JP2015055396A - 凍結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過冷却の解除を検知することにより、十分な過冷却度を得ることができる凍結方法を提供する。
【解決手段】冷却ガスの温度及び対象物の表面温度をそれぞれ検知する手段を備え、対象物が凍結点以下の温度でも凍らない過冷却状態となるように冷却する過冷却形成工程と、過冷却状態が解除されたことを検知する過冷却解除検知工程と、過冷却状態が解除されたら対象物を急速に冷却する急速冷却工程とからなり、過冷却形成工程で冷却ガスの温度と表面温度の温度差があらかじめ定められた範囲を超えた場合には、冷却ガスの温度の低下を停止し、温度差があらかじめ定められた範囲内に戻った場合には、冷却ガスの温度の低下を再開する凍結方法である。
【選択図】図６

Description

本発明は、冷却ガスを用いた凍結方法に関し、詳しくは、過冷却状態を経て対象物を凍結させる凍結方法に関する。

食品や細胞などの生体物質を凍結する際に、細胞内又は細胞間隙に生じる氷結晶が細胞組織に損傷を与えてしまう。また、溶液を凍結する際には、凍結過程において、凍結品の凍結濃縮により濃度が不均一となってしまう場合がある。これらの不具合を回避するために、凍結点以下でも凍らない状態、いわゆる過冷却状態を経て凍結させることが用いられている。これは、過冷却状態を経て凍結した対象物は、全体に均一に、針状ではなく粒状の細かい氷結晶が生成されるため、細胞組織への損傷が少なくなるためである。

また、過冷却状態解除後の凍結過程において、急速に冷凍すると、氷結晶が肥大する可能性が低くなる上、氷結晶以外の品質低下要因を回避できるため、品質の優れた凍結品とすることができる。さらに、過冷却度（過冷却状態で達した最低温度と凍結温度の差）が大きければ大きいほど、凍結開始時に形成される氷核の数が多くなり、より微細な結晶となるため、解凍後も凍結前により近い状態を維持することが可能となることが知られている。

上記のような過冷却を利用した対象物の凍結方法として、過冷却状態を所定時間保持した後、過冷却状態を解除し、さらに急速冷却して凍結させる方法（例えば、特許文献１）や、対象物の芯温が凍結点になるまで、表面温度計測手段で計測された表面温度と該表面温度から演算された芯温との差が小さくなるように冷却制御する方法（例えば、特許文献２）が行われている。

特許第４２５３７７５号公報 特許第４８２７７８８号公報

しかしながら、特許文献１記載の凍結方法では、所定時間経過後に過冷却状態を解除しているため、十分な過冷却度を得られていない場合や、すでに過冷却状態が解除されている場合がある。また、特許文献２記載の凍結方法でも、芯温が凍結点に達するまでの冷却では、十分な過冷却度を得られていない場合がある。さらに、対象物によっては、表面温度からの芯温の演算が難しい場合もあり、正しく芯温を測定することができない場合もある。

そこで本発明は、過冷却の解除を検知することにより、十分な過冷却度を得ることができる凍結方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の凍結方法は、対象物を冷却ガスにより冷却して凍結する凍結方法において、前記冷却ガスの温度を検知する手段及び前記対象物の表面温度を検知する手段を備え、前記対象物が凍結点以下の温度でも凍らない過冷却状態となるように冷却する過冷却形成工程と、過冷却状態が解除されたことを検知する過冷却解除検知工程と、前記過冷却状態が解除されたら前記対象物を急速に冷却する急速冷却工程とからなる事を特徴としている。

また、前記過冷却形成工程で前記冷却ガスの温度と前記表面温度との温度差があらかじめ定められた範囲を超えた場合には、冷却ガスの温度の低下を停止し、前記温度差があらかじめ定められた範囲内に戻った場合には、冷却ガスの温度の低下を再開することを特徴とし、前記過冷却解除検知工程は、前記対象物の表面温度が凍結温度以下において１０秒以内に５℃／秒から０．１℃／秒の速度で、０．５℃以上上昇した場合に過冷却状態が解除されたと検知することを特徴としている。

