食と水のコラボレーションが創る融合技術の展開（1）

(1) 湿潤材料の乾燥プロセス

(2) 乾燥現象を把握するモデル実験

図6に示すように、湿潤材料層の乾燥特性を把握する計測法として、断熱試料容器内の薄い層状の材料を温度、湿度、風速が一定で大風量の熱風の流れの中に置いて乾燥し、材料の重量と中心部位温度の経時変化を測定する場合を考える。このプロセスにおける材料の重量減少データから、「自由含水率」、つまり材料の初期含水率から熱風の温度と相対湿度に対応する「平衡含水率」を差し引いた値を求めて、材料温度と共に乾燥時間に対してプロットすると、図7(a)に示すような乾燥特性の実測曲線が得られる。これらの曲線から分かるように、乾燥プロセスは3期間に大別される。すなわち、Ⅰ：材料予熱期間（区間A-B）、Ⅱ：定率乾燥期間（区間B-C）、Ⅲ：減率乾燥期間（区間C-E）である。これらの各期間に生起する乾燥現象の特徴を分析するために、対象とする材料の「乾燥特性曲線」が求められる。

図6 湿潤粒子層の乾燥特性計測

(3) 予熱および定率乾燥期間の特性

通常、被乾燥材料の初期温度は熱風温度より低いため、材料温度曲線(図7A-B)に示されるように乾燥開始直後に上昇し、これに伴い乾燥速度も急上昇する。しかし、炊飯された直後の精白米のように、材料の初期温度が熱風温度より高い場合には実測曲線(A'-B)のように温度の低下傾向が観られる。このような場合を除いて、この期間の乾燥速度は材料表面に付着している水分蒸発速度の温度依存性により律速される。予熱期間が終了すると、材料表面が液状の水膜で覆われている状態が維持されている限り、材料温度は熱風の条件に平衡となる温度に到達して一定温度に維持される。このために、自由含水率曲線(図7B-C曲線)は乾燥時間に比例して減少するので、乾燥速度は一定値に維持され、定率乾燥期間が現出する。このモデル実験では、材料への熱の流入は主に熱風からの対流熱伝達によって行われるために、流入熱量の全てが材料表面の水分蒸発潜熱として消費される。また、熱風以外に熱の供給がない場合には、材料温度は近似的に熱風の湿球温度となる。したがって、定率乾燥速度は材料の種類によらずその大部分が熱風の条件に依存する。このような乾燥の挙動は、材料表面の水分蒸発速度に相当する速度で材料内部から液状水が供給され、材料の全表面が水膜で覆われている限り継続する。

(4) 定率乾燥から減率乾燥への移行現象

材料内部からの水の供給速度が材料表面の水分蒸発速度より遅くなって、水膜形成に必要な水の供給量が不足すると、材料全表面で水膜を維持することが困難となる。さらに材料表面の凹凸などの形状にも依存して、露出する乾燥スポットが表出する。さらに、堆積層サンプル内の水の蒸発面も後退し始めると、流入熱量は水分蒸発潜熱だけでなく、露出スポットを温める顕熱としても消費されるようになる。
堆積層サンプル全体の平均温度が上昇すると共に、乾燥速度は後退する蒸発面の位置に依存する水蒸気移動距離と細孔チャンネルの形状にも影響を受けて徐々に減少する（曲線C-E）。さらに乾燥が進行して材料の含水率が平衡含水率に到達した時点（プロットE）で乾燥が終了する。このように乾燥速度の減少変化を特徴づけられる区間が減率乾燥期間であり、定率から減率乾燥速度への移行点（プロットC）における含水率は「限界含水率」に相当する。

