特許 6121661 界面前進凍結濃縮装置及び界面前進凍結濃縮法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6121661

(24)【登録日】2017年4月7日

(45)【発行日】2017年4月26日

(54)【発明の名称】界面前進凍結濃縮装置及び界面前進凍結濃縮法

(51)【国際特許分類】

   B01D 9/04 20060101AFI20170417BHJP

   C12G 3/02 20060101ALN20170417BHJP

   C12G 3/10 20060101ALN20170417BHJP

   A23L 2/12 20060101ALN20170417BHJP

【ＦＩ】

   B01D9/04

   !C12G3/02 119S

   !C12G3/10

   !A23L2/12

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2012-148988(P2012-148988)

(22)【出願日】2012年7月3日

(65)【公開番号】特開2014-8492(P2014-8492A)

(43)【公開日】2014年1月20日

【審査請求日】2015年6月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】591040236

【氏名又は名称】石川県

(73)【特許権者】

【識別番号】511169999

【氏名又は名称】石川県公立大学法人

(73)【特許権者】

【識別番号】592141053

【氏名又は名称】明和工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100154966

【弁理士】

【氏名又は名称】海野 徹

(72)【発明者】

【氏名】中村 靜夫

(72)【発明者】

【氏名】松田 章

(72)【発明者】

【氏名】宮脇 長人

(72)【発明者】

【氏名】北野 滋

(72)【発明者】

【氏名】木村 修二

(72)【発明者】

【氏名】松原 肇

(72)【発明者】

【氏名】田上 綾那

(72)【発明者】

【氏名】松本 武雄

【審査官】 團野 克也

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−２７１６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３３４２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２６５１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０２８４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０８１２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭５１−０１４５８５（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 下山田真 ほか，"凍結濃縮系における溶液と冷媒の温度差制御による大粒径氷晶の調整"，日本食品化学工学会誌，日本，１９９７年，Vol.44, No.1，pp.59-61

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

ＩＰＣ Ｂ０１Ｄ ９／００− ９／０４

Ｃ１２Ｇ １／００− ３／１０

ＤＢ等 ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＤＷＰＩ（Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

種結晶を配置した容器内の溶液を撹拌する撹拌機構と、
容器内の溶液を冷媒で冷却する冷却機構と、
生成した氷結晶を除去して濃縮液を得る氷結晶除去機構とを少なくとも備える界面前進凍結濃縮装置において、
氷結晶生成中に溶液の温度を測定し、冷媒温度の時間当たりの低下割合を動的に変化させながら溶液と冷媒の温度差を５℃以内に調節する温度調節機構を備えることにより、急速凍結が生じて溶質が氷結晶内に取り込まれることを抑制することを特徴とする界面前進凍結濃縮装置。

【請求項2】

前記氷結晶生成中に、容器の内面に生成した氷結晶を連続的に掻き取っていく氷結晶掻き取り機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の界面前進凍結濃縮装置。

【請求項3】

溶液を容器に入れる前に、凍結しない温度範囲内で溶液を冷却しておく予備冷却機構を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の界面前進凍結濃縮装置。

【請求項4】

前記氷結晶除去機構が、濾過により溶液中の氷結晶を除去することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の界面前進凍結濃縮装置。

【請求項5】

溶液内に種結晶を配置する種結晶配置工程と、
容器内の溶液を撹拌する撹拌工程と、
容器内の溶液を冷媒で冷却する冷却工程と、
容器の内面に氷結晶を生成させる氷結晶生成工程と、
溶液中の氷結晶を除去して濃縮液を得る氷結晶除去工程とを少なくとも備える界面前進凍結濃縮法において、
氷結晶生成中に溶液の温度を測定し、冷媒温度の時間当たりの低下割合を動的に変化させながら溶液と冷媒の温度差を５℃以内に調節する温度調節工程を備えることにより、急速凍結が生じて溶質が氷結晶内に取り込まれることを抑制することを特徴とする界面前進凍結濃縮法。

【請求項6】

前記氷結晶生成工程中に、容器の内面に生成した氷結晶を連続的に掻き取っていく氷結晶掻き取り工程を備えることを特徴とする請求項５に記載の界面前進凍結濃縮法。

【請求項7】

前記冷却工程の前に、凍結しない温度範囲内で溶液を冷却しておく予備冷却工程を備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の界面前進凍結濃縮法。