本発明の凍結方法によれば、過冷却解除検知工程により、特に、対象物の表面温度が凍結温度以下において１０秒以内に５℃／秒から０．１℃／秒の速度で、０．５℃以上上昇した場合に過冷却状態が解除されたと検知することで、過冷却の解除を確実に把握することができる。また、過冷却形成工程において、冷却ガスの温度と対象物の表面温度との温度差があらかじめ定められた範囲を超えた場合には冷却を一時停止し、あらかじめ定められた範囲内に戻った場合には冷却を再開することを繰り返すことにより、充分な過冷却度を得ることができる。

本発明の凍結方法を実施する冷凍装置の一例を示す説明図である。 過冷却形成工程、過冷却解除の温度変化を示す図である。 本発明の実施例１における温度変化を示す図である。 本発明の実施例１における温度変化を示す図の拡大図である。 本発明の実施例２における温度変化を示す図である。 本発明の実施例２における温度変化を示す図の拡大図である。

図１は、本発明の凍結方法を実施するための冷凍装置の一例を示すものである。冷凍装置１０は、対象物１を収容するサンプル室１１と該サンプル室１１を吹き出し板１２を介して囲む整流チャンバー１３とを設けている。図示しない貯槽（容器）の液化窒素ガスを液化窒素入口１４から導入し、ニードル弁１５及び電磁弁１６を介して、液化窒素噴射口１７から撹拌ファン１８に向って液化窒素ガスを噴射する。

モータ１９によって駆動する撹拌ファン１８により、サンプル室１１内の冷却ガスを吸入し、整流チャンバー１３内へと冷却ガスを送り込むとともに、噴射された液化窒素ガスを気化して冷却ガスとして拡散させる。吹き出し板１２は、パンチング孔等により開口率が制限されており、さらに、整流チャンバー１３のガス流れ方向の断面積を吹き出し板１２の開口面積の５倍以上にすることにより、サンプル室１１に均一に冷却ガスが送られる。

さらに、液化窒素ガスが噴射され気化した際には、整流チャンバー１３内の圧力が上昇するので、吹き出し板１２からサンプル室１１内へ流れる冷却ガスの流速に変化が生じることを避けるため、サンプル室１１を経由せずに冷却ガスの一部を排気する圧力調整機構２０が設けられるとともに、サンプル室１１内に供給された冷却ガスにより上昇する内圧を降圧させるための排気口２１が設けられている。

また、整流チャンバー１３内の冷却ガスの温度を測定する冷却ガス温度センサー２２と、対象物１の表面温度を測定する表面温度センサー２３と芯温を測定する芯温センサー２４とが設けられている。さらに、撹拌ファン１８の近傍には、冷却ガスを加熱するヒータ２５が設けられている。

冷却ガス温度センサー２２に検知された冷却ガス温度、あるいは該冷却ガス温度と表面温度センサー２３で検知された対象物１の表面温度との温度差に基づいて、ニードル弁１５及び電磁弁１６を制御して液化窒素ガスの流量を調節したり、モータ１９の回転数を制御して冷却ガスの撹拌量を調節したり、ヒータ２５を作動させたりすることによって、
冷却ガスの温度を制御することができる。

次に、上述の冷凍装置１０を用いて、対象物１を過冷却状態にし、過冷却状態が解除する温度変化を図２を用いて説明する。対象物１には、３％ゼラチンを用いており、冷却ガスの温度を最初の１０分間で２０℃から０℃に、次の６０分間は０℃を維持し、その後の１００分間で０℃から−１０℃になるように制御している。最初の１０分間で、冷却ガス温度の低下に伴い、対象物１の表面温度及び芯温温度が低下する。その後、冷却ガス温度が０℃の状態で維持されると、対象物１の表面温度及び芯温は、勾配をやや緩めながら低下を続ける。その後、冷却ガス温度が０℃から徐々に低下していくと、表面温度がわずかに低い状態で、対象物１の表面温度及び芯温が凍結点（０℃）以下にさらに低下していき、対象物１が過冷却状態となる。その後、一定の時間経過後に、対象物１の表面温度及び芯温が凍結点付近まで急激に上昇し、過冷却が解除される。この対象物１が、凍結点以下の温度でも凍らない過冷却状態となり、過冷却が解除されるまでが、本願の過冷却形成工程である。図２によると、過冷却解除後も、徐々に冷却ガスの温度が低下する温度制御をしているため、凍結点まで上昇した対象物の温度が凍結点付近のままとなっている。

