特許 7270146 食品加工装置

(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】

(24)【登録日】2023-04-27

(45)【発行日】2023-05-10

(54)【発明の名称】食品加工装置

(51)【国際特許分類】

   A23L 3/28 20060101AFI20230428BHJP

   B01J 19/12 20060101ALI20230428BHJP

【ＦＩ】

A23L3/28

B01J19/12 C

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2022560799

(86)(22)【出願日】2021-11-04

(86)【国際出願番号】 JP2021040501

(87)【国際公開番号】W WO2022097662

(87)【国際公開日】2022-05-12

【審査請求日】2022-10-05

(31)【優先権主張番号】P 2020184171

(32)【優先日】2020-11-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107641

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 耕一

(74)【代理人】

【識別番号】100163463

【弁理士】

【氏名又は名称】西尾 光彦

(72)【発明者】

【氏名】猪野 大輔

(72)【発明者】

【氏名】橋本 泰宏

【審査官】川崎 良平

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－２１３２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２５０５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２０９２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０１７１４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２０２０９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ２３Ｌ ３／００－ ３／３５９８

Ａ２３Ｌ ５／００－ ５／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

食品を収容するための空間を有する容器と、
前記空間に接する活性表面を有する触媒膜と、
前記触媒膜の厚さ方向において、前記活性表面よりも、前記活性表面の反対側に位置する前記触媒膜の主面に近い位置に配置され、紫外光を前記触媒膜に向かって出射する光源と、を備え、
前記触媒膜における前記紫外光の吸収率は、５０％以上であり、
前記光源から出射される前記紫外光は、前記空間に到達する前に前記触媒膜に入射する、又は、前記空間に到達しない、
食品加工装置。

【請求項2】

前記触媒膜は、前記紫外光の波長λ[ｎｍ]を変数とする下記のＦ（λ）の値以上であり、かつ、前記紫外光の波長を変数とする下記のＧ（λ）の値以下である、厚さｄ[ｎｍ]を有する、請求項１に記載の食品加工装置。
Ｆ（λ）＝４５６７３．６５－２８４．６５３２９×λ＋０．４４４０９×λ²
Ｇ（λ）＝１４９９２３．６２－８８２．７７３５７×λ＋１．３３０３７×λ²

【請求項3】

前記触媒膜は、前記活性表面を含む表面層と、前記主面を含む吸収層とを備える、請求項１又は２に記載の食品加工装置。

【請求項4】

前記触媒膜は、金属酸化物を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の食品加工装置。

【請求項5】

前記金属酸化物は、Ｔｉ_mＯ_nの組成を有し、
前記組成は、１≦ｍ≦２及び２≦ｎ≦３の条件を満たす、
請求項４に記載の食品加工装置。

【請求項6】

前記触媒膜は、前記活性表面を含む表面層と、前記主面を含む吸収層とを備え、
前記吸収層のＸ線回折パターンにおけるアナターセ相の相対強度Ｉ_KA及びルチル相の相対強度Ｉ_KRは、０．６≦Ｉ_KA≦１．０及びＩ_KR≦０．２の条件を満たし、
前記表面層は、アナターセ相を含み、ルチル相を実質的に含んでいない、
請求項５に記載の食品加工装置。

【請求項7】

前記表面層のＸ線回折パターンにおけるアナターセ相の相対強度Ｉ_HAは、０＜Ｉ_HA≦０．６の条件を満たす、請求項６に記載の食品加工装置。

【請求項8】

前記触媒膜の厚さ方向において、前記活性表面よりも前記主面に近い位置に配置され、前記触媒膜を支持する支持体をさらに備えた、請求項１から７のいずれか１項に記載の食品加工装置。

【請求項9】

前記支持体は、空洞を有し、
前記光源は、前記空洞に配置されている、請求項８に記載の食品加工装置。

【請求項10】

活性表面を有する触媒膜と、
前記触媒膜の厚さ方向において、前記活性表面よりも、前記活性表面の反対側に位置する前記触媒膜の主面に近い位置に配置され、紫外光を前記触媒膜に向かって出射する光源と、を備え、
前記触媒膜における前記紫外光の吸収率は、５０％以上であり、
請求項１から９のいずれか１項に記載の食品加工装置に用いられる、
触媒付き光源。

【請求項11】

食品を収容するための空間を有する容器と、
前記空間に接する活性表面を有する触媒膜と、
前記触媒膜の厚さ方向において、前記活性表面の反対側に配置され、前記触媒膜を支持する支持体と、
前記触媒膜の厚さ方向において、前記活性表面よりも、前記支持体に近い位置に配置され、紫外光を前記触媒膜に向かって出射する光源と、を備え、
前記触媒膜における前記紫外光の吸収率は、５０％以上であり、
前記光源から出射される前記紫外光は、前記空間に到達する前に前記触媒膜に入射する、又は、前記空間に到達しない、
食品加工装置。

【請求項12】

前記触媒膜は、前記紫外光の波長λ[ｎｍ]を変数とする下記のＦ（λ）の値以上であり、かつ、前記紫外光の波長を変数とする下記のＧ（λ）の値以下である、厚さｄ[ｎｍ]を有する、
請求項１１に記載の食品加工装置。
Ｆ（λ）＝４５６７３．６５－２８４．６５３２９×λ＋０．４４４０９×λ²
Ｇ（λ）＝１４９９２３．６２－８８２．７７３５７×λ＋１．３３０３７×λ²

【請求項13】

前記触媒膜は、前記活性表面を含む表面層と、主面を含む吸収層とを備える、
請求項１１又は１２に記載の食品加工装置。

【請求項14】

前記触媒膜は、金属酸化物を含む、
請求項１１から１３のいずれか１項に記載の食品加工装置。

【請求項15】

前記金属酸化物は、Ｔｉ_mＯ_nの組成を有し、
前記組成は、１≦ｍ≦２及び２≦ｎ≦３の条件を満たす、
請求項１４に記載の食品加工装置。

【請求項16】

前記触媒膜は、前記活性表面を含む表面層と、主面を含む吸収層とを備え、
前記吸収層のＸ線回折パターンにおけるアナターセ相の相対強度Ｉ_KA及びルチル相の相対強度Ｉ_KRは、０．６≦Ｉ_KA≦１．０及びＩ_KR≦０．２の条件を満たし、
前記表面層は、アナターセ相を含み、ルチル相を実質的に含んでいない、
請求項１５に記載の食品加工装置。

