ISSN 1349-1741

令和3年度

宮城県産業技術総合センター研究報告
The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government

No.19
2022年8月発行

宮 城 県
MIYAGI Prefectural Government

目次【研究論文】
1 プリンテッドデバイス作製技術研究 ·················································································································

1

小松 迅人，天本 義己，高田 健一

2 先端解析技術を活かした材料物性と組織の研究 ·······················································································
曽根 宏，浦 啓祐，遠藤 崇正，伊藤 桂介

7

3 次世代耐熱・耐摩耗被膜の開発 ·····················································································································

11

大山 礼，阿部 一彦，宮本 達也，水上 浩一，鈴木 鋭二

4 熱可塑性プラスチック再資源化技術高度化事業 ························································································
今野 奈穂，浦 啓祐，佐藤 勲征

5 機能性油脂を保持したかまぼこの長期保存技術の開発― 地域特産物の特性制御技術の検討 ― ··························································································

1521

小山 誠司，佐藤 信行，大坂 正明，畑中 咲子

6 減塩味噌の製造プロセスの検討― 地域特産物の特性制御技術の検討 ― ··························································································
羽生 幸弘，浅野 壮宏，畑中 咲子

25

7 宮城マイ酵母保存株の特性評価― 清酒製造技術の高度化 ― ················································································································
吉村 緑，奥原 秀樹，橋本 建哉

35

8 酒米新品種「吟のいろは」（系統名：東北酒 218 号）の普及と県内産酒造用原料米の品質調査― 清酒製造技術の高度化 ― ················································································································
稲生 栄子，瀬尾 直美，有住 和彦，石川 潤一，吉村 緑，橋本 建哉

41

9 新たな宮城県産酵母の育種― 清酒製造技術の高度化 ― ················································································································
石川 潤一，吉村 緑，瀬尾 直美，稲生 栄子，有住 和彦

49

【短報】
1 デジタルファブリケーションによる地域商品開発 ··························································································

55

益田 佳奈，篠塚 慶介，伊藤 利憲

2 多相流シミュレーション技術の高度化研究 ···································································································
吉川 穣，内海 宏和，齋藤 佳史，家口 心

59

3 環境発電，多点センシング，ビッグデータ処理を活用した県内産業の高度化 ······································

65

小野 仁，中居 倫夫，今井 和彦，太田 晋一，荒木 武，高野 寛己，林 正博

4 機械学習を用いた時系列データ解析 ············································································································
岩沢 正樹，阿部 宏之

5 気象積雪条件による滑雪塗料の機能発現機構の解明に関する研究（2）― 素材先端技術活用推進事業 ― ·······································································································

71

77

今野 奈穂，四戸 大希，佐藤 勲征

6 次世代素材活用推進事業 ·······························································································································
佐藤 勲征，遠藤 崇正，今野 奈穂，四戸 大希，推野 敦子

83

7 みやぎアップグレードリサイクル推進事業 ·····································································································
佐久間 華織，推野 敦子，佐藤 勲征87【ノート】
1 ビジネスモデルキャンパスなどを活用した企業分析の可能性調査 ·························································

91

樋口 敦，伊藤 伸広，岩沢 正樹

2 最適化設計の活用可能性調査 ·······················································································································
内海 宏和，家口 心，齋藤 佳史，吉川 穣

93

3 EMC 総合試験棟垂直立ち上げに関わる調査 ·····························································································

95

坂下 雅幸，佐藤 裕高

4 小角 X 線散乱（SAXS）による構造解析に関する技術調査 ·······································································
遠藤 崇正，伊藤 桂介

99

5 X 線分析機器の食品分野への応用に関する調査 ···················································································· 103
浅野 壮宏，高山 詩織，水上 浩一，羽生 幸弘，小山 誠司，畑中 咲子

6 無線湿度測定システムを用いた恒温恒湿槽の湿度性能の評価 ···························································

109

林 正博，小野 仁，阿部 宏之

7 防災重点ため池の地震加速度の監視，及びそのための簡易自立電源の開発 ································· 115
小野 仁，小泉 慶雄，遠藤 武聡

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【研究論文】【令和2年度～令和3年度 県単研究】

プリンテッドデバイス作製技術研究
小松 迅人，天本 義己，高田 健一
機械電子情報技術部
プリンテッドエレクトロニクスは，印刷技術を応用し様々なフィルムなどの基材に機能性インクを用いて回路，デバイス，電子構造等を形成する技術である。この技術は，フォトリソグラフィを用いた手法と比較すると工程を集約できることや回路部分等の直接描画になるので材料の低減が見込まれること，近年の機能性インクの開発やプリンテッドエレクトロニクスに適した印刷装置の開発，薄型でフレキシブルな電子機器の需要，世界的な環境負荷低減の高まりで益々注目されている 1）。一方，プリンテッドエレクトロニクスを検討している企業は，この技術にはノウハウが多く全体像が見え難いため，踏み出せずにいる現状がある。
そこで，本研究では，版の作製から印刷までの一貫した流れの構築，そして版の線幅寸法と印刷物の線幅寸法の誤差を低減する適切な印刷ロールの押込み量の把握を行い，その結果として線幅が徐々に変化する回路の作製が出来たことを報告する。また，この研究を実施することで，版の作製から印刷までの一貫した作製の流れやプリンテッドデバイスの試作体験作を通して，地域企業がプリンテッドエレクトロニクス分野を検討し，展開するための情報を提供できる素地を作ることができた。
キーワード： マスクレスアライナー，Deep-RIE，反転オフセット印刷機，Agナノインク
1

緒言

2

近年，プリンテッドエレクトロニクスは，機能性インクや実験方法

2.1 簡易印刷版の作製方法について

プリンテッドエレクトロニクスに適した印刷装置の開発，薄型でフレキシブルな電子機器の需要，世界的な環境

印刷版の基材は，感光性樹脂，アルミやガラスなどを負荷低減の高まりで注目されている。

用いる例が多い。一般的には，版の作製にはマスクパタ

プリンテッドエレクトロニクスは，印刷技術を応用して電ーンが必要になることや，これらの基材を用いて版を作

子回路を形成する手法で，機材と機能性インクの選択

製するには時間がかかるため，比較的早く形成できる印が可能であるため，アイディア次第で様々な分野への刷手法を用いて試作するメリットが出せない課題のひと展開が期待されている。また，この手法は，回路やデバつと考える。そこで，シリコンウエハを用いた簡易版の作

イスを描画したい場所に直接印刷するので，除去加工

製手法を検討することにより，デバイス試作として印刷で行う従来手法との比較では工程の集約ができることや手法を用いる利便性の向上の検証を，下記の手順で行材料低減が見込まれる。

った。

現在，メンブレンスイッチ等の一部や太陽光パネルな
どの回路形成に印刷プロセス 2） が用いられているが，① 回路設計パターン作製：LayoutEditorを用いて作IoTセンサーや各デバイスへの作製応用には全体の流図・編集，ポリゴン化を行いGDSⅡデータへ変換

れが見え難いため，地域中小企業での検討が消極的② シリコンウエハにフォトレジスト塗布しプリベークになっていると考えられる。

③ マスクレス転写：マスクレスアライナーを用いたシ本研究では，企業等から提供いただいたモチーフのリコンウエハへの直接描画

デバイスを試作開発することで地域中小企業が活用す④ 現像およびポストベーク

る上での課題等を抽出しつつ，版作製から印刷までの⑤ エッチング：Deep-RIEによる深掘りエッチング3）

一連の工程を構築し，プリンテッドエレクトロニクス分野⑥ 残膜処理：酸素プラズマの検討および展開に資する情報を提供できる素地を作
ることを目的として実施した。

－ 1 －The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

3 実験結果及び考察
3.1 簡易印刷版の作成
10mm角の範囲に5μmのラインアンドスペースの直線状のパターンをシリコンウエハ上に36個配置したサンプル（図3）を試作した。ここでは，①から⑥までの工程を通して1時間程度で簡易版が作製できた。
図１ マスクレスアライナｰ MLA150(ハイデンベルグ・イントルメンツ社製)
2.2 反転オフセット印刷
プリンテッドエレクトロニクスを適用する回路の一例として，透明の基材等を使用して光の透過性を高めるアプ
リケーションでは，その視認性の要求からミクロンレベルの微細な線幅が求められている4）。

図 3 シリコンウエハ上に配置されたパターン

そこで，ミクロンレベルの線幅の印刷が可能な，反転オフセット印刷機(図2)を用いて転写スピードによる精度の検証を行った。
反転オフセット印刷法の工程を図2に示す5）。

3.2 ｄｘｆ形式データサンプル回路パターンの編集
次の検討では，企業からdxf形式のサンプル回路パターンデータを提供いただき反転オフセット印刷用の版を作製した。ｄｘｆデータを，LayoutEditorで開くとデータ変換の問題から曲線部で欠損や破線する例が見られた(図4)。マスクレスアライナー用に各オブジェクトが閉じた
ポリゴン形式のGDSⅡデータにする必要があるため，破線化した部分（図4）を中心に修正および再設計を行った。修正後の回路パターンの全体像を図5に示す。

図4

細線パタンが破線した一例

3.3 サンプル回路パターンの版作製について修正および再設計しポリゴン化したマスクレスアライ
ナー描画用のデータは，4インチウエハに4個の配置が
図 2 反転オフセット印刷機の印刷工程の概要

出来るように並べて作成し，フォトレジストを塗布したシリコンウエハにマスクレスアライナーを用いて描画を行っ－ 2 －宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

た。図6にRIEエッチング処理を行ったシリコンウエハのンクの乾燥のためブランケット側から基材に印刷が適切

写真を示す。

に出来ない傾向が見られた。
表 1 転写速度のみ変化させた場合のそれぞれの状態
転写速度

印刷されたサンプル

1ｍｍ/ｓ

14mm/s
図 5 編集後のサンプル回路パターン

3.5 反転オフセット印刷機の押込み量が転写状態へ与える影響
半乾燥状態のインクが適切に基材に付着させるためには，適切な押込み量が必要であると考えます。
転写速度を7mm/sの状態で，基材に転写する際の押込み量を変化させ，印刷状態を観察した(表2)。
図 6 エッチングしたシリコンウエハ
表 2 押込み量のみ変化させた場合のそれぞれの状態
ここでは，5µmで設計した線幅部は,エッチングしたシ
押込み量(μm)

リコンウエハの同じ線幅部を共焦点顕微鏡で計測した印刷されたサンプル結果4.81µm（4箇所計測の平均）であった。
0(基準)3.4 反転オフセット印刷機の転写速度による転写状態
の傾向把握
-10

反転オフセット印刷機には，インク塗布速度，インクな
じみ時間，印刷ロールの回転速度，印刷ロールの水平方向移動速度，印刷ロールの押込み量のようなパラメータがある3）。転写速度と押込み量の変更に絞り転写状態の傾向を把握した。

基準とした押込み量より10µm上方に変化させたサン
プルの状態を見ると正確に転写されていることが確認出

Ａｇナノインクはフューチャーインク社製の（F-nano

来た。基準の押込み量で印刷されたサンプルは，端面R0100GE）を用いた。転写パターンは，基本パターンとに剥離が見られた。これはインクの受け渡しが行われる

して作製した10umの線幅のサンプル形状の版を用い，

ソフトタッチの状態を超えたことから起こると推測する6）。

反転オフセット印刷機の転写精度の傾向を把握するために，転写速度を変化させた(表1)。

3.6 サンプル回路パターンの版の押込み量と印刷精度

転写速度を比較すると，速度が1mm/sで印刷されたの傾向サンプルでは剥離が見られた。これは，基材に転写される前にインクが乾燥し，ブランケット側に一部残ってしまったことからインクが定着しなかったものと推測する。

印刷ロールのZ位置が-10µmの違いで印刷の精度が変るため，押込み量と印刷された5µmの線幅部で変化

一方，転写速度が14mm/sの場合は形状が剥離無く転写されていた。以上の結果から転写速度が遅いとイの傾向を見た。ワークが変化すると3.5で論じた押込み
量は使用できなかった。

－ 3 －The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

ワーク接触位置から150μmの押込み量では形状が潰れてしまい，10μmではインクの付着が所々であったため，形状の転写が出来ている25μm，50μm，100μmの押込み量に絞り検討することにした。
ワーク接触位置から25μm，50μm，100μmとインクが塗布されたブランケットが設置してある印刷ロールをシリコ
ンウエハおよびガラス基材に押し込んだ際に，ガラス基材に印刷された線幅は50μmの押込み量の時に精度良
図 9 サンプル回路のパターン 2

く印刷が行われていた。
図7のグラフは，シリコンウエハの4.81μm（4箇所計測の平均）線幅部と印刷された線幅部を共焦点顕微鏡で3．8 考察測定し，押込み量と版の線幅と印刷線幅との差を4箇所計測し平均しグラフにしたものである。

今回の実験では，押込み量の調整により小面積では印刷の精度の向上が見られた。大面積では，押込み量

版と印刷形状との差(mm)0.1のアプローチだけでは印刷精度の向上は難しいと推測
0.05

され，ワーク接触位置の制御を正確に調整できる機構の検討が必要になると考えられる。

0

4 結言

-0.05
-0.1

本研究により簡易印刷版をシリコンウエハで作製するプロセスの開発と反転オフセット印刷機の転写精度の

-0.15
0

50

100

向上に関する条件調整により線幅が徐々に変化する回

150

路の作製が出来た。

押込み量(µm)

簡易印刷版の作製手法の確立には，東北大学マイク
図 7 印刷精度と押込み量の関係

ロシステム融合研究開発センターのマスクレスアライナ
ー，Deep-RIEを使用し，印刷条件検討には，山形大学

3.7 サンプル回路パターンの印刷

有機エレクトロニクス研究センターの反転オフセット印刷
機およびAgナノインク(株式会社フューチャーインク社

印刷精度と押込み量の関係から，版の線幅と印刷さ製)を使用し，下記の流れで，簡易印刷版の作製手法のれた線幅が近い値を示している押込み量でサンプルの確立および印刷条件検討実験を行った。版の作製から印刷を転写速度 7mm/s で行った。

印刷までの一貫した流れの構築および版の線幅寸法とサンプル回路パターンで線幅が徐々に変化する部分

印刷物の線幅寸法の誤差を低減する適切な印刷ローおよび曲線部の印刷が精度良く印刷されていることがルの押込み量の把握を行い線幅が徐々に変化する回見られた(図8，図9)。

路の作成が可能となった。
（１） 簡易印刷版の作製プロセス開発（２） 高精度反転オフセット印刷機の操作方法確認（３） 転写スピードおよび押込み量による転写状態の傾向把握（４） 押込み量と印刷精度の関係把握（５） 回路データサンプルの印刷結果の確認
電子デバイス用の回路作製について印刷手法を通し

図 8 サンプル回路のパターン 1て簡易版の作製から印刷までの確認ができた。印刷手－ 4 －宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

法に適したデバイス作製が一般的になっていく可能性を秘めていることが予想できた。
謝辞
本研究を進めるにあたり山形大学有機エレクトロニク
ス研究センター時任静士卓越研究教授および竹田泰
典助教，東北大学マイクロシステム融合研究開発センタ
ー戸津健太郎副センター長および中尾正史講師には多大なるご協力を頂きました。また，株式会社丸和製作
所の住吉幸雄常務取締役には，サンプルデータの提供をいただきました。ここに謝意を表します。
参考文献
1） 時任静士：フレキシブル印刷有機エレクトロニクスの進展開.日本印刷学会誌第56巻第3号別刷
2） 竹田泰典：印刷法を用いた有機集積回路の作製プ
ロセスの開発と性能評価. 電子情報通信学会論文
誌 C Vol.J103-C No.3 114-119(2020)3） 森山雅昭: シリコン深掘りエッチング（Deep RIE）における超精密形状制御
https://www.nanonet.go.jp/magazine/feature/outs
tanding-staff/1.html
4） 牛島 洋史, 日下 靖之, 野村 健一, 藤田 真理
子, 後藤 理恵, 山本 典孝, 安部 浩司: プリンテッドエレクトロニクスのための高精度印刷.第25回マイクロエレクトロニクスシンポジウム p. 193-196
5） Kenjiro Fukuda,Yudai Yoshimura,Tomoko Okamoto,Ysunori Takeda , Daisuke Kumaki , Yoshinori
Katayama and Shizuo Tokito : Reserve-Offset
Printing Optimized for Scalable Organic Thin-Film
Transistor with Submicrometer Channel Length
Advance Electronic Materials,1,201400145(2015)6） Yasuyuki Kusaka , Ken-ichi Nomura , Nobuko
Fukuda and Hirobumi Ushijima : Microcontact
Patterning of Conductive Silver Lines by Contact
Inkingandits

Layer-Transfer

Mechanisms.

J.Micromech.Microeng.25(2015) 055022(9pp)－ 5 －The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19－ 6 －宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【研究論文】【令和2年度～令和3年度 県単独試験研究】

先端解析技術を活かした材料物性と組織の研究
曽根 宏，浦 啓祐*1，遠藤 崇正，伊藤 桂介
材料開発・分析技術部*1（ 現 自動車産業振興室）
新工法による製品開発や新材料開発において，大規模計算によるシミュレーションや放射光施設，中性子線実験施設等を利用した例がある一方で，規模の小さな開発案件についてはトライアンドエラーによる開発が多く，組成や加工条件等の違いがどのように物性や製品の出来映えに影響しているのか不明なま
ま，製品製造時や完成品に不具合がなければそのまま開発は終了となっていた。
本研究では，プレス加工製品とセラミックスシンチレータを対象とし，物性と材料組織・組成との関連性，加工条件等と材料組織との関連性を解明し，材料物性の向上や品質向上につなげ，企業の技術開発力
向上につなげることを目的とする。
プレス加工製品については当センター保有の分析機器を用いて組織観察等を行い，プレス工程の改善に資する情報が得られ，セラミックスシンチレータについては透光性に影響を与える焼結条件に関する情報を得たので報告する。
キーワード： プレス加工，シンチレータ，走査電子顕微鏡，焼結
1 緒言

一方透光性セラミックスは1950年代にCobleらにより実証され 4），多くの研究がなされてきたが，近年は単結新工法による製品開発や新材料開発において，大規模計算によるシミュレーションや放射光施設，中性子線晶の代替ではなく，結晶育成では困難な材料合成が期待されている5）。

実験施設等を利用した例がある一方で，規模の小さな

放射線検出を目的としたシンチレータは，放射線と物開発案件についてはトライアンドエラーによる開発が多質と相互作用を起こす際，放射線のエネルギーを多くく，組成や加工条件等の違いがどのように物性や製品

吸収しなければならない。放射線の種類により異なるが，の出来映えに影響しているのか不明なまま，製品製造

ガンマ線の場合は有効原子番号が大きく，密度が高い

時や完成品に不具合がなければそのまま開発は終了と必要がある。さらにシンチレーション発光を捉えるため，なっていた。

透明でなければならない。これらの条件を満たす素材と1）

プレス加工製品の開発では，品質工学の観点 やシ
ミュレーションを用いて

2），3）

して，Ce:Gd3（Ga，Al）5 O2 （以下Ce:GAGGと記述する）

品質向上や成形性の向上を

単結晶や光学セラミックスが挙げられる。Kurosawaらは目的に数多くの開発が続けられてきた。その一方で金

パルス通電焼結機を用いてCe:GAGGの透光性セラミッ

型と母材の摩擦・摩耗によるキズ・割れ・シワ・破断・バリ

クスシンチレータの開発に成功しており 6)，実用化が期などの発生や加工硬化・潤滑不良などに伴う成形不良

待されている。これらは高速に焼結実験のできるパルスは常に発生し，シミュレーションや経験だけでは原因を通電焼結機を用い，多数の実験から添加剤，焼結条件解明することができないこともあり，様々な視点からの評の最適組合わせを決定している。

価技術・知見が求められている。

本研究ではCe:GAGGの一部サイトを希土類に置き

本研究ではこうした状況に応えるため，不良解析に換え放射線応答を変化させた素材の焼結方法につい必要な評価技術を調査し，走査電子顕微鏡による表面て，加圧力と加熱のタイミングに関する情報を得て，透観察・破断面観察，XRD等による極点図からの配向特光性を向上させることを目的とした。

性考察を行いプレス加工における不良原因の解明に資する情報を得ることに加え，その情報を生かした工程改善を目的とする。

－ 7 －The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

2 実験方法

焼結温度はパルス通電焼結装置の電流量で制御した。焼結時間は全サンプル同条件で焼結温度，加圧

2.1 プレス加工製品

力，加圧タイミングをパラメーターとして焼結した。
各条件の焼結サンプルを板状に切断し両面を研磨しサンプルとして加工時にある特定の位置にバリが生じた。

るSUS304製プレス加工製品を用いた。表面の組織観察のため，王水を用いたエッチング処理条件の探索を行

3 実験結果及び考察った。
既報では，日立ハイテク製SU5000に装備したEDAX

3.1 プレス加工製品 表面観察

7）

PegasusEDS/EBSPを用いて極点図を報告 したが，今回は極点図から配向方向に関する解析を行った。

図2に王水に30秒浸漬したサンプル写真を示す。粗日立ハイテク製SU5000を用いてプレス加工製品剪断
面の二次電子像を観察した。プレス加工時の加工製品

研磨後にもかかわらず組織が露出しており，各観察に利用できることが分かった。

への力を類推するため，前処理は行わず，断面を検出器に直接向けて加速電圧15kVで観察した。
2.2 セラミックスシンチレータ
酸化ガリウム，酸化ガドリニウム，酸化セリウム，酸化ア
ルミニウム，酸化セリウム以外の希土類酸化物を
Ce:GAGG（REE exc Ce 5％）の化学量論比から外れな

図 2 エッチング後サンプル

い割合で均一に混合し，その混合体を電気炉内で加熱し，高温合成を行った。これら前駆体固相間の反応はSUS304製プレス加工製品の正常品とエラー品では表固相内の原子またはイオンの拡散によって成されるた面組織に違いが見られず，不具合の原因は素材由来

8）め，一般に数百度から千数百度の高温を要する 。本ではないことが推測された。

実験でも同様の温度帯で加熱した。電気炉はネムス製
SS1700B4Sを用い，大気雰囲気で高温合成した。そこで

3.2 プレス加工製品 結晶方位

得たCe:GAGG（REE exc Ce 5％）原料粉末を東洋炭素製等方性黒鉛（ISO-68）の内径20mmのダイス，同素材

図3に既報7）で報告した極点図を示す。図3より，試料の直径20mmのパンチを組み合わせ焼結型としたものにの結晶方位がランダムな分布ではなく，配向性を持ってパッキングし，パルス通電焼結装置（住友石炭鉱業製いることがわかる。図4に｛111｝面を示す。図3と図4よりDr.SinterSPS7.40：図1）にセットした。

圧延することで面心立方格子FCCのすべり面に配向していることが分かった。

図 1 パルス通電焼結装置 Dr.SinterSPS7.40

図 3 極点図－ 8 －宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

いたサンプルでは日立ハイテク製SU5000を用いて走査二次電子像で組織を観察したところ違いは見られなかった。可視光の吸収に関わる電子構造も影響していることが予想される。

図 4 ｛111｝配向面
SUS304製プレス加工製品の正常品とエラー品では結晶方位に違いが見られず，不具合の原因は素材の圧延加工由来ではないことが推測された。
3.3 プレス加工製品 剪断面観察
図 6 Ce:GAGG（REE exc Ce 5％）セラミックス
左：加圧力 低圧

図5にエラー品 加工時の流れ方向・その反対側断

中：加圧力 高圧

面の二次電子像を示す。

右：加圧力タイミング 低圧

4 結言
30μｍ

30μｍ

SUS304プレス加工製品の解析とその情報から工程改善を行った。セラミックスシンチレータの焼結条件の探図 5 二次電子像 右：流れ方向断面索を行った。その結果，以下の知見が得られた。

左：反対側断面hantai
流れ方向断面のみに破断面があり，バリの発生位置（１） SUS304プレス加工製品のエッチング処理，配向の一致することから製品の不具合の原因であることが推特性，二次電子像観察を行い，情報獲得に必要測された。流れ方向面の金型のクリアランスを小さくし,な前処理の最適条件，物性に関する情報を得た。

送り速度を小さくすることで,不具合が解消された。

（２） SUS304プレス加工製品のエッチング処理からの表
面観察，配向特性の解析から，素材の圧延板の3.4 セラミックスシンチレータ

品質は安定しており，不具合の原因である可能性が低いことが分かった。

図6に各条件で焼結したサンプル写真を示す。パル（３） SUS304プレス加工製品の剪断面観察から加工時

ス通電焼結装置 の場合，昇温前に所定の全荷重を付の破断が不具合の原因である可能性が高いことが加し，焼結中これを維持するプロセスが広く用いられる9）。

分かった。

そのプロセスで低圧を付加したものが「加圧力 低圧」，

（４） SUS304プレス加工製品の加工時に破断が発生し高圧を付加したものが「加圧力 高圧」，焼結が始まる

ないよう，金型のクリアランスを調整したことで，不10）温度より高く黒鉛の移動速度距離 が全焼結時間中で具合が解消した。

1mm以下になる温度で全加重を付加するプロセスが（５） Ce:GAGG（REE exc Ce 5％）セラミックスの直線透「加圧力タイミング 低圧」である。「加圧力 低圧」と「加光性を出す条件として加圧力，加重付加温度が圧力タイミング 低圧」の加圧力は同じである。「加圧力影響することが分かった。

タイミング 低圧」のCe:GAGG（REE exc Ce 5％）は直線（６） Ce:GAGG（REE exc Ce 5％）セラミックスの焼結条

透光性があることから，加圧温度も透光性に影響するこ件を変えたサンプルで，組織の違いが見られなかとが分かった。加圧温度を変化させることで透光性が向ったため，不純物の吸収，空隙の散乱の他に可視上すること

11) 12) 13) 14) 15)，メカニズムとして，閉気孔が小さ
9)

くなり，数も減ることが報告されている が，本実験で用－ 9 －光の吸収に関わる電子構造が影響していることが予測された。

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

参考文献
1)

夜久仁,プレス部品の品質解析,品質管理,197511.26(11臨増).1383-1387

2)

矢野裕司 他,成形シミュレーション結果を用いたプレス部品の強度解析に関する基礎評価,平成10年度塑性加工春季講演会講演論文集,1998.407408

3)

粟生英之 他,CAEによる自動車部品のプレス成形性 解 析 ,Mitsubishi Motors Technical Review.
1992-3. 4. 51-63

4)

C.Greskovich

and

J.P.chernoch:

J.ApplPhys.44(1974)4599
5)

A.Ikesue:The

Reviewof

Laser

Engineering

47(2019)421
6)

S.Kurosawa:The Review of Laser Engineering
47(2019)433

7)

浦啓祐 他,プレス加工技術高度化高品質化に関する技術調査,宮城県産業技術総合センター研究
報告, 2020, No17, 93-94

8)（公社）日本セラミックス協会編 セラミック
工学ハンドブック第2版 116. 技報堂

9)

森田孝治

放電プラズマ焼結(SPS)装置を用いた透光性セラミックスの創製

MTERE2 53（2014）

3-1110) 山内 繁, 佐々 正
1971年

67号

11) L.An,A.Ito

炭素の化学的性質

炭素p140-147
and

T.Goto:J.Am.Ceram.Soc.,

94(2011), 695-698
12) L.An,A.Ito

and

T.Goto:J.Eur.Ceram.Soc.,

31(2011),1597-1302.
13) R.Chaim,Z.Shen and M.Nygren:J.Mater.Res.,
19(2004),2527-2531.
14) C.Wang and Z.Zhao:Scripta Mater.,61(2009),
193-196.
15) S.Grasso,C.Hu,G.Maizza,B.-N.Kim

and

Y.Sakka:J.Am.Ceram.Soc.,94(2010),14051409.

－ 10 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【研究論文】【令和2年度～令和3年度 県単独試験研究】

次世代耐熱・耐摩耗被膜の開発
大山 礼*1，阿部 一彦，宮本 達也，水上 浩一，鈴木 鋭二
材料開発・分析技術部（*1現 新産業振興課）
近年，自動車用材料における高張力鋼板の使用率が上昇しており，その強度も改良されているが，金型のコーティング技術は従来のTiCN等のPVD膜のままであり，さらなる性能向上が望まれている。一方，東北大学の吉見らによって開発されたMoSiBTiC合金は高い耐熱性と耐摩耗性を有しており，金型への応用も期待できる材料であるが，耐酸化性が低いことが実用化への課題となっている。そこで，本研究では，
MoSiBTiC合金の耐酸化性を改善するとともに，耐熱・耐摩耗コーティングとしてプレス金型やダイカストマ
シンの部品として応用できないかを検証するため，開発したMoSiBTiC合金を粉末焼結して高温圧縮強度を評価するとともにアルミ溶湯との反応性の評価を行った。
キーワード： 金型，プレス，ホットスタンプ，MoSiBTiC，耐摩耗コーティング，アルミダイカスト
1 緒言

2 実験方法

近年，自動車に用いられる高張力鋼板は乗員保護と

MoSiBTiC母合金はアーク溶解により作製した。元素

ともに燃費向上による環境保護の観点からその使用率の添加は1元素毎に行い，1元素添加毎に秤量して目(1)が多くなっている 。また，鉄鋼技術開発の進歩によりそ(1)

的重量を添加できているかを確認した。溶解はMo→の強度は１000MPaを超える材料も開発されている 。そTiC→B→Si→Ti→耐酸化性向上元素の順番で添加し，の中でも通電加熱等で900℃以上に加熱された鋼板を

CはTiC化合物の形態で添加した。

プレス金型で急冷した際に生じるマルテンサイト相変態
により強度を高めるホットスタンプという技術では2.1 耐酸化性及び高温圧縮強度の比較

1500MPa以上の強度を有する高張力鋼板が開発されている(2)。ホットスタンプ用金型では900℃以上に加熱されMo合金の中温域（400～600℃）劣化の対策として，た鋼板と接するため，耐摩耗性と耐焼付き性，耐酸化

SiO2による耐酸化性皮膜形成を目的としたSi添加が挙性が求められる。しかし現在主流のプレス金型コーティ

げられる (3)。そこで，新合金としてSiを増量するとともに，ング技術はPVDによるTiCやTiN膜が主流であり，耐酸Mo3Si に よ る 脆 化 を 防 ぐ た め ， Ti 量 を 増 加 し ， 49Mo-

化性や大型部材への処理について課題がある。

28Ti-15Si-5B-3C(at%)という合金を作った。これを【28Ti】

一方，耐熱合金として注目されるMo合金が東北大学(3)とする。さらに，耐酸化性を高めることを目的として，Cr

吉見らによって開発されている 。本合金は次世代耐熱を添加し，42Mo-28Ti-15Si-5B-3C-7Cr 【28Ti-7Cr】，

合金として長年研究されてきたMoSiBにTiCを添加する

及びTiの添加量を増やした40Mo-30Ti-15Si-5B-3C-

ことで課題とされてきた室温破壊靭性を改善させ，

7Cr 【30Ti-7Cr】の２つの組成を作製し，耐酸化性の比

15MPa(m)1/2以上の特性を得ている。本合金は較を行った。表１に合金継承と組成を示す。

MoSiTiC(モシブチック)と命名され，実用温度1400℃以上の耐熱合金として開発中であるが，800℃付近の耐酸化性に課題がある。

表1 合金継承と組成
名称

合金組成 (at%)

本研究では，耐酸化性に優れたMoSiBTiC合金を開従来

65Mo-5Si-10B-10Ti-10C発するとともに，プレス金型やダイカスト部品のコーティ

28Ti

49Mo-28Ti-15Si-5B-3C

ング素材への適用を評価し，耐熱・耐摩耗特性に優れ

28Ti-7Cr

42Mo-28Ti-15Si-5B-3C-7Cr

たコーティング技術を開発することを目的とする。

30Ti-7Cr

40Mo-30Ti-15Si-5B-3C-7Cr－ 11 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

耐酸化性の試験は，マクロ熱重量測定装置（島津製

3.1 耐酸化性ついて

作所製 TGA-50）を用い，800℃24時間の重量変化を確認することで評価した。実験雰囲気はAr:39.5ml/s，耐酸化試験の結果を図2に示す。従来のMoSiBiCでO2:10.5ml/sのガスフロー雰囲気で実施した。試験片サは 急 激 な 重 量 減 少 が み ら れ た が ， 28Ti-7Cr お よ び

イズは4mm×3mm×3mmである。

30Ti-7CrではMo相に固溶する耐酸化元素の添加によ作製した合金の高温圧縮強度の評価はインストロン

り劇的に重量減少が抑えられている。

(インストロン・ジャパン製 8802型） で評価した。真空雰
30Ti-7Cr

試験片は幅2mm×奥行2mm×高さ4mmである。

28Ti-7Cr
重量変化率(%)

囲気において温度1400℃，ひずみ速度10-4で実施した。

2.2 粉末焼結体とアーク溶解剤の比較
先に記載した手順で作製した合金を横型帯域溶融ア

28Ti

ーク炉でφ11mmの棒状にし，ガスアトマイズにて粒径～300μmの粉末を作製した。

従来品

さらに，作製した粉末を放電プラズマ焼結機（住友石炭鉱業製 Dr.Sinter SPS-7.40）にて焼結し，2.1と同等

暴露時間(hr)の条件で，インストロンで焼結体とアーク溶解材との高

図2 800℃における各MoSiBTiC合金の重量変化

温圧縮強度の違いを評価した。
さらに，28Ti-7Cｒと30Ti-7Crについて詳細を確認す
2.3 アルミ溶湯との反応試験

ると，僅かに30Ti-7Crが28Ti-7Crより重量減少率が低いことが分かった。

アルミダイカストマシンへの適用を検討するため、ア
ルミ溶湯中との反応を評価した。用いた溶湯は
ADC12(Si量12wt%)とAC7A(Mg量4.5wt%)である。24時間
重量変化率(%)

及び96時間、溶湯に浸漬した後、試料をダイヤモンド砥
石で切断し，断面をイオン研磨装置(日立ハイテクノロジーズ製 IM4000PLUS)で研磨し，走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製 SU-5000)を用いて，MoSiBTiC
表面に生成した化合物の観察を行った。

30Ti-7Cr

28Ti-7Cr

3 実験結果及び考察
暴露時間(hr)

28Ti-7Cr ， 30Ti-7Cr の 組 織 を 図 １ に 示 す 。 柱 状 のMo5SiB2 が，30Ti-7Crでは細かくなっており，分解しつ

図3 800℃における28Ti-7Crと30Ti-7Crのつある状態が確認出来る。

重量変化比較

Ti5Si3TiC

さらに，高温圧縮強度の結果を比較した結果を図4に示す。Cr添加による融点低下にもかかわらず28Ti-7Cr

Mo5SiB2は圧縮強度が従来品と同等であることが確認出来る。
一方で，Mo合金の強度に貢献しているMo5SiB2が若Mo 固溶体干減少している30Ti-7Crは，28Ti-7Crにより圧縮強度
図1 アーク溶解後のMoSiBTiC合金組織が低いことが分かる。

(左)28Ti-7Cr (右)30Ti-Cr－ 12 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行示す。溶解材では従来のMoSiBTiCとほぼ同等の強度を示したが，粉末冶金で作製した試料では半分程度の強度に低下してしまった。粉末冶金試料で強度が低下

28Ti
従来品

した原因は非常に細かい組織が影響していると思われ

28Ti-7Cr

る。

30Ti-7Cr
従来品
28Ti-7Cr
SPS 1550℃
図4 800℃における各MoSiBTiC合金の圧縮強度
SPS 1480℃

3.2 粉末焼結体とアーク溶解材の比較作製した粉末を放電プラズマ焼結機にて焼結し，焼結体とアーク溶解材の材料特性を評価した。その組織

図7 粉末焼結体とアーク溶解材の高温圧縮強度を図5，6に示す。また，焼結体における各相の割合を表2に示す。

また，シェブロンノッチ法による破壊靱性値測定結果を表3に示す。ここでも焼結体の破壊靱性値が，従来のMoSiBTiCの半分となっている。
表3 破壊靱性試験結果
材質

図5 1480℃焼結体の組織写真

KQ [MPa(m)1/2]

28Ti-7Cr (1460℃焼結)

6.8

28Ti-7Cr (1550℃焼結)

7.2

従来品

15.2

(左) 二次電子像 (右) 相マップ
3.3 アルミ溶湯との反応について
ADC12溶湯660℃に従来MoSiBTiCを96時間浸漬したところ，表面にAlとSiの拡散が確認された(図8）。組織
はMoSiBTiCの形態を示しており，AlとSiがMoSiBTiC内に拡散侵入していることが分かる。また，拡散層にクラックが発生している。

図6 1550℃焼結体の組織写真

AC7A溶湯700℃に，28Ti-7Crを24時間浸漬したこと(左) 二次電子像 (右) 相マップ

ろ，MoSiBTiC表面にMo，Mgの反応層が確認できた(図9）。この反応層はMoSiBTiC表面から成長する形で形成

表2 MoSiBTiC焼結体における各相の割合
焼結温Mo

Ti5Si3

Mo5SiB2

TiC

度(℃)

■

■

■

■

1480

65

16

16

3

1550

51

30

17

2

されている。
Si添加されたアルミ合金の場合，今回確認された様なクラックが発生すると考えられ，Siの拡散を防ぐ合金組成を考える必要がある。それに対しSiを含まないAC7A
合金ではクラックも発生せず，良好な表面状態であった。

（単位：Volume％）

表面の成長層については今後影響を調査する予定である。

粉末焼結体とアーク溶解材の高温圧縮強度を図7に－ 13 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

4 結言
Mo

SEM

アーク溶解と粉末冶金で作製したMoSiBTiCの耐酸化性の改善および強度について評価すると共に，アルミダイカストへの適用を目指し，アルミ溶湯との反応性の
クラック

Al

評価を実施した。その結果，以下の知見が得られた。
Ti

1)

従来のMoSiBTiCに対してSi，Tiを増量すると共にCrを添加することにより，800℃付近での耐酸化性が著しく向上した。

2)

耐酸化性向上MoSiBTiCの高温圧縮強度の評価を行ったところ，溶解材であれば従来合金と同等の強度を得られることが分かった。一方で焼結材

Siでは強度，破壊靱性とも従来合金より低下した。
3)

アルミ溶湯とのMoSiBTiCの反応性評価を行ったところ，ADC12溶湯に浸漬すると，SiがMoSiBTiCに拡散， クラック 発生し た 。一 方で ，Siを 含 まな い
AC7Aでは拡散がほぼ見られなかった。
謝辞

図8 AD12溶湯浸漬後におけるMoSiBTiC表面の元素分布

本研究を進めるにあたり東北大学工学部工学研究科
SEM

Mo

吉見享祐教授をはじめとした研究室の皆様には多大なるご協力を頂きました。ここに謝意を表します。
参考文献
1)

Al

小宮幸久，自動車用鉄鋼材料の現状と動向，神戸製鋼技報,52-3(2002) p.1-5

Ti
2)

齋藤和也，自動車用ハイテン材の現状，まてり
あ,53(2014) p.584-588

3) 吉見享祐，Mo-Si基金属間化合物からMoSiBTiC合金への展開，まてりあ,58(2019) p.363-370
Mg

図9 AC7A溶湯浸漬後におけるMoSiBTiC表面の元素分布－ 14 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022年発行【研究論文】【令和3年度 産業廃棄物税活用事業】

熱可塑性プラスチック再資源化技術高度化事業
今野 奈穂，浦 啓祐，佐藤 勲征（Nao Konno，Keisuke Ura *1 ，Noriyuki Sato）
材料分析・開発技術部（ *1 現 自動車産業振興室）
熱可塑性プラスチックのリサイクル率向上のため，県内工場等の排出実態及びマテリアルリサイク
ルにおける技術的課題等の調査並びにプラスチック再生材の劣化度評価に係る研究を行った。
県内のプラスチック成形加工工場等の熱可塑性プラスチック廃棄物の排出実態及びマテリアルリ
サイクルにおける技術的課題等を調査した結果，プラスチック再生材の性状及び劣化度に応じた効
果的かつ効率的な成形加工条件の選定方法の確立が生産現場における主な技術課題の一つであると考えられた。そのため，プラスチック再生材の性状及び劣化度の適切な評価技術の確立に向けて，
汎用熱可塑性プラスチックであるポリスチレン樹脂を対象に，熱劣化度の異なる模擬的な再生プラス
チック試料を作製して各種評価を行い，プラスチックの再生による物理的・化学 的特性の変化及び劣化度評価に係る基礎的データ及び知見を得た。
キーワード：マテリアルリサイクル，プレコンシューマーリサイクル，ポリスチレン，熱劣化，動的粘弾性

1 緒言

場内マテリアルリサイクルのニーズが一層高まっている。
しかし，再生材はVirgin材とは異なる性状を示すこと

持続可能な開発目標，とりわけ喫緊の課題である地が知られており2)，成形品の品質確保のためには，再生

球温暖化対策としての二酸化炭素排出量削減が求めら材の特性を適切に理解・把握した上で，再生材の混合れている。また，コロナ禍等による急激な社会経済悪化

割合や使用回数を決定し，その性状にあった成形条件等を背景として，各種プラスチック材料及び再生プラスの最適化を行うことが必要となる。

チック成形材料の価格が上昇している。主なプラスチッ
1)

