プラズマによる農産物および食品の低温・ドライ殺菌技術 -...

プラズマによる農産物および食品の低温・ドライ殺菌技術

九州大学大学院総合理工学研究院エネルギー理工学部門准教授　林　信哉（HAYASHI　Nobuya）

佐世保工業高等専門学校　電気電子工学科准教授　柳生義人（YAGYU Yoshihito）

プラズマを用いた農作物の低温・ドライ殺菌技術　（佐世保高専柳生義人）

■自然界のﾌﾟﾗｽﾞﾏ・雷・太陽（恒星）・彗星の尾・オーロラ・ガスの炎

■人工のﾌﾟﾗｽﾞﾏ・蛍光灯・ﾈｵﾝﾗﾝﾌﾟ・ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾃﾚﾋﾞ・ｱｰｸ溶接・ｺﾋﾟｰ機・ｵｿﾞﾝ発生器・半導体製造プロセス

宇宙にある物質の99.9%以上がプラズマ状態

プラズマ（plasma）とは・・・

プラズマ

低温

高温

気体

固体

液体

粒子は分子結合に束縛されて，動けない。

粒子は比較的自由に動き回る。

粒子は自由に飛び回る。

非常にｴﾈﾙｷﾞｰが高く，粒子が電子と陽イオンに分かれている状態。電気的に中性。

物質の三態変化

→

物質の第四状態

2

表面処理

ﾌﾟﾗｽﾞﾏｴｯﾁﾝｸﾞ

薄膜

ｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞ

ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ

プラズマ核融合

HIDﾍｯﾄﾞﾗｲﾄ

ｶﾞｽﾚｰｻﾞｰ

排気ｶﾞｽVOC処理

ﾌﾟﾗｽﾞﾏ滅菌･殺菌不活化

ｲｵﾝｴﾝｼﾞﾝ

ｵｿﾞﾝ生成

水処理

紫外線源

X線源

コロナ放電

アーク放電ストリーマ放電

グロー放電

直流放電

高/低周波放電

パルス放電微小放電

エネルギー

材料・微細加工・

半導体製造

環境・医療食品応用

光源

MHD発電

電子・ｲｵﾝﾋﾞｰﾑ

太陽電池

ﾌﾟﾗｽﾞﾏCVD

ﾚｰｻﾞｰ誘雷

ﾌﾟﾗｽﾞﾏｵｰﾌﾟﾆﾝｸﾞｽｲｯﾁ

蛍光灯

ﾈｵﾝｻｲﾝ

廃棄物処理

液晶ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ

LSI

DRAM

プラズマの基礎（放電）と産業応用3

「柳生義人, 3章3節ガスプラズマ,「食と健康の高安全化　-‐殺菌、滅菌、消毒、不活化、有害物除去技術-‐」, 作道章一編著, S&T出版株式会社, 2012.」より抜粋

基礎技術


主に手術器具に付着したウィルスやタンパク質の滅菌処理に低圧プラズマを利用。

M. Moisan, J. Barbeau, M. Crevier, J. Pelletier, N. Philip, and B. Saoudi, Plasma sterilization. Methods and mechanisms, Pure Appl. Chem., 74(3), pp.349–358, 2002

柴原大輝ら，小型アルゴンプラズマジェットによる殺菌効果の検証，静電気学会誌，34(1)， pp.2-7，2010

H. Ghomi, N. Navab Safa, K. Ramezani and M. Karimi, Bacterial Inactivation by DBD Plasma in Atmospheric Pressure, proceeding of ISPC 19, 169, 2009

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新規的なプラズマ応用 :プラズマ滅菌Frontier： Plasma Processing and Diagnos:cs for Life Sciences

プラズマを用いた農作物の低温・ドライ殺菌技術　（佐世保高専柳生義人）G. Fridman, G. Friedman, A. Gutsol, A.B. Shekhter, V.N. Vasilets, A. Fridman, “Applied Plasma Medicine”, Plasma Process. Polym. 2008, 5, 503–533

＜細胞活性効果＞

R. Sensenig, S. Kalghatgi, E. Cerchar, G. Fridman, A. Shereshevsky, B. Torabi, K.P. Arjunan, E. Podolsky, A. Fridman, G. Friedman, J. Azizkhan-Clifford, and A.D. Brooks “Non-thermal Plasma Induces Apoptosis in Melanoma Cells via Production of Intracellular Reactive Oxygen Species”, Annals of Biomedical Engineering, 29/Oct/2010(Published online)

＜火傷治療＞

＜腫瘍治療＞

筒井千尋，平田孝道，小町俊文，岸本拓巳，森晃，秋谷昌宏，山本俊昭，田口亮，「マイクロスポット大気圧プラズマ源による細胞および生体組織の活性化」，静電気学会誌，35(1)，2011， pp.20-‐24.

