1

衝撃波を利用した食品加工装置の最適化＜平成 23 年度助成＞

衝撃波を利用した食品加工装置の最適化
井（* 熊本高等専門学校

1.

機械知能システム工学科

山裕

文 *・比** 沖縄工業高等専門学校

嘉吉

一 **

機械システム工学科）

析方法の妥当性を確認するために数値解析と写真はじめに観測実験の結果との比較を行った。その後 2 つ

近年、新しい食品加工法として衝撃波を利用しの圧力容器形状の場合において、数値シミュレーた加工が注目されている。衝撃波とは瞬間的高圧ションを行った。これらの結果より効果的とみら力のパルス波であり、媒体（水、空気、金属など）れる圧力容器を使用し、りんごの軟化処理実験を中をこのパルス波が媒体の音速を超えて伝播する行った。

現象である。伝播する媒体が水の場合の衝撃波を水中衝撃波と呼び、これが様々な食品に作用する

2.

解析方法

ことにより、果物や野菜・食肉などでは軟化およ

的確な数値解析を行うために、水中衝撃波の発び粉砕加工、椎茸、茶葉、コーヒー豆などでは粉生、伝播過程を解析し、さらに圧力容器の壁面で砕と機能性成分の抽出性向上、乾燥米の微粉砕なの反射を表現できるような解析方法を用いる必要

1, 2 )。特徴的なのは、非加熱でこがある。そこで、解析方法としてALE（Arbitrary

れらの加工が瞬時にできるということである。しLagrangean- Eulerian）法 3) を用い、CAE ソフトウ

たがって、温度上昇にともなう食品の香り成分やエアであるアルテアエンジニアリング（株）の Hyper

栄養成分を破壊することなく加工を行なうことがWorks 11.0 によってシミュレーションを行った。

可能となるため、食品加工分野のみならず、製薬（1）基礎式どの効果がある分野等での応用も期待されている。しかし、一方解析方法では、爆薬部と水の領域では状態方程でこの装置開発は発展途上にあり、目的に合った式を用いて圧力を求め、容器は粘弾塑性体モデル装置の設計・製作が要求されている。装置は主にとして構成式を用いた応力 – ひずみ関係を求め衝撃波の発生源（高電圧放電装置や爆薬）、圧力る。この際、爆薬部、水の部分を Euler 領域とし、容器で構成され、食品は真空パックまたはプラス容器部を Lagrange 領域として解析を行った。解チック容器に入れ、水中に沈めて処理が行われる。

析の基礎となる基礎方程式であるナビエストーク

本研究では、この圧力容器内部の衝撃波の伝播

ス方程式は流体の圧縮性と粘性を含む完全な方程過程を解析し、りんごの軟化処理における最適な式として知られている。ナビエストークスの式か圧力容器の形状を求める。実験においては、高電ら粘性項を省き圧縮性流れの考慮が可能な Euler

圧パルスによる水中放電により衝撃波を発生させの各方程式、および Lagrange の各方程式を（1）て食品加工を行うが、水中放電現象の数値解析に～（5）式に示す。

おいては、表現できる数値モデルの特定が困難で(a) Euler の式ある。よって、本研究での数値解析においては衝

質量保存則

撃波の発生源として爆薬を用いることにした。解∂ρ∂ρ— = – ρ • div(ν) – νi —t∂∂ xi（1）2

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ギー、Γ0 は Grüneisen パラメーター、η= ρ0 / ρ、

運動量保存則∂ν∂ νi ρρ —i = σij, j – ρ • νi ——
t
∂
∂xj

（2）

エネルギー保存則

c 0 と s は材料定数である。 水、りんごの MieGrümeisen パラメーター 4, 5 ) を表 1 に示す。
ρ 0C 0 η[[ηP = ———2 1 − Γ—+ Γ0 ρ0 e
2
( 1 – sη )∂e∂e
ρ — = σij • εij – ρ • νi ——
∂t∂xj

（3）

0

表1(b) Lagrange の式

Grümeisen パラメーター

ρ（kg/m）
0c （m/s）0sΓ0Water

1000

1490

1.791.65Apple780

1088

0.375

1.53

運動量保存則∂νρ —i = σij, j
∂t（4）

（6）

(b) JWL（Jones-Wilkins-Lee）状態方程式
爆薬の爆ごう生成ガスによる圧力計算は（7）式

エネルギー保存則∂eρ — = σij • εij∂t（5）で示される、JWL 状態方程式 6, 7 ) を用いた。数値解析および写真観測実験で用いられた爆薬は旭化