(5) 減率乾燥期間の多様な乾燥機構

減率乾燥期間の特徴は、供試サンプル内部の熱と水分の移動速度に律速される多様な乾燥速度にある。サンプル外部の熱風条件よりも材料の形態、特に細孔の3次元マトリクス構造や「移動物性値」などに依存する度合いが大きくなる。移動物性値は、運動量・熱エネルギー・物質などの移動現象に関与する熱伝導率や拡散係数などの物性値を比熱、粘性などと区別するために定義された物性値グループの総称である。
また、この期間の乾燥速度は破線曲線（C-E）のように単調減少する場合もあれば、曲線（C-D-E）に示すように明らかな変曲点（プロットD）を示す場合もあり、材料の種類によって曲線の形状は異なる。前者は液状水の拡散理論で説明され、石鹼などの均質固体や多くの農産物や食品材料で観測される。後者は比較的大きな細孔を有する多孔質固体や粉粒層の乾燥で変曲点が生起するが、この減率期間は便宜的に減率第1段（CD区間）および減率第2段（DE区間）に分類されている。

(6) 減率乾燥期間の水分移動現象

図7(B)に示した粒子状の固体堆積層の熱風乾燥減率第1段の乾燥速度が曲線CDのようにほぼ直線的に変化する場合には、材料内粒子層の間隙に連続して存在している索状水(funicular water)が、毛管力により材料表面方向に移動している状態にあると解釈されている。この段階の水移動機構は、蒸発面の材料内部への降下に伴って、索状水の連続性が維持できなくなり、細孔空間チャンネル内にぶら下がっている懸吊水(pendular water)や粒子の接触ポイントに保持されている楔（くさび）状水(wedge water）が蒸発するようになる。さらに乾燥が進行すると、粒子表面に数分子層として付着している水分子の「表面拡散現象」が生ずると考えられている。
これで述べた水の存在状態は、材料の平均含水率が平衡含水率に到達するまでの減率第2段後期(DE区間底部)における乾燥メカニズムを表現する数理モデルとして提唱されている。この期間では、これらの水が複合的に存在している場合が多く、モデリングによる乾燥速度の推算を試みた研究も数多く報告されている。しかし、これらの現象を詳細に把握するためには、近年、急速に発達している画像計測による可視化技術などの適用も考えられているが、現在でも主要な研究課題として残されている。

(7) 標準的乾燥特性(CDC)の重要性

これまで述べたように、標準的乾燥特性曲線には自由含水率に対する乾燥速度の3期間とそれぞれの乾燥速度、限界含水率、平衡含水率などのデータが含まれるので、各種材料の乾燥特性を把握した乾燥有効時間の設定、計測結果をスケールアップした実用装置の設計、さらに最適な操作条件を探索して省エネ効果を高めるためにも不可欠な情報源となっている。乾燥特性曲線（CDC)は、材料の自由含水率に対する乾燥速度の変化を示す曲線であり、特にこのモデル実験で得られた曲線は、全ての乾燥現象のメカニズムを含んでいるので、各種材料の乾燥特性を把握・検討するためのいわば標準的な「スケール」として一般に認識され、「標準的乾燥特性曲線」と称されている。したがって、このような計測曲線が記載されていない乾燥関係の論文等は無価値と評価されるほど重要視されている。特に、新しい材料や乾燥方式の乾燥装置に関する研究では、最初に計測すべき曲線となっており、これらを計測するために乾燥方法に応じた種々のモデル実験装置が考案されている。

(1) 食パン焼成プロセスの概況

大規模工場生産におけるパンの焼成は、生産現場で神様と称される職人が「エジプト文明以前から家内工業的に行われてきた」と説明する経験的加熱条件をオーブン内で再現する方法が採られている。このように、焼成条件はパンの種類に応じて、長年に渡る経験の積み重ねにより培われてきたが、生産規模の大小にかかわらず、加熱温度および焼成時間共に一定の条件下で行われる場合が多い。例えば、食パンの焼成条件は「加熱温度220℃、焼減率10％」であることが経験的に知られている。この条件を実現する基本的操作は、「オーブン内のパン生地に接触する空気温度を220℃に保ちながら焼成を続け、生地の初期重量に対する重量減少率、すなわち「焼減率」が10％に達した時点で終了する」ことになる。しかし、焼成温度および時間は生地の主原料である小麦粉の種類や原料の配合割合などにより変化させる必要がある。いずれにせよ、この最適な焼成条件はオーブン内で実現する必要があり、このために必要なオーブンの容積は巨大であり、また、必要エネルギーも製造工程中最大と推算されている。筆者らの調査によれば、大規模生産に適しているといわれている中種法で1時間当り6,000斤の食パンを生産している製造プラントでは、食パン1kgを生産するのに、約2.06MJのエネルギーを消費している。このうち焼成工程の主設備であるオーブンでは約0.8MJを必要とし、これは全消費エネルギーの約40%に相当する。

