場合、理想的な氷結晶が
形成される以前に熱交換器の壁面に氷が付着してしまい、熱交換がスムーズに進行しなくなるため、低ＲＩの果汁の濃縮は困難であった。
【０００６】
これらの問題点の解決のため、粒氷を形成させる工程と、該粒氷を冷却板に付着させる工程により、溶質の混入の少ない清澄な氷が高い生産性で得ることができるようにした凍結濃縮方法及び装置に関する提案が特開平１１−２８４５５号公報に開示されている。
しかし、上記提案においては、溶質の損失の低減は不十分で、且つ前記懸濁結晶法を基にした方法であるため、従来の凍結濃縮法と同様に、パルプを含む果汁を濃縮する場合、
ｄ、生成された氷結晶がパルプを保持してしまい、固液分離工程でパルプが濃縮液から分離される、
ｅ、一般にパルプを含む果汁はそれを含まない果汁と比較して粘度が高いため、濃縮後に固液分離が困難であるという理由のため、パルプを含む濃縮液を得ることは出来なかった。且つ、懸濁結晶法を基にした方法であるため、装置操作が複雑となる問題がある。
【０００７】
一方、新たな凍結濃縮方法として、前進凍結濃縮法の改良案が提案され、特開平１１−２１６３０１号公報に開示されている。
上記提案は、容器内に入れた溶液を撹拌しながら該容器を冷媒中に沈め、容器内に１個の氷結晶を生成させて、その上部に濃縮液を得る前進凍結濃縮法において、濃縮初期の過冷却による溶質の損失を抑制するため、底面内面に多数の小孔を設けた容器を用いる方法である。
この提案の場合は、濃縮初期の過冷却による溶質の損失を防止でき、パルプを含む果汁、ＲＩが低い果汁も濃縮可能であり、従来の凍結濃縮法と比較して固液分離操作が容易で、固液分離における溶質の損失を防止でき、且つ装置も簡単になる。しかし、処理量に対して伝熱面積が著しく小さいため、濃縮に非常に長時間を要し、また凍結界面に対し果汁を均一に攪拌することは困難で、果汁の凍結界面での線速が半径方向でばらつくため、安定した品質の凍結濃縮物を得ることは困難であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＲＩや粘度、パルプの有無に関わらず、野菜・果実ジュースを効率良く高濃度に濃縮できる凍結濃縮方法及び凍結濃縮装置を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明は前記問題点に鑑みなされたもので、
野菜・果実ジュースからなる濃縮対象物の濃縮に際し、前記濃縮対象物の本来の品質を保持して安定的に高濃縮品を製造できる野菜・果実ジュースの凍結濃縮方法及びその装置の提供を目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の第１の発明である野菜・果実ジュースの凍結濃縮方法は、
野菜・果実ジュースの濃縮対象物に行う凍結濃縮方法において、
冷媒からの凍結熱の供給を受ける伝熱面に沿い濃縮対象物を流動させ、該伝熱面に直角に氷結晶を成長させるとともに、前記伝熱面に供給される冷媒温度を濃縮の進行に伴い徐々に低下させ、残留濃縮液の凝固点以下に維持させて、層状凍結を行うようにしたことを特徴とする。
【００１１】
本発明では濃縮の進行に伴う凝固点の降下に追随して晶出を継続させるため、前記伝熱面に供給される冷媒温度を暫減させ、層状凍結を逐次進行させ累積させるようにしたもので、凍結は伝熱面に晶出した氷結晶を成長させるため、冷媒温度を濃縮の進行に伴い除々に低下させ、氷結晶の晶出を常に凍結面に直角方向に行わせ、濃縮液内部からの固形分（可溶性、不溶性）を巻き込んだ凍結を皆無とさせたものである。
【００１２】
また、前記請求項１記載の冷媒温度は濃縮対象物の凝固点に対し、マイナス側に約１〜１０℃程度低く保持するとよい。即ち前記濃縮の進行に追随して、前記伝熱面に供給される冷媒温度は、前記濃縮の進行につれ変化する濃縮対象物の凝固点の降下に対し、その凝固点以下に低下させる必要がある。