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新規的なプラズマ応用 :ﾌﾟﾗｽﾞﾏ医療,ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾋｰﾘﾝｸﾞFrontier： Plasma Processing and Diagnos:cs for Life Sciences


G. Fridman, Floa:ng Electrode Dielectric Barrier Discharge Plasma in Air Promo:ng Apopto:c Behavior in Melanoma Skin Cancer Cell Lines

Sachiko Iseki, Kae Nakamura, Moemi Hayashi, Hiromasa Tanaka, Hiroki Kondo, Hiroaki Kajiyama, Hiroyuki Kano, Fumitaka Kikkawa2, and Masaru Hori, “Selec:ve killing of ovarian cancer cells through induc:on of apoptosis by nonequilibrium atmospheric pressure plasma”, Appl. Phys. Le\. 100, 113702 (2012)

プラズマ照射することで悪性黒色腫（メラノーマ）細胞が死滅する効果がある。

プラズマを照射することで卵巣癌細胞にアポトーシスを誘導し，選択的に死滅する効果がある。

＜がん治療＞

新規的なプラズマ応用 :ﾌﾟﾗｽﾞﾏ医療,ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾋｰﾘﾝｸﾞ6Frontier： Plasma Processing and Diagnos:cs for Life Sciences

農作物・食品へのﾌﾟﾗｽﾞﾏ殺菌・消毒技術の提案

☑収穫後に殺菌・消毒を行う有効な手段がない　→ポストハーベスト農薬の禁止　

☑農薬（化学物質）の散布・添加物→消費者の健康志向や安全志向の高まり

プラズマ殺菌の効果

栽培

「市場病害ハンドブック」より

⾼高農薬の殺菌効果低

収穫・集荷貯蔵・輸送・加工

病害の発⽣生

収穫の数週間前～前日

散布終了

農薬

【提案⼿手法】

消費【現⾏行行⼿手法】

プラズマ殺菌（複数回も可）

製造・加工容器包装詰

【提案⼿手法】

【現⾏行行⼿手法】消費

プラズマ殺菌

品質低下加熱(湿熱・乾熱)，低温，凍結，乾燥，加圧，減圧，ろ過，放射線，紫外線，超⾳音波，抗菌剤，次亜塩素酸など

店頭・販売

☑残留した菌により賞味期限の延長が難しい☑味，食感，風味，色調，栄養価などの劣化→食品の品質低下

【

　

農作物　

】

【

　

食品　

】

7


安全安心な食生活の実現　＝殺菌（滅菌）・消毒が重要な工程新しい殺菌・消毒技術として

を提案！

u みずみずしさ(水分)の保持＝大気圧での処理

u プラズマの処理面積･体積が大きいu ダメージフリー≠アーク放電u 処理温度が低い≒室温u 幅広いガス種で生成できるu 殺菌因子（活性種）の高密度･長寿命

化u プラズマの生成効率が良い（ﾗﾝﾆﾝｸﾞｺ

ｽﾄ・ｴﾈﾙｷﾞｰ）u  3次元形状の大気圧ﾌﾟﾗｽﾞﾏに応用可u どのような処理対象にも適用可

＜プラズマ殺菌・消毒技術の利点＞u 病原体に対する大気圧プラズマの高い殺菌力

u 低温処理（≦60℃）が可能u ドライプロセス･低湿プロセス　 ⇒水を使わない殺菌消毒法

u 表面のみ処理が可能　 ⇒対象物に浸透しない

u 化学物質などの残留性がない ⇒作業環境，作業者への安全性の　確保，消費者イメージの向上

　 ⇒脱気時間が短いu 原料ガスに空気を使用できる。u 連続処理（インライン化）が可能

8農作物・食品へのﾌﾟﾗｽﾞﾏ殺菌・消毒技術の提案


High voltage （10kVpp, 10kHz）

Dielectric (silicon sheet)

Metal electrode (Aluminum)

プラズマによる柑橘類果皮の殺菌

＜実験目的＞従来法に変わる新規的な殺菌・消毒処理法となり得るプラズマ殺菌にて，ウンシュウミカン果皮に付着したミドリカビ病菌の直接的な処理に対する殺菌特性を調査する。＜利点＞大気圧で処理可能，電極構造が簡易，放電ガスが空気（ガス不要）

＜実験条件＞処理対象: ミドリカビ病菌胞子

(Spore of Penicillium digitatum) ウンシュウミカン(Citrus unshiu)

ガス: 空気（Open Air）胞子密度: 4×10⁷ cfu/mL 処理時間: 0min～3min 電極: アルミニウム誘電体: シリコンシート評価方法: コロニーカウント法

