計測自動制御学会東北支部 第 213 回研究集会（2003.12.12）
資料番号 213-6

電気的手法による飲料水評価システム
Drinking Water Evaluation System by Its Electric Property○ 湊豊, 岩崎大輔, 千葉茂樹, 長田洋, 田山典男

○Yutaka Minato, Daisuke Iwasaki, Shigeki Chiba, Hiroshi Osada, and Norio Tayama
岩手大学
Iwate University
キーワード：微生物（microorganism），寒天培養基（agar culture medium），危害分析重要管理点（HACCP: Hazard
Analysis Critical Control Points），過渡応答（transient response），インピーダンス（impedance）
連絡先：〒020-8551

盛岡市上田 4-3-5 岩手大学大学院 工学研究科 電気電子工学専攻 長田研究室

豊, Tel. & Fax.: 019-621-6980, E-mail: t2302039@iwate-u.ac.jp

湊

１．序論

２．基礎特性

近年，消費者の衛生面における関心が高水道水のように pH が 7 前後の溶液中でまっており，大手食品メーカーでは HACCP

は，微生物（一般細菌）の表面は通常負に等の導入により，品質を数値データ等で客帯電している．一方，水溶液の pH が小さ観的に保証しなければならない段階に移行

くなると微生物の表面は逆に正に帯電する．

１）

しつつある ．食品の製造・加工現場では，Fig. 1 は仮に微生物の表面がカルボキシル製造装置等の洗浄具合の判断指針として，基（COOH）とアミノ基（NH2 ）がおのお洗浄後に残留した一般細菌のような微生物の一個の場合，pH の変化によって微生物の数の計測が行われている．微生物の計数法

表面の荷電状態がどう変化するか模式的にには，寒天培地による平板計測法，光度計示したものである．このように微生物表面やネフェロメーター等の光学的な方法，直接顕微鏡的測定法，クールター・カウンター等があるが，計測時間や感度，およびランニングコスト等に難点があり，広く普及しているとは言い難い２）．

pH7

本報告は，このような食品の品質にかかわる一般細菌の計数を迅速かつローコストに行える微生物計測システムの構成，およびFig. 1

その応答特性に関するものである．

1

微生物表面の荷電状態

の荷電は，カルボキシル基，あるいはアミLCR メータノ基などの解離基の数，および解離度によ
3）って微生物の荷電状態は決まる ．
静電容量/実効抵抗

従って，微生物数が異なる溶液はその電気的特性が変化すると考えられ，試料溶液のインピーダンス等の電気的特性を計測すること

平板電極により微生物数を推定できる．そこで，Fig. 2のように資料（微生物数の異なる水道水）を，PVC セル

PVC 製セル内に設置された対向平板電極間に挿入し，電極間のインピーダンス（静電容量 お よ び 実 効 抵 抗 ） を LCR メ ー タ（HP-4284A）により計測した4），５）

Fig. 2

LCR メータを用いた測定800frequency:: 100Hz: 250Hz: 500Hz: 1kHz．

セル内に設置する対向平板電極には腐食や酸化などに対する不溶性が求められるため，
Resistance [Ω]

優れた耐久性・安定性を有する白金をコーティングしたチタン平板を使用した．また，電極形状は，測定時の S/N 比等を考慮し，幅：30 mm，高さ：50 mm，厚さ：1 mm の平板とし（試料溶液と電極の接触面積は 40×30600
400200temp.: 19±0.5℃mm2），電極間距離は 10 mm とした．試料溶
010液測定時は，表面に付着している不要な物質

100
1000
Microbe [colony/ml]を取り除くため，両平板電極およびセルをあFig. 3

らかじめ超音波洗浄器にて良く洗浄した．な10000

抵抗対微生物数特性

お，各試料中の微生物コロニー数はペトリフ
ィルム（培地）を用いて 48 時間の培養後に計数した．また，水の導伝率や誘電率は水温に100
Capacitance [nF]

より変化するため，試料の水温変化は±1℃以内に保ち測定した．

Fig. 3 は，微生物数が 12～5012 colony/mlの試料の抵抗を各測定周波数のパラメータとして示す．なお，微生物は水道水採取直後（12 colony/ml）より自然に繁殖させた．同temp.: 19±0.5℃