【００１３】
上記冷媒温度の凝固点の変動に対する温度差を示す実施例として、市販のトマトジュース（ＲＩ５．４％）を使用した実験結果を下記表１に示す。
【表１】
0003775737.tif 000002
【００１４】
また、前記の濃縮対象物の凍結界面での流動は、凍結面への固形物の付着を可能とする速度を下限とし、その下限速度より大きい凍結界面線速度を保持するとともに、流動する固形物により凍結界面上の氷結晶が剥脱可能の速度を上限として、その速度より小さい凍結界面線速度を保持するようにするのがよい。なお、ここで、凍結界面線速度とは、凍結界面に沿って流動する濃縮対象物の線速度をいう。
【００１５】
前記氷結晶の晶出を常に凍結面に直角に行うようにした層状凍結において、凍結界面線速度を特定し、前記凍結界面線速度を限度以下の低速にすればパルプ質等の固形物の付着による氷結晶中への混入が惹起され、一方限度以上の凍結界面線速度の場合は凍結面より氷結晶の剥脱が惹起されるため、濃縮対象物の凍結界面線速度は前記下限と上限の間に規制される必要がある。
【００１６】
また、本発明は、氷結晶の成長速度を５０ｍｍ／ｈ以下の範囲で、前記凍結界面線速度を０．５〜６ｍ／ｓに設定するのがよい。
【００１７】
前記の発明は、前記野菜・果実ジュースの場合を対象とし、表２には市販のトマトジュースの実施例から得られたデータを示す。
【００１８】
ここで、下記表２では、製氷速度（氷結晶の成長速度）Ａ、凍結界面線速度Ｂ、ＲＩ、分配係数を示し、上記分配係数は、
氷晶濃度÷［（原液濃度＋濃縮液濃度）÷２］
で示され、この値が小さい程純度の高い氷を生成したことになり、濃縮効率が高いことを示し、分配係数＝１の場合は濃縮が全く進行してないことを示す。
表に見るように、比較例（氷結晶の成長速度Ａと凍結界面線速度Ｂの比が２０より大きい場合）では分配係数が０．７〜１と濃縮が殆ど進行していない。
【表２】
0003775737.tif 000003
【００１９】
従って野菜・果実ジュースの場合、氷結晶の成長速度（ｍｍ／ｈ）と凍結界面線速度（ｍ／ｓ）との比が１〜２０であるのが良く、更に前記比が１〜６であるのがよい。
【００２０】
本発明によれば、従来より濃縮が困難とされた低ＲＩ、高粘度、パルプ等固形物を含む高粘度溶液からなる濃縮対象物に対し濃縮を行い、本来の品質を保持した凍結濃縮物を提供出来る。
【００２１】
また野菜・果実ジュースの凍結濃縮物である場合において、氷結晶の成長速度を５０ｍｍ／ｈ以下の範囲で、前記凍結界面線速度を０．５〜６ｍ／ｓに設定して形成される。
【００２２】
本発明の場合に、野菜・果実ジュース等の凍結濃縮物の場合は表２に見るように、氷晶に析出されるＲＩも非常に低い値を示している。
また氷結晶の成長速度（ｍｍ／ｈ）と流速（ｍ／ｓ）との比が１〜２０に設定して形成されるのがよい。
【００２３】
そして、本発明の第２の発明である、前記凍結濃縮方法を使用した好適な野菜・果実ジュース凍結装置は、
野菜・果実ジュースの濃縮対象物を製氷機内で循環させながら、製氷機周囲から冷媒により冷却し、伝熱面と直角に氷結晶を成長させる凍結濃縮装置において、
前記濃縮対象物を循環させる内筒と冷媒を循環させる外筒からなる多重管と、内筒を循環可能にループ状に結合して濃縮液循環路を形成させるループ配管と、外筒に冷媒供給する冷熱源と、前記ループ配管に濃縮対象物を供給する原液タンクと、濃縮物を回収する濃縮物タンクと、制御部とより構成したことを特徴とする。
【００２４】
この場合、前記複数の外筒は、並列状に結合して冷媒の循環回路を形成し又前記多重管は、二重管であるのがよく、更に、内筒には、前記濃縮対象物を循環させる前に予め氷層を形成させる手段を設けるのがよい。
【００２５】