ここで、ρは密度、σは Cauchy 応力、νは流体成ケミカルズ（株）の高性能可塑性爆薬 SEP と日速度を示している。これらの方程式は離散化され、本カーリット（株）の導爆線（ DF）である。これら

計算場に含まれる各媒体に応じた状態方程式を組の定常爆ごう時の爆ごう速度（C-J Velocity）と爆み合わせて解くことになる。

ごう圧力（C-J Pressure）を表 2 に、JWL パラメー（2）状態方程式と構成式

ター 8) を表 3 に示す。

衝撃現象を数値解析する場合は、様々な物質が計算場に存在する数値モデルを取り扱う。対象とする物質は爆薬、生成ガス、水、容器に使用される各種金属、食品などである。そこで、それぞれ

ωωωepexp( – R 1V) + B 1 –exp( – R 2V) +VR 1
VR 2V

P=A 1–（7）0

ここで、A、B、R 1 、R 2 、C、ω は JWL パラメー
ター、V は爆ごう生成ガスの比体積である。の物質に応じた各種の状態方程式や構成式が必要

表2

爆ごう速度と爆ごう圧力となり、これらは現象を正確に捉えるために重要

Explosive

C-J Velocity (m/s)

C-J Pressure (GPa)な要素となる。以下に数値解析で使用した状態方

SEP

6980

15.9

程式について簡単に説明する。

DF630011.9

表3(a) Mie-Grümeisen 状態方程式JWL パラメーター

一般に固体は流体と異なり、静水圧成分以外のExplosive

A (GPa)B (GPa)R1R2ω

応力を考えなければならない。しかし、爆薬の爆SEP

3652.314.3

1.10.28

DF1200452.35

8.85

1.430.28

ごうによって発生するような超高圧力かつ短時間における衝撃波を含む現象では偏差応力を無視す(c) Johnson-Cook の構成式

ることができ、固体は流体的な挙動を示す。この

設計上、圧力容器の塑性変形が生じてはいけな

ような場合には、状態方程式における圧力は静水いので、ここでは塑性変形の発生の判断もできる

圧成分を用いる。

ことになる。衝撃波による圧力が金属材料に作用水およびりんごの圧力計算に（6）式で示され4)すると、応力 – ひずみの関係は静的荷重の場合とを用いた。ここは異なり、ひずみ速度効果の影響で変形抵抗が大で、P は圧力、ρ0 は初期密度、e は内部エネルきくなる。本研究では衝撃特性を示す応力 – ひずる Mie-Grümeisen 状態方程式

衝撃波を利用した食品加工装置の最適化

み 関 係 式 は（8）式 に 示 さ れ る、Johnson-Cook の3（2）円筒容器の解析モデル

9)構成式 を用いた。ここで、σy は相当降伏応力、実際の処理実験と同様のモデルを設定した。まεは相当ひずみ、ε* はひずみ速度である。また、A、た、楕円形状の圧力容器との比較のため円筒状のB、C、n は構成式のパラメーターである。圧力容器を想定し、図 2 に示されるような解析モデル

容器の材料としてアルミニウム合金 A2021（ヤンを対象として計算した。円筒容器の形状は 2 次元

グ率 71.5 GPa、ポアソン比 0.335）を用いた。構の軸対称問題となり、中心軸より片側半分を計算

成式のパラメーター9)を表 4 に示す。

σy = (A + Bεn)(1 + Clnε* )表4A20213.

した。容器内部の高さ、幅は楕円容器の内部形状（8）

Johonson-Cook 構成式のパラメーターの高さ、幅と同じ寸法にしている。容器内部には水が充満している。りんごは直径 50 mm とし、そのまわりには直径 60 mm の境界層を設けた。

r (kg/m 3)

A (MPa)B (MPa)nC

27702654260.340.015

この計算場において、ALE 法を用いる場合には水との境界で境界層が必要となる。初期状態では、水の状態量で与えられており、りんごの変形によ解析対象り、水とりんごの混在が起こる領域となる。この最適な圧力容器形状の設計を行うにあたり、そモデルで用いた爆薬は直径 5.4 mm の導爆線（DF）の具体的な形状を想定した。ここでは楕円形状をとした。

用いることにした。楕円の焦点は２つあり、第一（3）楕円容器の解析モデル

焦点に衝撃波の発生源を設定すると、もう片方の

図 3 に楕円容器の解析モデルを示す。この圧力

第二焦点において発生した衝撃波が収束すること

容器の内面形状は（1）の解析モデルを完全な楕円が知られている。このことを応用したものが、医形状とし、軸対称問題として中心軸より片側半分

学的な分野でも用いられている10)。具体的な形状を計算した。りんごと爆薬の位置は円筒容器のモを以下に述べる。

デルと同様であり、第一焦点に爆薬、第二焦点に（1）半楕円形状の解析モデルりんごを置いた状態となる。各焦点に衝撃圧力が

図 1 に示される解析モデルは写真観測実験との比較を行うためのモデルである。楕円形状の式は中心に x–y 座標系をとると、（9）式に示される形状を想定した。このモデルは楕円の第二焦点までカットされている。容器は水中に沈められた状態であり、衝撃波の発生源は質量 2g の爆薬 SEP と収束することを想定しているが、りんごなどの果実が収まるように幅方向を広くとっている。
4.

