Extended Summary 本文は pp.963-971

－18－

Fig. 2. Total polyphenol release of untreated and PEF treated samples for various charging voltages at 20 pps pulse repetition rate

Fig. 3. Optical microscopy images of grape skin cell with and without pulsed electric field applications (left: w/o, right: w/ 60 kV pulse voltage applying)

Agricultural and Food Processing Applications of Pulsed Power and Plasma Technologies

Koichi Takaki Member (Iwate University, takaki@iwate-u.ac.jp)

Keywords : pulsed power, mushroom, electric stimulation, germination, discharge in liquid, electroporation 1. Introduction Agricultural and food processing applications of pulsed power

and plasma technologies are described in this paper. Repetitively operated compact pulsed power generators with a moderate peak power are developed for the agricultural and the food processing applications. These applications are mainly based on biological effects and can be categorized as germination control of plants such as Basidiomycota and arabidopsis; inactivation of bacteria in soil and liquid medium of hydroponics; extraction of juice from fruits and vegetables; decontamination of air and liquid, etc. Types of pulsed power that have biological effects are caused with gas discharges, water discharges, and electromagnetic fields. The discharges yield free radicals, UV radiation, intense electric field, and shock waves. Biologically based applications of pulsed power and plasma are performed by selecting the type that gives the target objects the adequate result from among these agents or byproducts. For instance, intense electric fields form pores on the cell membrane, which is called electroporation, or influence the nuclei. This paper mainly describes the application of the pulsed power for the germination control of Basidiomycota i.e. mushroom, inactivation of fungi in the soil and the liquid medium in hydroponics, and extraction of polyphenol from skins of grape. 2. Effects of Pulse Voltage Stimulation on Fruit Body

Formation of Basidiomycota Figure 1 shows the history of the average cropped weight of the

Lentinula edodes for one log of each season from 2007 to 2009 for various altitudes of the applied pulse voltage. The averaged cropped weight is obtained to divide the total weight cropped from the logs by 15. The cropping seasons are 2007 autumn, 2008 spring, 2008 autumn and 2009 spring expressed as 1st, 2nd, 3rd and 4th flush shown on Fig. 1. The amount cropped weights of three seasons are 167, 322, 319 and 243 g for control, 50, 100 and 125 kV, respectively. The maximum yield is obtained to be about 320 g average cropped weight at 50 and 100 kV and the value is 1.9 times larger than that of control group. The amount numbers of

the fruit body for two seasons (2008 spring and autumn) are 46, 48, 36 and 40 for control, 50, 100 and 125 kV, respectively. Therefore, the average weight for one fruit body can be calculated to be 34.1, 43.3, 69.9 and 32.5 g using the total cropped weight of 1570, 2077, 2518 and 1301 g. Therefore the dominant effect of the electrical stimulation for the increase of the mushroom yield is a growth of the mushroom fruit bodies. 3. Extraction Enhancement of Total Polyphenols from

Grape Skin by Pulsed Electric Fields Effect of pulsed electric fields (PEF) on polyphenols extraction

from grape skin that immersed in diluted water was investigated for the new utilization of pulse electric energy in food industry. The multi-staged Blumlein-line pulse generator was developed for application of a food processing, and the performance of juice extraction from grape skin was evaluated. The pulse generator was successfully generate several tens kV high-voltage pulse with 140 ns pulse width. Subsequently, extracted total polyphenols from the grape skin treated in the needle-to-plate electrode with applying PEF for 30 min from 40 (9 kV charging voltage) to 60 kV (15 kV charging) was measured and compared to that of control as shown in Fig. 2. The results indicated that total polyphenol from PEF treated sample increased about 20% compared to that of control. Figure 3 shows typical microscopic images of the grape skin without and with pulse voltage applying. The peak value of the pulse voltage was set to be 60 kV. The purple colored spherical matter shown in left image is disappeared by applying pulse voltage as shown in right image in Fig. 3

Fig. 1. Yield of Lentinula edodes fruit body for various applied voltages as electrical stimulation

© 2010 The Institute of Electrical Engineers of Japan. 963

パルスパワー・プラズマの農業・食品分野への応用

正 員 高木 浩一＊

Agricultural and Food Processing Applications of Pulsed Power and Plasma Technologies