【請求項17】

前記表面層のＸ線回折パターンにおけるアナターセ相の相対強度Ｉ_HAは、０＜Ｉ_HA≦０．６の条件を満たす、
請求項１６に記載の食品加工装置。

【請求項18】

前記支持体は、空洞を有し、
前記光源は、前記空洞に配置されている、
請求項１１に記載の食品加工装置。

【請求項19】

前記支持体を構成する材料は、ガラスである、
請求項１１に記載の食品加工装置。

【請求項20】

活性表面を有する触媒膜と、
前記触媒膜の厚さ方向において、前記活性表面の反対側に配置され、前記触媒膜を支持する支持体と、
前記触媒膜の厚さ方向において、前記活性表面よりも、前記支持体に近い位置に配置され、紫外光を前記触媒膜に向かって出射する光源と、を備え、
前記触媒膜における前記紫外光の吸収率は、５０％以上であり、
請求項１１から１９のいずれか１項に記載の食品加工装置に用いられる、
触媒付き光源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、食品加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、食品の加工のために光触媒を用いることが知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、光触媒を用いた醸造物の製造方法が記載されている。この製造方法において、醸造物の中の微生物を殺菌する際に、槽に入れた醸造物を常温下で撹拌部材によって撹拌しながら撹拌部材等の所定の部材の表面に担持された光触媒に励起光が照射される。図７に示す通り、特許文献１には、この醸造物の製造方法の一例である日本酒の製造に用いられる微生物殺菌装置３００が記載されている。図７によれば、微生物殺菌装置３００において、励起光の光源３１０は、槽３０１の外部に配置されている。加えて、撹拌羽根３０９の表面にアナターゼ型の酸化チタンの皮膜が形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００３－２５０５１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示は、光を用いて食品を加工するときに、食品の変質を抑制しつつ反応速度を高める観点から有利な食品加工装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の食品加工装置は、
食品を収容するための空間を有する容器と、
前記空間に接する活性表面を有する触媒膜と、
前記触媒膜の厚さ方向において、前記活性表面よりも、前記活性表面の反対側に位置する前記触媒膜の主面に近い位置に配置され、紫外光を前記触媒膜に向かって出射する光源と、を備え、
前記触媒膜における前記紫外光の吸収率は、５０％以上である。

【発明の効果】

【0007】

本開示の食品加工装置は、食品の変質を抑制しつつ反応速度を高める観点から有利である。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施の形態１の食品加工装置を模式的に示す断面図である。

【図2】図２は、様々な厚さを有する触媒膜の特性を評価するための装置の断面図である。

【図3】図３は、図２に示す装置で用いた光の強度スペクトルである。

【図4A】図４Ａは、ギ酸の分解反応の反応速度定数と触媒膜の厚さとの関係を示すグラフである。

【図4B】図４Ｂは、ギ酸の分解反応の反応速度定数と触媒膜の厚さとの関係を示すグラフである。

【図4C】図４Ｃは、ギ酸の分解反応の反応速度定数と触媒膜の厚さとの関係を示すグラフである。

【図5】図５は、触媒膜の厚さの上限値及び下限値と、励起光の波長との関係を示すグラフである。

【図6】図６は、触媒膜のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンにおけるアナターセ相及びルチル相の相対強度と焼成温度との関係を示すグラフである。

【図7】図７は、従来技術に係る微生物殺菌装置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（本開示の基礎となった知見）
光触媒を用いて食品を加工するときに、食品が収容された容器の外側から容器の内部に配置された光触媒に励起光を照射することが考えられる。例えば、特許文献１に記載の微生物殺菌装置３００では、撹拌羽根３０９の表面に形成されたアナターゼ型の酸化チタンの皮膜に槽３０１の外部の光源３１０からの光が照射されている。

【0010】

一方、本発明者らの検討によれば、紫外光を含む励起光が光触媒に入射する前に容器に収容された食品を透過すると、本来起こるべきではない、食品に含まれる成分の紫外光による変質又は劣化が生じうることが分かった。そこで、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、光源から出射された紫外光を触媒膜の活性表面とは反対側の主面から触媒膜に入射させることが食品に含まれる成分の変質又は劣化を防止する観点から有利であることを新たに見出した。本発明者らは、さらに検討進め、触媒膜が所定の条件を満たすことにより、食品の加工のための反応の反応速度を高めることができることを新たに見出した。このような新たな知見に基づき、本発明者らは、本開示の食品加工装置を完成させた。

【0011】

（本開示の実施形態）
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的、又は具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置、及び接続形態、プロセス条件、ステップ、ステップの順序等は一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。

【0012】

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の食品加工装置１ａを模式的に示す断面図である。食品加工装置１ａは、容器１０と、触媒膜２０と、光源３０とを備えている。容器１０は、食品Ｆを収容するための空間１５を有する。食品Ｆは、食品原料であってもよい。触媒膜２０は、空間１５に接する活性表面２１ａを有する。光源３０は、触媒膜２０の厚さ方向において、活性表面２１ａよりも、活性表面２１ａの反対側に位置する触媒膜２０の主面２２ａに近い位置に配置されている。光源３０は、紫外光Ｕを触媒膜２０に向かって出射する。触媒膜２０における紫外光Ｕの吸収率は、５０％以上である。

