JP2009047671A - パン・焼き菓子のインピーダンス測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パン・焼き菓子のように、経時的に空孔の比率が変る試料について、インピーダンス、電気抵抗、電気容量の値を測定する場合、試料中に電極を差し込む方法が従来技術としてあった。しかし、空孔の比率の変化により、電極との接触状態が変わるため、不規則な値の変動が発生し、信頼性のある値を測定することはできなかった。また、パン・焼き菓子の生地は最初は流動性や塑性変形性があるが、焼くことによりこれがなくなるので焼いた後の測定ができなかった。
【解決手段】対向する一組の主電極を埋め込み、該主電極には、該主電極間の距離を保つ紙製の電極保持部材で二カ所以上の位置で固定した。これにより、従来技術の問題であった不規則な値の変動が解消された。また、焼いた後も埋め込んだ電極によりそのまま測定可能となった。
【選択図】図２

Description

本発明は、パン・焼き菓子のインピーダンス測定用電極及び方法に関するものである。本発明は、電気的に性質の違う物質が集合した固形状態をした混合物のうち、パン・焼き菓子・餅・和菓子・練り製品のような流動変形、乃至は塑性変形する食品、プラスチック成型品、粘土、液晶物質等物質について、インピーダンスを測定する方法を提供する。特に、電極を装着する際においては、流動変形、乃至は、塑性変更するが、電極装着後には固化する物質に対して有効な、電極構成及び、その電極を用いてのインピーダンスを測定する方法を提供することにある。
本発明のパン・焼き菓子について、生地状態で電極を装着し、生地の焼成の間、焼きあがり後のインピーダンス、電気抵抗、電気容量の測定を行う方法を提供する。

特開平５−９９８６９ 特開平２−２５１７４０ 特開平２−２５１７４４ 特開昭５８−４７２４７ 実開昭６３−１７０７４８ Ｍ．Ｉｔｏ，Ｓ．Ｙｏｓｈｉｋａｗａ，Ｋ．Ａｓａｍｉ，Ｔ．Ｈａｎａｉ，Ｃｅｒｅａｌ Ｃｈｅｍ．６９（３）３２５−３２７（１９９２） 花井哲也、「不均質構造と誘電率」ｐ１７４−１８０（吉岡書店、２０００） 花井哲也、浅見耕司、実験化学講座、第９巻、ｐ２１５−２４３（丸善、１９９１）

インピーダンス測定は、試料の状態を変えることなく、混合物系の内部構造に関する情報を得る方法として用いられる。測定方法については、実験化学講座、第９巻、２１５−２４３ページ（花井哲也・浅見耕司共著、丸善、１９９１年）、「不均質構造と誘電率」（花井哲也著、吉岡書店、２０００年）、などに解説がある。しかし、電気的に性質の違う物質が集合した混合物、例えば、食品、生物試料、高分子からなる複合材料、無機材料、成形物に対しては、インピーダンス測定が広く行われているとは言い難い。その理由は、測定を行うことは比較的容易であるが、測定に対する十分な知識がないと信頼あるデータが得られないためである。測定値に影響を及ぼす要因としては、試料と電極との接触不良、電極の形状、浮遊容量、電極分極、リード線によるインダクタンス、ノイズ等がある。十分な知識がない測定者にとっては、これらを考慮して試料に合わせた電極構成を考えるのは面倒なため、インピーダンス測定が普及しているとは言い難いのが現状である。

本発明では、パン・焼き菓子のインピーダンス、電気抵抗、電気容量を測定するための電極構成、および測定方法を提供するものである。また、パン・焼き菓子の測定の結果得られる電気容量値、電気抵抗値から誘電率、導電率を得る方法を提供するものである。
パン・焼き菓子のインピーダンス測定の報告は少ないが、上記背景技術特許文献１の特開平５−９９８６９ではパン生地のインピーダンス測定を行い、その測定値から配合処方の確認を行う、更にその結果を数値計算することによりパン生地の膨張倍率を得る方法が開示されている。また、Ｃｅｒｅａｌ Ｃｈｅｍ．６９（３）３２５−３２７（１９９２）には、特開平５−９９８６９と同じ発明者による同様の内容が報告されている。これらの２件の先行技術の本質的な部分はパン生地の電気抵抗値と電気容量値を用いて、数式計算処理を行い、パン生地膨張倍率を評価する点であり、本発明の対象とする試料についての測定方法について十分な情報を提供するものではない。実際に、これらの先行技術の方法でインピーダンス測定を行うと、値がばらつくことがあった。しかも、そのばらつきは試料の状態を反映するものでないことが判った。また、これらの先行技術の方法では、パン生地のインピーダンスを測定することができるが、焼いている最中、焼いた後のパンに対しては、インピーダンスを測定することはできない。本発明では、パンのインピーダンスを精度よく求める手段を提供するものである。