Koichi Takaki＊, Member

Agricultural and food processing applications of pulsed power and plasma technologies are described in this paper. Repetitively operated compact pulsed power generators with a moderate peak power are developed for the agricultural and the food processing applications. These applications are mainly based on biological effects and can be categorized as germination control of plants such as Basidiomycota and arabidopsis; inactivation of bacteria in soil and liquid medium of hydroponics; extraction of juice from fruits and vegetables; decontamination of air and liquid, etc. Types of pulsed power that have biological effects are caused with gas discharges, water discharges, and electromagnetic fields. The discharges yield free radicals, UV radiation, intense electric field, and shock waves. Biologically based applications of pulsed power and plasma are performed by selecting the type that gives the target objects the adequate result from among these agents or byproducts. For instance, intense electric fields form pores on the cell membrane, which is called electroporation, or influence the nuclei. This paper mainly describes the application of the pulsed power for the germination control of Basidiomycota i.e. mushroom, inactivation of fungi in the soil and the liquid medium in hydroponics, and extraction of polyphenol from skins of grape.

キーワード：パルスパワー，きのこ，電気刺激，発芽，液中放電，電気穿孔

Keywords：pulsed power, mushroom, electric stimulation, germination, discharge in liquid, electroporation

1. はじめに

これまで農業分野，食品分野では，いろんな場面で電磁

エネルギー，特に電界が活用されてきた。品種改良では，

電界を用いた電気泳動や細胞の融合(1)，エレクトロポレーシ

ョン（電気穿孔法）による DNA の注入などの技術が活用さ

れている(2)。発芽や育成では，担子菌（きのこ類）での発芽

や収量改善(3)～(6)，また被子植物門では単子葉植物綱，ユリ

目のグラジオラス（Gladiolus）での発芽や生育速度改善(7)，

またトマトやインゲン，レタスなどを用いた実験の報告も

なされている(2)(8)。これらの成長促進のための植物の電気処

理は，特許の中でも分類番号が割り振られており（A01G 7/04 成長促進のための植物の電気または磁気処理；A 電気

処理），多くの特許情報が開示されている(9)。 植物の生育にとって大気環境や培地環境は重要な要素と

なる(10)。地下部は，通常は土壌だが養液栽培の場合，養液

そのものが地下部の環境になる。電界が植物の生育に与え

る影響として，植物そのものに働くもの以外に，環境を変

える場合がある。例えば，大気中に高電圧を印加した場合，

空気イオン（クラスタイオン；O2－[H2O]nなど）やイオン風

による水分蒸発，またコロナ放電で生じた窒化物の水分へ

の溶け込みで生じる硝酸，亜硝酸，アンモニアによる窒素

固定などが起こる。これらは，適度な条件の下では植物の

生育を促す(11)～(14)。さらに，液中で放電を発生さるなど，積

極的に液中の硝酸，亜硝酸イオンを増やすことで(15)(16)，養

液栽培におけるイオン交換膜や分離膜(17)の代替技術となり

える。加えて，電界や化学的活性種（ラジカルや励起粒子，

イオンなど）は養液や培地の土壌中の病原虫や菌の不活性

化も引き起こす。応用事例として，線虫の不活性化(18)，ト

マトの罹病の原因となる分離菌（Fusarium sp.）の不活性化

などがある(19)。また，高電圧パルス放電を利用した雑草の

選択的駆除といった応用も(20)，土壌の養分を作物が有効に

利用でき，土壌改良による農作物の生育改善につながる。 農作物や食品の保存や安全，加工工程でもパルスパワー

は利用可能となる。保存や安全は，(１)微生物の不活性化お

よび殺菌，(２)エチレンガスなどの老化ガスの分解など保存

環境の改善があげられる。前者は，ジュースのような液状

食品などに用いられ，高電界で微生物の細胞膜に細孔を開

けるなどして実現する(21)(22)。電圧として，交流や直流，パ

ルスなどいずれも実施例があるが，直流や交流の場合，抵

抗成分による損失や，液体の加熱を引き起こしやすいため，

パルス電圧が用いられることが多い(23)。電界の大きさとし

て，30～40 kV/cm でりんご，オレンジ，クランベリージュ

＊ 岩手大学工学部 020-8551 盛岡市上田 4-3-5 Faculty of engineering, Iwate University 4-3-5, Ueda, Morioka 020-8551

論 文

964 IEEJ Trans. FM, Vol.130, No.10, 2010

0 0.5 1 1.50

50

100

0

200

400

600

800

Out

put V

olta

ge Vout [

kV]

Time [µs]

Fuse

Cur

rent

I fuse

[A] Vout

Ifuse

φ0.05 mm, l= 10 cm L= 10 µH, VC= 5 kV

図 1 野外実験用パルスパワー電源の出力例(30) Fig. 1. Waveforms of typical output voltage and circuit

current of IES-Marx pulsed power generator for field

experiment.