【0013】

触媒膜２０の主面２２ａに入射した紫外光Ｕの光量の大部分が触媒膜２０において吸収される。触媒膜２０における紫外光Ｕの吸収により、触媒膜２０において多数の励起子が生成される。例えば、触媒膜２０と紫外光Ｕとの相互作用により、触媒膜２０の広い範囲で電子と正孔との対として励起子が生成される。励起子は数ナノ秒から数十ナノ秒の有限の寿命を有し、その寿命の期間に触媒膜２０を拡散する。例えば、触媒膜２０における励起子の濃度は主面２２ａから活性表面２１ａに向かって指数関数的に減少する。励起子の多くはこのような濃度勾配による拡散により、活性表面２１ａと食品Ｆとの界面に到達する。この界面に到達した励起子は、食品Ｆに含まれる酸素分子、水分子、及び反応基質と、触媒膜２０との間で、電荷移動反応を生じさせ、活性種を生成する。その結果、食品Ｆの加工に必要な光化学反応が選択的に進行する。なお、触媒膜２０と紫外光Ｕとの相互作用により生成される励起子が電荷分離し、電子及び正孔等のキャリアとして振る舞ってもよい。

【0014】

食品原料を含む食品は、紫外光の照射に対して敏感である。紫外光が食品に照射されると、食品の変質又は劣化が生じ、食品が本来有するフレーバーとは異なる、腐敗臭、悪臭、及び人工臭等の異臭が感じられることがある。フレーバー、味覚、及び食感は、食品の三大要素である。その中でもフレーバーは重要な要素である。このため、そのような異臭の発生は、食品の価値を大きく下げる要因となりうる。一方、食品加工装置１ａによれば、食品Ｆに紫外光Ｕが到達する前に触媒膜２０において紫外光Ｕの光量の大部分が吸収されるので、高強度の紫外光が食品Ｆに照射されにくい。触媒膜２０における紫外光Ｕの吸収率は光源３０から出射される紫外光Ｕの波長に応じて変化させることができる。このため、光源３０として、様々な種類の光源を利用できる。このように、食品加工装置１ａによれば、紫外光による食品の変質又は劣化を防止でき、主に、食品加工のための目的の反応を促すことができる。

【0015】

食品に含まれる有機物が関与する様々な化学反応のうち、光が重要な働きをする光化学反応がある。固体触媒等と光が相互作用した結果起こる光触媒反応も光化学反応である。固体触媒と光が相互作用した結果起こる光触媒反応と、有機分子と光が直接相互作用した結果起こる光化学反応とを区別するため、ここでは、後者を「有機光化学反応」と呼ぶ。

【0016】

有機光化学反応が起こるには、反応する分子による光吸収が必要である。光吸収は分子を構成する官能基又は分子骨格により起こる。様々な有機分子のうち、波長２５０ｎｍから４５０ｎｍの波長域に光吸収をもつものは、ベンゼン類、ピリジン類、チオフェン類、フラン類、及びカルボニル基等の炭素－酸素二重結合を有する化合物である。これらは、人間の嗅覚に対して相互作用を起こす芳香族化合物に含まれうる。食品は多種多様な高分子及び低分子の混成であるので、上記の化合物の個々の有機光化学反応を分子レベルで追跡することは極めて困難である。一方、人間の嗅覚を用いた官能評価で有機光化学反応の起きた食品を調べると、本来食品が有する香りとは異なる異臭の発生の有無を調べることができる。

【0017】

食品加工装置１ａを用いてなされる食品Ｆの加工は、特定の加工に限定されない。この加工は、食品Ｆの殺菌のための加工であってもよいし、食品Ｆに含まれる成分を別の成分に変化させる加工であってもよい。食品加工装置１ａは、醸造に用いられてもよく、醸造以外の食品製造及び食品加工に用いられてもよい。

【0018】

例えば、触媒膜２０における紫外光Ｕの吸収率が５０％以上であるように触媒膜２０の厚さが調整されている。触媒膜２０の厚さは、例えば、触媒膜２０の透過スペクトルに現れる干渉パターンに基づいて決定できる。

【0019】

触媒膜２０における紫外光Ｕの吸収率は、例えば、以下の方法によって求めることができる。光源３０における発光スペクトルを取得し、発光スペクトルにおいて最大の光強度に対する半値全幅に対応する波長範囲Δλを特定する。分光光度計を用いて、触媒膜２０の吸収スペクトルを測定する。波長範囲Δλにおける発光スペクトルの光強度の積分値Ｉ_Iを求める。触媒膜２０の吸収スペクトルに基づき、その波長範囲において触媒膜２０によって吸収される光強度の積分値Ｉ_Aを求める。積分値Ｉ_I及び積分値Ｉ_Aに基づき式（１）から吸収率Ａを決定する。
Ａ[％]＝１００×Ｉ_A／Ｉ_I 式（１）

【0020】

触媒膜２０における紫外光Ｕの吸収率は、５５％以上であってもよく、６０％以上であってもよく、７０％以上であってもよい。触媒膜２０における紫外光Ｕの吸収率は、１００％であってもよく、９８％以下であってもよく、９５％以下であってもよい。

【0021】

物質における光吸収に関し、下記の式（２）に示すLambertの法則が知られている。式（２）において、Ｉ₀は、物質中を光が伝搬するときの入射光強度であり、Ｉは、透過光強度であり、αは吸収係数、ｄは物質の厚さである。吸収係数αは、物質の紫外光に対する応答特性に関連しており、波長の関数である。触媒膜２０において、光の波長が短いほど吸収係数αの値が大きくなりやすい。
ｌｏｇ（Ｉ₀／Ｉ）=αｄ 式（２）

