JP2008523391A - 食品鮮度センサー - Google Patents

Abstract

腐敗しやすい食品中の細菌の存在を検出するセンサーがｐＨ感知溶液を含み、ｐＨ感知溶液が、アルカリと混合して一定のｐＨ値にされたメチルレッドとブロモチモールブルーとからなり、一定の濃度の二酸化炭素にさらされると通常の緑色が概ね橙色に変化する。二酸化炭素が容器を通って効果的に拡散できるＴＰＸ（ＰＭＰ）薄膜を用いたガス透過性容器中に前記溶液を詰める。酸性の二酸化炭素が前記溶液に接触して炭酸を形成するとｐＨレベルが下がり、前記溶液で二酸化炭素濃度を表示することで細菌増殖を表示する。

Description

本発明は、一般に病原体の検出装置及び方法に関し、特に、食品媒介病原体及び損傷を検出する装置及び方法に関する。

食品の損傷と同様に食品媒介感染症も世界的な食料供給で重大な負担となっている。米国だけでも、食品媒介疾病は、年間７６００万件（米国人の４人に１人に相当する）あり、年間約３２５，０００件が入院し、５０００件超が死亡している。米国会計検査院（ＧＡＯ）および米国農務省（ＵＳＤＡ）によれば、食品媒介病原体によって、保健医療損失および生産性損失において７０億米国ドル〜３７０億米国ドルの経済的損失がもたらされている。危害分析重要管理点（ＨＡＣＣＰ）規定では、食品の危害分析は、施設に入る前、間および後に行う食品安全性分析を含むべきであると述べられている。製造加工業者から消費者へ輸送される食物が消費前に可能な限り安全であることを保証することが、明らかに必要である。たとえば、食品媒介病原体の抗生物質に対する抵抗性の発達、潜在的な毒素の存在、および成長ホルモンの使用の全てが、より安全な食品を確実に消費者に届けるようにするために、ＨＡＣＣＰの手順をさらに発展させる必要性を指し示している。そうした食物が購入されたり、一部使用されたり、および将来使用するために保存された後でも消費者によって扱われる食物が監視される必要もある。

たとえば食肉は、製造加工業者で食品媒介病原体について無作為にサンプリングされている。一般的に、食肉が消費される前にさらなるテストは行われておらず、許容できないレベルの未検出の食品媒介病原体（サルモネラ属菌（Ｓａｌｍｏｎｅｌｌａ ｓｐｐ．）およびリステリア属菌（Ｌｉｓｔｅｒｉａ ｓｐｐ．））などが残る可能性のほか、腐敗細菌（シュードモナス属菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｓｐｐ．）およびミクロコッカス属菌（Ｍｉｃｒｏｃｏｃｃｕｓ ｓｐｐ．））などが製品を包装、運搬および陳列する間に望ましくないレベルまで繁殖し得る。続いて食品が消費者に購入され、状況を悪化させる非管理状態で運ばれて保存され、これら全てのことが消費前に起こり得る。

小売業者は一般的に保存期限、すなわち鮮度を日付印で見積もる。この方法は少なくとも２つの重要な理由から正確ではない。第１に、製造加工業者での肉の細菌の実数値が一般には不明であり、および第２に、パッケージ商品の小売業者への輸送中の実際の時間−温度の環境が一般には不明である。一例として、３℃未満の温度上昇は、食品の保存期限を５０％短くし、時間とともに細菌増殖を著しく増大し得る。確かに、食品の損傷は、食品の病原性細菌および非病原性細菌の合計負荷（load）が１×１０^７ｃｆｕ／ｇ以下という、一般に受け入れられた値に基づくと、３７℃において、わずか数時間で起こり得る。食品安全の指導者は、このレベルは肉製品の最大許容しきい値であると確認している。

保存期限に敏感な食品の多くが一般に中心地で加工され包装されるが、これは食肉産業には一般に当てはまらない。最近の集中ケースレディ包装や肉製品用「クライオヴァック（cryovac）」包装の出現により、鮮度と細菌の存在の両方を検出するセンサーを大規模に組み込む機会が与えられている。

