調理方法電磁波・5G

マイクロ波処理(電子レンジ) 食品成分への影響と効果
Microwave processing: effects and impacts on food components

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食品科学と栄養におけるクリティカルレビュー

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28613917/

2017年6月

要旨

マイクロ波加熱は、効率的な加熱方法として、学術研究および産業界で注目されている。しかし、誘電加熱のメカニズムは従来の伝導加熱とは全く異なり、極性分子や荷電イオンが代替電磁界と相互作用し、その摩擦損失によって高速かつ体積加熱されるため、広く応用されている。このような加熱パターンは、マイクロ波処理にある種の変化をもたらすが、これは紛れもない現実である。本総説では、誘電特性に関する必須の知識を回顧し、マイクロ波加熱の概念、食品・農産物の主要成分である炭水化物、脂質、タンパク質、有色・香気物質、ビタミンに分類したマイクロ波応用の影響を整理した。最後に、関連するマイクロ波処理の欠点を解決する方法を提示し、今後の研究の方向性を概説した。

キーワード 食品、炭水化物、脂質、タンパク質、色素・香気物質、ビタミン、マイクロ波

はじめに

誘電処理とは、電界中で極性分子を平均平衡位置から移動させて加熱し、電磁界と相互作用する内部分子摩擦や荷電イオンから加熱エネルギーを作り出す技術である。体積発熱の特性やメカニズムから、効果的で生産性の高い加熱方法として一般に知られている。誘電体処理には、産業用途のマイクロ波(マイクロ波、2450および915MHz)および高周波(RF、13.56,27.12および40.68MHz)加熱がある(Alfaifi er al 2013)。マイクロ波 処理は、食品加工、製紙、医療、化学工学、冶金など、農業と工業の両方で広く注目されている(Mujumdar, 2007)。食品加工目的のために、マイクロ波技術は、低温殺菌(Ahuahら 2005;Hongら 2016)駆除(Jianら 2015;Houら 2016)ベーキング(Ahuahら 2014;Yolacanerら 2017)ブランチング(Maraら、, 2009; Xin et al 2015)調理/加熱(Kirmaci and Singh, 2012; Zhong et al 2015)乾燥(Zhu et al 2012; Jiang et al 2016)解凍(Akkari et al 2006; Llave et al 2015)及び抽出(Ge et al 2009; Guan et al 2011)であった。これらのマイクロ波処理は、果物/野菜(Jiang et al 2012; Ruan et al 2013; Benlloch-Tinoco et al 2015; Singh et al 2015; Xin et al 2015)などの食品カテゴリーに適応されている、肉類(Yoshida et al, 1992; Duan et al 2008a, 2008b)穀物(Lewandowicza et al 2000; Xue et al 2008)卵(Zhang et al 2013)牛乳(Auuah et al2005; Rodríguez-Alcalá et al 2014)ナッツ類(Zhu et al;(Regulska-Ilow and Ilow, 2002; Hernández-Carrión et al 2011)。

マイクロ波処理には多くの利点がある。

  • 1) 処理速度が向上する、
  • 2) 材料全体に比較的均一な加熱が達成される。必ずしもそうではないが、多くの場合、バルク加熱効果により均一な加熱が行われ、従来の加熱システムで発生する大きな温度勾配を回避できる、
  • 3)高いエネルギー効率、
  • 4)精密かつ迅速なプロセス制御。
  • 5) 床面積の削減、
  • 6)選択的加熱の獲得、
  • 7)製品品質の向上、
  • 8)望ましい化学的・物理的効果が得られる場合がある

(Mujumdar, 2007; Zhang et al, 2010; Lee et al, 2016)。従来の加熱方法(太陽熱や熱風乾燥)とは異なり、マイクロ波処理では、印加した交流電界によって振動する双極子や移動するイオンによる分子摩擦によって製品内に熱が発生する。したがって、マイクロ波加熱は、加熱源から製品への熱輸送を伝導と対流に依存する従来の低速加熱よりも速い速度で、より均質な熱を供給することが期待される(Piyasenaら 2003)。さらに、内因性加熱法であるため、マイクロ波処理中は質量とエネルギーの両方が内部から表面に移動する。一方、従来の乾燥法は質量とエネルギーの移動が逆であり、処理中に質量移動抵抗が上昇する可能性がある。また、従来の加熱炉の加熱効率が10%であるのに対し、RFおよびマイクロ波システムは50〜70%であることが認識されていることも特筆される(Mermelstein, 1997)。これらの結果は、誘電体プロセスの利点を確実なものにした。

