ミニマムヒーティング（交流高電界，高周波パルス）による液体食品の高品質殺菌技術
植

村

邦彦

（農研機構食品研究部門，〒305–8642 茨城県つくば市観音台 2–1–12）

High-quality sterilization for liquid foods by Minimum Heating (High ElectricField AC and High Frequency Pulse)
Kunihiko UEMURA(Institute of Food Research, NARO)

要

旨食品の加熱殺菌において安全性の向上と品質の確保はトレードオフの関係にある。ミニマムヒー
ティングは，電気エネルギーを利用することで微生物の殺菌に必要な加熱時間を短縮し，加熱による品質劣化を抑制するため安全性と高品質を両立できる殺菌方法である。ここでは，ミニマムヒーティ
ングのうち清涼飲料の様な低粘度液体食品の殺菌に対応する交流高電界技術，ならびに果実や野菜のペースト状の高粘度液体食品に対応する高周波パルス技術について紹介する。

熱であり，通電加熱，ジュール加熱，誘電加熱な

1．は じ め にどと呼ばれる。また，10 kV/cm 以上の高電界のパ

食品の安全性や保存性を高める殺菌・加工方法とルスを食品に加えると微生物の中には温度上昇を伴して加熱処理が一般に用いられているが，安全性をわずに殺菌される高電界パルスと呼ばれる技術があ高めるための高温での長時間の加熱により食品の熱り，加熱を伴わない非加熱殺菌技術として一部で実変性が問題となる。一方，電子レンジの様に電気エ用化されている。ただし，微生物の中には細菌芽胞ネルギーを用いた加熱方法は，食品を迅速に加熱すの様に高電界による殺菌効果が小さいものが中性のることが可能である。しかしながら，電子レンジの食品に混入する場合，安全性を担保するためには高マイクロ波加熱は，食品を均一に加熱することが難温の加熱処理が必要となる。電気による加熱においしいため，殺菌に利用することは問題が残る。そこて，加熱時間を短縮することで，食品の高品質な殺で，電子レンジよりも低い周波数の交流を用いるこ菌を行うものをミニマムヒーティングと名付けた。とにより，均一迅速加熱が実現する。マイクロ波よミニマムヒーティングは，対象とする食品の形状別りも低い周波数の交流を食品に印加すると，食品中に，レモン果汁の殺菌で実用化された「交流高電のイオンが交流の電界方向に従って振動する。振動界」，ポテトサラダ等パウチ食品の高品質殺菌のたするイオンが周囲との摩擦熱を生じることにより食めの「水中短波帯加熱」，水産加工品の常温流通を品が発熱する。このような食品自身の発熱は内部加実現する「水中短波帯加圧加熱」，果実ペーストな＊ E-mail：uemura@affrc.go.jp

ど高粘度液体食品を高品質な状態で長期保存可能と― 13 ―

乳業

技術

する「高周波パルス連続加熱」などの技術を開発しパルスは，微生物の細胞膜に穴をあける電気穿孔とてきた。ミニマムヒーティング技術は，食品の高品呼ばれる効果により微生物を殺菌するもので，パル質化と長期保存を両立し，食品ロスの低減，さらにス幅が短い場合，加熱を伴わずに微生物を殺菌するは国産農産物の輸出促進に寄与するものとして期待ことが可能である。そこで，同じ電気を用いる通電されている。本稿では，ミニマムヒーティングのう加熱において，高電界パルスと同程度に電界を高くち，低粘度の液体食品を連続的に殺菌する技術としすれば電気穿孔が生じるのではないかと考え，狭いて開発した交流高電界技術と果実や野菜のペースト電極間に高電圧を印加し，食品に交流の高電界を加状の高粘度食品を殺菌する技術として開発中の高周えた。交流高電界を印加された食品はジュール加熱

波パルス連続加熱技術について紹介する。

による急激な発熱が同時に生じる。図 1 の交流高電界装置の場合，2 mm の電極間を 2 m/s の速度で通2．交流高電界技術

過させることで必要以上に温度が上昇しないように1996 年に，日本各地で腸管出血性大腸菌 O157 に運転している。交流高電界は，狭い電極間を素早くよる集団食中毒事故が多発した。これに対応するた通過する必要があるため，処理できる試料は低粘度め農林水産省のプロジェクト研究が開始された。筆の液体食品に限られる。モデル液に添加した大腸菌者はプロジェクトに参画し，電気的な処理により食を交流高電界処理したとき印加電界が残存大腸菌に品中の大腸菌を殺菌する研究に着手した。電気によ与える影響を図 2 に示した。図より，印加電界がる非熱的な殺菌方法として既に知られていた高電界

5 kV/cm 以上となったときに残存菌数が優位に低下

PT

圧力計
I-10P

I-10T
排圧弁

TA0.0

残存大腸菌数 [cfu/mL]