時間−温度表示装置を含む、細菌負荷または食物の鮮度を反映する診断テストの提供を試みた多くの装置が公知である。今まで、これらの装置のどれも、適用される技術に特定的であるため消費者または小売市場で広く受け入れられていない。まず、時間−温度装置は、細菌増殖についてではなく積算温度履歴についての情報のみを提供する。よって、温度が正しく維持されていたにも関わらず、他の汚染手段を介した食物の細菌負荷が高くなっている可能性がある。ラップ用フィルム装置は一般に細菌と実際に接触することを要する。細菌が外側の食物表面に対して内側にある場合には、食物の内部の細菌負荷が高くてもセンサーを作動させない。アンモニアセンサは一般に炭水化物分解ではなくタンパク質分解を検出する。細菌は初めに炭水化物を利用するため、一般にこれらのセンサーは、海産物を除いたほとんどの正常な適用では感度が低い。

さらに、食物物質における細菌検出用の公知の装置および方法は一般に、製造時に装置をパッケージに一体的に組み込む。供給者も消費者も、食品の再包装を伴う監視をし続けることができない。少なくとも腐敗しやすい食品における細菌の存在を検出するための、装置、食品包装、および関連した方法を提供するのが望ましい。さらに、消費者が、自身が食品を取り扱っている期間中は細菌の存在を検出できるのが望ましい。

発明の概要
本発明は、食品の供給者または購入後に食品を扱っている消費者によって準備された容器またはパッケージにある腐敗しやすい食品中の少なくとも細菌の存在の検出に関する。本発明の実施形態は、食品中または食品上の細菌負荷の定量的測定および細菌の存在の検出を提供する。さらに、本発明によるセンサーは誤って食べられても安全に消化される。

腐敗しやすい食物中の細菌の存在を検出するためのセンサーの１つは、例として、アルカリ性溶液と混合して一定のｐＨ値にされたメチルレッドとブロモチモールブルーとからなるｐＨ感知溶液を含んでもよく、一般に濃縮した二酸化炭素にさらされると緑色が概ね橙色に変わる。この溶液は、二酸化炭素が容器を通って効果的に拡散できるＴＰＸ（ＰＭＰ）薄膜を用いたガス透過性容器に詰められる。酸性の二酸化炭素がこの溶液に接触し炭酸を形成するとｐＨレベルが下がるので、この溶液で二酸化炭素濃度を、従って細菌増殖を表示させる。

別の実施形態では、腐敗しやすい食品から細菌の存在を検出するためのセンサーを含むこともできる。このセンサーはＴＰＸ（ＰＭＰ）薄膜により形成されたガス透過性壁と、中身を見るための透明部分とを有する密封された容器を備えてもよい。ｐＨ感知溶液は容器内に入れられ、通常は緑色を有し、１００万〜１０００万個の細菌の細菌検出範囲において容器の外側で発生した０．５％濃度の酸性ガスに反応して一般に橙色に変わる。容器のガス透過性の第１壁部分と第２壁部分との間にｐＨ感知溶液を入れ、これらの壁部分の間で二酸化炭素の所望の拡散が可能なようにできる。

センサーはまた、容器内にｐＨ感知混合物を含んでもよく、この混合物は、アルカリと混合してｐＨ値を６〜８にしたメチルレッドとブロモチモールブルーとを含む。さらにまた、センサーは、アルカリと混合したメチルレッドとブロモチモールブルーとからなるｐＨ感知混合物を含んでもよく、０．５％濃度の酸性ガスにさらされると、一般に緑色が概ね橙色に変わる。この場合、ブロモチモールブルーは０．０２〜０．０８重量／容量％であり、メチルレッドは０．００１〜０．００５重量／容量％であり、０．５ｍＭ〜１．５ｍＭの範囲の量のアルカリ中に溶解している。

本発明の１実施形態では、（細菌が成長する際に生成される）ＣＯ_２ガスが容器中に拡散して下記化学式のように溶液と反応してｐＨを下げるように、ガス透過性の覆いの中に水性ｐＨ指示薬を含んでもよい。

ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ ⇔ Ｈ_２ＣＯ_３ ⇔ Ｈ^＋＋ＣＯ_３ ⁻⁻

炭酸の形成によって水溶液のｐＨが下がると、ｐＨ指示薬が色を変えることで、ｐＨの低下、すなわち細菌の存在を視覚的に表示する。

広範囲にわたる研究と開発により、センサーを含んだ本発明の１実施形態の望ましい構成が得られた。センサー中への二酸化炭素の拡散を最大にするために、センサーの両面からガスが拡散できる二面構成を選択した。これにより、迅速な色変化が可能になり、センサーが「不確定ゾーン」にある時間が最小限に抑えられる。この「不確定ゾーン」では、色の変化は徐々に起こり、本発明の実施形態のように階段状に変化しない。センサーの両面へのガスの自由な拡散をさらに改善するために、食品が入っている食品パッケージの壁に対して一定の間隔を置いてセンサーを配置するのも望ましい。

最小の製造コストで最高の性能と最大の保存期間を達成するように、各構成要素を選択し最適化した。センサーは、
１．ｐＨ指示薬及びセンサー溶液の初期ｐＨと；
２．溶液を封入する透過性薄膜と；
３．薄膜の２つの層間に溶液を密封することによるセンサーの製造と；
を含み得る。
本発明の特徴と利点は以下で添付図面についての説明が進むと明らかになるであろう。

本発明の実施形態が示される添付の図面を参照して以下で本発明をより詳細に記載する。しかしながら、本発明を多くの異なる形態で記載するが、本明細書で説明される実施形態に制限されると解釈されるべきではない。正しくは、これらの実施形態は、この開示が詳細で完全であるように、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるために提供される。全体を通して同様な番号は同様な要素を参照する。

まず、図１及び２を参照すると、例として、腐敗しやすい食品１２から細菌の存在を検出するための本発明のセンサー１０が、向かい合ったガス透過性壁１６、１８を有する密封された容器１４を含み、ガス透過性壁１６、１８は、容器１４の中にあるｐＨ感知溶液２０を見るためにＴＰＸ（ＰＭＰ）透明薄膜から形成されている。１実施形態では、ｐＨ感知溶液２０は一般に緑色を有し、１００万〜１０００万個の細菌の細菌検出範囲において食品１２の損傷により容器１４の外側で生成した０．５％濃度の酸性ガスに反応して概ね橙色に変化する。続けて図１及び２を参照すると、食品１２から放出される二酸化炭素ガス２４の所望のガス拡散２２が容器１４及び溶液２０を通過できるようにされ、ｐＨ感知溶液２０が容器の向かい合った壁１６、１８の間に入れられる。必ずしも必要ではないが、センサー１０は監視されている食品１２と共にパッケージ２６内に配置することが期待される。上述したように、センサー１０中への二酸化炭素ガス２４の拡散を最大にするために、センサーの両面からガスが拡散できる二面構成を選択した。これにより、迅速な色変化が可能になり、センサーが「不確定ゾーン」にある時間が最小限に抑えられる。この「不確定ゾーン」では、色変化は徐々に起こり、本発明の実施形態の場合のように階段状の変化を生じない。センサー１０の両面に対するガスの自由な拡散をさらに改善するため、図１に示されるように食品１２を入れたパッケージ２６の壁２７又は食品パッケージ自体の表面１３に対して一定の間隔をあけてセンサーを配置するのも望ましい。

例として本発明の１実施形態について上記説明したように、食品１２中に存在する細菌汚染のレベルを定量的に見積もるために、細菌増殖の一般指示薬として二酸化炭素が使用される。よく知られているように、二酸化炭素が溶液に接触すると、炭酸の形成の結果としてｐＨが下がり、このｐＨ値が二酸化炭素濃度、従って細菌負荷を表示する。

ここに記載の本発明の実施形態では、センサー１０はｐＨ値が６〜８の溶液２０を含む。さらに、１実施形態ではｐＨ感知溶液を含み、このｐＨ感知溶液は、水酸化ナトリウムのアルカリ性溶液と混合したメチルレッドとブロモチモールブルーとを含む。１実施形態では、ｐＨ値を約６．８にするために１ｍＭの水酸化ナトリウム中に溶解させた０．００３５重量／容量％のメチルレッドと０．０５重量／容量％のブロモチモールブルーとを含む。例として、テスト結果により得られた効果的な溶液２０は、溶液のｐＨ値を６〜８の範囲にするために０．５ｍＭ〜１．５ｍＭの範囲の水酸化ナトリウムのアルカリ性溶液中に溶解させた０．００１〜０．００５重量／容量％のメチルレッドと０．０２〜０．０８重量／容量％のブロモチモールブルーとを含む。