クの企業物価指数 を図1に示す。

140
120

果を報告する。
2 成形加工現場が抱える技術課題の調査

100

筆者らは，県内の成形加工工場等を対象に，プラス

Oct-21

Jan-22

Jul-21

Jan-21

Apr-21

Jul-20

Oct-20Jan-20

Apr-20

ルに係る技術課題について調査した。調査企業数は10

Jul-1960
Oct-19

チック成形加工現場が抱える廃プラスチックのリサイク
Jan-1980
Apr-19

企業物価指数(2015年平均=100,%)

イクル率向上に向けた技術調査を行ったので，その成

PE
PP
PVC
PS
再生ﾌﾟﾗｽﾁｯｸ成形材料

160

そこで，筆者らは県内の熱可塑性プラスチックのリサ社であり，うち，プラスチック成形加工に係る製造業が9社，非鉄金属くず卸業が1社である。

図1 主なプラスチック類の企業物価指数

これらの企業から聴取したリサイクルに係る技術課題を表1に示す。廃プラスチックの削減とともに，廃スプル

このような社会的背景により，プラスチック成形加工

ー・ランナー等の工場内リサイクルの推進を技術課題と現場では，成形加工工程で排出されたスプルー，ラン

答えた企業が多かった。また，既に再生プラスチック成ナーなどの一度熱負荷がかかった再生材を利用した工形材料を用いて成形加工を行っている企業においても，－ 15 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

再生プラスチック成形材料は，射出成形時に，流動性

いて，溶融温度200℃で押出して作製した。なお，押出や，固化速度がVirgin材と異なる性状を示すために，バし機内滞留時間は2分程度である。Virgin材ペレットを1リの発生や冷却時間の延長などの生産上の技術課題

回押出して得たペレットを1回熱劣化試料とし，その試を抱えていることが明らかとなった。

料を用いて同様に押出し操作を繰り返し，最大5回まで押出して，ペレット形状の熱劣化試料を作製した。

表1 リサイクルに係る技術課題の回答数
技術課題
廃スプルー・ランナー等の工場
内リサイクルの推進
再生材利用増のための受け入

分類

回答数

再生

5社

製作所製mini TEST PRESS-10）を用い，直径25mm，厚み1mmの円板を作製し，レオメーター測定用サンプルと
した。

再生

1社

廃プラスチックの削減

削減

5社

分解性プラスチックの利用

その他

1社

れ判定基準の策定

ペレット形状の熱劣化試料を，熱プレス機（東洋精機

また，ペレット形状の熱劣化試料を，射出成形機（日本製鋼所製JSW J50E-C5）により，樹脂温度200℃，金型温度40℃でダンベル試験片（JISK7193タイプA1）を成形した。また，この試験片の平行部から切削により，10mm角，厚み2mmの試験片を加工し，成形品の化学

このことから，廃スプルー・ランナー等の再生プラスチ

発光計測を行った。

ック成形材料が示す特性を適切に把握し，最適な成形測定に供した試料の一覧を表2に示す。

加工条件等を選定することがリサイクル率の向上，ひい表2 熱劣化モデル試料一覧ては廃プラスチック排出量の削減にも寄与すると考えら樹脂・形状れた。そこで，プラスチック成形工場内マテリアルリサイ

GP-PS

HI-PS

GP-PS

HI-PS

ペレット，円板

ダンベル試験片

0回(Virgin)

G0

H0

G0-2

H0-2

工における熱負荷による劣化の程度について，化学発

1回

G1

H1

G1-2

H1-2

光法などを用い，多面的な劣化評価を行った。

2回

G2

H2

G2-2

H2-2

3回

G3

H3

G3-2

H3-2

4回

G4

H4

G4-2

H4-2

5回

G5

H5

G5-2

H5-2

クル材を想定した熱劣化モデル試料を作製し，各種劣押出回数化度評価を行い，再生プラスチック成形材料の成形加3 熱劣化モデル樹脂での各種劣化度評価
対象樹脂として，熱可塑性樹脂であり，5大汎用樹脂の一つで広範な用途に使用されるポリスチレン（PS）を

3.2 評価方法

用い，成形加工における熱負荷による劣化の程度について，化学発光法等を用い，多面的な劣化評価を行っ

FT-IR

た。
ペレット形状またはダンベル試験片の熱劣化試料を，3.1 試料日本分光製FT/IR-6700を用い，一回反射ATR法でダイヤモンドプリズムを使用して測定した。

成形材料
微弱発光検出装置による化学発光計測
成形材料は，汎用ポリスチレン（GP-PS）としてPSジャ
パン製HF77を，GP-PSの衝撃強度を強化するためにブ

化学発光計測は，東北電子産業製CLA-FS3s（試料

タジエンを共重合した耐衝撃性ポリスチレン（HI-PS）と室CLS-350LI）を用いて，JIS K 7351に準じて測定した。

してPSジャパン製H9152を用いた。なお，GP-PSは無色

ペレット用の熱劣化試料の測定条件は，窒素

透明の，HI-PSは乳白色のペレットである。

（150mL/min）フロー下で，50℃から120℃まで5℃/min
で昇温し，35分間保持した。ダンベル試験片平行部か

熱劣化試料の作製ら切削した熱劣化試料の測定条件は，窒素（150mL/min）フロー下で，50℃から100℃まで5℃/min

試料を押出し機（HAAKE製Rheomex PTW25p）を用で昇温し，35分間保持した。

－ 16 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022年発行

GPCによる分子量分布測定

認できなかった。
G5-2
G0

Absobance

ペレット形状の熱劣化試料をTHFに溶解し，Agilent
製 1100 シ リ ー ズ と 東 亜 電 波 工 業 製 カ ラ ム オ ー ブ ン
ICA3051の組み合わせで，カラムKF-804を用い，分子量分布を測定した。
メルトインデックサによる流動性評価

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000

500

Wave Number / cm-1
ペレット形状の熱劣化試料を，東洋精機製作所製メ
ルトインデックサG-01を用いて，JIS K 7210（A法）に準じ

図2 GP-PSのIRスペクトルてメルトマスフローレイト（MFR，g/10min）を測定した。

H5-2
H0

Absobance

測定条件は温度200℃，荷重5kgfとした。
レオメーターによる動的粘弾性測定
円板状の熱劣化試料を，Anton-Parr製レオメーター
MCR301を用い，窒素フロー下，直径25mmのパラレル

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000

500

Wave Number / cm-1

プレートで挟み，温度220，200，180，160，140℃の5水準にて，ひずみ1%（固定），角速度0.1～100rad/sの条件で動的粘弾性を測定した。

図3 HI-PSのIRスペクトル

機械的特性の測定

微弱発光検出装置による化学発光計測

ダンベル試験片の熱劣化試料について，東洋精機

GP-PS及びHI-PSの化学発光計測結果を，単位重量

製作所製ストログラフV10-Cを用いて，引張特性をJIS K

当たりの化学発光量として図4及び図5に示した。押出7161-2に，曲げ特性をJIS K 7171に準じて測定した。引

回数の増加に伴い，化学発光量が増加傾向を示し，1

張 試 験 の 試 験 速 度 は GP-PS は 5mm/min ， HI-PS は回押出しでもVirgin材と比べて，明確な発光量の違いが50mm/minとした。曲げ試験の試験速度はGP-PS，HI-

確認され，FT-IRよりも高感度に劣化を捉えられた。本PSともに2mm/minとした。

測定では可視光領域の化学発光を計測するため，試また，ダンベル試験の両端つかみ部を切り取った平料内部からの発光が透過しやすい透明試料の方が化

行部にノッチ加工を施したものを用いて，東洋精機製作

学発光の検出量が高くなる。しかし，今回の計測結果で所製シャルピー衝撃試験機DG-CBにより，シャルピー

は透明なGP-PSよりも不透明なHI-PSの発光量が高く検衝撃特性をJIS K 7111-1に準じて実施した。

出された。HI-PSでは，GP-PSには含まれないブタジエ
ン成分が先行して劣化するためと考えらえた。

3.3 結果及び考察
FT-IRによる組成分析
GP-PS及びHI-PSの測定結果を図2及び図3に示した。
GP-PSは熱酸化により劣化が進行すると，カルボニル基の吸収が現れ，HI-PSはブタジエン成分が優先的に劣化し，同様にカルボニル基の吸収が現れる 3) 。しかし，今回作製した熱劣化試料のうち，最も熱負荷の高い試料であるG5-2及びH5-2でもカルボニル基の吸収は確－ 17 －

140
120
100
80
60
40
20
0

8000
6000
4000
2000
0
0

10

20

30

40

Molar Fraction[a.u.]

10000

Temp. [℃]Count/weight [-]The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

50

Time [min]
G0

G1

1.2
1
0.8

G5

6

7

GP-PS及びHI-PSのMFR測定結果を図8に示した。
GP-PS，HI-PSとも，押出回数とともにMFRが増大し，成形加工における流動性が増していることがわかった。ま0た，分子量の低下が大きいGP-PSの方がMFRの増加割

50

合が大きく，分子量との相関がみられた。

Time [min]
H3

H5

Temp.

25
MFR [g/10min]

H15

図7 HI-PSの分子量分布測定結果

Temp. [℃]Count/weight [-]

50

40

4

メルトインデックサによる流動性評価

100

30

3

log M

150

H0

H5

0

Temp.

120000100000
80000
60000
40000
20000
0
20

H3

0.2
2

G3

10

H1

0.4

図4 GP-PSの単位重量当たりの化学発光量

0

H0

0.6

図5 HI-PSの単位重量当たりの化学発光量
GPCによる分子量分布

20
15
10

GP-PS

5

HI-PS

0

GP-PS及びHI-PSの分子量分布測定結果を図6及び0

図7に示した。GP-PSでは押出し3回から分子量の低下

1

2

3

4

5

6

押出回数 [回]が進んでいること，HI-PSでは今回の押出しでは分子量

Molar Fraction[a.u.]の低下は見られないことがわかった。

図8 MRF測定結果

1.2

レオメーターによる動的粘弾性

1
0.8

G0

0.6

G1

0.4

G3

0.2

G5

0
2

3

4

5

6

GP-PS及びHI-PSの動的粘弾性測定の測定結果を，
180℃を基準として時間温度換算則に従ってシフトさせて作成したマスターカーブを図9及び図10に示した。
図8より，G0とG5は高周波数側では変わらず，低周波

7

log M

数側が変わっていることから，分子の基本的な小さな構
造は変化せず分子の長さが変わっている，つまりG5は

図6 GP-PSの分子量分布測定結果

G0に比べて分子量が低くなっていることを示していしている。図9より，H0とH5は高周波数側でも低周波数側でもあまり変わりがない。これらの結果は，GPCによる分子量分布の測定結果との相関がみられる。

－ 18 －

1.E+06
1.E+05G0

1.E+04

Tr=180℃

1.E+03
1.E+02G5

1.E+01
1.E+00
1.E-03

1.E-01

1.E+013

引張破断伸び [%]logG' (○), logG"(□) [Pa]宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022年発行

1.E+03

2.5
GP-PS

2

HI-PS
1.5
0

1.E+051

1.E+06
1.E+05H0
Tr=180℃

1.E+02H5

1.E+01
1.E+00
1.E-03

1.E-01

1.E+01

1.E+034

56

図12 引張試験結果（引張破断伸び）

曲げ弾性率 [MPa]logG' (○), logG"(□) [Pa]

図9 GP-PSのG'及びG''のマスターカーブ

1.E+033

押出回数 [回]log ωaT [rad/s]

1.E+04

2

4000
3500
3000

GP-PS

2500

HI-PS

2000
0

1.E+05

1

2

3

4

5

6

押出回数 [回]log ωaT [rad/s]

図10 HI-PSのG'及びG''のマスターカーブ

図13 曲げ試験結果

シャルピー衝撃強度[kJ/m2]

機械的特性
GP-PS及びHI-PSの引張試験により求めた引張強さ
及び引張破断伸び，曲げ試験により求めた曲げ弾性率
並びにシャルピー衝撃試験により求めたシャルピー衝撃強度を図11から図14に示した。引張強さ，引張破断
伸び，曲げ弾性率では，押出回数による変化はあまり

10
8
6
4

GP-PS

2

HI-PS

0
0

1

2

3

4

5

6

押出回数 [回]見られないが，シャルピー衝撃強度は押出回数の増加に伴い低下する傾向がみられた。特に，GP-PSよりも
HI-PSで強い低下傾向を示した。これは，HI-PSに耐衝

図14 シャルピー衝撃試験結果

撃性を高めるため配合されているブタジエン成分がポリ引張強さ [MPa]スチレン成分に先行して劣化したためと考えられる。

機械的特性と化学発光計測の関係

45

ダンベル試験片の平行部から切削により加工した試40

験片を用いて化学発光を測定し，得られた単位面積あ

35

GP-PS

30

HI-PS

25
0

1

2

3

4

5

6

押出回数 [回]たりの化学発光量とシャルピー衝撃強度の相関関係を
図15に示した。化学発光量とシャルピー衝撃強度は，
GP-PSではゆるやかな相関関係が，HI-PSでは強い相関関係が示された。これは，押出回数の増加に伴う化
学発光量の増大及びシャルピー衝撃強度の低下がHIPSのブタジエン成分が先行して劣化していることに由来

図11 引張試験結果（引張強さ）するためと考えられた。

－ 19 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

シャルピー衝撃強度[kJ/m2]

流動性や，固化速度がVirgin材と異なる性状を示す
10

ために，バリの発生や冷却時間の延長などの生産上R² = 0.9467

8の技術課題を抱えていることが明らかとなった。

6
4
2
0
0E+0

（2） 汎用ポリスチレンと耐衝撃性ポリスチレンの熱負荷

GP-PS

R² = 0.8139

による劣化の程度について，熱劣化モデル試料を作

HI-PS
5E+4

1E+5

2E+5

製し，多面的な評価を行った。その結果，化学発光法では高感度に劣化を捉えることができた。また，分2E+5

単位面積あたり化学発光量[count/mm2]

子量とMFR，分子量と動的粘弾性，分子量とシャルピ
ー衝撃強度及び化学発光量とシャルピー衝撃強度

図15 単位面積当たりの化学発光量とシャルピー衝撃に相関がみられた。

強度の相関関係
謝辞
3.4 結論本研究の遂行にあたり，GPCの測定では東北大学工GP-PSとHI-PSの熱負荷による劣化の程度について，

学部化学・バイオ工学科渡邉研究室に，レオメーターの多面的な評価を行った。その結果，化学発光法では高測 定 で は 山 形大 学 有 機 材 料 シス テム 研 究 科 杉 本・

感度に劣化を捉えることができた。また，分子量とMFR，Sathish研究室に多大なる御支援をいただいた。ここに分子量と動的粘弾性，分子量とシャルピー衝撃強度及感謝の意を表す。

び化学発光量とシャルピー衝撃強度に相関がみられた。

なお，本研究報告には，マテリアルライフ学会第14回

HI-PSはGP-PSに比べ押出回数の増加に伴う化学発

ケミルミネッセンス研究会（令和4年3月17日開催）にて

光計測における発光量の増大やシャルピー衝撃強度

発表した要旨に加筆・修正した内容を含む。

の低下率が高いが，このことは，HI-PSに含まれるブタ
ジエン成分が先行して劣化しているためと推察された。

参考文献

また，GP-PSとHI-PSのように，同じスチレン系樹脂であっても，含有成分の差により劣化機構が異なり，マテリア

1)日本銀行 企業物価指数

ルリサイクル時の物性低下防止等の対策手法も異なる

https://www.stat-search.boj.or.jp/index.html

ものと推察された。このように多面的な評価を行うことで，（参照 2022-04-27）の公開データから図を作成

GP-PSとHI-PSの劣化機構の違いを推定することができ，

2)再生材を使用した成形品の品質確保のために必要な対策を具体化することができる可能性を見いだした。今Takatori E, Nippon Gomu Kyoukaishi, 87, 441(2014).

3)後は，再生プラスチック成形材料が成形加工時に示す固化速度の遅延を対象とし，熱劣化モデル樹脂を用いた更なる再生材の特性評価を進めることとしている。
4 結言
本研究では，県内の熱可塑性プラスチックのリサイク
ル率向上に向けた技術調査を行い，以下の知見を得た。
（1） 県内の成形加工工場等を対象に，プラスチック成形加工現場が抱える廃プラスチックのマテリアルリサ
イクルの技術課題について調査し，廃スプルー・ラン
ナー等の工程内リサイクルの推進が主な課題の一つであり，再生プラスチック成形材料は，射出成形時に，－ 20 －

大澤善次郎，高分子劣化・長寿命化ハンドブック，
丸善出版，2011，358p，ISBN 978-4-621-08419-9

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【研究論文】【令和3年度 県単独試験研究】

機能性油脂を保持したかまぼこの長期保存技術の開発― 地域特産物の特性制御技術の検討 ―小山 誠司，佐藤 信行＊1，大坂 正明＊2，畑中 咲子
食品バイオ技術部＊1＊2（ 現 企画事業推進部， 現 カゴメ株式会社イノベーション本部農資源開発部）
水産練り製品の高付加価値化を目指し， 国立大学法人東北大学と青葉化成（株）が開発した「粉末魚油」（架橋ゼラチンにより魚油を安定化させた粉末）を添加したかまぼこの製造技術の実証に平成 29 年度
から取り組んできた。本研究では，粉末魚油を添加した揚げかまぼこをレトルト殺菌（115℃，43 分）し，24℃，
6 ヵ月間の保存試験を実施した。その結果，魚油に含まれる機能性成分のドコサヘキサエン酸（以下，DHA）
は減少せず，物性や色調，香味も維持されることがわかった。
キーワード： かまぼこ，DHA，粉末魚油，レトルト殺菌
1 緒言

2 方法

宮城県の主要な水産加工品である練り製品は，生産

2.1 材料量が東日本大震災で大きく落ち込み，令和元年度には全国第 5 位まで回復したものの，震災前に比べ生産量1)

すり身は，プレミアパシフィックシーフーズ社のスケトは 6 割程度にとどまっている 。そのため販路開拓に向ウダラ冷凍すり身（SA級）を用いた。粉末魚油は，青葉けた高品質化や新製品開発の取組みが続いている。

化成（株）のJENO-3（DHA含量11%)を使用した。物性維

当センターでは，平成 29 年度から宮城県水産技術
総合センターと共同で DHA を含む健康志向食品として，持のためのトランスグルタミナーゼ（以下，TG）は味の素（株）のアクティバTG-Kを用いた。

DHA 含有の酸化安定性に優れる粉末魚油を添加した
かまぼこの製造技術の実証に取り組んできた 2)。粉末魚

2.2 かまぼこの調製，保存

油は，東北大学大学院農学研究科の仲川清隆教授と青葉化成（株）が開発した商品で，架橋ゼラチンによっ

表1の配合で，既報 5) の通り生地を調製した。まず冷て魚油を安定化させ，魚油に含まれる DHA 等の不飽和凍すり身をバンドソー（（株）秋山機械，TS-20）で切断し，脂肪酸の酸化を抑制するとともに，徐放性があることを

立型式高速カッター（（株）エフ・エム・アイ，R-10D）で3）

特徴としている 。

空ずり・塩ずりした後，水，TG，粉末魚油を加え混合しかまぼこの賞味期限は冷蔵で 1 週間程度だが，レト
ルト殺菌により賞味期限の延長と常温流通が可能になり，た。この際，空ずり，塩ずりおよび混合時の品温は10℃以下となるよう管理した。

新たな商品形態や販売ルートの開拓につながると考えられる。一方でレトルト殺菌は高温高圧（例：121℃，4 分）
な処理となり，成分や物性，色調，風味への影響が懸念

表１ 生地の配合
材 料

配合（重量比）すり身

100

行うことで最適なレトルト殺菌条件を 115℃，43 分と決定

水70した 5)。令和 3 年度は，レトルト殺菌後 24℃，6 ヵ月間の

食塩

2.5

保存試験を行い，DHA 含有量，物性，香気成分等の特

TG

0.5

粉末魚油

10

されたため 4)，令和 2 年度には粉末魚油を添加したかま
ぼこについてレトルト殺菌後の物性や色調，食味試験を性について検討したので報告する。

－ 21 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

できあがった生地を成型機（（株）日本キャリア工業,

昇温速度4℃/分，分析時間50分で行った。

CF-15）で小判型に成形し，スチームコンベクションオー

食味試験は宮城県産業技術総合センター職員6～

ブン（ニチワ電機（株），SCOS-1010RH）により40℃，

10名で，硬さと着色を5点法（5点強，1点弱）により絶対90%Rhで1時間保持し座りを行った。その後，室内で約１評価で行い，味，香り，外観，色調，総合評価について時間保持した後，サラダ油で110℃，４分と160℃，１分

それぞれ任意でコメントをもらった。

の二度揚げを行った。冷却後，多用型真空包装機（吉川工業（株），LHG-P60）でアルミラミネート袋に真空包

3 結果

装 し ， レ ト ル ト 殺 菌 装 置 （ （ 株 ） サ ム ソ ン , SGC （ MC ）60/10D）により115℃，43分のレトルト殺菌を行った。

3.1 物性保存試験は24℃（東京理化器械（株），低温恒温チャ
ンバーFMC-100）で行い，1ヵ月，3ヵ月および6ヵ月後に分析した。

物性測定の結果を図1に示した。破断応力，破断歪率はほぼ一定で推移しており，大きな変化はなかった。

2.3 分析方法
250

物性は，クリープメーター（（株）山電，RE2-33005）で
サビ先端幅1mm×13mm，角度30°)を用いて，速度

破断点

200
荷重 gf

ロードセル19.6N，平面クサビ型プランジャー(No.49，ク【破断強度グラフ】

1mm/secで歪率90%まで圧縮し，かまぼこ内部の破断応

150
100

力と破断歪率を測定した。かまぼこは厚さ約10mmに裁50

断してから表面の着色部分をナイフで取り除いた。

0
0

20

40

断面色の色調は分光測色計（コニカミノルタ（株），

60

80

100

歪率 %

CM-700d）を用いて測定した。表色系はCIE LAB色空300間，光源はD65，SCI（正反射光含む）方式，10°視野【破断応力】

水分は，常圧加熱乾燥助剤添加法（105℃，5時間）
により測定した6)。
DHA含量は，酸分解法により粗脂肪抽出 7） を行い，破断応力 kPa

で行った。
200

100

粗脂肪を乾燥後，三フッ化ホウ素・メタノール溶液によりメチルエステル化し 8) ，ガスクロマトグラフ（以下，GC）

0
揚げ

レトルト

１ヵ月保存

3ヵ月保存

6ヵ月保存

（（株）島津製作所，GC-2030）により分析した。キャリア
ガスは窒素，カラムはDB-WAX（10m，内径0.25mm,膜60

部標準にはヘプタデカン酸を用い，試料中にあらかじめ混合してメチルエステル化を行った。
香気 成分の 分析 は ， 固 相 マイ ク ロ抽 出法 （ 以下，

破断歪率 %

厚0.25µm，アジレント・テクノロジー（株））を用いた。内【破断歪率】

40

20

SPME）により，かまぼこ試料を封入したバイアル中の気層（以下ヘッドスペース）の成分を吸着させ，ガスクロマ

0揚げ

トグラフ質量分析計（以下GCMS，（株）島津製作所，
GCMS-QP2010 Plus ） で 行 っ た 。 SPME は Supelco

レトルト

１ヵ月保存
3ヵ月保存
6ヵ月保存
注） エラーバーは標準誤差 N=11～14

図1 かまぼこ内部の破断強度と破断応力・歪率

StableFlex 2cm SPMEファイバーDVB/CAR/PDMS （メルク社）を使用し，吸着は40℃，20分，脱着は240℃，2

3.2 断面の色調分で行った。カラムはDB-WAX（60ｍ，膜厚0.5µｍ，内径0.32mm，アジレント・テクノロジー（株）），キャリアガス

断面の色調は，揚げとレトルト殺菌後の色差が2.66とはヘリウムを用い，流速3mL/分，カラム温度40～240℃，

最も大きく，明度（L*）が下がり，a*値とb*値がやや上昇－ 22 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

した。保存中の色差（ΔE*ab）は 2 未満であり，大きな3.4 香気成分分析

変化は見られなかった（表2）。
GCMS分析の結果を図3に示した。魚臭の原因として
表2 断面の色調と色差知られるトリメチルアミンは，生地から保存期間まですべ

L*

a*

b*

ΔE*ab

ての段階で出現していた。2-エチルフラン等のフラン化

揚げ

84.03

-1.35

9.72

2.66

合物やヘキサナール等のアルデヒド・ケトン類は，揚げレトルト殺菌

82.51

-0.85

11.85

－

やレトルト殺菌等の加熱工程から増加し，保存期間中も

1ヵ月保存

82.94

-0.92

12.27

0.60

3ヵ月保存

82.87

-0.06

12.93

1.39

6ヵ月保存

83.46

-0.20

12.18

1.21

維持されていた。
3.5 食味試験※色差△E*abはレトルトに対する差を表示

食味試験における硬さと着色についての評価結果を表3に示した。硬さの評価はほぼ一定だったが，コメント

3.3 DHA含量において，異味異臭等の指摘はないものの，焼き魚様の匂い，やや柔らかい，口中で崩れやすい等の記載が各段階におけるDHA含量を図2に示した。

みられた（データ非掲載）。

生地から揚げ，レトルト殺菌，保存後までおよそ3%で推移していた。

表3

5点法による食味評価結果

4%

硬さ

1

3%
揚げ
2%
1%

生地

揚げ

レトルト

1ヵ月保存 3ヵ月保存 6ヵ月保存
注） エラーバーは標準誤差

2

3

4

5

2

1

5

1

2

4

4

3

4

レトルト殺菌

1

3

3

1

3

4

1

1 ヵ月保存

1

4

3

2

3

3

3

2

4

2

3

1

3

5

3

4

3 ヵ月保存0%着色

6 ヵ月保存125

図2 固形分中DHA含量の推移

4.E+06エタノール

2-エチルフラン

トリメチルアミン

ヘキサナール
1-ペンタノール

Intensity

3.E+06

2.E+06

1.E+061-ヘキサノール

0.E+00
5

10

15

20

25

30

35

40

45

RT（min）
生地

揚げ

レトルト殺菌

1ヵ月保存

3ヵ月保存

図3 粉末魚油添加揚げかまぼこのGCMS分析結果－ 23 －

6ヵ月保存

50

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

4 考察

謝辞

レトルト殺菌による物性変化は既報 5) でも報告したと本研究を進めるにあたり東北大学大学院農学研究科

おりTGの添加で改善され，保存期間中も物性は維持さ

仲川清隆教授をはじめ研究室の皆様，青葉化成（株）

れるものの（図1），食味試験のコメントでは，脆い，崩れ泉開発研究所阿久津光紹課長に貴重なアドバイスを頂るといった記載があり，やはりかまぼこらしい硬さ・弾力きました。宮城県水産技術総合センター三浦悟副主任（いわゆるプリプリ感）が期待されていると思われた。TG

研究員を始め職員の皆様には揚げかまぼこの製造とレ添加時のすり身の温度やTGの反応時間の検討，ある

トルト殺菌で御協力，アドバイスを頂きました。また，宮いはデンプンの配合等が必要と考えられた。

城県水産練り研究会会員の皆様には製品化へのアドバ

DHA含量は各段階を通じて固形分当たり約3%を維持

イスなどご協力を頂きました。

していた（図2）。当初，保存期間中に漸減することも想記して感謝の意を表します。

定していたが，保存1ヵ月目は3%を下回ったものの，3ヵ月目，6ヵ月目は生地中の含量を上回った。これは保存参考文献中に生じたドリップにより水溶性成分が流出し，固形分
当たりのDHA含量が見かけ上増加したと考えられ，さら1)

農林水産省．水産加工統計調査に魚油の粉末化による脂肪酸の酸化抑制と真空包装にhttps://www.maff.go.jp/j/tokei/kouhyou/suisan_r

よる酸素の遮断によりDHAの分解が抑えられたためと考

yutu/suisan_kakou/

えられた。

2)

佐藤信行，藤原健，千葉友結菜，伊藤淑恵，羽生GCMSによる香気成分分析では，魚臭を構成してい幸弘，櫻井晃治，畑中咲子，橋本建哉．水産加工

るトリメチルアミンのほか，揚げやレトルト殺菌工程によっ品における機能性油脂の安定化技術実証研究.

てフラン類やアルデヒド・ケトン類が生成されており，保宮城県産業技術総合センター研究報告, 2019,

存期間中も保持されていることがわかった（図3）。食味

No.16, p.21-26

試験においては総じて焼き魚のような匂いとのコメントが3)

半澤康彦，仲川清隆，青木茂太，伊藤隼哉，松本あり（データ非掲載），これら香気成分がかまぼこの匂い

俊介，阿久津光紹，金内誠，宮澤陽夫．ゼラチンを構成している可能性があった。また，魚油を配合したの酵素架橋が粉末魚油の特性に与える影響．日ことから保存中に酸化臭の発生を予想したが，食味試

本食品科学工学会誌．2016，63(5)，p.209-216．

験では期間を通じて指摘はなく，GCMS分析からもそれ4)を窺わせるような結果は得られなかった。

岡田稔 ，か ま ぼこの科 学． 成山堂 書店． 2000 ，
p.164-165

5)5 結言

佐藤信行，大坂正明，畑中咲子．機能性油脂を保持したかまぼこの長期保存技術の開発．宮城県産業 技 術 総 合 セ ン タ ー 研 究 報 告 ， 2021 ， No.18 ，

粉末魚油を添加した揚げかまぼこをレトルト殺菌し，6ヵ月間の保存試験を実施し，物性，色調，DHA含量，香p69-736)

気成分への影響を確認した。

財団法人日本食品分析センター編．分析実務者が書いた五訂日本食品標準成分表分析マニュア
ルの解説．中央法規出版，2001, p.10-28．

（1） 保存6ヵ月後において，物性，色調，DHA含量，

7)

香気成分に大きな変化はなかった。

公益社団法人日本食品衛生協会．食品衛生検査
指針理化学編2015．2015, p.62-64．

（2） 食味試験において，異味異臭等は確認されな

8)

かった。

公益社団法人日本食品衛生協会．食品衛生検査
指針理化学編2015．2015, p.73-77．

（3） 粉末魚油を添加した揚げかまぼこのレトルト殺菌品は，24℃，6ヵ月保存後も特性が維持されることを確認した。

－ 24 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【研究論文】【令和元年度～令和3年度 県単独試験研究】

減塩味噌の製造プロセスの検討― 地域特産物の特性制御技術の検討 ―羽生 幸弘，浅野 壮宏，畑中 咲子
食品バイオ技術部
仙台味噌は赤色系辛口味噌の一つであり，宮城県の特産物としても知られているが，近年の消費者の減塩志向より，減塩表示のある味噌の需要も高まっている。本研究では，仙台味噌らしい風味を持った減
塩味噌を実現するため，塩分濃度が製造過程に与える影響を香り・味等の分析により明確化し，温度や熟成期間といった管理ポイントを抽出し，製造プロセスの最適化を試みた。
目標とする塩分濃度（9%）で水分量を最適化（46%）したプロセスについて，中規模および製造規模での仕込試験を実施したところ，機器分析および官能評価において減塩味噌は仙台味噌と同程度の品質という評価を得られた。また，温度による味・香り等の品質特性の経時変化を存試験として実施したところ，保存期間4ヵ月時点で保存温度20℃では熟成が進み明度（Y%）が低下したが，保存温度15℃では大きな変化は見られず，特性が保たれていることが分かった。
キーワード： 仙台味噌，減塩，味香り評価，ガスクロマトグラフ質量分析装置（GCMS），ヘッドスペースガス
クロマトグラフ（HSGC）
1 緒言

るための方策を施してきたものの，出荷量が減少傾向にある。宮城県内でも減塩味噌を製造しているメーカー

味噌は，大豆，塩，麹を原料として作られる日本の伝もあるが，普及している減塩味噌の製法は麹を多く用い

統的な調味料であり，麹の種類によって，米味噌，豆味

るため，大豆の旨味と香りを特徴とする仙台味噌と異な噌，麦味噌に分類される

1)。仙台味噌は米味噌に分類

る風味となってしまう。こういった状況から，宮城県みそされ，大豆由来の旨味と味噌らしい深い香りが特徴であ技能士会では，仙台味噌らしい味・香り等の特徴を持つる。また，赤色系辛口味噌の一つとして全国的な知名

減塩味噌の製造を目指し平成 29 年度から試験を開始

度があり，宮城県の歴史や地域文化に根ざした特産品している。

となっている。

本研究では，仙台味噌らしい風味を持った減塩味噌

近年，消費者の和食離れを背景に味噌の消費量はを実現するため，温度や熟成期間といった管理ポイント

減少傾向にあるが，一方で日本人の食塩摂取量は「平を抽出・最適化することによる減塩味噌製法のモデルプ

2)

成 27 年国民健康・栄養調査」では 11 g/日 となっておロセスの構築を目指し，小仕込試験（20kg）を通じ目標

り，日本人の食事基準（2015 年版）における基準値（男塩分の設定および条件最適化を実施した。その後，最3)

性で 8 g/日，女性で 7 g/日） を上回る状況が続いてい適化した塩分濃度および水分量に基づき，県内の味噌る。また，基準値については，2020 年に男性で 7.5 g，製造企業の協力により中規模（80 kg程度）及び製造規4)

女性で 6.5 g とさらに引き下げが行われている 。このこ模（300 kg）での試験仕込を実施し，さらには保存温度とから，減塩促進のために様々な取組がなされており，の違いによる味・香り・色等の品質特性の経時変化を調その一つとして，味噌・醤油に代表される調味料は高塩査した。

分食材として使用量を減らすよう推奨されている。味噌
業界ではこうした消費者の減塩志向に対応し，従来品

2 実験方法より 50％以上の減塩を達成している商品も登場している。
県内で生産される「仙台味噌」は，「統一仕込要領」 5)

2.1 市販減塩味噌と市販仙台味噌の比較

にて米麹が大豆量に対して 5 割～8 割，塩分濃度（wt％）
が 11％～13％といった基準を設けてブランド力を高め－ 25 －

市販減塩味噌は市内の小売店で，また，市販仙台味

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

噌については，宮城県味噌醤油工業組合（以下，味噌2.3 官能評価

組合）組合員より購入し，塩分相当量に関する調査および味覚センサーによる評価を行った。

仕込試験や購入した味噌の官能評価を，「良い」，「やや良い」，「同等」，「やや悪い」，「悪い」の5段階評

2.2 味噌仕込試験

価で行った。評価項目としては「味」，「香り」，「色調」，「組成」，「総合」の5項目とした。

1）小仕込試験（令和元年度）
2.4 味覚センサーによる味評価
一般的な仙台味噌の製造工程 (洗浄，浸漬，蒸煮，仕込み，発酵・熟成) により仕込み重量20 kg，麹歩合8

味噌に10倍量の蒸留水を加えホモジナイズし，遠心分で宮城県味噌醤油工業協同組合（以下,味噌組合）

分離（1,500 rpm，10 分）を行った後，上清を測定サンの設備を用いて仕込みを行った。大豆（宮城県産ミヤギ

プルとして，味覚センサー（αAstree，アルファ・モス株シロメ）は洗浄後，一晩浸漬を行い，大豆蒸煮缶（（株）式会社）に供し７つのセンサー（AHS，PKS，CTS，NMS，

フジワラテクノアート製，ZJ-450）で加圧蒸し（117℃，30

CPS，ANS，SCS）の応答値を用いて主成分分析（以下，分，75 kPa）を行った。県内味噌メーカーで製造した麹，PCA）を行った。主成分分析には，同一サンプルを3回並塩，蒸し大豆，種水（味噌用酵母含む）を混合した後，測定したデータを用いた。

挽肉機にかけ，FRPタンクに詰め重石をした後，30℃でPCAとは多変量解析手法であり，すべての味覚セン

3ヶ月熟成し，その後15℃の環境下においた。熟成期間

サーデータを用いて，最も寄与した因子（第一主成分：

中，1ヶ月ごとにサンプリングと天地返しを行った。サン

以下，PC1）もしくは2番目に寄与した因子（第二主成

プリングは仕込容器の中心部から行い，サンプリングし分：以下，PC2）の相対寄与率因子を算出する手法 5)で，た味噌は分析まで-60℃で保存した。

基準試料との比較や官能評価との相関などの評価が可能となる。解析には付属のソフト（Alfasoft）の多変量解

2）中規模仕込試験（令和2年度）

析機能を用いた。

小仕込試験にて最適化した条件の検証と共に，スケ

2.5 香気成分分析

ールアップ時の課題抽出を行うため，80 kg程度の中規模仕込試験を実施した。試験場所については，味噌組

1）ガスクロマトグラフ質量分析装置（GCMS）による分析

合にて組合員の中から選定した。試験区として減塩区と対照区を設定し，減塩区は仕込条件として，塩分濃度

ガ ス ク ロ マ ト グ ラ フ 質 量 分 析 装 置 （ GCMS-QP2010

9％，水分量46％から47％，米麹を大豆量の8割，切り

Plus，株式会社島津製作所）を用いて仕込味噌の香気

返しを月1回とし，熟成温度等の条件については，通常成分分析を実施した。

生産する製品に合わせた。また，対照区は，各社で生味噌3 gをサンプル瓶に入れ，密封し測定サンプルと産している仙台味噌を設定し，同規模で仕込んだ。熟した。香気成分の捕集方法としては，固相マイクロ抽出

成期間中，1ヶ月ごとにサンプリングを行った。

法（SPME法）を用いた。測定サンプルを40℃で加温しながら，香気成分をSPMEファイバー（Divinylbenzene/3）製造規模仕込試験（令和3年度）

Carboxen/Polydimethylsiloxane（DVB/CAR/PDMS），
膜厚50/30μm）に20分吸着させ，GCMSに供した。また，製造規模での味噌の品質の見極めのために，味噌組

GCMSの分析条件は表1の通りとした。

合組合員1社にて300kgの製造規模仕込試験を実施した。仕込条件については，塩分9％，水分46％，米麹を大豆の8割とした。熟成温度や切り返し等の条件については，中規模仕込試験と同様，通常生産する製品に合わせた。また，同社で対照として仙台味噌を20kgで仕込んだ。熟成期間中，1ヶ月ごとにサンプリングを行った。

－ 26 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

添加した。

表1 GCMS測定条件

評価については，1ヶ月に１度サンプリングを行い，官検出器：質量分析装置
温度：40℃-4℃/min‐200℃
カラム：DB-WAX（id 0.32mm×60 m，
膜厚 0.50µm）
注入口温度：200℃
フィラメント：250℃
キャリアガス：ヘリウム

能評価，一般成分分析およびHSGCによる香気成分の分析を実施した。
3 実験結果及び考察
3.1 市販減塩味噌と仙台味噌の比較

2）ヘッドスペースガスクロマトグラフ（HSGC）による分析
ヘッドスペースオートサンプラー付ガスクロマトグラフ（GC2030+HS-20，株式会社島津製作所）を用いて仕込味噌の香気成分分析を実施した。
試料前処理についてはGCMS分析と同様に実施し，

1）市販減塩味噌の調査
減塩表示のある市販味噌9種類について，塩分カット
率，塩分相当量，麹歩合の調査を実施した（表3）。食品
表示法において，味噌は従来品等の対象食品に比べて塩分を15％以上低減した商品は「減塩」と表示ができ，香気成分の捕集方法としては，ヘッドスペース法を用い

表3 市販減塩味噌の塩分カット率，塩分相

た。HSGCの分析条件は表2の通りとした。

当量，麹歩合
塩分カッ

塩分相当量

ト率（％）

（g/100g）

A

15

9.9

大豆≧米

愛知県

B

30

8.4

大豆≦米

長野県

C

25

8.4

大豆≧米

長野県

D

20

9.4

大豆≧米

長野県

E

30

8.5

15 割

長野県

F

20

8.9

20 割

長野県

G

25

8.1

大豆≧米

長野県

H

25

8.1

15 割

長野県

I

25

8.7

10 割

長野県

表2 HSGC測定条件
検出器：水素炎イオン検出器（FID）
温度：40℃5min-10℃/min-240℃5min
カラム：DB-WAX（10m，i.d.0.1mm，膜厚0.1μm）
注入口温度：240℃
FID温度：240℃
キャリアガス：窒素（N2）サンプル加温：50℃，20min

2.6 一般成分分析

製造所

麹歩合※

所在地

※麹歩合の記載の無い商品については，製品表示よ試験に用いた味噌の水分量，総窒素，pH，塩分，ア

り判断

ルコール，ホルモール窒素，水溶性窒素，水分活性，200
PC2-31.169％

色調（Yxy表色系）を測定した。測定については，味噌組合で実施した。
2.7 保存試験（令和3年度）
減塩味噌の保存温度による品質特性の変化の違いを見るため， 5℃（冷蔵庫温度を想定）， 15℃（仙台市の年間平均気温（12.8℃） 8） を想定），20℃（常温）で保存し，色，味や香りの経時変化を評価した。保存試験に使用した味噌は製品としての出荷・販売を想定し，１ｋｇずつに分け，防湧（再発酵防止）のためアルコールを4%－ 27 －