1010.110

図より，試料の抵抗は微生物数の増加（指数関数的）に伴って減少し，微生物数が 1000
colony/ml 程度までは比較的大きな変化を示

Fig. 4: 100Hz,: 500Hz,frequency:: 250Hz: 1kHz1001000
Microbe [colony/ml]

10000

容量対微生物数特性

すが，それ以上では緩やかな変化となることがわかる．また，測定周波数による試料抵抗料の容量は，微生物数が増加すると一様にの違いはほとんど観測されなかった．

増加する傾向を示し，微生物数が少ないほFig. 4 は，Fig. 3 と同様の微生物数に対すどより大きな変化率を示す．また，容量はる試料の容量の変化を示す．同図より，試測定周波数に高い依存性を示し，周波数が2低いほど大きな値を示すが，微生物数に対する変化率は同程度であった．

試料温度: 19.5±0.5℃:実効抵抗0.3: Cl2+700: Fe+: NH4
6000.2

実効抵抗 [Ω]微生物数を計測する方法は，適当なシステムであることが確認できたが，このような試料溶液（水道水）中の電気的特性の変化は，微生物にのみ由来するものではなく，それ以外5000.1の影響（Cl イオン等の経時変化）も考えら

400

れる．

300
10Fig. 5 は，採取直後からの水道水の抵抗おイオン濃度 [mg/l]800

両図より，試料のインピーダンス特性から

050 100500
微生物数 [colony/ml]

よび各種イオン（Cl-，Fe2+，NH4+）濃度の経時変化を微生物数の関数として示す．同図よFig. 5

り，試料の抵抗と NH4+を除く各イオン濃度

各種イオン濃度変化特性

微生物数変化（経時変化）に伴うは，共に微生物数の増加（時間の経過）に対して減少する傾向を示すが，抵抗が測定範囲
微生物数: 20 colony/ml
試料温度: 19.5±0.5℃

800
実効抵抗 [Ω]て，Cl- および Fe2+ イオンは微生物数が 50
colony/ml 以上では，消失およびほぼ変化しない状態となることがわかる．したがって，観測された抵抗の変化と各イオン濃度との相関は低いと思われる．

60

実効抵抗

5070040
静電容量

600

30500

Fig. 6 は，微生物が繁殖しにくい条件下400（5℃で低温保存）での試料の抵抗および容20測定周波数: 100Hz
020量の経時変化を示す．微生物数はすべての測定点で 20 colony/ml であった．同図から，100

静電容量 [nF]の全域にわたって一様に減少するのに対しFig. 640 60 80
時間 [hours]

10100

微生物数保持による放置特性

時間程度放置した試料であっても抵抗および容量の値はほとんど変化しないことがわＥ

かる．
これらの結果から，本計測システムでとらえられる各電気量の変化は，試料中の微生物数に大きく依存しており，微生物を良好に計Rp数できるシステムであると考えられる．

Rs
３．充電電流計測型微生物計数装置

C
Fig. 7生体の細胞膜は，絶縁性の高い脂肪でサ充電時の等価回路

ンドイッチ状に二重に覆われて脂質二重層を形成し，細胞膜内は導電性の良い体液でを，容量 C に並列に抵抗 Rp を，直列に抵抗満たされていることから一種のコンデンサ

Rs を付加した回路（Fig. 7）とすると，定電圧と見なせる．微生物を含む水道水の等価回路

E を印加した場合に流れる電流 I は下式とな

3ROM
RAM

センサ端子
CPU

A/D コンバータ

リレー

LCD
Fig. 8KEY

充電電流計測型微生物計数装置

る．
Rp + Rs

I=−tE
Rp{1 −(1 − e CRs )} （1）Rs
Rp + Rs2000 colony/ml
400 colony/ml
10 colony/ml
purified water

5I [mA]

上式より，定電圧印加直後（t=0）は I=E/Rsであり，I は Rs によって決定される．電圧印加直後の I と Rs および微生物数 M の関係

0は以下のようになる．
・微生物数 M が増えると試料溶液の抵抗-5値 Rs が減少する

E: 2V0・Rs の減少により試料に流れる電流 I が増加する

Fig. 91020304050Time [sec]
試料を流れる電流の過渡応答特性

・従って，定電圧印加直後の電流 I を求めることにより微生物数 M を測定できる微生物数(評価装置) [colony/ml]

