液体食品の流動特性と温度変化の影響解析

液体食品の流動特性とは何か

液体食品の流動特性とは、外力が加わった際に食品がどのように変形し流れるかを示す性質です。
粘度や弾性、塑性などのレオロジー特性が含まれます。
飲料、ソース、スープなど多くの製品で重要視される理由は、食感、嗜好性、製造効率、安全性に直結するためです。
例えばジュースの飲みやすさ、ドレッシングのとろみ、ヨーグルトのスプーン乗りなどは、いずれも流動特性によって決まります。

ニュートン流体と非ニュートン流体

水やエタノールのように剪断速度に比例して粘度が変化しないものをニュートン流体と呼びます。
一方、ケチャップやはちみつのように剪断速度で粘度が変化するものを非ニュートン流体と呼びます。
非ニュートン流体はさらに擬塑性、ダイラタント、ビンガム塑性などに分類されます。
液体食品の多くは非ニュートン流体であり、温度変化に敏感な点が品質管理を複雑にします。

粘度の測定方法と温度制御の重要性

流動特性を定量化するためには粘度測定が不可欠です。
代表的な機器として、回転式粘度計、キャピラリーレオメータ、振動式粘度計があります。
測定時には温度を一定に保つことが精度向上の鍵です。
なぜなら多くの液体食品の粘度は1℃の差でも数パーセント変動することが報告されているためです。
温度制御用として恒温槽や水循環ジャケットが用いられます。
製造現場ではインライン粘度計を熱交換器下流に設置し、リアルタイムでモニタリングする事例も増えています。

粘度と温度の一般的な関係式

液体の粘度ηと温度Tの関係はアレニウス型方程式で近似できます。
η = A × exp(E/RT) の形で表され、Aは前指数因子、Eは活性化エネルギー、Rは気体定数です。
温度が上がるほどexp項が小さくなるため粘度が低下します。
牛乳では10℃から60℃に昇温すると粘度がおよそ三分の一になると報告されています。
この性質を利用し、加熱工程で流動性を高めてポンプ負荷を下げる設計が行われます。

温度変化がもたらす微視的影響

温度上昇は分子運動エネルギーを高め、液体内の水素結合やファンデルワールス力を弱めます。
結果として内部摩擦が減り粘度が低下します。
また高温ではタンパク質の変性、でんぷんの糊化、油脂の融解など相転移が進みます。
逆に低温では脂肪結晶化やゲル化が進行し粘度が増大します。
例えばチョコレートソースは20℃付近で脂肪のβ結晶が生成し、流動性が急激に低下する現象が知られています。

剪断履歴と温度の相互作用

液体食品は加工中に剪断エネルギーを受け続けます。
剪断により分子構造が破壊され一時的に粘度が下がる「シアシニング」が発生します。
しかし温度が低下すると再凝集が進み元の粘度より高くなるケースもあります。
ドレッシングのエマルションは冷却帯で油滴が凝集し粘度が増大するため、パイプ詰まりの原因になります。

代表的液体食品の温度依存性データ

トマトソース

トマトセルロースとペクチンが構造体を形成し、25℃での粘度は約1500mPa·sです。
60℃まで加熱するとペクチン網目が緩み粘度は400mPa·sまで低下します。
一方冷却後に再加熱しても元の粘度に戻らず、加工履歴が最終品質に影響します。

はちみつ

35℃で8000mPa·sだった粘度は50℃で3000mPa·sに低下します。
ただし高温保持が長いと還元糖の分解で風味が劣化します。
加温充填ラインでは45℃保持を10分以内に抑える運用が推奨されます。

牛乳

無脂肪牛乳はニュートン流体に近く、10℃で2mPa·s、60℃で0.6mPa·s程度です。
全脂肪牛乳は脂肪球の存在でわずかに擬塑性を示し、低温ホモジナイズが推奨されます。

温度変化と品質保全の実務ポイント

加熱殺菌と流動性

HTST殺菌では72℃15秒が一般的ですが、粘度低下により熱交換器の伝熱係数が向上します。
ただし過剰剪断が脂肪球を微細化しすぎるとクリーミング安定性が下がるため、ポンプ回転数制御が必要です。

冷却・貯蔵時の粘度管理

冷却工程では粘度上昇によりライン圧力が増加します。
ライン設計時には最低温度での粘度を基準にポンプ選定を行うとトラブルを低減できます。
貯蔵タンクでは温度むらを防ぐためジャケット循環とアジテータを併用します。

輸送と充填

充填温度が高すぎると容器内で水蒸気凝縮が起こり、内容物濃度が変化します。
逆に低温充填では粘度が高くなり、定量充填精度が悪化します。
製品ごとに最適充填温度を定め、サニタリー継手部の保温対策が効果的です。

シミュレーション解析の活用

数値流体解析（CFD）はパイプ内の温度勾配と速度分布を可視化できます。
非ニュートンモデルを組み込むことで実測に近い結果が得られ、ポンプ選定や熱交換器設計に役立ちます。
またアレニウス式をCFD内に組み込み、リアルタイムに粘度変化を追跡する研究も進んでいます。

研究動向と今後の課題

近年は高粘弾性食品の3Dプリンティング用途が増え、室温から40℃程度の狭い範囲でも詳細な粘度データが求められています。
植物由来代替乳では温度敏感なタンパク質凝集が問題となり、ナノ粒子添加による安定化が検討されています。
さらに機械学習で温度と組成から粘度を予測する手法が登場し、実験回数削減が期待されています。

まとめ

液体食品の流動特性は味覚や食感だけでなく、製造効率、品質保持、安全性に深く関与します。
粘度は温度変化に大きく左右され、多くの製品でアレニウス型の減少傾向を示します。
そのため測定では恒温管理が必須であり、製造工程では加熱冷却条件を精密に設計する必要があります。
パイプライン、ポンプ、充填ラインの最適化にはCFD解析が有効です。
今後はデジタルツインやAI予測を利用し、温度による流動特性変化をリアルタイムで制御するスマート工場が主流になると考えられます。