発明が解決しようとするための手段

上記の先行技術の方法によるばらつきは、試料であるパン・焼き菓子と電極の接触状態が、パン・焼き菓子の発酵による膨張により変動すること、またこの膨張の際に電極に応力が働き電極位置が相対的に変動しているのではないかと考えた。
検討の結果、生地の状態から焼き上がる状態まで、一貫して測定するために、パン・焼き菓子の中に電極を固定したままパン・焼き菓子を焼き上げるようにし、更に、電極を試料内に装着した際に、試料の中で電極が固定されるように電極の間に複数箇所の固定部材を配置したところ、先行技術のおける上記のインピーダンス値のばらつきが解消された。
また、この方法によれば、パン・焼き菓子の生地についてのみでなく、焼き上がったパン・焼き菓子のインピーダンスも測定でき、またパン・焼き菓子の膨張時（発酵時）にもインピーダンス値のばらつきが発生しないことを見いだした。
電極の固定部材については、検討の結果、紙を使用することがよいことが判った。
紙製スペーサーで電極上部を固定し、パン・焼き菓子生地との接触状態を安定させるために使用した材料は、紙である点が本発明の主要な点である。

本発明の電極は、交流法に適し、測定周波数が１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚで使用することが好ましい。測定周波数が１ｋＨｚ未満では、電極分極のため、正確な値が得られにくくなる。１０ＭＨｚを超える周波数では、測定試料のインダクタンス成分が測定値に加わってくるため、正確な測定が困難になる。そこで、１ＭＨｚを超える周波数においては、このインダクタンス成分の補正をして、電気容量、電気抵抗の値を求めることが望ましい。インダクタンスの補正に関しては、例えば、花井哲也、浅見耕司、実験化学講座、第９巻（丸善、１９９１）のｐ２３７−２４０に記載された方法がある。
測定の際の印加電圧は、０．１Ｖ〜３Ｖ程度であり０．１Ｖ〜１Ｖが好ましい。

インピーダンスＺ（Ｏｈｍ単位）は、次の式で表される。
Ｚ＝Ｒｐ＋１／（ｉ・２πｆ・Ｃｐ） （式１）
ここで、Ｒｐは電気抵抗（Ｏｈｍ単位）、ｉは虚数単位、ｆは周波数であり、Ｃｐは電気容量（Ｆ単位）であり、インピーダンス測定により、ＣｐとＲｐの値が得られる。測定機によっては、ＣｐとＲｐ以外の値として、Ｚの実数部と虚数部、｜Ｚ｜及び位相角、というように別の表現でされる１組の量が得られることもあるが、得られた１組の量から、ＣｐとＲｐを得ることができる。

誘電率値、導電率値の求め方
得られたＣｐ，Ｒｐおよび、予め定めたＣ１，Ｃｓの値を用いて、次の（式２）（式３）を用いて、誘電率Ｅ，電気伝導率Ｋ（Ｓ／ｍ単位）を求めることも出来る。
Ｅ＝（Ｃｐ−Ｃｓ）／Ｃ１ （式２）
Ｋ＝Ｅｖ・Ｇｐ／Ｃ１＝Ｅｖ／（Ｒｐ・Ｃ１） （式３）
（式３）を変形すれば、（式４）が得られる。
Ｃ１＝Ｅｖ／（Ｋ・Ｒｐ） （式４）
ここで、Ｃ１は電極定数（セル定数と呼ぶ場合もある、Ｆ単位）、Ｃｓは浮遊電気容量（Ｆ単位）、Ｓは電極面積（ｍ＾２単位）、ｄは電極間の距離（ｍ単位）、Ｇｐは電気伝導度（Ｓ＝ｍｈｏ＝１／Ｏｈｍ単位）でＧｐ＝１／Ｒｐである。また、Ｅｖ（Ｆ／ｍ単位）は真空誘電率で、Ｅｖ＝８．８５４２Ｅ−１４Ｆ／ｃｍである。Ｃ１，Ｃｓは次の式で与えられるが、
Ｃｐ＝Ｅ・Ｃ１＋Ｃｓ （式５）
Ｃ１＝Ｅ・Ｓ／ｄ （式６）
本発明においては、（式６）の（Ｓ／ｄ）を直接測定して、Ｃ１，Ｃｓを定めることはせずに、次のように定める。

