日本調理科学会誌 Vol. 46 No. 4(2013) 表 3. 各成分の比熱成分比熱 [J/(kg K)] 脂質 1,900 炭水化物 1,220 水分 4,180 氷 2,110 タンパク質 1,900 り上げたが, 食品に与えられた熱エネルギーによってどのくらい温度が上昇するかは,

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ともあきかたづ
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1 日本調理科学会誌 Vol. 加熱調理と熱物性 46,No. 4,299~303(2013) 講座加熱調理と熱物性杉山久仁子 * Kuniko Sugiyama 私たちは食品の多くを加熱調理して食べている加熱調理する目的は, 栄養効果を上げることや安全性を高めること, おいしくすることなどであるが, 目的に応じて加熱温度や加熱時間を調整することが必要である多種多様な食品を, いろいろな調理方法で加熱することから, 扱う食材や調理器具の熱物性を理解しておくことが, 調理をする上では重要となるそこで, 本講座では食品の熱物性値と調理に係わる熱物性値について解説する 1. 食品の熱物性値 ( 熱伝導率煮る, ゆでる, 蒸す, 炊く, 焼くなどの一般的な加熱方法では, 熱は食品表面に伝えられ, 食品の内部での熱の伝わり方は熱伝導によるものである熱伝導 ( 固体内部での熱移動 ) における熱の伝わりやすさを示す値は熱伝導率 ( 熱伝導度 ) と呼ばれ, 物質固有の物性値である食品素材の熱伝導率の測定値は数多く報告 1,2) されているが, 熱伝導率は食品素材の種類, 成分組成, 構造および構造上の配向, 温度によって異なる値を示す食品の熱伝導率を測定する方法はいくつかあるが, 測定機器が高価であったり, 食品では正確な測定が困難であったりするため, 食品を水と固形物から構成されるものとした近似式や, 各成分の空間構造を反映させた伝熱モデルを使って推算する方法などが提案されている 1-3) ここでは, 食品の成分組成や温度が熱伝導率に与える影響について, 簡単に解説する食品を構成する各成分の熱伝導率を表 1 に, 各種タンパク質および炭水化物の熱伝導率を表 2 に示すこれらの結果から, 水の熱伝導率が他の成分の値よりも大きいこと, タンパク質の熱伝導率は種類によって異なり, 未凍結の状態で 0.2~0.38 W/(m K) であり, 炭水化物の値に近いこと, 脂質の熱伝導率はタンパク質や炭水化物よりも小さいこと, 凍結時の熱伝導率の方が未凍結の状態よりも大きいことがわかる従って, 同種の食品の場合には, 水分含量が多いほど, 脂質含量が少ないほど, 熱伝導率は大きくなると考えられ, 実際に水分率と熱伝導率は正の相関関係にあることが報告されている食品の熱伝導率への温度の影響については, 食品は一般的に水分を多く含んでいるものが多いため, 食品内部の熱移 * 横浜国立大学 (Yokohama National University) 表 1. 各成分の熱伝導率成分熱伝導率 [W/(m K)] 脂質炭水化物水分タンパク質空気表 2. 各種タンパク質および炭水化物の熱伝導率推定値熱伝導率 [W/(m K)] 成分未凍結凍結水 * 2.30 ** ゼラチン魚畜肉タンパク質大豆タンパク質卵アルブミン小麦グルテンミルクカゼインバレイショデンプン寒天脂質 0.14~0.19 *2 での値 **-10 での値動は 100 以下の温度帯で考えればよい 0~100 の温度範囲では水の熱伝導率は温度上昇とともに大きくなり, 0.562~0.678 W/(m K) の値をとるこれに対し, タンパク質や炭水化物の熱伝導率は温度の影響を大きくは受けないとされており, 