食品加工における誘電体処理の利点はたくさんあるが、誘電体エネルギーはまだ工業的な応用でその可能性を最大限に活用されてはいなかった。マイクロ波加熱の効率は、2つの要因に依存している。(i) 処理時間、(ii) 処理/ホットスポット形成の加熱均一性だ。マイクロ波による試料加工で重要な問題は、熱暴走だ。これは主に高温の場所でのマイクロ波電力の吸収や発熱が大きく、誘電損失係数が増加することに起因している。マイクロ波加熱時の熱暴走による不均一加熱は、製品の品質を劣化させる重要な要因の一つである。しかし、誘電加熱は、製品の状態(サイズ,形状,位置,誘電特性)や装置(キャビティのサイズ,電磁界,電力,電極配置)によって、複数のゾーンにホットスポットが存在することは避けられない(Wangら 2007;Tiwariら 2011;Jiangら 2012;Alfaifiら 2014;Jiangら 2014;Huangら 2015)。これらの要因は、不均一な電界分布をもたらし、ひいては不均一な温度分布を引き起こす可能性がある。不均一加熱は、ナッツの果物/野菜、肉、卵などを含む材料に広く存在する(Zhangら 2010;Alfaifiら 2014;Jiangら 2014;Wangら 2014;Lauら 2015;Llaveら 2015)。誘電処理における主な問題点、例えば、最終品質の低下、病原菌/昆虫の生存、微生物安全性の懸念、過熱は、すべて誘電処理中の不均一な加熱に関連している(Jiao er al)。) 誘電処理中の不均一加熱を解決する方法として、新たな装置の設計・開発、高誘電特性の外来付与、微粒子添加、材料の均質化などが複数の研究者によって研究されている(Duanら 2008a 2008b、Jiangら 2014,Chenら 2015,Huangら 2016)。しかし、食品内部に存在する成分の構造・物性シフトのため、試行錯誤は時間とコストがかかる上、限られた情報しか得られないことが多く、不均一なマイクロ波処理のメカニズムを容易に特定することができない。

一般に、マイクロ波による電力吸収は、化学組成、水分量、温度など、物質の物理化学的な構造や性質に依存する。これらの要因は、材料の誘電特性を変化させ、その結果、波長と試料内の浸透深さを介してエネルギー吸収特性を変化させる。また、誘電助反応の「特異的」な効果を決定することは難しく、農産物に適用される誘電技術は常に熱効果で達成されるため、多くの部分で議論がある。しかし、誘電処理によって食品に何らかの変化が起こることは、紛れもない事実だ。このような背景から、食品素材へのマイクロ波加熱の応用は、これまでの研究でも非常に注目されている。複雑なシステムである食品は、膨大な量の元素で構成されている。膨張、炭化、脱水などの物理的変化の他に、マイクロ波処理中の食品成分への影響や、成分の物理的特性と化学変化の関連性も研究者の興味を引いている。本総説では、誘電特性に関する本質的な知識を収集し、マイクロ波加熱の概念をまとめ、マイクロ波技術が食品の主要成分(炭水化物、脂質、タンパク質、色・香り物質、ビタミンなど)に与える影響に焦点を当て、化学特性と食品品質の関連性を論じた。最後に、現時点でのマイクロ波処理の問題点を解決する方法を提示し、今後の研究の方向性を概説した。

誘電体処理の基礎理論と特徴

すべての電磁波は、その波長(周波数)によって特徴づけられている。一般に、10~103mの電磁波が誘電体領域と考えられている(Datta and Anantheswaran, 2001)。これらの電磁波は、農産物の双極子回転を引き起こす可能性がある。古典的な原子力学では、物質は原子でできており、各原子は正の点電荷を中心に負の電荷(電子)が結合し、それを取り囲む雲で構成されている。電界の電荷雲が歪むと、電界と双極子モーメントに偏りが生じ、両者は一致しなくなる(双極子モーメントの点は、理想状態では電界と同じ方向にしかない)。この状態で誘電体分子は振動し、電磁波に追随して元の状態に戻る。そのために必要な時間がいわゆる緩和時間であり、このような分子そのものを双極子分子と呼ぶ(Guru and Hiziroglu, 2004)。

電磁波のもとで熱エネルギーが発生する仕組みは2つある。一つは双極子分極であり、マイクロ波磁場下で農産物を電磁波で加熱する際に最も重要な役割を果たす。水のような多くの分子は、電磁界中で双極性分極になることができる。その他の分子は、電界による応力のために「誘導」双極子となることがある。双極子分極は、極性分子に固有の分極(配向分極)または核の非対称な歪みが可能なあらゆる分子に誘導可能な分極(歪み分極)である。双極子分子に外部電場を印加すると、化学結合に関係する各永久双極子内の電荷間の距離は配向分極では一定であり、言い換えれば分極方向自体は回転しているが、電場はそれらを一直線に引き寄せようとする。しかし、電界がゼロに減衰(緩和)すると、双極子はランダムな向きに戻り、電界が逆極性になると、再び整列する方向に引っ張られる。これにより、電界からエネルギー変換が行われる。摩擦によって生じたエネルギーは、位置エネルギーとして蓄積され、材料中のランダムな運動エネルギーや熱エネルギーに変換される(Mujumdar, 2007)。もう一つのメカニズムは、イオン伝導であり、これは正と負のイオン分子間の相対的な変位によって生じる分極である。例えば、塩化ナトリウム水溶液中には、ナトリウムイオン、塩化物イオン、ヒドロニウムイオン、ヒドロキシルイオンが存在するが、これらは電界によって自身の極性とは反対の方向に移動する。その結果、結合した水分子と衝突し、極性が変わるとイオンは逆に加速する。この現象は周波数によって何百万回も発生し、大量の衝突や摩擦エネルギーの移動が起こる可能性がある(Robert, 2007)。農産物では、マイクロ波領域で試料を加熱させるためには双極子分極が最も必要なメカニズムであり、低周波処理(例えば27.17MHz)ではイオン伝導が大きな役割を果たす(Wang er al)。)