ースなどを殺菌処理した事例などの報告がある(24)。パルス

電界方式の利点は，高温によるビタミンが壊れるなどの食

品の品質が損なわれない点になる。ただし，電界だけでの

殺菌は効率もよくない場合もあり，このため加熱や酸，保

存料などのハードルテクノロジーと組み合わせて相乗効果

（ハードル効果）を利用することも多い(25)～(28)。野菜やくだ

ものの保存期間の改善では，トマトが置かれた空間へ

2 kV/cm の電界を加えた例などの報告がある(29)。 本論文では，近年得られたシイタケへのパルス電圧刺激

の子実体形成への影響に対する知見を中心に，パルス電界

による発芽制御や，パルス電界や放電プラズマを用いた植

物の生育促進，果実等からの有用成分抽出など，農業・食

品分野への応用について述べる。

2. 担子菌におけるパルス電圧刺激の効果

原木（ホダ木）を菌床として用い，そこに腐生性きのこ

の原種菌を植菌（接菌）して，菌糸を菌床に成長させる栽

培法を原木栽培とよぶ。原木栽培におけるパルス電圧刺激

による収量増加について，3 種類の腐生菌を用いて調べた。

用いた腐生菌はいずれも食菌であり，シイタケ，ナメコ，

クリタケである。パルス電圧印加のタイミングは，子実体

体形成の予定日から 2 週間～1 ヶ月程前とした。理由は，他

の刺激法で効果が上がっているタイミングとして設定した

ためである。シイタケ，ナメコの実験に用いたホダ木はミ

ズナラ，クリタケにはクリを選択した。いずれも平成 17 年

に植菌を行ったものである。 パルス電圧発生には，Marx-IES 方式パルスパワー電源を

用いた(30)。装置は，一次電源，エネルギー蓄積用コイル，

オープニングスイッチで構成される。一次電源には，静電

容量 0.22 µF のコンデンサを 4 個組み合わせたマルクス回路

を用いた。これは，やませに代表されるように，東北地方

の夏は湿度が高い場合が多い。このため，高電圧のもとで

はコロナ損が発生し，低用量のコンデンサの充電が困難に

なる。マルクス回路とすることで低電圧の充電で，子実体

形成の刺激に必要な高電圧を得ることができる。典型的な

電圧の出力波形とオープニングスイッチとして用いた銅細

線に流れる電流の波形を図 1 に示す。エネルギー蓄積用イ

ンダクタのインダクタンスは 10 µH，充電電圧は 5 kV であ

る。 大電流 900 A 付近で，銅細線の溶断が始まり，電流は

減少をはじめる。この頃より，電圧は一旦上昇したのち，

変化は小さくなる。その後，電流は急激に減少し，その電

流変化に伴い，サージ電圧が発生する。出力電圧のピーク

は約 110 kV であり，出力電圧パルスの半値幅は約 50 ns となる。波形より求まる等価的な周波数は約 5 MHz となる。

この結果，電圧の増幅利得は 22 倍となる。この値は，同じ

エネルギーを蓄積した 1 段の IES 電源（0.22 µF×1 個，10 kV充電）の電圧利得である約 9 倍に対して大きな値となる。

また，目標としていた充電 5 kV で 100 kV 以上の出力を達成

できていることがわかる。 図 2 に，ホダ木一本当たりのシイタケの収穫量の比較を

示す。ホダ木の寸法は長さ 90 cm，直径約 10 cm であり，ホ

ダ木の木口面に長さ 9 cm の釘を約 7 cm 打ち込み，一方をパ

ルス電源の出力に接続して，一方を接地した。このとき，

ホダ木の等価抵抗は約 10 kΩである。パルス電圧の印加条件

として，①電圧印加なし（図中 control と表示），②50 kV，

③90 kV，④125 kV を 1 回印加とした。パルス電圧の印加に

伴い，ホダ木には数 A のパルス電流が流れる。ホダ木の浸

水などにより，ホダ木の等価抵抗を変化させて相関を調べ

たところ，収量増加との相関は，電流値より電圧値の方が

強い。このため，表示は電圧値で行っている。電界分布に

関して，電極には針状電極（釘）を用いているため，電極

付近の電界は高く，中央部は低くなる。図中の電界は，目

安として印加電圧をギャップ長で割った，平均化された電

界を示している。実験には条件ごとに 15 本のホダ木を用い，

パルス電圧印加後，各ホダ木からの収量を毎日調べた。ホ

ダ木への電圧印加は，実験ではシイタケのほか，ナメコ，

クリタケ，タモギダケなどでも行っている。きのこ収穫の

タイミングは商品として収穫するかさが 8 割程度開いた時

図 2 印加電圧の条件によるシイタケの収量変化 Fig. 2. Yield of Lentinula edodes fruit body for various

applied voltages as electrical stimulation.