脂質の熱伝導率はやや小さくなる従って, 水分を多く含む食品では熱伝導率の温度による変化も注意が必要であるまた, ケーキ生地やパンのように食材の中に気泡が分散している食材を扱う場合には, 空気や水蒸気の影響を考える必要がある空気の熱伝導率は表 1 に示すように他の食品成分に比べると 1 桁小さい値をとる従って, 空気を含む食品の熱伝導率は, 空気を含まない状態よりも小さくなり, 熱を伝えにくいと考えることができるただし, 連続相中に水分が多く含まれている気泡分散系の食品を加熱すると, 気泡内で高温側から発生した水蒸気が低温側で凝縮することによって熱が運ばれ, 試料全体の熱伝導率 ( 試料を構成する成分の構造を反映した値として有効熱伝導率という ) は大きくなることが明らかにされている (2) 比熱熱の伝わりやすさを示す指標として熱伝導率を前項で取 (299) 51

2 日本調理科学会誌 Vol. 46 No. 4(2013) 表 3. 各成分の比熱成分比熱 [J/(kg K)] 脂質 1,900 炭水化物 1,220 水分 4,180 氷 2,110 タンパク質 1,900 り上げたが, 食品に与えられた熱エネルギーによってどのくらい温度が上昇するかは, 比熱によって決まる比熱は熱伝導率とは異なり, 食品の構造の影響を無視することができ, 各成分の比熱に質量分率を乗じて合計すると食品全体の平均の比熱を算出することができる比熱は単位質量の物質の温度を単位温度だけ上げるのに必要なエネルギー量であるため, この数値が大きいほど温度は上がりにくいと言える各成分の比熱を表 3 に示すこの結果から, 水の比熱が他の成分の比熱よりも大きく, 他の成分間では炭水化物が少し小さい値であるが大きな違いは無く, 水分を多く含む食品ほど温まりにくいと判断することができる (3) 熱拡散率 ( 温度伝導率 ) 熱伝導率 (W/(m K)) を比熱 (J/kg K) と密度 (kg/ m 3 ) の積で割ったものを熱拡散率 (m 2 /s) という熱伝導率が熱の伝わりやすさを表すのに対し, 熱拡散率は温度の変化の伝わりやすさを表し, 食品内部の温度分布を知る上で重要な熱物性値である (4) 食品の熱物性値の推算例食品の熱物性値の推算例を表 4 に示す食品の主要成分の熱伝導率と体積分率から食品の有効熱伝導率を, 食品の主要成分の比熱と質量分率から平均の比熱を算出する方法を使用した 4) 成分組成は日本食品成分表に示されている値を採用した水分含量が少なく, 脂質含量の多いクッ表 4. 食品の熱物性値 ( 推算値 ) 熱伝導率密度比熱 [W/(m K)] [kg/m 3 ] [J/(kg K)] 熱拡散率 [m 2 /s] クッキー , 鶏肉 ,062 3, 卵白ゲル ,033 3, 牛肉 ,053 3, 豚肉 ,130 3, キーが他の食品よりも熱伝導率が低く, 比熱が小さくなっている一方, 熱拡散率は 1.29~1.55 m 2 /s の範囲に入っており, 大きな違いはないこれらの推算値を使って, 食品を鉄板やオーブンで加熱したときの加熱時間を推算し, 実測値と比較した結果, 初期温度の熱物性値を使って食品内部の温度が一定の温度に達するまでに必要な加熱時間をおおよそ見積もることが可能であることを報告している 5) 次に, 気泡分散系としてケーキ生地の熱物性値を推算した結果を表 5 に示すスポンジケーキ生地と, 材料の配合は同じで調製方法の異なるバターケーキ生地 2 種を試料とした熱物性値は加熱前の生地温度と 50 で計算を行った気泡の体積分率と密度は実測値を使用したが,50 における気泡の体積分率の値は, 焙焼後 ( できあがり ) のケーキの値を使用した連続相の熱伝導率は水分率の少ないバターケーキ生地の方が小さい値となるが, 