誘電特性は、電界との相互作用を説明する関連する材料特性である。通常関心のある誘電特性パラメータは、相対誘電率ε′、損失正接または散逸係数(tanδ)および損失係数ε 」である。誘電率ε′は、材料が電界にさらされたときにエネルギーを蓄積する能力を表し、電界分布や材料中を伝わる波の位相に影響を与える。損失係数 (ε”) は、エネルギーの吸収と減衰の両方に影響し、また、印加された電界やさまざまな分極メカニズムに応答してエネルギーを放散する能力を記述し、一般に発熱をもたらす (Mudgett, 2007)。両者の関係は次のように定義される。

ここで、j (1)0.5 、は複素誘電率の実部(ε′)と虚部(ε”)の間の90°の位相シフトを示す。

食品の誘電特性は、誘電体加工に影響を与える基本的かつ重要な要因だ。ほとんどの材料の誘電特性は、いくつかの異なる要因によって変化する。農産物の場合、重要な要因は水分量だ。さらに、これらの特性は、誘電加熱および加工アプリケーションにおけるマイクロ波エネルギーの吸収と、その結果としての食品材料の加熱挙動を決定する。マイクロ波加熱プロセスは、原材料の形状、体積、表面積、成分などの物理的特性だけでなく(図1)温度、水分量、誘電周波数、密度の関数として誘電特性にも影響される。

電磁界や農産物の誘電特性を変化させる以外に、誘電処理(均一性、浸透性)を向上させる方法として、各種誘電周波数の応用も可能だ。様々な誘電周波数によって、食品の誘電特性は変化する(表1)。誘電特性の周波数依存性に寄与する重要な現象は、永久双極子モーメントを持つ分子の電場に対する配向から生じる分極である (Nelson and Datta, 2001)。式2に示すように、周波数が小さいほど浸透性がよく、加熱の均一性も高くなる。

ここで、Pは誘電体エネルギーの浸透深さ(m)fは周波数(Hz)tanは誘電体材料の誘電率(損失正接)rは誘電体材料の比誘電率である。マイクロ波加熱の利点の一つは、電磁波の伝染性に依存した体積加熱である。このため、マイクロ波(2450/915 MHz)は、いくつかの食品(例えばアーモンド)の殻内処理に使用できることが確認された。低周波誘電技術(RFや915MHzのマイクロ波など)を用いると、操作性だけでなく、浸透性や均一性も向上する(図2)。図2より、誘電加熱したすべての試料で高温(赤色または輝線部)が観察されたが、2450MHz乾燥が他と比べて最も高い温度を示した(RF加熱の最高温度は50.8℃、2450MHzは65.8℃)。

周波数は浸透深度を決定する要因である。しかし、浸透深さは、有限寸法の材料におけるパワーの減衰を適切に特徴付けることができないかもしれない(Datta and Anantheswaran, 2001)。材料の表面ε′が高いと、ある値で誘電エネルギーが失われ、浸透深度が浅いために内外の温度差が生じてしまう。Wangとその同僚(2008)は、RFシステムで加熱された包装済みマッシュポテトについて、端部での熱の蓄積を除去するために水を循環させる研究を行った。さまざまな電気伝導率を持つ水が加熱速度について試験され、最も高い電気伝導率(220 S/m)は、異なるマッシュポテトのサンプルにおいて、ホットスポットとコールドスポットの温度差を 30.9 から 24.2°C および 22.4 から 13.6°C に減少させることができることが示された。周囲の水の電気伝導度が高くなると、水が最もエネルギーを吸収し、食品はより少ないエネルギーを吸収するはずで、このようなシステムの加熱伝導度は試料加熱の主役になった。

マイクロ波食品加工の複雑なシステムとして、電磁波の入射、試料のサイズや形状、塩分、そしてそれらの相互反応が加熱性能に影響を与えることは無視できない。Basak教授らは、マイクロ波加熱性能を関連因子とともにまとめている(Basak 2006, 2007a, 2007b, 2011, 2014; Basak et al 2006, 2008; Basak and Meenakshi, 2006a, 2006b; Basak and Rao, 2010, 2011; Bhattacharya et al, 2006, 2012, 2014, 2017; Durairaj and Basak, 2009; Durairaj et al 2009a, 2009b; Samanta et al 2008, 2009, 2010; Chandrasekaran et al 2013)が挙げられる。彼らの結果によると、熱暴走を緩和し、一方で加熱速度を向上させるために、加熱特性は試料のアスペクト比の強い関数であることがわかった。支持体半径が大きい場合、アスペクト比が高いほど加熱速度が向上し、小さい場合の加熱特性とは対照的である。高アスペクト比の試料では、平面電磁波が照射された正方形が45度傾いた環状正方形支持体が、3つの広い領域で温度の極大値を示すことがわかった。したがって、この加熱方式は、長さスケールの大きな試料の処理に最適な支持体の選択と考えられる(表2)。表2より、空間的な加熱速度の最大値に基づいて、試料がない場合の支持体の直径の違いが特定され、領域I(最小半径)は未露光面で最大値に対応し、領域II(中央半径)は露出面と未露光面付近で起こる2つの最大値、領域III(最大半径)は露出面で最大値に対応することが分かる。