誘電率Ｅが既知の２種類以上の標準物質についてのインピーダンス測定を行い、測定値のＣｐと誘電率Ｅ値とから、（式５）により、電極定数Ｃ１，浮遊電気容量Ｃｓを定める。３種類以上の標準物質を用いた場合には、最適化直線近似法により、Ｃ１，Ｃｓを定める。電極定数Ｃ１は、電気伝導率が既知の塩溶液（例えば、ＫＣｌ水溶液）のＲｐ測定値から、（式４）により定めることも可能である。塩溶液を２種類以上用いた場合には、最適化直線近似法で定める。
上記いずれの方法でＣ１，Ｃｓを定めた場合にも、パン生地の測定時に電極を固定するときと、電極同志が同じ位置関係になるようにして、誘電率既知の標準物質についてＣｐ，Ｒｐを測定する。

発明の効果

本発明では、パンや焼き菓子の中埋め込んだ主電極を該主電極には、該主電極間の距離を保つ紙製の電極保持部材で二カ所以上の位置で固定しているので、電極の相対的な位置の変化がなく、また生地が発酵等で膨張した際にも精度よく測定可能である。
電極保持部材は、紙製であり、プラスチック、無機材料と比べ、耐熱性、乃至は、熱膨張係数も低く、また、有害物質の溶出もないので、生地の状態のみでなく、焼いている最中、焼き上がった後にわたっても、精度よく、かつ安全に測定が可能である。
また、測定試料中に埋め込んだ際と同じ、立体的な位置構成を取らせた状態で標準物質により定めた電極定数（セル定数）を使用することに試料の測定値の電気抵抗、電気容量から、試料の電気導電率、誘電率を求める電気導電率、誘電率を求めることができる。

電極保持部材は、熱膨張係数が低く、試料のインピーダンス値に影響を与えないような誘電率が低く、電気伝導性が低いものであり、電極を保持する剛性のあるものであり、耐熱性があるものがあればよいが、紙であることが好ましい。
ここでいう、紙とは、パルプのような植物性繊維からなり、この繊維を絡み合わせて作ったシート状、乃至は抄造体のいずれでもよい。使用する温度、等を考慮して、合成高分子繊維が混合されたものでもよい。

電極は、インピーダンスを測定する電極は、少なくとも１組からなる対向する主電極からなり、この主電極が分割されていてもよく、またガード電極等を適宜備えていてもよい。対向する主電極の形状は、平行平板の対向、板と棒状、同心の円筒の対向（二重円筒）、円筒と棒状、棒状の対向のいずれでもよいが、試料との接触の点から、形状は、平行平板の対向、同心の円筒の対向（二重円筒）が好ましい。電極の材質は、腐食性がなく、試料から応力が掛かった場合の変形がないような強度が強いものがよい。例えば、白金等の貴金属、乃至は、これらの合金がよい。

本発明に係わる方法に基づき、パン生地についてインピーダンスを測定した例について説明する。
図１はインピーダンスを測定する装置構成であり、図２は本発明に関わるパン等の生地のインピーダンス測定用の電極の概要構成を示す。図２において、２１は白金製電極、２２は、紙製容器（マフィン型）、２３は紙製の電極保持部材である。本実施例では、対向する主電極は、対称的な形状の平行平板であり、電極のリード線接続部２１Ａを有している。２１Ａはリード線を介して図１のインピーダンス測定機の測定端子に接続される。

つぎに実施例１を説明する。
パン用の強力小麦粉３００ｇに対して、ドライイースト６ｇ、砂糖４０ｇに３０℃のぬるま湯１７５ｇ、卵１／２個（３０ｇ）を加え、ボウルの中で手捏ねする。生地が繋がった時点で、食塩５ｇ、バター４５ｇを加えて、パン生地とする。この生地を図２に示す構成でパン生地の中に電極を埋め込んだ電極装置を作り、３０℃で発酵を行いつつ、経時的にインピーダンス測定を行った。図２の構成は、２２が紙製のマフィン型であり、紙製マフィン型の中に、白金製電極がマフィン型の容器形状底部と２３の紙製の電極保持部材とのより、マフィン型の中に電極が固定されたものになっている。実施例１の電極構成は平行板が主電極であり、主電極の上方で、紙製の電極固定部材で固定する。別途、水、エタノール、空気を標準試料として、定めた電極定数Ｃ１は、０．３ｐＦ，浮遊容量Ｃｓは、１．０ｐＦであった。