そして制御部は、野菜・果実ジュースの凍結界面線速度の設定機構及び冷媒供給温度を制御する制御部を備えることが必要である。
【００２６】
具体的には本発明は、制御部の温度調整手段として、濃縮原液の凍結の進行につれ冷熱源よりの冷熱の供給を制御して凍結温度を下げ、濃縮対象物の凝固点に対し、約１〜１０℃程度低く保持する構成するのがよい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置などは特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は、本発明の野菜・果実ジュースの凍結濃縮装置の一実施例の概略の構成を示す系統図である。
【００２８】
図１に示すように、本発明の野菜・果実ジュースの凍結濃縮装置は、二重管式製氷機１５と、冷熱源２１と、ジュースタンク１２と、濃縮液回収タンク１３とより構成し、
前記ジュースタンク１２より濃縮対象物である野菜・果実ジュース原液を二重管式製氷機１５の内筒側１０ａ、１０ｂに供給するとともに、前記製氷機の外筒１１ａ、１１ｂに冷熱源２１より凍結用冷媒を供給し、
前記濃縮対象物の凍結濃縮を行い高濃縮液を濃縮液回収タンク１３に回収する構成にしてある。
【００２９】
前記二重管式製氷機１５は、内筒１０ａと外筒１１ａよりなる二重管と、内筒１０ｂと外筒１１ｂとよりなる二重管の二組を並設させるとともに、
前記ループ状に接続した内筒１０ａ、１１ａに濃縮対象物のジュース原液をジュースタンク１２より充填し、充填したジュース原液をループ循環路１０ｃ、１０ｄ、循環ポンプ１０ｅを介して循環させるとともに、並列状に接続した外筒１１ａ、１１ｂと冷媒往路１１ｃ、冷媒復路１１ｄとを介して前記冷熱源２１より冷媒を供給し、内筒１０ａ、１０ｂを循環するジュース原液を内筒の外側より冷却して内筒内面の伝熱面に沿って前記濃縮対象物を流動させ凍結濃縮を行う構成にしてある。
【００３０】
前記冷熱源２１は、コンプレッサユニット１６と、ブラインクーラ１７と、ブラインタンク１９と、図示していない制御部とより構成する。
そして、圧縮機、凝縮器等を含み例えばアンモニアガスを作動媒体として作動するコンプレッサユニット１６より、膨張弁１８を介してブラインクーラ１７へ冷熱を供給し、ブラインクーラ１７ではアンモニアガスで冷却された冷媒をブラインタンク１９へ送り貯留する。該ブラインタンク１９より、前記貯留された冷媒を、冷熱供給ポンプ１９ｂ、冷媒往路１１ｃ、冷媒復路１１ｄとを介して二重管式製氷機１５の外筒１１ａ、１１ｂへ搬送循環する構成にしてある。
【００３１】
前記制御部は、二重管式製氷機１５におけるジュース原液の凍結の進行につれ冷熱源からの冷熱の供給を制御して凍結温度を下げ、層状凍結をさせて高濃縮液を得る構成としたもので、
ブラインタンク１９より二重管式製氷機１５へ送る冷媒の量をセンサ２０ａ、コントローラ２０ｂを介して制御弁２０ｃをコントロールするとともに、ブラインタンクのセンサ１９ａ、コントローラ１６ａを介してコンプレッサユニット１６の容量制御をするようにしてある。
【００３２】
なお、前記ジュースタンク１２には、例えばトマトジュース等のパルプ質を多量に含む濃縮対象物に対しても運転前の遠心分離機等を介しての除去処理は必要とせず、また糖を含む可溶性固形物の濃度を示すＲＩが４〜５％の場合でも、また、高粘度のものでもそのまま投入使用できる。
【００３３】
本装置の使用に際しては、ジュースタンク１２より、ジュース原液を内筒１０ａ、１０ｂに充填し、循環ポンプ１０ｅにより二つの内筒の間を矢印Ａ方向に循環させるとともに、冷熱供給ポンプ１９ｂを介して冷媒を二組の外筒１１ａ、１１ｂよりなる並列容器へ供給循環させる。