100
0
-100
-200
-300
-300

-200

-100

0

100

200

PC1-45.759％
仙台味噌

減塩味噌

図 1 市販仙台味噌と市販減塩味噌の PCA 結果

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

表 4 段階的に塩分を低減した仕込味噌および市販減塩味噌の官能評価結果（22 名による）
色
サンプル

香り

味

組成

総合

良 やや 同 やや 悪 良 やや 同 やや 悪 良 やや 同 やや 悪 良 やや 同 やや 悪 良 やや 同 やや 悪
い 良い 等 悪い い い 良い 等 悪い い い 良い 等 悪い い い 良い 等 悪い い い 良い 等 悪い い

塩分 10％

2

3 13 31

1

6 10 50

2

7 10 30

1

2 15 40

0

6 12 4

0

塩分 9％

0

5 12 41

2

3 10 7

0

2

3

8

1

0

1 13 80

0

4 11 7

0

塩分 8％

0

5

5 11 11

3 10 7

1

2

1 10 90

0

1 13 80

0

3

9 10 0

塩分 7％

0

5

5

3

0

4

5 12 1

0

4

8

1

0

2

6 12 1

1

0

9 11 1

塩分 6％

0

1

2 12 71

1

4 13 30

0

5 12 40

0

7 12 20

0

4 14 4

A

0

4

9

6

3

0

4

6

3

0

7

9

2

1

7 10 2

0

0

6

9

E

0

6

3

8

5

0

2

4 11 40

3

4 13 20

2

9 10 00

3

8 11 0

H

0

3

6

7

6

0

1

6

9

4

0

2

6 11 2

0

3

9

8

1

0

2

5 14 1

I

1

7

7

7

0

0

2

8

7

3

0

5

4

1

3 11 33

1

6

2 10 3

9

9

8

9

4

8

4

6

0

今回調査した商品では塩分カット率は最大で30％，塩分相当量として最も少ないのは8.1 g/100 gであった。
2)味覚センサーによる減塩味噌と仙台味噌の評価
市販減塩味噌のうち，製造所が異なり，かつおだし入りではない味噌4種および市販仙台味噌22種類につい
図 2 官能評価の様子て味覚センサーの応答値より得られたデータを用いてPCAを行った結果を図1に示す。PC1の寄与率は45.7％，
PC2の寄与率は31.1％で，寄与率としては同程度であり，

表 5 段階的に塩分を低減させた仕込試験の仕込時の水分量と耐水食塩濃度

市販仙台味噌と市販減塩味噌とでは重なりが見られな

塩分（％）

水分量
（％）

耐水食塩濃度（％）

12

47.0

20.3

10

45.5

18.0

9

45.5

16.5

平成30年度に宮城県みそ技能士会における独自の

8

45.5

15.0

取組みとして，塩分濃度12％を基準とし，これを10％，

7

45.5

13.3

9％，8％，7％，6％と段階的に低減させた仕込試験を

6

45.5

11.7

かったことから，両者は味のバランスが異なると推察された。
3.2 塩分濃度を段階的に減らした仕込試験実施した。これらについて，塩分12％の味噌を基準品と
しみそ技能士会会員22名で官能評価を実施した(図2)。

との評価意見が出されたものと推察された。 そこで，組官能評価の結果（表4）より，総合評価では塩分9％の成に影響を与えていると考えられる水分量を管理ポイン

仕込味噌までが仙台味噌と同等と考えられるが，味やトとした。

香りについて改善の余地があることもわかった。特に，また，市販の減塩味噌4種類について同時に官能評

評価者から，「味噌が硬い」，「水分不足である」という意価を行った結果，評価は基準品より低かった。特にサン見があった。基準品の仕込時の水分量が47％であった

プルIについては，本研究の方向性に近い，減塩でも旨のに対し，他の仕込み味噌では防腐と，対水食塩濃度

味濃厚という特徴を謳っていたが，同様の結果となった。

も考慮し， 水分量を45.5％としたため（表5），水分不足

このことから，味評価装置の結果も含め，市販の減塩味－ 28 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

噌と仙台味噌とは異なる特徴を持っているということが3）市販仙台味噌との比較示された。
試験区1から試験区4について，市販仙台味噌と比較す
3.3 小仕込み試験による管理ポイントの最適化

るため，味評価装置による評価を実施した。そのPCA結果（図3）より，PC1の寄与率は66.7％，PC2の寄与率は

1）試験区の設定

16.5％であり，PC1方向では，試験区4は市販仙台味噌とは離れた位置にマッピングされていることから，試験区

みそ技能士会の官能評価の結果より，塩分9％まで

4は仙台味噌とは異なる味の特徴を持っており，その他

が仙台味噌と同等であることがわかったことから，塩分の試験区については仙台味噌に近い味の特徴を持っ9％の味噌の高品質化を図ることにした。管理ポイントとていることが分かった。

した水分量の最適化を図るため，水分量をやした仕込

300

試験を実施した。試験区は，塩分9％で仕込時の水分200

台味噌として塩分12％，水分量47％の対照区を設けた

100

PC2-16.544%

量を段階的に増やした4区を設定し，さらに一般的な仙（表6）。
表 6 仕込試験条件

0
-100
-200

水分量（％）

塩分（％）

試験区 1

45.5

9

試験区 2

46

9

試験区 3

47

9

試験区1

試験区2

試験区 4

48

9

試験区4

市販仙台味噌

試験区 5（対照）

47

12

-300
-500

-300

-100
100
PC1-66.672%

300

試験区3

図 3 仕込味噌と市販仙台味噌の PCA 結果

また，香り評価装置の測定結果より，試験区 1 から試2）組成改善の確認

験区 5 までクロマトグラムに違いが見られたことから，香気成分に違いがあると考えられたため，GCMS を用いて試験仕込にて製造した味噌について，組成が改善さ

詳細な分析を実施した。

れているかを確認するため，試験区1（塩分9％，水分45.5％）を基準品として，試験区2から試験区4の官能評

その結果（図 4）より，ピーク 1 およびピーク 2 に大き価を実施した（表7）。その結果，水分量が多くなると，組な差が見られ，付属のライブラリより化合物の検索を行

成の改善は認められるものの，その他の色，味，香り，ったところ，ピーク 1 は乳酸エチル，ピーク 2 は酢酸であ

総合評価が低くなることがわかった。

ると考えられた。

表 7 試験区 1 を基準品とする官能評価結果（5 名による）
色
サンプル

良い

香り

味

組成

総合

やや 同 やや 悪

良 やや 同 やや 悪 良 やや 同 やや 悪 良 やや 同 やや 悪 良 やや 同 やや 悪

良い 等 悪い いい 良い 等 悪い い い 良い 等 悪い い い 良い 等 悪い い い 良い 等 悪い い

試験区 2

0

1

4

0

0

0

1

3

1

0

0

1

3

1

0

0

0

5

0

0

0

1

4

0

0

試験区 3

0

1

2

2

0

0

1

1

3

0

0

0

4

1

0

0

3

2

0

0

0

1

2

2

0

試験区 4

0

0

0

2

3

0

0

0

4

1

0

0

2

2

1

0

3

1

1

0

0

0

1

2

2

－ 29 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

さらに,一般成分の分析結果から，熟成3ヶ月目のpH

表8 各社の仕込時及び熟成3ヶ月目の仕込味噌のは試験区1で5.19，試験区2で5.01，試験区3で4.91，試

塩分濃度および水分量

験区4で4.68と水分が多いほどpHは低下し，酸敗が見ら
適な水分量は46％であると考えられた。
A社
×106

2.5

TIC/-

B社

1

2

2

1.5

C社

1
D社
0.5
E社

0
0

10
試験区4

20
時間/min
試験区3

試験区1

試験区5

30

塩分（％）

区分

れた。以上の結果から，塩分9％の味噌の仕込時の最

40
試験区2

水分量（g/100g）

仕込時

3ヶ月

仕込時

3ヶ月

対照

12.6

13.0

46.3

46.7

減塩

9.1

9.3

43.9

45.8

対照

11.7

12.1

47.5

49.6

減塩

9.2

9.3

49.6

47.3

対照

11.9

11.5

46.3

46.5

減塩

9.4

9.1

44.7

46.6

対照

12.5

12.6

49.9

52.4

減塩

8.9

9.2

47.8

51.6

対照

12.6

12.6

45.5

47.8

減塩

8.8

8.9

43.9

46.3

1）減塩味噌の官能評価
各社の減塩区について，対照区との比較により官能

図 4 仕込味噌の GCMS 結果（TIC）

評価を行った結果を表9に示す。
これより，A社，B社にて「やや悪い」という評価が多っ
たが，C社，D社，E社では対照区，いわゆる仙台味噌と

3.4 中規模仕込試験

同等との評価が多く得られた。
中規模仕込試験については，県内味噌製造企業6社
2）味覚センサーによる評価の協力が得られ，そのうち1社については，仕込み時期が他社と異なったため，今後の検討は残りの5社の味噌で実施した。その5社の仕込時及び熟成3ヶ月目の塩分

各社の減塩区及び対照区の味覚センサーの応答値

濃度，水分量は表8の通りであり，概ね設定した塩分濃より得られたデータを用いてPCAを行った結果を図5に度および水分量となっていることが分かった。

示す。

表 9 各社の減塩区の官能評価結果（各社の対照区との比較）
色

香り

味

組成

総合

やや
やや
やや
やや
やや
やや
やや
やや
やや
良い やや
良い 同等 悪い 悪い 良い 良い 同等 悪い 悪い 良い 良い 同等 悪い 悪い 良い 良い 同等 悪い 悪い 良い 良い 同等 悪い 悪い

A社

0

5

B社

2

3 38 15

1 10 14 35 1

0 10 24 24 3

0

1 10 46 4

0

2 10 48 1

9 28 19 3

0

1 26 24 10

1

2 21 23 141

4 44 11 1

0

4 23 29 5

C社

1 11 33 15 1

0

3 47 10 1

2 10 36 13 00

2 43 16 0

0 11 38 12 0

D社

2

2

4 39 15 1

2 15 34 9

2 12 29 17 1

2 11 37 10 1

E社

3 26 11 21 0

0 11 46 4

2 16 31 12 0

7 33 19 0

0 11 34 14 21

4 17 30 10 0

－ 30 －

0宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

官能評価で味が「同等」と評価されたC社，D社はほぼ

また，各ピークの強度を見ると， No4，No9，No15，

同じ位置にプロットされ，「やや悪い」の評価が多かった

No18，No19の強度が減塩区で大きく，GCMSでの定性

B社では離れた位置にプロットされた。A社，E社は官能結果と合わせると，それぞれ，No4（イソバレルアルデヒ

評価の傾向とは異なったが，これについては，今後詳ド），No9（2-メチル2-ブテナール），No15（酢酸），No18

細な検討が必要と思われた。

（フェニルアセトアルデヒド），No19（フェネチルアルコール）であると推定された。これらの成分の香りの性質をデータベース（AroChemBase，アルファ・モス株式会社）で400
PC2-22.4%

検索すると，No4，No9，No18，No19はそれぞれアーモ

200

ンド様，フルーティー，ハチミツ様，バラ様の香り，一方
No15は刺激臭であり，表に示す官能評価の結果と比較

0

すると，前者を重視した評価者は「良い」，「やや良い」
を，後者を重視した評価者は「悪い」，「やや悪い」という-200評価を与えたものと考えられた。

-400
-400

-200
0
200
PC1-72.4%

A社対照区
D社対照区
B社減塩区
E社減塩区

B社対照区
E社対照区
C社減塩区

400

3.5 製造規模仕込試験

C社対照区
A社減塩区
D社減塩区

1）鑑評会審査員による官能評価
製造した減塩味噌について，仙台味噌を対照として官能評価を実施した。評価者は第68回本場仙台味噌・

図 5 各社対照区，減塩区の PCA 結果

醤油鑑評会 味噌の部に参加した鑑評会審査員13名とした。表10に官能評価の結果を示す。多数の評価者が3）香気成分分析

同等以上の評価をしており，「減塩でもしっかり塩味を感じた」，「減塩であるにも係わらず，旨みがある」，「減各社の減塩区および対照区のHSGC測定結果を図6

塩を感じさせない味」といった意見もあった。試験区に示す。得られたピークは図中の①から㉓までであり，及び対照区の熟成3ヶ月目の一般成分分析結果（表各サンプルで認められたピークの数に違いが見られな

12）においても，各項目において特に大きな違いが見らかったことから，減塩区および対照区では香りに関与すれなかったことから，製造規模でも仙台味噌と遜色ないる成分に大きな違いは見られないことが分かった。

味噌が製造できると判断できた。

③
②
①

⑤

⑧

⑩ ⑪

⑮

④
⑥ ⑦ ⑨

⑫

⑬

⑭ ⑯

⑰

⑱

⑲ ⑳

㉑

㉒

図 6 各社の減塩区および対照区の HSGC 結果－ 31 －㉓

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

表 10 本場仙台味噌・醤油鑑評会審査員による官能評価結果
色
評価者

香り

○

B

○
○

C
D

総合

○
○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

H

○

○

○

I

○

K

○

L

○

M

○

○
○
○

○

G

○
○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○
○

○

○

○

○

○
○

E

○

○

○

J

組成

やや
やや
やや
やや
やや
やや
やや
やや
やや
良い やや
良い 同等 悪い 悪い 良い 良い 同等 悪い 悪い 良い 良い 同等 悪い 悪い 良い 良い 同等 悪い 悪い 良い 良い 同等 悪い 悪い

A

F

味

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

表 11 特性保存試験における官能評価結果
サンプル
保存
温度

15℃

20℃

色

香り

味

組成

総合

やや
やや
やや
やや
やや
やや
やや
やや
やや
やや
保存
良い
同等
悪い 良い
同等
悪い 良い
同等
悪い 良い
同等
悪い 良い
同等
悪い
良い
悪い
良い
悪い
良い
悪い
良い
悪い
良い
悪い
期間

1 ヶ月 1

2

4

0

0

1

4

2

0

0

1

5

1

0

0

1

0

6

0

0

1

4

2

0

0

2 ヶ月 0

5

1

0

0

1

2

3

0

0

0

4

2

0

0

0

3

3

0

0

0

5

1

0

0

3 ヶ月 1

3

1

0

0

0

4

1

0

0

1

2

2

0

0

0

2

3

0

0

1

3

1

0

0

4 ヶ月 1

3

2

0

0

0

4

2

0

0

0

4

2

0

0

1

1

4

0

0

1

4

1

0

0

1 ヶ月 1

3

3

0

0

2

4

1

0

0

4

2

1

0

0

1

0

6

0

0

2

4

1

0

0

2 ヶ月 4

2

0

0

0

3

3

0

0

0

2

2

2

0

0

1

2

3

0

0

3

3

0

0

0

3 ヶ月 4

1

0

0

0

1

4

0

0

0

1

2

2

0

0

1

2

2

0

0

3

2

0

0

0

4 ヶ月 0

2

0

4

0

1

4

1

0

0

2

4

0

0

0

1

2

3

0

0

1

5

0

0

0

表 12 熟成 3 ヶ月目の対照区，試験区の一般成分分析結果（製造規模仕込試験）
水分

総窒素

塩分

pH

(g/100g) (g/100g) (g/100g)

ｱﾙｺｰﾙ

ﾎﾙﾓｰﾙ 水溶性

水分

窒素

活性

窒素

(g/100g) (g/100g) (g/100g)

色

調

Ｙ％

ｘ

ｙ

対照区

50.39

1.854

12.42

5.05

1.268

0.351

1.067

0.795

14.4

0.462

0.395

試験区

47.13

2.076

9.27

5.08

1.255

0.406

1.166

0.819

13.7

0.468

0.396

－ 32 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

2）香気成分分析

100

PC2（9.7%）

試験区及び対照区の熟成 3 ヶ月目の味噌の HSGC
結果を図 7 に示す。これより，ピークの大きさに違いは見られるものの，ピークの数や位置はほぼ一致することから，対照区と試験区の味噌は香りの質が類似している
ことが考えられた。

試験区
対照区

50
0
-50

-100
-150

-50
50
PC1 （89.8%）150

図 8 製造規模仕込試験味噌（3 ヵ月目）の PCA 結果
3.6 保存試験
味噌組合では平成20年度に保存温度5℃，20℃，
30℃での品質保存試験を実施しており，その結果，保存温度5℃では一般成分，色に大きな変化は認められていないと報告している 8）ことから，本試験では保存温
度5℃の味噌を対照として比較を実施した。

図 7 製造規模仕込試験味噌（3 ヵ月目）の
HSGC 結果

1）官能評価保存期間4ヶ月目までの官能評価結果を表11に示す。

3）味評価装置による評価

3ヶ月目までは，各項目での評価は同等以上となってい試験区及び対照区の熟成 3 ヶ月目の味噌についてるものの，保存温度20℃では4ヶ月目に色の項目にお味評価装置で評価し，得られたデータの PCA 結果をいて「やや悪い」という評価が最も多くなった。一般成分

図 8 に示す。

分析の結果（表13），保存温度20℃で期間が長くなるほ第一主成分（PC1）では対照区と試験で重なりが見らどY％（明度）の低下が見られ，これが官能評価の結果

れ，かつ寄与率が 89.8%であることから，試験区と対照につながったもの考えられた。一方で，その他の成分に

区の味のバランスが類似していることが分かった。

ついては特に大きな変動は見られなかった。

表 13 特性保存試験における，各保存温度の味噌の一般成分分析結果

水分(g/100g)
pH
アルコール
(g)
ｱﾐﾉ態窒素（g/100g）
水溶性窒素（g/100g）
水分活性
Ｙ％

開始時

5℃
15℃
20℃
1 ヶ月 2 ヶ月 3 ヶ月 4 ヶ月 1 ヶ月 2 ヶ月 3 ヶ月 4 ヶ月 1 ヶ月 2 ヶ月 3 ヶ月 4 ヶ月

48.21

47.91 48.03 46.46 47.70 48.30 48.18 46.89 48.08 48.42 48.30 47.67 48.48

5.17

5.17

4.134

3.758 3.428 3.962 3.588 3.370 3.355 4.171 3.764 3.027 3.542 3.671 3.740

0.411

0.404 0.416 0.407 0.399 0.412 0.419 0.415 0.403 0.410 0.419 0.404 0.402

1.163

1.168 1.179 1.170 1.206 1.174 1.174 1.184 1.224 1.174 1.187 1.192 1.238

0.823
15.0

0.822 0.822 0.824 0.824 0.822 0.820 0.826 0.824 0.818 0.810 0.826 0.825
15.6 14.3 12.8 14.1 14.3 13.3 12.1 11.9 14.1 11.0
8.3
7.4

5.09

5.14

5.12

5.15

－ 33 －

5.07

5.09

5.07

5.14

5.01

4.99

4.96

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19（1）目標塩分を9％としたところ，水分不足により，組成

5℃

15℃

の評価が低かったことから，水分量の最適化を実施し，20℃

最適な水分量は46％であった。
（2）宮城県味噌醤油工業協同組合の組合員6社にて，最適化した塩分濃度および水分量で中規模仕込試験を実施し，官能評価および機器分析の結果から，仙台味噌と同等という評価が得られた。

図 9 保存期間 4 ヵ月目の味噌の外観（3）宮城県味噌醤油工業協同組合の組合員1社にて製造規模仕込試験を実施し，官能評価および機器分析の一般的にY％は熟成が進むほど低下する傾向があり，保存期間4ヵ月目における各保存温度の味噌の外観（図9）を見ると，20℃の味噌では実際に熟成が進んでいることが確認できた。

結果から，仙台味噌と同等という評価が得られ，製造規模でも問題なく製造が可能であることが分かった。
（4）賞味期限6ヶ月を想定し，保存温度を変えた保存試
験を実施したところ，保存期間4ヵ月時点で保存温度20℃では保存中に熟成が進んだが，15℃では特に大きな変化は見られず6ヵ月までは品質特性が変化しないこ

2）香気成分分析とが見込まれた。

保存試験における，5℃1ヵ月目および各温度の4ヵ月

謝辞

目の味噌のHSGC結果を図10に示す。5℃1ヵ月目と比較し，ピークの数や位置に違いは見られないが，ピークの大きさについては，保存温度が高い味噌において大きくなっていた。このことから，保存温度20℃においては保存中に熟成が進んでおり，保存温度15℃では品質特性が保たれ，品質が維持されていることが分かった。

本研究を進めるにあたり，宮城県味噌醤油工業協同組合の高橋清部長を始めとする技術部の皆様，および宮城県みそ技能士会の会員の皆様には味噌試験仕込や官能評価，そしてご助言を頂くなど多大なるご協力を頂きました。ここに謝意を表します。
参考文献
1） みそ健康づくり委員会，みそ文化誌，全国味噌工業協同組合連合会，2001，p.374
2） 厚生労働省，平成27年国民健康・栄養調査の概要，
20163） 菱田明，佐々木敏，日本人の食事基準，2015年版，第一出版，20144) 伊藤貞嘉，佐々木敏，日本人の食事摂取基準，
2020年版，第一出版，2020
5) 宮城県味噌醤油工業協同組合，本場仙台味噌統一
仕込要領，20086） 井上裕，武藤智葉，嶋崎広典，村田勇，木村昌行，

図 10 特性保存試験における HSGC 結果

金本郁男，日病薬誌，2012，48(3)，p.351－355.
7） 羽生幸弘，畑中咲子，減塩味噌の製造プロセスの4．結言検討，令和元年度宮城県産業技術総合センター研究
報告，2020，No.17，p.67－71.

本研究では，仙台味噌の減塩化に向けプロセスの最適化を行い，以下の様な結果を得た。

8) 宮城県味噌醤油工業協同組合技術部，平成20年度
技術指導報告書，p.1-7－ 34 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【研究報告】【令和元年度～令和3年度 県単独試験研究】

宮城マイ酵母保存株の特性評価― 清酒製造技術の高度化 ―吉村 緑，奥原 秀樹*1，橋本 建哉*2
食品バイオ技術部，*1株式会社平孝酒造(*2現 食産業振興課)
宮城県産業技術総合センターの保有する清酒酵母の優良かつ特徴的な性質の安定維持と保存を目的として，純米酒製造用として普及している宮城マイ酵母泡なし株の特性評価を行った。
親株である宮城マイ酵母（MY-3102株）を対照株とし，同株の泡なし株候補として保有していた60株について総米200g，4kgの小仕込試験を実施し，その発酵経過や製成酒の成分分析結果により，宮城マイ酵母の低温発酵性ほか優れた特徴を備え，かつ，高泡形成が抑えられた実用候補株を選抜した。さらに実醸造試験においても安定した発酵性を示し，宮城マイ酵母泡なし株として実用上問題ないことが示された。
キーワード： 清酒，清酒酵母，宮城マイ酵母，泡なし酵母，高泡非形成
1 緒言

2.1 総米200g小仕込試験

宮城マイ酵母（MY-3102株）は宮城の純米酒造りに

前述の60株について，総米200g小仕込試験を実施し適した酵母として，平成12年に宮城県酒造組合と宮城た。対照としてMY-3102株を同時に仕込んだ。試験は2

県産業技術総合センターが共同開発した酵母である。

段階で行い，まず60株から10株程度を選抜しこれを選

低温で良く発酵し，アルコール耐性に優れ，もろみ後半抜株とし，さらに選抜株について同条件で小仕込試験

まで良好な発酵経過を維持し，有機酸の生成が少なくを行った。小仕込試験に使用する酵母の培養には麹エ

製成酒の酸味がやわらかになるという特徴を持つ。

キス培地を使用した。麹エキス培地は，米麹1kgに対し開発当初の宮城マイ酵母は高泡形成能を有する酵
1）

水4L，塩化カルシウム0.3g，リン酸二水素カリウム3g，硫母であったため，Froth flotation法 によって育種した高酸マグネシウム七水和物1.2gを加えて65℃，約20時間

泡を形成しない宮城マイ酵母泡なし株（MY-3227株）が糖化し，ろ過後に加水してボーメ6.0まで希釈した後，乳2)

平成16年に実用化され ，宮城県内の酒造メーカーに酸を用いてpH4.0に調製した。

広く普及し，今日まで10年以上使用されてきた。

本研究では，優れた特徴を持つ宮城マイ酵母を今

小仕込試験は難波ら の方法に準じて行った。蒸米，
麹に換えてα米，乾燥麹を使用し，仕込配合は表１の後も長く酒造メーカーへ安定して提供可能とすること通りとした。汲水歩合を130％とし，α米については重量を目的とし，宮城マイ酵母保存株の特性評価を行った。

の30％，乾燥麹については重量の20％分の補水をそ

3)

れぞれの仕込時に行った。前日水麹法による酵母仕込にて仕込み，ボーメ6.0，pH4.0の麹エキス培地で20℃，

2 実験方法7日間培養した酵母培養液を10mL添加した。もろみ管
理は炭酸ガス減少によるもろみの減量を指標とし，減量当センターでは，平成26年～30年に配布していたが60gに達したものから遠心分離で上槽した。

MY-3227株を6株，同株開発時に共に取得した株MY3201株～MY-3255株を54株保有している。
この計60株の中から宮城マイ酵母として特に優れた性質を維持し，かつ宮城マイ酵母泡なし株として実用に適したものを小仕込試験および実醸造試験により選抜することとした。

－ 35 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

表1 総米200g小仕込試験の仕込配合

2.4 成分分析

水麹

添

仲

留

計

総米（g）

10

25

65

100

200

掛米（g）

0

25

55

80

160

麹米（g）

10

0

10

20

40

汲水（mL）

55

0

75

130

260

もろみろ液や上槽後の製成酒の成分分析は国税庁
所定分析法4)に準じて行った。グルコース濃度は簡易グ
ルコース測定器Gluco Jr.（（株）バイオット）及びグルコースCII-テストワコー（富士フイルム和光純薬（株））を用いて測定した。製成酒の香気成分は（株）島津製作所製※水麹時の汲水は酵母培養液10mLを含む

ガスクロマトグラフNexis GC-2030（カラム：DB-WAX，キャリアガス：N2 ）及びヘッドスペースサンプラHS-20を用

2.2 総米4kg小仕込試験

いて行い，成分の定量は内部標準法に従った。内部標
準液としてn-アミルアルコールを用いた。

総米200g小仕込試験にて選抜した株について，総米4kg小仕込試験を実施した。原料米は精米歩合50％の3 実験結果及び考察

蔵の華を使用し，仕込配合は表2の通りとした。
留仕込までの汲水歩合を130％，もろみ序盤に追水

3.1 総米200g小仕込試験を2回行い総汲水歩合140％とした。もろみ管理については成分分析を1～2日おきに行い，アルコール分18％を目安に上槽した。

いずれの株も発酵の全期間を通じて高泡は形成しなかった。対照株MY-3102株のもろみ日数は20～21日であったのに対し，MY-3227株の保存株6株は24～26日と，

表2 総米4kg小仕込試験の仕込配合
水麹

添

仲

留

総米（kg）

0.2

0.5

1.3

掛米（kg）

0.0

0.5

麹米（kg）

0.2

汲水（L）

1.1

追水

発酵速度が遅かった。保有する60株のうち，MY-3102
計

株と比較して発酵速度が同等または速く，かつ酸度，ア

2.0

4.0

ミノ酸度が同等または低いものを基準として，8株選抜し

1.1

1.6

3.2

た（データ非掲載）。

0.0

0.2

0.4

0.8

0.0

1.5

2.6

0.4

次にこの8株について同条件で小仕込試験を実施した（表4）。MY-3102株と比較して発酵速度が同等であっ

5.6※水麹時の汲水は酵母培養液0.2Lを含むたのはMY-3207株とMY-3216株の2株であった。この2株は酸度もMY-3102株より低く，アミノ酸度は同等の値であった。この結果より，MY-3207株とMY-3216株の22.3 実醸造試験

株を選抜し候補株とし，総米4kg小仕込試験に供するこ

総米4kg小仕込試験にて選抜した株について，総米1,700kgの純米酒の実醸造試験を実施した。原料米は精米歩合60％の山田錦を使用した。留仕込時までの仕ととした。
3.2 総米4kg小仕込試験

込配合は表３の通りとし，上槽の際にアルコール濃度が18％を超えないようにする目的で，これに加えMY-3102
株のもろみで計120L，MY-3216株のもろみで計205Lをそれぞれ追水した。

候補株であるMY-3207株及びMY-3216株について，
総米4kg小仕込試験を実施した。もろみの成分の推移について，もろみ日数は対照株であるMY-3102株が27日，MY-3227株が29日，候補株であるMY-3207株が26
日，MY-3216株が25日となり，候補株2株がMY-3102株

表3 実醸造試験の仕込配合

より1～2日先行した（図1a）。候補株2株とも酸度は低く

酒母

添

仲

留

計

総米（kg）

90

250

480

880

1700

が，MY-3207株は他と比較して上槽直前にアミノ酸度が掛米（kg）

60

170

380

720

1330

少し上昇した（図1c）。もろみの酵母密度は候補株2株と麹米（kg）

30

80

100

160

370

もMY-3102株と同等で2.2×108 cells/mL程度であった。

汲水（L）

100

200

610

1330

2240

も ろ み 末 期 に お け る 酵 母 の 生 存 率 は MY-3207 株 が推移した（図1b）。アミノ酸度の推移はほぼ同等であった

95％を下回り，特にもろみのアルコール分が17％を超え－ 36 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

表4 総米200g小仕込試験（2段階目）の製成酒の成分
菌株

対照株

候補株

もろみ日数

アルコール

（日）

（％）

日本酒度

酸度

アミノ酸度

グルコース

MY-3102

20

18.8

-1.18

2.78

1.37

1.42

MY-3227

24

18.9

-4.12

2.74

1.50

1.90

MY-3207

20

19.0

-0.83

2.41

1.40

1.50

MY-3216

20

19.1

-0.37

2.50

1.30

1.47

MY-3226

23

18.6

-5.27

2.76

1.39

2.11

MY-3231

22

18.8

-4.20

2.49

1.38

1.87

MY-3241

22

19.0

-1.28

2.60

1.45

1.62

MY-3242

23

18.7

-4.91

2.88

1.41

2.04

MY-3251

24

18.8

-4.02

2.74

1.46

2.10

MY-3254

27

18.9

-5.00

2.68

1.59

2.19

（％）

表5 総米4kg小仕込試験の製成酒の成分
菌株

もろみ日数 アルコール 日本酒度

酸度

（日）

（％）

MY-3102

27

18.1

+4.00

2.92

MY-3227

29

17.7

-3.72

MY-3207

26

17.9

-2.10

MY-3216

25

18.0

+1.12

アミノ酸度 グルコース 酢酸エチル

イソブチル
酢酸
イソアミル カプロン酸
アルコール イソアミル アルコール エチル
（ppm）
（ppm）
（ppm）
（ppm）

（％）

（ppm）

0.99

0.71

64.83

66.42

2.25

145.87

0.88

2.81

0.97

1.18

97.17

70.96

3.16

151.32

1.02

2.18

1.02

1.03

91.07

67.24

3.64

160.85

1.06

2.40

0.91

0.80

96.10

68.59

3.27

153.350.78(a) アルコール分(b) 酸度(c) アミノ酸度(d) アルコール分に対する酵母生存率

図 1 総米 4kg 小仕込試験におけるもろみ成分の推移

た場合に，他の3株に比べ生存率の低下が顕著であった。MY-3216株のアルコール分に対する酵母生存率の－ 37 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

推移はMY-3102株と同等であった（図1d）。製成酒の成分（表5）を対照株MY-3102株と比較すると，酸度は候
補2株とも低く，MY-3207株がより低かった。アミノ酸度はMY-3207株がMY-3102株と同程度，MY-3216株はやや低く，香気成分も同等であった。
候補株MY-3207株とMY-3216株を比較すると，製成
酒の酸度はMY-3207株の方がより低いものの，対照株2株と比較するとMY-3216株も酸度が低く，宮城マイ酵母
泡なし株として充分な値であった。一方で，もろみ末期
における酵母生存率はMY-3207株の方が低く，MY-(a) 品温経過

3207株においてもろみ末期にアミノ酸度がやや上昇したのは酵母の死滅が影響したと考えられた。もろみ末期
で酵母が死滅すると，酵母の自己消化により細胞内容物が漏出し，雑味や貯蔵中の老香生成の一因となるため，もろみ末期での酵母生存率がより高いMY-3216株の方がより実用に適していると考えられた。
以上の結果より，もろみの発酵が安定しており酸度，
アミノ酸度が低く，もろみ末期での酵母生存率が高い
MY-3216株を実用候補株とした。

(b) アルコール分

3.3 実醸造試験
実用候補株MY-3216株と対照株MY-3102株について，総米1,700kgの実醸造試験を実施した。最高品温は10.5℃程度とし，実用候補株及び対照株ともほぼ同様の品温推移にて管理した。もろみ日数はどちらも28日となった。MY-3216株のもろみについては，もろみ全期間において高泡の形成は見られなかった。MY-3102株と比較すると，アルコール分についてはもろみ期間前半
でMY-3216株がやや先行し，もろみ期間を通して酸度(c) 酸度は同等からやや低め，アミノ酸度はやや低めに推移した（図2）。もろみの酵母密度はどちらも2.2～2.3×108
cells/mL程度で推移し，もろみ末期における酵母の生存率は共に97％程度であった。アミノ酸度の推移についても，本試験のアルコール濃度18％を超さない条件
においては，もろみ末期において酵母の死滅によるアミノ酸度の上昇は観察されず，安定した発酵性を示した。
製成酒の成分としては，アルコール分は同等で，酸度，アミノ酸度ともにやや低くなった。また，香気成分に(d) アミノ酸度

大きな問題はみられなかった（表6）。
以上の結果より，実醸造試験においても実用上問題ないことが示された。

－ 38 －

図 2 実醸造試験におけるもろみ成分の推移

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

表6 実醸造試験の製成酒の成分
イソブチル
菌株

もろみ日数 アルコール 日本酒度

酸度

（日）

（％）

MY-3102

28

17.6

+2.07

2.12

MY-3216

28

17.7

+2.00

1.99

アミノ酸度 グルコース 酢酸エチル アルコール

酢酸

イソアミル カプロン酸

イソアミル アルコール

エチル

（％）

（ppm）

（ppm）

（ppm）

（ppm）

（ppm）

1.58

1.70

86.70

80.66

3.67

176.31

1.02

1.45

1.41

92.88

81.71

2.94

163.81

0.98

4 結言
平成26年～平成30年に配布していたMY-3227株と，同株開発時に泡なし候補株として共に取得した MY3201株～MY-3255株の計60株について小仕込試験を実施し，実醸造試験を経て，MY-3216株を選抜した。
MY-3216株はもろみ全期間を通して泡なしの形質であり，低温発酵性が良好で，酸度やアミノ酸度が低い傾向がみられ，宮城マイ酵母の優れた特徴を有することが示された。
謝辞
本研究を進めるにあたり，宮城県酒造組合及び加盟
企業の皆さまにご助言，ご協力をいただきました。また，
本研究の実醸造試験は（株）平孝酒造との共同研究として実施されました。
記して感謝の意を表します。

参考文献
1） 布 川 弥 太 郎 , 堀 越 直 樹 , 大 内 弘 造 .