残存大腸菌数 [cfu/mL]

1.0E+00

図 220℃

1.0E+01

交流高電界電源

温度計１温度計１交流高電界装置

1.0E+07

図1

交流高電界装置
1.0E+07
1.0E+06

20℃

61℃

1.0E+06

1.0E+04

1.0E+05 66℃

66℃

1.0E+0172℃

10.0

印加電界強度 [kV/cm]

1.0E+01

沿字は液体の加熱温度を示す。

沿字は液体の加熱温度を示す。

70℃

1.0E+02

1.0E+03
1.0E+02
5.0

65℃

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+00

図 2

1.0E+05

61℃

0.0

1.0E+00

15.00.0

5.0

10.0

15.0

印加電界 [kV/cm]

2が 大印加電界が大腸菌に与える影響
印 加図
電界
腸菌に与える影響

Vol. 72. 2022

T

残存大腸菌数 [cfu/mL]

交 流 高 電 界 装 置図 1

1.0E+02

交流高電界電源ポンプ

ポンプ

1.0E+03

A
B

電極

T

1.0E+04

温度計２
電極

温度計２

B

1.0E+05

温度保持管

出口

温度保持管

タンク

1.0E+06

温度計3

T

タンク

1.0E+07

出口

冷却器

データロガー

図 1

温度計3冷却器

データロガー
圧力計

排圧弁

図35.0

図 372℃
試料の加熱温度が一定の時，印加電界が大腸試料の加熱温度が一定の時，印加電界が大腸菌に与える影響菌に与える影響
短絡電流
10.0

印加電界強度 [kV/cm]― 14 ―
印加電界が大腸菌に与える影響

沿字は液体の加熱温度を示す。

図 4

高粘度液体食品の短絡15.0

することが分かった。また図 3 はモデル液の電気伝菌にも利用されている。

導率を変えることで加熱温度が同じ値となる条件で3．高周波パルス連続加熱電界が大腸菌数に与える影響をプロットした。この
結果，残存菌数の対数は印加電界強度に比例して減

野菜や果実を粉砕してペースト状にしたものは，少し，加熱温度が高い方がその減少率が高くなるこ

様々な加工食品の原料として広く利用される。まとが分かった。つまり，交流高電界は大腸菌に対した，未利用の農産物も利用できるため，廃棄ロスのて，高電界と加熱温度の併用により，殺菌効果が高低減にも有効である。破砕直後のペーストは，生果くなることを示している1）。一方，pH4 以下の酸性と同様の栄養成分や機能性成分を保持し，高齢者や飲料に好酸性耐熱芽胞菌（TAB）が残存した場合，乳幼児用の食品素材として有用であり，付加価値の腐敗臭の発生が問題となることから，耐熱性の高い高い食材である。しかしながら，野菜や果物を破砕細菌芽胞を失活することが要求された。液体試料添すると細胞が破壊され，酵素反応が直ぐに始まり，加した細菌芽胞に対して，10 kV/cm を超える交流各成分の酸化や分解が進むため，変色，風味の低高電界を印加した場合でも，細菌芽胞は失活しな下，栄養成分や機能性成分の変質が生じることが問かった。そこで，図 1 の装置のように出口に排圧弁題である。さらに，剥皮することにより微生物によを設け，系内の圧力を 0.5 MPa 以上に維持することる腐敗が進行しやすくなることも問題である。そこ

で，交流高電界により，試料を沸騰せずに 100℃以で野菜や果物を破砕後，直ちに酵素失活と殺菌を行上に加熱することに成功した。交流高電界の印加にい，包装することが望ましい。酵素の失活や殺菌のより，0.1 秒以内の短時間で 100 ℃以上に加熱するためには加熱処理が有効であるが，生果の色や風味ことで，液体試料中の細菌芽胞はヒートショックをの熱変性を抑えた加熱方法として，前項の交流高電受けて損傷し，温度保持中の失活速度が高くなった界技術の利用が効果的である。しかしながら，交流と考えらえられた。したがって，交流高電界は温度

高電界は前項で述べた通り，低粘度の液体食品に限保持時間を短縮することが可能となった2）。また，られており，ペーストのような高粘度の液体食品に加熱処理を伴う交流高電界技術はあらゆる微生物の対応しない。もし，ペースト状の高粘度液体食品に殺菌に対応しており3,4），従来の加熱殺菌に置き換

