JP7165570B2 - 発酵状態モニタリング装置及び発酵状態モニタリング方法 - Google Patents

Description

本開示は、発酵状態モニタリング装置及び発酵状態モニタリング方法に関する。

例えば牛乳を発酵させて製造するヨーグルトでは、発酵が進むことで牛乳中の乳糖が乳酸に分解され、液体中のｐＨ値が発酵前の状態から低下することが知られている。実際の製造現場においても、発酵中の液体からサンプルを抽出し、ｐＨ計などを使用して発酵の進み具合を検査している。しかしながら、このような検査方法は破壊検査に相当するため、製造中の発酵食品の全数検査に適用することは困難である。

非破壊で製造中の発酵食品を検査する方法としては、例えば非特許文献１に記載の方法が挙げられる。この非特許文献１には、近赤外分光法を用いてヨーグルトの発酵過程をモニタリングする技術が開示されている。非特許文献１では、牛乳の発酵により牛乳中の成分が変化して近赤外光に対する吸収スペクトルのオフセットが変化することに着目し、オフセット変化量を多変量解析することで、オフセット変化量とｐＨとの間に相関があることを示している。

鄭卿子、中尾史、中村昇二、「近赤外分光法によるヨーグルト発酵過程のモニタリング」、農業機械学会誌（２００７年）第６９巻、第３号、１９－２４頁

しかしながら、上述した非特許文献１では、オフセット変化量とｐＨとの間に相関があることについて示されているに過ぎず、発酵中の発酵食品の挙動を解析して発酵の良否を判定できる程度の評価はなされていない。また、発酵食品の種類によっては紙製或いはプラスチック製の密閉された製品容器内で発酵を行うものがある。この場合、近赤外光分光法では検査光が製品容器に対する透過性を有しないことがあり、製品容器内の発酵状態をモニタリングすることが困難な場合がある。

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、製品容器内の発酵状態を非破壊でモニタリングすることが可能な発酵状態モニタリング装置及び発酵状態モニタリング方法を提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る発酵状態モニタリング装置は、密閉された製品容器内の発酵中の発酵食品に対してテラヘルツ波による検査光を出力するテラヘルツ波出力部と、製品容器内の発酵食品で反射した検査光の戻り光を検出するテラヘルツ波検出部と、検査光に対する戻り光の反射率或いは検査光に対する戻り光の吸収係数を含む指標値に基づいて、発酵食品の発酵進度を判定する判定部と、を備える。

この発酵状態モニタリング装置では、テラヘルツ波を検査光として密閉された製品容器内の発酵中の発酵食品に対して出力する。テラヘルツ波は、例えば紙製或いはプラスチック製の製品容器に対する透過性を有しており、製品容器内の発酵食品に対する非破壊検査が可能となる。また、戻り光の反射率或いは戻り光の吸収係数は、発酵中の発酵食品のｐＨ値に対する相関を有している。したがって、これらのパラメータを指標値とすることで、発酵食品の発酵進度をリアルタイムで判定することができる。

また、テラヘルツ波の周波数は、１ＴＨｚ以下であってもよい。この周波数帯域では、紙製或いはプラスチック製の製品容器に対するテラヘルツ波の透過性を十分に確保できる。また、ｐＨ値に対する指標値の相関が更に強まるため、発酵進度の判定精度を高めることが可能となる。

また、判定部は、指標値についての第１の指標閾値と、発酵開始からの経過時間についての第１の時間閾値とを保有し、発酵開始からの経過時間が第１の時間閾値に達したときに、指標値が発酵開始時の値から第１の指標閾値まで減少していなかった場合には、発酵食品の発酵状態に異常があると判定してもよい。これにより、発酵初期の発酵状態の異常を判定することができる。

また、判定部は、第１の指標閾値よりも低い値に設定される第２の指標閾値と、第１の時間閾値よりも後の時刻に設定される第２の時間閾値とを保有し、指標値が第２の指標閾値まで減少した時刻が第２の時間閾値を超えていた場合には、発酵食品の発酵状態に異常があると判定してもよい。これにより、発酵後期の発酵状態の異常を判定することができる。

また、判定部は、指標値が第１の指標閾値まで減少した第１の時刻と、指標値が第２の指標閾値まで減少した第２の時刻とをそれぞれ記憶し、第１の時刻と第２の時刻との間の指標値の減少の傾きが一定の範囲内でない場合には、発酵食品の発酵状態に異常があると判定してもよい。これにより、発酵状態の進行具合の異常を判定することができる。

また、テラヘルツ波検出部は、戻り光を検出する第１の検出部と、検査光の一部を検出する第２の検出部と、第１の検出部による検出信号と、第２の検出部による検出信号との差分を検出する差分検出部と、を有していてもよい。この場合、テラヘルツ波出力部によるテラヘルツ波の出力ドリフトの影響を排除でき、発酵進度の判定精度を高めることが可能となる。

また、発酵状態モニタリング装置は、検査光を発酵食品に向けて導光する検査ヘッドを備えていてもよい。この場合、発酵室などに静置される発酵食品に対して検査ヘッドのみを近接して配置することが可能となる。したがって、多数の発酵食品のモニタリングを実施する場合などの作業性を良好に確保できる。