パルスパワーの農業応用

電学論 A，130 巻 10 号，2010 年 965

図 3 電気刺激の有無によるシイタケ生育の比較

Fig. 3. Typical photograph of Lentinula edodes fruit bodies

with and without pulse voltage stimulation.

図 6 電気刺激 18 日目に撮影した菌糸の比較 （左：刺激なし，右：刺激あり）(35)

Fig. 6. Typical SEM images of hyphae with and without

stimulation at 18 days after the stimulation.

期とし，ホダ木別に収穫されたきのこの質量を比較した。

縦軸は各条件におけるホダ木一本あたりの収穫量を表し，4シーズン分の収量の合計である。各収穫量によってばらつ

きがあるが，全体をみると 50 kV，50 回印加条件において

も収穫量が多く，印加なしの条件の約 1.9 倍の収穫となっ

ている。電圧を印加した条件の中では 125 kV，1 回印加の

条件において収穫量が も少なくなっている。このことよ

り，電気刺激には 適値が存在することがわかる。 図 3 に，一例として，同じ時期に撮影したシイタケのホ

ダ木の様子を示す。写真より，電気刺激を施したホダ木に

数多くのシイタケの発芽が確認される。図 4 に，ホダ木 15本から 4 シーズン目に収穫された子実体の総量の電気刺激

からの時間変化を示す。図 4 は，図 2 に示す 4 シーズン目

の総収量を 100%として各日数における収量の総収量に対

する割合を示している。4 シーズン目の総収量は，印加なし，

50, 100, 125 kV の条件でホダ木 1 本当たり 60, 111, 90, 89g で

ある。図より，50 kV および 100 kV の電圧を印加したホダ

木は，電圧を印加しないものより早い時期に収穫可能とな

っていることがわかる。15 日目の収穫率を比較した場合，

control は 50%の収穫量になっているのに対して 50 kV 印加

条件では 86%の収穫量となっている。 図 5 に，50 kV を一回かけた場合と 50 回かけた場合の 15

本のそれぞれのホダ木より収穫されたシイタケの重量を比

較したものを示す。図より，50 kV を 50 回印加した場合，

子実体発生のないホダ木が 0 本であることがわかる。この

ことより，電気刺激による増産の理由として，発芽しない

ホダ木の割合が減少するためであることがわかる。ナメコ

やクリタケについても，印加電圧が 50 kV や 90 kV において

1.6 倍や 1.8 倍といった収量の増加が確認できている(6)。

電気刺激に対するきのこの増産のメカニズムとして，(１)イオンや電界による栄養菌糸への子実体形成刺激，(２)菌糸

の断裂に伴う多突起状菌糸の形成，(３)ホダ木の繊維裁断や

空孔の形成，(４)雑菌の不活性化など子実体抑制要因の排除

などが提案されている(31)～(34)。図 6 に，パルス電圧印加の有

無による多突起状菌糸の形成の変化について，塚本氏らに

よって撮影された，電圧印加から 18 日後のホダ木の中の菌

糸の SEM（Scanning Electron Microscope）画像を示す(35)。倍

率は 500 倍である。電気刺激はホダ木中にクラックを発生

0

50

100

150

200

250

300

350

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Yield o

f fruit body

[g]

(a) 50 kV×1 time

0

50

100

150

200

250

300

350

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Yie

ld o

f fruit b

ody

[g]

(b) 50 kV×50 times

図 5 各ホダ木の収量の電気刺激の回数による比較 Fig. 5. Mushroom yield for each log for two different pulse

voltage stimulation times.

0102030405060708090

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Perc

enta

ge o

f Yie

ld [

%]

harvest age [day]

Control

50 kV (1 Tims)

100 kV (1Tims)

125 kV (1Times)

図 4 印加電圧の条件によるシイタケ総収量の時間変化 Fig. 4. Time-history of total amount of cropped fruit body

for various stimulation conditions.

966 IEEJ Trans. FM, Vol.130, No.10, 2010

Control 40 kV 60 kV

80 kV 100 kV

5 days

10 days

図 7 電気刺激による菌糸の生育状況の変化 Fig. 7. Influence of applied electric field on hypha growth.