次に、同じく対象物１を３％ゼラチンとし、上述と同じ過冷却形成工程で過冷却状態として、過冷却解除を検知したら急速冷却する際の温度変化を図３及び図４を示す。図４は、表示温度幅を２０℃から−１０℃までとする図３の拡大図である。対象物１の表面温度が、凍結点（０℃）以下で、５秒以内に１℃上昇したことを検知した場合には、過冷却が解除されたと判断し、冷却ガスを１分間で−１００℃になるように制御する。

図３及び図４に示されるように、過冷却解除が検知され、冷却ガスが−１００℃に急激に冷却されると、対象物１の表面温度も凍結点付近に上昇後すぐに低下し、芯温も少しの間凍結温度付近にとどまるが、その後は急速に温度が低下することが分かる。

このように、過冷却状態解除後の凍結過程において、急速に冷却して対象物を冷凍すると、氷結晶が肥大することを抑えられるとともに、氷結晶以外の品質低下要因を回避できる。

さらに、上記実施例１と同じ条件で、過冷却解除を検知し、冷却ガス温度を制御するのに加え、過冷却形成工程において、対象物１の表面温度が凍結点（０℃）以下のときに、冷却ガス温度との温度差が０．５℃以上になった場合には、液化窒素ガスの噴射を止めて冷却ガスの温度低下を停止するように制御し、温度差が再び０．５℃未満になった場合には、液化窒素ガスの噴射を再開して冷却ガスの温度低下を再開させるように制御する際の温度変化を図５及び図６に示す。図６は、表示温度幅を２０℃から−１０℃までとする図５の拡大図である。

図６に示されるように、過冷却形成工程において、表面温度と冷却ガス温度との温度差が０．５℃以上になったときに、冷却ガスの温度を低下させる温度制御プログラムを停止させ、０．５℃未満になったときに、冷却ガスの温度を低下させる温度制御プログラムを開始させることが４回繰り返されることによって、過冷却状態の時間が実施例１と比べて長くなり、過冷却度を大きくできることが分かる。

このように、過冷却度を大きくすることにより、対象物内に形成される氷結晶がより微細なものとなり、解凍後も凍結前により近い状態を維持することが可能となる。

なお、本発明の凍結方法を適用する冷凍装置は上述のものに限らず、対象物の表面温度と冷却ガス温度（雰囲気温度）とが測定でき、冷却ガスの温度制御が可能なものであればよい。また、過冷却解除検知工程で万が一過冷却の解除を検知できない場合に備えて、冷却ガス温度や表面温度が所定の温度に達した場合や、所定時間が経過した場合には、強制的に急速冷凍工程を開始させる温度制御プログラムを実装しておいてもよい。

１…対象物、１０…冷凍装置、１１…サンプル室、１２…吹き出し板、１３・・・整流チャンバー、１４…液体窒素入口、１５…ニードル弁、１６…電磁弁、１７…液化窒素噴射口、１８…撹拌ファン、１９…モータ、２０…圧力調整機構、２１…排気口、２２…冷却ガス温度センサー。２３…表面温度センサー、２４…芯温センサー、２５…ヒータ

Claims (3)

1. 対象物を冷却ガスにより冷却して凍結する凍結方法において、
   前記冷却ガスの温度を検知する手段及び前記対象物の表面温度を検知する手段を備え、
   前記対象物が凍結点以下の温度でも凍らない過冷却状態となるように冷却する過冷却形成工程と、
   過冷却状態が解除されたことを検知する過冷却解除検知工程と、
   前記過冷却状態が解除されたら前記対象物を急速に冷却する急速冷却工程とからなる凍結方法。
2. 前記過冷却形成工程で前記冷却ガスの温度と前記表面温度との温度差があらかじめ定められた範囲を超えた場合には、冷却ガスの温度の低下を停止し、前記温度差があらかじめ定められた範囲内に戻った場合には、冷却ガスの温度の低下を再開する請求項１記載の凍結方法。
3. 前記過冷却解除検知工程は、前記対象物の表面温度が凍結温度以下において１０秒以内に５℃／秒から０．１℃／秒の速度で、０．５℃以上上昇した場合に過冷却状態が解除されたと検知する請求項１又は２記載の凍結方法。

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