交流高電界を適用すると，ペースト食品が狭い電極えて製品を上市することが可能となった。また，交間を通過する際，固形分や繊維分が電極間をブリッ

流高電界は殺菌と同時にペクチンメチルエステラージした（図 4）ときに瞬間的に大きな短絡電流が流ゼやリポキシゲナーゼなどの農産物が持つ酵素を効れ，電源の保護回路が働くことで電気の供給がス率的に失活する特徴がある5）。交流高電界で食品中トップしてしまう。つまり高粘度の液体を電界加熱の不要な酵素を失活することで食品の保存中の酸化処理するためには，短絡を起こしにくい電極構造とや風味の変質を抑制し，食材の高い品質を長期間保し，電源は過電流を制御して安定的な電気を供給で存することが可能となった6）。食品メーカーおよびきるようにする必要がある。そこで，高粘度の液体装置メーカーとの共同研究を実施しながら装置のスを流した時に生じる不規則な電流変化に対応して電ケールアップ，数々の商品化テストを経て 2014 年

流を瞬時に制御可能な双極性の高周波パルス電源を

1.0E+07

残存大腸菌数 [cfu/mL]

1.0E+06
1.0E+05
1.0E+04
1.0E+03
1.0E+02
1.0E+01
1.0E+00

0.05.0印加電界 [kV

図 3に食品メーカーから交流高電界殺菌によるレモン果試料の加熱温度が一定の時，印加電短絡電流汁製品が上市された。交流高電界は，細菌芽胞の殺菌に必要な加熱時間を従来加熱に比べて 1/10 以下に短縮できたことから，果汁本来の色やフレッシュな香気成分を保持し，製品の品質を高めることが可
図4能となった。本技術は，果汁以外に一部の牛乳の殺― 15 ―

図 4

高粘度液体食品の短絡

高粘度液体食品の短絡
乳業

技術

IGBT

IGBT
高圧直流電源

IGBT

図5

IGBT

高周波パルス電源回路

接地電極
図6
図 6

テフロンチャネル

⾮接地電極

接地電極

3 層電極構造
図 6 3 層電極構造

3 層電極構造

開発した（図 5）。また，電極内の電界分布が一様90。そこで，図となるように 3 層電極とした（図 6）80

1 の交流高電界システムの電源及び電極を新たに開70
温度保持60発したものに置き換えて，高周波パルス連続加熱装60907050置を作製した。剥皮したリンゴをミクログレーダー
40

⾼周波パルス加熱で破砕後，直ちに高周波パルス連続加熱装置を用い冷却
30

温度 [℃]

温度 [℃]

8020て図 7 に示すような温度履歴で加熱処理した。

高周波加熱処理（100℃，110℃，4 秒）および従504001510時間 [s]のポリフェノールオキシダーゼ活性を測定したとこ

高周波パルス加熱による温度履歴

本来のビタミン C の残存量を測定したところ，高051015時間 [s]ろ図 8 に示す通り，全ての処理区でポリフェノー
図 7

高周波パルス加熱
冷却30100

ルオキシダーゼを失活することが分かった。リンゴ

温度保持201005
来加熱処理（70 ℃，80 ℃，30 分）で処理した試料

テフロンチャネル

非接地電極

図 7

図7

高周波パルス加熱による温度履歴

高周波パルス加熱による温度履歴

ろ，高周波パルス処理したサンプルは，未加熱に近周波パルス加熱はリンゴに含まれているビタミンい香り成分を維持していたが，80℃ 30 分従来加熱

C は高周波パルス加熱処理では減少することはな

したものは香気成分の熱変性が認められた。また，

かったが，従来加熱処理で半分以下に減少した（図高周波パルス加熱で 100℃以上に加熱すれば，あら9）。また，5 ℃で 1 年間保存後の外観を図 10 に示ゆる微生物，交流高電界と同様に耐熱性細菌まで殺した。高周波パルス加熱処理したサンプルは褐変す菌可能だと考えられる。今後，高周波パルス連続加ることなく，長期間破砕直後の色を保存可能とな熱が，リンゴ以外の果物ピューレや野菜ペーストにる。GC-MS を用いた香気成分の分析を行ったとこ応用され，フードロスの低減に寄与することが期待
11

Vol. 72. 2022

― 16 ―10図8

図 8 高周波パルス加熱および従来加熱がポリフェノールオキシダーゼ活性に与える
高周波パルス加熱および従来加熱がポリフェノールオキシダーゼ活性に与える影響
影響

図 8高周波パルス加熱および従来加熱がポリフェノールオキシダーゼ活性に与える
100

影響90Vitamin C content (μg/mL)

100 80bVitamin C content (μg/mL)

90 70
80 6070b5040bbbb

60 30aa

50 2040 1030 0

untreated

HFP 100°C

HFP 110°Ca

CH 70°C 30 CH 80°C 30
mins
mins

a20
図 9 図高周波パルス加熱および従来加熱がリンゴのビタミンCるに与える影響
910 高 周 波 パ ル ス 加 熱 お よ び 従 来 加 熱 が リ ン ゴ の ビ タ ミ ン C に 与 え
影響0