Saccharomyces属酵母菌細胞のFroth Flotationと実用的分類との関係について . 日本醸造協会誌 .
1972, 67(11), p. 968-971
2） 小山誠司, 橋本建哉, 関東宣道, 伊藤謙治. 清酒
酵母・宮城マイ酵母の高泡非形成化. 東北農業研
究. 2004, 57, p. 263-264.
3） 難波康之祐, 小幡孝之, 萱島進, 山崎与四良,
村上光彦, 下田高久. 小仕込試験法の設定. 日本醸造協会誌. 1978, 73(4), p. 295-300.
4） 国税庁. 国税庁所定分析法（令和2年6月24日付
一部改正）－ 39 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19－ 40 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【研究報告】【令和元年度～令和3年度 県単独試験研究】

酒米新品種「吟のいろは」（系統名：東北酒218号）の普及と県内産酒造用原料米の品質調査－ 清酒製造技術の高度化 －稲生 栄子，瀬尾 直美*1，有住 和彦，石川 潤一，吉村 緑，橋本 建哉*2
食品バイオ技術部*1（ 現 北部地方振興事務所，*2現 食産業振興課）
県産清酒の高品質化および多様化を目的に，新たな酒米品種「吟のいろは」（令和2年2月品種登録出願公表。系統名：「東北酒218号」）を含めた県内産酒造用原料米の酒造特性等について調査を行った。
さらに，栽培時の気象条件と県内産酒造原料米の酒造特性との相関調査等を行ったところ，出穂後1か月間の平均気温が高温傾向の場合，酒造原料米が溶けにくくなる傾向が確認された。
また，清酒醸造 において重要な分析項目である吸水性試験について，既存の分析法より詳細な条件で試験を実施した結果，吸水開始後1分から10分の吸水速度に品種間差がみられ，これは各品種の心白の形状等によるものと推察された。
キーワード： 清酒，酒造原料米，吸水特性，吟のいろは
1 緒言
近年，宮城県では清酒出荷量に占める特定名称酒（吟醸酒，純米酒，本醸造酒）の割合は 90%以上となっている 1）。また世界的にも日本酒への注目度が高まる中，
各酒造メーカーの売れる酒造りを継続的に支援していくためには，県産清酒のさらなる品質向上・多様化を目指した技術開発が重要である。
そこで，本研究では県産清酒の高品質化を目的に，新たな県産酒米品種「吟のいろは」を含めた県内産酒
造用原料米の酒造特性等について調査を行った。
2 酒米分析値と気象データとの関連
2.1 目的当センターでは，酒造用原料米（以下，原料米）については，毎年度，県産原料米の酒造用原料米全国統一分析法（以下，全国統一分析法）2）に基づく分析を実施し，酒造組合主催の講習会等において酒造メーカーに対してその年の原料米の酒造適性について情報提供を行うとともに，データを蓄積してきた。
原料米の酒造特性は，イネ栽培時の気象条件によって変動し，特に清酒もろみ管理において重要な米の消化性はイネ登熟期に当たる出穂後 1 か月の平均気温と高い相関があることが報告されている 3）。
そこで，県産米の酒造特性予測情報発信の一助とし，また，原料米の高品質化に向けた基礎資料とするため，

過去に行った酒米分析の結果と気象データとの関連について調査を実施した。
本研究では，本県育成の主要な原料米である 4 品種
「吟のいろは」，「蔵の華」,「ひとめぼれ」及び「ササニシキ」を調査対象とした。このうち「蔵の華」は 1997 年に育成された本県最初の酒造好適米品種であり 4），「吟のいろは」は，2020 年に約 20 年ぶりに育成された新たな酒
造好適米品種である 5)。「ひとめぼれ」は平成 3 年(1991)に育成された極良食味品種で，古川らは 2007～2009
年産の主要な食用米及び酒造好適米品種について食
味評価と酒質の調査を行い，産年を問わず食味と酒質ともに優れた品種であると報告している 6）。「ササニシキ」
は 1963 年に育成された銘柄品種で，良食味米として定評がある一方，原料米としては蒸米が多少粘る傾向にあり，麹の破精込みの段階で硬化しやすく，製麹しにくいとされている 7)が，今日においても酒造原料米として使用されている。
本研究では，平成 17 年度から令和 3 年度までの 17年間に行われた酒米分析データと出穂後 1 か月の平均気温との相関について検討した。
2.2 調査方法
2.2.1 出穂後 1 か月の平均気温
平成 17 年度から令和 3 年度における農業地帯別の出穂始期，出穂盛期及び出穂終期（宮城県農政部みやぎ米推進課調べ）に基づき，気象庁アメダスデータ 8)－ 41 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

から，最寄りの観測地点における各年の出穂後 30 日間の日平均気温を入手し，出穂後 1 か月の平均気温を算出した。
2.2.2 酒米分析データ
平成 17 年度から令和 3 年度に当センターで実施した全国統一分析法による酒米分析結果から，主要 4 品
種（「蔵の華」，「吟のいろは」，「ひとめぼれ」，「ササニシキ」）のデータを抽出し，各年度の分析値について，平均値を算出した（「吟のいろは」のみ令和元年度から令和 3 年度の 3 年分）。
2.2.3 原料米の概況
酒米分析データ，水稲の生育・出穂・刈取状況（宮城県農政部みやぎ米推進課調べ）等に基づき，当センタ
ーが取りまとめた平成 17 年から令和 3 年産酒造原料米の千粒重，粒の大きさ，粒揃い，溝，精米時間，除芽・除溝，割れ，吸水及びもろみにおける米の溶けやすさの概況について一覧に整理した。

化性 Brix 値は低く，米が溶けにくかったことが推察された。一方，同じく高温傾向でであった令和元年度にもBrix 値は低くなると予想されたが，高めの値となった（表3～6）。
奥田らは，消化性試験との相関が見られるのは，消化性試験における気中老化条件を「15℃，24 時間」とした場合であり，全国統一分析法にある「15℃，3 時間」とした場合は老化が不十分となること等から明確な相関が得られないことを指摘している 3)。
なお，消化性試験では，試験条件「15℃，3 時間」は初期のもろみの状態を，「15℃，24 時間」条件は後期のもろみの状態を反映すると言われている。本研究においては，試験方法は全国統一分析法に準拠しているため気中老化時間を 3 時間としている。そのため高温年においても高い Brix 値となった可能性も考えられ，気象条件と消化性の相関を検討するためには，全国統一分
析法における試験条件等についても検討する必要があると考えられた。

表1 各アメダス地点における農業地帯別出穂後1か月間の平均気温
アメダス地点
年度 南部

2.3 結果および考察

中部

北部

８地点
平均

東部

蔵王 名取 仙台 古川 米山 築館 石巻 気仙沼
H17

奥田らは，出穂後 1 か月間の平均気温と消化性試験（Brix 値）の間には明確な相関がみられるとし，その要因について，出穂後の気温により米粒内デンプンを構成するアミロース含量，アミロペクチン側鎖構造が変化
し，高温年には，出穂後の高温によりアミロペクチン含量が増加し，また，アミロペクチン側鎖の長鎖／短鎖比が高く（長く）なることで，消化性が低くなると推察している 3)。
そこで，平成 17 年度～令和 3 年度産米を用い，出穂
後 1 か月（31 日）間の平均気温と米の消化性との相関について検討した。
出穂後 1 か月の平均気温（表 1）および原料米の概況（表 6）によれば，原料米の概況における評価は，概ね 8 地点の平均が 25℃を超えた年度（平成 22 年：
26.2℃，平成 24 年：25.2℃，令和元年：24.9℃，令和 2
年：25.5℃）に「溶けにくい」となっており，気象条件からの予想と一致した。
酒米分析値を用いた消化性 Brix 値との相関については，過去の酒米分析データと当時の気象データから，
出穂後 1 か月間の平均気温が最も高温であった平成
22 年，次いで高温であった平成 24 年については，消－ 42 －

24.2

23.7

23.8

23.6

23.8

23.5

23.8

H18

23.2

－ 24.1
24.0

24.2

23.7

23.8

23.6

23.6

23.0

23.6

H19

23.3

24.5

24.7

23.7

24.0

23.8

24.1

23.4

23.9

H20

21.9

22.7

22.6

22.2

22.4

22.4

22.3

20.5

22.1

H21

21.8

22.6

22.6

21.5

22.0

21.6

22.0

21.0

21.9

H22

26.1

26.5

27.2

26.2

26.4

26.3

25.7

25.5

26.2

H23

24.0

23.9

25.3

24.1

24.4

24.3

24.4

23.4

24.2

H24

24.9

25.4

26.1

25.0

25.5

25.3

25.2

24.3

25.2

H25

24.2

25.2

25.8

24.3

24.7

24.3

24.7

23.7

24.6

H26

23.2

23.5

24.1

23.3

23.6

23.4

23.4

22.9

23.4

H27

23.6

24.3

24.8

24.1

24.3

24.0

23.9

23.3

24.0

H28

24.0

25.2

25.7

23.8

24.0

24.5

24.5

23.6

24.4

H29

22.1

22.6

22.8

22.2

22.5

22.1

22.2

21.0

22.2

H30

24.2

24.5

24.9

23.8

24.1

23.8

23.9

23.0

24.0

R1

24.5

25.4

26.1

25.0

25.6

24.8

24.3

23.5

24.9

R2

23.9

26.1

26.7

25.6

25.9

25.5

25.5

24.5

25.5

R3
23.7 24.6 24.9 23.6 24.4 24.0 23.2
* 出穂期：出穂済みの面積割合が50％に達した日

22.8

23.9

27.5

高温年

26.0

25.0

24.0

～

23.0

22.0

21.0

20.0

低温年

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

表2 宮城県産「蔵の華」の酒米分析結果（平成17年～令和３年）
玄米
年度 試料数 千粒重

H17
H18
H19
H20
H21
H22
H23
H24
H25
H26
H27
H28
H29
H30
R01
R02
R03

N=2
N=3
N=6
N=1
N=2
N=3
N=1
N=3
N=3
N=2
N=3
N=4
N=11
N=6
N=16
N=20
N=16

白米
千粒重

精米歩合 (%)

砕米率

吸水率 (%)

吸水性(120/20) Brix (%) F-N (ml)

(g)

(g)

見かけ

真

無効

(%)

20分

120分

23.7
23.4
23.2
25.1
24.4
23.9
23.8
24.6
23.6
24.5
24.9
25.0
24.4
25.0
24.2
23.9
25.1

17.5
16.8
17.0
19.1
17.6
17.3
17.3
17.9
17.0
17.8
18.2
18.3
18.3
18.0
17.5
17.5
18.4

70.6
69.8
70.3
70.8
69.6
69.9
70.2
70.4
70.5
70.4
69.7
70.2
70.4
70.3
70.3
70.1
70.0

73.9
71.8
73.6
76.0
72.2
72.4
72.8
72.7
72.1
72.6
73.1
73.4
75.1
72.2
72.2
73.4
73.1

3.3
2.0
3.4
5.2
2.5
2.5
2.6
2.3
1.6
2.2
3.4
3.3
4.7
1.9
2.0
3.3
3.1

8.2
5.2
4.7
4.4
6.4
5.0
3.1
3.7
3.8
6.9
9.3
11.5
11.8
5.2
5.1
10.7
10.4

22.0
22.7
23.3
19.6
24.7
24.1
23.5
24.3
24.4
24.0
24.0
22.4
22.0
23.2
23.2
22.7
23.0

26.8
28.7
29.5
29.2
29.7
29.3
29.1
29.4
29.4
30.6
31.1
28.2
28.7
28.1
27.9
27.7
27.0

1.2
1.3
1.3
1.5
1.2
1.2
1.2
1.2
1.2
1.3
1.3
1.3
1.3
1.2
1.2
1.2
1.2

消化性

9.1
8.3
7.7
8.0
8.1
6.7
8.9
7.2
9.6
8.3
9.1
8.4
8.1
8.0
9.2
8.5
7.9

粗タンパク質
(%)

0.7
0.8
0.6
0.6
0.6
0.6
1.0
0.8
0.7
0.7
0.8
0.7
0.6
0.7
0.9
0.8
0.6

5.7
4.1
5.0
4.4
3.3
3.9
7.4
5.4
4.3
4.1
3.9
4.9
4.4
4.8
4.8
5.0
4.7

表3 宮城県産「吟のいろは」の酒米分析結果（令和元年～令和３年）
玄米
年度 試料数 千粒重
(g)

白米
千粒重

吸水率 (%)

吸水性

消化性

粗タンパク質

真

無効

(%)

20分

120分 (120/20) Brix (%) F-N (ml)

(%)

2.7
3.8
5.1

3.8
7.9
13.1

28.1
28.1
27.1

28.8
28.9
27.7

4.7
4.5
4.5

1.0
1.0
1.0

12.0
10.9
10.6

0.9
0.8
0.7

宮城県産「ひとめぼれ」の酒米分析結果（平成17年～令和３年）

玄米
年度 試料数 千粒重

H17
H18
H19
H20
H21
H22
H23
H24
H25
H26
H27
H28
H29
H30
R01
R02
R03

見かけ

砕米率

25.9
18.8
70.0
72.6
R01 N=12
25.3
18.6
70.0
73.7
R02 N=14
27.6
20.8
70.0
75.1
R03 N=16※ 令和元年は命名前のため，「東北酒183号」

表4

(g)

精米歩合 (%)

N=2
N=2
N=5
N=1
N=3
N=3
N=1
N=3
N=3
N=2
N=2
N=4
N=4
N=2
N=0
N=3
N=3

白米
千粒重

精米歩合 (%)

砕米率

吸水率 (%)

吸水性(120/20) Brix (%) F-N (ml)

(g)

(g)

見かけ

真

無効

(%)

20分

120分

21.4
22.3
21.5
23.1
22.4
22.6
21.8
21.8
21.2
22.0
22.3
21.7
22.1
21.7
－
21.0
21.9

15.4
15.9
15.6
17.6
16.3
16.0
15.7
15.6
15.1
15.8
16.4
15.7
16.5
15.6
－
15.2
15.7

70.8
70.4
70.1
70.4
70.3
70.3
70.2
70.7
70.1
70.7
70.6
70.5
70.4
70.2
－
70.3
69.9

72.1
71.1
72.3
76.1
72.8
70.9
72.1
71.8
71.3
71.9
73.1
72.4
74.4
71.9
－
72.3
71.8

1.4
0.8
2.2
5.6
2.4
0.5
1.8
1.0
1.2
1.2
2.5
1.8
4.1
1.7
－
2.0
1.9

3.7
1.5
3.3
18.9
3.5
2.8
2.1
1.9
2.9
3.1
6.6
6.4
7.6
1.9
－
5.1
3.9

21.5
24.7
25.3
24.9
24.0
23.7
26.9
23.9
26.1
23.8
26.8
22.7
22.0
23.4
－
24.8
24.0

27.7
30.9
31.3
31.9
30.6
29.7
32.4
31.0
31.6
32.4
32.3
30.2
29.9
29.4
－
29.7
28.6

－ 43 －

1.3
1.3
1.2
1.3
1.2
1.3
1.2
1.3
1.2
1.4
1.2
1.3
1.4
1.3
－
1.2
1.2

消化性

10.8
10.3
9.4
9.9
8.8
8.1
9.8
8.5
10.9
9.2
10.4
9.0
8.6
9.0
－
10.1
9.8

0.7
0.9
0.6
0.9
0.7
0.7
0.6
0.8
0.7
0.8
0.8
0.7
0.7
0.9
－
0.8
0.7

粗タンパク質
(%)
6.3
4.7
5.1
5.4
3.6
3.4
4.3
5.1
3.9
4.2
4.0
4.5
4.4
4.4
－
4.5
4.3

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

表5

宮城県産「ササニシキ」の酒米分析結果（平成17年～令和元年）

玄米
年度 試料数 千粒重
H17
H18
H19
H20
H21
H22
H23
H24
H25
H26
H27
H28
H29
H30
R01
R02
R03

N=1
N=2
N=2
N=1
N=3
N=4
N=3
N=2
N=1
N=2
N=1
N=2
N=6
N=0
N=3
N=3
N=2

白米
千粒重

精米歩合 (%)

砕米率

吸水率 (%)

吸水性(120/20) Brix (%) F-N (ml)

(g)

(g)

見かけ

真

無効

(%)

20分

120分

20.6
20.7
20.8
22.3
21.3
21.8
21.0
21.4
20.1
21.6
21.5
21.2
21.5
－
19.6
20.1
21.9

14.6
14.5
15.0
16.7
15.8
15.4
15.4
15.3
14.0
15.8
15.4
15.4
15.9
－
14.5
14.4
16.1

70.3
70.0
70.3
70.2
69.8
70.1
70.0
70.3
69.0
70.5
68.8
70.5
70.5
－
70.2
70.3
70.0

71.1
70.3
72.1
74.3
74.1
70.8
73.3
71.6
69.6
73.3
71.4
72.6
74.0
－
74.6
71.9
73.3

0.8
0.3
1.8
4.1
4.3
0.6
3.3
1.3
0.5
2.8
2.7
2.1
3.6
－
4.5
1.6
3.3

3.4
1.6
5.7
2.1
4.9
2.0
2.0
3.5
1.0
3.6
7.3
5.7
8.8
－
4.6
4.4
5.1

18.5
25.3
26.6
20.4
24.5
27.3
27.8
24.4
26.6
24.4
28.7
25.0
22.4
－
26.2
25.8
23.1

26.3
30.2
30.0
28.8
30.4
29.8
31.4
30.3
32.5
31.5
31.6
29.3
29.2
－
28.0
29.1
28.0

1.4
1.2
1.1
1.4
1.2
1.1
1.1
1.2
1.2
1.3
1.1
1.2
1.3
－
1.1
1.1
1.2

消化性

8.8
9.8
10.0
8.9
8.7
8.1
9.6
8.2
10.3
9.1
10.9
9.1
8.5
－
10.5
10.1
9.5

0.9
0.9
0.7
0.5
0.7
0.7
0.7
0.7
0.9
0.8
0.8
0.6
0.6
－
1.0
0.8
0.8

粗タンパク質
(%)
5.6
4.4
5.1
4.4
4.0
3.0
4.8
4.6
4.2
4.7
3.9
3.9
4.7
－
5.0
4.4
4.7

表6 宮城県産原料米の概況（平成17年～令和３年）
粒の大きさ

粒揃い

溝

精米時間

除芽・除溝

H17 平年並
平年並平年並
H18 平年並
ロットにより悪い 比較的浅い平年並良好
H19 平年並
比較的浅い平年並～やや長め 平年並
H20 やや大きめ
平年並～やや長め 平年並
H21 平年並～やや小さめ
平年並～やや長め 平年並
H22 平年並～やや小さめ
深め
平年並～やや長め 溝残る
H23 平年並
早め～平年並平年並
H24 平年並～やや小さめ
平年並
平年並～やや長め 平年並
H25 やや小さめ
比較的浅い平年並～やや長め 良好
H26 平年並～やや大きめ
比較的浅い平年並良好
H27 平年並悪い
平年並
平年並
H28 平年並悪い
平年並～やや長め 平年並
H29 平年並～やや小さめ 悪い
深め
早め～平年並溝残る
H30 平年並～やや小さめ 良い
早め～平年並良好
R01 小さい悪い
早め～平年並平年並R02 小さいロットにより悪い
平年並み～やや短め平年並
R03 大きめ良い
平年並み
良好*1 農林水産省「米の検査結果」（小数点以下は四捨五入）－ 44 －

割れ

ロットにより多あり
ロットにより多ロットにより多比較的多ロットにより多ロットにより多少比較的少ロットにより多ロットにより多多い
少ロットにより多ロットにより多やや少なめ「ひとめぼれ」
1等米比率*1
（％）
溶ける
77
早め
溶ける
92
早め～平年並 溶ける
93
平年並
溶ける
82
やや早い
溶ける
94
遅い
溶けにくい
78
平年並
やや溶けにくい～溶ける
87
遅い
溶けにくい
90
早め～平年並 溶ける
96
早め～平年並 溶ける
95
溶ける
88
溶ける
93
溶ける
88
平年並～低め 溶ける～溶けにくい
94
平年並
溶けにくい
62
平年並み
溶けにくい
93
早め
平年並
95
吸水

もろみ

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

3 酒造原料米の吸水特性試験

3.2 結果と考察

全国統一分析法における分析項目のうち清酒醸造
過程において特に重要な項目とされる吸水性試験について，より詳細に経時変化を追った。
同試験法においては，白米の吸水性を，浸漬時の吸水速度と最大吸水量の 2 者を示す目的で浸漬後 20 分
及び 120 分後の吸水率を測定することとされている。しかし，主な酒造好適米では，浸漬 20 分後には既に最大吸水量に近い状態となっているため，この条件のみでは品種ごとや年次間における吸水性の違いを評価することが難しかった。
そこで，吸水性の品種間差について検討することを目的として，試験条件の浸漬時間に，1 分，3 分，10 分，
30 分の 4 条件を加え，詳細な吸水性試験を実施した。

供試した 9 品種すべてにおいて，それぞれ 3 本の直線で近似可能な吸水パターンが観察された（図 1）。
・第 1 段階 ： 吸水開始 ～ 1 分後・第 2 段階 ： 吸水開始 1 分後 ～ 10 分後
・第 3 段階 ： 飽和直前 ～ 飽和
浸漬 1 分後における吸水率は品種による違いは特にみられず，供試した 9 品種では全て 5.5～6.5％の値となり，浸漬直後の急激な吸水が観察された。浸漬 1 分
後から 10 分後までは，ほぼ直線的な吸水がみられたが，この直線の傾きは品種によって異なり，これにより品種
特性・年次間差等が比較できる可能性が考えられた。
酒造好適米以外の「ひとめぼれ」「ササニシキ」「トヨニシキ」「まなむすめ」では， 20 分後付近で曲線となったが，酒造りでﾞ重要となる初期の吸水速度を考える上では，1～10 分までの直線部分の傾きが重要と考えられる。
宮城県のオリジナル品種「吟のいろは」と「蔵の華」では，その傾きに顕著な違いがみられ，供試した 9 品種の中では「吟のいろは」「五百万石」が最も傾きが大きく，「蔵の華」が最も小さかった。「山田錦」は「吟のいろは」
よりやや傾きが小さかった。
「吟のいろは」は大きな眼状心白をもち，心白発現率が高く，「蔵の華」は点状心白で心白発現率は低いことから，この傾きの違いは，各品種の心白の形状等によるものと推察された。
今回検討した吸水時間条件では，浸漬 1 分後から 10分後までの吸水速度が最もよく品種ごとの特性を表していると考えられ，浸漬後 1 分から 10 分の間の吸水速度を用いることで各品種の吸水特性を把握できると推察された。なお，装置の配置条件等により浸漬後 1 分時点の吸水量の測定が難しい場合は，一律 6％としても実用上問題ないことが示唆されたが，これについては，今後さらに検討したい。
一般的に，米の吸水特性については，シグモイド型の曲線で表現される 9)が，実用的には浸漬開始後 1 分
から 10 分までの吸水速度を直線で近似することで，より簡便に必要な吸水量，吸水時間を求めることができると考える。
現在，酒米研究会では，全国統一分析法において吸水性試験に短時間吸水条件を加えることの妥当性について検討されており（「第 47 回酒米研究会」議事録：非公表）， 10 分間吸水条件の追加（あるいは 20 分間
吸水条件への置換え）の検討を提案していきたいと考えている。

3.1 試験方法
吸水特性の品種間差について検討するため，県内産米を中心に令和 3 年産酒造原料米 9 品種を用い，吸水性試験を行った。
試験条件は全国統一分析法に準じて行った。吸水管（ステンレス製，φ26×L49mm，61 穴）に精米歩合 70％に精米した白米 10g を入れ，15℃の蒸留水を一定時間吸水させた後，多本架卓上遠心機 （日立製 HIMAC
CT5L）を用いて 3,000rpm10 分間処理し，米表面の水を脱水した後，重量を測定し，吸水率を求めた。
吸水時間は，1，3，10，20，30，120 分間の 6 条件とした（全国統一分析法の試験条件は 20，120 分間の 2 点）。
浸漬時間を正確にとるため，吸水は個別の小容器ではなく，15℃の蒸留水約 1L を入れたステンレス製を用
い，複数個の吸水管を一度に浸漬した。また，浸漬終了から脱水開始までの時間が最短となるよう，ステンレ
ス製容器を入れた恒温水槽を遠心分離機に隣接した形で設置した。
供試品種：9 品種「吟のいろは」「蔵の華」「美山錦」「ひとめぼれ」「ササニシキ」「まなむすめ」「トヨニシキ」（以上，宮城県産）「五百万石」（新潟県産）「山田錦」（兵庫県産）－ 45 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

加えて，酒造好適米新品種の選抜条件を考える上では，線状心白をもつ「山田錦」のような吸水特性が求められるが，例えば今後の品種選抜において，千粒重，
心白発現率等の分析値に加え，「山田錦に似た吸水速度」という条件を加えることで，より効率的な品種選定ができる可能性も示唆された。
4 吸水性の年次間差
令和元年～令和 3 年産の米を用い，吸水速度の年次間差について検討した。吸水速度に大きな違いのみられた，県オリジナル品種の「吟のいろは」と「蔵の華」の2 品種を供試した。

て検討していきたい。
また、消化性試験については，近年，蒸し米酵素法に替わる試験として注目されているアルカリ崩壊試験 10）について検討している県・団体もあり，酒米研究会でも導入の有無について検討されていることから，今後，ア
ルカリ崩壊試験についても検討していく予定としている。
この試験は，アルカリ溶液中で米粒中のデンプンの分子間及び構造水の水素結合が破壊されることにより糊化が促進される性質を有することを利用し，米粒をKOH 等のアルカリ濃度を段階的に変えた溶液に浸漬し，米粒が崩壊する下限濃度を判定することにより，定量的な蒸米酵素消化性を推定する試験法で，測定条件等の検討がすすめられている。

4.1 試験方法
試験条件は，3. 1 に準じて行った。
供試品種 ：「吟のいろは」 R1：8 点，R2：9 点，R3：10 点「蔵の華」 R1：8 点，R2：9 点，R3：10 点
吸水時間 ：「吟のいろは」 3 分または 5 分，10 分「蔵の華」 3 分または 5 分，10 分，20 分
4.2 結果および考察
各年次の試料について平均値をとり比較したところ，
令和元年度から令和 3 年度の 3 年の試料については，
浸漬後 10 分時点の傾きはほぼ同じであり，供試した 2品種において大きな年次間差はみられなかったが，いずれの品種も 3 年間のうち最も高温となった令和 2 年産
米でグラフの傾きが小さく，吸水性が低い傾向が見られた（図 2）。
今回，気象条件と米の溶解性 Brix 値との相関について，割れ米の発生による吸水速度の上昇による Brix 値の上昇を仮定し，「吟のいろは」「蔵の華」の 2 品種について，令和元年度から 3 年度の原料米を用いて吸水速度の年次間差について検討したが，Brix 値の差ほど吸水速度の年次間差はみられず，吸水速度の上昇では説明できない結果となった。シャーレに白米と水を入れて吸水による割れを目視確認したが，割れ米は令和 3
年度の米試料で多くなり（データ省略），目視でも割れ米による影響は判然としなかった。70％精米での結果であり，精米歩合等による違いも考慮する必要があること等から，これについては，さらに試験条件等を増やし－ 46 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

図 1 供試 9 品種における吸水試験結果
吸水開始 ～ 1 分後 の近似線
吸水開始 1 分後 ～ 10 分後 の近似線とその数式
飽和直前 ～ 飽和 の近似線

－ 47 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

謝辞
本研究を進めるにあたり，宮城県酒造組合，宮城県古川農業試験場，宮城県農政部みやぎ米推進課，宮城県美里
農業改良普及センター，宮城県気仙沼農業改良普及セン
ターにご協力をいただいた。ここに謝意を表する。
参考文献
1)

国税庁.清酒の製造状況等について(令和 2 酒造年度)
https://www.nta.go.jp/taxes/sake/shiorigaikyo/seizojokyo/2020/pdf/001.pdf
2） 標準分析法注解編集委員会編：酒類総合研究所標準
分析法注解, 公益財団法人日本醸造協会, (2017),

図 2 「吟のいろは」，「蔵の華」の吸水性年次間差

p7-44
3)

5 結言

奥田将生，橋爪克己，沼田美子代，上用みどり，後藤奈美，三上重明：気象データと原料米の酒造適性との関係，日本醸造協会誌，(2009)，104 巻 9 号，p. 699-

本報では，県内産酒造用原料米の酒造特性と気象条件の関係等について調査を行い，また，吸水特性について
全国統一分析法をより詳細な吸水時間設定とした試験を行7114) 松永和久，佐々木武彦，永野邦明，岡本英治，阿部眞三，植松克彦，狩野 篤，滝沢浩幸，早坂浩志，薄木い，下記の結果を得た。

茂樹，黒田倫子，千葉文弥：水稲新品種「蔵の華」について，宮城県古川農業試験場研究報告, (2002),（1）県内産酒造用原料米の酒造特性と気象条件の関係調査の結果，出穂後 1 か月間の平均気温が高温傾向の場合，酒造原料米が溶けにくくなる傾向が確認されたが，米の割

p69-835)

謙介，早坂浩志，佐伯研一，佐藤浩子，酒井球絵，中れやすさ等についての考慮，消化性の試験方法の検討等

込佑介，石森裕貴，町直樹，橋本建哉，千葉直樹，小も必要と思われた。今後，米の溶解性について気象条件と

山誠司，樋口敦，畑中咲子，石川潤一，有住和彦，瀬の相関を解析するためには，従来の酒米分析結果のほか，

尾直美：水稲新品種「吟のいろは」について，宮城県

米の状態の詳細な観察，吸水割れ度合いの分析に加え，精米・酒造業者からの聞き取り調査を実施する等，総合的に判断を行う必要があることが示された。

遠藤貴司，永野邦明，佐々木都彦，千葉文弥，我妻

古川農業試験場研究報告, (2020),p1-25
6) 古川幸子，鈴木啓太郎，増村威宏，田中國介，若井芳
則：酒造好適米と良食味米の食味評価と酒質，J. Soc.

（2）全国統一分析法をもとに，より詳細に吸水時間を設定した吸水性試験を実施した結果，特に浸漬開始後 1 分からBrew. Japan. (2014) Vol. 109, p107-117
7) 佐藤和男：原料米比較仕込試験（第 1 報）ササニシキとトヨシニキの比較，J. Soc. Brew. Japan. (1974), Vol. 69.

10 分後までの吸水速度に品種間差が見られ，これは各品
種の心白の形状等によるものと推察された。

p. 787-7884)
8) 気象庁．過去の気象データ検索．
https://www.data.jma.go.jp/obd/stats/etrn/index.php（3）吸水性の年次間差をみるため，「吟のいろは」及び「蔵の華」について，令和元年度から令和 3 年度産米について，
浸漬 3 分（あるいは 5 分後）後から 10 分後の吸水速度を測定したところ，両品種とも高温年となった令和 2 年産米で吸水速度が低くなったが，3 年間で大きな差はみられなかっ（令和 4 年 4 月 22 日閲覧）
9) 水間智哉：（解説）酒造用原料米の吸水特性の解析，日
本醸造協会誌(2009)，104 巻 5 号， p. 322-330
10) 奥田将生，上用みどり，福田央：酒造用原料米のアルた。この 3 年については，特に低温となった年もなかったた
め，今後，データを増やして検討する必要がある。

－ 48 －

カリ及び尿素崩壊性による蒸米酵素消化性の推定法，
日本醸造協会誌(2018)，113 巻 5 号, p. 315-330

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【研究論文】【令和元年度～令和 3 年度 県単独試験研究】

新たな宮城県産酵母の育種－ 清酒製造技術の高度化 －石川 潤一，吉村 緑，瀬尾 直美*1，稲生 栄子，有住 和彦
食品バイオ技術部*1（ 現 北部地方振興事務所）
製成酒が酢酸イソアミルを主体とした香りを特徴とする酵母を育種するために宮城マイ酵母を親株として
UV 照射による変異誘導を行い，候補菌株を取得した。麹汁培地での増殖能力やマルトースの資化能力などを調査し，数値を Z スコアにより標準化して評価した。小仕込み試験を行う前の選抜手法として，全体を小スケール化したマイクロ小仕込み試験を考案し選抜を行った。
キーワード：宮城マイ酵母，UV 変異，酢酸イソアミル，Z スコア，マイクロ小仕込み試験
1 緒言
2.2 突然変異株の取得
当センターでは県内の酒類製造業者に培養酵母を有償で配付する培養微生物配付事業を平成 13 年度か

酵母において，酢酸イソアミルはロイシンとイソアミル

ら継続的に実施している。この事業では当センターで開アルコールにアルコールアセチルトランスフェラーゼが発し，保有している純米酒用の宮城マイ酵母泡なし株

作用して生成される 1)。この経路はロイシンによってフィSaccharomyces cerevisiae MY3227 株および MY3216 株

ードバックされて発現抑制されることから，ロイシンのアなど種々の酒造用酵母を配付している。製造業者からナログを使用してフィードバックの解除された菌株を育は純米吟醸酒用の酵母としてより香りが豊かで扱いや種することにより酢酸イソアミル生成量の多い菌株が取すい酵母を望む声が聞こえてくるが，現状では必ずしも得できることが報告されている。2)突然変異株の取得は紫外線(UV)による変異誘導法 3）

その需要を満たしているとは言えない。
そこで，本研究では宮城マイ酵母泡なし株 MY3227

により行った。親株は YPD[1% 酵母エキス {（株）アサヒ飲株および MY3216 株を親株として，醸造特性が良好で料製}, 2% Pepton(Becton, Dickinson 製，米国), 2% グル

かつ，純米酒および純米吟醸酒として好まれる酢酸イソ

コース {富士フィルム和光純薬工業（株）製}]培地 10 mL

アミルを主体とした豊かな香りを有し，純米酒および純を用いて 30℃，48 h 培養し，8,000×g，15 min にて遠米吟醸酒の製造に適する新たな宮城県産酵母を育種

心分離して菌体を得た。菌体はリン酸緩衝液で 2 回洗することを目的とした。

浄し，10% グルコース水溶液 10 mL に分散させ，ディス
ポシャーレに全量を移した。クリーンベンチ内において

2 材料と方法

シャーレに分散した菌体をゆっくりと攪拌しながら，40cm の距離で UV 殺菌灯（GL-15）を点灯させ，60 sec か

2.1 供試菌株

ら 90 sec UV を照射した。UV 照射後，直ちに菌体を回収して 105 倍まで段階希釈し，1 mM 5,5,5-Trifluoro-

本研究で使用した微生物はすべて S. cerevisiae であDL-leucine（Merck 製，ドイツ，以下，TFL）を添加したることから，菌株名のみ記載した。育種の親株 は，

DOB 寒天培地［2% グルコース，0.17% Yeast nitrogen

MY3227 株，MY3216 株を選択した。MY3227 株は平成base(Becton, Dickinson 製)，0.5% 硫酸アンモニウム{和16 年度から令和 2 年度まで，MY3216 株は令和 3 年度

光純薬工業（株）}，2% 寒天{和光純薬工業（株）製}］を選から宮城マイ酵母泡なし株として酒造企業向けに当セ抜培地として播種した。30℃で 1 週間程度培養後，コロンターで配付している。

ニーが出現したシャーレから順次回収し，釣菌した。釣菌した菌株は一時的に選抜培地上に保存し，同培地を－ 49 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

用いて画線培養を 2 回繰り返してコロニーを単離した。

(BIO-BIK 製)の各ウェルに，比重 8 Bh に調整した麹汁

単 離 し た コ ロ ニ ー は ， Potato dextrose agar （ Becton,（以下，麹汁培地）を 1,200 µL ずつ分注し，YPD で 20℃，

Dickinson 製）培地に穿刺して保存し，これを候補菌株と1 週間前培養した候補菌株培養液を 10 µL ずつ植菌しした。

た。ディープウェルプレートはインキュベーターで 20℃，
1 週間保持し，7 日目に検体として 1.0 mL ずつ採取し

2.3 選抜た。
酸度の測定は国税庁所定分析法に準じ，試料量と2.3.1 エタノール麹汁培地における増殖性

水酸化ナトリウム水溶液の濃度をそれぞれ 1/10 にして用いた。すなわち，酸度は採取した検体 1.0 mL に対し麹汁は市販の麹 6 kg に水 14 L を添加して 55℃，24て N/100 水酸化ナトリウム水溶液[富士フィルム和光純

h 加熱し，No.101 のろ紙[東洋濾紙（株）製]を用いて濾薬工業（株）製]を用いて pH 7.2 を中和点として滴定し，過し，リン酸二水素カリウム[食品添加物，和光純薬工

滴定に要した水酸化ナトリウム水溶液の容量(mL)を検業（株）製]12 g，硫酸マグネシウム[食品添加物，和光純

体の酸度とした。

薬工業（株）製]4.8 g，塩化カルシウム[食品添加物，和光純薬工業（株）製]1.2 g を添加し，乳酸[食品添加物，2.3.4 香気成分分析

和光純薬工業（株）製]を用いて pH 4.0 に調整したものを用いた。滅菌した 96well マイクロプレート (Nunc 製)の滅菌したウェル容量 2.2 mL の 96 ディープウェルプレ

各ウェルに，比重 12 Bh に調整して 5 v/v %になるようにート (BIO-BIK 製)の各ウェルに，麹汁培地を 1,200 µL

エタノールを添加した麹汁（以下，エタノール麹汁培地）

ずつ分注し，YPD で 20℃，1 週間前培養した候補菌株

を 150 µL ずつ分注し，YPD で 20℃，1 週間前培養した培養液を 10 µL ずつ植菌した。ディープウェルプレート

候補菌株培養液を 10 µL ずつ分注して植菌した。マイと Aneropack ケンキ[三菱ケミカル（株）製]を嫌気ジャー

クロプレートをインキュベーター内で 20℃，1 週間保持に入れ，インキュベーター内で 20℃，1 週間保持し，7した。培養開始後 2 日目および 7 日目に各ウェルから日目に検体として 1 mL ずつ採取した。1 mL 検体と 0.1

10 µL ずつ採取し，別のマイクロプレートにサンプリング

mL 内部標準液を 10 mL 容ヘッドスペースバイアル（株して蒸留水を用いて 10 倍に希釈し，マイクロプレートリ式会社島津製作所製）に入れて密栓後，オートクレー

ーダー (Spark-20，Tecan 製，スイス)を用いて，600 nm

ブにて 63℃，60 min 加熱し，室温で冷却した。ヘッドスの吸光度から酵母の増殖性を評価した。

ペース GC 分析は GC-8010[（株）島津製作所製]を用いた。分析条件は表 1 に示した。

2.3.2 マルトース資化性滅菌した 96 ウェルマイクロプレートの各ウェルに 2% グ
ルコースを 10% マルトース[和光純薬工業（株）製]に置き換えた DOB 培地（以下， Mal-DOB）を 150 µL ずつ

表 1 HS-GC 分析条件
検出器
キャピラリーカラム

分注した。これに，YPD で 20℃，1 週間前培養した候補
菌株培養液を 10 µL ずつ各ウェルに分注して植菌し，このマイクロプレートをインキュベーター内で 20℃，1 週間保持した。培養開始後 2 日目および 7 日目に各ウェルから 10 µL ずつ採取し，別のマイクロプレートにサンプリングして蒸留水を用いて 10 倍に希釈した。マイクロプレ
ートリーダーを用いて，600 nm の吸光度から酵母の増殖性を評価し，これをマルトース 資化性とした。
2.3.3 酸度・アミノ酸度測定
滅菌した容量 2.2 mL の 96 ディープウェルプレート

試料導入部温度
カラム温度
検出器温度
キャリアガス

スプリット比ヘッドスペース温度
バイアル保持時間－ 50 －FID
DB-WAX10m
内径: 0.1 mm
長さ: 10 m
固定相: PEG
膜厚: 0.1 µm
250℃
50℃
250℃
N2
流量: 6.0 mL
圧力: 60.1 kPa
1 : 5080℃
15 min宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

2.3.5 マイクロ小仕込み試験
50 mL 容の遠心チューブ(TPP 製) に 1 min 程度ミルで挽いたアルコール脱水麹(A 麹)4）と乳酸水を混合し，予め麹汁培地で 1 週間培養した供試菌株を植菌して 2日間培養した（水麹）。チューブの水麹に α 化米，ミネ

生菌数 (CFU/mL)

1.0E+08

ラルウォーター(Crystal Geyser；CG ロクサーヌ LLC 製，

1.0E+07

MY3216
MY3227

1.0E+06
1.0E+050米国)を加えて vortex ミキサーにて混合後，遠心分離機

50

100

UV照射時間 (秒)で軽くスピンダウンしてチューブのスクリューキャップを半回転ほど緩めて静置し，これをもろみとした。もろみの詳細は表 2 に示した。もろみをインキュベーターにて15℃に保持し，毎日重量の測定を行った。もろみ期間

図 1

紫外線照射による MY3227 株（破線）とMY3216 株（実線）の生存曲線

はアルコール度数がおよそ 16%となる，全体重量の減少
量が 3.84 g に達した日までとし，もろみ期間が終了した
検体は直ちに遠心分離機を用いて 8,000 ×g，15 min

変異により TFL 耐性を獲得したコロニーを拾い，保存で上槽した。すべてのもろみを上槽後，清酒はオートク

前にそれを再度 TFL-DOB 寒天培地上に画線してコロ

レーブにて 63℃，60 min の火入れを行い，-5℃にて保ニーの単離を試みた。図 2 に画線培養した写真を示し存した。

た。図の矢印の先が petite colony5）とみられる小さなコロ
ニーで，候補菌株のコロニーとは明確に大きさと数が異なった。我々は，このコロニーの大きさの違いは，画線

表 2 マイクロ小仕込み配合
水麹
α化米 (g)A 麹 (g)

培養の前段階，すなわち TFL 寒天平板から釣菌した段

仕込み
9.2

2.8

水 (mL)

階では TFL に耐性を獲得した菌株を完全には単離できず， TFL に対する耐性の弱い菌株がわずかに混在している場合もあると考えた。ゆえに，1 回の画線培養では3.6菌株の単離には不十分であり，画線培養から釣菌した

酵母水 (mL)0.3

コロニーをさらにもう 1 回画線し，petite colony が発生し0.05%乳酸 (mL)

20

ないことを確認して保存することとした。今後，単離した

汲水歩合 130%(α米と A 麹の補水量：各 30%)

菌株に petite colony が発生する可能性を留意しつつ，保存と継代に努めていきたいと考えている。

3 結果と考察
近年，酵母の育種で使用された変異処理の主たる方
法は，エチルメタンスルホン酸(EMS)処理であるが,作業面等の安全性で優位と考え，本研究では UV 照射法による突然変異処理を行った。
MY3216 株および MY3227 株の菌体分散液に対してUV 照射を行ったところ，照射時間が 60 sec から 80 sec
で変異株取得の目安となる死滅率 90%程度に到達した（図 1）。データは示さないが，MY3227 株に対し UV 照
射を 60 秒行った場合，希釈倍率 102 の TFL-DOB 寒天

図 2 TFL-DOB 寒天培地上に出現した取得コロニにコロニーが出現した。ゆえに生菌数当たりの TFL 耐性獲得率は 10-4 程度であると推察した。

－ 51 －

ーの画線培養（1 回目）。矢印の先端に見えるのが petite colony

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

表 3 に単離した年度ごとの菌株数を示した。また，図群間に有意差のある母集団から優秀な酵母を選抜

3 に麹汁培地における増殖性試験およびマルトース資するための考え方として Z スコアによるデータの標準化化性試験の結果を示した。各データは標準偏差が大きを行った。いま，試験項目ごとに測定された菌株培養液

く，試験における菌株の成長速度のばらつきが大きいこの吸光度が正規分布に従うと仮定し，試験項目毎，年とを示しており，UV による変異操作が有効であったこと

度単位の試験群をそれぞれ母集団とした場合，母集団を示唆していた。しかしながら，それぞれの試験項目での平均値を µ，標準偏差を σ すると，吸光度が X である

有意差検定（ANOVA）を行った結果，同じ項目でも年菌株 A の Z スコアは，度毎の集団に有意差ありの判定となった。つまり，第一ZA ＝ (XA - µ)/σ

段階選抜において全体を母集団とみなすと，同じ条件で実施したとしても年度単位で集団にバイアスがかかると考えた。

と表せる。選抜ではすべての試験項目において菌株ごとの Z スコアを求め，エタノール麹汁培地 における 2 日

表 3 年度ごとの単離菌株数

目，7 日目の Z スコアを Zk2, Zk7，Mal-DOB 培地も同様

親株

単離菌株数

令和元年度

MY32271,479

令和 2 年度

MY3216

1,152

令和 3 年度

MY3216

1,152に Zm2, Zm7 とし，総合 Z スコア Zt を
Zt = Zk2 + Zk7 + Zm2 + Zm7とした。スクリーニングは年度ごとの母集団から Zt の大き

吸光度, Abs.

い順に上位の菌株を選抜した。Z スコアは，菌株の吸光
0.80

度が平均値よりも大きい場合は正の値を示し，平均値か0.60

ら遠ざかるとその絶対値は大きくなる。したがって，母集団の中で増殖能力が大きい株ほど Z スコアは正方向に

0.40

H31

大きくなる。また，Z スコアは標準偏差で規格化されてい

0.20

R2

るため，正規分布に従う母集団であればバイアスを極力

0.00

R3

排除して比較することができると考えた。エタノール麹汁

2日目

培地 及び Mal-DOB 培地の 7 日目における吸光度は7日目

酵母が最大限に増殖した場合の酵母数を想定している
麹汁培地

が，その増殖速度までは反映しないと考え，2 日目の吸吸光度, Abs.