【請求項8】

前記氷結晶除去工程において、濾過により溶液中の氷結晶を除去することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の界面前進凍結濃縮法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、日本酒・果汁等の各種溶液を冷却・凍結し、氷結晶を除去することで濃縮液を生成する界面前進凍結濃縮装置及び界面前進凍結濃縮法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、食品や医薬品等の様々な分野で原材料の濃縮液が利用されており、濃縮液の生成方法の一つとして凍結濃縮法が知られている。
凍結濃縮法は蒸発濃縮法や膜濃縮法と比較して、原材料となる溶液の高品質濃縮が可能であり、また、低温濃縮という特徴によって熱的に不安定な溶質の晶析法として優れている。

【0003】

凍結濃縮法のうち界面前進凍結濃縮法は、果物等の溶液を容器に入れておき、撹拌しながら容器を冷媒中へ沈めていく。そして、容器下部の冷却面に生成した氷相を成長させる、すなわち未凍結溶液相と氷相との界面を未凍結溶液相側に前進させて１個の氷結晶を作ることで、氷結晶の上部に濃縮液を生成するものである。
この方法は１個の大きな氷結晶を生成するため、従来の凍結法（懸濁結晶法）と比較して固液分離が極めて容易でシステムを単純化できるという利点や、溶質（栄養成分やフレーバ成分）の保存性に優れるため、日本酒・果汁等の香味を高めることができるという利点がある。

【0004】

しかし、濃縮工程の初期、すなわち核となる氷結晶を生成する際に過冷却が起こることがあり、過冷却により溶質の一部が氷結晶中に取り込まれる結果、溶質の損失が生じて歩留まりが低下するという問題がある。

【0005】

そこで、例えば特許文献１には、容器内部の底面に多数の小穴を設けた前進凍結濃縮法が開示されている。
この方法では、溶液を撹拌しながら容器を冷媒中へ徐々に沈め始めていくことで、まず各小穴内の溶液に温度勾配を生じさせ、各小穴内の最深部に核となる氷結晶を生成させる。そして、この核となる氷結晶を各小穴内で次第に成長させていくことで氷結晶を容器の底面全体に薄膜状に広げ、この氷結晶の上に新たな氷結晶を順次生成していくことで１個の大きな氷結晶を得るものである。
この方法によれば、最初に核となる氷結晶を生成することで、過冷却に至る前の高い温度で氷結晶を生成できるので過冷却の発生をある程度抑制できる。

【0006】

また、例えば特許文献２には、容器の周囲に熱交換器を配置し、濃縮工程で得た氷結晶の表層を加熱して融かすことで、表層に取り込まれた溶質を分離・回収する凍結濃縮装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平１１−２１６３０１号公報

【特許文献2】特開２０００−３３４２０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところが、上記各特許文献に開示されたような従来の技術では以下のような問題があった。
すなわち、特許文献１の技術は容器内に氷結晶を１個だけ生成するものであり、氷結晶の生成に時間がかかるため、濃縮液を工業的に大量生産することが困難という問題や、酸化等により品質が劣化するという問題があった。
また、氷結晶の生成時間を早めるべく冷媒の温度を低くすると過冷却が発生し易くなるという問題がある。

【0009】

また、特許文献２の技術は溶質が氷結晶の表層に取り込まれた後でこれを加熱により回収する仕組みであり、過冷却を積極的に防止できないという問題がある。

【0010】

本発明はこのような問題に鑑み、過冷却を防止し、濃縮時間を短縮することで濃縮液の歩留まりを高めると共に品質劣化を抑えることができる界面前進凍結濃縮装置及び界面前進凍結濃縮方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の界面前進凍結濃縮装置は、種結晶を配置した容器内の溶液を撹拌する撹拌機構と、容器内の溶液を冷媒で冷却する冷却機構と、生成した氷結晶を除去して濃縮液を得る氷結晶除去機構とを少なくとも備える界面前進凍結濃縮装置において、氷結晶生成中に溶液の温度を測定し、冷媒温度の時間当たりの低下割合を動的に変化させながら溶液と冷媒の温度差を５℃以内に調節する温度調節機構を備えることにより、急速凍結が生じて溶質が氷結晶内に取り込まれることを抑制することを特徴とする。