写真観測実験

（1）実験方法
解析結果の妥当性を検討するための高速度ビした。SEP の充填密度は 1310kg/m であるので、デオカメラによる実験について説明する。図 4 はこれから直径を 14.28 mm とした。これを第一焦熊本大学衝撃極限環境研究センターの協力によ点にセットし発破する。計算は、平面ひずみ問題

り実施された写真観測実験のシステム概略図であとし、対称性を利用して中央部から半分を計算する。光源はキセノンフラッシュランプを用いてることになる。この計算場を四辺形要素で区切り、おり、その手前に水の入ったタンク内に容器と爆各要素の圧力を時間積分により求める。

薬をセットする。フラッシュランプによる透過

3

2x 2 ( y + 25)+=180 2 83.85 2（9）

光をシャドウグラフ法により高速度ビデオカメラで撮影する。ビデオカメラは（株）島津製作所

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Vol.20（2013）

HPV - 1 を用いた。これらのシステムで撮影したものを 10μs 間隔のフレーミング写真として出力した。ここで使用される容器はアルミニウム合金（A2021）で製作されたものであり、その外観図を図 5 に示す。容器を水を入れたアクリル製の箱に沈めて、第一焦点に質量 2 g の爆薬 SEP をセットした。容器形状は前節の半楕円形状モデルと同
図1半楕円形状の解析モデル様である。

図5

図2

円筒容器の解析モデル

写真観察実験の容器（2）実験結果と解析結果
図 6 に高速度ビデオカメラで撮影した、容器内部の衝撃波の伝播の様子を示す。各時刻での第一焦点と第二焦点の位置を丸印で示している。20μs 時あたりから水中衝撃波が広がって伝播しており、既に容器壁面より反射衝撃波が発生している。この反射衝撃波が次第に第二焦点に向かって伝播している。およそ 60μs に第二焦点で反射衝撃波が収束している。図 7 は図 1 の解析モデルの計算結果による圧力コンター図である。写真観測結果と図3

楕円容器の解析モデル

30μs のずれがあるので、最初の状態を – 3 0μs とした。水中衝撃波が第一焦点より発生し、起爆より 20μs 後に容器壁面に到達している。写真観察結果と同様に反衝撃波は次第に広がり、50μs 時に第二焦点で収束している。図 8 は第一焦点、第二焦点での圧力履歴を示している。また、図 9 は第二焦点での圧力履歴を拡大したものである。いずれも、横軸は解析時間での表示であり、写真観測結果とは 30μs の差がある。これらの結果より、第一焦点では、起爆後すぐに圧力は減衰している。

図4

写真観測実験の配置

5

衝撃波を利用した食品加工装置の最適化

図8

図6

高速度ビデオカメラによる撮影結果

図7

解析結果による容器内部の圧力分布

第一焦点および第二焦点での圧力履歴

図9

第二焦点での圧力履歴

6

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その後、第二焦点では、起爆時の衝撃波がおよそ対しては最初の 20 ～ 60μs で通過しているのみ500MPa の圧力で到達し、その後容器壁面からのである。図 11 に楕円容器の場合の圧力コンター図

反射衝撃波が 80μs 時付近でおよそ 100MPa のを示す。10 ～ 40μs までリング状に衝撃波が伝播圧力で収束していることがわかる。これらの衝撃し、70 ～ 90μs では容器上部からの反射衝撃波が波の伝播過程より対象となる食品の中央部で衝撃下方に向かって伝播している。その後、116μs あ波が収束されることが予測される。実験との比較たりで第二焦点であるりんごの中心部に衝撃波がにより、本研究で用いた解析方法は妥当なものと収束している。図 12 および 図 13 は、それぞれ円考えられる。

筒容器、楕円容器を用いたときの爆薬中心部、り5.