(2) 焼成プロセスで生ずる現象

一般に食パンの焼成プロセスにおける生地の外層および内層の変化、すなわち、食パンの“耳”と称されているクラストおよび内部の白色を呈しているクラムに生ずる現象は大まかに次のように分けられる。

• 1)オーブンスプリングと称される焼成初期における生地の急速な膨張
• 2)焼成中期におけるクラムの糊化、すなわちクッキング
• 3)焼成プロセスにおけるクラストの形成と着色
• 4)生地から焼成パンに至る過程における香気成分の生成と移動

また、前述した焼減率の提唱値10%はクラムのマトリクス状構造がグルテンの凝固と澱粉の糊化により固定化するのに要する時間、すなわち、生地の形状や大きさに関係なく、クラムの適正なクッキング時間を知るための指標である。しかし、消費者の多様な食嗜好を満足させる食パンを製造するためには、生地の原料配合割合に応じた加熱温度プログラムや焼成時間を探索する必要があり、前述した焼成条件もこれらの操作法を開発するための目安となる「標準的焼成条件」として認識されている。

(3) 生地の製作法と焼成現象の計測法

生地は多数の専門著作物に掲載されている「食パンの標準配合」（表3）を採用してミキシングし、大規模生産に適している中種法で発酵させた。最終発酵を終了した生地の体積はパン型の約8割を占め、焼成直前の含水率は47.1%w.b.となった。

この生地をパン型（内寸：80×80mm、重量266g）に詰めて、研究用に改造した電熱ヒーター加熱方式のデッキ型オーブンに収納した。この焼成特性計測システムでは、生地を詰めたパン型6個をオーブン中央部に配置し、これらのうち、1つのパン型をオーブン上部に設置した電子天秤に吊り下げてその重量変化を測定した（図８）。

図8 食パンの焼成特性計測システム

またローフ断面における試料内温度分布の経時変化を測定するために、図9に示すような熱電対ネットを作成し、重量測定用試料に隣接したパン型の中央断面に装着した。温度分布の変化は10秒間隔でパーソナルコンピュータに記録される。含水率分布は焼成の途中で重量測定用試料の焼減率が5%進むごとに、パン型を順次オーブンから取り出し、ローフ中央部断面から切り出した厚さ40㎜のスライスを対象にして、105℃、24時間の炉乾法を用いて測定した。さらに、クラスト表面色と香り成分の経時変化を測定した。

図9 試料内部温度分布測定用熱電対ネット

(1) 試料内温度分布

図10に標準的焼成設定温度220℃で焼成して計測したオーブン内空気温度と生地内温度分布の経時変化を示す。この図に示すように、空気温度が数カ所で急激に降下しているのは、オーブンの扉を開けて順次サンプルを取り出したためである。図中のA～Mは図９に示した熱電対ネットの温度測定点に対応している。クラスト層A～Cの温度は全焼成期間を通じて徐々に上昇するが、クラム内D～Mの温度は表面に近い所から順次上昇し、いずれの場合にも約100℃に到達すると、それ以降はこの温度に維持される。このことは試料表面から約3㎜の厚さにクラストが形成され、また、クラストとクラムは比較的明瞭に区別される熱的性質を持っていることを示している。同様にしてオーブン設定温度140℃と300℃の条件下で得られた結果は、いずれの場合にも図10と同様の温度パターンを示すが、設定温度条件が高いとクラストの温度上昇速度は速くなり、クラム内の温度は加熱温度条件に関係なく約100℃で均一な「平衡温度」に維持される。

図10 オーブン内温度と記事内温度分布の経時変化

(2) オーブンスプリング

温度曲線A～Dは焼成初期の段階で一時的に急激な温度低下を示す。これは焼成の開始に伴い、パン型内空間より低温度の生地が急激に膨張してこれらの熱電対と接触するためである。すなわち、クラスト形成前の「オーブンスプリング」と称される現象が全ての熱電対により検出されたことになる。オーブンスプリングの焼成温度依存性を検討するために、焼成初期における試料表面温度の経時変化を、焼成温度条件をパラメーターにして図11に示した。この図よりオーブンスプリングの終了時期は焼成温度条件が高くなるに伴って早くなり、焼成開始後2.7～3.8minで終了することが分かる。