また、本開示の一側面に係る発酵食品モニタリング方法は、密閉された製品容器内の発酵中の発酵食品に対してテラヘルツ波による検査光を出力する出力ステップと、製品容器内の発酵食品で反射した検査光の戻り光を検出する検出ステップと、検査光に対する戻り光の反射率或いは検査光に対する戻り光の吸収係数を含む指標値に基づいて、発酵食品の発酵進度を判定する判定ステップと、を備える。

この発酵食品モニタリング方法では、テラヘルツ波を検査光として密閉された製品容器内の発酵中の発酵食品に対して出力する。テラヘルツ波は、例えば紙製或いはプラスチック製の製品容器に対する透過性を有しており、製品容器内の発酵食品に対する非破壊検査が可能となる。また、戻り光の反射率或いは戻り光の吸収係数は、発酵中の発酵食品のｐＨ値に対する相関を有している。したがって、これらのパラメータを指標値とすることで、発酵食品の発酵進度をリアルタイムで判定することができる。

また、テラヘルツ波の周波数を１ＴＨｚ以下としてもよい。この周波数帯域では、紙製或いはプラスチック製の製品容器に対するテラヘルツ波の透過性を十分に確保できる。また、ｐＨ値に対する指標値の相関が更に強まるため、発酵進度の判定精度を高めることが可能となる。

また、判定ステップにおいて、指標値についての第１の指標閾値と、発酵開始からの経過時間についての第１の時間閾値とを用い、発酵開始からの経過時間が第１の時間閾値に達したときに、指標値が発酵開始時の値から第１の指標閾値まで減少していなかった場合には、発酵食品の発酵状態に異常があると判定してもよい。これにより、発酵初期の発酵状態の異常を判定することができる。

また、判定ステップにおいて、第１の指標閾値よりも低い値に設定される第２の指標閾値と、第１の時間閾値よりも後の時刻に設定される第２の時間閾値とを用い、指標値が第２の指標閾値まで減少した時刻が第２の時間閾値を超えていた場合には、発酵食品の発酵状態に異常があると判定してもよい。これにより、発酵後期の発酵状態の異常を判定することができる。

また、判定ステップにおいて、指標値が第１の指標閾値まで減少した第１の時刻と、指標値が第２の指標閾値まで減少した第２の時刻とをそれぞれ記憶し、第１の時刻と第２の時刻との間の指標値の減少の傾きが一定の範囲内でない場合には、発酵食品の発酵状態に異常があると判定してもよい。これにより、発酵状態の進行具合の異常を判定することができる。

また、検出ステップにおいて、戻り光の検出と、検査光の一部の検出とを行い、戻り光の検出結果と、検査光の一部の検出結果との差分を検出してもよい。この場合、テラヘルツ波出力部によるテラヘルツ波の出力ドリフトの影響を排除でき、発酵進度の判定精度を高めることが可能となる。

また、出力ステップ及び検出ステップにおいて、検査光を発酵食品に向けて導光する検査ヘッドを用いてもよい。この場合、発酵室などに静置される発酵食品に対して検査ヘッドのみを近接して配置することが可能となる。したがって、多数の発酵食品のモニタリングを実施する場合などの作業性を良好に確保できる。

本開示によれば、製品容器内の発酵状態を非破壊でモニタリングすることができる。

発酵状態モニタリング装置の一例を示す概略構成図である。 発酵状態モニタリング装置の別例を示す概略構成図である。 製品容器に対する検査光の照射態様を示す図である。 製品容器に対する検査ヘッドの配置例を示す図である。 テラヘルツ波の反射率とｐＨ値との相関を示すグラフである。 テラヘルツ波の吸収係数とｐＨ値との相関を示すグラフである。 テラヘルツ波の屈折率とｐＨ値との相関を示すグラフである。 テラヘルツ波の周波数の違いによる反射率とｐＨ値との相関の強さを示すグラフである。 テラヘルツ波の周波数の違いによる吸収係数とｐＨ値との相関の強さを示すグラフである。 テラヘルツ波の周波数の違いによる屈折率とｐＨ値との相関の強さを示すグラフである。 発酵進度の判定に用いる閾値の設定例を示す図である。 判定の前段フローの一例を示す図である。 判定の後段フローの一例を示す図である。 検査光の照射態様の別例を示す概略図である。 検査光の照射態様の更なる別例を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る発酵状態モニタリング装置及び発酵状態モニタリング方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
［発酵状態モニタリング装置の全体構成］

図１は、発酵状態モニタリング装置の一例を示す概略構成図である。この発酵状態モニタリング装置１Ａは、テラヘルツ波Ｔを用いることにより、密閉された製品容器Ｐ内の発酵中の発酵食品Ｓの発酵進度を非破壊で判定する装置として構成されている。発酵状態モニタリング装置１Ａを適用する発酵食品Ｓとしては、例えばヨーグルト、醤油、味噌、酒、チーズ、パンなどが挙げられる。以下の説明では、発酵食品Ｓがヨーグルトである場合について例示する。

一般に、ヨーグルトの製造にあたっては、まず、原料乳を調合及び殺菌し、乳酸菌を添加する。次に、乳酸菌を添加した原料乳を密閉された製品容器に充填し、製品容器の包装などを行った後、温度が一定に保たれた発酵室内で発酵させる。発酵室にて４時間～６時間程度の発酵を行った後、酸度が０．７％～０．８％程度に上昇したことを確認し、発酵を終了する。ヨーグルトでは、発酵が進むことで牛乳中の乳糖が乳酸に分解され、液体中のｐＨ値が発酵前の状態から低下することが知られている。発酵状態モニタリング装置１Ａは、テラヘルツ波Ｔの反射率が発酵中の発酵食品ＳのｐＨ値に対する相関を有するとの知見に基づいて構成されたものであり、製品容器Ｐ内で発酵中の発酵食品Ｓにテラヘルツ波Ｔを照射し、テラヘルツ波Ｔの反射率を指標値として計測することで、発酵食品Ｓの発酵進度を判定する。

