JPS6259838A - 高圧下の食品素材流動測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高圧下に存在させた場合の食品素材における
流動性（粘性）を測定するための新しい測定手段の提供
に関する。

（従来の技術） 周知のように食品に古くから加工されている素材であり
、最も大きな特徴は熱を加えればその組成が変化する点
である。米から御飯を炊くように、一定場所に一定時間
素材を存在させて加工する初期加工方式の段階から、最
近はこれらを連続化して大量生産を企図した加工方式が
発達して来ている。また食品素材の多くはその加工工程
において流動性を示すことから、加工の連続化に当り、
流動体の特性を用いた方法による事が多い。例えば食品
用押出機はその適例で、食品の流動性を利用した機械で
ある。食品の流動性を加工方法の中で応用しようとする
場合、以下のような種々の考慮すべき点が存在する。先
ず加工を行なう温度域が１００℃以上であるか、以下で
あるかの点である。

何故１００℃を限界とするかは、食品素材の中に含まれ
る水分が蒸気化するか否かが問題である。例えばソーセ
ージを筒状容器に入れる前には１００℃以下であり、コ
ーングリッツを膨化するために加熱して膨化押出用グイ
前の溶融体は１００℃以上である。１００℃以上の時は
蒸気が発生する問題点を持つ。次には素材の中に水分を
多く含むか否かの点である。通常食品素材では、食品中
の水分が蒸気となってもよい加工法はほとんどなく、も
しその食品素材中に水分が多（含まれる場合は、食品素
材が加熱されて液状を示す時、水分も液状で混入されな
ければならない。蒸気発生が良くない理由は、第１には
脱水されてしまって乾燥した食品しか得られないこと、
第２にはその加工性がきわめて不安定になる事等がある
が、但し膨化菓子等を製造する場合は、流動性を必要と
するダイまでは水分を液体として含み、膨化と同時に蒸
発することを主眼としているので、前記説明とは区別さ
れることはいうまでもない。従って水分を蒸発させない
ためには、その昇温時においても素材に圧力を掛けて水
分の蒸発を防ぐ必要があり、通常はこの状態から上記す
る膨化もしくは冷却によって加工食品を得ることになる
。食品素材に圧力を掛ける目的には２つあり、その１つ
は上記するように水分の蒸発を防ぐものと、他の１つは
高圧下の食品素材をさらすことによって、組成的な変化
を防止し、あるいは逆に組成的変化を作為的に生じさせ
るためである。何れの場合にしても、食品素材を高圧下
に存在させた場合の、加工技術を解析または現象を理解
するためには、その加熱、非加熱に拘らず、流動性（粘
性）を測定する必要が生じる。また食品素材は含水分が
蒸発してしまえば、流動性が異なることが理解出来るが
、これは極端な物性変化を伴なう場合で、一般に流動体
は高圧下においては、低圧下と比べてその粘性は異なる
。

従来流動物の流動性、即ち粘性を測定する方法としては
、キャピラリレオメータ、平板形レオメータ、円筒形レ
オメータ等を用いることが既知であるが、この方法では
食品素材の高圧下流動の測定に対しては次の理由で適切
でない。

（発明が解決しようとする問題点） 第２図に示したものは、キャビラ・リレオメータであっ
て、押込プランジャｌを備えた押込シリンダ５の出口に
キャピラリ１０を連継し、シリンダ５におけるリザーバ
８内に高分子材料を充填して、その流動性を測定するも
のであり、圧力分布は図示のようになっている。但しＷ
をプランジャ荷重とするとＷ＝Ａ−Ｐとなる。この場合
圧力Ｐ０で含水分が蒸気になるとすると、図り７区間で
は蒸気を含む流体となることから、食品素材が純液体で
あるとした時の粘性を測定したことにはならない。

またリザーバ８に投入された材料は、シリンダ５を加熱
することによって測定した温度に昇温する訳であるが、
キャピラリ１０部分が開放されているために水分分離を
生じ、押込プランジャ１を下降することによって初期に
は水分の絞り出し現象が生じる。従って初期にはリザー
バ８に充填される材料を昇温する時においても圧力の保
持が必要であり、そのためにも密閉された空間が必要と
なる。