【0012】

また、前記氷結晶生成中に、容器の内面に生成した氷結晶を連続的に掻き取っていく氷結晶掻き取り機構を備えることを特徴とする。
また、溶液を容器に入れる前に、凍結しない温度範囲内で溶液を冷却しておく予備冷却機構を備えることを特徴とする。
また、前記氷結晶除去機構が、濾過により溶液中の氷結晶を除去することを特徴とする。

【0013】

本発明の界面前進凍結濃縮法は、溶液内に種結晶を配置する種結晶配置工程と、容器内の溶液を撹拌する撹拌工程と、容器内の溶液を冷媒で冷却する冷却工程と、容器の内面に氷結晶を生成させる氷結晶生成工程と、溶液中の氷結晶を除去して濃縮液を得る氷結晶除去工程とを少なくとも備える界面前進凍結濃縮法において、氷結晶生成中に溶液の温度を測定し、冷媒温度の時間当たりの低下割合を動的に変化させながら溶液と冷媒の温度差を５℃以内に調節する温度調節工程を備えることにより、急速凍結が生じて溶質が氷結晶内に取り込まれることを抑制することを特徴とする。

【0014】

また、前記氷結晶生成工程中に、容器の内面に生成した氷結晶を連続的に掻き取っていく氷結晶掻き取り工程を備えることを特徴とする。
また、前記冷却工程の前に、凍結しない温度範囲内で溶液を冷却しておく予備冷却工程を備えることを特徴とする。
また、前記氷結晶除去工程において、濾過により溶液中の氷結晶を除去することを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明の界面前進凍結濃縮装置及び界面前進凍結濃縮法によれば、種結晶を使用すると共に氷結晶生成中に溶液の温度がなだらかに下降するように冷媒の温度を調節することで、過冷却を防止し、また、濃縮時間を短縮できる。したがって、濃縮液の歩留まりを高めると共に品質劣化を抑えることができる。

【0016】

なお、本明細書において「溶液の温度がなだらかに下降するように冷媒の温度を調節する」とは、溶液の温度を測定しながら、過冷却が発生しないように冷媒の温度を調節することで溶液の温度をゆるやかに下げていくことを意味する。
過冷却が発生する温度は溶液の種類や濃度等の種々の条件によって刻一刻変化する。
氷結晶の生成中は氷相に取り込まれなかった溶質が溶液側に移動し、溶液の濃度が時間経過につれて次第に高まっていくため、過冷却が発生する温度も時間経過につれて変化している。また、溶液の凝固温度は濃度が高くなるほど低下する。

【0017】

本発明では、氷結晶の生成中に溶液の温度を測定し、単位時間当たりの溶液温度の低下割合が急激に高くなる等の過冷却の兆候を検知あるいは予測した場合には冷媒の温度を僅かに上昇させるなど、冷媒温度の時間当たりの低下割合を動的に変化させることで、結果的に溶液の温度がなだらかに下降するように調節する。これにより過冷却を防止しながら氷結晶の生成時間を早めて濃縮時間を短縮できる。
このように、過冷却が発生しないように冷媒の温度を調節しながら溶液の温度をゆるやかに下げていくと、溶液温度と冷媒温度はその差がほぼ一定のまま下降していくことになるが、本発明は両者の温度差を一定にするべく冷媒の温度を調節しているのではなく、あくまで過冷却が発生しないように冷媒温度を動的に変化させていく点に特徴を有する。

【0018】

また、氷結晶の生成に関しては、容器の下部にただ一個の氷結晶を生成することにしてもよいし、あるいは容器の内面に生成した氷結晶を連続的に掻き取ることにしてもよい。
氷結晶を連続的に掻き取る場合には、掻き取られた粒状の氷結晶は溶液中に浮遊した状態で成長していくので、ただ一個の氷結晶を生成する場合と比較して、氷結晶の溶液との接触面積が大きくなるので、氷結晶の生成速度が速くなり、濃縮工程に要する時間を更に短縮できる。