分布したマイクロ波入射の役割は、最適な熱暴走を伴う加熱速度の増加に重要な役割を果たすことがわかった。熱吸収の増大は、マイクロ波入射の強度が同じであれば、片側入射の方が両側入射より大きい。また、放射状に照射した方が、横方向に照射するよりも加熱効果が高い(加熱速度が大きく、熱暴走の程度が小さい)ことが確認された。しかし、マイクロ波加熱時には、ラジアル照射では中央部、ラテラル照射ではマイクロ波の照射方向がホットスポットの形成に対応する。図3から、ラジアル照射では中央部と外側領域で温度が最大になるのに対し、ラテラル照射では左側の露出面で温度が最大になることが確認できる。横方向への照射は熱勾配が大きく、放射状への照射は均一加熱に相当する。円形、正方形、および特定のアスペクト比の金属環状体は、低誘電損失および高誘電損失の試料に対して、熱暴走を最小限に抑えながら全体的に大きな処理速度を達成する有効な方法であることが判明した。

ディスクリート試料については、各ディスクリート試料層と中間空気層について、電界と温度を解いた。空気層の厚さは、各試料層内での波の干渉と電力吸収を劇的に変化させる重要な役割を担っている。特に、試料の厚みが小さい場合、離散試料層は連続試料層よりも大きな加熱速度を示すことが観察された。また、離散的な試料の厚さと空気層の厚さの適切な比率は、大きな試料厚さにおいて大きな加熱速度を示す。

片側マイクロ波入射に対応するセラミック複合材料(アルミナとSiC)の支持体またはサンドイッチクラスの特定の厚さにより、パワー吸収が高いε′′試料で著しく向上することが判明した。しかし、ε′が低い試料では、ε′が高い試料に比べ、パワーの増強は小さく、温度差や熱暴走は大きくなる。片側マイクロ波入射の試料では、パルスまたは回転の適用が最も最適であることがわかった。

支持体と試料の間に油層を設けると、加熱速度の向上と熱暴走の抑制に有利である。しかし、オイル層の厚さが薄いほど、熱暴走が少ないことが顕著に観察された。また、油膜の厚さが厚いほど熱暴走が少ないが、試料内の加熱速度は油膜の厚さが厚いほど小さくなることがわかった。

マイクロ波加熱の装置は、電源(マイクロ波管、マグネトロン)マイクロ波オーブンキャビティ、フィード、シール、電源、制御装置、付属装置(ターンテーブル、ライトなど)に分けられる。しかし、家庭用、産業用を問わず、2450MHzがマイクロ波装置のほぼ唯一の選択肢であり、マイクロ波加熱に使用されるマグネトロンの達成効率は常に理論限界を5-10%下回っているという問題が依然として存在する。加熱の均一性に影響を与えうる多くの要因は、様々な食品やオーブンの間で一般化することが困難である(Datta and Anantheswaran, 2001)。マイクロ波加熱時の不均一な温度分布を緩和するために、ターンテーブル、移動コンベア、スターラー、回転アンテナなどの装置が使用されているが、マイクロ波加熱の悪影響を排除するためには、基礎理論の普及がまだ必要である。

マイクロ波技術の炭水化物への応用

植物組織に存在する炭水化物で最も一般的なものはデンプンと糖類であり、フラクトピラノース、サッカロース、アミラセウムなどが含まれる。炭水化物、特にデンプンは、ほとんどの植物でエネルギー貯蔵として生産されている。また、ジャガイモ、小麦、トウモロコシ、米、キャッサバなど、人間の食事に最も多く含まれる炭水化物でもある。

でんぷんは天然、再生可能、生分解性の高分子であり、食品、医薬品、化学産業で広く利用されている。天然のでんぷんは、アミロースとアミロペクチンから構成されている。アミロースは( 4 i ked α-D-グルコピラノシルユニット)のモエキュアで、アミロペクチンは澱粉の高度に分岐した成分で、α-D-グルコピラノシル残基が主に(1,4)結合で連結しているが分岐点には5〜6%の(1,6)結合がある(Luengwilai and Beckles, 2009)。X線回折図を解析すると、でんぷんの結晶構造は一般に2種類あることがわかる。マイクロ波処理により、分子振動のためにデンプンの構造と結晶性が変化し、その結果,極性,自由エネルギー,粘性,ゲル化,分子量,粒径などのデンプンの特性が変化する(Szepes er al)。) マイクロ波照射による処理後、片栗粉の結晶構造がB型からA型に変化したことが確認できる(図4,Lewandowiczら、1997)。Jiang et al 2016)は、水-デンプン系をモデルとして、誘電乾燥(3つの周波数:27,915,2450MHz)後の構造変化を調べ、結果はデンプンの結晶がA型からB型に変化し、誘電乾燥により結晶化度が上昇することを実証した。また、乾燥でんぷんのMw(分子量)は1.532 × 107から2.059 × 107,高重合度(>150)の比率は20.57%から6.87%(27 MHz),0%(915 MHz)および0%(2450 MHz)と変化していることが確認された。Palav and Seetharaman(2007)は、マイクロ波加熱がデンプン–水モデル系の物理化学的性質に及ぼす影響を研究し、マイクロ波加熱によるデンプンゲルは、測定したすべてのパラメーターで伝導加熱ゲルと大きく異なること、一方、顆粒膨潤がないことと結果として柔らかいゲルが得られたことが、重要な2つの観察結果であることを見いだした。Anderson and Guraya(2006)は、ワックス状および非ワックス状米澱粉のマイクロ波処理後の特性を比較し、マイクロ波処理後の粘性特性の著しい変化が、ワックス状および非ワックス状澱粉の両方で観察されることを明らかにした。この現象は、硫酸化澱粉(Staroszczyk et al 2013)と同等の効果を示し、マイクロ波処理中に起こった脱塩基反応を証明することができる。さらに、本研究で得られたデータは、マイクロ波加熱処理後のワキシーでんぷんのでんぷん粒の再凝集が、非ワキシーでんぷんのそれよりもはるかに高いことも示している。さらに、マイクロ波加熱は糊化範囲を高温にシフトさせ、溶解度と結晶化度を低下させることが証明された(Lewandowicza er al 2000)。