一般に使用される高分子材料は、昇温時に水分分離、脱
水等の現象が生じないこと、またキャピラリ出口近傍で
大気圧にさらされても組成変化が生じない性質上、図示
構造のキャピラリレオメータの使用が可能であると考え
られるが、食品業−材の流動性（粘性）測定に対しては
適当でない。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、食品素材のような高水分を含む材料を、高圧
下でその流動性（粘性）を測定する場合、蒸気を発生さ
せることなく、その測定並びにこれに関連する各種の測
定が得られるようにしたものであり、具体的には、２つ
のシリンダおよびプランジャを一直線上にかつ上下対向
状に配置し、両シリンダの各端部を細いキャピラリで連
継することによって構成する２つのリザーバとキャピラ
リ中に食品素材を充填し、２つのプランジャ圧力に差を
つけてキャピラリを食品素材が流動する流量を測定する
か、または上流側プランジャ速度を設定して圧力を測定
することにより、食品素材の粘性を測定することにあり
、更にはキャピラリを食品素材が流動する下流側のリザ
ーバ内圧力を任意に設定することによって、高圧下にお
ける食品素材または食品素材中の揮発分を揮発させるこ
となく、その粘性を測定することにあり、更には高圧側
シリンダおよびキャピラリ部と低圧側シリンダ部の２つ
のゾーンが各々温度調節を行なうことが可能とされるこ
とにあり、更には温度調節の行なわれる低圧側シリンダ
部に、被測定食品素材と異なる低粘性流体を別に充填し
、高圧側シリンダ部からキャピラリを経由して押出され
る押出物を揮発条件下にまで冷却して取出すことにあり
、更には高圧側シリンダおよびキャピラリ部と低圧側シ
リンダ部の２つのゾーンを同一温度とし、同一食品素材
を用いて押出すに当り、上下のリザーバ内圧力を交互に
高圧−低圧、低圧−高圧に変化させ、キャピラリを通過
する食品素材を正流および逆流させてその粘性を測定す
ることによって、食品素材の剪断下における剪断履歴に
対して組成変化を粘性の変化としてとらえる点にある。

（作　用） 本発明の技術的手段によれば、第１図に示すように、押
込プランジャ１を具備した押込シリンダ５と、受はプラ
ンジャ１３を具備した受はシリンダ１９とによる２つの
シリンダ５，１９、プランジャ１．１３を一直線上にか
つ上下対向状に配置し、両シリンダ５，１９の各向い合
う端部を細いキャビ５ｉ月０で連継した測定用装置を本
発明においては用いるのであり、このさい押込プランジ
ャ１は、プランジャ荷重Ｗもしくはプランジャスピード
Ｖが任意に設定できるものとし、また受はプランジャ１
３における荷重Ｗ、　（符号２２で示している）も、エ
ヤシリンダ１５の空気圧力を一定に保つことにより、任
意の一定値に保つことができるようにする。前記エヤシ
リンダ１５は、測定のため設定される荷重−１が作動中
も常に一定になるようにした一定荷重発生装置の１例と
して示したもので、エヤシリンダに制限されず、他の機
構を用いることができる。本発明は上記のような押込、
受はシリンダ５．１９の各端部をキャピラリ１０によっ
て連継し、両シリンダ５゜１９側にプランジャ１，１３
を介して形成される押込リザーバ８、キャピラリ１０、
受はリザーバ１７内に被測定食品素材を充填してその測
定を行なうことになるが、押込リザーバ８およびキャピ
ラリ１０に相対する押込シリンダ５を１つのゾーンとし
て調温装置２０を設置して温度調節可能とし、また受け
りザーバ１７に相対する受はシリンダ１９を１つのゾー
ンとして同じく調温装置２０を設置して温度調節可能と
し、押込シリンダ５と受はシリンダ１９は、その温度設
定値を同一とすることもあるが、一般には異なった値を
とることにより、これら両シリンダ５，１９間には断熱
材１８を介入して熱的に離隔する。

また押込プランジャ１および受はプランジャ１３が、押
込シリンダ５および受はシリンダ１９の内面で摺動する
面には、各リザーバ８．エフ内が高圧化しても被測定材
料が外部に漏出しないように、それぞれシール部２．１
４を設ける。このシール部２，１４はプランジャ１，１
３の動きに対して抵抗となっては不可であり、例えばテ
フロン樹脂（４弗化エチレン）によるＯリングを用い、
１０００ｋｇ／ｃａｌの内径までは使用できる程度のも
のとした。尚２１は設置用架台であり、その他３は押込
プランジャ荷重−〇を示し、４はプランジャスピードＶ
を示し、６は押込シリンダ５の径２Ｒｏを示し、９は押
込リザーバ８の内圧力Ｐｉｔを示し、１１はキャピラリ
１０の長さしを示し、１２はキャピラリ１０の径２１？
を示し、１６は受はプランジャ１３の内圧ＰＩｚを示し
、２２は受はプランジ荷重縁、を示し、２３は受はシリ
ンダ１９の径２Ｒ＋をそれぞれ示している。前記した測
定装置を用いての、本発明による食品素材の高圧下にお
ける測定原理は以下の通りである。