発酵状態モニタリング装置１Ａは、図１に示すように、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子（テラヘルツ波出力部）２０、テラヘルツ波検出素子（テラヘルツ波検出部）４０、λ／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３ａ、光検出器５３ｂ、差動増幅器５４、ロックイン増幅器５５、及び判定部５６を備える。

光源１１は、一定の繰返し周期でパルス光を出力する。光源１１は、より具体的には、フェムト秒オーダのパルス幅を有するパルスレーザ光を出力するフェムト秒パルスレーザ光源である。分岐部１２は、例えばビームスプリッタであり、光源１１から出力されたパルス光を分岐し、分岐したパルス光のうちの一方をポンプ光Ｌ１としてミラーＭ１へ出力し、他方をプローブ光Ｌ２としてミラーＭ４へ出力する。

チョッパ１３は、分岐部１２とミラーＭ１との間のポンプ光Ｌ１の光路上に設けられ、一定の周期でポンプ光Ｌ１の通過および遮断を交互に繰り返す。分岐部１２から出力されチョッパ１３を通過したポンプ光Ｌ１は、ミラーＭ１～Ｍ３により順次に反射され、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。

テラヘルツ波発生素子２０は、ポンプ光Ｌ１の入力によってテラヘルツ波Ｔをパルスとして発生せる素子である。テラヘルツ波発生素子２０は、例えば非線形光学結晶（例えばＺｎＴｅ）、光導電アンテナ素子（例えばＧａＡｓを用いた光スイッチ）、半導体（例えばＩｎＡｓ）、超伝導体などによって構成されている。テラヘルツ波発生素子２０が非線形光学結晶によって構成される場合、テラヘルツ波発生素子２０では、ポンプ光Ｌ１の入射に伴って発現する非線形光学現象によってテラヘルツ波Ｔが発生する。

テラヘルツ波Ｔは、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ～１００ＴＨｚ程度（その中でも０.１ＴＨｚ～１０ＴＨｚ程度）の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。また、テラヘルツ波は、一定の繰返し周期で発生し、パルス幅は数ピコ秒程度となっている。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波Ｔは、検査光ＴａとしてミラーＭ９によって製品容器Ｐに導光される。検査光Ｔａは、製品容器Ｐ内の発酵食品Ｓの界面で反射することで発酵食品Ｓの光学情報（ここでは反射率）を取得した後、戻り光Ｔｂとなる。戻り光Ｔｂは、ミラーＭ１０によって反射し、合波部１６に導光される。

一方、分岐部１２から出力されたプローブ光Ｌ２は、ミラーＭ４～Ｍ８により順次に反射され、偏光子１５を通過して、合波部１６に入力される。４個のミラーＭ４～Ｍ７は光路長差調整部１４を構成している。すなわち、ミラーＭ５およびＭ６が移動することで、ミラーＭ４およびＭ７とミラーＭ５およびＭ６との間の光路長が調整され、プローブ光Ｌ２の光学系の光路長が調整される。すなわち、光路長差調整部１４は、分岐部１２から合波部１６に到るまでのポンプ光Ｌ１及びテラヘルツ波Ｔの光学系の光路と、分岐部１２から合波部１６に到るまでのプローブ光Ｌ２の光学系の光路との差を調整する。

合波部１６は、製品容器Ｐからの戻り光Ｔｂとプローブ光Ｌ２と合波し、戻り光Ｔｂ及びプローブ光Ｌ２を互いに同軸の状態でテラヘルツ波検出素子４０に導光する。合波部１６としては、例えばペリクルが用いられる。ペリクルは、堅固な支持枠に接着され薄く引き伸ばされたフィルム状のミラーである。

テラヘルツ波検出素子４０は、テラヘルツ波Ｔとプローブ光Ｌ２との間の相関を検出する素子である。テラヘルツ波検出素子４０が電気光学結晶によって構成される場合、テラヘルツ波検出素子４０では、戻り光Ｔｂであるテラヘルツ波Ｔの伝搬に伴い、ポッケルス効果により複屈折が誘起される。また、複屈折によりプローブ光Ｌ２の偏光状態が変化する。このときの複屈折量は、テラヘルツ波の電場強度に依存する。したがって、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光Ｌ２の偏光状態の変化量は、テラヘルツ波Ｔの電場強度に依存する。

偏光分離素子５２は、例えばウォラストンプリズムによって構成されている。偏光分離素子５２は、テラヘルツ波検出素子４０から出力され、λ／４波長板５１を経たプローブ光Ｌ２を互いに直交する２つの偏光成分に分離して出力する。光検出器５３ａ，５３ｂは、例えばフォトダイオードによって構成されている。光検出器５３ａ，５３ｂは、偏光分離素子５２により偏光分離されたプローブ光Ｌ２の２つの偏光成分のパワーを検出し、検出パワーに応じた値の電気信号を差動増幅器５４へ出力する。