んごの下面、リンゴの中心部の圧力履歴である。

解析結果

10 ～ 30μs のリンゴの下面での圧力は同等であ

図 10 は円筒容器を用いた場合の圧力コンターる。しかし、楕円容器の場合には 80 ～ 90μs で図を示している。0 ～ 50μs まで衝撃波がリング第一焦点で圧力が収束し、高い値となっている。

状に広がっていることがわかる。60μs 以降ではまた、110 ～ 120μs でりんごの中心部で圧力が容器下方からの反射衝撃波も見えるが、りんごに収束し、およそ 40MPa の圧力となっている。円図 10

円筒容器内の衝撃波伝播過程

図 11

楕円容器内の衝撃波伝播過程

7

衝撃波を利用した食品加工装置の最適化

図 12

円筒容器における爆薬部とりんご内部の圧力履歴

図 13

楕円容器における爆薬部とりんご内部の圧力履歴

筒容器の場合にりんごの下部に容器下面からの強ム線を直径 3 mm の銅製の電極棒に巻き、電極棒い反射衝撃波が 180μs 付近で見られるが、楕円は樹脂で固定されている。アルミニウム線の位置

容器ではりんご中央部まで圧力が到達するようなが第一焦点、直径が 50 ～ 60 mm のりんごの中心挙動を示しており、密閉容器を用いない場合に最を第二焦点になるように配置した。 図 14 の金属適とされる、りんご外周部での圧力の値 5) と同等

クリップは銅棒の先端に固定されコンデンサーにの 40MPa の圧力作用が見られ、こちらが効果的

20kV で充電完了後、ソレノイドスイッチで発破と考えられる。

させた。実験は同条件で多数回行われ、りんごの6.

軟化処理実験

（1）実験方法
解析結果より、最適形状とされる圧力容器を用いたりんごの軟化処理実験を行った。この実験では、金属線に高電圧パルスを負荷させる細線起爆の方法を用いて衝撃波を発生させた。図 14 に電気

図 14

電気回路図

回路図を示す。高電圧電源はパルス電子工業（株）
HDV - 40K 12STD であり、充電抵抗器を通してコンデンサーに蓄電される。コンデンサーはニチコン（株）製オイルコンデンサである。静電容量4μF、充電電圧を 20kV とした。よって充電エネルギーは 0.8kJ となる。図 15 に用いた圧力容器の概略図を示す。容器内部の形状は解析モデルの楕円容器と同じである。直径 0.5mm のアルミニウ
図 15

実験容器の概略図

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硬度とポリフェノール、ペクチンなどを測定した。
（2）実験結果

Vol.20（2013）

7．ま と め図 16 に処理後のりんごの断面写真を示す。処衝撃波を利用した果実の軟化処理装置におい理後のりんごの果汁を搾ると果肉部はスポンジて、装置の重要部である圧力容器の最適化を行った。数値シミュレーションにより、圧力容器内部での衝撃波の伝播過程を明らかにした。これらの結果を下記にまとめる。
（1）圧力容器形状の想定として、円筒容器および楕円容器が検討された。

図 16（2）高速度ビデオカメラによる写真観測実験が行処理後のりんご断面状 と な っ て い た。 表 5 に 硬 度 計（ 藤 原 製 作 所

われ、その結果と解析結果の比較において、KM-5）での測定結果をまとめた。果肉、皮のそ衝撃波の伝播過程が概ね一致した。

れぞれ５カ所の測定結果を平均した。未処理のも（3）円筒容器と楕円容器の比較において、楕円容のと比較して、果肉部では約 35 %、皮部では約器の方がより効果的にりんごに衝撃波が作用68 %も硬度が減少していることがわかった。ますることが確認できた。

た、処理後の果汁を搾ったものと、未処理のりん（4）楕円形状の圧力容器を用いたりんごの軟化処

ごをミキサーですり下ろした果汁のペクチン、ポ理実験を行った。未処理のりんごと比較して、リフェノールの量を比較したものを図 17 に示す。

平均値で果実部で約 35%、皮の部分が約 68%

重量％で 100%を未処理のものとして表示してい硬度が低下することが確認された。

る。処理されたりんごは、未処理に対して約 3 倍以上の研究成果により、衝撃波を利用したりん以上のポリフェノールを搾り出すことができた。

ごの軟化処理においては、楕円状の圧力容器を使同様に果汁を搾った場合、衝撃波処理を行った方用した方が最適であると言える。

が皮の部分のポリフェノール成分を取り出すことが可能となった。

謝表5辞本研究課題を遂行するにあたり、多大な研究助

硬度測定結果Scarcocarp (kg)Peel (kg)Control

2.182.54Pocessed

1.45

0.85

成金を賜りました（公財）浦上食品・食文化振興財団に心より感謝の意を表します。
文献1) 伊東繁 , 衝撃波を用いた食品加工 , FOOMA 技術ジャー
ナル, Vol. 4, No. 2, pp. 51- 5 6 (2008).
2) 伊東繁 , 衝撃波による食品加工・爆発グルメ, Explosion,
Vol.19, No.1, pp. 7-11 (2009).
3) N. Aquelet, M. Souli and L. Olovsson, Euler-Lagrange
coupling with damping effects: Application to slamming
problems, Computer methods in applied mechanics andengineering, 195, pp. 110-132 (2006).
4) S. P. Marsh, LASL Shock Hugoniot Data, University ofCalifornia Press (1980).
図 17