【0022】

紫外光と触媒膜との相互作用が強く、触媒膜をなす物質の吸収係数αが大きい場合、触媒膜に入射された紫外光は、触媒膜の一部を伝搬した段階でその光強度が大きく減衰する。このため、紫外光が入射した触媒膜の入射面の反対側の触媒膜の主面まで紫外光が伝播することは難しい。一方、紫外光と触媒膜との相互作用が弱く、触媒膜をなす物質の吸収係数αが小さい場合、触媒膜に入射された紫外光は、紫外光が入射した触媒膜の入射面の反対側の触媒膜の主面まで伝播する。紫外光の光強度はそれほど減衰せず、触媒膜の外部に紫外光が漏れる。触媒膜２０は、望ましくは、紫外光Ｕの波長λに対して所定の範囲の吸収係数α［ｃｍ^-1］を有する。紫外光Ｕの波長λにおける吸収係数αは、例えば、波長λが３６５ｎｍであるときに１９７１．８ｃｍ^-1であり、波長λが３５０ｎｍであるときに７３４７．３ｃｍ^-1であり、波長λが３３０ｎｍであるときに１８０３９．７ｃｍ^-1である。換言すると、吸収係数αは、例えば、１９７１．８ｃｍ^-1から１８０３９．７ｃｍ^-1である。これにより、触媒膜２０における紫外光Ｕの光強度の減衰が所望の程度に調整されやすい。

【0023】

光源３０から出射される紫外光Ｕの波長は特定の値に限定されず、例えば３２０ｎｍから３７５ｎｍである。これにより、触媒膜２０において紫外光Ｕが適切に吸収される。

【0024】

光源３０は、特定の光源に限定されず、例えば、高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ、蛍光剤を含む蛍光灯型光源、又は発光ダイオード（ＬＥＤ）でありうる。光源３０は、望ましくは単色光源である。この場合、紫外光Ｕの波長範囲が狭いので触媒膜２０の厚さの調整がしやすい。

【0025】

典型的には、触媒膜２０の厚さには、上限及び下限が存在する。なぜなら、光源３０の発光スペクトルは、デルタ関数として表現されるのではなく、有限のスペクトル幅を有しており、触媒膜２０の紫外光応答特性である紫外光吸収スペクトルは連続関数だからである。

【0026】

触媒膜２０の厚さは、例えば、紫外光Ｕの波長を変数とする下記式（３）に示す関数Ｆ（λ）の値以上であり、かつ、紫外光Ｕの波長を変数とする下記式（４）に示す関数Ｇ（λ）の値以下である。この場合、紫外光Ｕが触媒膜２０において良好に吸収されて多数の励起子が生成されて触媒膜２０を拡散し、食品Ｆの加工のための反応の反応速度が高くなりやすい。加えて、紫外光Ｕの触媒膜２０への入射に伴う透過光の強度が小さくなりやすく、食品Ｆが変質又は劣化することを防止できる。Ｆ（λ）及びＧ（λ）の単位は、［ｎｍ］であり、Ｆ（λ）及びＧ（λ）にはλを［ｎｍ］で表示したときの数値が代入される。
Ｆ（λ）＝45673.65-284.65329λ＋0.44409λ² 式（３）
Ｇ（λ）＝149923.62－882.77357λ＋1.33037λ² 式（４）

【0027】

触媒膜２０は、複数層を有する膜であってもよいし、単層膜であってもよい。図１に示す通り、触媒膜２０は、例えば、表面層２１と、吸収層２２とを有する。表面層２１は、活性表面２１ａを有する。吸収層２２は、主面２２ａを有する。吸収層２２は、紫外光Ｕを吸収して励起子を生成し、生成された励起子を活性表面２１ａに向かって移動させる役割を担う。表面層２１は、活性表面２１ａと食品Ｆとの界面で電荷移動反応を生じさせる役割を担う。

【0028】

吸収層２２は、紫外光Ｕの吸収媒体として機能しうる。活性表面２１ａと食品Ｆとの界面で起こる電荷移動反応の回数は、触媒膜２０で吸収された光子の数より大きくなることはない。このため、食品Ｆの加工のための反応の反応速度を高めるために、触媒膜２０に入射された紫外光Ｕは、吸収層２２の内部で十分に吸収されることが望ましい。例えば、触媒膜２０の厚さがＦ（λ）以上であるように吸収層２２の厚さが調整される。吸収層２２は、励起子の伝導媒体としても機能しうる。吸収層２２の内部で生成した励起子は、数ナノ秒から数十ナノ秒の有限寿命τ（秒）において吸収層２２の内部を拡散して活性表面２１ａと食品Ｆとの界面に到達しうる。この界面に到達できなかった励起子は励起した電子と正孔との再結合により失活する。この場合、励起子の生成に使用された光エネルギーは、化学反応を生じさせることなく熱エネルギーに変換され、無駄になる。このため、例えば、触媒膜２０の厚さがＧ（λ）以下であるように吸収層２２の厚さが調整される。

【0029】

触媒膜２０における励起子の拡散速度をｖ[μｍ／秒]と表すと、励起子の最大拡散距離はτ×ｖと近似できる。τは、励起子の励起状態ダイナミクスを反映しており、材料の電子状態及び欠陥密度等の要因の影響を受ける。加えて、触媒膜２０における結晶相もτに影響を与えうる。これらを踏まえて吸収層２２の材料を調整することにより、食品加工装置１ａを用いて食品Ｆの加工に必要な反応の反応速度をより確実に高めることができる。

【0030】

表面層２１は、活性表面２１ａを有し、触媒反応を促す。触媒反応の素過程は、固体表面で起こる化学反応である。このため、触媒としての性能は、バルクとしての構造ではなく、活性表面２１ａにおける微細構造によって決まりやすい。活性表面２１ａは、例えば、表面凹凸等の所定の微細な構造を有する。これにより、活性表面２１ａの表面積が大きくなりやすい。その結果、活性表面２１ａへの食品Ｆに含まれる成分Ｃの物質輸送速度を十分に高めることにより、食品Ｆの加工に必要な反応の反応速度をより確実に高めることができる。