差動増幅器５４は、光検出器５３ａ，５３ｂそれぞれから出力された電気信号を入力し、両電気信号の値の差に応じた値を有する電気信号をロックイン増幅器５５へ出力する。ロックイン増幅器５５は、チョッパ１３におけるポンプ光Ｌ１の通過／遮断の繰返し周波数を参照信号として、差動増幅器５４から出力される電気信号を同期検出する。ロックイン増幅器５５は、同期検出の結果に応じた値の電気信号を判定部５６に出力する。ロックイン増幅器５５から出力される電気信号は、テラヘルツ波Ｔの電場強度に依存する値を有する。テラヘルツ波Ｔとプローブ光Ｌ２との間の相関を検出し、テラヘルツ波Ｔの電場振幅を検出することにより、発酵中の発酵食品Ｓについてのテラヘルツ波Ｔの反射率の情報を得ることができる。

判定部５６は、指標値に基づいて発酵食品Ｓの発酵進度を判定する部分である。判定部５６は、物理的には、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、及びＣＰＵ等のプロセッサ、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えたコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータとしては、例えばパーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。判定部５６は、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）といった集積回路によって構成されていてもよい。判定部５６の動作については後述する。

また、図２は、発酵状態モニタリング装置の別例を示す概略構成図である。この別例に係る発酵状態モニタリング装置１Ｂは、テラヘルツ波Ｔの吸収係数が発酵中の発酵食品ＳのｐＨ値に対する相関を有するとの知見に基づいて構成されたものであり、製品容器Ｐ内で発酵中の発酵食品Ｓにテラヘルツ波Ｔを照射し、テラヘルツ波Ｔの吸収係数を指標値として計測することで、発酵食品Ｓの発酵進度を判定する。

発酵状態モニタリング装置１Ｂは、テラヘルツ波Ｔによる全反射計測法を適用した装置である。この発酵状態モニタリング装置１Ｂは、図１の形態と比較すると、ミラーＭ９，Ｍ１０に代えて、テラヘルツ波発生素子２０とテラヘルツ波検出素子４０との間の光路上にプリズム３０を備えている点で相違し、その余の点では一致する。プリズム３０は、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波Ｔが入力される入射面３０ａと、入射面３０ａに入力されたテラヘルツ波Ｔを全反射させる全反射面３０ｃと、全反射面３０ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔが出力される出射面３０ｂとを有している。プリズム３０はダフプリズムであり、入射面３０ａに入力されるテラヘルツ波Ｔの光軸と、出射面３０ｂから出力されるテラヘルツ波Ｔの光軸とが共通の直線上に位置している。

プリズム３０の全反射面３０ｃの外面側は、製品容器Ｐが配置される配置面となっている。入射面３０ａから入射したテラヘルツ波Ｔは、検査光Ｔａとしてプリズム３０の内部を伝搬し、全反射面３０ｃで全反射する。全反射の際、テラヘルツ波Ｔのエバネッセント成分が全反射面３０ｃの外面側の近傍に生じ、発酵食品Ｓの光学情報（ここでは吸収係数）を取得する。全反射面３０ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔは、戻り光Ｔｂとなり、プリズム３０の内部を伝搬し、出射面３０ｂから出射して合波部１６に導光される。
［検査光の照射態様及び検査ヘッド］

図３は、製品容器に対する検査光の照射態様を示す図である。ヨーグルトの製品容器Ｐは、例えば上面側が開口する有底の本体部６１と、本体部６１の上部に嵌合する蓋部６２とを備えている。本体部６１は、例えば紙製或いはプラスチック製であり、発酵中の原料乳が充填されている。また、本体部６１の上部には、原料乳を本体部６１内で気密に封止するためのアルミ箔６３が開口部を塞ぐように設けられている。

このため、図３（ａ）に示すように、製品容器Ｐの上方側から検査光Ｔａを照射しようとすると、検査光Ｔａがアルミ箔６３によって遮られ、モニタリング対象である原料乳まで検査光Ｔａが到達しないことが考えられる。したがって、図３（ｂ）に示すように、製品容器Ｐの側方側から検査光Ｔａを照射する態様、或いは、図３（ｃ）に示すように、製品容器Ｐの下方側から検査光Ｔａを照射する態様を採用することが好適である。また、製品容器Ｐの表面の一部に凹凸などが存在する場合には、凹凸を避けて平坦な部分に検査光Ｔａを照射することが好ましい。

また、例えば図４に示すように、発酵室６４において複数の製品容器Ｐが棚６５上に配列されているような場合、検査光Ｔａ及び戻り光Ｔｂを導光する検査ヘッド７１を用いて発酵状態モニタリング装置１Ａ，１Ｂを構成し、装置本体を発酵室６４の外部に配置すると共に検査ヘッド７１のみを発酵室６４に導入することが好適である。この場合、検査ヘッド７１には、少なくとも検査光Ｔａを発酵食品Ｓに向けて導光する部分を搭載すればよい。

発酵状態モニタリング装置１Ａ，１Ｂでは、例えば図１及び図２に示すように、テラヘルツ波発生素子２０から光検出器５３ａ，５３ｂまでの要素が検査ヘッド７１内に配置され、他の要素が装置本体側に配置されている。検査ヘッド７１と装置本体とは、例えば光ファイバ７２を用いて光学的に結合すればよい。検査ヘッド７１を発酵室６４に導入する場合、図４に示すように、製品容器Ｐが静置されている棚６５に製品容器Ｐの位置に応じて開口６６を設け、当該開口６６に近接させた検査ヘッド７１により、開口６６を通じて製品容器Ｐに対する検査光Ｔａの照射と製品容器Ｐからの戻り光Ｔｂの検出とを順次実施すればよい。
［指標値と発酵進度との相関］

