これまでの研究において、マグロ類を空冷により凍結すると、一般に、身割れは生じないが、塩化カルシウム(以下CaCl₂)ブライン凍結の場合、多発することが確認された。そこで、凍結中の身割れの防止について考えられるいくつかの予備実験を行った結果、凍結中に冷却を一時中断して凍結を継続すれば、身割れがある程度防止できることがわかった。そして、これから、CaCl₂ブライン凍結の場合、凍結中に身割れが生じるのは、冷却速度が急速なため、凍結による体積変化(膨張)が阻止され、内圧が上昇するからであり、冷却を一時中断すると身割れが減少するのは、冷却中に阻止された体積変化(膨張)が、冷却の中断によって容易となるため、内圧が下降し破壊が防止できるとの推論に達した。

　そこで、これらの凍結中に生じる現象の確認と身割れの防止技術の有効性を実証するため、マグロ類の内圧測定用大形圧力センサを自作し、凍結中のマグロ類を始め、カツオおよびハム・ソーセージ等の凍結時の内圧を連続測定した。その結果、内圧を測定したすべての被凍結品は、凍結の開始後に内圧の発生することが確認された。そして、被凍結品の種類や形状および発生する内圧の大きさ等により、凍結時に身割れの生じることが明らかとなる一方、凍結中、時的に冷却を中断(「均温処理」)すれば、被凍結品の内圧は下がり、身割れの防止に有効なことが実証された。

　さらに、このような凍結における魚体の破壊とその防止の機構を理論的に検討するため、マグロ類の材料定数を測定し、氷柱モデルの実験により、マグロ類の凍結時に生じる破壊の再現確認を行った上で、冷却速度が急速なCaCl₂ブライン凍結の場合、凍結中の魚体に破壊が生じる可能性のあることを計算により明らかにした。以下に本論文の内容の要約を示す。

　(1)マグロ類の凍結に低温のブラインを使用すると、凍結中に身割れが多発することから、マグロ類のCaCl₂ブライン凍結における魚種・形状(体重・肥満度・成魚/未成魚等)・処理形態(ラウンド/セミドレス/AC法等)・予冷処理等による身割れの発生状況・発生箇所および身割れの防止法に関する予備実験を実施した結果、内圧が測定できない場合でも、身割れの発生要因とその防止法として、「均温処理」の有効性等が大略推定できたが、凍結時に生じると思われる内圧の測定が、本研究の遂行に不可欠なことがわかった。

　(2)自作した圧力センサが、セミドレスのマグロ類の連続内圧測定およびその記録に有効であることを見出した。その結果、マグロ類のCaCl₂ブライン凍結は、空冷凍結に比べて内圧の上昇が急で、「均温処理」をしなければ、ほとんどの場合、腹腔内中央部の体長方向に身割れの生じることが実験により明らかとなった。しかし、「均温処理」を行えば、内圧が急速に低下(放散)し、これから、身割れの防止が可能なことを見出した。

　(3)自作した圧力センサが、外圧をかけたラウンドのマグロ類の内圧の連続測定およびその記録に有効であることを見出した。その結果、ラウンドのマグロ類は、「均温処理」をしなければ、魚体の側線部に亀裂を生じることが確認された。また、「均温処理」中、魚体に外圧をかけるかまたは内圧の上昇前に、気中で「均温処理」を1回行えば、身割れの防止ができることを確認した。

　(4)自作した圧力センサが、ラウンドのカツオの内圧の連続測定およびその記録に有効であることを見出した。その結果、エタノールブライン凍結は、CaCl₂ブライン浸漬または散布凍結と同様、凍結中に内圧が生じるが、小形でラウンドの氷蔵カツオの場合は、相当な圧力までほとんど身割れが生じないことを確認した。しかし、小形のものでも、傷のあるものや凍結時に「拘束」されたものは、身割れが生じることを実験から明らかにした。そして、「均温処理」を施せば、内圧が急速に低下(放散)し、身割れの防止が可能なことを見出した。

　(5)自作した圧力センサが、市販包装形態のハム・ソーセージの内圧の連続測定および記録に有効であることを見出した。その結果、ハム・ソーセージは、内圧の発生によって亀裂が生じるが、隆起は生じないことを実験により確認した。また、半径の大きいハムは、半径の小さいものより内圧は低いが亀裂が生じやすく、半径の小さいハムは、半径の大きいものより内圧は高いが亀裂は生じ難い。他方、含有水分と凍結前の比重量の小さいソーセージは、半径の大きいハムより内圧が低く、亀裂も生じ難いことを見出した。

　(6)マグロ類のヤング率およびポアソン比を「非凍結」、「部分凍結」および「凍結」の各温度条件において測定した結果、マグロ類の力学特性は、相変化が起こる温度を境として、力学特性が急激に変化することが明らかとなった。また、マグロ類の力学特性は、魚体の組織構造により異方性を示すが、それらは、試験温度により大幅に変化することがわかった。しかし、マグロ類の力学特性の測定は、素材が均一な金属材料等と異なり、魚の組織構造や物性等の固体差を含む測定法自体にも問題のあることが明らかとなった。

　(7)マグロ肉のいわゆる線膨張係数および凍結による体膨張率を、前者は、凍結状態から非凍結状態までの間を等速昇温法により、後者は、非凍結状態から凍結状態まで、冷却法により連続測定をした結果、マグロ類の熱膨張係数は、均一で固体の状態を示している工業材料と異なり、筋肉組織の方向に影響を受けると共に、相変化が起こる温度帯で、試験温度により著しく変化する熱物性を示すことが明らかとなった。

