TopicBase
バルセロナ自治大学の食品研究拠点CIRTTA-UABと、バルセロナ・マイクロエレクトロニクス研究所（IMB-CNM-CSIC）の研究チームが、電場を使い、20℃の室温で脱脂乳の水分を減らす実験に成功しました。液体を微細な液滴にする「エレクトロスプレー」を用い、ある実験条件では固形分濃度が12.3％から36.8％に上昇しました。完全に乾燥した粉乳には至っておらず、今後は処理量の拡大やエネルギー効率、最終製品の微生物学的な安定性を検証します。
電場で液滴を細かくし、室温で水分を蒸発
粉乳は食品産業で広く使われ、冷蔵せずに長期間保存・輸送できる形態です。従来の工業的な乾燥工程は高温と多くのエネルギーを必要とし、熱に敏感な乳清タンパク質や酵素、ビタミンに変化を及ぼすことがあります。
今回使ったエレクトロスプレーは、強い電場によって液体の表面張力を上回る力を加え、多数の微細な液滴に分裂させる技術です。液滴をさらに小さくすると、室温でも水分が蒸発しやすくなります。組織工学やセンサー製造などでは既に利用されていますが、牛乳の脱水を対象とした研究は今回が初めてです。
研究成果は学術誌「Innovative Food Science and Emerging Technologies」に掲載され、液体製品を脱水する手法の特許出願手続きも進んでいます。研究チームは、熱に敏感な成分を含む牛乳や果汁などの液体食品を、加熱せずに乾燥させる技術として検討しています。
毎分0.01mLの低流量で濃縮が進む
実験はIMB-CNM-CSICの微細加工用クリーンルームで行われ、水で溶き戻した脱脂乳を装置に注入しました。使用したエレクトロスプレー装置は「Fluidnatek LE-10」で、印加電圧は29kV、液体を出す先端から回収部までの距離は10cmに設定しました。
水分の除去に大きく影響したのは、装置へ送り込む液体の流量でした。毎分0.2mLでは処理後の固形分濃度はほとんど変わらなかった一方、毎分0.01mLでは12.3％から36.8％へ上昇しました。研究チームは、流量が少ないほど液滴の体積に対する電荷が大きくなり、液滴の分裂と水分の蒸発が進むためだと考えています。
研究チームは、回収した液滴の大きさや除去した水分量に加え、タンパク質を分離して調べるゲル電気泳動で、主要な乳タンパク質への影響も分析しました。対象はカゼインと乳清タンパク質で、CIRTTA-UABのマヌエル・カスティージョ教授は、結果がこれらの成分の構造を変えない可能性を示唆すると評価しています。
既存の膜濃縮とは水分を取り除く仕組みが異なる
牛乳の水分を減らす既存技術には、膜を使って成分を分離・濃縮する膜ろ過があります。その一つである逆浸透膜（RO）は、通常3MPaを超える圧力で浸透圧に逆らって水を膜の反対側へ移動させ、乳成分を濃縮します。電場で液滴を分裂させて蒸発を促す今回の方法とは、水分を取り除く仕組みが異なります。
逆浸透膜では乳成分を高い割合で保持でき、製品や膜の条件によっては固形分濃度を30％超にできます。到達できる濃度や処理性能は、液体の粘度、浸透圧、膜の汚れやすさ、前処理、装置の圧力制限などに左右されます。
工業設備との処理量の隔たりと次の検証
工業規模の例として、インド・グジャラート州のAmulFed Dairyには、毎時9万Lの牛乳を処理する設備があります。この処理量を毎分に換算すると1500Lで、今回濃縮が進んだ実験流量の毎分0.01mLに対して1億5000万倍、約8桁の差があります。
研究チームは今回の成果を技術検証の最初の段階と位置づけており、試験条件下では完全に乾いた粉乳を得られませんでした。処理能力、エネルギー効率、生産規模を拡大できるかどうかも、今後の実証課題です。
IMB-CNM-CSICのリベルタット・アバド研究員は、今後、液体の流量、印加電圧、液滴が移動する距離を最適化する方針を示しています。あわせて、液滴の放出点を複数設ける構成を調べて生産量の拡大を目指し、消費エネルギーと最終製品の微生物学的な安定性を評価する予定です。
