CO2レーザー加工：食品の安全性を高める技術

投稿日: 2022 年 12 月 29 日 | エドゥアルド・プエルトラス、イザスクン・ペレス、シャビエル・ムルギ | コメントはまだありません

CO2 レーザー加工は将来の食品生産をどのように変えることができるでしょうか? この非接触テクノロジーがどのように役立つかについては、こちらをご覧ください…

加工における技術革新は、食品産業の効率と収益性の向上を左右する基本的な柱の 1 つです。 近年研究されている技術の中でも、CO2 レーザーは将来の食料生産を変革する注目に値する能力を持っています。

レーザーの時間的および空間的精度により、近くの食材に過度の影響を与えることなく、レーザーエネルギーを小さなスポットに集中させ、複雑なパターンに従うことが可能になります。

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これは、いくつかの機械的および熱的プロセスにおいて特に興味深いものです。 例えば、食品と接触する表面上の微生物を不活化することが提案されている。 非接触切断にも使用できるため、ブレードやウォータージェットなどの他のシステムの物理的、化学的、微生物学的相互汚染の問題を回避できます。 または食品のマーキング用として、紙/プラスチックのラベルやインクの代わりに使用します。

レーザー (放射線の誘導放出による光増幅の頭字語) は、利得媒体の分子を励起状態に励起して光を生成するエネルギー供給システムで構成されています。

この光は、2 つのミラーによって制限された光キャビティ内で増幅され、それぞれのミラーの 1 つは部分的に透明で、コヒーレントで指向性のあるレーザー ビームを通過させ、ソフトウェアで制御されるレンズ システムによって時間的および空間的精度でターゲット材料に焦点を合わせることができます。

二酸化炭素 (CO2) レーザーは、利得媒体の主成分として CO2 を使用し、中赤外波長 (通常 10,600 nm) のレーザー ビームを放射するため、その名前が付けられました。

赤外線の波長は大気中でほとんど損失なく透過されます。 さらに、食品の主成分である水に効率よく吸収されます。 したがって、食品加工において CO2 レーザーが注目される主な理由は両方であると考えられます。

CO2 レーザー ビームの放射エネルギーを調整することにより、光化学的、熱的、機械的効果が食品に徐々に生じます。1 CO2 レーザー エネルギーが低い場合、レーザーは原子間および分子間の結合を乱すだけです。 より高い放射エネルギーでは、レーザービームのエネルギーが熱エネルギーに変換され、食品の表面（数ミリメートルの深さ）を正確かつ制御された方法で加熱します。

放射エネルギーをさらに増加させると、食品の表面に直接的な機械的効果が生じ、最終的には蒸発とアブレーション現象に基づいてクレーターが形成されます。1

アブレーションプロセスは食品の下層で繰り返すことができ、食品をより深く浸透させたり、特定のパターンに従って隣接するゾーンで継続したりすることができます。 これらの効果に基づいて、CO2 レーザーは微生物の除染、調理、マーキング、切断などの幅広い食品用途に使用できます。

CO2 レーザーは、さまざまな基材の表面の微生物を不活化する非接触かつ比較的高速な技術であり、化学物質の使用などの従来の表面洗浄および消毒システムに代わるものであり、この解決策は、次のような問題が発生する可能性があるためますます疑問視されています。有毒な残留物。

食品接触面 (カッター、コンベア ベルトなど) の場合、加熱は大きな問題ではなく、レーザーの精度と処理速度が大きな役割を果たします。 たとえば、CO2 レーザー処理 (660 W、0.8 ～ 1.3 cm/秒) 後のステンレス鋼表面では、大腸菌と黄色ブドウ球菌が完全に不活化されたことが報告されています。2 微生物の不活化とは別に、CO2 レーザーの機械的効果もまた、このようなタイプの表面から、掃除が難しい有機物やバイオフィルムを除去するのに役立ちます。

CO2 レーザーは、食品の表面に存在する微生物を不活性化することもできます。3 ただし、この場合、機械的影響を避け、熱的影響を最小限に抑え、表面特性への影響を最小限に抑えるために処理を非常に最適化する必要があります。

最適化にもかかわらず、色の変化などの表面の変化は通常検出されます。 フラボノイド、リボフラビン、またはその他の抗酸化物質を使用すると、これらの悪影響を軽減または回避できる可能性があります。4

CO2 レーザーは、光ビームの高エネルギーを利用して、調理、グリル、焼き色をつけるための従来の熱技術の代替として使用できます。4-5

ただし、この場合、高エネルギー強度の治療に伴う炭化プロセスとアブレーションプロセス（それぞれ熱効果と機械的効果）は避けるべきです。

CO2 レーザーで調理した食品では、赤外線オーブン、電気バーベキュー、電気フラット グリルなどの一般的な調理方法で得られるものと同様に、ネズミチフス菌、サルモネラ ゼンフテンベルグ、大腸菌 O157:H7 の微生物の減少が観察されます。3 CO2 処理の場合炭化を減らすように調整されているため、レーザーで調理した食品には、従来の方法で調理した食品と同量の多環芳香族炭化水素が含まれています。