生地の種類や温度によって大きな違いはない一方, ケーキ生地全体の有効熱伝導率は加熱前の気泡の体積分率の最も大きいスポンジケーキ生地では, 気泡の存在によって連続相の熱伝導率の 1/2 以下の値となっている比熱は試料や温度によってほとんど変化しないが, 密度は膨化に伴い, 加熱前の 1/2 程度に低下しているこれらの値から熱拡散率を計算すると,50 の熱拡散率は初期温度の値の 3~4 倍となり, 温度の影響が非常に大きいことが確認された従って, 気泡分散系の食品の場合には, 初期温度の熱物性値で加熱時間を予測すると実際よりも大幅に長くなってしまうこと, 初期温度と 50 の熱物性値を使用して 2 段階で加熱時間を計算することで加熱時間の近似値を得ることができることを確認している 6) 2. 調理方法に係わる熱物性値 ( 鍋食品を加熱する際には直接熱源で加熱するよりも, フライパンや鍋などを介して間接的に加熱することが多い鍋類の種類は非常に多く, その熱物性を理解し, 調理法に合った鍋を選ぶことが重要である鍋に使われている材質の熱物性値を表 6 に示す熱伝導率の値を比較してみると, 熱の伝わり方が最もよいのは, 銅であり, 次いでアルミニウム, 鉄は 1 桁小さい値である表面が変質しにくいステ試料温度 [ ] 連続相の熱伝導率表 5. ケーキ生地の熱物性値の推算値気泡の体積分率 [-] 密度 [kg/m 3 ] 有効熱伝導率比熱 [J/(kg K)] 熱拡散率 [m 2 /s] スポンジケーキ , 生地 , バターケーキ生地 , ( 卵起泡 ) , バターケーキ生地 , ( バター起泡 ) , (300)

3 加熱調理と熱物性物質名表 6. 鍋の材質の熱物性値 (27 での値 ) 熱伝導率比熱 [J/(kg K)] 密度 [kg/m 3 ] 比熱密度 [J/(m 3 K)] 銅 ,880 3, アルミニウム ,688 2, 鉄 ,870 3, ステンレス (SUS304) ,920 3, チタン ,506 2, パイレックス ,230 1, 陶器 1.0~1.6 ~1,000 2,200~2,500 ~2, ンレスは熱伝導率が低く, 熱の伝わり方は遅い硬くて軽い ( 密度が小さい ) 金属としてチタンも鍋材として使われているが, ステンレスと同様に熱の伝わり方は良くない食品を鍋に入れて加熱したときの鍋の温度上昇の仕方は, 材質の熱伝導率と熱容量の影響を受ける熱容量 (J/K) とは, 物質の温度を単位温度上げるために必要な熱量であり, 比熱 (J/(kg K)) と物体の質量 (kg) の積で計算することができ, 熱容量の大きい鍋は温まりにくいが冷めにくく, 保温性が高く, 温度変動の少ない鍋と判断することができる鍋の材質は, その種類によって密度が異なるために, 異なる材質で同じ厚さの鍋を作ったと仮定して熱容量を比較してみる比熱 (J/(kg K)) に密度 (kg/m 3 ) を掛けると単位体積当たりの熱容量 (J/(m 3 K)) が得られるこの結果から, アルミニウムとチタン, パイレックス, 陶器の単位体積当たりの熱容量は他の材質に比べて小さく, これらの鍋では熱容量を上げるためには, 厚さを厚くして, 重い鍋にする必要がある一方, 鍋の温度分布は焦げ付きに影響し, 熱伝導率が高くて熱が伝わりやすく, 厚手の鍋ほど鍋底の温度分布が均一になり, 焦げ付きは起こりにくい 7) これらのことから, 大量の水を沸騰させ食品をゆでるような場合や高温でさっと炒める場合には, 熱伝導率が高い材質で薄手の鍋がよい時間をかけてじっくり煮込む料理の場合には, 鍋底の温度むらが少ない, 熱伝導率が高く, 厚手の鍋 ( アルミニウムや銅の厚鍋や積層鍋 ) がよい消火した後, 保温をする場合には, 熱伝導率が低い厚手の鍋 ( 土鍋やガラス鍋 ) などが適していると考えられる (2) オーブンオーブン内での食品の加熱は, 