糖質に対する マイクロ波 処理の重要な機能として、合成が挙げられる。多くの研究が、マイクロ波処理によってデンプンの合成/加水分解速度が大幅に加速されること、また一方でマイクロ波処理によって何らかの反応が触媒されることを報告している。Pal et al 2010)は、新規高分子凝集剤として、マイクロ波アシスト加熱によるポリアクリルアミドグラフトデキストリンの合成を報告している。マイクロ波加熱を利用してデキストリン骨格にポリアクリルアミドをグラフト化することで、新規高分子凝集剤を開発したことが明らかになった。Sun et al 2015)は、マイクロ波処理によりセルロースハイドロゲルを加水分解させる効率的な方法を開発した。その結果、グルコースヒドロゲルの加水分解率は、酸濃度の増加とともに、160℃、10分間のマイクロ波加熱で0.42%から44.6%に増加することが示された。この方法は、ɑ-セルロース、微結晶セルロース、ろ紙、ラミー繊維、吸収性コットンからグルコースを得るのに有効であった。Adnadjevic and Jovanovic (2012) は、従来法と マイクロ波 加熱下でのスクロースの等温不均一酸触媒加水分解に関する動力学の比較を研究した。その結果、マイクロ波加熱の速度は従来の加熱に対して5~7倍速いことが示された。(Ali et al 2016)は、メイラード生成物のマイクロ波アシスト合成に基づく分光光度法を開発した。医薬品製剤中のグルコースの測定のための新しいUV/可視分光法を開発するために、グルコース溶液をマイクロ波エネルギーの存在下でモリブデン酸アンモニウムによって酸化し、アニリンと反応させて着色溶液を生成した(Maboodら 2016)。Yu et al 2011)は、固定化グルコースイソメラーゼによるグルコースのフルクトースへの異性化について、マイクロ波処理と従来の加熱を適用した場合を比較した。その結果、マイクロ波加熱はアイソメラーゼの活性を著しく向上させ、加速の効果は非熱的なマイクロ波効果である可能性が示された。

糖鎖構造の変化は、常に物理化学的な性質の変化と伴に達成される。Lewandowiczら(1997;2000)は、マイクロ波処理後にゲル化範囲が高温に移行し、結晶構造がB型からA型に変化することを示唆した。Staroszczyk et al 2013)の結論は、マイクロ波修飾後にこれらの湿式澱粉の分子量値がかなり減少することを示唆した。さらに、澱粉溶液の粘度も低下傾向を示した。Szepes et al 2005)は、マイクロ波照射により澱粉の結晶構造および微細形態が影響を受けると考察している。さらに、マイクロ波照射は、表面自由エネルギー(どの程度)と成形体の極性を著しく低下させた。Xue et al 2008)は、マイクロ波加熱を利用して日本麺(粗タンパク質がもともと8.6wt%)のデンプンのゲル化度を制御し、部分的にマイクロ波ゲル化した麺の100℃での吸水速度がゲル化していない(マイクロ波処理していない)麺より速いことを明らかにした(図 5)。

マイクロ波技術のタンパク質への応用

Encyclopaedia Britannicaの定義によると、タンパク質はすべての生物に存在する高度に複雑な物質である。タンパク質は、代謝反応やDNA複製の触媒、刺激への応答、ある場所から別の場所への分子の輸送など、ほぼすべての生物学的プロセスにおいて重要な役割を担っている。ほとんどのタンパク質は、ユニークな3次元構造に折り畳まれている。生化学者はしばしば、タンパク質の構造について、4つの異なる側面に言及する(Burgess and Deutscher, 2009)。タンパク質やペプチドが高い誘電率を持つことは、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)が発行した誘電率リファレンスガイドを参照すれば、容易に知ることができる。そのため、マイクロ波照射はその活性や構造に大きな影響を与える可能性がある(Plagemann er al 2014)。

マイクロ波処理がタンパク質の分解や反応促進に大きな影響を与えることは広く注目されている。これらの効果は、構造変化を伴って達成される可能性がある。Yanの研究(2014)では、マイクロ波照射による粗タンパク質サブフラクションプロファイルの変化を評価した。5分間のマイクロ波処理により、生粒と比較して、急速に分解される粗タンパク質サブフラクションの含有量が減少し(粗タンパク質45.22%から6.36%)分解速度が加速されることが示された。彼らの研究の結果から、より低いエネルギー投入量で短時間(5 分間)の マイクロ波 加熱により、かろうじて穀物中の粗タンパク質の栄養価および利用率を向上させることができることが示唆された。Quitain et al 2006)は、マイクロ波 処理によるタンパク質のアミノ酸への水熱分解率について研究し、その結果、 従来の加熱方法と比較してアミノ酸の収量が大幅に増加することを明らかにした。(Khan et al 2011)は、米ぬかからマイクロ波エネルギーで抽出したタンパク質の機能性について研究し、マイクロ波処理中に考えられるいくつかの構成上の変化のために、吸水性がわずかに損なわれることを見出した(表3)。Gomaa et al 2013)は、マイクロ波加熱した溶液は、従来の加熱した溶液よりも広範なタンパク質の凝集を示すと考察している。同様の研究は、大量の文献で見つけることができる(Guan et al 2011; Ruan er al 2013; Chen et al 2014; Lotfy et al 2015; Mazinani er al 2015)。