【0019】

また、溶液を撹拌することにより、氷結晶の周囲に存在している濃度が高い溶液を氷結晶の周囲から排除する、すなわち氷結晶の周囲の溶液濃度を下げて浸透圧が低い状態になるので、溶質が氷結晶内に取り込まれることを抑制できる。
また、溶液を容器に入れる前に、溶液を凍結しない温度範囲内で予備冷却しておくことで、予備冷却を行わない場合と比較して濃縮工程を効率化できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】界面前進凍結濃縮装置の構成を示す概略図

【図2】界面前進凍結濃縮装置の構成を示す概略図

【発明を実施するための形態】

【0021】

［第１の実施の形態］
本発明の界面前進凍結濃縮装置１０の第１の実施の形態について説明する。
図１及び図２に示すように、界面前進凍結濃縮装置１０は、容器２０、撹拌機構３０、冷却機構４０、予備冷却機構５０、氷結晶掻き取り機構６０、温度調節機構７０、氷結晶除去機構８０から概略構成される。
容器２０は上部が開口した有底形状であり、内部に溶液１が入れられている。溶液１の種類は限定されるものではないが、例えば酒や果汁等の水溶液を使用できる。本実施の形態では日本酒を用いるものとする。

【0022】

酒としては、醸造酒（例えば日本酒（原酒及び加水調整したものを含む）、ビール、ワイン、シードル等）、蒸留酒（米焼酎、ウィスキー、ブランデー、芋焼酎、ラム）、混成酒（合成清酒、みりん、甘味果実酒、リキュール類、雑酒、発泡酒、フルーツビール等）が挙げられる。
水溶液としては、果汁、コーヒー（焙煎コーヒー豆の水抽出液）、茶（各種茶葉の水抽出液）、牛乳、だし汁等が挙げられる。茶葉は単独で用いてもよく、複数種類の茶葉を組合せてもよい。牛乳は殺菌乳や加工乳等が挙げられる。だし汁は昆布だし、かつおだし、ブイヨン、うまみ抽出エキス、和風だし、洋風だし、中華だし等が挙げられる。なお、これら水溶液中には水に不溶な成分が懸濁又は分散されていてもよい。また、水溶液はそのまま凍結濃縮してもよく、あるいは水に不溶な成分を濾過した後に凍結濃縮してもよい。
果汁としては、レモン果汁、オレンジ果汁、りんご果汁等の一般的な果実果汁が挙げられる。

【0023】

容器２０の材質は特に限定されるものではないが、熱伝導性が高い材料を用いるのが好ましく、例えばステンレスやガラスを用いることができる。
容器２０の形状も特に限定されるものではないが、外部の冷媒４２の熱を溶液１に効率よく伝えることができる形状が好ましく、例えば全長に対して径が小さい筒型形状が挙げられる。また、後述する氷結晶掻き取り機構６０で容器２０内面に生成した氷結晶３（図２参照）を掻き取ることを考慮すると円筒形状が好ましい。

【0024】

容器２０内の下部には種結晶２を配置する。
種結晶２は溶液１の過冷却を防止して結晶化を促進するためのものであり、本実施の形態では種氷を用いるものとするが、氷核タンパクなどを用いてもよい。
種結晶２を配置することで過冷却の発生を防止でき、氷結晶３への溶質の付着量（取り込み量）を抑制できる。溶液１が日本酒の場合には溶質としてのアルコールが氷結晶３へ付着する量を抑制できるので、溶液１中のアルコール濃度を高めることができる。

【0025】

撹拌機構３０は容器２０内の溶液１を撹拌するためのものであり、本実施の形態では回転軸３１の周囲に螺旋状の羽根を有するリボンスクリュー３２（スクリューコンベア）を、回転型モータ（図示略）で回転軸３１回りに回転させる構成になっている。回転型モータの回転速度や回転時間はコントローラ（図示略）で調節できるようになっている。