熱せられた空気からの対流伝熱, ヒーターや庫壁からの輻射伝熱, 天板からの伝導伝熱によって複合的に行なわれるオーブンの加熱能を評価する方法として, 表面状態の異なる銅ブロック ( 黒色塗料塗布とニッケルメッキ ) を伝導伝熱が無視できる状態 ( 天板を使用せず庫内に宙づりの状態 ) で加熱を行い, 対流伝熱と輻射伝熱の両者による被加熱物 ( 食品 ) 表面への熱エネルギーの伝えやすさを表す複合熱伝達率, および全伝熱量に対する輻射伝熱の割合を表す輻射伝熱率の測定が提案されている 8) これら加熱能の値は, オーブンの構造に表 7. オーブンの加熱能オーブンの種類複合熱伝達率 [W/(m 2 K)] 輻射伝熱率 [%] ガス自然対流式ガス自然対流式電気ヒーター式電気ヒーター式電気強制対流式ガス強制対流式ガス強制対流式よって異なることが明らかになっている ( 表 7). 庫内空気を撹拌するファンのある強制対流式のオーブンはファンのない自然対流式のオーブンよりも複合熱伝導率は高く, 風速が速いほど複合熱伝達率は高くなるオーブンの複合熱伝達率と食品の焙焼所要時間には負の相関関係があり, 複合熱伝達率が高いほど加熱時間は短くなる食品の表面の焼き色については, 複合熱伝達率と輻射伝熱率の相互が関与しており, 複合熱伝達率がほぼ同じ場合でも, 輻射伝熱率が高いほど表面の色づきが速い庫内にヒーターを取り付けたオーブンでは, 輻射伝熱率が高く, ヒーターの放射特性 ( 分光放射率, 各波長における放射率 ) が食品の焙焼成績に影響を与えるさらに, 近年, 熱風と蒸気を併用したスチームコンベクションオーブンが大量調理施設など多くの業務用厨房で使用されるようになっているオーブン加熱時に蒸気を供給すると,100 より高い温度の水蒸気 ( 過熱水蒸気 ) による加熱となる食品の表面温度が 100 に達するまでは蒸し加熱と同様に食品表面で蒸気の凝縮が起こるために, その潜熱によって食品の表面温度の上昇が顕著に速くなる 100 に達してからは, 通常のオーブン加熱とほぼ同じように温度は上昇を続けるしかし, 風速が速く, 複合熱伝達率の高いスチームコンベクションオーブンでは, 庫内温度が高い場合には, 蒸気による食品の温度上昇の促進効果は小さい 9) 食品の水分量の変化については, 加熱初期に食品表面で水蒸気が凝縮することによって重量が一度増加し, その後水分の蒸発が起こることから水分蒸発を抑えることができると考えられていたが, 食品の種類によって表面での吸水性が異なり, 水蒸気の凝縮による重量変化の影響は (30 53

4 日本調理科学会誌 Vol. 46 No. 4(2013) 異なることが示されている 10) 脂質量の変化については, 蒸気を併用すると, 食品の温度上昇が速いために肉の収縮が促進され, 脱脂が進む 1 が, 温度上昇が速いために加熱時間が短縮され, 加熱終了時点での脱脂率は蒸気を入れない高温空気加熱の時よりも低くなることが多い水蒸気を供給することのできるオーブンは増えているが, 庫内の蒸気量 ( 増加速度と最大量 ) は機種によって大きく異なることが確認されている 12) また, 業務用のスチームコンベクションオーブンでは, 蒸気量を 0~100% の範囲で数段階もしくは,1% 刻みで設定することができ, 実際には蒸気量 100% よりも,40~50% や 80~90% の設定で食品の焼き加熱が行われていることの方が多いという報告がある 13) しかし, 蒸気量を変えて食品を焼くことによる効果は未だ明らかにされていない庫内蒸気量の変化を正確に把握しながら, 食品の調理成績と蒸気量の関係について明らかにしていく必要がある (3) 電子レンジ 2,450 MHz のマイクロ波を食品に照射して食品自身を発熱させる電子レンジ加熱では, 食品の温度上昇のしやすさは, 