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プラズマによる果皮の殺菌の様子

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Treatment

Metal electrode

Dielectric sheet

Citrus fruit

Plasma irradia6on

l  電極に接触している果皮にプラズマが生成する。 l  一般的にカビ胞子の耐熱性は非常に高いことが知ら

れており，120度で60～120分の加熱処理を要する。Plasma irradia6on


プラズマによる果皮の殺菌効果

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1

10

100

1000

10000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Colo

ny co

unt m

easu

rem

ent [

cfu/

mL]

±SE

Plasma irradiation period [min]

0.05mm 0.2mm 0.1mm 0.3mm

【ふき取り部分】

シリコン厚さ0.05mm～0.3mm

＜結果＞ l プラズマ照射後，ミドリカビ病菌胞子は速やかに殺菌される。 l ミドリカビ病菌胞子は1秒程度で1/100程度に減少。 l プラズマの殺菌因子・・・熱，紫外線(253.7nm)，ラジカル，オゾンなど


control 30sec15sec5sec

Silicone sheet thickness: 1.0mm


30sec15sec5seccontrol

プラズマ処理後の果皮の状態：0～30秒

＜結果＞　●十分な殺菌効果がみられる5～30秒では損傷なし。

12


3min1min 2min

3min1min 2min

熱損傷熱損傷熱損傷

熱損傷熱損傷

＜結果＞　●処理時間が長いほど損傷が顕著になるが，5秒程度の照射で殺菌効果あり。

プラズマ処理後の果皮の状態：1～3分Silicone sheet thickness: 1.0mm


13


00min

05sec

10sec

15sec

20sec

30sec

40sec

50sec

60sec

果皮表面の温度分布

＜結果＞　●プラズマ処理直後から，熱が生じる。　●放電により生じた熱は次第に広がる傾向を示す。

14


20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Tem

pera

ture

[deg

. C]

Irradiation time [sec]

誘電体厚さ 1.0mm 誘電体厚さ 0.2mm Silicone sheet thickness: 1.0mm Silicone sheet thickness: 0.5mm

熱損傷

熱損傷

熱損傷

熱損傷

熱損傷

＜結果＞　 l プラズマ処理中，果皮表面温度は上昇傾向を示す。 l 約65℃で熱損傷が生じる。

ウンシュウミカン果皮の表面温度15

ローラーコンベア型プラズマ殺菌装置の作製16

n  各工程間はただ移動しているだけ＝無駄。n  選果場にて頻繁に使用されているローラーコンベ

アを用いてプラズマ殺菌装置を製作する。n  既存の施設への導入が容易。

HV HVHV

n 貯蔵工程，選果工程にて，プラズマ殺菌により初期菌数を低減させるためのプラズマ照射装置の研究・開発。

実用化に向けた検討：


ローラーコンベア型プラズマ殺菌装置の作製17

プラズマ照射中

接触面にてプラズマが生成している。



18

1

10

100

1000

10000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Colo

ny co

unt m

easu

rem

ent [

cfu/

mL]

±SE

Plasma irradiation period [min]

【ふき取り部分】

駆動式ローラーコンベア型プラズマの殺菌特

性

＜結果＞　 l ローラーコンベア型殺菌装置（特許出願済）により，ミドリカビ病菌胞子の殺菌を確認。l ウンシュウミカンは回転するため，熱損傷なく殺菌処理が可能。 l 比較的長時間の処理が必要のため，短時間処理に向けて研究中。


・　各種農産物の殺菌・消毒　　－　青果物、生鮮品などの輸送や貯蔵工程　　－　農作物，畜産物、水産物　　－　カット野菜やカット果物などの加工品・　穀物や種子の殺菌・消毒処理（乾燥状態での処理が可能）・　フィルム包装や箱詰め直前の殺菌・消毒・　インライン（組み込み型）および携帯型ガスプラズマ殺菌・消

毒装置の開発 ☆以上の分野・企業で，プラズマ殺菌・消毒技術の利用が期待。 ☆装置の製作，分析ができる企業 ☆各種，処理対象に適したプラズマ装置を考案します。

想定される用途・派生分野・企業への期待19


本技術に関する知的財産権

n 発明の名称: プラズマ殺菌装置n 出願番号:　 2014-011853（H26.01.24） n 出願人: 独立行政法人国立高等専門学校機構国立大学法人九州大学n 発明者: 柳生義人，林信哉

謝辞本研究の一部は「農林水産省農林水産業・食品産業科学技術研究推進事業」の助成を受け遂行された。ここに深く感謝申し上げます。


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九州大学学術研究・産学官連携本部

　　　　　　　　知的財産グループ

ＴＥＬ　092-832-2128 ＦＡＸ　092-832-2147 e-mail　[email protected]

お問い合わせ先


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