光度を測定した。2 日目は増殖の初期段階であるため，
0.50

一般的な微生物の増殖曲線から，その吸光度は増殖の0.40立ち上がりの早さを反映するものと考えた。すなわち，このスクリーニングは各条件における増殖能力のみならず，

0.30
H31

初期の増殖速度を考慮したものとなっている。また，2 日

0.10

R2

目の吸光度の標準偏差は平均値に対して大きく離れた

0.00

R3

データが多いため，2 日目の吸光度の大きい菌株は Z

0.20

2日目

スコアも大きくなり，結果として初期の増殖速度の大きい

7日目

菌株が選抜される傾向であった。
Mal-DOB培地

我々は，年度ごとに分離した菌株から，各年度の Ztが上位の菌株を選抜し，2 段階目の選抜として酸度測図 3 アルコール麹汁培地（上）と Mal-DOB 培地

定，香気成分分析に供した。選抜した菌株数は，作業（下）で培養した菌株の吸光度。エラーバーの手数や時間などを考慮し，マイクロプレートのウェル

は標準偏差。ANOVA により，すべての項目

数と同じ 96 菌株とした。表 4 および図 4 に酸度測定ので有意差あり(p**＜0.01)

結果を示した。酸度は平均 3.77 と一般的な市販清酒（0.8 から 1.5 程度）よりも高い値を示した。これは今回の試験系において，もろみではなく麹汁培地を用いたこと－ 52 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行と，1.2 mL の小スケールであったことから，溶存酸素のE/A 比も親株よりも高い値を示し，良好な香気を生成す

影響により酢酸やコハク酸などの有機酸が増加したた

る可能性があることが期待された。

6）

め ，結果的に全体の酸度が上昇したと考えられた。
表 4 供試菌株の酸度の統計量
データ数

平均酸度(mL)

標準偏差

中央値

3.77

0.76

3.63

5.0以上

4.5以上5.0未満

4.0以上4.5未満

3.5以上4.0未満

3.0以上3.5未満

2.5以上3.0未満

120
100
80
60
40
20
0

2.5未満

菌株数

284

表 5 麹汁培地で培養した菌株の香気分析結果(単位: ppm)
※1
※2
菌株 ID
E
A
酢酸エチル
E/A 比
724
5.2
135.4
-※3
3.8
907
5.2
120.9
4.3
1292
5.1
124.3
4.1
248
4.8
108.3
60
4.4
1239
4.8
105.3
4.6
508
4.7
122.8
57.4
3.8
816
4.7
110.6
4.2
1246
4.7
123.4
3.8
1421
4.6
115.9
4.0
516
4.6
99.2
53
4.6
MY32271.2
64.2
1.9※1 酢酸イソアミル※2 イソアミルアルコール※3 検出下限(10.7)以下
今回，我々は分離株の増殖速度や生成物などをスク
リーニングの指標としてきたが，いずれの試験系も麹汁

図 4 菌株の酸度分布培地や合成培地を用いるなど，もろみを模倣してはいる
表 5 に香気成分分析の結果を示した。もろみとは異ものの，実際とは異なる結果になっていると考えた。

なる条件ではあるが，親株である MY3227 よりも酢酸イソ

我々は，酵母のスクリーニングの評価においても実際のアミルの生成が大きく，さらに E/A 比が大きい菌株が多もろみに極力近づける手法として，極少量の小仕込みく選抜された。

試験（以下，マイクロ小仕込み試験）を考案した。マイク

酢酸イソアミルの生産量が多い菌株を選抜するため，

ロ小仕込み試験は，小仕込み試験 8）と比較して，総米各菌株の E/A 比を求めた。E/A 比は香気成分のうちエ量と汲水量を 1/12.5 に縮小し，50 mL 容量の遠心チュステル(E, 酢酸イソアミル)とアルコール(A, イソアミルアーブで実施可能となった。また，簡易化のために温度

ルコール)の濃度比(ppm / ppm)で表され，管理はインキュベーター内で一定温度とした。上槽を行ったところ，およそ 22 mL の清酒を取得することができ

E/A 比 = 100E / A

た。成分分析は 1/10 濃度の酸度・アミノ酸度測定，香気成分分析に限定し，アルコール度数測定やグルコーと定義される 7)。E/A 比が大きくなれば酢酸イソアミルがス濃度測定は割愛した。マイクロ小仕込み試験の成分ハナヤカでイソアミルアルコールの重い香りが少ない吟分析は限定的であるが，実際のもろみ条件において，も醸香となると考えられる。これらから酸度の高い株を除ろみ日数が極端に長い菌株や極端に酸度の高い菌株外するため，E/A 比の Z スコア(ZEA)から，酸度の Z スコを排除するとともに，香気成分分析に基づく選抜が可能

ア(ZAc)を除したものを菌株のスクリーニングスコア(ZSc)ととなると考えた。

し，ZSc の高い菌株を選抜した。

図 5 に実用菌株を含む 120 菌株のマイクロ小仕込みで得られたもろみ日数の分布を示した。親株の MY3216

ZSc = ZEA - ZAc

株と同等か，より短いもろみ日数を示した候補株が 68
菌株あった。酸度・アミノ酸度測定，香気成分分析につZSc により選抜した上位 10 菌株の香気成分と E/A 比をいては実施中であり，これらの結果を検討したうえで今

表 5 に示した。いずれの菌株も親株より高い濃度の酢酸後の選抜試験や通常の小仕込み試験に臨む予定であ

イソアミルおよびイソアミルアルコールを生成した。また，る。

－ 53 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.194)
表 6 マイクロ小仕込み試験のもろみ日数
供試菌株数 平均 (日) 中央値(日) 標準偏差
120
13
13
2.3

斎藤久一, 渡邉誠衛, 田口隆信, 高橋仁, 中田健
美, 岩野君夫, 石川雄章： 醸協，87，12，pp915921 (1992)

5)

Day Martin: Adv Appl Microbiol., 85, pp.1-41

30

菌株数

25

6)

← MY3216← MY3227(2013)

礼奈日, 矢野俊博: 醸協, 108, 7, pp.527–538(2013)

20

7)

永井英雄： 醸協，88，4，pp.264-271 (1993)8)難波 康之祐, 小幡 孝之, 萱島 進, 山崎 与四良,

15

村上 光彦, 下田 高久: 醸協,73, 4, pp.295–300

10(1978)

5
0
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
もろみ日数 (日)図5

マイクロ小仕込み試験のもろみ日数分布

4 結論
本研究では次の結果が得られた。
・ 親株を UV により変異させ，3,783 菌株の TFL 耐性菌株を選抜した。
・ エタノール麹汁培地における増殖性とマルトース資化性を評価し，288 菌株を選抜した。
・ 麹汁培地での培養による香気成分分析と酸度・アミノ酸度の評価からおよそ 120 菌株を選抜した。
・ 小仕込み試験を縮小化したマイクロ小仕込み試験を考案し，もろみ日数を簡易的に評価した。
謝辞
本研究を遂行するにあたり，新潟県醸造試験場の金桶光起場長および新潟薬科大学大学院応用生命科学
研究科髙久洋暁教授からアドバイスをいただきました。
心より御礼申し上げます。
参考文献
1)

松田章, 有手友嗣, 中村静夫, 辻奈緒子, 畢野堤浩子：におい・香り環境学会誌, 46, 5 pp.346349 (2015)

2)市川英治：醸協, 84，3，pp.166-170 (1989)

3)

河村大造，門隆興，東江昭夫：醗酵工学，64，25，
pp.25−27 （1986）－ 54 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【短報】【令和3年度～令和4年度 県単独試験研究】

デジタルファブリケーションによる地域商品開発
益田 佳奈，篠塚 慶介，伊藤 利憲
企画・事業推進部
デジタルファブリケーションとは，デジタルデータをもとに創造物を制作する技術である 1）。中小企業においても，デジタルファブリケーション施設（3Dプリンターやレーザーカッター等のデジタルファブリケーション
機器が設置された工房のこと）の利用や，自社設備として機器を導入して商品開発を行う事例も増加しているが，デザインプロセスと試作プロセスの不一致等の要因により，効果的に活かしきれていない現状もある。
そこで，本研究では，商品開発における試作開発のフェーズにおいて，デジタルファブリケーションを適切に使うことでより魅力的な商品開発が促進されるという仮説の下，デジタルファブリケーションとデザインの両方向から試作・検討を支援するシステムを構築し，地域企業との具体的な商品開発を通して支援シス
テムの有効性を検証する。
本報ではレーザーカッター等の加工パラメータ調査実験結果と構築した支援システムについて報告する。
キーワード： デジタルファブリケーション，レーザーカッター，UVプリンター，地域商品，デザイン
1 緒言

2 検証方法デジタルデータを基にものづくりを行う“デジタルファ

2.1 支援システムの構成

ブリケーション（以下，「DF」という）”は新たなイノベーシ
ョンや経済的価値を生み出す技術として世界的に注目

システム構築にあたり，DF機器を取り入れた商品開されている。マサチューセッツ工科大学が起源とされる発を実践しようとしている企業の現状をヒアリングした。

デジタルファブリケーション施設（以下「ファブ施設」とい

その結果，DF機器を実際に導入した企業では，専門オう）を開設する動きも世界各地で広がり，DF技術の普及

ペレータが不足していて試作品加工の技術的ハードルを押し進めている。

が高いことや，加工可能な素材の知識やパラメータ等も2）

現在，日本では132箇所（2021年Fabcross調査 ）の十分に把握できていないことが課題として挙げられた。

ファブ施設が運営されているといわれ，近年では地域企

また，社内にデザイン知識のある人材が居ないことで，業が3DプリンターやレーザーカッターなどのDF設備を

そもそものアイデア発想や加工データの作成が容易で積極的に導入し，試作に活用する動きが広がりを見せはないという現状も多く見受けられた。

ている。

そこで，これらの課題を解決するために次の3つの支設備導入・試作での活用が地域企業で進む一方，

援システムを構築する。加工技術や知識の課題は「①商品開発プロセス全体を通して見てみると，必ずしもDF

加工パラメータデータベース」で解決し，アイデア創出

技術が効果的に使われていない実情が見えてきた（県の課題は地域素材の「②デザインエレメントデータベー

内・近県10団体に聞き取り調査）。その要因の一つはス」で解決する。さらに，感性分析による「③検索システ「デザインプロセスと試作プロセスの不一致」が要因のム」により，どのイメージゾーンを狙うのかの指標，そして一つと考えられる。

狙ったイメージと合っているのかの評価を行う。

そこで，本研究ではDFによる試作とデザイン（商品

これらのシステムを3つのギアのようにお互い連動させの企画立案行為）を双方向に支援し，商品開発プロセながら回していくことで，商品開発における試作・検討

スを改善するシステムを構築する。また，地域企業とのの工程がよりスピーディーになり，商品開発が効率的に具体的な商品開発を通して本システムの有効性を検証行われるという仮説を基に支援システムを構築する（図

していく。

1）。

－ 55 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

図１ 支援システムの構成イメージ

図 3 レーザーカッターの彫刻加工パラメータ見本

2.2 加工パラメータ調査
県内企業が商品開発に導入している主なDF機器としてレーザーカッター（trotec speedy100）及びUVプリンター（mimaki UJF-6042MkⅡ）の出力パラメータ実験を行った。DF機器は細かなパラメータ調整が必要な為，加工する材料の材質や厚みに合った適切な数値を都度設定しなければならない。レーザーカッターは切断加工における材質や厚み別の独自調整パラメータ（図2）と，彫刻加工におけるパラメータ出力見本（図3）を作成した。UVプリンターはインクの濃淡を確認する為の特殊イ
ンク印刷見本（図4）を作成した。レーザーカッターのパ

図 4 UV プリンターのラメータについては，ファイルとして書き出しすることが特殊インク印刷加工パラメータ見本できる為，同機種を導入した企業に随時情報提供を行っている。

2.3 デザインエレメント作成

今回作成したパラメータ一覧によって，最適な数値で加工する為のテスト加工の時間を大幅に短縮すると共宮城県観光プロモーション推進室が管理している，宮に，材料のロスを削減することも可能になる。また，材料

城県の観光に関する写真を検索・閲覧・ダウンロードで一覧があることで本来想定していた材料より適した材料

きるwebサイト「みやぎデジタルフォトライブラリー 3）」に登を選定したり，新たなアイデア創出の可能性に繋げるこ録されている画像を代表的な「宮城の地域資源」の風景ともできる。これにより，DF機器導入企業が抱える加工と定義し，形状パターン及び配色パターンを合計1000

知識・技術の課題が改善される。

種類制作した。
(1) 形状パターン制作フロー
みやぎデジタルフォトライブラリーに登録されている画像から特徴点を抽出した後，適した配置方法で整列し（図5），充填率の変更や変形バリエーションを増やすことで，地域企業のニーズに合わせた形状パターンを誰でも簡単に素早く生成する手法を確立した（図6）。この手法の検証として，画像から抽出した100種類の特徴点を基に500種類の形状パターンを制作した（図7）。

図 2 レーザーカッターの素材・厚み別

これらの形状パターンは全てシンプルなベクターのパ

独自調整パラメータ－ 56 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.18 2021 年発行

スデータで制作されている為，IllustratorやPhotoshop等(2)配色パターン制作フローの2D描画ソフトの他，Rhinocerosのような三次元CADソ
フトでも使用可能である。

ブラウザ上で簡単に操作できるカラージェネレータ
「Adobe color4）」を使用する（図8）。みやぎデジタルフォ
トライブラリーに登録されている画像からテーマを抽出し，500種類の配色パターンを制作する（図9）。

図 5 写真から特徴点を抽出し，適した方法で配置した形状パターンの例

図 8 配色パターンの制作フロー（Adobe color 使用）

図 9 配色パターン 500 種類
図 6 形状パターンの制作フロー

これらの形状パターンと配色パターンで構成されるデ
ザインエレメントを活用し，目指すべきイメージを具体的に共有することで，関係者間の齟齬を減らし，商品開発の試作・検討のフェーズをより効率的に行うことが可能
になる。

3 結言
本年度は，
(1)

レーザーカッター及びUVプリンターのパラメータ調査(2)

デザインエレメント作成（1000種類）を行い，我々が保有する既存の知見・ノウハウと組み合
図 7 形状パターン 500 種類
わせて，①加工パラメータデータベース－ 57 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19②デザインエレメントデータベースを構築した。
次年度は，「③検索システム」を構築し，さらに，３つの支援システムを連動させる有効性について，地域企
業との商品開発を通し明らかにしていく予定である。

参考文献
1） 総務省.“平成28年版情報通信白書”.
https://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/whitepaper/ja/h28/html/nc141330.html，（参照2022-05-11）.
2） fabcross.“日本のファブ施設調査2021——コロナ禍
を経て微増。地方で進む小規模ラボ展開”.2021-12-28.
https://fabcross.jp/topics/research/20211228_fabspac
e.html，（参照2022-05-11）.
3） 宮城県観光プロモーション推進室.“みやぎデジタ
ルフォトライブラリー”.
https://digi-photo.pref.miyagi.jp/，（参照2022-05-11）.
4）Adobe.“Adobe color”.
https://color.adobe.com/ja/create/image，（参照202205-11）.

－ 58 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【短報】【令和3年度～令和4年度 県単独試験研究】

多相流シミュレーション技術の高度化研究吉川 穣，内海 宏和*1，齋藤 佳史，家口 心
自動車産業支援部*1（ 現 材料開発・分析技術部）
近年件数の多い多相流関連の相談に対応可能とするため，3つの気液二相流問題を設定して数値計算を行った。「液滴振動問題」では，初期に配置した楕円形水滴の振動周期が線形理論と一致する定量的な計算ができた。これを発展させた「気泡排出問題」では，気泡の初速度により水滴からの気泡排出/残留の違いが現れ，工業的な応用可能性が確認された。「ノズル濡れ問題」の計算では，気流による水流の壁面付着について検証実験にて再現できた。令和4年度には水滴の飛散挙動の計算へと発展させる。
キーワード： 気液混相流，液滴振動，気泡排出，ノズル濡れ，数値計算
1

緒言せざるを得ないケースもある。
本研究は，このような状況を打開し，県内企業が抱え宮城県では，平成20年度からみやぎ発展税を有効にる多相流問題の設計開発に資するべく，令和3年度から活用し，「富県宮城の実現」に向けた施策を行っている

2年間にわたって数値計算技術を培うものである。これ

1)。中でも，県内総生産10兆円達成を目標とした産業振まで当センターで対応できなかった多相流関連の問題

興パッケージでは，高度電子機械産業や自動車関連に対して，できるだけ一般的な物理モデルを対象に選

産業に関連した県内の中小企業の競争力強化を目的

んで取り組むことで，多分野の県内企業から寄せられるとしており，当センターもその下に県内企業の技術の高

相談への柔軟な対応を可能とする。もって，高度電子度化を目指して日々の支援を行っている。

機械産業や自動車関連産業に関連した県内企業の競さて，上述の産業分野においては，世界的にデジタ争力強化につなげる。

ルエンジニアリング技術を活用した設計開発が普及して1年目となる令和3年度は，気液間の表面張力が支配おり，当センターでも平成9年度からコンピュータシミュレ的となる現象として「液滴振動問題」を，液体の慣性がーションを導入して，県内企業向けに構造・伝熱を中心

支配的となる現象として「ノズル濡れ問題」を取り上げてとした先導的な技術支援を行ってきた。ところが近年で数値計算を行い，理論や実験と比較することで，その計はその分野を超え，特に流体力学分野に関して，シミュ算の妥当性検証を行うところまでを目標とする。また，当レーション（数値計算）技術を用いた設計の事前検討に初の目標として設定した上述の内容に加えて，「液滴振ついて，技術相談が年々増加している。例えばファンに動問題」を発展させることで，「液滴中の気泡排出問題」

よる気流の到達距離や水冷による発熱体の温度を求めも数値計算にて扱った。

たいといった相談や，スプレーによる液滴の飛散挙動や溶融金属が流れながら冷えて固まる位置を知りたいとい

2

計算方法と実験方法

った相談が実際に寄せられている。前者の相談のように，気体や液体それぞれ単独の流れ（単相流）を扱う問題

2.1 液滴振動問題と気泡排出問題における計算方法に関しては大方対応が可能で，数値計算利用の有無に関わらず数多くの支援を行っている。一方で，後者の2.1.1 液滴振動問題

ように気体や液体，固体が混ざりながら流れる（多相流，混相流）問題については，当センターにおいても知見が本節における計算では，表面張力が支配的となる現なく，現状においては対応が難しい。このような場合に象として，重力場の影響が無視できる浮遊液滴の表面は，多相流現象を単相流現象と見立てた簡略モデルに張力振動を取り上げる。本計算には，商用の流体計算

よる部分的な支援を行い，場合によっては対応不可とソフトウェアAnsys Fluent 2021 R2を用いて，VOF法によ－ 59 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

り気液二相流を扱うこととし，表面張力モデルにはCSF

2.1.2 気泡排出問題

モデルを採用した。気液二相流を構成する液体は水，
気体は空気として，物性値を与えている。図1に計算の液滴振動の発展的な問題として，液滴中に含まれた初期条件と境界条件を示す。ここで，𝑎 楕円の長軸径，

気泡の排出に関する数値計算を行う。図2に計算の初𝑏 楕円の短軸径，𝐿 計算領域の長さを表す。2次元問

期条件と境界条件を示す。境界条件は「液滴振動問題」

題とするために，奥行き方向には対象条件とし，その他と同じである。水滴（図2内B領域）の初期形状は半径の2次元平面方向の境界条件は全て開放として圧力

0.15[mm]の円とし，+y方向に0.075[mm]オフセットした

0[Pa]を指定した。VOF法において，計算の対象となる

位置に，半径0.05[mm]の円形気泡（図2内A領域）を配水の体積分率𝑉𝐹w [−]は式(1)にて与えた。

置した。気泡部には初速度𝑣ini を与え，𝑣ini = 35，40，1(𝑐 ≥ 0)22𝑉𝐹w = step(1 − (𝑎𝑥2+𝑦𝑏2 )), step(𝑐 ) = {} (1)0(𝑐 < 0)45，50[m⁄s]と変えて，挙動の違いを調べた。水滴の内

ここで𝑐は任意の実数である。水を楕円形の初期配置と計算モデルの将来的な拡張性も考慮して，液滴内部とすることで，気液界面に働く表面張力に差が生じ，液滴

外部の空気を別の相として定義した気気液三相流としの運動が開始される。表1に計算条件を示す。ここで𝑅て計算を行った。表面張力は水と空気の間（A-B間，B-

は楕円の長軸径と短軸径の相乗平均から得られる代表C間）でのみ働くこととし，その値を𝜎 = 0.073[N/m]とし液滴径を表す。表中の条件1，2に対して，表面張力のた。分解能は「液滴振動問題」の4倍である∆𝑥 = ∆𝑦 =値を水と空気の間に働く𝜎 = 0.073[N/m]を 中心に ，0.003125[mm]とし，時間刻みは0.002[ms]とした。

部外部（図2内A領域及びC領域）はともに空気とするが，0.292，0.01825と変えて計算を行った。計算に使用するメッシュは，x方向，y方向に∆𝑥 = ∆𝑦 = 0.0125[mm]の分解能を持つ直交等間隔格子とした。これは計算領域の1辺を80分割したことに相当する。また時間刻みは0.008[ms] と し た 。 本 計 算 に お け る レ イ ノ ル ズ 数 はBasaran2)と同様に表面張力を用いた速度スケールで定義 し ，𝜎 = 0.073[N/m]に お い て 𝑅𝑒 ≡ (𝜎𝑅⁄𝜌)1/2 /𝜇 =110とした。ここで水の密度𝜌 = 1000[kg/m3 ]，粘性係
数𝜇 = 0.001[Pa ∙ s]である。

図2 気泡排出問題の初期条件と境界条件
2.2 ノズル濡れ問題における計算方法と実験方法
本節における計算では，液体の慣性が支配的となる現象として，気流による圧力低下が液体の流れの向きを変えることで，ノズル壁面を濡れる否かの状態が変化するノズル濡れ流れを取り上げる。
図3に計算との比較対象とする実験装置を示す。ノズ
図1 液滴振動問題の初期条件と境界条件

ル壁に見立てた3[mm]厚のスペーサを挟むようにアクリル板を貼り合わせることで，テストセクションにおける水表1 液滴振動問題の計算条件

流の二次元性を確保した。また，テストセクション上部には円筒容器を設置し，水をオーバーフローさせることで水の流入流量を一定とした。水の平均流速は，30秒間流した水の質量を測定し流入孔の断面積で除すことで算出し ， 1.08[m/s] であ った 。ま た空 気の体 積流 量は
KEYENCE社製FD-A100を用いて測定し，流速に換算－ 60 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

して𝑉0 = 0，𝑉1 = 16.6，𝑉2 = 28.3，𝑉3 = 39.4[m/s]の4条件で実験を行った。この値は，空気の流速と流入境
界の奥行方向幅を代表長さとしたレイノルズ数において
𝑅𝑒1 = 3.32 × 103 ， 𝑅𝑒2 = 5.66 × 103 ， 𝑅𝑒3 = 7.88 ×
103 に相当する。また，水の流速と流入境界の奥行方向幅を代表長さとしたレイノルズ数は𝑅𝑒w = 3.24 × 103 である。またウェーバー数は𝑊𝑒w = 48である。
次に，以上の実験を対象とした数値計算の条件を示す。本計算には，商用の流体計算ソフトウェア Ansys
CFX ver.19.2を用い，Homogeneous Modelにより気液二相流を扱った。「液滴振動問題」と同様に，気液二相流を構成する液体は水，気体は空気として，物性値を与えている。図4に計算領域と境界条件を示す。水の流入境界では実験と同様に速度を1.08[m/s]で固定し，ハッチング領域の境界においては速度を0[m/s]とした。また，空気の流入境界においては，式(2)（および図5）に示す

図4 ノズル濡れ問題における計算領域と境界条件

ように速度𝑉in,air [m/s]を時間的に変化させ，実験条件と同じ速度𝑉n (𝑛: 0~3)となるように段階的に加速させた。
𝑛 )) + 1}⁄2 (2)𝑉in,air = ∑2𝑛=0(𝑉𝑛+1 − 𝑉𝑛 ) {tanh (5(𝑡−𝑡𝑡aここで，𝑡は時刻，𝑡𝑛 は加速の中心時刻，𝑡a は加速時間を 表 し ， 𝑡1 = 0.25[s] ， 𝑡2 = 0.5[s] ， 𝑡3 = 0.75[s] ， 𝑡a =0.1[s]である。なお「液滴振動問題」と同様に2次元問題とするため，奥行き方向には対象条件とし，その他の平面方向の境界条件は開放として圧力0[Pa]を指定した。
図6に使用したメッシュを示す。Mechanicalメッシャーにおいて構造格子に類するメッシュを生成するべく，計算領域を領域1~7に分割して共有トポロジー機能にて領

図5 空気流入流速の時間変化

域間で隣接するメッシュを共有させた。また分解能は∆𝑥 = 0.5[mm]，∆𝑦 = 2[mm]とし，領域1と7にのみx方向に格子伸長を施した。

(a)テストセクション全体図 (b)黄色破線部拡大図

図6 ノズル濡れ問題における計算メッシュ

図3 実験装置－ 61 －

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3 結果と考察3.1 液滴振動問題と気泡排出問題
3.1.1 液滴振動問題
図7に条件1で𝜎 = 0.073[N/m]とした場合の計算結果を示す。t = 0[s]で横長の楕円形状であった液滴は，気液界面にて発生する表面張力差によって，横長→縦長→横長→…と変形を繰り返す。今回の計算条件で得られた振動周期は𝑇 = 0.672[ms]で，図7は半周期ごと

図8 表面張力に対する振動周期の違いの水滴の様子を表している。同条件にて分解能を4倍に上げた計算も行ったが，水滴の振動周期は𝑇 =0.688[ms]で挙動に定性的な差は見られず，解の解像

3.1.2 気泡排出問題

度依存性は低い。図8に条件1，2において，表面張力を変化させた場合の振動周期の違いを示す。液滴の表面

図9に𝑣ini = 40，45[m⁄s]における気泡の挙動を示

張力振動は，円形からの無限小振幅を仮定した線形理

す。𝑣ini = 45[m⁄s]においては，(a)と(b)の時刻の間で

3)論にて解析的に扱われており ，周期は式(3)で与えら気泡が排出されたのに対して，少し初速度 が小さいれる。

𝑣ini = 40[m⁄s]においては，気泡は排出されない。この挙動を定量的に扱うために，水滴と気泡の重心間距離

𝑇 = 2π√𝜌𝑅3 ⁄6𝜎 (3)今回の計算結果(点)は線形理論の予測(線)とほぼ一致

𝑙gl [mm]を式(4)で定義した。

2)

している。また，Basaran は有限要素法を用いて，レイノ
ルズ数100における非線形領域の振幅条件(𝑎/𝑏 = 3 )𝑙gl = √∑2𝑛=1 (∬ 𝑥𝑛 ×𝑉𝐹b∬ 𝑉𝐹b−∬ 𝑥𝑛 ×𝑉𝐹w∬ 𝑉𝐹w

2) , (𝑥𝑥1) = (𝑦𝑥 ) (4)2で計算を行い，無次元時間で1周期2.8程度の振動現

ここで，𝑉𝐹b [−]は気泡の体積分率を表し，積分領域は2象となることを報告している。本計算はその条件と近く次元の計算領域全体である。図10に式(4)で定義した重(𝑎/𝑏 = 3.0)，同様の時間スケールで無次元した周期は心距離の時間変化を，表2に気泡に与えた初速度によ

2.7となり，線形理論との比較と同様に良い一致を示したって気泡が排出されるまでにかかる時間の違いを示す。

ことから，設定した問題を定量的に解くことができたと考𝑣ini = 45，50[m⁄s]においては，水滴と気泡の重心はえられる。

時間の経過とともに徐々に離れていき，最終的に気泡の重心が定義できなくなったところで気泡が排出されるが ， 𝑣ini = 35 ， 40[m⁄s] の 場 合 に は ， 重 心 間 距 離 は徐々に小さくなり気泡は水滴中に残留する。また，気泡の初速度が大きいほど，排出に要する時間は短くなる。
本計算に対しては，現時点で比較対象がないために，
その定量的な妥当性の評価はできないが，この数値計算モデルは液滴中の気泡の排出可能性を探るためのモデルとなる可能性がある。鋳造，樹脂成形といった成形工程や，スプレー塗装，溶融金属の粉砕といった微粒化現象では，液体凝固後に共通した欠陥として気泡の残留が見られるが，それらの現象は押し並べて実験

図7 液滴形状の時間変化（条件1, 𝜎 = 0.073[N/m]）

的な観察が困難であるため，数値計算モデルにより，気(a) t = 0[ms]，(b) t = 0.336[ms]，(c) t = 0.672[ms]，

泡欠陥を生成させない条件の事前検討ができれば，広(d) t = 1.008[ms]，(e) t = 1.344[ms]く工業分野における応用が期待される。
なお，計算で得られた気泡形状は初期配置と比べてどの時刻においても圧縮されており，初速度が大きい程－ 62 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

その径は小さくなっている。この原因は現時点では不明ためである。圧力差の大きさは空気の流速に対して単であるため，今後の調査課題とする。

調増加となるため，水流が吸い寄せられる程度も流速の増加とともに大きくなっており，その様子は計算と実験

表2 気泡初速度に対する排出時間の違い

で 一 致 し て い る 。 ま た 本 条 件 に お い て は ， 𝑉in,air =39.4[m/s]において初めて，水流はノズル壁面に付着した。数値計算におけるこの水流の動きを定量的に扱う
べく，y = 50[mm]における水流位置のx座標𝑋r [−]を式(5)で定義する。
𝑋r = [maxVal{𝑋 × step(𝑉𝐹w − 𝑐1 )} − 𝑐2 ]/𝑐3 (5)ここで，𝑋 ≡ 𝑥 + 𝑐2 ，𝑐1 = 0.9[−]，𝑐2 = 12.5[mm]，𝑐3 =0.0125[mm]であり，maxVal関数は引数の最大値を返す関数を表す。式(5)はy = 50[mm]において水の体積分率が90%となるx座標の最大値に対応し，水の流入境
界中心を0，ノズル壁面である12.5[mm]位置を1として，1に近いほど壁面に近づいていることを意味する。図12に𝑋r の変化を示す。本計算では，乱流モデルとして，
Smagorinskyモデルを採用しており，図中の(a)に相当
する。気流が速度を持つ0.25[s]近傍から水流位置は気流側へと移動し，𝑉in,air = 28.3[m/s]以上ではその位置が振れることが分かる。また，最終的に𝑉in,air =39.4[m/s]では壁面に付着し，この挙動は図11に示した
ように実験と一致する。ここで，乱流モデルをSSTモデ

図9 𝑣ini = 40，45[m⁄s]における気泡の挙動

ルに変更した場合（図12(b)），水流の挙動は安定し(a) t = 0.128[ms]，(b) t = 0.144[ms]，(c) t = 0.160[ms]𝑉in,air = 28.3[m/s]において既に壁面に付着してしまう。一方，乱流モデルを用いない場合（図12(c)）については，𝑉in,air = 39.4[m/s]においても壁面に付着することはなく，実験結果と定性的に一致しない。以上より，本件で扱った「ノズル濡れ問題」においては，乱流モデルの選択が現象の定性的な再現に大きく影響を及ぼすことが分かった。
本問題では，水ノズル近傍領域における水流のふる
まいについて数値計算と検証実験を行ったが，令和4年
度では，水流に空気流をあてることで，より下流の水滴の飛散挙動に着目して計算と実験を行う予定である。

図10 気泡の初速度に対する重心間距離の変化
3.2 ノズル濡れ問題
図11に空気の流入速度𝑉in,air を変化させた場合の水流の挙動について，計算結果と実験結果を併せて示す。
空気を流さない場合，水は上から下に流れ落ちるだけであるが，気流が発生することで水流が気流側に吸い寄せられることが分かる。これは，Bernoulliの定理により高速領域が低圧となることで水流の左右で圧力差が生じ，その力のバランスによって水流の軌道が曲げられる－ 63 －

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また，「液滴振動問題」の発展的な問題と位置付けた「液滴中の気泡排出問題」では，気泡に与えた初速度がある値よりも大きくなると水滴から気泡が排出され，その値に満たないと気泡が残留する様子が観察された。
現時点では本計算の比較対象とする理論や実験がな
いために計算の妥当性については言及できないが，本数値計算モデルは工業的な応用範囲の広い液滴中の気泡の排出可能性を探るためのモデルとなる可能性がある。ただし，気泡形状が初期条件よりも圧縮される現象が発生しており，その原因追究は今後の課題である。
次に，液体の慣性が支配的となる現象として選択した「ノズル濡れ問題」では，気流によって水流が吸い寄せられる様子やノズル壁面に付着する様子が，数値計算と検証実験とで一致した。乱流モデルを変更して同様の計算を行ったところ，Smagorinskyモデルを採用した
場合には実験結果を再現できた一方で，SSTモデルを
図11 計算結果（左）と実験結果（右）の比較用いた場合，乱流モデルを用いなかった場合には，ノ(a) 𝑉in,air = 0[m/s]，(b) 𝑉in,air = 16.6[m/s]，

ズル壁面に付着する現象を再現することができなかった。

(c) 𝑉in,air = 28.3[m/s]，(d) 𝑉in,air = 39.4[m/s]

令和4年度は本問題を発展させて，微粒化後の水滴の挙動に着目して研究を進める予定である。
参考文献
1） 「みやぎ発展税」の活用について
https //www.pref.miyagi.jp/soshiki/fukensui/hatenzei.html2） O., A., Basaran. Nonlinear oscillations of viscous

liquid drops. J. Fluid. Mech. 1992, 241, p. 169-198.
3） NEW YORK
DOVER PUBLICATIONS.
HYDRODYNAMICS. Sixth Edition, 1932.
図12 y = 50[mm]における水流位置の時間変化(a) Smagorinskyモデル使用，(b) SSTモデル使用，(c) 乱流モデル不使用
4 結言
県内企業からのニーズが多い多相流関連の問題に広く対応可能とするべく，3つの具体的な現象を対象として数値計算を行った。
まず，気液間の表面張力が支配的となる現象として選択した「液滴振動問題」では，楕円形の初期配置とした水滴の表面張力振動が観察され，その周期は線形理論から予測されるそれによく一致した。解の解像度依存性も低く，定量的な計算を行うことができたと考えられる。

－ 64 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【短報】【令和3年度～令和4年度 地域企業競争力強化支援事業】

環境発電，多点センシング，ビッグデータ処理を活用した県内産業の高度化
小野 仁，中居 倫夫，今井 和彦，太田 晋一，荒木 武*1，高野 寛己，林 正博
機械電子情報技術部*1（ 現 自動車産業支援部）

多数のセンサを異なる場所に配置しデータを収集する多点センシングはIoTの重要な要素だが，地域企業が独自に様々な部品を選択編成し，動作するシステムにまで持って行くことは困難である。また，多点センシングを行う無線センサの電源として環境発電の応用が進んでいるが，宮城県に環境発電デバイス関連企業が集積している中で，これらの企業が単独でIoTシステムを構築することは困難である。
一方で多点センシング等により得られるデータは膨大な量となり，画像処理等において使用されるビッグデータ処理技術の活用が必要となるが，地域企業が単独で当該技術を導入することは困難である。
そこで，本研究では，数百台接続可能，環境発電応用可能，カスタマイズ可能な自立多点データ収集Ｉ
oTシステムを開発し，地域企業等へ技術移転するとともに，多点分光／３D画像検査機器を用いた測定技
術と，画像処理AI技術を，地域企業が導入しやすい形で技術移転することを目標に研究を実施している。
今年度は，自立多点データ収集IoTシステムを開発し，地域企業と共同で，室温の高精度測定，地震検知への応用，環境発電の応用を試みた。また画像検査装置の精度確認を行い，画像処理AIの最新技術について調査を行ったので報告する。
キーワード： IoT, AI, 多点センシング，環境発電, 画像処理, 画像検査
1

緒言の技術を当センターが導入し地域企業に技術移転することを目標とした。

無線センサは配線不要で手軽にデータを取得可能
であり，多数設置するほど有線センサに対して優位だが，

2

多点データ収集ＩoTシステムの開発と応用

地域企業に浸透しているとは言い難い。この理由の一つとして，多数の無線センサを中小企業が保有しようと

2.1 多点データ収集IoTシステムの開発

すると，そのためのコストと得られたデータを活用するためのコストに対して，得られるメリットがどの程度か，事前に判断し難いことがある。

多点データ収集IoTシステムは図1の通り多数の無線センサ，1台の受信機，データ表示・保管用のパソコン

そこで多点データ収集IoTシステムを当センターが構から構成される。

築し，可視化ツールも含めて地域企業に提供すれば，無線デバイスとしては昨年度までの研究により開発し地域企業の競争力向上に役立つと考えた。なお，多数たモジュール化IoT体験キット１）を用いた。IoT体験キットの無線センサをメンテナンスフリーにするためには環境

は安価な市販の部品で構成され，コイン電池で１年以発電の活用が必要である。

上動作可能で，無線デバイスの交換が可能な無線セン

一方で多点センシングによって得られたデータはギ
ガバイトを超える膨大な量になり，その処理には画像検サである。また，コイン電池を環境発電に置き換えることにより，容易に自立電源化できる。

査や画像処理AIにおいて活用されるビッグデータ処理

受信側のパソコンではデータはテキスト形式で保管さ技術が必要になるが，近年，高機能かつ習得容易なプ

れ，100台程度までの無線センサからの受信データをリ

ログラミング言語（Python等）や，言語によらないグラフィ

アルタイムでグラフ表示可能であることを確認した。

カルなプログラミング技術の発展により，以前と比べ格ソフトウェアは，データ受信部分はPython，グラフ表示段に地域企業が導入しやすくなっている。そこでこれら部分はJavascriptを用いて構築したため，OSの種類によ－ 65 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

らず動作が可能で，クラウド化も容易である。

2.3 多点センシングの地震検知への応用
精密加工の現場においては，地震が起きた際，装置の状態を判断したり，放電加工において発火を防止したりするため，一定以上の震度の地震の加速度を知りたいというニーズがある。また，宮城県内の組織においても同様のニーズがある 2)が，多点センシングを応用す
れば，安価な地震加速度評価システムを構築できる可能性がある。
そこで，図3のように多点データ収集ＩoTシステムに搭載された三軸加速度センサを用いて地震の加速度振図 1 多点データ収集 IoT システム

幅を測定することを試みた。なお加速度測定は簡易的
手法3)により370ミリ秒毎に120回測定後，1分毎に振幅を

2.2 室温の高精度測定への応用算出し無線送信した。結果として震度5強において加速度振幅が検出可能で，設置位置や方向による違いも検金型部品や装置部品にはμm単位の加工精度を求め出可能であることが分かった。

られる場合があるが，金属の熱膨張係数は一般に10μm/K(1mあたり)以上であるため，精密加工を行う工場においては，精密な室温管理が要求される。一方で空調の数は限られるため，場所による室温の違いが発生することは避けられない。そこで，多数のセンサを用意し，それぞれを加工機の近くに置くことにより，より精
密な温度管理が可能となる。
プラスエンジニアリング（株）は仙台事業所の微細加工棟においてそのようなニーズを持っているため，多点

図 3 多点データ収集ＩｏＴシステム地震検出結果

データ収集IoTシステムを用いた測定を共同研究により実施中である。

2.4 多点センシングの工程見える化への応用

多点データ収集IoTシステム30台の，気温23℃での気温測定精度を，当センターにある恒温恒湿槽（PSL-

東北特殊鋼（株）共同で工場内の熱処理炉の稼働状

4KPH）により確認した結果を図2に示す。全ての無線セ

況を遠隔からモニタリングしている1)が，今年度から監視

ンサの温度測定結果が基準センサ（（株）ティアンドデイ

対象を10台に増やして運用中である。なお，データ表

社 TR-1106：測定精度±0.5℃@-40～80℃）による測示ソフトウェアは東北特殊綱（株）が内製した。

定値の±0.2℃以内であった。
2.5 環境発電の活用
プラスエンジニアリング（株）に設置した多点データ収
集 IoT システムの一部について，電源をコイン電池からアモルファス太陽電池に置き換え，室内光による気温測定を試行中である。
また，東北特殊鋼（株）が開発した鉄コバルト系振動発
電体に蓄電回路 4)を組み合わせた一体化環境発電ユ
ニット 1)について，さらに無線センサまで含めた一体化を共同研究により試行中である。
図 2 多点データ収集 IoT システム気温測定結果（本節の文責 小野 仁）－ 66 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

3 中小企業が導入しやすい画像検査技術の確立

行光は標準反射板（波長測定精度を評価する場合は，既知の波長に吸収ピークを持つ酸化物がドープされた

当分野においては，これまで，新規導入した多点分ものを用いる）にて反射し，積分球にて拡散反射を繰り

光画像検査機器（HSC：ハイパースペクトルカメラ）によ返すことで輝度が均一化されるため，面内で均等なス

1）

るインライン欠陥検出技術を開発 し地域企業への技術

ペクトルを持つ光をHSCで測ることができる。この測定値支援に活用しているが，支援の更なる高度化に向けて，を標準反射板の標準値と比較することで，面全体で波安価かつ簡便な測定精度評価手法の確立が重要な課

長や反射率の測定精度を評価することが可能となる。

題となっている。今回，HSC用の測定精度評価システムを構築し，実際に評価を行った結果を報告する。
HSCは，図4に示す通り100波長以上もの非常に細かい波長分解能で分光イメージングが可能な機器であり，近年普及が始まりつつある先進技術かつ高いポテンシ
ャルを有する。一方，そのようなフェーズの機器であることから，測定精度の評価/校正機能を標準搭載している

図 5 測定精度評価システムの模式図

機種は少なく，測定精度を維持管理するためには機器メーカーに有償でメンテナンスを依頼する必要がある。

実際に構築した評価システムの外観写真および構成

これをユーザー側で安価かつ簡便に実施することが可部品を図6に示す。多様なHSCに対応できるよう，可視能であれば，切れ目無く，高い信頼性に基づく測定が域から近赤外域に渡ってなるべく広い波長域で利用可

可能となり，地域企業が多点分光による画像検査技術

能な性能とし，同時にシンプル・低コスト化を実現するたを導入しやすくなるとともに，同技術の普及や市場拡大

め全てカタログ品にて構成した。

にも貢献できると考える。よって，本研究では，HSC用の広帯域かつシンプル・低コストな測定精度評価システムを構築することを目的とし，その有用性を確認する。

図 6 測定精度評価システムの外観および構成部
品
この評価システムを使って，当センターが所持する
HSC２機種（①，②）の測定精度を評価した。①は可視域中心で波長帯域380～1,000nm（分解能5nm），1,200