図11 オーブンスプリング終了の時間帯

(3) 水分蒸発量と焼減率から焼成時間を求める線図

焼成プロセスにおける生地の重量減少が水分蒸発に起因するものと仮定し、図12に焼成温度条件をパラメーターにした水分蒸発量の経時変化曲線と焼減率レベルを示す直線を示した。その結果、水分蒸発曲線と焼減率直線の交点から焼成時間を推算することが可能となり、例えば、最適焼成条件とされている220℃と焼減率10%の交点から焼成時間24minが推定された。このようにしてオーブン設定温度140〜300℃の範囲から求めた焼成時間は、焼減率とほぼ比例関係にあることが分かった。

図12 オーブン温度と焼減率から焼成時間を求める線図

(4) 乾燥特性曲線

乾燥特性曲線は材料の含水率に対する乾燥速度の変化を示す曲線であり、対象材料の乾燥特性を把握して検討するためのいわば標準的スケールとして一般的に認識されている。図13に焼成プロセスにおける乾燥特性曲線の焼成温度依存性を示した。図中に示した焼減率0～20%の範囲に相当するプロットから、乾燥はいずれの焼成温度条件下でも予熱期間から始まり、定率乾燥期間の途中で終結することが分かる。

図13 含水率分布とクラスト厚さの変化

一般的に標準的乾燥特性曲線で定義される定率乾燥期間では、湿潤材料の表面が水膜で覆われている状態にあると解釈されている。しかし、焼成プロセスでは図14のクラスト表面に示すように、この期間では材料表面にクラストが形成されていて水膜も存在しない。つまり標準的な定率乾燥期間の現象とは異なることが分かる。この定率乾燥期間の特徴は、クラストを介して行われる熱移動と水蒸気移動の単位時間・単位面積当たりの移動速度、つまり「フラックス」の比が一定となる期間であり、いわば“見かけ”の定率乾燥期間である。つまりクラストを介して進行する熱流速qと水蒸気移動速度ｊ、つまり「フラックス」の比R＝ｊ/qが一定となる期間であり、クラムのクッキング温度は常時100℃に保たれる。ただし、定率乾燥速度はクラストを包むオーブン設定温度条件が高く設定されるに伴って、速くなることが分かる。

図14 焼成プロセスの熱物質移動現象

(5) クラスト表面色の変化パターン

焼成プロセスにおけるクラスト表面の品温と表面色の変化のパターンを同時に測定するために、極細線熱電対をクラスト表面の数か所に付置して局所品温を測ると共に、この測定箇所近傍の表面色をスポット測定した（図15）。このような測定法の工夫により、クラスト表面の凹凸変化により大幅に変動する表面色の測定ムラを回避して、クラスト表面の局所品温と1対1に対応する表面色との関係を精度良く検討できるデータが収録された。

図15 クラスト表面の温度と測定箇所

その結果、図16と図17に示すL*a*b*表色系の空間に、全ての表面色データをプロットすると、これらは1本の軌跡曲線に沿って分布することが分かり、この曲線を「着色特性曲線」(Characteristic Coloring Curve)」と定義した。つまり、特定の成分配合で作成した生地の焼成に伴うクラスト表面温度と表面色の関係は、オーブン内空気温度に依存する焼減率と良好な比例関係にある。さらに、a*b*値との非線形関係を求めることも可能となるので、最終的には、焼減率からクラスト表面色の変化も推算可能となった。実用的には、生地の原料配合、オーブン内空気温度、焼減率のデータを測定し、これに消費者の官能評価スコアを加えてデータベース化することにより、食パンに対する顧客の食嗜好を変革させ常連客へと導く最終製品の表面色を推算して、オーブン内空気温度の設計を制御することも可能となっている。

図16 着色特性曲線

図17 クラスト表面の着色特性曲線と反応温度の4期間