図２に示されたセンサー１０の実施形態では、壁１６、１８は厚み２８が約０．００１インチの薄膜から作られる。本発明の利点を知った当業者には分かるように、エチレングリコールなどの不凍剤を、所望のｐＨ値を達成するために混合物の適当な改質剤と共に溶液２０に加えてもよい。テストデータをここに提示した１実施形態では、外周３０付近で密封された向かい合ったシートとしてＴＰＸ（ＰＭＰ）膜からなる１．４ミル厚の透明膜を使用した。１実施形態では、図１に示されるように、約１インチＸ１インチの大きさ３２の容器１４を使用した。ここに例として提示された実施形態では、向かい合った膜シートの外周２６を密封するために熱を加えた。

溶液２０についての研究では、初期には濃い緑色（信号機の緑と同様）であるが関連の微生物負荷では橙-赤色（一般に認められた危険色）を生じるｐＨ範囲の生成物を発見することも行われた。例として、いくつかの状況で潜在的には有効であるが、初期の配合物は敏感すぎるので、鮮度検出器として実際の当該用途には望ましくないと分かった（０．５％ＣＯ_２及び約５ｘ１０^５ＣＦＵ／ｇで色変化）。１ｍＭのＮａＯＨ中に溶解した０．００３％メチルレッドと０．０５％ブロモチモールブルーとを含有した配合物を含む望ましい１実施形態では、開始時にはｐＨが６．８であり、０．５％ＣＯ_２濃度にて緑が橙色に変化した。もちろん、特定の用途では配合物に対する改質剤が必要となるかもしれない（例えば低い温度で凍結するのを防止するためエチレングリコールなどの不凍剤を活性配合物に加えることもできる）。さらに、例として、ここに提示の濃度にて使用される化学物質についての化学物質安全性データシート（ＭＳＤＳ）は、提示濃度でのこれらの配合物は人が誤って食しても無害であることを示している。例として、図３に示されるように、第１日（ハッチング・プロット）及び第６０日（実線プロット）における室温でのｐＨ配合物の溶液２０のスペクトル（３６０〜７２０ｎｍ）が所望の配合物に対して優れた保存期間を示した。

容器１４については、多種多様な透明薄膜が市場で入手可能であった。しかし、水溶液を保持する膜の条件は非常に明確であり、センサーに最適な材料について実質的に管理された研究と実験を行った。望ましい条件としては、高いガス透過性；入手可能な薄膜（＜２／１０００インチ）；相対的に高い二酸化炭素ガス透過性；高い透明性；高い柔軟性；熱シール可能な材料；高い柔軟性；ｐＨ指示薬配合物によって汚れていないこと；及び相対的に低い製造コスト；から選択された事項が挙げられる。

広範囲にわたって評価した結果、高い透明性の等級で厚みが１．４／１０００インチのＴＰＸ膜が上記すべての基準を満たすことが分かった。センサー１０の１実施形態では、上述したように、例として、１．４ミル厚で一辺１インチの正方形の透明ＴＰＸ膜を２つ切り出し、一方の正方形を他方の正方形の上部に配置し、パルス式ヒートシーラーを用いて３辺を密封し、形成した容器１４に配合物を０．５ｍｌ加え、最後の辺を密封することによる正方形センサーの製造を伴う。角で漏れが生じるならば、各辺に二重シールを行えば漏れの問題は解消される。

これでセンサー１０は使用準備ができ、室温では２ヶ月の安定性を有し、予想される保存期間は冷蔵温度では１年を超える。もちろん、製造方法において説明した加える指示薬の形状、大きさ、容量などの多くのパラメータは、用途に依存して変わり得る。シーリングの方法では上述したように熱を用いることができるが、別法として接着剤又は他の結合剤を塗布してもよい。

図４の表は、上述したように製造したセンサーの性能を表すデータを示す。細菌濃度はコロニー形成単位／グラム（ＣＦＵ／ｇ）で示されている。例として、上記説明したセンサー１０が、データを収集した本発明の１実施形態を反映する。調理の後、調理したニワトリの表面に微生物集団を導入した。調理したニワトリでは、高い微生物負荷に達するまで約１．５倍長い時間を要したが、センサー性能は生のニワトリと調理したニワトリの両方に対して良好であった。