この動作原理に基づいて充電電流計測型
微生物計数装置を構成した 6）．
Fig. 8 に，本装置の外形を示す．同図左側
は演算部であり，CPU，RAM，およびプログラム格納用 ROM 等によって構成される．
また，同図右側は計測・表示部であり，A/Dコンバータ，リレー，LCD ディスプレイ，KEY スイッチ等からなり，対向平板電極をセンサとして使用し，試料両端に定電圧を印

10000
5000
100050010050temp: 21.5±0.5℃
1010加，あるいは短絡できる回路を構成することで，充放電時に試料を流れる電流を計測

Fig. 10できる．本装置は LCR メータ等に比べて非性の評価

4100
1000
微生物数(培地) [colony/ml]

10000

本システムで測定した値の信頼常にシンプルな構成であり，小型化や低コ

うな微少な変化の電気的特性への影響が検スト化が容易である．

出できれば基準溶液にとらわれない測定がFig. 9 に本装置で測定時に試料に流れる可能と考えられることから，今後，検出方法を検討していく予定である．

電流の過渡応答特性を示す．なお，印加電圧は 2V とし，充放電時間は 25 秒とした．
同図より，本装置を用いて，微生物数の異５．まとめなる試料溶液を充放電時のピーク電流値により識別できることがわかる．

以上，電気的手法による飲料水評価シス

したがって，微生物数が既知である 2 種テムに関して報告した．

類以上の試料溶液のピーク電流値データを対向平板電極を用いて，LCR メータによメモリに登録しておくことにより，それらり微生物数の異なる試料の実効抵抗およびから求め関数化した検量線を使用して試料静電容量を測定すると，微生物数の増加にの判定を行うことが可能である．ともなって，それぞれ減少および増加する

Fig. 10 は，微生物数の既知である 2 つの傾向を示した．また，充電電流計測型微生試料を基準溶液として登録し，未知の試料物計数装置のような比較的簡単な装置構成を測定した場合の特性を示す．同図より，よっても微生物数を良好に計測できること

培地を使用して計測した微生物数と，本シがわかった．

ステムを用いて計測した微生物数は，比較的良好に一致することがわかる．

参考文献
1)

４．今後の展開

動物性食品の HACCP 研究班編集，HACCP :衛生管理計画の作成と実践，中央法規出版（1997）

現時点において，微生物数の評価は，基2)準溶液との充放電時におけるピーク電流値

R. Y. スタニエ，E. A. エーデルバーグ，J. L.
イングラム：微生物学，倍風館（1978）の差を検出する方式を採用しているため，
3)

はじめに基準溶液のデータを測定しておく

森崎久雄，服部黎子：界面と微生物，学会出版センター（1986）必要がある．このような方法は利便性に優4)れているとは言い難いため，今後充放電電

千葉和良，他：平板電極を用いた水道水の微生物計数に関する実験的検討，計測自動制御流の過渡現象における振る舞い等から，基学会東北支部第 194 回研究集会，[194-12]

準溶液データを必要としない計測法が期待(2001.6.1)

される．

5)

例えば，微生物を含む多くの細胞は，千葉和良，他：アナログメータを用いた水道水の微生物計数に関する検討，平成 13 年度電-1

pH7.0 でおよそ-1～-3 （mm/s・V/cm） の範

気 関 係 学 会 東 北 支 部 連 合 大 会 ， [1A7]囲の電気泳動易動度を示す．試料溶液の pH(2001.8.21)
6)を 7.0，電気泳動易動度を平均-2 （mm/s・

湊

豊，他：電気的手法による飲料水評価システム，平成 15 年度電気関係学会東北支部連V/cm）-1 とすると，本実験で印加した電界（2合大会，[1E10] (2003.8.21)

V/cm）と充電時間（25 秒）から，充電時の試料溶液中の微生物の平均移動距離は約50 µm であり電極間距離（10 mm）の 0.5%程度であると考えられる．そこで，このよ5