図 9 電気刺激の有無による発芽の差(7)

（A：あり，B：なし） Fig. 9. Typical photograph of Gladiolus germination

promoted by 20 kV pulse voltage.

させ，菌糸の切断を引き起こし，その部分から生じる多突

起状菌糸が子実体の発生を生むことが示唆されている(5)(35)。

菌糸の先や途中に綿状に見えるのが多突起状菌糸であり，

電気刺激ありの方に多突起状菌糸が多数確認される。 パルス電圧が子実体形成の刺激として働くことの確認と

して，寒天培地上の栄養菌糸への電圧印加を行い，菌糸の

成長の様子および分泌されるたんぱく質について調べた。

実験にはシイタケ菌（北研 H600）を用い，培地はポテトロ

ースを栄養分とした寒天培地を用いた。シャーレの直径は

9 cm で，その中心に原種菌を接菌（植菌），5 日間培養した

後，電圧を印加，その後更に 5 日間培養した。100 kV 印加

時の平均電界は 50 kV/cm となる。印加回数は 100 回とし，

電圧の印加には 5 段積重ね型ブルームライン方式パルス電

源（パルス幅は約 80 ns）を用いた。図 7 に，印加電圧の異

なる菌糸の 10 日培養後の様子を示す(36)。図の写真には，赤

いマーキングが 2 箇所あるが，内側の円は接菌 5 日後の菌

糸の成長点，すなわち電気刺激時の菌糸の伸びを示してお

り，外側の円は，その後 5 日間の培養で， 終的に到達し

た菌糸先端位置を示す。本比較では，菌糸の伸びに対する

変化はそれほど顕著ではないが，菌糸の成長方向に大きな

変化が見られた。図中，80 および 100 kV 印加のものは内側

のマーキング位置から菌糸の密度が異なる。顕微鏡観察の

結果，樹枝状分岐が増えていることや，培地から離れる方

向への成長が観察された。後者は，疎水性タンパク質（ハ

イドロホビン）の分泌に起因するものと考えられる(37)(38)。 図 8 に，100 kV パルス電圧刺激印加後の，栄養菌糸

（outside）および不活性菌糸（inside）からの疎水性タンパク

質（ハイドロホビン）の分泌量を示す(39)。分泌量の計測に

は，リアルタイム PCR（Polymerase Chain Reaction; Applied Biosystems 7500）を用いた。電圧印加後 3 時間では，栄養菌

糸からのハイドロホビンの分泌量も，不活性菌糸からの分

泌量も，ともに減少している。しかし電圧印加から 1 日後

には，栄養菌糸からのハイドロホビンの分泌量は，電圧を

印加していない場合に比べ約 2.3 倍になる。栄養菌糸からの

分泌量は電圧印加から 2 日後に 大となり，その後減少す

る。不活性菌糸からのハイドロホビンの分泌は，栄養菌糸

に対して遅れて増加する傾向があり，電圧印加から 3 日後

に，電圧を印加しない場合に対して 2 倍以上の分泌量とな

る。図 8 のハイドロホビンの分泌量の変化は，図 7 に示す

菌糸の縦方向菌糸の分布とも，定性的に一致している。す

なわち，図 7 で，濃い白色部で示される培地から離れる方

向の菌糸は，電圧印加の栄養菌糸の位置を示す内側の点線

部付近に多く観察され，電圧印加 5 日後の栄養菌糸の位置

を示す外側の点線部に近づくのに従って減少する。これは，

図 8 で栄養菌糸（outside）の電圧印加 1 日後，2 日後でハイ

ドロホビンの分泌が多く，それ以降で減少する傾向とよく

一致する。ハイドロホビンの分泌は子実体形成時によく観

察される現象であり(37)(38)，パルス電圧印加が子実体形成の

刺激として働くことの裏付けの一つとなる。

3. パルス電圧による植物の発芽制御

パルス電界刺激を用いた植物への発芽制御についても，

数多く報告されている。図 9 に，猪原氏らにより報告され

0

10

20

30

40

50

60

70

control3 hours 1 day 2 days 3 days 7 days

Hyd

2 re

leas

e

Days after pulse electric field stimulation

outside

inside

図 8 電気刺激による疎水性たんぱく質分泌量の変化 Fig. 8. Hydrophobin release for various days after 100 kV

pulse high-voltage stimulation at two different parts of hypha.