【0031】

表面層２１の厚さ及び吸収層２２の厚さのそれぞれは、触媒膜２０における紫外光Ｕの吸収率が５０％以上である限り、特定の値に限定されない。吸収層２２の厚さは、例えば表面層２１の厚さより大きい。これにより、吸収層２２において紫外光Ｕを良好に吸収できる。表面層２１の厚さは、例えば、数ナノメートルから数十ナノメートルであってもよい。表面層２１の厚さが数ナノメートルである場合、表面層２１は、例えば単一層として形成されうる。表面層２１の厚さが数十ナノメートルである場合、表面層２１は、例えば複数層として形成されうる。表面層２１の厚さ及び吸収層２２の厚さのそれぞれは、例えば、触媒膜２０の断面の電子顕微鏡像に基づき決定できる。この場合、表面層２１の厚さ及び吸収層２２の厚さのそれぞれは、無作為に選んだ１０箇所以上の厚さの算術平均値として決定できる。

【0032】

触媒膜２０は、例えば、金属酸化物を含んでいる。これにより、触媒膜２０において紫外光Ｕが良好に吸収され、食品Ｆの加工のための反応の反応速度をより確実に高めることができる。

【0033】

触媒膜２０に含まれる金属酸化物は、特定の金属酸化物に限定されず、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化シリコン、酸化アルミニウム、又はゼオライトであってもよい。なお、本明細書において、シリコンを含む酸化物は「金属酸化物」に含まれる。

【0034】

触媒膜２０に含まれる金属酸化物は、Ｔｉ_mＯ_nの組成を有していてもよい。この組成は、１≦ｍ≦２及び２≦ｎ≦３の条件を満たす。この場合、食品Ｆの加工のための反応の反応速度をより確実に高めることができる。

【0035】

触媒膜２０において、表面層２１をなす材料と、吸収層２２をなす材料とは、同一種類の材料であってもよいし、異なる種類の材料であってもよい。例えば、触媒膜２０において、表面層２１をなす材料と、吸収層２２をなす材料とが異なる材料であると、表面層２１の機能をより高めつつ吸収層２２の機能をより高めやすい。

【0036】

吸収層２２のＸＲＤパターンにおけるアナターセ相の相対強度Ｉ_KA及びルチル相の相対強度Ｉ_KRは、例えば０．６≦Ｉ_KA≦１．０及びＩ_KR≦０．２の条件を満たす。一方、表面層２１は、例えば、アナターセ相を含み、ルチル相を実質的に含んでいない。これにより、食品Ｆの加工のための反応の反応速度をより高めることができる。ルチル相を実質的に含んでいないとは、ＸＲＤパターンにおいてルチル相の相対強度がゼロとみなせることを意味する。吸収層２２において、励起子の最大拡散距離は、吸収層２２のＸＲＤパターンにおけるアナターセ相の相対強度Ｉ_KAと単純に正の相関があり、ルチル相の相対強度Ｉ_KRとは単純に負の相関がある。このため、吸収層２２が０．６≦Ｉ_KA≦１．０及びＩ_KR≦０．２の条件を満たすことが有利である。活性表面２１ａにおける表面積を大きくするためには、表面層２１の比表面積を高めることが有利であると考えられる。表面層２１が、アナターセ相を含み、ルチル相を実質的に含んでいないと、表面層２１の比表面積が高まりやすい。

【0037】

表面層２１のＸ線回折パターンにおけるアナターセ相の相対強度Ｉ_HAは、０＜Ｉ_HA≦０．６の条件を満たしていてもよい。これにより、表面層２１の比表面積が高くなりやすく、食品Ｆの加工のための反応の反応速度をより高めやすい。

【0038】

吸収層２２のＸＲＤパターンにおけるアナターセ相の相対強度Ｉ_KA及びルチル相の相対強度Ｉ_KRは、０＜Ｉ_KA＜０．６及びＩ_KR≦０．２の条件を満たしていてもよい。表面層２１のＸ線回折パターンにおけるアナターセ相の相対強度Ｉ_HAは、０．６＜Ｉ_HA≦１．０の条件を満たしていてもよい。表面層２１のＸ線回折パターンにおけるルチル相の相対強度Ｉ_HRは、Ｉ_KR≦０．２の条件を満たしていてもよい。

【0039】

図１に示す通り、食品加工装置１ａは、例えば、支持体２５をさらに備えている。支持体２５は、触媒膜２０の厚さ方向において、活性表面２１ａよりも主面２２ａに近い位置に配置されており、触媒膜２０を支持している。これにより、食品加工装置１ａにおいて、触媒膜２０が安定的に存在しうる。

【0040】

支持体２５の材料は、特定の材料に限定されず、例えばガラスである。支持体２５は、典型的には、紫外光Ｕに対する光応答特性が低く、紫外光Ｕに対し高い透過率を有する。支持体２５の材料の例は、石英ガラス及びホウケイ酸ガラスである。

【0041】

支持体２５の形状は、触媒膜２０を支持できる限り、特定の形状に限定されない。支持体２５は、例えば空洞２５ｈを有する。光源３０は、例えば、空洞２５ｈに配置されている。支持体２５は、例えば筒状である。支持体２５は、中空の球状であってもよく、中空の多面体状であってもよい。

【0042】

図１に示す通り、食品加工装置１ａは、撹拌器４０をさらに備えていてもよい。撹拌器４０は、例えば、回転軸と、回転軸に取り付けられた撹拌翼とを備えている。食品Ｆの加工のための反応の反応速度を高めるために、食品Ｆを触媒膜２０の活性表面２１ａに高速で輸送することが有利である。物質移動としては、濃度勾配に伴う拡散移動と、場の流れに乗って移動する対流移動とがある。撹拌器４０の作動により、食品Ｆにおいて物質輸送速度が高くなる。撹拌器４０の作動により、触媒膜２０と食品Ｆとの界面で食品に含まれる成分Ｃの濃度が高く保たれやすい。加えて、撹拌器４０の作動により、容器１０の空間１５における食品Ｆの場の流れの発達を促すことができる。撹拌器４０の回転軸は容器１０の上方又は下方から挿入されうる。