図５は、テラヘルツ波の反射率とｐＨ値との相関を示すグラフである。同図の例では、横軸が時間（発酵開始からの経過時間）、左縦軸が発酵食品Ｓでのテラヘルツ波Ｔの反射率、右縦軸が発酵食品ＳのｐＨ値となっている。発酵進度の挙動として、図５の例では、発酵開始から４００分付近までは原料乳に添加された乳酸菌が徐々に増加する段階であり、ｐＨ値が６．０～６．５程度で略一定となっている。発酵開始から４００分～８００分付近では、乳酸菌の増加が加速し、ｐＨ値が６．０程度から４．８程度まで略一定の傾きで低下する。８００分以降では、ｐＨ値の低下により乳酸菌の活動が弱まり、ｐＨ値の変動が殆ど見られなくなる。

図５のグラフにおいて、反射率の値は、周波数が０．４ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔを用いて測定したものである。同図に示すように、反射率の値の変化は、発酵食品ＳのｐＨ値の変化に追従したものとなっている。すなわち、発酵開始から４００分付近までは反射率が９％～９．０５％程度で略一定であり、発酵開始から４００分～８００分付近では９％程度から８．９％程度まで略一定の傾きで低下する。８００分以降では、反射率の変動が殆ど見られなくなる。

このような相関は、指標値として吸収係数を用いた場合も同様である。図２に示した発酵状態モニタリング装置１Ｂのように全反射型の測定を行う場合、サンプルである発酵食品Ｓの反射率及び位相シフトの情報を取得できる。取得した反射率及び位相シフトの値に基づいて、発酵食品Ｓの吸収係数及び屈折率を算出し得る。図６は、テラヘルツ波の吸収係数とｐＨ値との相関を示すグラフである。同図の例においても、発酵開始から４００分付近までは吸収係数が１４０ｃｍ^－１～１４１ｃｍ^－１程度で略一定であり、発酵開始から４００分～８００分付近では１４０ｃｍ^－１程度から１３７．５ｃｍ^－１程度まで略一定の傾きで低下する。８００分以降では、吸収係数の変動が殆ど見られなくなる。なお、図７に示すように、反射率に代えて屈折率を指標値として用いることもできる。この場合、一旦テラヘルツ波Ｔの反射率を算出した後、算出した反射率から屈折率を算出すればよい。

また、発酵状態モニタリング装置１Ａ，１Ｂで用いるテラヘルツ波Ｔの周波数は、低周波数であることが好ましい。実存するヨーグルトの製品容器についてテラヘルツ波の周波数を変えながら透過率を計測したところ、プラスチック製の製品容器では、５ＴＨｚ程度までは殆どテラヘルツ波の吸収が見られなかった。これに対し、紙製の製品容器では、高周波帯であるほどテラヘルツ波の吸収が増加し、１ＴＨｚでは吸収係数が２０ｃｍ^－１程度であるのに対し、１．５ＴＨｚでは吸収係数が３０～４０ｃｍ^－１に達するという結果が得られた。

さらに、テラヘルツ波Ｔの周波数の違いは、指標値とｐＨ値との相関の強さにも影響する。図８は、テラヘルツ波の周波数の違いによる反射率とｐＨ値との相関の強さを示すグラフである。同図の例では、横軸が時間（発酵開始からの経過時間）、左縦軸が周波数０．４ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔを用いた場合の反射率、右縦軸が周波数２．０ＴＨｚのテラヘルツ波を用いた場合の反射率となっている。左縦軸及び右縦軸における反射率のプロット範囲は、いずれも０．３％とした。この図８から分かるように、周波数０．４ＴＨｚのテラヘルツ波を用いた場合の方が、周波数２．０ＴＨｚのテラヘルツ波を用いた場合に比べてｐＨ値の変化量に対する反射率の変化量が大きく、指標値とｐＨ値との相関が強く表れていることが分かる。

このことは、指標値として吸収係数及び屈折率を用いた場合でも同様である。図９は、テラヘルツ波の周波数の違いによる吸収係数とｐＨ値との相関の強さを示すグラフである。また、図１０は、テラヘルツ波の周波数の違いによる屈折率とｐＨ値との相関の強さを示すグラフである。図９及び図１０の例では、２００分～４００分の範囲のデータを平均化し、その平均値で規格化した値を縦軸に示している。これらの図からも、周波数０．４ＴＨｚのテラヘルツ波を用いた場合の方が、周波数２．０ＴＨｚのテラヘルツ波を用いた場合に比べてｐＨ値の変化量に対する吸収係数及び屈折率の変化量が大きく、指標値とｐＨ値との相関が強く表れていることが分かる。以上のように、製品容器Ｐに対する透過性及び指標値とｐＨ値との相関の強さを考慮すると、テラヘルツ波Ｔの周波数は、２．０ＴＨｚ以下であることが好ましく、１ＴＨｚ以下であることがさらに好ましいことが結論付けられる。
［判定部による発酵進度の判定］