図 9untreated

HFP 100°C

HFP 110°C

CH 70°C 30 CH 80°C 30
mins
mins

高周波パルス加熱および従来加熱がリンゴのビタミン C に与える影響

acbd12

図 10

図 10 高 周 波 パ ル ス 加 熱 お よ び 従 来 加 熱 処 理 し た リ ン ゴ ピ ュ ー レ の 低 温 保 管 （ 5℃ ，高周波パルス加熱および従来加熱処理したリンゴピューレの低温保管（5℃，1 年間）
1 年間）後の外観

後の外観( a : u n t r e a t e d ; b : C H 8 0 ℃ ; c12:HFP 100℃ ;d : H F P 11 0 ℃ ）(a: untreated; b: CH 80℃; c: HFP 100℃; d: HFP110℃）
た12,13,14）。また，根茎野菜を丸ごと洗浄殺菌するこされる。とに対応した高周波パルス水中高周波パルス加熱装4．お わ り に置の開発も進めている。以上ミニマムヒーティング

ミニマムヒーティング技術として，交流高電界と技術を用いることにより，農産物および加工食品を高周波パルス加熱の有効性について紹介したが，そ高品質な状態のまま長期間保存することが可能となの他，固体食品やパウチ包装したチルドパウチ食り，食生活の向上，食品ロスの低減，和食の輸出促，レトルトパ進，さらには SDGs 推進に寄与することが期待され品に対応した水中短波帯加熱

7,8,9,10,11）

ウチ食品に対応した水中短波帯加圧加熱を開発しる。

― 17 ―

乳業

技術10） Lara G, Takahashi C, Nagaya M, Uemura K. Ap-

参 考 文 献plication of radio frequency heating in water for1） Uemura K, Isobe S. Developing a new apparatus

extending the shelf-life of fresh-cut Japanese

for inactivating Escherichia coli in saline waterloquat fruit（Eriobotrya japonica）, Food Sci-

with high electric ﬁeld AC, Journal of Food Engi-

ence and Technology Research 27（6）847–857

neering 53（3）203–207（2002）（2021）

2） Uemura K, Isobe S. Developing a new apparatus11） Lara G, Takahashi C, Nagaya M, Uemura K. Im-

for inactivating Bacillus subtilis spore in orange

proving the shelf-life stability of vacuum-packed

juice with a high electric ﬁeld AC under pressur-

fresh-cut peaches（Prunuspersica L.）by radio

ized conditions, Journal of Food Engineering 56

frequency heating in water, International Journal（4）325–329（2003）

of Food Science and Technology, 57, 6, 3251–

3） 井上孝司，河原優美子，池田成一郎，土方祥一，3262（2022）

五十部誠一郎，植村邦彦．交流高電界による

12） Uemura K, Kanafusa S, Takahashi C, Kobayashi

各種微生物胞子の殺菌，日本食品工学会誌，8,I. Development of a radio frequency heating

3, 123–130（2007）

system for sterilization of vacuumpacked ﬁsh in4） Uemura K, Kobayashi I, Inoue T. Inactivation ofwater, Bioscience, Biotechnology, and Biochem-

Alicyclobacillus acidoterrestris in orange juice byistry, 81, 4, 762–767（2017）high electric ﬁeld alternating current, Food Sci-13） Kanafusa S, Takahashi C, Uemura K. The effectence and Technology Research, 15, 3, 211–216

of radio-frequency heating on vacuum-packed（2009）

saury（Cololabis saira）in water, Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 82, 9, 1576–1583

5） Uemura K, Takahashi C, Kobayashi I. Rapid Inactivation of Pectin Methylesterase in Tomato（2018）

Juice Using High Electric Field Alternating Cur-

14） Jantapirak S, Takahashi C, Uemura K. Effect ofrent, Food Science and Technology Research 21

radiofrequency heating of vacuum-packed ni-（1）7–11（2015）

trite-free sausage on quality properties and mi-6） Uemura K, Kobayashi I, Inoue T. Inactivation ofcroorganism inactivation, Bioscience, Biotech-Bacillus subtilis Spores in Orange Juice and thenology, and Biochemistry, 85, 4, 907–915（2021）

Quality Change by High Electric Field Alternating Current. Japan Agricultural Research Quarterly, 44, 1, 61–66（2010）7） 植村邦彦，高橋千栄子，小林功．短波帯加熱処理による包装済み味噌の酵素の失活，日本
食品科学工学会誌，61, 2, 95–99（2014）8） 植村邦彦，高橋千栄子，小林功．プラスチッ
ク包装された豆腐の短波帯殺菌，日本食品科学工学会誌，62, 11, 541–546（2015）9） 植村邦彦．水中短波帯加熱によるポテトサラ
ダの殺菌，農研機構研究報告食品研究部門，2,15–19（2018）

Vol. 72. 2022

― 18 ―