パルスパワーの農業応用

電学論 A，130 巻 10 号，2010 年 967

8

6

4

2

0

log e N

c (CF

U/m

)

80x103 6040200expenditure energy (J)

flow rate 3 /h 6 /h 12 /h

E C 0.0dS/m 0.5dS/m 4.0dS/m

(a) ホウレンソウ萎凋病菌

8

6

4

2

0

log e N

c (CF

U/m

)

80x103 6040200expenditure energy (J)

flow rate 3 /h 6 /h 12 /h

E C 0.0dS/m 0.5dS/m 4.0dS/m

(b) 罹病トマトからの分離菌

図 12 注入エネルギーに対する有害菌密度(19) Fig. 12. Fungi densities as a function of energy expenditure.

図 10 パルス放電処理時間を変化させたときの 栽培時間と発芽率の関係(40)

Fig. 10. Relation between growth time and germination rate

for various pulsed discharge treatment time.

図 11 印加電界のパルス幅および大きさに対する 印加 5 日後の葉の総面積(41)

Fig. 11. Average leaf area of 10 seedlings of 5 days after

treatment with different energies as function of pulse duration.

たグラジオラス球根への電気刺激の有無による発芽の差異

を示す(7)。グラジオラスの球根 5 個中 3 個に 20 kV，パルス

幅 100 ns の電圧を印加した。電圧印加の回数は 5 回とし，

パルス電圧を印加する球根を A1～3，残りの 2 個は電圧を

印加しない B1～2 として栽培を行っている。写真より，電

圧印加によって発芽が早まることがわかる。 図 10 に，門脇氏らにより報告されたアラビドプシス種子

（シロイヌナズナ，アブラナ科シロイヌナズナ属）種子に対

するパルス放電印加による発芽率の変化を示す(40)。放電電

極は針対平板電極を用いており，高圧電極にはタングステ

ンワイヤを 21 本使用し，ギャップ長は 2 mm としている。

パルス形成線路を－5 kV で充電し，空気雰囲気中，湿潤状

態でそれぞれ 12 分，28 分そして 60 分放電処理したときの

栽培時間と発芽率の関係になる。ここで control は放電処理

をしていない未処理の種子を示している。エラーバーは発

芽率の 大と 小を示している。放電消費エネルギーは処

理時間 30 分で約 1.58 kJ，処理時間 60 分で約 3.16 kJ である。

75 時間の結果を見ると，control に比べて放電時間 12 分の発

芽率は高く，放電時間 28 分の発芽率は低くなっている。ま

た，放電時間 60 分では種子が発芽することはなかった。こ

のことから，植物種子に放電を適度な時間曝露すれば発芽

は促進され，放電を過度な時間曝露すれば発芽は抑制され

ることがわかる。 同様の知見は，図 11 に示す，文献(41)にも見受けられる。

用いた植物は，図 10 同様に，シロイヌナズナである。種子

への印加電界の大きさやパルス幅を変え，異なる注入エネ

ルギーで実験を行っている。適度なパルス電圧の印加は，

発芽促進につながるが，注入エネルギーが大きい場合，発

芽抑制として作用する様子がわかる。

4. 培地改善への電界およびプラズマの活用

培地へのパルス電界および放電プラズマの応用として，

培地の雑菌の不活性化，生育に必要な窒化物などの供給な

どがあげられる。ここでは，その例として，線虫やホウレ

ンソウ萎凋病菌（Fusarium oxysporum），罹病トマトからの

分離菌（Fusarium sp.）など成長阻害菌の放電による不活性

化について紹介する。 図 12 に，佐藤氏らにより報告された，養液栽培の養液中

968 IEEJ Trans. FM, Vol.130, No.10, 2010

図 13 土壌のオゾン処理の有無によるメロン生育の変化

（定植 25 日後の様子）(43) Fig. 13. Effect of ozone treatment in polluted soil on melon

growth.

図 15 異なる電圧で処理した培養土の 4 週間トマト栽培後

の根重量（I~V：線虫未混入，未処理，3, 5, 8 kV）(18) Fig. 15. Root weight of tomato cultivated for four weeks

with various cultivation conditions.

表 1 トマト萎凋病菌の処理条件及び殺菌率(42)

Table 1. Inactivation efficiency of F. oxysporum for various

ozone injection conditions.

Ozone concentration(g/m3)

Flow rate(lit/min)

Treatment time(min)

Ozone total (g)

Sterilization rate(%)

0 10 0 22.80

10 3 10 0.3 97.54

20 10 0.6 99.91

40 10 1.2 100.0

38 60 6.84 100.0

38.5 60 6.93 100.0

図 14 異なる電圧で処理した培養土の 4 週間トマト栽培後

の線虫濃度（I~V：線虫未混入，未処理，3, 5, 8 kV）(18) Fig. 14. Effect of pulsed high voltage treatment on nematode

number in the potting soil of tomato cultivated for four weeks.