【0043】

図１に示す通り、触媒付き光源２を提供できる。触媒付き光源２は、触媒膜２０と、光源３０を備えている。触媒付き光源２は、食品加工装置１ａに用いられる。

【実施例】

【0044】

実施例により本開示の食品加工装置をより詳細に説明する。なお、本開示の食品加工装置は、以下の実施例に限定されない。

【0045】

＜実施例１＞
図１に示す食品加工装置１ａと同様の構成を有する、ベンチトップ型の実施例１に係る食品加工装置を作製した。この食品加工装置の容器には、３００ｃｍ³の液体を収容することが可能であった。支持体として石英ガラス製のスリーブを用いた。このスリーブは、長さ２１０ｍｍ及び外径５４ｍｍの円筒状であり、スリーブの長さ方向の一端は閉じられていた。セン特殊光源社製の高圧水銀ランプＨＬ１００をスリーブの内部に光源として配置した。光源の消費電力は１００Ｗであった。光源のバルブ長さは１２．７ｃｍであり、その発光部の長さは８．５ｃｍであった。光源の出射光の波長は３６５ｎｍであった。光源の出射光の光強度は光源からの距離に反比例して減少し、ランプ表面から２０ｍｍ離れた位置における出射光の光強度は、１００ｍＷ／ｃｍ²であった。容器の底面には、磁気撹拌子を配置した。

【0046】

スリーブの外面にゾルゲル法により触媒膜を形成した。０．０９２ｍｏｌ（２１ｇ）のチタニウムエトキシドを撹拌しながら、チタニウムエトキシドに２０％の質量濃度の塩酸１４．６ｃｍ³を徐々に加え、混合液を得た。得られた混合液に、６ｇの界面活性剤プルーロニクＰ１２３と７４ｃｍ³の１－ブタノールとを混和した溶液を加えて３時間撹拌し、ゾルＡを得た。プルーロニクＰ１２３の平均分子量は５８００であった。３０００回転毎分（ｒｐｍ）及び３０秒間のスピンコーティングによって、ゾルＡをスリーブの外面に塗布し、塗膜を形成した。この塗膜を５００℃の電気炉中で２時間焼成し、約４００ｎｍから５００ｎｍの厚さの触媒薄膜を得た。この塗膜の形成及び塗膜の焼成からなる工程を４回繰り返して、実施例１に係る吸収層を得た。３０００回転毎分（ｒｐｍ）及び３０秒間のスピンコーティングによって、実施例１に係る吸収層の上にゾルＡを塗布し、塗膜を形成した。この塗膜を５００℃の電気炉中で２時間焼成して実施例１に係る表面層を形成し、吸収層及び表面層によって構成された実施例１に係る触媒膜を得た。

【0047】

日本分光社製の紫外可視近赤外分光光度計Ｖ－７７０を用いて、実施例１に係る触媒膜の波長２００ｎｍから２５００ｎｍの範囲における透過スペクトルを取得した。この透過スペクトルに現れる干渉パターンから、日本分光社提供の膜厚計算プログラムを用いて実施例１に係る触媒膜の厚さを求めた。その結果、実施例１に係る触媒膜の厚さは、２０２８.０ｎｍであった。

【0048】

紫外可視近赤外分光光度計Ｖ－７７０を用いて、波長３６５ｎｍ、３５０ｎｍ、及び３３０ｎｍにおける実施例１に係る触媒膜の光吸収率を求めた。その結果、実施例１に係る触媒膜の光吸収率は、表１に示す通りであった。

【0049】

【表1】

【0050】

実施例１に係る食品加工装置の容器に１０質量％の酵母水溶液を入れた。酵母水溶液の温度は５℃に調整した。食品加工装置の光源を９６時間点灯させ、その後光源を消灯した。光源の点灯中に磁気撹拌子を回転させて酵母水溶液を撹拌した。フナコシ社提供のLipid Hydroperoxide Assay Kitを用いて、光源の点灯直前の酵母水溶液及び光源の消灯直後の酵母水溶液から採取した液体サンプルにおける過酸化脂質濃度を比色法に従って求めた。その結果、反応生成物である過酸化脂質の濃度は、光源の消灯直後において、光源の点灯直前に比べて増加していることが確認された。

【0051】

実施例１に係る食品加工装置の容器に、モデル食品原料水溶液として、１０ｍｇ／リットルの濃度のギ酸水溶液を入れた。ギ酸水溶液の温度は室温に調整した。光源を点灯させ、所定時間経過後に光源を消灯させ、ギ酸水溶液の一部を液体サンプルとして採取した。液体サンプルにおけるギ酸の濃度を高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）によって測定した。この測定結果から得られた反応速度に関するデータと、１次の反応速度式を用いて、光触媒反応の反応速度定数ｋを求めた。その結果、ｋ＝６．４[ｈ^-1]であった。本明細書において「ｈ」は時間を意味する。反応したギ酸の量は、３．７ｍｇ／リットルであった。

【0052】

＜実施例２＞
下記の点以外は、実施例１と同様にして実施例２に係る食品加工装置を作製した。０．０２５ｍｏｌ（２．５２ｇ）のアセチルアセトン及び０．０５ｍｏｌ（１７．５０ｇ）のチタニウムブトキシドをこの順で３２ｃｍ³の１－ブタノールに混和し、室温で１時間撹拌して、混合液を得た。この混合液に、０．１５ｍｏｌ（９．０５ｇ）のイソプロパノール及び３．６４ｃｍ³の水を混合した液を混和し、更に１時間撹拌し、混合液を得た。この混合液に０．０４ｍｏｌ（１．６６ｇ）のアセトニトリルを加えて１時間撹拌し、ゾルＢを得た。ゾルＢを６０００ｒｐｍ及び３０秒間のスピンコーティングにより吸収層の表面に塗布し、６００℃の電気炉中で２時間焼成して実施例２に係る表面層を形成し、吸収層及び表面層によって構成された実施例２に係る触媒膜を得た。実施例２に係る触媒膜の厚さを実施例１に係る触媒膜と同様にして測定した。その結果、実施例２に係る触媒膜の厚さは、２１５６．０ｎｍであった。紫外可視近赤外分光光度計Ｖ－７７０を用いて、波長３６５ｎｍ、３５０ｎｍ、及び３３０ｎｍにおける実施例２に係る触媒膜の光吸収率を求めた。その結果、実施例２に係る触媒膜の光吸収率は、表２に示す通りであった。これらの波長における実施例２に係る触媒膜の光吸収率は、５０％以上であった。