図１１は、発酵進度の判定に用いる閾値の設定例を示す図である。同図に示すように、判定部５６では、指標値についての第１の指標閾値Ｋ１及び第２の指標閾値Ｋ２と、発酵開始からの経過時間についての第１の時間閾値Ｔ１及び第２の時間閾値Ｔ２とを保有している。これらの閾値は、例えば発酵食品の発酵が正常に行われた場合の指標値の変動を複数回計測し、その計測結果に基づいて設定される。

第１の指標閾値Ｋ１及び第１の時間閾値Ｔ１は、乳酸菌の増加が加速する時刻及びその際の指標値についての閾値である。第２の指標閾値Ｋ２及び第２の時間閾値Ｔ２は、乳酸菌の活動が弱まり発酵が終了する時刻及びその際の指標値についての閾値である。第２の指標閾値Ｋ２は、第１の指標閾値Ｋ１よりも低い値に設定され、第２の時間閾値Ｔ２は、第１の時間閾値Ｔ１よりも後の時刻に設定される。

図１２及び図１３は、発酵状態モニタリング装置の動作の一例を示す図である。図１２は、判定の前段フローの一例を示し、図１３は、判定の後段フローの一例を示す。これらのフローは、発酵食品Ｓの発酵を開始した後、例えば１分毎、１０分毎、６０分毎といった具合に、所定の間隔で繰り返し実行される。図１２に示すように、前段フローでは、まず、検査光Ｔａの出力及び戻り光Ｔｂの検出がなされる（ステップＳ０１）。次に、戻り光Ｔｂの検出により、発酵中の発酵食品Ｓに対する指標値が算出され、算出された指標値が第１の指標閾値Ｋ１まで減少したか否かが判定部５６において判断される（ステップＳ０２）

ステップＳ０２において、指標値が第１の指標閾値Ｋ１まで減少していないと判断された場合には、続いて、発酵開始からの経過時間が第１の時間閾値Ｔ１に到達したか否かが判定部５６において判断される（ステップＳ０３）。ステップＳ０３において、経過時間が第１の時間閾値Ｔ１に到達していないと判断された場合、上記ステップＳ０１，Ｓ０２の処理が再び実行される。一方、ステップＳ０３において、経過時間が第１の時間閾値Ｔ１に到達したと判断された場合、発酵食品の発酵状態に異常があると判定され（ステップＳ０４）、処理が終了する。ステップＳ０２において、指標値が第１の指標閾値Ｋ１まで減少したと判断された場合、指標値が第１の指標閾値Ｋ１に到達した時刻が第１の時刻ｔ１（図１１参照）として判定部５６に記憶される（ステップＳ０５）。

ステップＳ０５の後は、後段フローに移行する。図１３に示すように、後段フローにおいても、まず、検査光Ｔａの出力及び戻り光Ｔｂの検出がなされる（ステップＳ０６）。次に、戻り光Ｔｂの検出により、発酵中の発酵食品Ｓに対する指標値が算出され、算出された指標値が第２の指標閾値Ｋ２まで減少したか否かが判定部５６において判断される（ステップＳ０７）。ステップＳ０７において、指標値が第２の指標閾値Ｋ２まで減少していないと判断された場合には、続いて、発酵開始からの経過時間が第２の時間閾値Ｔ２に到達したか否かが判定部５６において判断される（ステップＳ０８）。ステップＳ０８において、経過時間が第２の時間閾値Ｔ２に到達していないと判断された場合、上記ステップＳ０６，Ｓ０７の処理が再び実行される。

一方、ステップＳ０８において、経過時間が第２の時間閾値Ｔ２に到達したと判断された場合、発酵食品の発酵状態に異常があると判定され（ステップＳ０９）、処理が終了する。ステップＳ０７において、指標値が第２の指標閾値Ｋ２まで減少したと判断された場合、指標値が第２の指標閾値Ｋ２に到達した時刻が第２の時刻ｔ２（図１１参照）として判定部５６に記憶される（ステップＳ１０）。第２の時刻ｔ２の記憶の後、ステップＳ０５で記憶された第１の時刻ｔ１が参照され、第１の時刻ｔ１と第２の時刻ｔ２との間の指標値の減少の傾きの算出が行われる（ステップＳ１１）。

傾きの算出は、例えば第１の時刻ｔ１と第２の時刻ｔ２との間に算出された指標値の直線近似によって算出される。次に、傾きが一定の範囲内であるか否かが判定部５６において判断される（ステップＳ１２）。傾きの判定の閾値は、指標閾値及び時間閾値と同様に、例えば発酵食品の発酵が正常に行われた場合の指標値の変動を複数回計測し、その計測結果に基づいて設定される。ステップＳ１２において、傾きが一定の範囲内でないと判断された場合、発酵食品の発酵状態に異常があると判定され（ステップＳ１３）、処理が終了する。一方、ステップＳ１２において、傾きが一定の範囲内であると判断された場合、発酵食品の発酵状態が正常であると判断され（ステップＳ１４）、処理が終了する。
［作用効果］

以上説明したように、発酵状態モニタリング装置１Ａ，１Ｂでは、テラヘルツ波Ｔを検査光Ｔａとして密閉された製品容器Ｐ内の発酵中の発酵食品Ｓに対して出力する。テラヘルツ波Ｔは、例えば紙製或いはプラスチック製の製品容器Ｐに対する透過性を有しており、製品容器Ｐ内の発酵食品に対する非破壊検査が可能となる。また、戻り光Ｔｂの反射率或いは戻り光の吸収係数は、発酵中の発酵食品ＳのｐＨ値に対する相関を有している。したがって、これらのパラメータを指標値とすることで、発酵食品Ｓの発酵進度をリアルタイムで判定することができる。