【0026】

一般的に、冷却中は溶液の濃度が氷結晶の周囲で高くなる。これは、氷結晶の周囲の水が氷結晶に相変化する際に、氷結晶に取り込まれなかった溶質が氷結晶の周囲に残るためである。
したがって、溶液１を撹拌し、氷結晶３の周囲に残る溶質を溶液１中に分散させることで、氷結晶３の周囲の溶液１の濃度を下げて氷結晶３の表面の浸透圧を低くすることができるので、氷結晶３に取り込まれる溶質の量を抑制できる。また、氷結晶３の周囲の溶液の温度が低くなっているため、撹拌して氷結晶３の周囲の溶液を溶液全体と混合することで、溶液全体の温度を効率的に低下させることができ、結果として過冷却を防止しながら濃縮時間を短縮できる。
攪拌の条件については羽根の配置間隔、羽根の形状、容器２０の形状等にもよるが１００ｒｐｍ以上が望ましく、より好ましくは５００ｒｐｍ以上である。
なお、本実施の形態においては撹拌機構３０が後述する氷結晶掻き取り機構６０も兼ねる。

【0027】

冷却機構４０は、容器２０内の溶液１を冷却するためのものであり、冷媒タンク４１、冷媒４２、冷却パイプ４３、冷却装置本体４４等から概略構成される。
冷媒タンク４１は上部が開口した有底の箱状であり、その内部は冷媒４２で満たされている。冷媒４２としてはメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ナイブラインなど周知のものを使用できる。

【0028】

冷却パイプ４３は冷媒タンク４１の内面に張り巡らされており、その両端は冷却装置本体４４に連結されている。
冷却装置本体４４としては、例えばブラストチラー等の冷風による急冷装置等、周知のものを用いることができる。
冷却装置本体４４から送られる冷風が冷却パイプ４３内を通過することにより、冷媒４２及び容器２０が冷却され、容器２０の内面に氷結晶３を生成する仕組みになっている。
なお、氷結晶３の生成速度に関して、速度が速すぎると溶質成分の氷結晶側への取り込み量が増加するため好ましくなく、遅すぎると回収率の点から好ましくない。

【0029】

予備冷却機構５０は、溶液１を容器２０に入れる前に、予備冷却用容器５１内で溶液１を凍結しない温度範囲内で冷却しておくためのものであり、予備冷却用容器５１、予備冷却用冷媒タンク５２、予備冷却用冷媒５３、予備冷却用冷却パイプ５４、冷却装置本体５５（冷却装置本体４４と兼用する）等から概略構成される。
冷却方法は上記冷却機構４０と同様であり、冷却装置本体５５から送られる冷風が予備冷却用冷却パイプ５４内を通過することにより、予備冷却用冷媒５３及び予備冷却用容器５１が冷却される。予備冷却用冷媒５３の温度は溶液１が凍結しない温度に設定されており、例えば溶液１が日本酒の場合には−５℃〜−８℃程度に保たれている。

【0030】

氷結晶掻き取り機構６０は、氷結晶生成中に容器２０の内面に生成する氷結晶３を連続的に掻き取っていくためのものであり、本実施の形態では上述の通り撹拌機構３０も兼ねている。
すなわち、氷結晶掻き取り機構６０はリボンスクリュー６１を備えており、回転軸を回転型モータ（図示略）で回転させることにより、螺旋状の羽根で容器２０の内面に生成された氷結晶３を掻き取る仕組みになっている。
氷結晶３はリボンスクリュー６１で掻き取られることで溶液１中に浮遊しながら粒状に成長していく。

【0031】

温度調節機構７０は、氷結晶生成中に溶液１の温度がなだらかに下降するように冷媒４２の温度を調節するためのものであり、溶液用温度センサー７１、冷媒用温度センサー７２及び制御装置７３から概略構成される。
溶液用温度センサー７１は溶液１の温度を測定するべく容器２０内に配置されており、冷媒用温度センサー７２は冷媒４２の温度を測定するべく冷媒タンク４１内に配置されている。
制御装置７３は溶液用温度センサー７１及び冷媒用温度センサー７２から出力される溶液１及び冷媒４２の温度情報を受信し、氷結晶生成中に溶液１の温度がなだらかに下降するように冷却装置本体４４の駆動を制御し、冷媒４２の温度低下速度を調節する。
溶液１は濃縮されて濃度が高くなるほど凝固温度が下がるため、氷結晶３を効率よく生成するには冷媒４２の温度を下げていく必要があるが、この際に、溶液１の温度がなだらかに下降するように冷媒４２の温度を動的に調節することで、過冷却を防止でき、溶液１を所望の濃度に調節することができ、更に氷結晶３への溶質の吸着量を抑えることができる。