【0053】

【表2】

【0054】

実施例１に係る食品加工装置の代わりに、実施例２に係る食品加工装置を用いた以外は、実施例１と同様にして、１０ｍｇ／リットルの濃度のギ酸水溶液を用いて光触媒反応の反応速度定数ｋを求めた。その結果、ｋ＝９．６[ｈ^-1]であった。

【0055】

＜比較例１＞
下記の点以外は、実施例１と同様にして比較例１に係る食品加工装置を作製した。触媒膜の形成において、実施例１に係る吸収層に相当する層を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様にして、比較例１に係る触媒膜を形成した。比較例１に係る触媒膜の厚さは、実施例１に係る触媒膜と同様の方法で測定したところ、７９．７ｎｍであった。紫外可視近赤外分光光度計Ｖ－７７０を用いて、波長３６５ｎｍ、３５０ｎｍ、及び３３０ｎｍにおける比較例１に係る触媒膜の光吸収率を求めた。その結果、比較例１に係る触媒膜の光吸収率は、表３に示す通りであった。これらの波長における比較例１に係る触媒膜の光吸収率は、５０％未満であった。

【0056】

【表3】

【0057】

実施例１に係る食品加工装置の代わりに、比較例１に係る食品加工装置を用いた以外は、実施例１と同様にして、１０ｍｇ／リットルの濃度のギ酸水溶液を用いて光触媒反応の反応速度定数ｋを求めた。その結果、ｋ＝１．１[ｈ^-1]であった。反応したギ酸の量は、０．３ｍｇ／リットルであった。

【0058】

表４に示す通り、実施例１及び２に係る食品加工装置における光触媒反応の反応速度定数は、比較例１に係る食品加工装置における光触媒反応の反応速度定数より高かった。紫外光の波長における触媒膜の光吸収率が５０％以上であることが光触媒反応の反応速度定数を高めるうえで有利であることが理解される。

【0059】

【表4】

【0060】

＜触媒膜の厚さについての評価＞
図２に示す装置３を作製した。装置３は、容器３１と、撹拌器３３と、Ｏリング３５と、サンプルＳと、ミラー３８とを備えていた。容器３１は、中央に貫通孔を有する板状の上部部材３１ａと、中央に凹部を有する板状の下部部材３１ｂとを有していた。サンプルＳは、石英ガラス製の支持板２５ｓと、支持板２５ｓ上に形成された触媒膜２０ｓとを有していた。支持板２５ｓは、平面視で３０ｍｍ平方の正方形状であった。サンプルＳは、触媒膜２０ｓが支持板２５ｓの上方に位置するように下部部材３１ｂの凹部に収容されていた。上部部材３１ａと下部部材３１ｂとの間にＯリング３５を配置して上部部材３１ａ及び下部部材３１ｂを組み付けて容器３１を構成した。Ｏリング３５は、上部部材３１ａの下面において中央開口に接する縁及び触媒膜２０ｓの周縁に接触しており、これらの隙間をシールしていた。ミラー３８は、水平方向にミラー３８に入射した紫外光ＵをサンプルＳに導くように容器３１の下方に配置されていた。

【0061】

サンプルＳにおける触媒膜２０ｓは、ゾルゲル法によって形成した。ゾルＡと同一の条件でゾルを調製し、このゾルを支持板２５ｓにスピンコーティングにより塗布して塗膜を形成した。この塗膜を５００℃の電気炉中で２時間焼成し、触媒膜２０ｓを得た。塗膜の形成及び焼成の回数を調整することにより、厚さの異なる触媒膜２０ｓを有する９つのサンプルＳを準備した。これらのサンプルにおける触媒膜２０ｓの厚さは、４１１．５ｎｍ、８２８．０ｎｍ、１１５１．０ｎｍ、１５１１．５ｎｍ、２１５６．０ｎｍ、２８２６．５ｎｍ、３４９０．５ｎｍ、４１５４．５ｎｍ、及び４８１９．０ｎｍであった。各サンプルＳにおける触媒膜２０ｓの厚さは、実施例１に係る触媒膜の厚さと同様にして決定した。

【0062】

朝日分光社製のキセノンランプＭＡＸ３０３と単色化用バンドパスフィルターとを組み合わせて、中心波長が３３０ｎｍ、３５０ｎｍ、及び３６５ｎｍである３種類の単色化された紫外光を調整した。単色化された紫外光の光強度スペクトルを図３に示す。これらの紫外光のバンド幅は中心波長±５ｎｍであった。朝日分光社製のロッドレンズである光強度空間均一化レンズを用いて、紫外光Ｕの照射面における光強度が均一になるように単色化された紫外光の光強度を調整した。その結果、触媒膜２０ｓの表面における光強度は、３ｍＷ／ｃｍ²であり、触媒膜２０ｓの表面の全体において均一であった。

【0063】

１０ｍｇ／リットルの濃度のギ酸水溶液を容器３１の内部に入れた。ギ酸水溶液の容量は５ミリリットルであった。撹拌器３３を回転させてギ酸水溶液を撹拌した。上記の様に調整された紫外光Ｕを容器３１の底面に導き支持体２５ｓを通過させて触媒膜２０ｓに照射した。紫外光Ｕを触媒膜２０ｓに照射してから所定時間経過後のギ酸水溶液から採取した液体サンプルにおけるギ酸の濃度をＨＰＬＣによって測定した。この測定結果から得られた反応速度に関するデータと、１次の反応速度式を用いて、光触媒反応の反応速度定数を求めた。紫外光Ｕの調整のために、中心波長が３６５ｎｍ、３５０ｎｍ、及び３３０ｎｍである３種類の単色化された紫外光を用いた場合の結果をそれぞれ図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃに示す。