のホウレンソウ萎凋病菌および罹病トマトからの分離菌の

コロナ放電プラズマ照射エネルギーに対する菌数密度の変

化を示す(19)。コロナ電極として多針電極（120 本）を用い，

これの直流電圧 20 kV を印加する。液面から電極までの距

離は 3 mm で，養液の容量は 0.41 L である。パラメータは，

養液の導電率である。養液濃度ごとにほぼ同様な減少係数

の値となっていることがわかる。従って，大気圧コロナ放

電照射による有害菌密度の減少は注入エネルギーによって

決定され，養液濃度および有害菌の種類に依存することが

わかる。メカニズムとしては，エレクトロポレーション等

と考えられる(19)。 放電による殺菌では O3や OH ラジカルも影響することが

知られている。表 1 に，蛯原氏らにより報告された，オゾ

ン注入による罹病トマトからの分離菌数の変化を示す(42)。

オゾン濃度や土壌へのオゾン注入時間を変え，土壌に暴露

させるオゾンの総量を変えることで，分離菌の不活性化が

進むことがわかる。 オゾンによる植物生長促進の一例として，図 13 に，サツ

マイモネコブセンチュウ汚染土壌による未処理土壌とオゾ

ン処理のメロンの定植 25 日後の植栽の様子を示す(43)。オゾ

ン処理では，濃度 60～70 g/m3，ガス流量 2.5 L/min，処理時

間 20 min としている。オゾン処理後の土壌で生育がよく，

オゾン処理土壌で植栽を行うことによって成長を促進でき

ることがわかる。 土壌の改良は，土壌へ直接電極を刺して電圧を印加する

ことでも可能となる。図 14 に，大島氏らにより報告された，

トマトの根付近の土壌へのパルス電圧印加による線虫生存

数の変化を示す(18)。実験ではトマト種子を栽培ポットに入

れた滅菌培養土（約 80 g）に接種して栽培を開始している。

発芽一週間後に滅菌培養土または線虫汚染土各 10 g（線虫

頭数 約 500 頭）を混ぜ込み，さらに栽培を行い，トマトの

茎丈，根の重量，培養土中の線虫頭数を比較している。ト

マト栽培への高電圧パルス印加は線虫汚染土を追加した一

週間後（発芽二週間後）に印加している。高電圧パルスは

ステンレス針金電極を，トマト苗から 0.5 cm 離れた位置に，

ポット底面 2 cm まで挿入し，3, 5, 8 kV の電圧を，10 秒間印

加している。Ⅰ～Ⅴは，それぞれ殺菌土壌，無処理，印加

電圧 3, 5, 8 kV としたサンプルである。高電圧パルスを印加

していない場合（Ⅱ）には 42 頭/g であったのに対し，印加

した高電圧パルス電圧に伴って減少し，3，5，および 8 kVの場合でそれぞれ 34，31 および 29 頭/g となっている。 図 15 に，植栽第 4 週のそれぞれの苗の根重量を示す(18)。

線虫を混入せずに栽培したトマト苗Ⅰの根重量は 68 g であ

パルスパワーの農業応用

電学論 A，130 巻 10 号，2010 年 969

図 16 栽培 7 週間後のトマト苗 II および IV の様子(18)

Fig. 16. Photographs of tomato cultivated for seven weeks

with (VI) and without (II) pulsed high voltage treatment in

nematode contaminated soil.

図 17 異なる充電電圧に対する未処理溶液（Control）と

パルス電界印加溶液（PEF）のポリフェノール総量の比較

Fig. 17. Total polyphenol release of untreated and PEF

treated samples for various charging voltages at 20 pps pulse

repetition rate.

図 18 パルス電界の印加の有無によるブドウの皮の細胞の

光学顕微鏡画の比較（左：印加なし，右：60 kV 印加） Fig. 18. Optical microscopy images of grape skin cell with

and without pulsed electric field applications.