りんご果汁の機能性成分の比較衝撃波を利用した食品加工装置の最適化
5) 小田明日香 , 衝撃波を利用した食品加工に関する研究 , 熊
本大学大学院自然科学研究科学位論文 (2008).
6) J. W. Kury, H. C. Hornig, E. L. Lee, J. L. McDonnel, D. L.
Ornellas, M. Finger, F. M. Strange and M. L. Wilkins, Metal
Acceleration by Chemical Explosives, 4th Symposium onDetonation, A109-A120 (1956).
7) E. L. Lee, H. C. Horning and J. W. Kury, AdiabaticExpansion of High Explosive Detonation Products, UCRL50422, TID-4500, UC-4 (1968).

98) 大塚誠彦 , 衝撃大電流により発生した水中衝撃波の制御とその応用に関する研究 , 熊本大学大学院自然科学研究科
学位論文 (2007).
9) M. A. Meyers, Dynamic Behavior of Materials, Wiley-InterScience, John Wiley & Sons, Inc.(1994).
10) 桑原正明 , 折笠精一 , 神部広一 , 景山鎮一 , 黒須清一 ,庵谷尚正 , 高山和喜 , 小野寺収 , 木村修三 , 爆薬を用いた体外からの腎結石破砕装置 , 医機学 , Vol.56, No.5, pp.
213-217 (1986).

10

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Vol.20（2013）

Optimization of Food Processing Equipment
Using Underwater Shock Wave
*Hirofumi Iyama, **Yoshikazu Higa*
Department of Mechanical and Intelligent Systems Engineering,
Kumamoto National College of Technology**Department of Mechanical Systems Engineering,
Okinawa National College of Technology
Abstract
Food processing using a shock wave as a new food processing method has attracted
attention recently years. A shock wave is an instantaneous high-pressure pulse, which isa pulse wave that propagats beyond the sound speed in the medium. A shock wave when
propagating in water is called an underwater shock wave. This wave is applied in various
techniques of food processing, such as softening of fruit and vegetables, mushrooms, tea
leaves, and coffee beans, improving the crushing and extraction of functional ingredients.
In particular, it can be applied to rapidly modify food products without heating. Therefore,
it is possible to manufacture food products without destroying their nutrients and aroma
with an increase in temperature, such a wave is not only applicable in the field of foodprocessing but is also expected to be active applied in the pharmaceutical field. However,the design and manufacture of a device suitable for such an application are necessary.
The design and manufacture of food processing equipment by clarifying the propagationof the underwater shock wave are expected to have a considerable ripple effect in thepharmaceutical and food processing fields. In this study, the equipment best suited forfood processing was manufactured. For apple softening treatment, the optimal shape of thepressure vessel was determined. The process of shock wave propagation inside the pressure
vessel was crified by numerical simulation. In food processing, a high-voltage electric
discharge is used as the source of the shock wave. However, because the elucidation of thephysical model for numerical analysis is difficult, an explosive source of the shock pressure
wave was used in numerical analysis. To determine the optimal shape of the pressure vessel,
cylindrical and oval vessels were examined. To evaluate the validity of numerical analysis,
an optical experiment was carried out using a high-speed video camera. In the comparisonof the results of the numerical analysis and optical experiments, the underwater shock
wave propagation processes were observed to be roughly in agreement. In the comparisonof cylindrical and oval pressure vessels by numerical simulation, the underwater shock
wave was deserved to be applied to the apple more effectively in the case of using the ovalpressure vessel than in the case of using the cylindrical pressure vessel. An apple softening
treatment with the underwater shock wave using the oval presure vessel was carried out.
In the comparison of the hardnesses of treated and control apples, the treated apple wassoftened more than the control apple and showed a total hardness reduction of about 35%
and a peel hardness reduction of about 68%. Regarding the nutrients in the juice, theamount of polyphenols extracted from the juice of the treated apple was more than threetimes that in the untreated apple. Therefore, the oval pressure vessel was optimal for thesoftening treatment of apples using the underwater shock wave.