反応促進については、Chen et al 2014)は、タンパク質配列解析におけるタンパク質の酸加水分解を促進するためにマイクロ波を使用した。Mazinani et al 2015)は、トリプシン活性に対するマイクロ波照射の影響を検討し、反応混合物に一定温度でマイクロ波エネルギーを照射すると、トリプシン活性が劇的に上昇することを見出した。Guan et al 2011)は、マイクロ波照射による分離大豆タンパク質-糖質グラフト反応の機構を検討し、マイクロ波照射パワーが反応速度に強く影響することを示唆する結果を得た。Ruan et al 2013)およびLotfy et al 2015)は、マイクロ波エネルギーによるタンパク質系香料の安定性加熱時に、マイクロ波がある程度脱グレードのキネティクスを加速することを見出した。

マイクロ波技術の脂質への適用

脂質は、一般的に有機溶媒に溶け、水にはほとんど溶けない化合物のグループだ。脂質は広義には疎水性または両親媒性の低分子と定義される。多くの生命体にとって重要な食糧である。エネルギー貯蔵のほか、脂質は構造的、代謝的な機能も持っている。脂質は両親媒性であるため、水中では小胞、多重膜・単膜リポソーム、膜などの構造体を形成することができる。ヒトおよび他の哺乳類は、様々な生合成経路を使用して脂質を代謝および合成しているが、一部の必須脂質はこの方法では合成できず、食事から摂取する必要がある(Casimir and David, 2002)。脂質はあまりにも大きなカテゴリーであるため、食品業界では脂質を指して油脂と呼ぶことがある。

脂質の構造を分析すると、極性の強い分子であることがわかる。この特性のために、脂質は常に高い誘電率とある周波数での損失係数を示している。Hernández-Carrión ら (2011) は、マイクロ波 オーブンで解凍した異なる脂肪ベースのソースの微細構造と誘電特性について研究し、その結果、攪拌速度と脂肪の種類にかかわらず、使用した解凍方法は脂肪球の大きさと形状に有意な(p > 0.05)影響を与えないことを示した。Zhang et al 2007)は、マイクロ波 または RF 加熱後の肉バッターの熱特性および誘電特性に及ぼす脂肪の影響を調査し、その結果、脂肪は熱特性に影響を与え、誘電特性には塩よりも少ない影響を与えることを示唆した。 e – ed e .(2015)は、植物ステロールの分解の程度が加熱時間と周囲の媒体の両方に依存することを見出し、植物ステロール酸化に対する マイクロ波 加熱の影響 を調査することによって食品の品質と安全性に影響することができることを確認した。

Zhang et al 2013)は、マイクロ波 出力レベル 2.75 W/g で 10 分間レンダリングした鶏脂肪は、過酸化物価、酸価、チオバルビツール酸価が最も低く(p<0.05)保持率が最も高かった(70.55%)と要約している。Nezihe et al 2011)は、ガスクロマトグラフィー分析で測定したマイクロ波加熱後の脂肪酸組成は、不飽和脂肪酸の含有量が増加していることを指摘している(表4)。米ぬか内部の脂肪酸は、Ramezanzadeh et al 2000)がまとめたオレイン酸パルミチン酸含量を除き、16 週間保存中の生米ぬかと マイクロ波 加熱米ぬかに有意差は見られなかった。しかし、Regulska-IlowとIlow(2002)、Jeong et al 2004)、Inchingolo et al 2013)、Rodríguez-Alcalá et al 2014)は、脂質と脂質含有食品がマイクロ波加熱に敏感で、酸化・分解されやすいという意見で一致した。しかし、Albiら(1997)は、マイクロ波エネルギー処理の加熱効果(40℃より低い温度)がなければ、処理後の油分の変質は生じないと考えている。反対に、Hu et al 2008)は、食用油と農産物中の脂肪酸の誘電特性を 100 Hz から 1 MHz で比較し、油は周波数における誘電率と損失係数が低く、一方、誘電特性は脂肪酸組成に大きく影響されることを発見した。

脂肪に対するマイクロ波技術の応用は、主に加熱と抽出に焦点が当てられていた。Inchingolo et al 2013)は、マイクロ波加熱は食用油の酸化、加水分解、重合を促進し、劣化させると報告している。また、マイクロ波加熱により、処理条件によっては酸度が上昇することがわかった。それらの反応は従来の加熱方法よりも速かったが、マイクロ波が加熱・抽出プロセスを著しく加速させたという効果に着目することができる。 e – ed e .(2015)は、植物ステロールに対するマイクロ波加熱の効果について研究した。その結果、フィトステロールの安定性は、加熱時間と周囲の媒体の両方に依存することが示された。脂肪抽出もまた、マイクロ波 の重要なアプリケーションであった