押込リザーバ８の内圧力ＰＩｌ、受はリザーバ１６の内
圧力をＰｌ２とすると、流体はＰｌ、とＰＩ、との差圧
でキャピラリ１０を流動する。この時の材料の流量をＱ
　（ＣＪＪ　／　５ｅｃ）とすると、キャピラリ１０の
壁面に発生する見掛けの剪断速度ｒは次式によって表わ
される。

と＝４０　／πＲ３ 一方キャピラリ１０の壁面に発生する剪断応力τは次式
によって表わされる。

τ＝Ｒ（ＰＩＩ　　Ｐｈ）／　２Ｌ 従ってニュートンの見掛は粘度μは一般に次式前記式に
よって材料の粘度を知ることができるが、キャビ５１月
０の形状としてＬ／Ｒを４０以上にして流入効果（エン
トランスエフェクト）の影響がほとんど無視できる程度
としている。

またプランジャ荷重−〇を任意に与えることができる場
合は、ＰＩ、　＝−０／πＲ０Ｚとして与えられ、一方
エヤシリンダ１５におけるエヤ圧としてＰｏとし、エヤ
シリンダ１５の受圧有効面積を八とすると、Ｗ、＝Ｐ０
・Ａ Ｐｌｚ　＝Ｗｒ／πＲ１”　＝ＰＯ−Ａ　、／πＲ，Ｚ
従って押込プランジヤニのプランジャ速度−■を測定す
れば、流量ＱはＱ＝πＲ，”Ｖとなる故、ＰＩ。

、Ｐｌ２、Ｑが判って、と、τ、μを求めることができ
、特に次を変化してμを測定することによって、非ニユ
ートン粘度の測定も可能となる。

またプランジャ速度Ｖを任意に与えることができる場合
には、Ｑ＝πＲ，”Ｖなどの式およびこの時の押込プラ
ンジャ荷重−〇を測定すれば、Ｐｌ、　、ｐｒｚ、口が
判り、同じく　戸、τ、μを求めることができるし、ま
た戸を変えることによって非ニユートン粘度の測定も可
能となるのである。

以上が本発明における粘性の測定方法であるが、Ｐｌ２
を食品素材中の水分が蒸発しないだけの圧力とする時、
Ｐｈという圧力はエヤ圧を調整することによって任意に
設定することが可能である。

既に述べたように、食品素材は材料がさらされている圧
力によってその粘性が異なり、ＰＩＩ　（＞ＰＩｚ）値
をＰｌ２値に近付けることにより、ｐｈ値近傍での材料
粘性を測定することができ、この場合プランジャスピー
ドＶはごく微少値に設定する必要が生じる。このように
して食品素材をその内部に含まれる水分を蒸発させるこ
となく、その粘性を測定することができる。

（実施例） 本発明による測定を行なうに当っては、上下の各シリン
ダ５，１９をその調温装置７，２０によって所定の温度
にした後、各リザーバ８．Ｉ７およびキャピラリ１０の
内部に被測定食品素材を充填し、空気が入らないように
してプランジャ１を挿入する。次いで各リザーバ８．７
内圧力を、食品素材中の水分が蒸発する限界以上の圧力
ＰＩ２に一定にして所定時間保持する。この保持時間は
加温される材料がその溶融に要する時間等であり、食品
素材によって異なる。

粘性の測定については、先に作用の項において述べたよ
うにして行なうのであり、押込グランジャ荷重讐。ある
いはその押込速度Ｖを変化することによって測定するの
である。

また本発明によれば、次のようにしてキャピラリ押出物
を得ることも可能である。即ち押込リザーバ８およびキ
ャピラリ１０中の入れる材料と、受はリザーバ１７内に
入れる材料とを変えるのであり、かつ押込シリンダ５側
の設定温度と、受はシリンダ１９側の設定温度を相違さ
せ、一般には受はシリンダ１９側を低温とし、また受け
りサーバ１フ内の材料は、例えば水あるいは低粘性の液
体を用いるのであり、これによりキャピラリ１０から押
出される材料が受はリザーバ１７内に入っても、変形抵
抗をより少なくするようにして置く。こうした状態でｐ
Ｈ＞ＰＩ２の圧力関係として、差圧によりキャピラリ１
０から押出された材料を受はリザーバ１７から回収すれ
ば、高圧下で細いノズルから押出された状態の押出物を
得ることが可能である。但しこの場合、低温側リザーバ
１７の温度は１００℃以下であることが望ましく、また
押出物は揮発条件まで冷却して取出すことになる。