CO2 レーザーの精度は、食品の一部のみ (例: ベーコンの脂肪部分のみ)、または食品の各部分を最適な条件 (温度、時間) で調理できることを意味します。これに関連して、CO2 レーザーは、事前に印刷された食品を調理するために正確な熱伝達が必要とされる、食品の 3D プリンティングで特別な注目を集めています。5

著者らは、CO2 レーザーの精度により、ベーコンの脂身部分など、食品の 1 つの部分しか調理できないことを意味していると述べています。

レーザーエネルギーは食品に数ミリメートルしか浸透しないため、薄い食品の調理や、グリルや焦げ目などの表面処理に提案されています。 多くの製品では、表面仕上げ（グリルマークなど）にレーザーを使用し、マイクロ波などの他の技術と組み合わせて使用​​することが提案されています。

果物や野菜のマーキングにレーザーを使用することは、ヨーロッパのいくつかの国で認可され、業界で導入されています。 これらは、果物、野菜、卵、肉、チーズ、チョコレート、シリアル製品など、幅広い食品でテストされています (図 1)。

図1：チーズへのCO2レーザーによるQRコードのマーキング（レーザー加工例）

その興味深い点は、プラスチック/紙のラベルや接着剤を必要とせず、接触を避けるように作られているという事実にあります。 一般的な観点から見ると、CO2 レーザーは、機械的効果 (彫刻) または熱効果 (メイラード反応) に基づくマーキングに使用できます。

どちらの場合も、ほぼあらゆるパターンに従ってレーザーを操作することができるため、数字 (例: 有効期限、バッチ番号)、文字 (例: 原産地、会社名)、コード (例: バーコード、QR) をマークすることができます。または複雑な図面やデザイン（品質ラベル、会社のロゴなど）。6

CO2 レーザーは、アブレーション現象を利用して、切断や皮むき、またはマリネや化合物の抽出などの一部の操作で使用できる穿孔などの他の機械的手順のための非接触技術として使用できます。1,4

CO2 レーザーには、ブレード、ナイフ、針、または同様の装置を使用する従来の技術に比べて、いくつかの利点があります。

まず、レーザー光線の作用 (微生物の不活化) により、加工領域が部分的に除染されます。これは、ブレードやウォータージェット切断と比較して、食品の安全性にとって重要な利点です。

従来の技術では実現が困難、あるいは不可能であった複雑なパターンに従って食品を加工することも可能です。

最後に、パターンの変更はその場で行うことができ、機械的な切断要素を清掃するためにラインを停止する必要はありません。 従来の技術では、洗浄プロセスや切断構成の変更には、切断要素の洗浄、交換、交換、移動のためにラインを停止する必要がありました。

この種の機械プロセスに CO2 レーザーを使用する場合の最も重要な制限は、発生する熱と比較的浅い切込み深さです。

レーザー加工パラメータを効果的に選択することが、食品の切り口の焦げを防ぎ、適切な性能を得る鍵となります。 深さが数ミリメートルを超える場合は、ゾーンが冷却するのに十分な時間を確保するために数回のレーザー加工サイクルが必要です。 他の戦略は、水または蒸気を使用してレーザー処理ゾーンを直接冷却することに基づいています。

CO2 レーザーは、食品業界における相互汚染の問題を軽減する大きな可能性を秘めた非接触加工技術です。

調理/グリル、マーキング、カット、皮むきなど、食品の幅広い用途に使用したり、食品接触面に存在する微生物を不活化するために使用したりできます。

著者の知る限り、食品に直接作用する、完全に工業化され、食品市場に広く普及している唯一のレーザー応用は、果物と野菜のレーザーマーキングです。

ただし、他のアプリケーションで得られた結果は有望であり、市場に投入するにはさらなる努力が必要です。 現在、この記事で説明するアプリケーションのほとんどを工業化するために必要な出力と特性を備えた CO2 レーザー システムが存在します。

したがって、大きなスケール上の問題は予想されず、今後数年のうちに産業用途が広がり始めることが予想されます。 CO2 レーザーは他の産業分野でも使用されているため、そのコストは過去 20 年間で大幅に減少しました。

これを念頭に置くと、コストが安いため、他の生産部門に比べて利益率が低い食品業界での導入が容易になることは間違いありません。

エドゥアルド・プエルトラス (ORCID: 0000-0001-7489-4674) は、AZTI – バスク研究技術同盟 (BRTA) の食品研究部門の博士号研究者です。 彼の主な研究分野は、新しい食品の設計、食品の保存、食品の品質改善、プロセスの最適化のための新しい加工技術（レーザー、高圧均質化、高静水圧など）の研究と応用です。 電子メール: [電子メールが保護されています]

イザスクン・ペレス彼女は、AZTI-バスク研究技術同盟 (BRTA) の農業エンジニア兼研究者であり、新しい用途の開発と検証のための新興技術の研究プロジェクトに参加しています。 近年、彼女は企業の 2 つの新しい生産ライン (現在市場に出ている製品) の開発と導入に参加しました。 電子メール: [電子メールが保護されています]

ザビエル・ムルギー農学者エンジニアであり、農業食品産業の技術と品質の修士号を取得し、現在はAZTI-バスク研究技術同盟（BRTA）の研究者です。 14 年以上の経験を持つ食品業界の専門家であり、新製品の開発、プロトタイプのスケールアップと工業化を専門としています。 電子メール: [電子メールが保護されています]

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