前節で説明した熱物性値では説明できないマイクロ波は物質に浸透しながら吸収され, 熱に変化する食品が 1 秒間に単位体積当たり吸収するエネルギーは, 電子レンジの出力と, 比誘電率と誘電体損失角の積である誘電損失係数で決まる誘電損失係数は成分や温度によって変わる物質固有の値である 14) ( 表 8) 誘電損失係数が大きいものほど発熱しやすく, 入射したマイクロ波が半分に減衰する距離である半減深度は小さい水と食塩水を比較すると, 食塩水の方が誘電損失係数が高く, 半減深度は小さいため, 塩分を含む食品の方が表面に近いところで発熱しやすい食品の形状によってもマイクロ波の吸収は均一にならないため, 加熱むらが生じやすい氷やプラスチック, 磁器などは誘電損失係数が小さく, 半減深度が大きく, 電磁波がほとんど損失せずに透過するために, 加熱されにくい最近では, セラミックなどの容表 8. 主な物質の誘電損失係数と電波の浸透深さ * 物質名誘電損失係数半減深度 ** 空気 0 テフロン石英ポリプロピレン ~ m 前後氷ポリエチレン磁器 0.001~ m 前後紙塩化ビニール木材 0.1~ cm 前後油脂類乾燥食品 0.2~ cm 前後パン米飯ピザ台 0.5~5 5~10 cm じゃがいも豆おから 2~10 2~ 5 cm 水 5~15 1~ 4 cm 食塩水 10~40 0.3~ 1 cm 肉魚スープレバーペースト 10~25 1 cm 前後ハムかまぼこ 40 前後 0.5 cm 前後 *2,450 MHz で測定された文献値, または文献値をもとにした計算値 ** 入射した電波が半分に減衰する距離器にマイクロ波を吸収して発熱する物質を塗布したり, 埋め込んだりしたものが開発されている食品はマイクロ波を吸収して内部発熱すると同時に, 発熱体によって熱せられたセラミックから伝導伝熱によって食品が加熱され, 容器に接触している面に焼き色がつく電子レンジ加熱は内部発熱のために食品表面の温度が上がりにくく, 食品の表面の焼き色がつかないという欠点を改善する容器として利用されている食品の加熱時間は, 電子レンジの出力 (W 数 ) と食品の量によって決まる食品が同じ量の場合には出力が大きいほど加熱時間は短くなり, 出力が同じ場合には, 加熱時間は食品の量にほぼ比例する家庭用の電子レンジの出力は 600 W もしくは 500 W のものが一般的であるが, 新しい機種には 1,000 W を超える出力が搭載されているものもある (4) 電磁調理器 (IH クッキングヒーター ) 電磁調理器は, トッププレートの下に磁力線を発生するコイルがあり, 交流電流が流れると交番磁力線が発生し, この磁力線が鍋底に誘導電流 ( うず電流 ) を起こし, 鍋の金属の電気抵抗によって鍋底が発熱する鍋の吸収電力は鍋材料の表皮抵抗 ( 抵抗率を浸透深さで割ったもの ) が大きいほど大きくなる鍋に使われている金属の表皮抵抗を表 9 に示す 15) アルミニウムと銅は鉄やステンレスに比べて表皮抵抗が小さく, 同一の誘電コイルでは吸収電力は小さくほとんど発熱しない従って,IH クッキングヒーター用の鍋は鉄鍋や鉄を含む鍋 ( ホーロー鍋, ステンレス鍋など ) しか使うことができない現在は, アルミニウムや銅を含めすべての金属の鍋を使うことのできる機種も開発されているが, アルミニウムや銅の鍋の加熱速度は遅く, 他の鍋よりも多くの電気を消費するガラスや土鍋など金属製でない鍋も使用できないが,IH 用として土鍋の鍋底に発熱体が付けられたものもある金属名表 9. 金属の表皮抵抗と浸透深さ (20 khz) 電気抵抗率 [Ω cm] 浸透深さ [mm] 表皮抵抗 [Ω] 純鉄アルミニウム銅ステンレス文献日本熱物性学会編 (2008), 熱物性ハンドブック, 養賢堂, 東京,pp ) 大下誠一 (1996), 食品の熱物性値, 食品加熱の科学, 渋川祥子編, 朝倉書店, 東京,pp ) 矢野俊正 (1992), 食品工学の基礎, 光琳, 東京,pp ) Choi, Y. and Okos, M. R. (1986), Food Engineering and Process Applications. Vol. 1, ed. M. Lemaguer and P. 54 (302)