処理の重要な応用例だ。これは、高効率であるため、マイクロ波エネルギーを使用した脂質抽出の新しい一般的な選択肢と考えることができる。Lee et al 2010)は、微細藻類から脂質を抽出するために、マイクロ波 を含む 5 つの加熱方法を比較した。その結果、マイクロ波 抽出は微細藻類からの脂質抽出に最もシンプルで簡単かつ効果的な方法であることが確認され ている。同様の結論は、McKenna et al 2006)、Nezihe et al 2011)、Ramezanzadeh et al 2000)にもまとめられている。さらに、加速反応の効果、例えば、42 分間の マイクロ波 抽出は、食品から抽出された総脂肪量を考慮すると、8 時間の従来の加熱抽出法と同等となる(Virot et al 2008)。これらの結果は、You g ( 995De Pedro e( 997G rcı -Ayuso er al)。 (1999) and Mahesar er al)。 (2008)によっても報告されている。

マイクロ波技術の色彩・風味成分への応用

色と味は重要な官能特性であり、食品の品質の基準として使用されることがある。しかし、加熱処理は、食品の全体的な品質に影響を与える可能性のある反応を促進する可能性がある。品質損失には、味や色のように容易に定量化できない主観的な要因と、風味の劣化のような定量化できる要因の両方が含まれる。乾燥時間の最小化は極めて重要であり、マイクロ波乾燥はその時間を大幅に短縮するのに有利である。ジンジャーとバジルのマイクロ波アシスト乾燥では、50℃のオーブン乾燥よりも精油量が多い乾燥ハーブが得られる(Orphanides er al 2016)。WangとXi(2005)は、スライス厚とマイクロ波パワーがニンジン乾燥中のβ-カロテン含有量を著しくffec heできることを報告した。Jaiswal and Abu-Ghannam(2013)は、14分間のマイクロ波処理後、キャベツの総フェノール含有量が最大85~90%減少し、総フラボノイド含有量が最大60~73%減少し、彩度、硬度、抗酸化力がすべて低下することを発見した。Hirun et al 2014)も同様の結論で、ウコンのフェノールとクルクミノイドの含有量は真空マイクロ波乾燥後にある程度の減少を示したとまとめている。

加熱技術である以上、マイクロ波処理が農産物中に存在する色素を破壊することは避けられない。しかし、マイクロ波やRF加熱は酵素(ポリフェノールオキシダーゼやペルオキシダーゼなど)の活性を効果的に阻害するため、他の加熱方法と比較してマイクロ波処理はそのようなダメージをある程度緩和することができ、この現象をマイクロ波枝打ちと呼んだ。De La Cruz-Garciaら(1997)は、インゲン豆の加熱方法として、蓋付き鍋、圧力調理、マイクロ波オーブンの3つの加熱方法を比較した。その結果、マイクロ波加熱は簡単かつ迅速に加熱後のクロロフィル保持量を上げることができることがわかった。Ramesh et al 2002)は、野菜の熱水とマイクロ波ブランチを比較し、ペルオキシダーゼの不活性化の効果から、マイクロ波ブランチは水ブランチの場合、反応速度が高く、同等であることが示された。ポリフェノロキシダーゼのモノフェノラーゼ活性とジフェノラーゼ活性の動態に及ぼすマイクロ波と通常加熱の影響をRodríguez-Lópezら(1999)が検討した。マイクロ波加熱の効率化により、抗酸化物質含量が増加し、褐変速度が大幅に低下した。Gulati ら (2003) と Zhao ら (2006) は、マイクロ波 によって色素の劣化が緩和されると結論づけた。その上、Benlloch-Tinoco et al 2015)は、貯蔵中にマイクロ波と従来の加熱によって影響を受けたキウイフルーツピューレのクロロフィルとカロテノイドを評価した。その結果、パラメータに応じて、マイクロ波処理はクロロフィル(42~100%)およびカロテノイド(62~91%)の含有量を損失させることが示された(図6)。

抽出は農産物に適用される主な マイクロ波 技術の 1 つであり、特に有彩色成分 d e . (2015) は、マイクロ波 加熱により補助されたアーモンド皮副産物からのフェノール化合物を研究した。4gのサンプル、60秒の処理、100Wのマイクロ波電力で60mLの70%(v/v)エタノールを得ることができ、アーモンド皮の重量は研究した反応において最も重要なパラメータであった。Cardoso-Ugarte et al 2014)は、マイクロ波アシスト加熱で赤ビートからベタレインを抽出するとともに、従来の抽出と比較した。その結果、マイクロ波アシスト抽出で得られたベタレイン収量は、従来型抽出の2倍であることが分かった。Ge et al 2009)は、バラを原料としてマイクロ波加熱による色素アシスト抽出を行い、最高抽出率は81.5%を達成することができた。

マイクロ波技術のビタミンへの応用

ビタミンは、有機化学化合物(または関連する一連の化合物)として記述することができ、その有機化学化合物は生物が十分な量を合成することができないため、食事から摂取する必要がある。ビタミンは人間の健康に対して様々な生化学的機能を有している。