【0032】

氷結晶除去機構８０は、生成した氷結晶３を除去して濃縮液４（図２参照）を得るためのものであり、本実施の形態では図２に示すように濾材８１及び濾過容器８２による濾過器８３で構成されている。濾過以外にも遠心分離法、圧搾分離法などを用いることができる。
容器２０内での凍結濃縮作業が終了したあと、容器２０内の溶液１を濾過器８３に投入することで、氷結晶３は濾材８１によって除去され、濾材８１を通過した濃縮液４のみを得る仕組みになっている。

【0033】

濃縮液４は溶液１中の水分の一部を氷結晶３として取り除いたものであり、溶液１の種類によって、果実ジュース、コーヒー、茶、牛乳、だし汁等の飲食品を製造する目的で利用できる。濃縮液４は、多量の水分を含む溶液１をそのまま輸送したり保管したりする場合と比較して輸送コストや保管コストの低減を図れるという利点があり、主にその目的のために調製されるが、そのまま他の飲食品等に添加して用いることもできる。
また、溶液１が日本酒の場合には、濃縮により溶質としての糖分が濃縮液４中に残るため、日本酒度を小さくする（甘口にする）ことができる。

【0034】

なお、上記実施の形態においては、界面前進凍結濃縮装置１０が予備冷却機構５０を備えるものとしたが、予備冷却機構５０を備えずに、冷却機構４０及び容器２０を用いて溶液１を予備冷却することにしてもよい。
また、冷却機構４０を複数用意しておけば、冷却工程を複数の冷却機構４０で同時並行で行うことができるので、濃縮作業を効率化できる。
また、撹拌機構３０が氷結晶掻き取り機構６０も兼ねるものとしたが、撹拌機構３０と氷結晶掻き取り機構６０を別体に設けてもよい。

【0035】

次に、本発明の界面前進凍結濃縮法について説明する。
まず、冷媒タンク４１には冷媒４２を満たしておき、容器２０には溶液１を入れると共に種結晶２を配置しておく（種結晶配置工程）。
そして、溶液１及び冷媒４２の温度測定を開始すると共に溶液１の撹拌を開始する（撹拌工程及び冷却工程）。
また、可能であれば溶液１の濃度測定も行っておくのが好ましい。
なお、開始時の溶液１の温度が−５℃程度、冷媒４２の温度が−１０℃程度になるように予備冷却しておくのが好ましい。

【0036】

冷却中の溶液１の温度は凝固点以下であればよいが、０〜−４０℃の範囲が望ましく、より好ましくは−１０〜−３０℃である。冷却温度が上記の範囲未満の場合は必要以上に冷却することとなり、電力消費量が大きくなってしまう。一方、上記の範囲を超える場合は上述した溶液１の凝固点降下の影響で水分の凍結が不十分になる可能性がある。
冷却中は溶液１の温度がなだらかに下降するように冷媒４２の温度を調節する必要がある（温度調節工程）。

【0037】

所定時間が経過すると、容器２０の内面に溶液１中の水分の層状晶析が行われ、氷結晶３が生成される（氷結晶生成工程）。
氷結晶生成中は、溶液１を撹拌しているため、固液界面において氷結晶３の周囲の溶液１に含まれる溶質が氷結晶３に取り込まれることなく、十分な物質移動が行われる。
また、容器２０の内面に生成した氷結晶３は連続的に掻き取ることで（氷結晶掻き取り工程）、氷結晶３を溶液１中に浮遊させながら成長させていく。
そして、所定時間が経過した時点で冷却を終了し、溶液１中の氷結晶３を濾過等により除去することで濃縮液４を得る（氷結晶除去工程）。
なお、溶液１の濃度測定を行っている場合には、所定の濃度に達した時点で冷却を終了することにすればよい。