また上下の各シリンダ５，１９の温度を同一に保持し、
かつ同一の食品素材において、ＰＩＩ　　＞ｐｒｚ（Δ
Ｐ　＝ＰＩ＋　　Ｐｉｇ）の状態下でその粘性を測定し
た後、ＰＩ２（＝前記のＰＩ、）＞ｐＨ（前記のＰ　Ｉ
ｚ）の状態として逆に押戻す時、同様に粘性を測定すれ
ば、高圧下でキャピラリ１０により剪断を掛けられた食
品素材が、剪断履歴によって組成変化（混合、劣化等を
示す）をしてゆく過程をとらえることもできるのであり
、これらも測定の一環として有効に利用できるのである
。

（発明の効果） 本発明によれば、水分等の揮発分を多く含有する食品素
材を、その素材中に発生する蒸発気体を含まないように
して、正確な粘性測定を行なうことができるのであり、
一般的に食品素材を高温にすれば蒸発気体が発生し易い
のであるが、このような高温下においても、前記粘性の
測定が可能である。更に食品素材における流動性は高圧
下において異なるが、高圧下（キャピラリ１０における
入口圧力と出口圧力との間の圧力下において）において
も、その正確な粘性の測定が可能となるのであり、また
キャピラリ１０における入口圧力と出口圧力とを、可及
的小さな圧力差に保持することによって、はぼ一定圧力
下における粘性の測定を容易に可能とすることができる
のみならず、上記した各粘性測定におけるキャピラリ押
出物を得ることができ、また上記した各粘性測定におけ
るキャピラリ押出食品素材に対して、キャピラリ１０を
通過する毎（剪断を掛けられる毎）の組成変化（混合、
劣化等を示す）による粘性変化も、確実かつ容易に測定
できることになり、食品素材を高圧下に存在させた場合
の食品加工技術の解析または現象を理解するためには不
可欠の流動性（粘性）の正確な測定を、加熱、非加熱に
かかわらず、容易に得られるものとして優れた効果を持
つものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明測定方法を実施するための装置実施例の
縦断正面図、第２図は従来のキャピラリレオメータの説
明図である。 １・−押込プランジャ、５−・押込シリンダ、７，２〇
−調温装置、８−押込リザーバ、１０−キャピラリ、１
３−・受はプランジャ、工５−エヤシリンダ、１７−受
はリザーバ、１計−断熱材、１９−受はシリンダ。 特　許　出　願　人　　株式会社　神戸製鋼所第７厘 第２　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、２つのシリンダおよびプランジャを一直線上にかつ
   上下対向状に配置し、両シリンダの各端部を細いキャピ
   ラリで連継することによって構成する２つのリザーバと
   キャピラリ中に食品素材を充填し、２つのプランジャ圧
   力に差を付けてキャピラリを食品素材が流動する流量を
   測定するか、または上流側プランジャ速度を設定して圧
   力を測定することにより、食品素材の粘性を測定するこ
   とを特徴とする高圧下の食品素材流動測定方法。 ２、キャピラリを食品素材が流動する下流側のリザーバ
   内圧力を任意に設定することによって、高圧下における
   食品素材または食品素材中の揮発分を揮発させることな
   く、その粘性を測定することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の高圧下の食品素材流動測定方法。 ３、高圧側シリンダおよびキャピラリ部と低圧側シリン
   ダ部の２つのゾーンが各々温度調節を行なうことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の高圧下の食品素材流
   動測定方法。 ４、温度調節の行なわれる低圧側シリンダ部に、被測定
   食品素材と異なる低粘性流体を別に充填し、高圧側シリ
   ンダ部からキャピラリを経由して押出される押出物を揮
   発条件下にまで冷却して取出すことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の高圧下の食品素材流動測定方法。 ５、高圧側シリンダおよびキャピラリ部と低圧側シリン
   ダ部の２つのゾーンを同一温度とし、同一食品素材を用
   いて押出すに当り、上下のリザーバ内圧力を交互に高圧
   →低圧、低圧→高圧に変化させ、キャピラリを通過する
   食品素材を正流および逆流させてその粘性を測定するこ
   とによって、食品素材の剪断下における剪断履歴に対し
   て組成変化を粘性の変化としてとらえることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の高圧下の食品素材流動測
   定方法。