上記のように電極を埋め込んだ測定試料を作成後は、周波数範囲、１ｋＨｚ〜４ＭＨｚでインピーダンス測定を行った。

比較例１

上記の特許文献１（特開平５−９９８６９）に準じた方法で作成した実施例１に示す。比較例の電極構成を図３に示すが、針状（棒状）の電極からなり、これをパン生地に挿入して測定した。図３の電極を用いたほかは、実施例１と同様にして、インピーダンス測定を行った。別途、水、エタノール、空気を標準試料として、定めた電極定数Ｃ１は、０．３ｐＦ，浮遊容量Ｃｓは、０．５ｐＦであった。

実施例１および比較例１のパン生地のインピーダンス測定結果のうち、発酵後５０分後のインピーダンス｜Ｚ｜の値を図４に示す。実施例では、｜Ｚ｜は周波数が増加するに従い、徐々に増加したが、比較例１では、１ＭＨｚ付近に試料の状態を反映したと思われないインピーダンス｜Ｚ｜値の増加が観察された。この周波数範囲で、特異的な｜Ｚ｜のピークを示すことは不合理であり、これはパン生地が発酵とともに生地中に気泡を含みながら膨張していく際に電極と生地との接触不良が発生したものと考えられる。一方、実施例１ではそのような値は観測されない。

次に、実施例１および比較例１の電気抵抗Ｒｐの値を発酵時間毎に測定した結果を図５に示す。図５では、実施例１では、発酵後、Ｒｐは徐々に増加し、発酵時間が５０分程度に最高値を示した後、減少する。一方、比較例では、Ｒｐ値が増減を繰り返して実際の値と異なるものとなった。この原因は、パン生地が膨張した場合に電極とパン生地との接触不良が発生したものと考えられる。
以上のように、比較例では試料固有の値が得られず、電極とパン生地との接触関係等の影響を受けて好ましくないことが判った。

本発明の実施形態により、パン・焼き菓子生地の状態からできあがったパンまでのインピーダンス値を同一の試料について測定できることが判った。またインピーダンス測定値から得られる電気容量Ｃｐ、電気抵抗Ｒｐの値から、パン・焼き菓子生地の誘電率、導電率を求めることができた。改良型電極は耐熱容器である紙製のマフィン型の中に固定されているため、電極を入れたままパン・焼き菓子を焼き、焼き上がり後のインピーダンスも測定可能である。焼き上がり後も測定することにより、パン・焼き菓子の鮮度維持についても検討できる。
本発明の電極構成、および測定方法は、試料を電極装着時、または試料を測定セルに充填時には、流動性があるか、乃至は塑性変形する状態であり、装着後、または充填後には流動性を失う、乃至は固体化するような測定試料に対しても有効である。

インピーダンス測定系の構成

実施例 電極構成図

比較例 電極構成図

実施例１と比較例１ パン生地のインピーダンス｜Ｚ｜の周波数特性

実施例１と比較例１ パン生地の電気抵抗値の経時変化

符号の説明

１１ インピーダンス測定機
１１Ａ リード線接続端子
１２ リード線
１３ 電極接続部（先端がクリップ形状）
１４ 電極
１４Ａ 電極のリード線接続部
２１ 板状の白金製電極
２１Ａ 電極のリード線接続部（２１電極と一体となっている）
２２ 紙製容器（マフィン型）
２２Ａ 試料のパン生地を入れる高さ
２３ 紙製の電極保持部材
３１ 棒状の白金製電極
３１Ａ 電極のリード線接続部（３１電極と一体となっている）
３２Ａ プラスチック製容器の底面電極固定部
３２Ｂ プラスチック製容器の側面

Claims (5)

1. パンや焼き菓子の中に電気を通電する対向する一組の主電極を埋め込み、該主電極には、該主電極間の距離を保つ紙製の電極保持部材で二カ所以上の位置で固定されているパンや焼き菓子のインピーダンス、電気抵抗、電気容量の測定用の電極。
2. 請求項１の主電極を測定試料が塑性変形しうる間に埋め込み固定することを特徴とするインピーダンス、電気抵抗、電気容量の測定方法。
3. 測定周波数が１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚとする請求項２記載のインピーダンス、電気抵抗、電気容量の測定方法。
4. 測定電極を埋め込んだままパンや焼き菓子を焼き、焼く前後のインピーダンス、電気抵抗、電気容量を測定する請求項２〜請求項３のインピーダンス、電気抵抗、電気容量の測定方法。
5. 請求項２〜請求項３記載の測定電極を測定試料中に埋め込む前に、電極定数を定めて、測定値の電気抵抗、電気容量から、その電極定数値により、電気導電率、誘電率を求める電気導電率、誘電率の測定方法。