【実施例】

【0038】

次に、本発明の界面前進凍結濃縮装置及び界面前進凍結濃縮法の実施例について説明する。
装置構成を表１に示す。

【表1】

各実施例（実施例１〜５）及び比較例（比較例１〜３）におけるサンプル量、たね氷の有無、冷却開始時の冷媒温度（冷媒開始温度）、冷媒降下温度の設定条件（降下設定温度）、リボンスクリューの回転数を表２及び表３に示す。

【表2】

【表3】

【0039】

溶液として日本酒の清酒と原酒を使用した。両者のアルコール濃度、日本酒度及び比重を表４に示す。

【表4】

各実施例及び比較例における経過時間と温度変化を示すグラフを表５及び表６に示す。

【表5】

【表6】

なお、表５の実施例１のグラフに表しているように、グラフの上の線がサンプル（溶液）温度を示し、下の線が冷媒温度を示している。表６も同様である。

【0040】

結果を表７及び表８に示す。

【表7】

【表8】

【0041】

［実施例１］
溶液として清酒を使用し、撹拌機構として撹拌装置２（表１参照）を使用した。
冷媒と溶液の温度差を管理し、徐々に冷媒の温度を下げていき、目標アルコール濃度に達した時点で試験終了とした。
温度差−3℃で開始したものの、温度が一向に低下しなかったため温度差を−4℃に変更した。
比較例１よりも回転数を上げたことで氷結晶へのアルコール吸着が低下した。これは撹拌によって氷相面の浸透圧が下げられ、氷の吸着が抑制されたためと考えられる。また、アルコール濃縮率も非常に大きくなった。しかし、温度差−3〜−4℃では濃縮時間が6時間半以上かかってしまい、作業効率はあまり良くないと言える。

【0042】

［実施例２］
溶液として清酒を使用し、撹拌機構として撹拌装置２を使用した。
温度差を−5℃に設定したところ、濃縮時間が2時間弱と大幅に短縮できた。
濃縮液の回収量は200mlで、歩留り50％を到達できた。
これにより撹拌方法と温度差管理が重要であることがわかる。

【0043】

［実施例３］
溶液として清酒を使用し、撹拌機構として撹拌装置２を使用した。
温度差を−4.5℃に設定した。実施例２の温度差−5℃と比較すると、試験時間は2時間30分から2時間45分と長くなったが、氷結晶に吸収されるアルコール濃度が低い。しかし、歩留りを比較するとどちらも大差はないことから、−5℃の場合でも試験終了後の吸引方法により吸着したアルコールを回収できる可能性がある。

【0044】

［実施例４］
溶液として、加水率の大きい清酒から原酒に変更した。
アルコール濃度の高い原酒にすると、目標までの濃度差が小さくなるため濃縮時間は大幅に短縮可能となった。歩留まりも約50%で清酒の結果とほぼ変わらない。
しかし、急速に氷を形成させるため、氷結晶へのアルコール吸着は多くなるようである。

【0045】

［実施例５］
溶液として原酒を使用した。
実施例４の結果を経て、温度差を4.5℃に設定したところ、測定時間や歩留まりはほぼかわらなかった。
温度差を4.5℃にしたことで氷へのアルコール吸着は少し抑えられた。氷へのアルコール吸着はまだ高いようであるが、実施例１の結果からもわかるように、温度差3〜4℃では溶液温度が下がりにくいため、4.5〜5.0℃の間の方が好ましい。

【0046】

［比較例１］
撹拌機構として撹拌装置１を使用した。
日本酒のアルコール濃度が高くなるほど凝固温度が低くなり、冷媒の温度を−8℃の一定にした場合には溶液の温度がほとんど下がらなくなるため、回転数を約160rpmに設定し、時間ごとに冷媒の温度を下げていき、濃縮していった。
また、底面に作った種氷を成長させ、単一氷結晶を作り、固液分離した。
数値的にはほとんど濃縮されていないことがわかる。また、氷へのアルコール吸着も12％と非常に高く、この方法では濃縮効率が非常に悪いことがわかる。