上記説明から当業者ならば本発明の変形や他の実施形態を数多く想起するであろう。例として、本発明は、アンモニアに反応して色が緑から青に変わるセンサーの調製に適用することもできる。水酸化物イオンの形成の結果としてｐＨが増大してアルカリになると別の色変化が生じるような代わりのｐＨ指示薬を選択することもできる。したがって、記載した特定の実施形態に本発明を限定すべきでなく、変形や実施態様も特許請求の範囲に含まれることが理解される。

食品の損傷を検出する上で有効な本発明の実施形態の概略断面図である。 本発明によるセンサーの１実施形態の部分断面図である。 第１日（ハッチング・プロット）と第６０日（実線プロット）での室温におけるｐＨ配合物の溶液のスペクトル（３６０〜７２０ｎｍ）を示し、配合物の優れた保存期間を反映している。 調理して又は生のまま１０℃で保存しておいた皮なしニワトリの培養の、生化学的及び微生物学的なパラメータへの効果を示した表である。

符号の説明

１０ センサー
１２ 食品
１４ 容器
１６、１８ ガス透過性壁
２０ ｐＨ感知溶液
２２ ガスの拡散
２４ 二酸化炭素ガス
２６ パッケージ
２７ 壁

Claims (30)

1. 腐敗しやすい食品から細菌の存在を検出するためのセンサーであって、
   ＴＰＸ（ＰＭＰ）薄膜から形成されたガス透過性壁とその中にある内容物を見るための透明部分とを有する密封された容器；及び
   前記容器に入れられたｐＨ感知溶液；
   を備え、前記ｐＨ感知溶液は１００万〜１０００万個の細菌の細菌検出範囲において前記容器の外側で生成した０．５％濃度の酸性ガスに反応して通常の緑色から概ね橙色に変化し、前記ｐＨ感知溶液は容器の第１のガス透過性壁部分と第２のガス透過性壁部分との間に入れられて二酸化炭素が前記第１のガス透過性壁部分と第２のガス透過性壁部分との間に拡散できることを特徴とするセンサー。
2. 前記酸性ガスが二酸化炭素を含む請求項１に記載のセンサー。
3. 前記ｐＨ感知溶液のｐＨ値が６〜８である請求項１に記載のセンサー。
4. 前記ｐＨ感知溶液が、アルカリ性溶液と混合したメチルレッドとブロモチモールブルーとを含む請求項１に記載のセンサー。
5. 前記アルカリ性溶液が水酸化ナトリウムを含む請求項４に記載のセンサー。
6. １ｍＭの水酸化ナトリウムのアルカリ性溶液に溶解してｐＨ値を約６．８にした０．００３５重量／容量％の前記メチルレッドと０．０５重量／容量％の前記ブロモチモールブルーとを含む請求項４に記載のセンサー。
7. ０．５ｍＭ〜１．５ｍＭの範囲のアルカリ性溶液に溶解して該溶液のｐＨ値を６〜８にした０．００１〜０．００５重量／容量％の前記メチルレッドと０．０２〜０．０８重量／容量％の前記ブロモチモールブルーとを含む請求項４に記載のセンサー。
8. 前記薄膜の厚みが０．００１インチである請求項１に記載のセンサー。
9. 不凍剤をさらに含む請求項１に記載のセンサー。
10. 前記不凍剤がエチレングリコールを含む請求項９に記載のセンサー。
11. 前記容器が１．４ミル厚の透明膜から形成される請求項１に記載のセンサー。
12. 前記第１のガス透過性壁部分と前記第２のガス透過性壁部分とが向かい合ったシートになったＴＰＸ（ＰＭＰ）膜から形成され、前記向かい合ったシートが該シートの外周付近で密封されて前記ｐＨ感知溶液を前記容器内に密閉する請求項１に記載のセンサー。
13. 前記容器の大きさが約１インチ×１インチである請求項１２に記載のセンサー。
14. 前記向かい合ったシートの外周を密封するために熱が加えられる請求項１２に記載のセンサー。
15. 腐敗しやすい食品から細菌の存在を検出するためのセンサーであって、