図 4 HSC の特徴

×1,024pixelであり，②は近赤外域中心で波長帯域900
次に，測定精度の具体的な評価内容について説明～1,700nm（分解能10nm），400×320pixelである。プッ

する。HSCは，サンプルと標準白色板それぞれについシュブルーム方式であり，イメージセンサをカメラ内部でて分光画像を撮影し，前者を後者のデータで除算する

走査することでハイパースペクトル画像を得る。

ことで相対的な分光反射率画像を算出するため，波長と反射率の測定精度が重要である。

最初に，波長測定精度の評価結果として，図7上段にHSC①の結果を示す。カメラに入射した光は，特定の波長については，それが既知のピーク（吸収や輝線）ラインの光が縦方向に分光され，イメージセンサ上1shotを測定し，測定値と標準値とのピーク位置の誤差を評で横方向（X軸）に1,200本のスペクトルが得られるが，こ価する。反射率については，サンプルとして分光反射率

こから代表値としてX=1,101,…,1101の12個のデータをが既知の標準反射板を測定し，算出された分光反射率抽出しグラフに表示している。測定されたどのスペクトルと標準値との誤差を評価する。HSCでは，面内のあらゆも吸収ピーク波長は標準値とほぼ一致し，最大でも誤る測定点において，上記の波長と反射率の精度を評価

差は5nm程度，つまり波長分解能と同等のレベルに抑する必要がある。

えられており，良好な測定精度が確認できた。図7下段

これらの要求を満たすために構築した評価システムの模式図を図5に示す。ハロゲン光源から出射された平にはHSC②の結果を示すが，誤差は10nm程度であり，同様に良好な精度が確認できた。

－ 67 －

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HSC①

最後に，反射率測定精度に直接影響する誤差要因
として，イメージセンサ各画素の入出力リニアリティ特性を評価した結果について述べる。図9上段にHSC①の結 果 を 示 す が ， 代 表 値 と し て 波 長 700nm に お け る
X=1,101,…,1101の12個のデータを抽出しグラフに表示した。ここで，横軸には露光時間（光子の数に比例），縦軸左側には最大値で正規化した出力値，縦軸右側にはリニアリティ誤差をプロットし，上下方向のエラーバー

HSC②

は10回測定時の標準偏差σの範囲を示している。結果，リニアリティ誤差は1～2%程度以下かつ測定の繰り返し性σと同等以下であることから，前項の高い反射率測
定精度を裏付ける結果となった。なお，他の波長についても同じような結果が確認できており，また，図9下段のHSC②も同様である。
HSC①
図 7 波長測定精度の評価結果

次に，反射率測定精度の評価結果として，図8上段にHSC①の結果を示す。測定値について，グラフ両端
ではイメージセンサの感度が低くノイズによる影響が見られるが，これらを除外すると，標準反射板の標準値（平均反射率75%）とほぼ同じ反射率が得られており，同一波長における平均値の誤差は1～2%程度以下と良好
HSC②な精度が確認できた。なお，図には示していないが，平
均反射率50%，2%の標準反射板でも同様の結果が得られている。図8下段にはHSC②の結果を示すが，こちらも同様に良好な精度が確認できた。

HSC①

図 9 イメージセンサのリニアリティ特性評価結果

以上，HSC用の測定精度評価システムを構築し，HSC2機種について波長と反射率の測定精度およびイ
メージセンサのリニアリティ特性を実際に評価することで，
HSC②

その有用性を確認した。本システムを用いることで，ユーザーが定期的に自力で測定精度を点検することが出
来，機器の適切な維持管理に繋がることが期待される。
質の高い測定を通じた地域企業への技術支援や，HSCの普及・市場拡大の一端となれば幸いである。
（本節の文責 荒木 武）

図 8 反射率測定精度の評価結果－ 68 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

4 中小企業が導入しやすい画像処理AI技術の開発

画像と複数種の欠陥画像，欠陥領域を図示したアノテーション画像が含まれている。

昨今，製造現場において画像処理 AI 技術が注目さ

本研究では MVTec AD のうちタイル及びカプセルの画れている。画像処理 AI 技術を用いた製品の良否判定

像データを用いて Adaptive Vision の異常検知 AI アルは，従来の目視検査に比べ，大幅な人員コスト削減がゴリズム(DetectAnomalies1)を用いた実験を行った。

期待され，導入効果も大変大きいものである。

AI の訓練画像は，タイルに関して正常品 60 枚，異常

その一方，開発や導入にあたり幾つかの課題が発生

品 10 枚，カプセルに関して正常品 45 枚，異常品 5 枚

し，実用に至らない場合がある。

を用意し学習を行った。同じ画像を用いて，Adaptive

例えば，AI に与える教師データが不足することおよびVision の画像分類 AI アルゴリズム（ClassifyObject）につ

不良品のデータが収集できないことなどにより，AI の性

いても学習を行った。

能が実用上，十分にならないことが挙げられる。

評価結果について，異常検知 AI ではタイル，カプセ

また，AI に与える教師データを用意するアノテーション

ルの NG 検出率がそれぞれ 88 %， 100 %であったのに作業が現場の負担となり，導入の妨げとなっているとい対して，画像分類 AI ではそれぞれ 50% ， 0 %であった。

う現状も見受けられる。

（評価枚数タイル 8 枚，カプセル 6 枚。）また，NG 画像

本節では，こうした製造現場での AI 開発や導入にあたの検出例として図 10 に示す。それぞれタイル，カプセルる諸課題に対して，それらを解決しうる異常検知 AI およ

画像に対して異常箇所領域が赤色系で示され評価画

び高機能アノテーションツールの最新技術に関する調像が異常と正しく予測された例となっている。

査を行った。

上記実験を通し，訓練画像について正常品が多く異常品が少ない不均衡なデータに対しても異常検知 AI を

4.1 異常検知 AI

用いることで正否判定が可能となることが示された。

画像処理に用いられる AI 技術は，深層学習（DeepLearning）とよばれる手法に分類される。深層学習を用いた画像処理の具体的な技術として，画像分類，物体
検出，領域分割（セグメンテーション）がある。
従来，製造現場での良否判定に用いられる深層学習
技術は，画像分類を中心としたものであった。
画像分類で広く用いられる AI アルゴリズム（ニューラ

図 10

NG 評価画像と異常予測箇所

ルネットワーク）である ResNet や DenseNet は自然画像の分類コンテスト ILSVRC において高い識別性能を誇る
5）

4.2 高機能アノテーションツール

が，その学習では各物体カテゴリに対して非常に膨大な画像データが必要となる。こうしたニューラルネットワ

画像処理 AI を導入するに当たり，AI に教えるデータのークは非常に分類性能が良いものの，OK 品が多く NG

アノテーション作業が必要となる。物体検出では画像と品が少ない製造現場で応用することは困難である。

画像上の物体を矩形で囲んだ位置データの 2 種が必そこで，一般にこうした画像分類とは異なる異常検知要となる。またセグメンテーションでは画像と画像上の物

AI について Future Processing 社の画像処理 AI ソフト

体を多角形などで囲んだピクセル単位のマスクデータ

ウェア Adaptive Vision を用いて実験を行い，画像分類が必要となる。特に，セグメンテーションは画像上の対

AI との比較およびその実用性について検討を行った。

象を多様な形状で選択する必要があり，アノテート作業

Adaptive Vision は汎用的な画像処理が GUI で行えるが煩雑である一方，高機能なアノテート機能を有するソ有償の画像処理ソフトウェアである。

フトウェア導入により，作業がある程度簡便となる。

本実験では，工業製品のサンプルとしてオープンデ
6）Intel のオープンソースのアノテーションソフトウェア

ータセットの一つである MVTecAD と呼ばれる工業製

Computer Vision Annotation Tool (CVAT)は AI の学習

品の画像検査向けに作成された画像データセットを用

データ作成に有用なものである。導入にあたっては，引いた。15 カテゴリの工業製品からなり，それぞれに良品

用 7）を参考にコンテナ型仮想環境 Docker での環境構－ 69 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

築をすることで，ブラウザ上でアノテート作業が可能となる。
他のアノテーションソフトウェア（VoTT，labelme 等）についても導入を進めており，種々のアノテーション作業に対して有効なツールを提示することを検討中である。
（本節の文責 高野 寛己）
5 結言
多点データ収集ＩoT システムの開発と応用においては，100 台程度までの無線センサからのデータを 1 台の受信器で受信し，リアルタイムでグラフ表示するシステムを構築し，地域企業と共同で温度精度を確認した。また地震の検出に応用できることも確認した。
中小企業が導入しやすい画像検査技術の確立においては，ハイパースペクトルカメラの精度評価システムを構築し，波長及び反射率の測定精度を確認した。
中小企業が導入しやすい画像処理 AI 技術の開発においては，異常検知 AI と高機能アノテーションツール
について調査検討を行った。
参考文献
1)

中居倫夫 他：IoTを用いたモノづくり工程管理高度化のための要素技術開発,宮城県産業技術総合センター研究報告, 18, 2021, p.27-30

2)小野仁 他：防災重点ため池の地震加速度の監視，及びそのための簡易自立電源の開発,宮城県産業
技術総合センター研究報告, 19, 2022, p.115

3)小野仁 他：スイッチング回路を応用した省エネル
ギー・エネルギーハーベスティング技術の開発,宮城県産業技術総合センター研究報告, 13, 2015,
p.6

4)

特許第6796843号「蓄電回路」（宮城県）

5)

Md Zahangir Alom ほか：The History Began fromAlexNetA

Comprehensive

Surveyon

DL

Approaches (2018)
6)

Paul Bergmann ほか：MVTec AD – A
Comprehensive Real-World Dataset for
Unsupervised Anomaly Detection，CVPR，pp.9592-9600(2019)7)https://openvinotoolkit.github.io/cvat/docs/admi
nistration/basics/installation/－ 70 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【短報】【令和3年度～令和4年度 県単独試験研究】

機械学習を用いた時系列データ解析
岩沢 正樹，阿部 宏之
機械電子情報技術部
半導体式ガスセンサにより測定した時系列データに対して，ガス濃度予測用回帰モデルの構築に取り組んだ。時系列データからの特徴量抽出には，変化点検知アルゴリズムとしてガス濃度を予測する時のリアル
タイム性向上が期待できるChange Finderを採用した。先行研究と同じ構造のニューラルネットワークで学習・推論した結果，予測値分布の平均値においては，同レベルの結果が得られた。
キーワード： 時系列データ，回帰モデル，変化点検知，Change Finder，半導体式ガスセンサ
1 緒言

れぞれ同時に記録される。具体的には，ガスの導入・排出が可能な配管の付いた金属製の容器内にガスセン

近年，深層学習に代表される機械学習分野の発展

サを設置し，空気を流し，電流値が安定した時間から電は著しく，その活用の幅が広がっている。特に，画像分流値の記録を開始した。一定の時間が経過した後に，野・自然言語処理分野では，様々な成果が報告されて空気から検出対象ガスに切り替えた。さらに一定の時間

1），2）。また，経済産業省では，AI 導入ガイドブックをが経過した後に，検出対象ガスを流す前の出力電流値3)作成し ，中小企業への AI 導入を推進している。この様に戻すための回復ガスとして空気を流した。各ガスの流な状況の中，機械学習を自社の事業に活用し，成果を量を 50ml/min とした。図１に 1 回の測定で得られた 2 本上げている中小企業が現れ始めている。企業の製造現のセンサ素子の典型的な応答特性を示す。測定開始場においては，設備や装置の寿命予測や異常検知な後，経過時間 100 秒及び 300 秒で空気から検出対象ガ

どの重要性が高い課題へ，機械学習の適用が期待されスへ切り替え，経過時間 200 秒及び 400 秒で検出対象ている。本県においても，各種センサからの信号の時間

ガスから空気に切り替え，経過時間 500 秒まで出力電変化を記録した時系列データを活用した異常検知，寿流の記録を継続した。ここで，使用した検出対象ガスは，命予測に取り組む企業からの支援依頼が予想され，当市販の 4 種混合ガス（一酸化炭素：0.30%，酸素：20.30%，

所での技術支援の拡充が急務となっている。そこで，今ヘリウム：10.20%，窒素：69.20%）である。本稿には示して後の当所での技術支援の拡充を目的として，機械学習

いないが，濃度の異なる 7 種類の検出対象ガスに対しを用いた時系列データ解析の取組を行った。具体的にて，2 本のセンサ素子で出力電流値の測定を行った。

いるは，当センターで開発中の半導体式ガスセンサ

4）で測測定データは，時間と 2 本のセンサ素子の出力電流値

定した電流値の時系列データを活用して，ガス濃度予がセットになった（ペアになった）時系列データで，2 回測の回帰モデルの構築を題材とした。本検討においてのガス濃度検出が 1 つのファイルに記録されている。

は，先行研究4）の結果を検証するとともに，今後のアルゴリズム改訂時との比較基準となるプロセス・結果を検討するために，幾つかの視点で新しい試みを加味した。
2 モデル構築
2.1 データの測定
開発中のガスセンサは，検出対象ガスに対するセン
サの出力電流の変化でガス濃度を検出する 4）。実際の測定では，2 チャンネルの半導体パラメータアナライザを用いたため，1 枚のガスセンサ基板上に形成されている 6 本のセンサ素子のうち 2 本からの出力電流値がそ－ 71 －

図1 2本のセンサ素子の典型的な応答特性

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

後に，第二段階での学習において変化点をスコアリング
2.2 データセットの作成して検値を実施する。言い換えると，Change Finder では，
過去のデータから得られた確率モデルと，今，得られた

4）

先行研究 と本検討での前処理までの処理内容の比

データとを比較し，その確率モデルからの変化度合を4）

較を図2に示す。先行研究 では，測定の結果得られた検出し，スコアとして出力している。擬似的な時系列デ

時系列データが記録されているファイルに対して，ペアータに対して Change Finder を適用した変化点検知ののままスムージングや外れ値除去などの非線形演算を例を図 3 に示す 7）。点線が擬似信号となる時系列デー

含む前処理を実施している。本検討では，センサ素子

タであり，実線が Change Finder を適用した結果のスコのデータを1本ずつに分離し，数値誤差を招きかねないアである。信号が上下に変化した点におけるスコアが高

非線形処理をせず，スパイクノイズだけを除去した。

くなっており，変化点を検知していることが分かる。このことは，ガスの検知状況の変化検出が可能であることを

入力データ

先行研究

センサペア×n（n=1～5）

本検討

センサ単体×n（n=4 のみ）示唆している。

前処理○外れ値等除去：有○スムージング：有○微小値変換・予測値：対数変換値○特徴量：1 階微分の傾きの最大値○外れ値等除去：無○スムージング：無（スパイクノイズ除去有）○微小値変換・予測値：定数倍値○特徴量：Change Finder による検知○その他
・サンプリング方法・数が異なる
・入力組合せ生成方法が異なる

図2 前処理までの処理内容の先行研究4）との比較
また，先行研究 4） では，予測に用いる特徴量として
図3 Change Finderによる変化点検知の例7）「出力電流値の 1 階微分の最大値」を採用している。この方法によって，一般的に用いられる飽和した電流値よりも短時間で特徴量の取得が実現し，短時間での濃度

2.3 ニューラルネットワークを用いた回帰モデル

予測が可能となる。一方で，最大値を取得するために，ある時間・区間を設定する必要があり，その区間終了後回帰モデル構築時に学習・推論で用いたニューラルにしか最大値としての判定ができない。つまり，区間な

ネットワークの構造，最適化手法，およびパラメータは，

どがハイパーパラメータとなり，ガス濃度の検知システム

比較のため先行研究 4）と同一のものとした。図 4 に，入に応じて設定し，調整する必要がある。そこで，できるだ

力パラメータ 4，出力パラメータ 4 の場合のニューラルネ

け汎用的にリアルタイム性を高めるために，リアルタイム

ットワークの構造を示す。5 層の隠れ層（ノード数は各に逐次取得し蓄積されるデータから，値の変化を検出

1,024，512，256，128，64）を全結合（網掛け部分）で接する変化点検知アルゴリズムの活用が必要となる。本検続している。

討では，特徴量抽出の方法として，変化点検知アルゴリ
ズムの一つである Change Finder†，5）, 6）に注目し，デー
タセットを作成した。
Change Finder は，時系列データの変化点を検知するアルゴリズムであり，二段階学習を行うことを特徴としている。第一段階では，外れ値検知を目的として与えられた時系列データの確率モデルを学習する。平滑化の†登録商標第 4894610 号－ 72 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

入力

1,024

512

256

128

64

装 せ ず ， pip コ マ ン ド に よ り イ ン ス ト ー ル さ れ る

出力Changefinderパッケージを利用した。

（ガス濃度）（電流値）

Python 3.8.10
Tensorflow 2.4.1
Keras 2.4.3
Changefinder 0.03
3 結果と考察3.1 Change Finder による特徴量抽出
図4 ニューラルネットワークの構造（入力パラメータ4の場合）

Change Finder による特徴量抽出を行った結果を図5に示す。点線がスパイクノイズ除去後の電流値であり，作成したデータセットの検出対象ガス７種類の CO ガ

実線がChange Finderを適用した結果のスコアである。

ス濃度，濃度毎のデータ数およびニューラルネットワー

横軸は，経過時間である。黒三角，黒四角，黒丸は，そクに対する計算時の用途を表 1 に示す。CO ガス濃度 7

れぞれChange Finderを適用した結果得られた立ち上が種類のうち，5 種類を学習に，残り 2 種類を推論に利用り点と立ち下がり点，およびフラット部（後述）の点である。

した。データ数を各濃度同一個数とした。これらのデー

データセットの電流値の変化としては，ガスを検出しタからニューラルネットワークの入力パラメータ数に応じた立ち上がり期と，ガスの検出が終わった立ち下がり期

た順列を生成し，そのうち 1,024 個のデータ組をランダがある。図5（a）は該当区間でChange Finderのスコアがムサンプリングした結果を入力データとして学習・推論

高くなることで，立ち上がりと立ち下がり点を検出できたに活用した。

事例である。図5（b）のように，Change Finderのスコアが適切な値とならず，立ち上がり点が検出できなかった事

表1 COガス濃度毎のデータの数とその用途例があった。これは，Change Finder のアルゴリズムが，

CO濃度

データ数

用途

過去のデータから変化を検出するため，変化が比較的

1

0.30%

36

学習

なだらかなデータやその変化がノイズに埋もれてしまう

2

0.10%

36

学習

場合などは変化を検出しにくいことが原因である。

3

0.05%

36

学習

リアルタイム性を重視するのであれば特徴量として，

4

0.04%

36

推論

立ち上がり点の変化点を活用すべきであるが，変化点

5

0.03%

36

学習

が検出できなかった事例があった。加えて，本検討は比

6

0.02%

36

推論

較基準として，ガス濃度を適切に反映した電流値との回

7

0.01%

36

学習

帰モデルを目指している。そこで，立ち下がる前の変化が少ない飽和した区間（フラット部）での電流値を特徴
量として採用した。具体的には，フラット部間として，2.4 計算環境

Change Finderで検出した立ち下がり点から約20ミリ秒
学習ならび推論に用いた計算機環境を以下に示す。

前（100ポイント前）の点を特徴量とした。

CPU: Intel(R) Core(TM) i7-10750H CPU
GPU: NVIDIA GeForce RTX 2060，CUDA 11.0
OS: Windows 10 Pro バージョン 21H2
（OMEN by HP 15-dh1002TX上で構築）
また，今回の実装で利用したソフトウェア環境を以下に示す。ここで，Change Finder の実装には，独自に実－ 73 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19を表2に示す。なお，先行研究 4）では，入力数を2，4，6，(a)

8，10と変化をさせているが，今回は入力数4の場合のみ再計算した。ここで，平均は，推論の結果得られた予
測値分布の平均値であり，標準偏差は，予測値分布の標準偏差である。

Frequency

(a)

(b)

CO concentration (%)

Frequency(b)

図5 Change Finderによる変化点検知。立ち上がりを検出できた場合（a）とできなかった場合（b）
3.2 ニューラルネットワークを用いたCO濃度の推論
CO concentration (%)

先行研究 4）と同様に，CO濃度0.04%と0.02%の場合に対して，入力パラメータ4，出力パラメータ4（4種ガス）と

図6 CO濃度の正解値が0.04%(a)と0.02%(b)での推論結してニューラルネットワークを用いた推論を実施した。測果を示すヒストグラム

定データをセンサ2本のペアからセンサ単体のデータに分割し，入力データの組合せを作成した結果，組合せ

表2 CO濃度の予測値の平均値と標準偏差の先行研
究4）との比較（入力数4）

数が膨大となったため，計算機環境との兼ね合いから
入力数を4とした。

CO濃度

図6にCO濃度の正解値が0.04%(a)と0.02%(b)での推論結果を示す。点線がCO濃度の正解値であり，実線が予測値の平均値，ヒストグラムは予測値の分布を示している。CO濃度の正解値が0.04%と0.02%の場合において，

0.04%

0.02%

－

先行研究

本検討

先行研究

本検討

平均

0.0454%0.0438%0.0174%0.0256%

標準偏差0.004780.00867

0.002220.0104

本検討の結果と先行研究4）を再計算した結果との比較－ 74 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

本検討では，できるだけ前処理を実行しない方針とし

立出版, 2009.

ている中にあって，先行研究 と比較して，平均が同等

6） J. Takeuchi and K. Yamanishi, “A Unifyingの値となっている。その一方，予測値分布の標準偏差

Framework for Detecting Outliers and Change

が悪くなっている。これは，スムージング等の前処理をPoints from Time Series”, IEEE Transaction on

実行していない分，予測結果がノイズ・外れ値等の影響

Knowledge and Data Engineering, 2006, 18(4),を受けていると考えられる。

p.482-492

4）7） https://argmax.jp/index.php?changefinder （ 参 照
4 結言

2022-05-23）

本検討では，開発中のガスセンサで測定した時系列
データを用いた回帰モデル構築の検討を行った。その結果，Change Finderによる特徴量抽出の可能性が示唆された。また，推論結果の平均においては，先行研
究4）と同程度の結果を得ることができたが，標準偏差では改善が必要であることが示された。
今後，適切な前処理の検討などを行い，先行研究 4）の結果と比較しながら，時系列データ解析に関する知見を深めていくことを予定している。
謝辞
本研究を進めるにあたり，有益な助言を頂いた東北大学 庭野 道夫 名誉教授，東北福祉大学 岩田 一
樹 准教授に謝意を表します。
参考文献
1） 岡谷 貴之, “深層学習とその画像応用に関する最新動向 ”, 日本画像学会誌, 2017, 56 (2), p.157162
2） 堀田 一弘, “ディープラーニングに基づく画像認識の更なる進展―教師なし表現学習とTransformerを中心として―”，電子情報通信学会 基礎・境界ソサ
イエティ Fundamentals Review， 2021, 15(4) 4, p.
258-267.
3） 経済産業省, “ 中小企業向けAI導入ガイドブック ”,
2022
https://www.meti.go.jp/press/2022/04/20220408
001/20220408001.html （参照 2022-05-23）
4） 阿部 宏之,岩田 一樹,馬 騰,但木 大介,平野 愛
弓,木村 康男,庭野 道夫, “集積化ガスセンサへの機械学習の適用”, センサ・マイクロマシンと応用シ
ステム」シンポジウム論文集 電気学会センサ・マイ
クロマシン部門 [編], 2020.
5） 山西健司 . データマイニングによる異常検知. 共－ 75 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19－ 76 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022年発行【短報】【令和2年度～令和4年度 素材先端技術活用推進事業】

気象積雪条件による滑雪塗料の機能発現機構の解明に関する研究（2）― 素材先端技術活用推進事業 ―今野 奈穂，四戸 大希，佐藤 勲征（Nao Konno，Daiki Shinohe，Noriyuki Sato）
材料開発・分析技術部（国研）防災科学技術研究所雪氷防災研究センターとの共同研究により，雪質の異なる山形県新庄市と新潟県長岡市で曝露試験を行った結果 ，設置後7年経過してもワックス添加塗料を塗装した
屋根パネルが対照塗料より先行して滑雪する現象が観測された。
また，屋外曝露試験で観測された特徴的な滑雪現象が生じる気象条件を ，人工降雪後の実験室温の調整で模した室内実験を行った結果，ワックス添加塗料は対照塗料より先行して滑雪する現象が再現された。
キーワード：

ワックス，滑雪塗料，滑雪抵抗，滑雪角，人工降雪装置，曝露試験

1 緒言するための実験を実施した 1)-5)。なお，その成果の一部
は，雪氷研究大会等で発表した6) 7)。

輸送機器，半導体，土木・建築など各産業界におい今年度は，曝露試験を継続するとともに，気象積雪て，様々な表面機能性を持つコーティング材料の開発条件による滑雪塗料の機能発現機構を解明するために，が求められている。その中で筆者らは，地域企業ととも

雪氷防災研究センターにおいて人工降雪装置を使用にワックス成分を酸化重合型樹脂に添加した常温硬化

した室内実験を行った。

型一液滑雪塗料（以下「ワックス添加塗料」という。）を開発した。この塗料は，塗膜形成時にワックス成分が表面

2 実験方法に浮き出し，撥水と水滑り性，低摩擦化を発現する。この表面機能により，雪の付着し難さや付着しても非常に

2.1 曝露試験の実験方法

小さい力で滑り落ちる効果が得られており，除雪車の除雪機構部のメンテナンス塗料として利用されている。こ

平成27年12月より，雪氷防災研究センター構内にての塗料の塗装により，除雪機構部に雪が付着しにくくな曝露試験を実施し，気象・積雪条件によるワックス添加り，また付着しても振動や軽い力で雪が滑り落ちる効果

塗料の機能発現機構の解明に資するデータの蓄積をを示す。その結果，除雪作業者の労力軽減や除雪作業行っている1)。雪質の異なる新庄市及び長岡市に，各種の効率化に貢献している。

塗料を塗布した屋根パネルを設置し，各年12月から翌

この機能を屋根用塗料に応用することで，雪下ろし作

年3月まで滑雪の状況をビデオ撮影により観測した。新業を軽減することが期待されるため，筆者らは地域企業

庄市における実験概要を表1に，長岡市における実験とともに屋根用のワックス添加塗料の開発に取り組んで

概要を表2に示す。

いる。これまで（国研）防災科学技術研究所雪氷防災研究センター（以下「雪氷防災研究センター」という。）との人工降雪装置を用いた低温実験や曝露試験により，ワックスを添加した塗料の滑雪機能の現象把握を行っており，一定の成果を得ている1)-5)。
本ワックス添加塗料については，平成29年度から令和2年度まで継続してワックス添加塗料の滑雪機能の発現機構（どのような条件で雪が滑り落ちるか）を明確に－ 77 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

表1 曝露試験概要（新庄市）
No. 塗料種類
1

二液フッ素塗料

2

一液シリコン塗料

3

ワックス添加塗料

4

二液フッ素塗料

5

一液シリコン塗料

6

ワックス添加塗料

勾配

させ，屋根パネル上に約20kg積雪した時点で降雪を停止した。次に，その後，プログラムにより表3のとおり室温

設置年月

を昇降温させ，屋根板に積雪した雪が屋根板から完全に滑り落ちるまでの時間を計測した。ただし，屋根板の4寸

設置角度はStage3開始時までは水平とし，Stage3で
平成27年12月

塗膜-積雪界面が凍着した後に屋根板上の積雪に影響を与えないよう静かに4寸勾配に変更した。

2寸

実験に用いた屋根パネルの水接触角を表4に示す。
水接触角は既報4)に従い計測した。

表2 曝露実験概要（長岡市）
No. 塗料種類
1

新配合ワックス添加塗料※1

2

一液シリコン塗料

3

ワックス添加塗料

4

勾配

平成30年1月※2
4寸
平成27年12月

新配合ワックス添加塗料※1

5

一液シリコン塗料

6

ワックス添加塗料

表3 室内実験の実験条件と模擬する現象

設置年月

Stage

室温

模擬する現象

1

-5℃

降雪

2

+2℃

積雪-塗膜界面の融解

3-5℃

積雪-塗膜界面の凍結

4+2℃

積雪-塗膜界面の再融解

平成30年1月※22寸

表4 室内実験に用いた屋根パネルの水接触角
平成27年12月

塗料種類

水接触角 [deg.]※1 ワックス添加塗料を改良し，速乾性を高めた塗料。

ワックス添加塗料

100.82※2 平成29年5月までは，超撥水塗料を設置。

一液シリコン塗料

94.48

2.2.2 小型パネルでの模擬実験

2.2 室内試験の実験方法
曝露試験で観測された滑雪現象のメカニズムを検証

ワックス添加塗料及び対照塗料を塗布した小型パネするため，雪氷防災研究センター新庄雪氷環境実験所

ルを水平に設置し，2.2.1で示した実験条件のStage1の雪氷防災実験棟において，人工降雪装置を用いたで降雪した人工雪を，直径12cm，高さ5cmの型を用い実験を行った。本実験では球形状の雪を使用した。実て円筒形に成形した雪ブロックを載せた。実験に用いた

大屋根パネルを用いた実験では屋外曝露試験での温小型パネルの種類を表5に示す。

度環境を模した滑雪現象について，小型パネルを用い各パネルは，2.2.1と同様に室温を制御し，各保持室

た実験では温度履歴による滑雪現象の違いについて

温に到達後一定の時間が経過したところで，小型パネ調査した。

ルを水平（0°）から垂直（90°）までゆっくりと傾け，雪ブロックが滑り始める角度（滑雪角）を観測した（図1）。
なお，前述の傾斜法で雪ブロックが滑らない場合は，フ2.2.1 模擬屋根パネルへの降雪実験ォースゲージで雪ブロックの滑雪抵抗を計測した（図2）。
実験は既報4)で報告したとおり，屋根パネルから落雪
表5 室内実験に用いた小型パネル

する積雪重量の計測と滑雪の仕方を動画にて観測する
ことで滑雪挙動を調査した。各屋根パネル上端の表面

記号

塗料種類

ワックス添加量にシート型熱電対を貼り付け，屋根パネル表面及び降A

ワックス添加塗料

1倍量

雪時の屋根パネルと積雪界面の温度を記録した。塗料

B

ワックス添加塗料

4倍量

は昨年度5)同様，ワックス添加塗料及び一液シリコン塗

C

一液シリコン塗料

なし

料とした。

D

二液フッ素塗料なし

実験条件と模擬する現象は既報5)同様，表3に示すとおりした。まず，室温-5℃下で人工降雪装置により降雪－ 78 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022年発行

3.2 室内試験の結果及び考察
3.2.1 実大屋根パネルの結果及び考察
ワックス添加塗料を塗布した屋根板及び一液シリコン
塗料を塗布した屋根板のStage1における積雪状況を
図5及び図6に示す。
その後，室温を昇降温させ，Stage4の昇温時に屋根板に積雪した雪が落雪するまでの時間を計測したところ，
ワックス添加塗料では，室温が+2℃到達後1時間33分
図1 滑雪角の測定

図2 滑雪抵抗の測定に一瞬で屋根パネル上の全ての積雪が滑り落ちた（図7）。一方，対照塗料は，室温が+2℃到達後1時間33分

3 実験結果及び考察経過した頃からじわじわと滑り始める挙動が見られたものの，屋根パネル上から全ての積雪が落雪したのは室3.1 曝露試験の結果及び考察

温が+2℃到達後6時間49分であった（図8）。図9に室温の推移及び屋根パネルから完全に積雪が落下した

図3及び図4に示すとおり，雪質の異なる新庄市・長時点を示す。

岡市ともに，設置後7年経過しても，ワックス添加塗料を塗装したパネルが先行して滑雪することが確認された。

屋外曝露試験で観測された滑雪塗料の雪滑り性の優位性を制御された環境下で確認することができた。

今後，塗膜の劣化状況を比較し，当初に添加したワック
ス成分がどのような経時変化をしているのか確認したい。

No.1 No.2 No.3

No.4 No.5 No.6

図5 ワックス添加塗料の積雪状況（Stage1）
図3 曝露試験（新庄市：2022年1月8日）

No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6

図6 一液シリコン塗料の積雪状況（Stage1）
図4 曝露試験（長岡市：2021年12月30日）－ 79 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

定値のばらつきを低減するなどの改良を行い，滑雪塗料の雪の滑りやすさを定量評価可能な測定方法として
いきたい。
4 結言
（国研）防災科学技術研究所雪氷防災研究センターとの共同研究により，山形県新庄市と新潟県長岡市で曝露試験を行った結果，雪質の異なる両市ともに，設置
図7 ワックス添加塗料の滑雪状況（Stage4）

後7年経過してもワックス添加塗料を塗装した屋根パネルが対照塗料より先行して滑雪する現象が観測された。
また，曝露試験環境を模擬した室内実験を行い，模擬屋根パネルでは，積雪した雪が溶けた後に再度凍り付いた場合に，その後の温度上昇でワックス添加塗料
が対照塗料に先行して滑雪することを再現することができた。小型パネルでは，傾斜法と滑雪抵抗の組み合わせにより，積雪が融解している場合及び凍着している場
合の塗膜と積雪界面の滑りやすさを小規模な実験で定量評価できる可能性を見いだした。

図8 一液シリコン塗料の滑雪状況（Stage4）
謝辞
本研究を進めるにあたり，（国研）防災科学技術研究
所雪氷防災研究センターの小杉健二室長，伊藤陽一
主幹研究員，田邊章洋特別研究員をはじめとする皆様に多大なる御協力をいただきました。ここに謝意を表します。
参考文献
1) 佐藤勲征. ワックス添加滑雪塗料の機能発現及び持続要件の探索. 平成28年度宮城県産業技術総合センター研究報告. 2016， No. 14， p. 7-10

図9 Stage4での室温推移と積雪落雪時点

2) 佐藤勲征, 加藤景輔. 機能性コーティング材料の（室温が2℃に到達した時刻を0時とした）開発. 平成29年度宮城県産業技術総合センター研3.2.2 小型パネルの結果及び考察

究報告. 2017, No. 15, p. 88-89.
3) 今野奈穂，佐藤勲征. 機能性コーティング材料の雪ブロック-塗膜界面は，Stage1及び3では凍結して開発. 平成30年度宮城県産業技術総合センター研究報告. 2019, No.16, p. 71-72.

おり，Stage2及び4では融雪していた。Stage1では雪ブロックの破壊などがあったが，Stage2～4では，対照4) 今野奈穂，加藤景輔，四戸大希，佐藤勲征. 機能塗料より滑雪塗料の滑落角や滑雪抵抗が小さい傾向が性コーティング材料の開発. 令和元年度宮城県産業

みられ，滑雪塗料のワックス配合量別では，配合量が多技術総合センター研究報告. 2020, No.17, p. 28-33.

い方が滑落角や滑雪抵抗が小さい傾向を示した。本計5) 今野奈穂，四戸大希，佐藤勲征. 気象積雪条件に測方法では，小規模な実験で多種類の塗料について

よる滑雪塗料の機能発現機構の解明に関する研究.

の滑雪性能を比較評価することができるため，今後，測令和2年度宮城県産業技術総合センター研究報告.

－ 80 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022年発行

2021, No.18, p. 61-64.
6) 佐藤勲征，今野奈穂，四戸大希，小杉健二，伊藤陽一，2021：気象積雪条件による滑雪塗料の機能発現機構の解明に関する研究．2021年度（公社）日本
雪氷学会東北支部研究発表会要旨集，2021年5月，p.30–31．
7) 今野奈穂，四戸大希，佐藤勲征，小杉健二，伊藤陽一，気象積雪条件による滑雪塗料の機能発現機構の解明に関する研究(2)． 雪氷研究大会講演要
旨集 雪氷研究大会（2021・千葉-オンライン），p.106．

－ 81 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19－ 82 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【短報】【令和2年度～令和4年度 みやぎ発展税活用事業】

次世代素材活用推進事業
佐藤 勲征，遠藤 崇正，今野 奈穂，四戸 大希，推野 敦子
材料開発・分析技術部
CNFの持つ特徴を利用し，樹脂やゴム，塗料などの機能性向上のための次世代強化繊維としての活用が注目され，国内外で活発に研究されている。地域企業によるセルロースナノファイバー活用推進のため，疎水化反応時間を変えた機械解繊タイプの疎水化CNFのDSを算出し，DSがCNFのPP中での分散性とPPの機械的特性へ与える影響を調べた結果，DSが高いほどCNF凝集体が少なくなり，分散が良化することがわかった。また，TEMPO酸化CNFの水分散液を用いたレオ・オプティクス計測を行った結果，せん断速度が大きくなるにつれて複屈折値が大きくなる傾向を示し，繊維長が短く，濃度が低ければ，低いせん断速度においても複屈折性を示すことがわかった。
キーワード： CNF，疎水化，置換度，レオ・オプティクス，複屈折
1 緒言

究）。

木質材料の構成成分であるセルロースを主要骨格とするセルロースナノファイバー（CNF）を含むナノセルロ

2 疎水化CNFのDSがPP中の分散性及び機械的特性へ与える影響ース（NC）は，非常に細く結晶化度も高いことから，鋼鉄の 1/5 の軽さで，その 5 倍以上の強度を有している。こ2.1 実験方法の特徴を利用し，樹脂やゴム，塗料などの機能性向上のための次世代強化繊維としての活用が注目され，国2.1.1 材料

1)

内外で活発に研究されている 。
このような背景の中，筆者らは地域企業によるCNF活

CNFはダイセルミライズ（株）のセリッシュKY100G（水用推進のため，これらの 特徴を活かした用途開発や分散液）を原料とし，疎水化反応時間を変えた3種類の

CNF疎水化処理技術開発，CNFならびにCNF複合材

疎水化CNFを作製した。

料の特性評価技術開発，CNF複合材料のための分散（要素）技術開発を行っている。

PPは，（ 株） プライムポ リマーのプライムポリ プロ J700GPを用いた。

筆者らはこれまでに疎水化した機械解繊タイプCNFのポリプロピレン（PP）中での分散性やPPの機械的特性

2.1.2 DSの算出への影響を調べた結果，疎水化反応時間がCNFの分

未処理のCNFと疎水化反応時間の長い疎水化CNF

散性や引張特性に影響を与えることを明らかにした。まを用い， 13C 固体NMRにてCNFのグルコース環のシグ

た，繊維長の異なるTEMPO（2,2,6,6-テトラメチルピペリ

ナルの積分比を基準とし，この基準に対して, 疎水化剤

ジンオキシラジカル）酸化CNF水分散液を用いたレオメ

由来のカルボキシル基のシグナルの積分比を求めるこーターによる応力増加試験により，繊維長の長さによりとでDSを算出した。次に，同じサンプルをFT-IRにて

2)

降伏前後の挙動が異なることを明らかにした 。

CNFのグルコース環のピークの吸光度と疎水化剤由来

今年度は，疎水化反応時間を変えた疎水化CNF（機のカルボキシル基のピークの吸光度の比を算出し，13C械解繊タイプ）の疎水化剤の置換度（DS）を算出し，DS

固体NMRで算出したDS（縦軸）とFT-IRのピーク強度比とCNFのPP中での分散性とPPの機械的特性へ与える（横軸）で2点検量線を作成した。

影響を調べた（山形大学との共同研究）。また，TEMPO
酸化CNFの水分散液を用いたレオ・オプティクス計測を

残りの2種類の疎水化CNFについては，FT-IRでピー
ク強度比を算出し，上記の検量線によりDSを求めた。

行ったので報告する（長岡技術科学大学との共同研－ 83 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

2.1.3 複合材料の作製
二軸混練機（レオ・ラボ（株）製Xplore15小型混練機）を用いて，未変性CNF及び反応時間が異なる3種類の疎水化CNFを用い，CNF添加量1.0wt%の複合材料を作製した。作製条件は温度190℃，回転数100rpm，混練
時間10分とした。混練した複合材料は，熱プレスで2mm厚さのシートとし分散性評価に，このシートを打ち抜き引張試験に供した。
2.1.4 CNFの分散性評価

図1 疎水変性CNF複合材料切片の観察結果

透過光学顕微鏡(BH-2, Olympus（株）製)を用いて試

次に，疎水化反応時間を変えた疎水化CNF添加PP

料観察を行った 。観察倍率は40倍とし, 確認できた

複合材料の引張試験により得られた応力－ひずみ曲線

CNF凝集体の面積を測定した。

を図2に，そこから算出された引張特性とDSの関係を図3及び4に示す。

2.1.5 機械的特性の評価
引張試験には万能材料試験機（（株）東洋精機製作所製ストログラフT）を用い，試験速度10mm/minで実施した。
2.2 実験結果及び考察
2.1.2の方法で疎水化反応時間を変えた3種類の疎水化CNFのDSを算出した結果を表1に示す。
表1 疎水化CNFのDS
サンプル

DS

未変性CNF

0

変性CNF(a)0.17

変性CNF(b)0.26

変性CNF(c)0.58

図2 CNF添加PP複合材料の応力－ひずみ曲線※疎水化反応時間：(a)＜(b)＜(c)
CNF添加PP複合材料の55mm角，厚さ2mmのシートを用い，分散状況を確認した結果を図1に示した。図1には，各サンプルのシートの全景と光学顕微鏡を用い40倍で観察した結果を示す。図1の丸で示したものがCNFの凝集体であり，未変性CNFは目視でも確認できる凝集体が数多く確認できる。DSが高いほど，観察されるCNF凝集体が少なくなり，DS0.58のサンプルでは凝集体が観察されず，良好に分散していると考えられる。
図3 引張特性とDSの関係（１）－ 84 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

回は，繊維長や濃度，せん断速度で CNF そのものが流動中でどのように配向するかを調べるため，レオロジー
計測と同期して複屈折測定を行った。レオロジー計測
は，Anton Paar 社 MCR302 を用いてステップせん断速度測定を実施し た。条件は，0.1sec-1 （60sec）→停止（ 60sec ） → 1sec-1 （ 60sec ） → 停 止 （ 60sec ） → 10sec-1（ 60sec ） → 停 止 （ 60sec ） → 100sec-1 （ 60sec ） → 停 止（60sec）とした。プレートは石英製のパラレルプレートを用い，プレート間のギャップを 1mm，計測温度は室温とした。レオロジー計測と同期した複屈折測定は，光源として波長 632.8nm のレーザーを使用し， SS の 4.0wt%
水溶液を 100sec-1 でせん断を与え，粘度が一定値を示したところで，配向角をオフセットし，流動方向を 0°とし
図4 引張特性とDSの関係（2）た。

図2及び3より，DSが高くなることで，引張降伏応力及3.2 実験結果及び考察

び破断応力が高くなる傾向を示した。破断ひずみでは，
レオ・オプティクス計測を図 5～10 に示した。

DSが0.26を超えると明確な向上が見られた。
3 TEMPO酸化CNFの水分散液を用いたレオ・オプティ
クス計測
3.1 実験方法
3.1.1 評価材料
繊維長の異なる TEMPO 酸化 CNF 2 種類（繊維長が短い順に SS，S とした）を用い，それぞれ水で希釈し，SS では 5.0（原液），4.0，2.0wt%，S では 0.5，1.0，2.0wt%

図 5 SS 2.0wt%計測結果とした。
3.1.2 評価用試料の調製遠沈管に，原液(又は希釈品)を分取し，イオン交換
水を添加し，蓋を閉め，上下に振り混和した後，ヒスコト
ロン（マイクロテック・ニチオン製 NS-57S）で 8,000rpm，10min の条件で撹拌し，評価用試料とした。
3.1.3 レオ・オプティクス計測
図 6 SS 4.0wt%計測結果
レオ･オプティクスはレオロジー計測と同期して光学的な計測，観察を実施する技術であり，流動により発生
する分子配向からミリサイズのテクスチャ形成までのマ
ルチスケールな現象を取り扱うことができる 3)。CNF 分散
流体は複屈折性を示すことが既に報告されている。今－ 85 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

図5～10の横軸には計測時間を，第1縦軸に粘度とせん断速度を，第2縦軸に複屈折の大きさを示す。図5～10より，ほとんどの条件において，せん断開始ともに複屈折値が上昇し，時間の経過とともに一定値に収束する。収束後の複屈折値は，せん断速度が大きくなるにつれて大きくなる傾向を示した。また，繊維長が短く，濃度が低ければ，低いせん断速度においても複屈折性を示
すことがわかった。これは，繊維の長さや濃度により，CNFそのものの流動による配向のしやすさが異なって
図 7 SS 5.0wt%計測結果いると考えている。
4 結言
疎水化反応時間を変えた機械解繊タイプの疎水化
CNFのDSを算出し，DSとCNFのPP中での分散性とPPの機械的特性へ与える影響を調べた結果，DSが高いほど，
CNF凝集体が少なくなり，分散が良化することがわかった。また， TEMPO酸化CNFの水分散液を用いたレオ・
オプティクス計測を行った結果，せん断速度が大きくなるにつれて複屈折値が大きくなる傾向を示し，繊維長が図 8 S 0.5wt%計測結果

短く，濃度が低ければ，低いせん断速度においても複屈折性を示すことがわかった。
謝辞
本研究は，山形大学大学院有機材料システム研究科 杉本昌隆教授と，長岡技術科学大学工学研究科
髙橋勉教授との共同研究の成果である。杉本昌隆教授，
髙橋勉教授，研究室学生には多大なる御協力をいただ
いた。ここに，謝意を表する。
参考文献

図 9 S 1.0wt%計測結果
1)

矢野浩之：セルロースナノファイバーとその利用.日
本ゴム協会誌.2012,85(12),p.376-381.

