溶融食品材料の急縮小流れに及ぼす諸因子の影響

機能性食品素材の製造を目的として、澱粉あるいは蛋白を主成分とする食品材料の高温・高圧処理技術、特にエクストルーダーを利用した食品押し出し加工技術が注目されている。この技術は、既に実用化され様々な分野で利用されているが、材料の輸送物性あるいは流動、伝熱といった装置内輸送現象が加工中の材料の化学的、物理的変化に影響を受けるため複雑であり、まだ経験に依存するところが多く、普遍的なプロセスの設計指針は確立されていない。本研究では、エクストルーダー内部の滞留時間分布や剪断、ひいては製品の組織制御に重要な影響を及ぼすダイ入口周辺部の流動状態を把握するための基礎研究として、溶融食品材料の急縮小管内流動に関し、数値シミュレーション及び実験の両側面から検討することを目的とする。今年度は、溶融食品材料の急縮小管内流動を解析するための数値シミュレーションコードの開発を目的として、まずニュートン流体に関するシミュレーションコードの開発を行った。さらに、本課題に関連する既住の研究の調査より、溶融蛋白、例えば溶融大豆蛋白の流動特性が非ニュートン流体、特に含水率が41%以上では指数則流体(擬塑性流体)、それ以下では複雑な(通常の非ニュートン流体モデルでは表現できない)流動特性を示すことが分かったので、第2ステップとしてこの実験結果に基づき、指数則流体の急縮小管内流動に関する数値シミュレーションコードの開発を行い、管内流動に及ぼす流動指数の影響について数値的に検討した。今後は、今年度開発したシミュレーションコードを広範な含水率の食品材料に適用できるように拡張するため、低含水率の実験結果が示す流動特性のモデル化、さらには実験を行うことにより実際の管内流動状態との比較検討を行う予定である。

機能性食品素材の製造を目的として、澱粉あるいは蛋白を主成分とする食品材料の高温・高圧処理技術、特にエクストルーダーを利用した食品押し出し加工技術が注目されている。この技術は、既に実用化され様々な分野で利用されているが、材料の輸送物性あるいは流動、伝熱といった装置内輸送現象が加工中の材料の化学的、物理的変化に影響を受けるため複雑であり、まだ経験に依存するところが多く、普遍的なプロセスの設計指針は確立されていない。本研究では、エクストルーダー内部の滞留時間分布や剪断、ひいては製品の組織制御に重要な影響を及ぼすダイ入口周辺部の流動状態を把握するための基礎研究として、溶融食品材料の急縮小管内流動に関し、数値シミュレーション及び実験の両側面から検討することを目的とする。今年度は、溶融食品材料の急縮小管内流動を解析するための数値シミュレーションコードの開発を目的として、まずニュートン流体に関するシミュレーションコードの開発を行った。さらに、本課題に関連する既住の研究の調査より、溶融蛋白、例えば溶融大豆蛋白の流動特性が非ニュートン流体、特に含水率が41%以上では指数則流体(擬塑性流体)、それ以下では複雑な(通常の非ニュートン流体モデルでは表現できない)流動特性を示すことが分かったので、第2ステップとしてこの実験結果に基づき、指数則流体の急縮小管内流動に関する数値シミュレーションコードの開発を行い、管内流動に及ぼす流動指数の影響について数値的に検討した。今後は、今年度開発したシミュレーションコードを広範な含水率の食品材料に適用できるように拡張するため、低含水率の実験結果が示す流動特性のモデル化、さらには実験を行うことにより実際の管内流動状態との比較検討を行う予定である。