るのに対し，線虫を混入したトマト苗Ⅱの根重量は 34 g と

激減しており，線虫による影響を顕著に受けている。これ

に対し，線虫混入後高電圧パルスを印加したトマト苗Ⅲ～

Ⅴの根の重量は，線虫未混入のトマト苗Ⅰには及ばないも

のの，根重量の増加が認められ，特に 5 kV を印加した場合

には 60 g となっている。印加電圧が大きすぎる場合，トマ

ト苗から電極までの距離が 0.5 cm と短いこともあり，放電

がトマト苗との間で発生するなどの理由により，根重量が

減少している(18)。図 16 に，表 1 のⅡとⅣの条件の，植栽第

7 週後のトマト苗の様子を示す(18)。線虫混入後，高電圧パル

スを印加していないトマト苗Ⅱと印加したトマト苗Ⅳの茎

丈は同程度であるが，トマト苗Ⅱのほうは弱く，茎の一部

が培養土に接している状態に湾曲していたのに対し，トマ

ト苗Ⅳは太く丈夫にまっすぐに成長していた。また根の状

態は，トマト苗Ⅱはトマト苗Ⅳに比べて全体的に短いのに

加え，根の分岐が明らかに少なく，特に細かい根の発達が

著しく阻害されている様子が観察されている。

5. 植物からの有用成分の抽出への利用

果汁抽出効率の改善や，抽出時の成分の制御にもパルス

電圧は利用される(44)～(48)。一例として，ぶどうワイン醸造過

程におけるパルス電界をかけた場合のポリフェノール量の

変化を図 17 に示す (49)。ポリフェノール総量の測定には

Folin-Ciocalteu 法を用い，760 nm における吸光度より，没食

子酸相当量として算出している。パルス電圧発生には，6 段

のブルームラインが用いられ，充電電圧が 9, 11, 15 kV の無

負荷電圧は，それぞれ 40, 50, 60 kV である。ギャップ長は

1 cm としており，それぞれ 40, 50, 60 kV/cm の電界に相当

する。パルス幅は約 140 ns であり，これを繰り返し 20 pps（pulses per second）で，30 分間印加している。いずれの条件

においても，電圧を印加することで，ポリフェノールの抽

出量は約 20％増加していることがわかる。 図 18 に，出力電圧の 大値が 60 kV 時のコントロール区

と実験区のブドウの皮の細胞内写真を示す。Control 区に対

し，実験区の細胞内は色素が外へ流出しているのが確認で

きる。メカニズムとしては，エレクトロポレーション（電

気穿孔）が主となる(50)。

6. ま と め

農業・食品加工分野へのパルス電界および高電圧放電プ

ラズマの利用として，植物の発芽・成長への直接刺激によ

る改善，植物の生育を取り巻く環境改善を通した品質や育

成速度の向上，また得られた農作物の食品加工の観点から

まとめた。各応用とも，多くの研究報告がなされており，

また近年の半導体素子技術の進歩から，電源もコンパクト

になり，適用事例も増えている。データは蓄積されている

が，バイオメカニズムに対するパルス電界の関わりについ

ては，不明な点が多い。今後，分野を超えた連携により，

メカニズムの解明が望まれる。 後に，本論文執筆に際しまして，たいへん有意義なご

意見やご助言，また貴重な資料を提供いただきました有明

工業高等専門学校の塚本俊介氏，愛媛大学の門脇一則氏，

熊本大学名誉教授の蛯原健治氏，佐賀大学の猪原哲氏，群

馬大学の大嶋孝之氏，名誉教授の佐藤正之氏，室蘭工業大

学の佐藤孝紀氏へ深く感謝申し上げます。また有意義なご

助言やご議論をいただきました岩手大学農学部の小出章二

氏，颯田尚哉氏，岩手生物工学研究センターの坂本裕一氏，

970 IEEJ Trans. FM, Vol.130, No.10, 2010

盛岡森林組合の高橋久祐氏ほか多くの共同研究者のみなさ

まへ，深く感謝いたします。 なお，本研究の一部は，独立行政法人科学技術振興機構

重点地域研究開発推進プログラム（地域ニーズ即応型「パ

ルス電界を用いたきのこの増産」）および科学研究費補助金 （課題番号：21658082）の助成を受けていることを付記する。

（平成 22 年 2 月 14 日受付，平成 22 年 5 月 5 日再受付）

文 献

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パルスパワーの農業応用

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高 木 浩 一 （正員） 1988 年 3 月熊本大学大学院修士課程修

了。1989 年 4 月大分高専電気工学科助手，1996年 4 月岩手大学工学部電気電子工学科助手，

2001 年 3 月同助教授，現在に至る。2000 年 10月～2001 年 9 月マクマスター大学客員研究員。

工学博士。現在の研究テーマは，パルスパワー

や放電プラズマの農業・食品加工・環境応用や

エネルギー環境学習関係など。エネルギー環境

教育学会，応用物理学会，静電気学会，プラズマ・核融合学会，放

電学会，IEEE 会員。