    ガス透過性壁を有する容器；及び
    前記容器に入れられたｐＨ感知混合物；
    を備え、前記ｐＨ感知混合物が、アルカリ混合物と混合してｐＨ値を６〜８にしたメチルレッドとブロモチモールブルーとを含み、前記ｐＨ感知混合物が０．５％濃度の酸性ガスにさらされると通常の緑色から概ね橙色に変化することを特徴とするセンサー。
16. 前記ガス透過性壁がＴＰＸ（ＰＭＰ）薄膜からなる請求項１５に記載のセンサー。
17. 前記容器がＴＰＸ（ＰＭＰ）薄膜からなる向かい合った第１シート及び第２シートを備え、前記向かい合った第１シート及び第２シートはその外周付近で密封されて前記ｐＨ感知混合物を前記第１シートと第２シートとの間に保持する請求項１６に記載のセンサー。
18. 前記薄膜の厚みが約１ミルである請求項１６に記載のセンサー。
19. 前記容器は該容器に入れられた内容物を見るために透明部分を備える請求項１５に記載のセンサー。
20. 前記酸性ガスが１００万〜１０００万個の細菌の細菌範囲から得られる二酸化炭素を含む請求項１５に記載のセンサー。
21. 前記ｐＨ感知混合物が前記容器の第１のガス透過性壁部分と第２のガス透過性壁部分との間に入れられ、前記第１のガス透過性壁部分と第２のガス透過性壁部分との間で二酸化炭素が拡散できる請求項１５に記載のセンサー。
22. 前記アルカリ混合物が水酸化ナトリウム溶液を含む請求項１５に記載のセンサー。
23. １ｍＭの水酸化ナトリウム中に溶解させてｐＨ値を約６．８にした０．００３５重量／容量％の前記メチルレッドと０．０５重量／容量％の前記ブロモチモールブルーとを含む請求項１５に記載のセンサー。
24. 前記混合物のｐＨ値を得るように０．５ｍＭ〜１．５ｍＭの範囲のアルカリ量中に溶解させた０．００１〜０．００５重量／容量％の前記メチルレッドと０．０２〜０．０８重量／容量％の前記ブロモチモールブルーとを含む請求項１５に記載のセンサー。
25. 細菌の存在を検出するためのセンサーであって、
    前記センサーはｐＨ感知混合物を含み、前記ｐＨ感知混合物は、アルカリと混合してｐＨ値が６〜８となったメチルレッドとブロモチモールブルーとを含み、前記ｐＨ感知混合物は０．５％濃度の酸性ガスにさらされると通常の緑色が概ね橙色に変化し、０．５ｍＭ〜１．５ｍＭの範囲のアルカリ混合物に溶解された０．００１〜０．００５重量／容量％の前記メチルレッドと０．０２〜０．０８重量／容量％の前記ブロモチモールブルーとを含むことを特徴とするセンサー。
26. 前記混合物がガス透過性容器に入れられた溶液であり、前記ガス透過性容器はＴＰＸ（ＰＭＰ）薄膜からなり該薄膜を通って前記酸性ガスが拡散できる請求項２５に記載のセンサー。
27. 前記容器がＴＰＸ（ＰＭＰ）薄膜からなる向かい合った第１シート及び第２シートを有し、前記向かい合った第１シート及び第２シートはその外周付近で密封され前記第１シートと第２シートとの間にｐＨ感知混合物を保持する請求項２６に記載のセンサー。
28. 前記アルカリ混合物が水酸化ナトリウム溶液を含む請求項２５に記載のセンサー。
29. １ｍＭの水酸化ナトリウム中に溶解されｐＨ値が約６．８となった０．００３５重量／容量％の前記メチルレッドと０．０５重量／容量％の前記ブロモチモールブルーとを含む請求項２５に記載のセンサー。
30. 腐敗しやすい食品中に存在する細菌汚染のレベルを見積もるために前記酸性ガスが細菌増殖の一般指示薬として機能する二酸化炭素を含み、前記二酸化炭素が前記混合物に接触するとｐＨが下がり、前記ｐＨで二酸化炭素濃度を表示することで細菌負荷を表示する請求項２５に記載のセンサー。