また、本実施形態では、テラヘルツ波Ｔの周波数は、１ＴＨｚ以下となっている。この周波数帯域では、紙製或いはプラスチック製の製品容器Ｐに対するテラヘルツ波Ｔの透過性を十分に確保できる。また、ｐＨ値に対する指標値の相関が更に強まるため、発酵進度の判定精度を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、判定部５６が指標値についての第１の指標閾値Ｋ１と、発酵開始からの経過時間についての第１の時間閾値Ｔ１とを保有し、発酵開始からの経過時間が第１の時間閾値Ｔ１に達したときに、指標値が発酵開始時の値から第１の指標閾値Ｋ１まで減少していなかった場合には、発酵食品の発酵状態に異常があると判定する。これにより、発酵初期の発酵状態の異常を判定することができる。

また、本実施形態では、判定部５６が第１の指標閾値Ｋ１よりも低い値に設定される第２の指標閾値Ｋ２と、第１の時間閾値Ｔ１よりも後の時刻に設定される第２の時間閾値Ｔ２とを保有し、指標値が第２の指標閾値Ｋ２まで減少した時刻が第２の時間閾値Ｔ２を超えていた場合には、発酵食品の発酵状態に異常があると判定する。これにより、発酵後期の発酵状態の異常を判定することができる。

また、本実施形態では、指標値が第１の指標閾値Ｋ１まで減少した第１の時刻ｔ１と、指標値が第２の指標閾値Ｋ２まで減少した第２の時刻ｔ２とを判定部５６がそれぞれ記憶し、第１の時刻ｔ１と第２の時刻ｔ２との間の指標値の減少の傾きが一定の範囲内でない場合には、発酵食品の発酵状態に異常があると判定する。これにより、発酵状態の進行具合の異常を判定することができる。

また、本実施形態では、検査光Ｔａを発酵食品Ｓに向けて導光し、かつ戻り光Ｔｂをテラヘルツ波検出素子４０に向けて導光する検査ヘッド７１を備えている。この場合、発酵室６４などに静置される発酵食品Ｓに対して検査ヘッド７１のみを近接して配置することが可能となる。したがって、多数の発酵食品Ｓのモニタリングを実施する場合などの作業性を良好に確保できる。
［変形例］

上記実施形態では、発酵状態モニタリング装置１Ａ，１Ｂの一例を示したが、当該装置において、テラヘルツ波発生素子２０は、レーザ励起によるものに限られず、ＱＣＬ、ガンダイオード、ＢＷＯ、共鳴トンネルダイオードといった直接発振器であってもよい。また、テラヘルツ波検出素子４０も、レーザによる検出によるものに限られず、ショットキーバリアダイオード、ゴーレイセル、パイロ型検出器、ボロメータ等であってもよい。

また、発酵状態モニタリング装置１Ａ，１Ｂは、図１４に示すように、戻り光Ｔｂを検出する第１のテラヘルツ波検出素子（第１の検出部）４０Ａと、検査光Ｔａの一部を検出する第２のテラヘルツ波検出素子（第２の検出部）４０Ｂと、を備えていてもよい。この場合、検査光Ｔａの一部は、例えばビームスプリッタ４１によって第２のテラヘルツ波検出素子４０Ｂに導光され、検査光Ｔａの残余は、ビームスプリッタ４１を透過して製品容器Ｐに向かい、製品容器Ｐ内の発酵食品Ｓで反射して戻り光Ｔｂとなる。テラヘルツ波検出素子４０Ａ，４０Ｂからの検出信号の差分は、例えば差分検出器としての差動増幅器５４で検出される。この場合、テラヘルツ波発生素子２０によるテラヘルツ波Ｔの出力ドリフトの影響を排除でき、発酵進度の判定精度を高めることが可能となる。

なお、検査光Ｔａと戻り光Ｔｂとの光路を容易に分離するという観点からは、製品容器Ｐに対する検査光Ｔａの光軸が製品容器Ｐの壁面に対して傾斜していることが好適である。製品容器Ｐに対する検査光Ｔａの光軸を製品容器Ｐの壁面に対して垂直にする場合には、例えば図１５に示すように、テラヘルツ波発生素子２０と製品容器Ｐとの間のテラヘルツ波Ｔの光路上に、偏光子４２と、λ／４波長板４３とを配置することが好ましい。この場合、テラヘルツ波Ｔがλ／４波長板４３を２回通過することにより、戻り光Ｔｂの偏光が検査光Ｔａの偏光に対して９０°回転するため、戻り光Ｔｂのみを偏光子４２で分離してテラヘルツ波検出素子４０に導光することが可能となる。

１Ａ，１Ｂ…発酵状態モニタリング装置、２０…テラヘルツ波発生素子（テラヘルツ波出力部）、４０…テラヘルツ波検出素子（テラヘルツ波検出部）、４０Ａ…第１のテラヘルツ波検出素子（第１の検出部）、４０Ｂ…第２のテラヘルツ波検出素子（第２の検出部）、５４…差動増幅器（差分検出器）、５６…判定部、Ｋ１…第１の指標閾値、Ｋ２…第２の指標閾値、Ｔ１…第１の時間閾値、Ｔ２…第２の時間閾値、Ｐ…製品容器、Ｓ…発酵食品、Ｔ…テラヘルツ波、Ｔａ…検査光、Ｔｂ…戻り光。