上記冷媒の外筒への供給により内筒を循環流動するジュース原液は冷却され外筒に接する部位のジュース原液が凝固点以下になると内筒の内壁に氷晶を晶出しジュース原液の溶質成分濃度が高められる。そこでジュース温度をさらに低下させるまでは前記氷晶の晶出は止まるが、これに対応して冷媒温度を下げ再び氷晶の晶出を開始させる。このような冷媒温度の制御を制御部を介して適宜行うようにしてあるため、内筒内側に層状凍結が進行する。該層状凍結の進行につれ、濃縮対象物が所定濃縮度に到達したら前記ジュース原液の循環を停止させ、濃縮液回収タンク１３へ所定の高濃縮品を排出する構成にしてある。
【００３４】
前記制御部による冷媒の温度制御は表１に示す実施例データに見るように冷媒温度はジュース原液の濃縮過程にある濃縮溶液の凝固点に対し、約１〜１０℃程度低くする構成にしてある。
また、内筒内壁の伝熱面に沿っての濃縮対象物の凍結界面線速度は、表２のデータに示すように凍結界面の線速度を約０．５〜６ｍ／ｓになるよう制御部を介して制御し、
氷結晶の成長速度（製氷速度）が約５０ｍｍ／ｈ以下になるよう制御し、氷晶に析出されるＲＩを最小に押さえ、高い濃縮効率を得るように構成する。
なお、凍結界面の線速度Ｂに対する製氷速度Ａの比が１〜２０、好ましくは１〜１０、更に好ましくは１〜６になるよう制御する構成にしてある。
【００３５】
なお、内筒内に形成された氷晶は温熱源１４により融解液を外部へ適宜排出する構成にしてある。
【００３６】
なお、前記濃縮対象物を内筒内に循環させる前に予め内筒内面に氷層を形成させても良い。
【００３７】
表３〜表４には本発明の、市販のトマトジュースを対象とした野菜・果実ジュースの凍結濃縮装置を使用した実験条件及び結果を示してある。
表３には濃縮条件を示してあるが、前記したように冷媒温度は運転開始温度より暫時降下させそれぞれの低温で運転を終了している。
【表３】
0003775737.tif 000004
【００３８】
表４は実験結果を示しており、ＲＩ５．４％のものでも濃縮を行いＲＩ１５％の高濃縮液を得ている。
【表４】
0003775737.tif 000005
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、上記構成により、下記効果を奏する。
ａ、従来より不可能であった高粘度、パルプ質を含有する野菜・果汁の凍結濃縮が遠心分離等の前処理なしに行うことができる。
例えば，従来の遠心分離による前処理を使用した場合（図３参照）に対し、本発明使用の場合は、例えばトマトジュース（ＲＩ５％）→凍結濃縮３倍→濃縮物ＲＩ１５％を得ている。
ｂ、濃縮液の粘度が高くても濃縮ができ、トマトジュース原液のＲＩが４〜５％であっても容易に凍結濃縮が可能であり、これにより、濃縮対象物の本来の品質を保持して安定的に高濃縮品を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の野菜・果実ジュースの凍結濃縮装置の一実施例の概略の構成を示す系統図である。
【図２】  従来の懸濁結晶法による凍結濃縮装置の概略構成図である。
【図３】  従来の遠心分離による前処理を行った場合の系統図である。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｂ    内筒
１０ｃ、１０ｄ    ループ循環路
１０ｅ    循環ポンプ
１１ａ、１１ｂ    外筒
１１ｃ、  冷媒往路
１１ｄ    冷媒復路
１２    ジュースタンク
１３    濃縮液回収タンク
１４    温熱源
１５    二重管式製氷機
１６    コンプレッサユニット
１６ａ、２０ｂ  コントローラ
１７    ブラインクーラ
１８    膨張弁
１９    ブラインタンク
１９ａ、２０ａ    センサ
１９ｂ  冷熱供給ポンプ
２０ｃ  制御弁
【図１】
0003775737.tif 000006
【図２】
0003775737.tif 000007
【図３】
0003775737.tif 000008