2)

遠藤崇正，今野奈穂，四戸大希，佐久間華織，推野敦子，佐藤勲征.次世代素材活用推進事業.令和2 年度 宮 城県 産業 技術 総合 センタ ー 研究報
告.2021,No.18

3)

髙橋勉：レオ・オプティクス－基礎原理,機器,最近の動 向－ . オレ オ サイ エン ス .2018,18(11),p.545552.

図 10 S 2.0wt%計測結果－ 86 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【短報】【令和3年度～令和6年度 みやぎ環境税活用事業】

みやぎアップグレードリサイクル推進事業
佐久間 華織，推野 敦子，佐藤 勲征
材料開発・分析技術部
宮城県の豊かな環境の適切な保全と経済の両立を図り，次の世代に引き継いでいくため，温室効果ガ
スの排出削減をはじめとした環境課題の解決に向けた取組みが求められている。持続可能な資源循環社
会に向け，有識者や企業，地方自治体などと連携し，宮城県が企業と共同開発したバイオプラスチックのアップグレードリサイクル体制構築を目指す「みやぎアップグレードリサイクルコンソーシアム」を設立した。リ
サイクル体制構築に向けた課題抽出のため東松島市で開催されたイベントではバイオプラスチック容器の使用・回収を行う社会実験を行い，その後，洗浄・粉砕・再成形によるリサイクルにより，本事業PRにつなげる成形品を作製した。
キーワード： バイオプラスチック，リサイクル，アップグレード，回収
1 緒言

Development Goals）12［持続可能な消費と生産］において，「2030 年までに，廃棄物の発生防止，削減，再生

近年の地球温暖化の進行は気候変動のリスクを高め，利用及び再利用により，廃棄物の発生を大幅に削減す

災害の頻発や大規模化など，人々の生存基盤及び社る。」ことが掲げられており ３），バイオプラスチックであっ会経済の存在基盤を揺るがす脅威となっている。地球てもマテリアルリサイクルできる体制づくりが必要である。

温暖化の原因となる温室効果ガスの宮城県内におけ

温室効果ガスの排出量を削減し，化石資源に頼らなる排出量は，東日本大震災発生前は減少傾向にあっい持続可能な産業と生活の実現を目指すため，みやぎ

たが，震災発生以降は復興需要の影響などから排出でうまれたこのバイオプラスチックをみやぎでつくり，つ量が増え，この数年は減少傾向にあるものの，2,011万

かい，回収し，再利用する「みやぎアップグレードリサイ

2千t-CO2（2017年度，森林吸収量含む）と未だ震災前

クルモデル」を構築することを目的として，事業を実施し１）の排出量を上回っている 。宮城県（仙台）の年平均気た。

温は1927年の観測開始以降，10年あたり0.25℃の割合で上昇しており２），地球温暖化対策は喫緊の課題で2 事業実施体制ある。
様々な産業分野で広く使われている多くのプラスチッ

バイオプラスチックを使用・回収・再利用する上での課クの原料である石油などの化石資源は燃焼することで題抽出を行い，その課題の対策を検討するため，2021

大気中に温室効果ガスである二酸化炭素を排出するが，年9月にみやぎアップグレードリサイクルコンソーシアム

植物由来のバイオマス素材は植物が成長する上で二を設立した。本コンソーシアムには素材・容器を作る立

酸化炭素を吸収することから，燃焼させても大気中の二場，使う立場，回収する立場のそれぞれの企業に加え，酸化炭素の増減に影響を与えないとされている。当セ

有識者や自治体も参画し，下記の活動を行うこととしてンターでは，これまでに株式会社コバヤシと山形大学といる。

の共同研究により，植物由来のでん粉を使用したバイ

オプラスチック，Reseam ST®を開発した。この新素材はバイオマス度が51％以上であるにも関わらず，優れた加試験


工性を持ち，すでに包装資材やフルーツパックなどとと使用済みバイオプラスチックのリサイクルに伴う課
題の意見交換及び情報共有研究調査

して上市されている。

バイオプラスチックの利用と回収，再商品化の実証

本素材はそれ自体がカーボンニュートラルな素材では あ る が ， 持 続 可 能 な 開 発 目 標 （ SDGs ： Sustainable－ 87 －

持続可能な資源循環システムの普及と社会実装のための取組みの企画，開催への参画・協力，政策提言

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19



その他，上記活動に附帯又は関連する活動

く温暖化防止活動に参加できる「ECOチャレンジみやぎ」のアクションメニューのひとつとした。

3 社会実験みやぎアップグレードリサイクルコンソーシアムの会員でもある東松島市で2021年11月21日に同時開催された下記イベントにて，コンソーシアムの取組みを紹介するとともに，バイオプラスチックを使用，回収する
社会実験を行った。

図1 使用された皿・どんぶり・フォーク・スプーン

3.1 対象イベント


第1回復興感謝 東松島市産業祭（主催：東松島
市産業祭実行委員会）



ひがしまつしま食べメッセ（主催：東松島市，東松
図2 回収ステーションの様子

島教育委員会）

観光と物産のPR会（主催：東松島市観光物産協会
3.3 実験結果

主催）


SDGｓ産学官連携環境イベント（主催：東松島市）
主催者によると，本イベントには約8,000人が来場し，別会場となったSDGｓ産学官連携環境イベントには253

3.2 実施内容人が来場した。


バイオプラスチック容器の使用量と回収率を表１に示

バイオプラスチック容器の利用
Reseam ST®を用いたどんぶり，皿，フォーク，ス

す。回収された容器の多くは主催者による蒸し牡蠣のプーン，袋を作製し，観光と物産のPR会に出展し振る舞いに使用されたものであり，イベント出展事業者

た飲食店事業者に配付し，来場者への飲食物提が使用し，回収されたものは，どんぶりが4.7％，皿が供の際に使用した。（図1）2.5％と低い値となった。これはコンソーシアムで設置しバイオプラスチック容器の回収た回収箱が飲食物提供場所から離れており，多くがゴミ会場内に回収箱を設置し，イベントにて使用されとして分別されずに廃棄されてしまったと想定され，回た容器・カトラリーを回収した。（図2）

収率の向上のためには普及啓発とともに，動線も考慮しコンソーシアムの取組み・バイオプラスチック容器

た回収ステーションの設置場所の選定が重要であることの紹介が示唆された。

パネル展示のほか，原料となるデントコーンや製表1品を展示した。Reseam ST®は通常のプラスチック
容器とは異なり，手で切っても鋭利な断面にならず，

回収量/個

回収率/％

袋※

0

0

0

ある。本素材で製造されたフルーツパックを手で丸

皿

3,000

1,250

42

どんぶり

2,265

694

31

スプーン

800

8

1

として，東北大学と芝浦工業大学にて開発したプ

フォーク

1,400

7

1

ラスチック識別装置を実演したほか，東北大学で

回収袋

0

55

100

実施しているSDGｓ教育などについて紹介した。

※コロナ禍での開催のため，飲食物の提供が持ち帰り

ECOチャレンジみやぎ

のみでの開催となることを想定し袋を準備したが，屋外

広く県民に周知するため，ポイントをためて，楽し

会場での飲食が可能となったため，使用実績はなし

学術機関での取組み紹介
回収の際に課題となる樹脂の識別に必要な技術



配付数/個

また，手で簡単に丸めることで減容化できる性質がめる体験を行うことで素材の理解促進を行った。


バイオプラスチック回収率－ 88 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

一方，回収箱には，楊枝やその包装，牡蠣殻，バイオ

こびり付く事象がみられたため，リサイクルを容易にする

プラスチック製ではないスプーン等が混入していたが，ためには設計時からリサイクルを見据えたインクの選定

その量は少なく，分別回収に協力いただいた方の意識を行うことも選択肢のひとつである。

の高さがうかがえる結果となった。

また，イベント展示にて手で丸めることで減容化する実

なお，回収には同じ素材を使用した回収袋を用いる演を行った使用済みフルーツパックについても再生試ことで特に来場した子どもたちにとって，回収に協力す作を行った。集めたフルーツパックは飲食物には触れてるきっかけにもなったものと推察される。（図3）

いなかったことから，洗浄を行わずそのまま粉砕機により粉砕し，ホットプレス（東洋精機製，Mini test Press-10）にて１mm厚さの板を作製した。作製した板から，レーザーカッターシステム（トロック・レーザー・ジャパン製，
Speedy100 50W）により，切断及び彫刻を行い，コースタ
ーやしおりを製作した（図5）。
Reseam ST®にはでん粉が含まれることから，レーザ
ー加工を適性に設定すると自然な褐色により着色する

図3 回収後の様子（左 袋外観，右 回収物）ことが可能である。また，フルーツパックは様々な色が展開されていることから，その色の組合わせや配分により，4 リサイクルリサイクル品ならではの１点ものの色合いを出すことができた。

社会実験にて回収したバイオプラスチックは，当セン

これらの再生品については，将来的には別の製品へターで分別，洗浄，乾燥を行い，粉砕したのち，ホットプの展開の検討を進め，元のものよりも価値ある商品にアレスや射出成形により，子どもたちのSDGｓ教育に活かップグレードすることを目指していく。

すノベルティへと再生した。
4.1 再生品試作
回収したどんぶり，皿及び回収袋は手作業にて洗浄したのち，自然乾燥した。どんぶり及び皿は粉砕機（吉田製作所製，1003）を用いて，5mm角程度に粉砕した。回
収袋は，手作業にて20mm角程度に細断したのち，加圧

図5 フルーツパックから作製した試作品

式ニーダー（モリヤマ，TDRV3-10GB-E型）を用いて（左 しおり，右 コースター）

140℃で混練後，粉砕機にて5mm角程度に粉砕した。
いずれも乾燥機を用いて80℃にて事前乾燥を行った後，5 結言

射出成形機（日本製鋼所製，JSW J50E-CS）により，白及び赤のキーホルダーを作製した（図4）。作製したキー

みやぎアップグレードリサイクルモデルの構築に向けホルダーは今後，SDGｓ教育の際のノベルティとして配た課題抽出のため，連携体制としてみやぎアップグレー

付予定である。

ドコンソーシアムを設立した。その活動の一環として，バイオプラスチックを使用・回収する社会実験を行い，回収したバイオプラスチックは分別・洗浄・乾燥・粉砕後，
SDGｓ教育のノベルティグッズとして，キーホルダーなどを作製した。
謝辞

図4 回収品から作製したキーホルダー（左：皿・どんぶり，右：回収袋）

本事業はみやぎ環境税を活用して実施しました。また，再生にあたり，回収袋に使用されたインクが加工機に

東北大学大学院国際文化研究科劉庭秀教授をはじめ－ 89 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19とする，みやぎアップグレードリサイクルコンソーシアム
会員の皆さまには多くのご助言，ご協力をいただきました。ここに感謝の意を表します。
参考文献
1） 宮城県環境生活部，2017年度の宮城県の温室効
果 ガ ス 排 出 量 ， 2021-6-15 更 新 ，
https://www.pref.miyagi.jp/soshiki/kankyos/miyagi-ghg-emission2017.html
2） 気 候 変 動 プ ラ ッ ト フ ォ ー ム ， 2022-04-27 閲 覧 ，
https://adaptationplatform.nies.go.jp/map/Miyagi/index_past.html
3） 2015-9-25 第70回国連総会にて採択，我々の世界を変革する：持続可能な開発のための2030アジ
ェンダ－ 90 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【ノート】【令和3年度 先端技術等調査研究事業】

ビジネスモデルキャンパスなどを活用した企業分析の可能性調査
樋口 敦，伊藤 伸広，岩沢 正樹*1
企画・事業推進部*1（ 現 機械電子情報技術部）
企業においては，成長戦略の策定や新規事業の立ち上げなどで，様々な活動によるプロセスを経ながらビジネスモデルを確立している。当センターの企業支援でも，商品化支援や実用化支援は，実現のために様々な視点やノウハウが必要であり，模索しながら進めている状況である。
そこで，企業のビジネスモデルを分析する手法を調査し，より効果的な支援メニューの提案に向けた分
析手法の活用の探索を実施した。特に，ビジネスモデルキャンパスの有効性を検討した。
キーワード： ビジネスモデル，企業分析，ビジネスモデルキャンパス
1 緒言

構築時のアプローチの違いにより，これら組み合わせて活用される。

多くの企業では，成長戦略の策定や新規事業の立ちいくつかのフレームワークの概要を以下に纏める。

上げなどで，様々な活動を積み重ねたプロセスを経ながらビジネスモデルを構築している。

2.1 SWOT分析

当センターの業務は，研究開発支援，設計支援，商品化支援，トラブル解決，品質向上，生産性向上，コス

SWOT分析は，自社の経営資源の強み（Strength）とトダウン等，非常に多岐にわたっている。このうち，商品

弱み（Weakness），市場環境における機会（Opportunity）

化支援や当センターのシーズを活用した実用化支援は，と脅威（Threat）を洗い出し，分析する手法である。例え

第４期事業推進構想においても重要な活動と位置づけ

ば，自社の強みを生かして脅威を回避するためには，ている。その結果は，当センターのお役立ち度を測る重あるいは弱みがあっても機会を逃さないためにできるこ

要な指標として設定すると共に，公開可能な事例につとは，ということを捉え，事業を計画するのに用いられる。

1)

いてはホームページ等で公開 している。
しかしながら，商品化や実用化への支援は，実現の2.2 ビジネスモデルキャンパス

ために，技術以外にも様々な視点やノウハウが必要なため，模索しながら進めている状況である。

ビジネスの仕組みを9つの要素で視覚化し，全体を俯

そこで，本調査事業は，ビジネスモデルという軸で企瞰する方法である。自社資源（主要活動，リソース，パ

業活動をより深く理解し，より効果的な支援に向けた手ートナー）と，顧客（顧客との関係，販売チャネル，顧客法の調査と活用方法の探索を実施した。

セグメント）を分析し，コスト構造，収益の流れとともに提供価値を見出すものである。

2 ビジネスモデル構築のためのフレームワーク

2)

ビジネスモデルの分析において，様々な場面で活用されているフレームワークである。

ビジネスモデルを確立するときには，自社や他社，業界，事例等の分析を行い，事業モデルを試作し，検証

2.3 バリュープロポジションマップ

するサイクルを廻すことが重要である。そのサイクルでは，
次のようなフレームワークが活用されている。

ビジネスモデルキャンパスのうち，顧客セグメントと提例えば，活用されているフレームワークには，「SWOT

供価値に着目した分析手法である。顧客のニーズと提分析」，「ビジネスモデルキャンパス」，「バリュープロポジ

供価値が合致しているかを整理し，提供価値の選定やションマップ」，「ピクト図解」などがある。ビジネスモデル

顧客への訴求ポイントを見出す際に効果的な手法であ－ 91 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

る。

ルキャンパスにより複雑な企業活動を個別要素に分解し可視化することの有効性を確認できた。一方で，特に3 事例「提供価値」の把握においては，ヒアリング手法などで難しさを感じる結果となった。

3.1 当センターのビジネスモデルキャンパス

今後，繰り返し，より詳細なヒアリングを行い，企業支援に向けた提案等を行っていく予定である。

ビジネスモデルキャンパスの有効性を検証するために，当センターを事例に分析を実施した。当センターの4 結言

業務の分析結果を図１に示す。利用者と当センターの関係性を俯瞰でき，当センターの技術分野ごとの事業

本事業において，ビジネスモデルを策定する際に活計画策定などにおいても活用できた。また，コロナ禍な用されるフレームワーク手法の調査・習得を行った。まどの当センターや利用者を取り巻く状況に応じた，来所

た，当センターや県内企業に本手法を適用し，企業支に代わる依頼試験としての利用や，利用者へのホーム

援活動に活用できる可能性が見出された。今後は，本ページによる情報発信など，業務のポイントが可視化さ調査結果を企業支援等に展開できるよう，事例研究等れた。今後，利用者へのヒアリングにより，更なる利用者を行い，当センターが掲げる「地域企業の皆様に対しての要望や当センターが提供できる新たな価値を見出すの『先回り支援』『寄り添う支援』『繰り返し支援』」の提供ことが期待できる。

をめざす。
謝辞
本事業を進めるにあたり調査にご協力を頂きました皆様に厚く御礼申し上げます。
参考文献
1） 宮城県産業技術総合センター，実用化製品事例
集，20221-5-9更新，
https://www.mit.pref.miyagi.jp/publication/刊行物/実用化製品事例集/

図1 当センターのビジネスモデルキャンパスによる

2） 井上 達彦：「ゼロからつくるビジネスモデル」，東洋経分析例

済新報社，2019年

また，バリュープロポジションマップを作成することにより，利用者のニーズを掘り下げ，提供価値の向上が期待できる。例えば，利用者が製品の品質を向上させた
いと希望している場合，全く別の素材の適用を検討しているのか，あるいは新たな形状を検討しているのかで，
当センターが提供すべき最適メニューを選択できるようになる。
3.2 利用企業の事例
本調査事業期間において，新しい支援メニューの提案を目指したビジネスモデルの分析を目的に，県内製造業へのヒアリングを実施した。その結果，ビジネスモデ－ 92 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【ノート】【令和 3 年度 先端技術等調査研究事業】

最適化設計の活用可能性調査
内海 宏和*1，家口 心，斎藤 佳史，吉川 穣
自動車産業支援部*1（ 現 材料開発・分析技術部）
近年の 3D プリンターの普及に伴い，トポロジー最適化等を活用した設計の重要性が増している。しかしながら，地域企業にとって 3D プリンターは革新的な製品の開発というよりも，モックアップ作成のツールとして使用されているのが実情である。そこで，3D プリンターに関わらず，最適化設計が地域企業支援に貢献できる活用方法について調査した。その結果，最適化手法の特徴に応じた使い分けで，与えられた条件のもと現状よりもよい解を効率よく得ることができる可能性があることがわかった。
キーワード： 最適化，トポロジー最適化，シミュレーション，3D プリンター
1 緒言

化解析や実験計画法に基づくパラメトリック解析等を実施
できる 1)。さらに，構造解析についてはトポロジー最適化機

最適化とは，与えられた条件の範囲でもっとも好ましい解決策を見出すことである。目的地までのルートや輸送計能が搭載されているため，その適用を試み得られる効能を考察した。

画など最適化を必要とする問題は，業態に依らず存在する。
最適化問題では，好ましくしたい「コト」と，変えられる「モノ」

2.1 静的構造解析

を関数化し，それらを制約する方程式・不等式系を組み上げた上で数学的に解を得る。工業製品の製造に関わる地抽象化した構造部品の剛性を保つ軽量化問題に対し，ト

域企業にとっては，最適な構造物の形状を追求することがポロジー最適化とパラメトリック解析を実施した。図 1 に検討

密接な問題と考えられるが，設計の現場では熟練した設計

対象モデルを，図 2 にトポロジー最適化結果を示す。トポロ

者の技能によって，試行錯誤により形状の改善が行われてジー最適化においては，このような形状自由度の高い結果

いるのが現状である。生産性を向上させるためには，より合が得られるが，その形状の結果検証のための再解析は容理的かつ効率良く改善形状を提案することが重要である。

易でなく，再モデリングのためには得られた形状をなぞるよ

以上のような背景から，本調査では地域企業の設計開

うに CAD 化し直す必要があった。また得られた形状の実際発に対する最適化手法の活用可能性の模索を目的とし，の成形を考えると，既存の製造方法では複雑な工程を踏当センター保有の最適化ソフトの適用性を検討した。最適

まざるを得ない一方で，金属 3D プリンターによる製造では化の対象には，これまでに地域企業から寄せられた技術

コストが見合わない。したがって，トポロジー最適化は構造相談のうち件数が多かった，構造および伝熱に関連した問上の勘所を把握するための利用にとどめるのが現実的で題を抽象化して設定し，形状による性能変化について確あると考えられる。

認した。また，地域企業の最終的な生産性向上を見据え，次に同じ問題を対象として，パラメトリック解析を実施した。

本調査における最適化は数値シミュレーションを併用してこの解析では，材料の肉抜き対象について形状や大きさを行うこととした。

パラメータとしてあらかじめ関数化する必要があり，ここに設計者のセンスが求められる。ここで，それらパラメータの決

2 最適化設計の活用結果

定に上記で得られたトポロジー最適化結果を利用することを考え，図 3 に示すようなパラメータを設定した。図 4 に，パシミュレーションソフトは Ansys Mechanical Enterprise

ラメトリック解析によって得られた最適化形状とその形状にVer.18.2 を使用した。この製品には，Ansys DesignXplorer とおける剛性の検証結果を示す。本解析では肉抜き対象とい う 最 適 化 モ ジ ュ ー ル が 組 み 込 ま れ て お り ， Ansys

して設定したパラメータの組み合わせと重量との関係が関Workbench 環境のパラメータを用いて、簡便な操作で最適数化され，実験計画法に基づいてパラメータの可動範囲を－ 93 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

全て走査することなく効率的に最適化形状を導くことができる。必要な剛性については，最大応力に制約をかけることで担保できるため，現実的かつ合理的な形状をほぼ自動で得られることができ，高効率な設計に利用できることを確認した。
2.2 伝熱解析
図 2 トポロジー最適化結果
当センターでは伝熱問題に対応可能なトポロジー最適化
ソルバーを保有していないため，パラメトリック解析のみを実施した。
本調査では，フィンの形状が性能を決めるヒートシンクを対象とし，発熱体との接触面の温度を最小化するようにフィンの高さと幅を求める問題に取り組んだ。なお，調査的な事例のため，性能向上が見込める形状を初期形状として検討を行った。図 5 に，最適化前後の形状を示す。本事例
では，発熱体との接触面が 13℃低下した。
3 結言
最適な構造物の形状を効率良く得るため，市販の最適図 3 パラメトリック解析用のモデルと設定したパラメータ化ソフトを活用し，その適用性を検討した。トポロジー最適化では自由度の高い形状が得られるものの，検証や実際の製造を考慮すると，コストが見合わない。したがって，その利用は構造上の勘所の把握を目的に置き，パラメトリック
解析時のパラメータ設定に活用することで，効果的な利用可能性を見出すことができた。このように，最適化手法を組み合わせることで，合理的かつ効率的に改善形状の提案が可能となることがわかった。
参考文献
1） [最適化モジュール]Ansys DesignXplorer：有限要素法

図 4 応力制約下におけるパラメトリック解析結果

マルチフィジックス解析ツール Ansys：サイバネット(cybernet.co.jp)

図 5 ヒートシンクフィン形状のパラメトリック解析結果

図 1 構造部品を抽象化した最適化検討モデル－ 94 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【ノート】【令和3年度 先端技術等調査研究事業】

EMC総合試験棟垂直立ち上げに関わる調査
坂下 雅幸，佐藤 裕高
機械電子情報技術部
令和3年度に整備したEMC総合試験棟ではこれまで試験不可能だった5種類のEMC試験が可能となった。
この5種類を含む新たなEMC試験は，企業からのニーズが高い試験のため，開所後はこれら試験の問い合
わせが急増すると考えられたことから，この調査研究では，当該試験を含めたEMC総合試験棟でのEMC試
験がスムーズ，且つ，垂直立ち上げができるよう，新規格・技術調査および先導試験機関への訪問により試験技術のノウハウ蓄積を行った。
このことにより，新たなEMC試験サービスの提供を設備等導入後スムーズに，地域企業へ展開することが開所前に可能となった。
キーワード： EMC，車載EMC，10m法電波暗室，アンテナ照射，TEMセル，ストリップライン，近接照射
1

緒言② その電磁環境において満足に機能するための装
置又はシステム

EMC総合試験棟整備により，地域企業からの要望が1)と定義 されている。

非常に高かった新たなEMC試験サービスが可能となることから，新たに可能となるEMC試験は，開所直後から① を 満 足 し てい る か の 評価 を 「 エミ ッ ショ ン（ EMI ：直ぐに企業支援での利用開始を求められることが予想

ElectroMagnetic Interference）測定」といい，電子機器されていた。

が周囲の電子機器などに影響を与える可能性のある電しかし，新たに可能となるEMC試験メニューは6種類

磁妨害波を放出しているか評価する必要がある。

以上あり，これまで経験したことのない試験のため，試

ま た ② を 満 足 し て い る か を 評 価 す る 「 イ ミ ュニ テ ィ

験方法や試験条件の詳細情報が規定されている各種（EMS：ElectroMagnetic Susceptibility）試験」があり，電規格書が未所有であり，ノウハウが未蓄積である一方，

子機器が周囲の電磁環境の影響を受けても誤作動しな機器導入は年度末となるため，導入後からの準備ではいかを評価する必要がある。電子機器はこれらの試験

開所後の立ち上げが遅延する恐れが推測されたことかをクリアし，①と②が両立していることを証明する必要がら，この調査研究では，企業支援にスムーズに移行できあり，それら試験を総称してEMC試験という。

るよう，予め新規格・技術調査および先導試験機関への訪問により試験技術のノウハウ蓄積を行った。

2.2 電波暗室について

2

電波暗室とは，外部からの電磁波の影響を遮断し，外EMC試験について部にも電磁波を漏らさない金属板の部屋に，電磁波が2.1 EMCとは内部で反射しないように電波吸収帯を隙間なく張り付けた試験設備であり，EMC試験などの電磁波やアンテナ

EMCはElectroMagnetic Compatibilityの略で，日本語では「電磁両立性」と呼ばれており，JIS規格ではの電波を扱う試験や実験を行う際，外界の様々な電波と切り離すために重要な設備となっている。

装置又はシステムの存在する環境において，EMC試験で用いる電波暗室の国際標準は測定距離10mを確保できる10m法電波暗室（図1）であるが，当セ① 許容できないような電磁妨害をいかなるものに対しても与えず，かつ，ンターの既存設備としてこれまで運用してた電波暗室は
小型機器のEMC試験に限定した3m法電波暗室であった。この度EMC総合試験棟整備により10m法電波暗室－ 95 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19を整備したことで，当センターにおいても国際標準の測表1 実施可能となった車載機器のイミュニティ試験

定環境でのEMC試験が可能となった。

試験名

周波数範囲

最大レベル

アンテナ照射 (図3)200M～3.2GHz

200V/m5)

TEMセル (図4)

10k～400MHz

200V/m6)

ストリップライン (図5)

10k～400MHz

200V/m7)

近接照射 (図6)

28M～6GHz

規格に従う

4)

各試験は国際規格で試験方法及び試験印加レベルが定められているが，実際にこれら試験設備を保有し試験を実施している県内企業へ訪問し，導入前に当該試
験の注意点などを調査・確認したことで新たな知見や試験ノウハウを習得することができた。
今回の導入による車載機器用のイミュニティ試験設
図１ EMC総合試験棟に導入した10m法電波暗室

備は既存設備を含めると国連が発行する車載機器のEMC試験規則ECE R108)のほぼすべてが実施可能とな

3 調査結果り，全公設試で最多の試験対応数となる。今後は県内のみならず全国の企業からの問い合わせも期待できる

3.1 エミッション測定についてことから，試験規格の動向調査や企業ニーズ調査および更なる試験に関する知見やノウハウの蓄積を行い試

EMC総合試験棟整備で導入した10m法電波暗室に験技術の向上維持を継続していく。

より，国際標準の10m法による放射エミッション測定2)3)が実施可能となった（図2）。現在東北地域で10m法電波暗室を所有している試験機関は3機関であり，各機関における当該測定の注意点などについて調査し，新たな知見や10m法特有の測定ノウハウを得ることができた。
一方，現地調査等を進めたなか，今後の展開として，10m法電波暗室を所有する複数の機関とラウンドロビン
テスト実施を提案し，各機関との相関性を評価することとなった。

図3 アンテナ照射

図2 10m法による放射エミッション測定
3.2 イミュニティ試験について
今回の整備で導入したイミュニティ試験は4種類である。そのほとんどが車載電装品に対するイミュニティ試
験であり，実施可能となった試験を表1に示す。

図4 TEMセル－ 96 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

エネルギーによる電気的妨害のコンポーネント試
験方法-第2部：吸収材に裏打ちされたシールドルーム5） ISO11452-3:2016 路上走行車-狭帯域放射電磁エネルギーによる電気的妨害のコンポーネント試
験方法-第3部：トランスバース電磁（TEM）セル
6） ISO11452-5:2002 路上走行車-狭帯域放射電磁エネルギーによる電気的妨害のコンポーネント試
験方法-第5部：ストリップライン
7） ISO11452-9:2021 路上走行車-狭帯域放射電磁エネルギーによる電気的妨害のコンポーネント試
図5 ストリップライン

験方法-第9部：可搬型送信器
8） ECE Regulation No.10(ECE R10) 車両等の相互承認に関する国際的な協定(1958年協定)に基づいて国際連合が発行した自動車や自動車への取り付けを意図したデバイスのEMCに関する規則

図6 近接照射試験用アンテナ
4 結言
エミッション測定，イミュニティ試験それぞれについて機器を保有する複数の機関や企業を訪問調査した。エ
ミッション測定については機関間の相関性を評価するラウンドロビンテストを提案した。
今回の調査研究により試験規格の正しい解釈や試験
方法，ノウハウを予め習得することができたことで，新たなEMC試験サービスを設備等導入後スムーズに，地域
企業へ展開することが開所前に可能となった。
参考文献
1） EMCに関するIEV用語（JIS C 60050-161:1997）
2） CISPR32 Ed.2.0:2015 マルチメディア機器の電磁両立性-エミッション要求事項
3） CISPR11 Ed.6.0:2015 工業用，科学用及び医療用機器-無線周波妨害特性-限度値及び測定方法
4） ISO11452-2:2019 路上走行車-狭帯域放射電磁－ 97 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19－ 98 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【ノート】【令和3年度 先端技術等調査研究事業】

小角X線散乱（SAXS）による構造解析に関する技術調査遠藤 崇正，伊藤 桂介
材料開発・分析技術部
近年，ナノテクノロジーの発展を背景に，サブミクロン～ナノ領域を対象とした分析・評価技術として小角X 線散乱（SAXS）の有用性が再認識されている。SAXS は工業・食品分野等の幅広い分野での研究開発において，今や欠かせない分析手法である。しかし，SAXS 測定結果の解析やその解析結果の解釈は必ずしも容易とはいえず，当センターにおける研究開発や県内企業への技術支援業務において SAXS が普及するに至っていない。そこで本調査では職員個々人の解析技術の向上及び，ナノ材料評価における SAXS の有用性調査を目的として，金ナノ粒子の SAXS 測定, 及び各種解析を行い，透過型電子顕微鏡（TEM）による観察結果と比較した。その結果，各金ナノ粒子の SAXS の解析結果と TEM の観察結果は概ね良く一致した。
キーワード： ナノ粒子, 小角X線散乱（SAXS），構造解析
1 緒言への技術支援業務においてSAXSが普及するに至っていない。

近年, ナノテクノロジーの発展を背景に, ナノ材料をそこで本調査では職員個々人の解析技術の向上及扱った研究開発・技術革新が盛んに行われている。代び, ナノ材料評価におけるSAXSの有用性調査を目的と表的な例としてはナノ粒子が挙げられる。ナノ粒子は粒して, 金ナノ粒子のSAXS測定, 及び各種解析を行い,

子径が100nm以下にまで減少すると, 表面物性の顕在

透過型電子顕微鏡（TEM）による観察結果と比較した。

化や量子サイズ効果により, バルクとは異なった物理的・化学的機能が発現される1)。したがって, ナノ制御技

2 測定試料術を用いたナノ構造材料開発にはサブミクロン～ナノス
ケールを対象とした分析・評価技術が今後ますます重測定試料はシグマ・アルドリッチ製の金ナノ粒子, 5nm

要になると考えられる。

diameter, silica coated, OD 1, dispersion in H2O（以下一般的に, ナノ粒子の分散状態や形態観察といった

金ナノ粒子5nm）, 及び金ナノ粒子, 20nm diameter,

材料評価には電子顕微鏡が用いられる。電子顕微鏡に

silica coated, OD 1, dispersion in H2O（以下、金ナノ粒よる観察はナノ粒子を代表とするナノ材料評価におい子20nm）を用いた。

て, 非常に有効な評価手法である。しかし, その性質上,観測対象が局所的な箇所となることや, 高真空下での3 SAXS測定

観察になるため, 試料観察にはいくつかの制約がある。
一方で小角X線散乱（SAXS）は, 特殊な前処理が不

3.1 測定光学系と測定条件

要で非破壊で分析できること, 系全体の平均的な構造
情報を評価できること, 多種多様な試料形態（スラリー,

SAXS測定はあいちシンクロトロン光センターのビーム

エマルション等）での測定が可能であること等の電子顕ラインBL8S3の小角散乱測定光学系にて実施した。

微鏡にはない利点がある。このような理由から, SAXSはSAXS測定におけるカメラ長は約4m, X線のエネルギータンパク質の構造解析や, ゴム中に分散したフィラーのは8.3keV（1.5Å）とした。各試料溶液に対するX線の露凝集構造, 階層構造の解析等, 幅広い分野で欠かせ

光時間は600秒とした。検出器はPILATUS-100Kを用いない分析手法となっている。しかし, SAXSは測定結果のた。測定は図1に示す溶液セルを用い, 各金ナノ粒子解析やその解析結果の解釈は必ずしも容易とはいえなの試料溶液を充填した溶液セルを6連サンプルチェンジ

いことから, 当センターにおける研究開発や県内企業

ャーにセットして実施した。また解析の際のバックグラウ－ 99 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

ンドデータとして同様の測定条件で蒸留水についてもきる希薄溶液系において, 粒子の大きさを慣性半径と測定を実施した。

して求めることができる解析手法である。Guinierの近似式は以下のように表される3）。

𝐼(𝑞) = 𝐼0 exp (−

Rg2𝑞2
)
3

(1)

（1）式より, 散乱ベクトル（ q2)に対して散乱強度の自然対数（ lnI (q)） を プロ ット （ Guinier plot） し た とき に ,Guinier領域における直線部の傾きから, 散乱体の慣性半径（Rg）を求めることができる。なお, I0 はq = 0に外挿

図1 溶液セル

したときの散乱強度である。Guinier plotにおける直線の3.2 測定結果

傾きを算出する際にはGuinierの近似式が成り立つ領域（一般的にq < 1/Rg）に注意する必要がある4)。

図2に金粒子5nmと20nmの散乱プロファイルを示す。

金ナノ粒子5nmと20nmのSAXS測定結果から導出されここで, 図の横軸は散乱ベクトル（q = 4πsinθ/λ）, 縦たGuinier plotの結果を図3に示す。図2と同様に各強度

軸は散乱強度（In(q)）である。各強度分布は重複を避け

分布は重複を避けるために, 縦方向にシフトしてある。

るため, 縦方向にシフトした。図中の各散乱プロファイ

各図中の実線の各直線は, Guinier領域において算出さルは測定試料の透過率補正を考慮し, バックグラウンド

れた回帰直線である。Guinier領域よりも小角側の部分減算したものである。金ナノ粒子5nmと20nmの散乱プロ

で直線の傾きをとり, Rgをそれぞれ算出した。得られたRgファイルを比較すると, 金ナノ粒子5nmでは周期的な極の値から粒子の形状パラメータである金ナノ粒子5nmと大の振動構造が見られ, 球に特徴的な曲線形が見られ20nmの半径Rを算出したところ, それぞれ約20.7nm,

た。一方で金ナノ粒子20nmは緩やかな極大の振動が約20.5nmとなった。

観測されており, 粒径に分布があることがこれまでの報

16

告から解釈される2)。

14

I(q) (a.u.)

106lnI(q) (a.u.)

107
金ナノ粒子20 nm
金ナノ粒子5 nm

105
104
103
10

2

10

1

100

金ナノ粒子20 nm
金ナノ粒子5 nm

12
10
8
0.002

10-1

0.004 0.006
q2 (nm-2)

0.008

0.01

図3 金ナノ粒子（5nm, 20nm）のGuinier plot. （○）金ナ

100ノ粒子5nm, (△)金ナノ粒子20nm

q (nm-1)
図2 金ナノ粒子（5nm, 20nm）のSAXS散乱プロファイル

3.2.2 理論散乱曲線フィッティングによる解析（○）金ナノ粒子5nm, (△)金ナノ粒子20nm
散乱体の大きさを評価する他の解析手法として, 理
3.2.1 Guinier近似による解析

論散乱曲線フィッティングによる解析を行った。理論散乱曲線フィッティングによる解析では, 散乱体のモデル

続いて, 各金ナノ粒子の散乱プロファイルにGuinierを仮定し, それに応じた各構造パラメータを与えること近似による解析を試みた。Guinier近似による解析は散で, 粒径や粒径分布等の構造情報を得ることができる。

乱体が単分散で, かつ散乱体間の相互干渉が無視で今回測定した金ナノ粒子は粒子表面に二酸化ケイ素に－ 100 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

よる被覆処理がされていることから, コアシェルモデルを

4.1 測定装置及び観察方法仮定した 理論散乱関数を用いて , 金ナノ粒子5nmと20nmについてフィッティングを行った。図4, 5に金ナノ粒装置は日立透過電子顕微鏡HT7800（日立ハイテク）

子 5nmと20nmの実験曲線に対して理論散乱関数によを使用した。試料観察前に金ナノ粒子溶液を少量の界るフィッティングを行った結果を示した。

面活性剤（ドライウェル, 富士フィルム）とよく混合し, グ

図4, 5の結果より, 実測で得られた散乱プロファイルと理論散乱曲線を比較すると, 金ナノ粒子5nmと20nm

リッド（コロジオンCOL-C15 Cu150Pグリッド, 応研商事（株））に滴下し乾燥させて観察試料とした。

のフィッティングは概ね一致しているものの, 測定デー
タと理論散乱曲線にずれが生じている。これは用いたモ

4.2 観察結果

デルの簡略化が原因であり, シェル内の密度分布を考慮する等の検討が必要とされている 5), 6)。シェル内密度

図6, 7に各金ナノ粒子のTEM観察結果を示す。観察

分布を考慮した解析を含む, フィッティング解析技術に

結果から5nmと20nmの両方で, 中心の金ナノ粒子の周

ついては今後の課題としたい。

りがシリカ被覆膜で覆われている様子が確認された。コ

フィッティングの結果, 金ナノ粒子5 nmではコア半径アである金ナノ粒子の直径は金ナノ粒子5nmで約4.9nm,

R1が3.1nm, シェル半径R2が21.2nmであった。また, 金

金ナノ粒子20nmで約21.5nmであった。またシェルの厚ナノ粒子20nmではコア半径R1が10.8nm, シェル半径R2

さは金ナノ粒子5nmで約18.3nm, 金ナノ粒子20nmで約が24.5nmであった。

17.8nmであった。これらTEM観察結果とSAXSによる各種解析（Guinier plot, 理論散乱フィッティング）の結果を

106

I(q) (a.u.)