ビタミンは、水、光、酸素、温度などに敏感である。そのため、加熱するとビタミンの含有量が激減してしまう。加熱方法としてマイクロ波技術を採用し、Barba et al 2015)は、カプセル化された脂溶性ビタミンを従来型乾燥とマイクロ波乾燥によって乾燥させることを研究した。彼らは、マイクロ波の電力がビタミン劣化の主な原因であることを発見した。電力690Wのマイクロ波処理では、ビタミンの100%回収が促進され、乾燥時間も約30分に短縮されたが、230Wではより長い処理で40%のビタミンが分解された。一方、従来の加熱では、同じ含水率を達成するために 12 時間の処理でビタミンの 17%が分解された。Karatas and Kamsl (2007)は、乾燥方法として赤外線とマイクロ波加熱を用い、乾燥後にアプリコットのビタミンA、C、Eの値を測定した。その結果、マイクロ波エネルギーで乾燥させたアプリコットのビタミンA、C、Eの値は、赤外線で加熱したサンプルの値よりも大きいことが示された。(Singh et al 2015)は、25種類の野菜のマイクロ波煮沸後のアスコルビン酸の含有量を比較した。アスコルビン酸含量の平均値は274.1 mg/100gであった。マイクロ波処理後の異なる野菜のアスコルビン酸含量の範囲は67.1 mg(C. arietinum)~130.7 mg/100g(M. koengii)であった。Yoshidaら(1992)は、ビタミンEの相対的安定性に対するマイクロ波エネルギーの影響を評価した。マイクロ波加熱後、最も損失率が高かったのはɑ-トコフェロールで、次いでy-、β-、δ-トコフェロールの順であった。Watanabeら(1998)は、食品中のビタミンB12の損失に対するマイクロ波加熱の影響を研究し、マイクロ波加熱中に食品中のビタミンB12の顕著な損失(30〜40%)が発生することを見いだした。応用編として、(Höller et al 2003)は、マイクロ波加熱による飲料中のビタミンAおよびEの迅速な測定方法を新たに開発した。

結論と傾向

マイクロ波技術は、多くの食品加工にうまく利用されてきた。マイクロ波エネルギーは様々な食品プロセスにおいて幅広い応用と利用があるが、マイクロ波加熱中に熱暴走によって引き起こされる不均一な温度とホットスポットは、食品の品質に悪影響を及ぼした。そのため、特定の分野の改善を目的とした重要な研究が必要だ。具体的には、より良い感覚と栄養価を持つ最終食品を得るための効果的な方法を探る必要がある。そのような分野は以下の通りだ。

  1. 食品中の異成分間の反応マイクロ波処理において、食品内部の成分の特性、特に栄養損失に影響を与えるのは熱効果だけであるとする説が有力である。しかし、関連論文の分析から、炭水化物、脂質、タンパク質がマイクロ波処理に敏感であることが観察された。マイクロ波処理による成分変化のメカニズムや成分間の相互作用については、まだ明らかにされていない。
  2. パイロットスケールの充実と正確なモデル化 食品素材の マイクロ波 処理は、その結果が産業応用に役立つように、実験室条件よりもパイロットスケールレベルで大いに実施される必要がある。食品と水との相互作用は複雑であるが、このプロセスをよりよく理解するために、さらに多くの研究が必要である。
    近年、モデリング精度の向上が継続的に行われているが、次のような面でまだ多くの研究が必要である。表面熱物質移動係数の正確な推定 ② マイクロ波 処理中の多孔質媒体のモデル化 ③ 試料品質を予測するための正確な温度分布モデルの開発 ④ マイクロ波 加熱中の収縮・変形を考慮 ⑤ マイクロ波 熱物質移動モデルと他のモデル(生化学反応、誘電特性、微生物不活性化、力学モデル)の 組み合わせ。また、工業的な マイクロ波 加熱プロセスを高度に自動化するためのコンピュータ支援エンジニアリングの開発にも、さらなる努力が必要である。
  3. より良い装置設計と合理的な運転 単一の マイクロ波 処理の欠点を緩和し、異なる加熱方法の優位性を組み合わせるために、従来法と マイクロ波 処理法の組み 合わせは マイクロ波 関連技術において大きな可能性を示している。ハイブリッド マイクロ波 乾燥法には、マイクロ波 補助空気乾燥、マイクロ波 補助真空乾燥、マイクロ波 拡張噴霧床乾燥、マイクロ波 補助凍結乾燥、浸透脱水後の マイクロ波 補助仕上げ乾燥があり、すべて正常に適用されている (Zhang et al 2006)。
    完璧な品質の製品を得るためには、以下のような機器の設計と運用に留意する必要がある。電磁場の不均一分布、コーナーやエッジの影響は、マイクロ波 装置の設計を最適化し、試料の形状を変えること で回避する必要がある。回転釜や流動床などの装置とマイクロ波加熱の組み合わせは、高品質な製品の加工に有効である ④従来の温度測定(サーミスタ、熱電対、赤外線温度計)は、マイクロ波場では使用できない。光ファイバー温度計は、電磁界下での温度測定に最も一般的な方法である。高品質な製品加工を行うためには、正確な温度モニタリングが重要である。
  4. 食品物性・形状の均質化 試料部位の違いによる電磁波吸収の分布は、材料部位の周りに様々な成分が存在するため、一様ではない。このような差をなくすには、均質化が有効だ。また、工業用途では、試料を移動させたり、混ぜたりすることで、マイクロ波加熱の均一性を確保することができる。
    マイクロ波の加熱速度を上げるための前処理として、浸透圧処理を行うことができる。均質化の他に、浸透圧処理によって試料の誘電特性を変化させ、加熱速度を向上させることができる。
    試料を周囲の媒体と一緒に包装することで、マイクロ波処理時の均一加熱に有効な手段となる。媒質や包装材のε″が低くても、試料のε′と同じであれば、マイクロ波加熱の均一性を向上させることができる。
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