5 加熱調理と熱物性 Jelen, Applied Science Pub., Washington, D.C.,pp ) 杉山久仁子, 渋川祥子 (1998), 食品の熱板焼きにおける加熱条件推定法の検討, 熱物性,12, ) 杉山久仁子, 渋川祥子 (2000), ケーキの加熱条件の推定, 第 21 回日本熱物性シンポジウム講演論文集,pp ) 辰口直子, 渋川祥子 (2000), 材質および厚さの異なる鍋の調理特性に関する研究, 日本調理科学会誌,33, ) 渋川祥子 (1998), 調理における加熱の伝熱的解析および調理成績に関する研究, 日本家政学会誌,49, ) 山田晶子, 杉山智美, 渋川祥子 (2002), スチームコンベクションオーブンの加熱特性, 日本家政学会誌,53, ) 杉山久仁子, 金澤真理子, 石黒初紀, 渋川祥子 (2003), スチームコンベクションオーブンの加熱特性庫内温度および食材の種類の影響, 第 24 回日本熱物性シンポジウム講演論文集,pp Yamagata, J., Iyota, H., Sugiyama, K. and Nishimura, N.(201, Defatting and dehydration of meat products during heating in steam convection oven, J. JSEM, 11, ) 杉山久仁子ら他 17 名 (2009), 蒸気供給によるオーブンの加熱特性の変化と脱脂効果, 日本調理科学会平成 21 年度大会研究発表要旨集,p ) 亥子紗世, 古都丞美, 黒川みどり, 杉山久仁子 (2012), スチームコンベクションオーブンにおける過熱水蒸気の利用実態とその加熱効果, 日本家政学会第 64 回大会研究発表要旨集,p ) 肥後温子 (1996), 電子レンジ加熱食品加熱の科学, 渋川祥子編, 朝倉書店, 東京,p ) 大藪一 (200, 最近の電子レンジと電磁調理器, 日本調理科学会誌,34, (303) 55

Microsoft PowerPoint - 第7章(自然対流熱伝達 )_H27.ppt [互換モード]

Microsoft PowerPoint - 第7章(自然対流熱伝達 )_H27.ppt [互換モード] 第 7 章自然対流熱伝達伝熱工学の基礎 : 伝熱の基本要素フーリエの法則ニュートンの冷却則次元定常熱伝導 : 熱伝導率熱通過率熱伝導方程式次元定常熱伝導 : ラプラスの方程式数値解析の基礎非定常熱伝導 : 非定常熱伝導方程式ラプラス変換フーリエ数とビオ数対流熱伝達の基礎 : 熱伝達率速度境界層と温度境界層層流境界層と乱流境界層境界層厚さ混合平均温度強制対流熱伝達 :

日本調理科学会誌 Vol. 46 No. 4(2013) 表 3. 各成分の比熱 成分 比熱 [J/(kg K)] 脂 質 1,900 炭水化物 1,220 水 分 4,180 氷 2,110 タンパク質 1,900 り上げたが, 食品に与えられた熱エネルギーによってどのくらい温度が上昇するかは,

日本調理科学会誌 Vol. 46 No. 4(2013) 表 3. 各成分の比熱成分比熱 [J/(kg K)] 脂質 1,900 炭水化物 1,220 水分 4,180 氷 2,110 タンパク質 1,900 り上げたが, 食品に与えられた熱エネルギーによってどのくらい温度が上昇するかは,