　(8)マグロ類の凍結時に生じる亀裂や隆起を氷柱モデルの凍結実験により再現確認し、凍結時の魚の破壊の発生機構について検討した結果、マグロ類と氷柱は、組織構造や物性が相違するが、それらの凍結時の破壊は、いずれも、凍結中に「拘束」を受ける場合に生じ、魚体の全面が、初めに凍った氷殻によって完全に「閉鎖」されても、「急速凍結」の場合には破壊が生じるが、「緩慢凍結」の場合には生じないことが明らかとなった。

　(9)魚体を円柱とみなし、冷却速度の異なった「-45℃のCaCl₂ブライン凍結」、「-45℃のセミエアブラスト凍結」および「-45℃の静止空気凍結」の場合における魚体凍結部の面圧と応力分布を、凍結時の魚体の外面温度・線膨張係数・ヤング率・ポアソン比および凍結による体膨張率等の測定値により計算した結果、マグロ類の凍結時に生じる身割れは、冷却速度が比較的急速な「-45℃のCaCl₂ブライン凍結」のように、凍結部外面の円周応力が正(引張り)に転じ、かつ、そのものが大きな値の場合に生じる可能性のあることが明らかとなった。

　マグロ漁場の拡大と航海日数の長期化に伴い漁獲物の冷凍貯蔵は不可欠となり、しかも鮮度は-35℃以下に貯蔵すると高く保持されることから低温で凍結貯蔵する必要がある。凍結方式としては、空冷式もあるが、省エネルギーの観点から塩化カルシウムブライン凍結方式が望ましい。しかし-40℃以下の塩化カルシウムブライン浸漬または散布凍結では、凍結中の魚体に亀裂や隆起等が生じる、いわゆる身割れが新しく問題となるに至り、漁獲物の高品質化のためには身割れの原因の解明、防止法の開発が求められてきた。

　本論文は魚の凍結における破壊について述べており、序論及び6章より構成されている。

　序論では、マグロ・カツオ漁業、凍結法の変遷が述べられている。

　第1章は研究の沿革と本論文の概要である。マグロの凍結方式、凍結温度の歴史を概説し、身割れの発生箇所、身割れの防止処理方法等について概観し、本論文の構成についてふれている。

　第2章はマグロ類の凍結時の内圧測定と均温処理についてである。試作したダイヤフラム式内圧ピックアップ及び熱電対を魚の体内に装着し、凍結開始後の内圧や温度の変化を示している。一方、身割れ防止法として提案した均温処理即ち冷却を中断して再び凍結する場合についても計測している。その結果、外側の凍結層がその後の凍結に基づく体積膨張を阻害するために内圧が高まると推論している。外圧をかけたラウンドマグロの塩化カルシウムブライン凍結、ラウンドカツオのエタノールブライン凍結等を検討してカツオのようにラウンドで小さいものは身割れが生じにくいこと、またソーセージについても実験を行い軸方向に割れが生じることを指摘している。

　第3章はマグロ類の材料定数の測定である。小型材料試験機によって行われたヤング率、ポアソン比並びに膨張率の測定結果が述べられている。マグロの力学特性は異方性を示し、しかも試験温度に依存する。温度を下げていくと非凍結状態から部分凍結へと凍結の割合が大きくなる。これに伴いマグロの物性値がどのように変わるかを測定した。実験方法が確立されていない為、十分な信頼性のある値ではないかもしれないが、試料のヤング率、ポアソン比、膨張率等を求めている。

　第4章は氷柱をモデルとする現象とマグロの凍結時の破壊の比較検討である。-40℃の静止空気中で容器内水柱を凍結させても破壊は生じないが、-40℃の静止空気中で氷の厚さが3mm凍結した所で容器をはずし、-40℃のブライン中で急速凍結すると氷柱の中央部が軸方向に破壊した。このように緩慢凍結と急速凍結とではマグロ類の凍結に類似して急速凍結の際に破壊が生じやすいことが示された。

　第5章は凍結時の破壊に関わる魚体凍結部の面圧と応力についてである。魚体を長い円柱とみなし、凍結部は未凍結部をおおう厚肉円筒、温度Tは半径方向にのみ変化すると仮定し、応力と変位を考察する。低温流体に接してからの温度分布の変化を求めるに際し、凍結開始点温度の位置をもってその内側を未凍結部、外側を凍結部とに分ける。温度分布は各領域の代表温度に等しく、それぞれ一様と考える等、簡略化して円柱表面の円周応力を求めている。その結果、充分に冷却すると凍結部の円周応力が引張り状態となり、外面の円周応力が増大する。これが破壊をもたらすと述べている。

　第6章は研究の結果を総括している。

　著者はマグロ等漁獲物の急速凍結に伴って生じる身割れ破壊について内圧、温度分布の測定を行い、凍結中に一時的に冷却を中断する均温処理により内圧が低下し身割れを防止できることを示した。この方法は実際にマグロ凍結における高品質維持に貢献している。さらに解析を行うに当たりこれまで非凍結、凍結を問わず測られていなかった魚肉のヤング率、ポアソン比、膨張率等の力学的な物性測定を行った。これらを基に凍結過程における応力分布の試算を行い、魚体の凍結破壊は凍結部外面の円周応力が正(引張り)となりその値が大きい場合に対応することを示した。なお、物質にあった測定法の開発、ポアソン比の値の解釈は今後に残されているが、測定を行った意義は大きい。

　以上、要するに急速凍結に伴う魚体の破壊について斬新な説明を行い、均温処理が有効であることを見いだしたものであり、魚体、冷凍、破壊にまたがる境界的領域の研究の先駆的な知見を得ている。

　よって、本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。