【0064】

図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃにおいて、触媒膜の厚さに対する反応速度定数がプロットされている。図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃにおけるプロットは、上に凸のピーク形状を有していた。加えて、紫外光Ｕの波長が長いほど、プロットのピークが長波長側にシフトする傾向がみられた。図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃに示すグラフのそれぞれにおいて、Giddingsのピーク関数を用いてデータを最小二乗フィッティングした。このフィッティングにより得られた関数を図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃにおいて実線のグラフで示している。フィッティングにより得られた関数において反応速度定数が最大値の７０％以上を示す波長の上限値及び下限値を特定した。得られた上限値及び下限値と紫外光Ｕの波長との関係を図５に示す。上限値と紫外光Ｕの波長との関係及び下限値と紫外光Ｕの波長との関係のそれぞれを二次関数Ａ＋Ｂ×λ＋Ｃ×λ²で近似した。この近似により、上記の式（３）に示すＦ(λ)及び式（４）に示すＧ（λ）が得られた。

【0065】

＜実施例４から６＞
所定の基板上にゾルＡをスピンコーティングにより塗布して塗膜を形成し、４００℃から１０００℃の範囲の所定の温度に設定された電気炉によってこの塗膜を２時間焼成し、ＸＲＤ測定用膜を形成した。リガク社製のＸＲＤ装置RINT-TTR IIIを用い、ＸＲＤ測定用膜のＸＲＤパターンを得た。Ｘ線としてＣｕ－Ｋα線を用いた。得られたＸＲＤパターンからアナターセ相の相対強度及びルチル相の相対強度を求めた。これらの相対強度と塗膜の焼成温度との関係を図６に示す。得られたＸＲＤパターンにおいて、アナターセ相の（１０１）面に由来する２５．３°付近のピークの面積を、最大強度を示すピークの面積で除してアナターセ相の相対強度を求めた。また、ルチル相の（１１０）面に由来する２７．５°付近のピークの面積を、最大強度を示すピークの面積で除してルチル相の相対強度を求めた。

【0066】

下記の点以外は、実施例１と同様にして実施例４、５、及び６に係る食品加工装置を作製した。触媒膜の形成において吸収層のためのゾル塗膜の焼成温度及び表面層のためのゾル塗膜の焼成温度を表５に示す通り調整した。実施例４、５、及び６に係る食品加工装置における触媒膜の厚さは、実施例１に係る触媒膜と同様にして測定したところ、約２１００ｎｍであった。実施例１と同様にして、波長３６５ｎｍ、３５０ｎｍ、及び３３０ｎｍにおける実施例４、５、及び６に係る食品加工装置における触媒膜の光吸収率を求めた。その結果、実施例４、５、及び６に係る触媒膜の光吸収率は、表６に示す通りであった。これらの波長における各触媒膜の光吸収率は、５０％以上であった。

【0067】

【表5】

【0068】

【表6】

【0069】

実施例１に係る食品加工装置の代わりに、実施例４、５、及び６に係る食品加工装置を用いた以外は、実施例１と同様にして、１０ｍｇ／リットルの濃度のギ酸水溶液を用いて光触媒反応の反応速度定数ｋを求めた。図６に示す関係から推定される吸収層のＸＲＤパターンのアナターセ相及びルチルの相対強度、図６に示す関係から推定される表面層のＸＲＤパターンのアナターセ相及びルチルの相対強度、及び反応速度定数ｋの関係を表７に示す。表７において、Ｉ_KA及びＩ_KRは、それぞれ、吸収層のＸＲＤパターンのアナターセ相及びルチルの相対強度を示し、Ｉ_HA及びＩ_HRは、それぞれ、吸収層のＸＲＤパターンのアナターセ相及びルチルの相対強度を示す。なお、吸収層は、表面層を形成するときに、表面層を形成するためのゾルの塗膜によって覆われている。このため、吸収層のＸＲＤパターンのアナターセ相及びルチルの相対強度は、表面層の形成のための焼成の影響をほとんど受けない。

【0070】

【表7】

【0071】

＜異臭の発生有無の評価＞
装置３における石英ガラス製の支持板２５ｓの上に、ゾルＡと同様にして調製したゾルをスピンコーティングにより塗布し、塗膜を形成した。この塗膜を５００℃の電気炉中で２時間焼成した。塗膜の形成及び塗膜の焼成を４回繰り返して吸収層を形成した。吸収層の上に、ゾルＡと同様にして調製したゾルをスピンコーティングにより塗布し、塗膜を形成した。この塗膜を５００℃の電気炉中で２時間焼成し、表面層を形成した。このようにして、サンプルＪを作製した。支持板２５ｓは、平面視で３０ｍｍ平方の正方形状であった。

【0072】

サンプルＪにおける吸収層に相当する層を形成しなかったこと以外は、サンプルＪと同様にしてサンプルＫを作製した。支持板２５ｓをそのままサンプルＬとして使用した。

【0073】

装置３において、サンプルＳの代わりにサンプルＪ、Ｋ、Ｌのそれぞれを用い、かつ、ギ酸水溶液の代わりに酵母水溶液を用いた以外は、サンプルＳを用いた場合と同様にして１０ｍｇ／リットルの濃度の酵母水溶液を反応させた。反応後の液体サンプルにおける異臭の有無につき、３名の評価者によって２点式別試験法に従った官能評価を実施した。その結果、サンプルＪを用いた場合には、３名の評価者の全員が反応後の液体サンプルにつき異臭を感じなかった。一方、サンプルＫ及びＬを用いた場合には、３名の評価者の全員が反応後の液体サンプルにつき異臭を感じた。サンプルＪを用いた場合、酵母水溶液に含まれる成分の紫外光による劣化は起こっておらず、サンプルＫ及びＬを用いた場合には、酵母水溶液に含まれる成分の紫外光による劣化が起こっていることが示唆された。

【産業上の利用可能性】

【0074】

本開示の食品加工装置は、食品原料を含む様々な食品の加工において有用である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5】

【図6】

【図7】