【0047】

［比較例２］
撹拌機構として撹拌装置１を使用した。
冷媒の温度を−15℃一定とした。
底面に作った種氷を成長させ、単一氷結晶を作り固液分離させる目的だったが、10分と経たないうちにシャーベット状の氷が形成された。アルコール濃度は上がったものの氷結晶への吸着が非常に高いことが分かる。これは、急速凍結が生じ、短時間で一気に冷やされたためと考えられる。
この方法では、より短時間でアルコールを濃縮することが可能であるが、一方でロスも多く非効率的である。

【0048】

［比較例３］
撹拌機構として撹拌装置２を使用した。
容器内に種氷を配置しなかったため、溶液の温度が急激に低下し冷媒との温度差5℃を保持するのが困難となった。
溶液温度が−10℃付近ではほぼシャーベット状となってしまい、濃縮液が回収できない状態になった。おそらく過冷却により急速凍結が生じたためと考えられる。グラフを見てみると、溶液温度−10℃付近で温度が急激に上昇しており、急速凍結によって凝固熱が発生したことが分かる。
氷結晶部分へのアルコール吸着も11.7%と非常に多く、収率も悪い。氷の核となる種氷は必要であることが再確認された。

【0049】

［考察］
［固液分離方法の改良］
比較例１及び２は底面に作った種氷を成長させ、単一氷結晶を作り固液分離させる方法であった。しかし、各実施例のように種氷に付着した氷結晶をリボンスクリューであえてかき取り、溶液中に粒状の氷結晶を成長させる手法によって短時間かつ歩留まり良く濃縮できることが分かった。また、短時間での実施により日本酒の品質劣化も防ぐことが可能となる。

【0050】

［種氷の必要性］
比較例３からわかるように、凍結濃縮法には固体の核となる種氷が必要不可欠である。種氷がない場合、溶液内が一気に冷却され急速凍結を生じ溶液全体がシャーベット状に固まってしまう。これによって液体の収率がほとんどなくなり、急速に冷却されたことで氷へのアルコール吸着率も増加する。

【0051】

［攪拌による浸透圧の低下］
界面前進凍結濃縮では、氷へのアルコール吸着によって歩留まりの低下が懸念される。そのため、高速回転のリボンスクリューで溶液内を攪拌し、浮遊する氷表面の浸透圧を下げることで氷結晶へのアルコール吸着を抑制できることが分かった。
また、高速回転によって溶液内全体が均等に混ざり、より短時間で濃縮できることも分かった。

【0052】

［溶液と冷媒の温度管理］
溶液は濃縮され濃度が高くなるほど凝固温度が下がるため、冷却温度を下げていく必要がある。各実施例では溶液と冷媒の温度をそれぞれ管理し、溶液の温度がなだらかに下降するように冷却していくことで、ある程度狙ったアルコール濃度に濃縮できることが分かった。
また、溶液と冷媒の温度差を狭めることで、氷結晶へのアルコール吸着がより抑えられることもわかった。今回の試験ではガラス製の容器を使用したため温度幅は4.5〜5.0℃の間が理想となった。

【0053】

［原酒を濃縮することで効率化を図る］
清酒（水で薄めたもの）を再度濃縮するよりも、原酒を濃縮する方が短時間で濃縮することが可能となり、効率が良いことが分かった。また、歩留まりもほとんど変わらず、原酒を濃縮する方がより所望のアルコール濃度に濃縮できることが分かった。
なお、濃縮によって日本酒度は小さくなる（甘口になる）ことが分かる。
また、今回は溶液として日本酒を用いたが、果汁等の水溶液でもほぼ同様の効果を得られることが推測できる。

【産業上の利用可能性】

【0054】

本発明は、過冷却を防止し、濃縮時間を短縮することで濃縮液の歩留まりを高めると共に品質劣化を抑えることができる界面前進凍結濃縮装置及び界面前進凍結濃縮方法に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。

【符号の説明】

【0055】

１ 溶液
３ 氷結晶
４ 濃縮液
１０ 界面前進凍結濃縮装置
２０ 容器
３０ 撹拌機構
４０ 冷却機構
５０ 予備冷却機構
６０ 氷結晶掻き取り機構
７０ 温度調節機構
８０ 氷結晶除去機構

【図1】

【図2】