比較すると概ね良く一致した。

金ナノ粒子5 nm
理論散乱曲線

105
104
103
102
101
100

10-1

100
q (nm-1)

図4 金ナノ粒子5nmのフィッティング解析結果

105

I(q) (a.u.)

図6 金ナノ粒子5nmのTEM観察像

金ナノ粒子20 nm
理論散乱曲線

104
103
102
101
100

10-1

100
q (nm-1)

図5 金ナノ粒子20nmのフィッティング解析結果
4 電子顕微鏡観察
SAXS解析結果の妥当性を評価するため, TEMを用
いて, 各金ナノ粒子の観察を行った。

－ 101 －

図7 金ナノ粒子20nmのTEM観察像

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

5 結言
SAXS による解析技術の有用性を調査することを目的として, ナノ材料評価手法である粒径の異なる金ナノ粒
子（5nm, 20nm）の SAXS による各種構造解析(Guinier 近似, 理論散乱曲線フィッティングによる解析)を行った。
また, 解析結果の妥当性評価のため, TEM を用いて観察を行った結果, SAXS 解析結果と概ね良く一致した。
今回実施した Guinier plot や理論散乱曲線フィッティ
ングによる解析は SAXS における各種解析手法の一部である。SAXS の解析には他にも様々な手法があり, 一
つの散乱曲線から試料の形状や表面構造等, 様々な情報を得ることができる。これらの解析手法を用途や目的に応じて適切に使い分けることで, 測定試料について詳細な情報を得ることが期待される。
謝辞
本事業を進めるにあたり多大なご協力をいただきました, 宮城県農業・園芸総合研究所の板橋建副主任研究員, あいちシンクロトロン光センターの山本博子産業
利用コーディネータ, 神谷和孝氏にこの場をお借りして深く感謝申し上げます。
参考文献
1） ナノ粒子分散薄膜標準物質に関する調査研究林田美咲 産総研軽量標準報告 Vol.8,No1 (2010).
2) 小角散乱の基礎～X線・中性子の小角散乱から何がわかるか～ 松岡秀樹 日本結晶学会誌 第41
巻 第4号 （1999）.
3) Small-Angle Scattering of X-rays
A. Guinier and G. Fournet John Wiley & Sons Inc.,New York (1955).
4) 小角散乱解析でみる古くて新しいタンパク質グリア
ジンのナノ凝集体構造 食品の内部構造を量子ビームで読み解く 佐藤信浩 杉山正明 裏出令子
化学と生物 Vol.55 No.4 (2017).
5) コロイド, ミセル, 高分子溶液への応用
松岡秀樹 日本結晶学会誌 第41巻 第5号（1999）.
6) X線・中性子小角散乱法-高分子ミセルへの応用を例として- 松岡秀樹 日本油化学会誌 第49巻 第10号 （2000）.

－ 102 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【ノート】【令和3年度 先端技術等調査研究事業】

X線分析機器の食品分野への応用に関する調査
浅野 壮宏，高山 詩織，水上 浩一*1，羽生 幸弘，小山 誠司，畑中 咲子
食品バイオ技術部，*1材料開発・分析技術部
県内食品企業による次世代放射光施設の利用に向け，放射光測定の有効性・可能性を確認するための情報提供を目指し，汎用実験機器のマイクロフォーカスX線CTで食品の測定を行った。水分の少ない乾燥食品では内部構造や配向構造の観察が可能であったが，水分の多い食品の構造観察は困難だった。
そこで金属イオンによるタンパク質染色を試した結果，コントラストが強くなり内部構造の観察がある程度可能となることがわかった。マイクロフォーカスX線CTによる測定は，放射光による食品の測定に向けた検討に活用可能であることが示された。
キーワード： X線CT，食品，構造観察
1 緒言

2 実験方法

放射光は，シンクロトロン放射によって生じる電磁2.1 測定方法

波で極めて明るく指向性の高い光である。放射光施設では，この放射光を用いて分光による様々な測定にはマイクロフォーカスX線CT装置（コムスキャン

波長の単色光や，高コヒーレント光，偏光を活かし，

テクノ（株），ScanXmate-D225RSS270）を用いた。標準汎用の実験室用機器（以下，ラボ機）では不可能

測 定 条 件 は ， 管 電 圧 60kV ， 管 電 流 167µA ， 解 像 度

1）6.5µm/pixel，検出器マトリックス1,856×1,472 pixel2（ビな様々な分析・実験が可能である 。
宮城県では，令和6年度に運用開始される次世

ニング1×1）とし，露光時間0.5秒/枚，投影枚数1,200

代放射光施設の県内企業による活用が期待され枚のフルスキャンとした。画像の再構成には機器付属のている。食品分野では，整備されるビームラインのソフトウェア(cone CT express)を用いた。画像解析には

2）

うち イメージングやX線散乱による構造解析，階ImageJ (ver. 1.53c, National Institute of Health, USA)を，

層構造解析の活用が想定される。食品の測定事

再構成像の3次元投影では，Molcer（ver. 1.8.1.0, （有）

例として，魚肉，畜肉，農産物の冷凍品
5）

6）

7）

3，4）
8）

や，麺

類 ，アイスクリーム ，油脂 ，ウィスキー ，ワイン

9）

ホワイトラビット）を用いた。なお，スライス像のコントラスト
は画像間では規格化されていない。

といった事例が報告されている。
一方，放射光測定の事前検討としてラボ機を用

2.2 試料

いて放射光の有効性・可能性を確認する必要があ
るが，当センターでは食品で測定事例の多いコン

県内の特産物として農産物はイチゴ，乾燥食品は油

ピュータ断層撮影（Computed Tomography （以下，

麩と温麺（機械麺，手延べ麺），水分の多い加工品はカCT））についても食品の測定はほとんど行ってこな

ニ風味蒲鉾（以下カニカマ）と充填豆腐を小売店より購かった。

入して用いた。イチゴの凍結乾燥は，-30℃のブラストチ

本研究では，県内で生産される農産物や加工品

ラー（（株）フジマック，FRBCT6）で2時間冷凍後，真空をラボ機のマイクロフォーカスX線CT装置で測定し，凍結乾燥機（東京理化器械（株），FD-550P）で40℃，

測定条件や得られた画像について調査し，さらに48時間行った。

水分の多い加工品ではタンパク質染色を試したので報告する。

油麩，温麺，カニカマ，充填豆腐は，φ6mmまたはφ8mmの皮膚生検用パンチ器具（生検トレパン（貝印（株））
を用いて切り出し供試した。
コントラスト増大のための染色剤として，リンタングステ－ 103 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

ン酸ナトリウム（富士フイルム和光純薬（株）)を10mM水を透過イメージングで観察することは困難であることが溶液として用いた。試料を含浸した後，0.5mlマイクロ遠

報告10）されていたが，近年，位相コントラストを用いた枝

心チューブに入れて測定した。

豆の導通組織の観察11）や，X線回折格子干渉法によるさくらんぼの導通組織の可視化12）が報告されており，次3 結果と考察世代放射光施設による詳細な観察が期待される。

3.1 農産物3.2 加工食品

特産農産物であるイチゴを測定した(図1)。生のスライス像(a)では中心部の空隙は観察できたが，3次元投影

県内で製造された油麩，温麺，カニカマおよび充填
豆腐について測定した。

(b)では内部構造の観察は困難だった。水分がイチゴ全体に存在しているため密度や組成の差が小さく，コント

3.2.1 油麩，温麺

ラストがつかなかったと考えられた。真空凍結乾燥後のスライス像(c)では内部の空隙が見え，3次元投影(d)に

油麩では（図2），内部の網目構造および中心部と外おいて内部の維管束が偽果の中心から痩果へ伸びる皮の違いが観察され，網目構造の配向性や目の大きさ

様子が観察できた。水分が少なくなり，繊維等と空隙のの評価が可能と考えられた。また，外皮に吸収された油密度や組成に起因する差が大きくなったためと考えられも観察できた。内部構造の違いによる食感への影響や，た。イチゴの他，ナス，トマト，パプリカ，タマネギでも乾製法による構造の差異など，定量的議論に用いることも燥により内部構造の観察が可能になることを確認した考えられた。

（データ非掲載）。農産物は脂質・タンパク質が少なく，後述する金属イオンによるタンパク質染色も困難なこと

abから，乾燥による組織変化はあるものの，ラボ機での観察には凍結乾燥品を試すことが考えられた。
一方，放射光において，冷凍イチゴ中の微細氷結晶ab

図 2 油麩の CT 撮影像(a)スライス像，(b)3 次元投影像
a

c

b

d

c

図 1 イチゴの CT 撮影像
生の(a)スライス像，(b)3 次元投影像
乾燥品の(ｃ)スライス像，(d)3 次元投影像
測定条件：(a,b)100kV,100μA,解像度 58.1μm/pixel，(ビニング 2×2)，露光時間 0.2s，投影枚数 600 枚，(c,d)50kV, 100μA, 解像度 58.1μm/pixel，(ビニング
2×2)，露光時間 0.5s，投影枚数 1200 枚.

d

図 3 温麺の CT 撮影像－ 104 －

機械麺の(a)スライス像，(b)3 次元投影像
手延麺の(c)スライス像，(d)3 次元投影像

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

a3.2.2 カニカマ，充填豆腐b

カニカマでは（図4），染色前（a,b）はカニカマの特徴である繊維状構造は観察できなかった。内部の空隙や原料由来の魚の骨と思われるものは観察されたが，水分が組織全体に存在しているため，繊維と間隙のコント
ラストが弱くなったと考えられた。コントラストを強くするたc

め，10mMリンタングステン酸ナトリウム水溶液に48時間

d

浸漬し染色を試みた。電子染色剤として知られる 15）リン
タングステン酸はアミド基と反応することが報告されており16，17），タンパク質の染色に有効と考えた。染色後（ｃ，ｄ），カニカマの繊維状構造と思われる配向性をもつ空隙が観察され，染色前に見られなかった様々な空隙が観察された。染色により，タンパク質を含む繊維と間隙とのコントラストが強くなったためと考えられた。

図 4 カニカマの CT 撮影像
染色前の(a)スライス像，(b)3 次元投影像

次に，充填豆腐を測定した（図5）。染色は10mMリン

染色後の(c)スライス像，(d)3 次元投影像

タングステン酸ナトリウム水溶液に24時間浸すことで行
い，その後，水に24時間浸し脱塩を行った。染色後のス

温麺は同じメーカーの製造する機械麺と手延べ麺を測定した（図3）。手延べ麺（c,d）は機械麺（a,b）に比べ断面形状が不揃いで内部に空隙も見られた。麺線方向に見られた亀裂は，SPring-8で測定した手延べそうめんでも観察され，グルテン層の配向性によると報告されてライス像(b)では，染色前（a）に見えなかった空隙が観察されたが，放射光測定で報告されているネットワーク構造は観察できなかった 18，19）。リンタングステン酸ナトリウ
ムによる染色はタンパク質が含まれる試料に限られ，浸漬条件の精査が必要だが，コントラストが強くなり内部構

いる5） 。一方で，SPring-8で観察されたグルテンに担持造がある程度可視化できる可能性を見出した。放射光されたデンプン粒は観察できなかった。解像度の差(文では，ラボ機で利用されるX線よりもより低エネルギーの献5）値：0.65μm/pixel)によると考えられた。このように，水

単色光が利用できることから，無染色での観察が期待さ分の少ない乾燥品では内部構造を観察できたが，放射れる。

光ではより高倍率での測定が可能 13） であり，単色光を用いられることから，より高コントラストが得られると期待4 まとめされる。また，乾燥食品は，喫食するために水戻しをしたり，熱水でゆでるという処理が行われる。SPring-8では，食品の放射光測定の有効性・可能性を確認するた

口腔崩壊錠の導水・崩壊の挙動も観察しており14），麺のめの情報提供を目指し，ラボ機のマイクロフォーカスX

吸水過程・加熱過程などの経過測定も可能と考えられ線CTで県産農産物と加工品の測定を行った。生のイチゴの観察は困難だったが，凍結乾燥品は内部構造が観た。

察できた。水分の少ない油麩，温麺はそのまま内部構
a
a

b
b

造が観察できたが，水分の多いカニカマ，充填豆腐はリンタングステン酸ナトリウムに浸漬しタンパク質染色する
ことで，内部個構造がある程度観察可能となった。以上の結果から，食品のラボ機によるCT測定は放射光施設での測定に向けた検討に活用可能であることが示された。放射光施設では，位相や時間分解能，高輝度単色光といった性能を最大限に活かした測定が期待される。

図 5 豆腐(充填)のスライス像(a)染色前， (b)染色後－ 105 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

謝辞

red and white wines using total-reflection X-ray
fluorescence. Spectrochim. ACTA B. 2003, 58(12),

本研究を進めるにあたり，農業・園芸総合研究所にイチゴ，パプリカ等を提供頂きました。ここに記し感謝の意

pp.2227-2232.
10) 佐 野 則 道 . 第 12 回 SPring-8 産 業 利 用 報 告 会 .

を表します。

SPring‑8/SACLA 利 用 者 情 報 . 2015, 20(4),pp.361-364.
参考文献，引用URL

11) Hidaka, Masafumi.; Miyashita, Shuhei.; Yagi,
Naoto.; Hoshino, Masato.; Kogasaka, Yukiya.; Fujii,

1)2)

後藤俊治. 放射光の特徴. ぶんせき. 2015, (1),

Tomoyuki.; Kanayama, Yoshinori. High-Resolution

pp.2-7

X-ray Phase-Contrast Imaging and Sensory and

国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

Rheometer Tests in Cooked Edamame. Foods.

量子ビーム科学部門次世代放射光施設整備開発

2022, 11(5), pp.730-742.

センター. “次世代放射光施設ビームライン概要”.

3)と構造解析の融合に成功 ―各画素でnm オーダ

https://www.qst.go.jp/uploaded/attachment/2672

ーの定量的構造解析が可能に―”. 東北大学プ

9.pdf (参照 2022-05-12).

レスリリース.

佐藤眞直，梶原堅太郎，佐野則道. 放射光を用

https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/press

いたX線CTによる冷凍食品中の氷結晶組織3次元

img/tohokuuniv-press20191004_03web_Xray.pdf

非破壊観察. 日本食品工学会誌. 2016, 17(3),(参照 2022-5-17)

pp.83-89.
4)13) 小谷久, 合谷祥一, 平松修一, 山野善正. マイク

上原康, 須藤和幸, 本谷宗, 松本真理子, 柴田

ロX線CTによる，油調済みパン粉の微細構造観察.

舞子. 異なる冷凍条件での冷凍食品中氷結晶のSPring-8/SACLA 利 用 研 究 成 果 集 Section B.

状 態 評 価 . SPring-8/SACLA 利 用 研 究 成 果 集

2018, 6(2), pp.310-314.

Section B. 2016, 4(2), pp.320-323.
5)6)14) 岡林智仁, 石川左枝, 平邑隆弘, 上杉健太朗,

細田捺希, 高山裕貴， 赤田樹， 青井雄幹， 原

星野真人. 口腔内崩壊錠（OD錠）用賦形剤を用

信岳，吉村美紀. 貯蔵期間の異なる手延べそうめ

いたOD錠の迅速崩壊における導水過程および崩んの正常と構造観察. 日本調理科学会誌. 2019,

壊 挙 動 に つ い て の ３ 次 元 構 造 解 析 . SPring-52(6), pp.386-394.

8/SACLA利用研究成果集 Section A. 2018, 6(2),都甲洙, 佐瀬勘紀, 小林りか, 佐藤眞直, 裵英煥,pp.215-218.

前田竜郎, 上野茂昭, 荒木徹也.

極低温ミクロ8)燐タングステン酸(P.T.A.)の電子染色性に関する研究.

リームの内部構造計測. 日本食品工学会誌. 2020,

医療, 1967, 21(3), pp.273-279.
16) 小島啓太郎, 細田覚. ポリマーアロイの微細構造

仲西堅剛. 食用油脂分野における放射光利用のの電子顕微鏡観察. 電子顕微鏡. 1994, 28(3),可能性. オレオサイエンス. 2022, 22(2), pp.22-26.

pp.150-156.

Morishima, Ken.; Nakamura, Noriko.; Matsui,
Keisuke.;

9)15) 仁士賢一, 山県英彦, 安保純郎, 中村滋.

トームイメージングシステムとX線CTによるアイスク
21(3), pp.113-121.
7)12) 東北大学多元物質科学研究所. “Ｘ線イメージング

国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構.

Tanaka,Masunaga,蕗仁, 永田員也, 浅野敦志. 耐衝撃性を示すポリ

Hiroyasu.; Mori, Shoko.; Iwashita, Takashi.; Ii,

ケトン/ポリアミドポリマーアロイにおけるナノ構造のXiang.;

of

評価. 高分子論文集. 2009, 66(12), pp. 577-584.

Clusters in Whiskies During the Maturation

18) 小野伴忠. 大豆から豆乳・豆腐が生成する機構とShibayama,

Yoshikazu.;17) 高橋洋平, 西岡麻依子, 加藤淳, 日笠茂樹, 岩Mitsuhiko.

Formation

Process. J. Food Sci. 2019, 84(1), pp.59-64.

それに影響を与える諸因子（大豆加工における成dos Anjos, Marcelino José.; Lopes, Ricardo Tadeu.;

分相互作用の解明と応用に関する研究）. 日本食

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品科学工学会誌. 2008, 55(2), pp. 39-48.

Silvana.; Barroso, Regina Cely.; Castro, Carlos

19) 太子食品工業. “油揚の網目構造形成過程の解Roberto Ferreira. Trace elements determination in－ 106 －

析”. 宮城県HP.

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

https://www.pref.miyagi.jp/documents/37776/83
8868.pdf (2022-06-09 参照)－ 107 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19－ 108 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【ノート】

無線湿度測定システムを用いた恒温恒湿槽の湿度性能の評価
林 正博，小野 仁，阿部 宏之
機械電子情報技術部
当センターが所有する2台の超低温恒温恒湿槽について，槽内での湿度性能を把握するため，無線湿度測定システムを用いた性能評価を行った。その結果，予備実験で取得した補正値をセンサの測定値に適用することにより，システムが有効に機能することを示した。さらに，無線湿度測定システムで2台の超低温恒温恒湿槽の槽内の湿度分布を測定し，その結果，2台の超低温恒温恒湿槽で湿度性能には顕著な違いは見られず，いずれも槽内湿度は低湿度設定時にはやや高め，高湿度設定時には低めとなる傾向が見られた。
キーワード： IoT，無線，恒温恒湿槽，湿度センサ
1 緒言

表 1 超低温恒温恒湿槽の主要仕様

当センターには槽内寸法の異なる2台の超低温恒温
恒湿槽があり，定期的に点検・校正を行っている。その

メーカー
型式

際に温湿度測定を行っているのは，槽内中央と乾球・

槽内寸法

湿球温度検出端が設置されている槽内上方右奥のみ

内扉
設定可能
温度範囲
設定可能
湿度範囲

であり，それ以外の箇所の温湿度分布は明らかになっていない。そこで，令和2年度には各装置の温度性能を把握するため，当センターが開発した無線温度測定シタバイエスペック（株）
PSL-4KPH
PSL-2KPH
W1000×H1000
W600×H850
×D800mm
×D600mmあり
なし-70～150℃-70～150℃

20～98％RH

20～98％RH

ステムを用いて槽内各所の温度測定を行った１）。
令和3年度は，超低温恒温恒湿槽の湿度性能を評価

2.2 無線湿度測定システム

するため，無線温度測定システムを応用した無線湿度
測定システムを開発し，センサ性能評価と槽内の湿度測定を行った。

今回の実験で用いた無線湿度測定システムは，送信デバイス，湿度センサ，通信ケーブル，受信デバイスで構成される。令和2年度に温度測定を行った無線温度

2 実験

測定システムを応用し，槽内に設置した湿度センサと槽外の送信デバイスとをケーブルを用いて接続する構成

2.1 評価機器とした。送信デバイスには当センターが開発した「IoT体験キット」2）を用いた。図1にIoT体験キットの外観写真を

表1に当センターが所有する超低温恒温恒湿槽の主示す。

な仕様を示す。2台の主な違いは，槽内寸法及び内扉の有無で，それ以外はほぼ同仕様である。

図 1 IoT 体験キットの外観写真－ 109 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

図2に湿度センサとして使用したボッシュ社
BME280の搭載基板の外観写真を示す。BME280は温度，湿度，気圧の3つの環境情報を同時に測定可能なセンサであるが，今回の実験では湿度データのみを用いた。BME280の仕様3）を表2に示す。
湿度センサはa～fの6個を用意し，それぞれをケー
ブルを介してIoT体験キットに接続した。

図 3 温湿度制御プログラム
2.4 超低温恒温恒湿槽の湿度性能の評価条件と測定箇所
図4に槽内での湿度測定箇所の模式図を示す。①～⑪で示した箇所に湿度センサを設置した。準備した湿度センサが6個であったため，槽内中央と上段（①～⑥），
槽内中央と下段（①，⑦～⑪）と2回に分けて測定を行った。各測定において，①の位置には常に同じ湿度セ

図 2 湿度センサ（BME280）搭載基板の外観

ンサaを設置した。温湿度制御プログラムは図3に示す
無線湿度測定システムの精度検証に用いたものと同じ

表 2 湿度センサ（BME280）の仕様
湿度範囲
応答時間
湿度精度
ヒステリシス
データ取出

プログラムを使用した。

0～100％RH
1秒
±3％RH
±1％RH
I2 Cバス

湿度センサからのデータ取り出しには，I2Cバスを使用した。
送信デバイスから送信されるデータはパソコンのUSB端子に接続した受信デバイスで受信し，パソコン内の記
憶媒体に記録した。また，別途設置したデータロガーまたはパソコンで槽内に備え付けの乾球・湿球温度から

図 4 槽内での湿度測定箇所

得られる湿度データを記録した。測定間隔はいずれも1分とした。

図5にPSL-4KPHの槽内上段の湿度測定を行った際の湿度センサ設置の写真を示す。湿度センサと送信デ

2.3 無線湿度測定システムの測定精度検証

バイスを接続するケーブルをダブルクリップやビニール
タイで梯状の棚に固定し，湿度センサを①～⑥の位置

図3に湿度センサの性能評価のために設定した温湿に設置した。槽内上方右奥には，装置の温湿度制御に度制御プログラムをグラフにして示した。温度保持を用いる乾球・湿球温度検出端がある。これらの配置は，25℃，55℃の2条件とし，25℃では50％RH，90％RHの2

PSL-2KPHとPSL-4KPHのいずれも同様である。

条件，55℃では30％RH，50％RH，90％RHの3条件で湿度設定を行い，各温湿度での保持時間を6時間とした。なお，昇温，降温に時間を要するため，設定した温湿度での保持時間は6時間よりも短くなる。

－ 110 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

図 6 精度検証時の湿度センサの設置写真
図 5 槽内上段での湿度センサの設置写真

図3に示す温湿度制御プログラムで温湿度設定を5条（PSL-4KPH）

件に変化させたときの各条件における湿度の測定結果を表4に示す。平均湿度等の計算には，各条件での保3 結果及び考察

持時間のうち後半3時間分のデータを使用した。
表 4 無線湿度測定システムの測定精度検証結果

3.1 無線湿度測定システムの測定精度検証
湿度センサaを2台の超低温恒温恒湿槽の中央に設置し，図3に示す温湿度制御プログラムで繰り返し湿度測定を行った結果を表3に示す。PSL-4KPHでは合計3回，PSL-2KPHでは2回の測定を行った。湿度センサaの測定値は設定値から最大7.3％RHの誤差を生じているが，繰り返しによるばらつきは，いずれの装置を用いた場合でも最大約1％RHであることが分かった。この結果から，湿度センサの測定値を適切に補正することにより，精度良く湿度測定が可能になることが示唆された。

47.90
85.38
26.64
44.21

46.50
85.16
26.34
43.67

48.17
84.69
26.47
43.82

47.93
84.36
26.29
43.30

55℃，90％

86.33

85.27

85.26

83.31

82.71

SHA-3151
50.71
51.00
50.50
0.0927
89.19
89.30
89.00
0.0626
31.31
31.50
31.20
0.0738
50.02
50.20
49.90
0.0614
89.79
89.90
89.60
0.0424

a
46.71
47.02
46.39
0.1057
85.84
86.11
85.54
0.1429
26.43
26.65
26.25
0.0887
44.05
44.21
43.92
0.0594
86.33
86.69
85.89
0.1662

b
49.82
50.11
49.51
0.1119
88.90
89.25
88.47
0.1608
31.56
31.80
31.39
0.0857
49.14
49.30
49.00
0.0600
89.65
90.06
89.19
0.1698

c
47.19
47.49
46.84
0.1190
90.13
90.49
89.72
0.1542
24.28
24.54
24.12
0.0841
43.03
43.23
42.88
0.0656
87.21
87.51
86.78
0.1635

d
45.41
45.73
45.05
0.1152
87.36
87.73
86.94
0.1536
22.98
23.23
22.79
0.0876
41.18
41.40
41.03
0.0701
84.46
84.79
83.97
0.1834

e
48.81
49.17
48.47
0.1139
90.74
91.10
90.30
0.1519
26.81
27.05
26.65
0.0858
45.35
45.57
45.21
0.0663
88.62
89.01
88.28
0.1737

f
50.09
50.47
49.75
0.1238
93.06
93.41
92.67
0.1556
30.11
30.31
29.92
0.0792
48.44
48.65
48.28
0.0740
91.47
91.75
91.16
0.1238

SHA-3151と各湿度センサとの平均湿度の差を表5にく異なること，また，温湿度条件によってSHA-3151と湿度センサの測定値の差がまちまちであることが分かった。

PSL-4KPH
PSL-2KPH
温湿度条件 1回目 2回目 3回目 1回目 2回目
46.71
85.84
26.43
44.05

本体
50.10
50.43
49.88
0.0972
90.10
90.45
89.78
0.1175
30.08
30.21
29.96
0.0417
50.10
50.19
49.94
0.0538
90.13
90.39
89.90
0.0866示す。センサによってSHA-3151の測定値との差が大き

表 3 湿度センサ a の繰り返し湿度測定結果

25℃，50％25℃，90％55℃，30％55℃，50％

温湿度条件
25℃，50％ 平均湿度
最大湿度
最小湿度
標準偏差
25℃，90％ 平均湿度
最大湿度
最小湿度
標準偏差
55℃，30％ 平均湿度
最大湿度
最小湿度
標準偏差
55℃，50％ 平均湿度
最大湿度
最小湿度
標準偏差
55℃，90％ 平均湿度
最大湿度
最小湿度
標準偏差

槽内の湿度分布測定にはこの差を湿度センサの補正値として用いた。以降の湿度測定結果はこれらの補正値を適用したものである。
表 5 SHA-3151 を基準とした湿度センサの補正値

湿度センサa～fの測定精度を把握するため，超低温
恒温恒湿槽（PSL-4KPH）中央に6個の湿度センサa～fと基準となる湿度センサ（（株）ティアンドデイ社

温湿度条件

a

b

25℃，50％4.00

25℃，90％3.35

55℃，30％55℃，50％55℃，90％

SHA-3151：測定精度±2.5％RH@0～99％RH）を図6に示すように設置した。

－ 111 －

c

d

e

f

0.89

3.52

5.30

1.90

0.62

0.29

-0.94

1.82

-1.55

-3.87

4.88

-0.25

7.03

8.33

4.50

1.20

5.97

0.88

6.99

8.84

4.67

1.58

3.46

0.14

2.58

5.33

1.17

-1.68

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

3.2 超低温恒温恒湿槽内の平均湿度
図7に(a)PSL-4KPHと(b)PSL-2KPHの25℃，50％RH
設定時の各測定箇所での平均湿度を示す。PSL-4KPHの場合，槽内の湿度は設定値よりも高めになったが，槽内下部は設定値との差は1％RH未満で，良好な値が得られた。PSL-2KPHでは，いずれの箇所も設定よりも高めとなった。

図 8 (a)PSL-4KPH と(b)PSL-2KPH の 25℃，90％
RH 設定時の各測定箇所での平均湿度

図9に(a)PSL-4KPHと(b)PSL-2KPHの55℃，30％RH
設定時の各測定箇所での平均湿度を示す。2台とも槽内の湿度は設定値よりもやや高めだが，大きなばらつきは見られなかった。

図 7 (a)PSL-4KPH と(b)PSL-2KPH の 25℃，50％
RH 設定時の各測定箇所での平均湿度

図8に(a)PSL-4KPHと(b)PSL-2KPHの25℃，90％RH
設定時の各測定箇所での平均湿度を示す。PSL-4KPH，
PSL-2KPHともに槽内の湿度は設定値より低めとなり，
PSL-4KPHでは槽内の湿度ばらつきが大きくなる傾向が見られた。

図 9 (a)PSL-4KPH と(b)PSL-2KPH の 55℃，30％
RH 設定時の各測定箇所での平均湿度

図10に(a)PSL-4KPHと(b)PSL-2KPHの55℃，50％RH
設定時の各測定箇所での平均湿度を示す。2台とも槽内の湿度は設定値とほぼ等しく，特にPSL-4KPHではいずれの測定値も設定値から±0.5％RH以内と良好な結果が得られた。

－ 112 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

図 11 (a)PSL-4KPH と(b)PSL-2KPH の 55℃，90％
RH 設定時の各測定箇所での平均湿度

4 結言
令和2年度に開発した無線温度測定システムを応用
して無線湿度測定システムを開発し，恒温恒湿槽内の湿度分布を測定した。測定に用いた湿度センサは基準
図 10 (a)PSL-4KPH と(b)PSL-2KPH の 55℃，50％
RH 設定時の各測定箇所での平均湿度とした湿度センサSHA-3151との間に最大8.8％RHの誤差があったが，基準湿度計との補正値を適用することにより十分な精度で湿度測定が可能であることが分かった。
ただし，補正値は温湿度条件によって異なるため，測定図11に(a)PSL-4KPHと(b)PSL-2KPHの55℃，90％RH

条件と同条件での予備実験が必要となる。

設定時の各測定箇所での平均湿度を示す。2台とも槽2台の超低温恒温恒湿槽で湿度性能には顕著な違

内の湿度は低めとなり，設定値との差はPSL-2KPHの方いは見られず，いずれも槽内湿度は低湿度設定時にはがやや大きい傾向が見られた。

やや高め，高湿度設定時には低めとなる傾向が見られた。
本実験では湿度データのみを取り扱っているが，IoT体験キットには今回用いた湿度センサと令和2年度に使用した温度センサ（アナログ・デバイセズ社 ADT7410）
を同時に接続することができ，槽内の温湿度情報を同時に測定することも可能である。
参考文献
1） 林正博 他：無線温度測定システムを用いた恒温
恒湿槽の温度性能の評価,宮城県産業技術総合センター研究報告, 18, 2021, p.76-81
2） 小野仁 他：県内シーズを活用したエネルギーハー
ベスティングおよびセンシングシステムの研究開発,
宮城県産業技術総合センター研究報告, 15, 2017,p.17-223） BME280のデータシート：
https://www.bosch-sensortec.com/media/boschsensorte
c/downloads/datasheets/bst-bme280-ds002.pdf－ 113 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19－ 114 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行【ノート】

防災重点ため池の地震加速度の監視，及びそのための簡易自立電源の開発
小野 仁，小泉 慶雄*1，遠藤 武聡*1
機械電子情報技術部，*1北部地方振興事務所

宮城県には5,175か所の内，点検が義務づけられている防災重点ため池は519か所があり，地震時点検等を低コストかつ安全に維持管理することが課題となっている。この中で地震発生時の管理コストを低減するため，安価なMEMS式3軸加速度センサにより地震の加速度振幅を評価できないか試みた。
また，ため池では系統電源を得ることができないため，低コストな自立電源としてモバイルバッテリーやポータブル電源と太陽電池パネルを組み合わせた簡易自立電源を開発した。
簡易自立電源はボードコンピュータを用いた機器一般を系統電源から独立させて長期間動作させることできるため，幅広い応用が可能である。
キーワード： IoT，地震，加速度，ため池，監視，自立電源，モバイルバッテリー，ポータブル電源
１ 緒言

大量に生産されているため安価であること，リチウ
ムイオン電池が内部に組み込まれているため鉛蓄

宮城県には519か所の防災重点ため池があり，そ電池と比較して大容量であるという利点があるが，のうち河川法で定めるダム扱いとなる堤高が15m以

モバイル機器の充電が目的であるため，上のものは震度4（地震観測地点）以上で点検が① 充電と放電が同時にできない必要であるが，加速度が80gal（0.08G:Gは重力加② 流れる電流が小さくなると放電を停止する

速度）以下であれば二次点検は必要無いとされといった特性により自立電源として使用できない場

る。

合が多い。
1)

IoT体験キット において使用しているMEMS式3

これを回避し，装置に連続して電源を供給するた

軸加速度センサであれば測定可能と思われるため，

め，制御回路が必要となる。なお，制御を容易に

北部地方振興事務所と協力して，加美町にある孫するため，モバイルバッテリーによりUPS（無停電電

沢ため池にて測定を試行することになった。

源）を充電し，負荷（受信機及び記録装置）はUPS

一方で孫沢ため池を含む多くのため池は系統電により動作させることにした。また，UPSに搭載する力（発電所で発電された電力）を得ることができな

電池の容量は負荷を１日程度動作可能なものとしいため，長期運用のためには，受信機及び記録装た。

置の電源を環境発電により得る必要がある。
このような自立電源装置は既に存在しているが，3 無線センサ，受信機及び記録装置

単体では手に入りにくいこと，近年安価なモバイル
バッテリーやポータブル電源（以下モバイルバッテ

無線センサは長距離送信が可能な920MHz帯のリー）が普及していることから，太陽電池とモバイル

無線デバイスを用いたIoT体験キット１)により構築し，

バッテリーを組み合わせた簡易自立電源の開発を電源として単3乾電池3本を用いた。無線センサは試みた。

1分間に1回データを送信するため，消費電力は180μWであり電池交換は数年に1回で良い。

2 簡易自立電源の技術的課題

受信機は無線センサと同じ無線デバイスを使用したが，受信側は常に動作するため，データ受信

モバイルバッテリーは単体の電池と比較して，保機の消費電力は 164mWである。

護回路が組み込まれているため安全であること，

記録装置は通常ノートパソコンを使用するが消費－ 115 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

電力が大きく自立電源には向かないため，ボード
コンピュータの中でも消費電力が小さい（500mW程度）Raspberry Pi Zero Wを使用した。
4 簡易自立電源及び制御回路
装置の全体像及び制御機構を図１に示す。
第1に，制御回路は太陽光の強度を監視し，昼間の太陽光が一定値以上の場合にモバイルバッ
テリーの出力とUPSの入力を遮断し，夜間などの太図 2 モバイルバッテリーの電圧による制御

陽光が一定値以下の場合にモバイルバッテリーの出力とUPSの入力を接続する。

第 3 に，モバイルバッテリーと UPS の間の電流の経路

これにより，充電中に放電できないタイプのモバを遮断／接続する方法として，フォトリレーと電力保持

イルバッテリーも使用可能になる。

機構を用いた。電力保持機構は，フォトリレーによる電力の低下を防止する機構である。
フォトリレーはメカニカルリレーと比較して大幅に省電力である。また FET と比較した場合，どのような電圧でも動作するというメリットがある。
一方でフォトリレーは ON 抵抗が大きいため，電力経路に応用するためには，図 3 のようにフォトリレーが ON

図 1 太陽光強度による制御になったことを検知して FET によりフォトリレーをバイパスする電力保持機構が必要となる。

第2に，制御回路はモバイルバッテリーが放電停止した場合にバッテリーを刺激して放電を継続させる（図2参照）。
モバイルバッテリーの出力電圧は5Vだが，電流が一定値（数100mA程度）以下である状態が一定
時間（数10秒）続くと，多くの場合電圧が半分程度まで下がり，負荷が切り離されるまでこの状態（以下，放電停止状態という）を継続することになるた
め，自立電源としては不都合である。

図 3 電流遮断／接続機構

そこで，制御回路内のマイコンはモバイルバッテ
リーの出力電圧を監視し，電圧が一定値低下にな

これらの制御機構を組み込んで作成した制御回路のったことを検知したら，一定時間モバイルバッテリ

試作結果を図 4 に示す。

ーの出力をUPSの入力と切り離す。これによりモバ回路図作成には TINA12 を用い，回路図から自動生

イルバッテリーは放電停止状態から復帰する。

成した PCB 図により基板作成を外注した。マイコンはこれにより，負荷の消費電力が一定値以下の場
合でも，安定的に電力を供給可能となる。

ATMEGA328 を使用し，省電力モードを使用した結果，制御回路自体の消費電力は 1mW 以下となった。

－ 116 －

宮城県産業技術総合センター研究報告 No.19 2022 年発行

低下が複数回発生しているが何れも復帰しているので，制御回路が設計通りの動作をしていることがわかる。

図 4 制御回路
5 UPS，モバイルバッテリーと太陽電池
図 6 簡易自立電源の動作結果
UPS内部の電池の容量は１日以上の動作を保証する
ため10Ah，モバイルバッテリーの容量は1週間以上日照

受信機，記録装置，UPS，制御回路を組み合わせたが無いことを想定して60Ah以上，太陽電池の容量は，1全体の消費電力の実測値は 1.1～1.4W程度となった。

時間程度の日照で1日分以上の電力を供給するため，また建屋の中にある南側窓に内側から密着するといった設置条件上の制約から，60Wとした。

本データ記録装置は現在，図7の通り孫沢ため池に設置して実験中である。なお，無線センサは堤体上部の建屋内と堤体下部の放流口にそれぞれ方向を揃え

6 動作結果て固定し，位置や方向による違いの検出も試みている。

上記の制御回路を組み込んだ簡易自立電源を用いたデータ記録装置の写真を図5に示す。

図7

データ記録装置取付位置図

本実験中に測定箇所の加美町で震度5強となる地震
図 5 簡易自立電源を用いたデータ記録装置が発生したので，その時の加速度測定結果を図8に示す。

上記のデータ記録装置を実際に動作し，太陽電池出力

震度5強の加速度振幅（周波数によるが0.1G程度以

電圧，UPS内部電圧，モバイルバッテリーの出力電圧を上2）を概ね正しく捉えており，0.08Gを超えたものがある

モニターした結果を図6に示す。

ので二次点検が必要である。また，垂直方向より水平方

日中はUPSから負荷に電力を供給するためUPS内部
電圧が減少する一方でモバイルバッテリーが太陽電池向が大きく，堤体下部より堤体上部が大きい，といったこともわかる結果となっている。

により充電され，夜間はモバイルバッテリーからUPSに充電されるためUPS内部電圧が上昇している。またUPS
内部電圧が一定値となった（UPS内部の電池が満充電となったことを示す）後，モバイルバッテリー出力電圧の－ 117 －

The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government. 2022, No.19

図 8 地震発生時の加速度振幅測定結果
7 結言
地震発生時のため池の管理コストの低減を目的として，
モバイルバッテリーと太陽電池パネルを組み合わせた
低コストな簡易自立電源を開発した。またこの電源で動作する無線センサにより，震度5強の地震の加速度振幅を測定した。
今後は他の震度での加速度測定結果を得るために実験を継続してゆきたい。
参考文献
1)

中居倫夫 他：IoTを用いたモノづくり工程管理高度化のための要素技術開発,宮城県産業技術総合センター研究報告, 18, 2021, p.27-30

2)

気象庁 地震と加速度の解説サイト 図 4
https://www.data.jma.go.jp/eqev/data/kyoshin/kaisetsu/comp.html－ 118 －

宮城県産業技術総合センター研究報告
ISSN 1349-1741
令和3年度 No.19
2022年8月発行（年1回発行）
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