Claims (14)

1. 乳糖及びその分解物の乳酸を含む混合物である発酵食品の発酵状態をモニタリングする発酵状態モニタリング装置であって、
   密閉された製品容器内の発酵中の前記発酵食品に対してテラヘルツ波による検査光を出力するテラヘルツ波出力部と、
   前記製品容器内の前記発酵食品で反射した前記検査光の戻り光を検出するテラヘルツ波検出部と、
   前記検査光に対する前記戻り光の反射率或いは前記検査光に対する前記戻り光の吸収係数を含む指標値であって前記発酵食品のｐＨ値の変化に追従する指標値に基づいて、前記発酵食品の発酵進度を判定する判定部と、を備えた発酵状態モニタリング装置。
2. 前記テラヘルツ波の周波数は、１ＴＨｚ以下である請求項１記載の発酵状態モニタリング装置。
3. 前記判定部は、前記指標値についての第１の指標閾値と、発酵開始からの経過時間についての第１の時間閾値とを保有し、
   発酵開始からの経過時間が前記第１の時間閾値に達したときに、前記指標値が発酵開始時の値から前記第１の指標閾値まで減少していなかった場合には、前記発酵食品の発酵状態に異常があると判定する請求項１又は２記載の発酵状態モニタリング装置。
4. 前記判定部は、前記第１の指標閾値よりも低い値に設定される第２の指標閾値と、前記第１の時間閾値よりも後の時刻に設定される第２の時間閾値とを保有し、
   前記指標値が前記第２の指標閾値まで減少した時刻が前記第２の時間閾値を超えていた場合には、前記発酵食品の発酵状態に異常があると判定する請求項３記載の発酵状態モニタリング装置。
5. 前記判定部は、前記指標値が前記第１の指標閾値まで減少した第１の時刻と、前記指標値が前記第２の指標閾値まで減少した第２の時刻とをそれぞれ記憶し、
   前記第１の時刻と前記第２の時刻との間の前記指標値の減少の傾きが一定の範囲内でない場合には、前記発酵食品の発酵状態に異常があると判定する請求項４記載の発酵状態モニタリング装置。
6. 前記テラヘルツ波検出部は、
   前記戻り光を検出する第１の検出部と、
   前記検査光の一部を検出する第２の検出部と、
   前記第１の検出部による検出信号と、前記第２の検出部による検出信号との差分を検出する差分検出部と、を有する請求項１～５のいずれか一項記載の発酵状態モニタリング装置。
7. 前記検査光を前記発酵食品に向けて導光する検査ヘッドを備えた請求項１～６のいずれか一項記載の発酵状態モニタリング装置。
8. 乳糖及びその分解物の乳酸を含む混合物である発酵食品の発酵状態をモニタリングする発酵状態モニタリング方法であって、
   密閉された製品容器内の発酵中の前記発酵食品に対してテラヘルツ波による検査光を出力する出力ステップと、
   前記製品容器内の前記発酵食品で反射した前記検査光の戻り光を検出する検出ステップと、
   前記検査光に対する前記戻り光の反射率或いは前記検査光に対する前記戻り光の吸収係数を含む指標値であって前記発酵食品のｐＨ値の変化に追従する指標値に基づいて、前記発酵食品の発酵進度を判定する判定ステップと、を備えた発酵状態モニタリング方法。
9. 前記テラヘルツ波の周波数を１ＴＨｚ以下とする請求項８記載の発酵状態モニタリング方法。
10. 前記判定ステップにおいて、前記指標値についての第１の指標閾値と、発酵開始からの経過時間についての第１の時間閾値とを用い、
    発酵開始からの経過時間が前記第１の時間閾値に達したときに、前記指標値が発酵開始時の値から前記第１の指標閾値まで減少していなかった場合には、前記発酵食品の発酵状態に異常があると判定する請求項８又は９記載の発酵状態モニタリング方法。
11. 前記判定ステップにおいて、前記第１の指標閾値よりも低い値に設定される第２の指標閾値と、前記第１の時間閾値よりも後の時刻に設定される第２の時間閾値とを用い、
    前記指標値が前記第２の指標閾値まで減少した時刻が前記第２の時間閾値を超えていた場合には、前記発酵食品の発酵状態に異常があると判定する請求項１０記載の発酵状態モニタリング方法。
12. 前記判定ステップにおいて、前記指標値が前記第１の指標閾値まで減少した第１の時刻と、前記指標値が前記第２の指標閾値まで減少した第２の時刻とをそれぞれ記憶し、
    前記第１の時刻と前記第２の時刻との間の前記指標値の減少の傾きが一定の範囲内でない場合には、前記発酵食品の発酵状態に異常があると判定する請求項１１記載の発酵状態モニタリング方法。
13. 前記検出ステップにおいて、前記戻り光の検出と、前記検査光の一部の検出とを行い、
    前記戻り光の検出結果と、前記検査光の一部の検出結果との差分を検出する請求項８～１２のいずれか一項記載の発酵状態モニタリング方法。
14. 前記出力ステップ及び前記検出ステップにおいて、前記検査光を前記発酵食品に向けて導光する検査ヘッドを用いる請求項８～１３のいずれか一項記載の発酵状態モニタリング方法。

Images