115 年 國立成功大學食品安全衛生暨風險管理研究所《食品科學》

本題主要考驗學生對於不同食品加工技術（油炸乾燥、冷凍乾燥、擠壓加工）如何影響食品質地，特別是多孔性結構形成原理及其對產品品質的影響。

(1) 不同加工技術形成多孔性結構的原理：

• 油炸乾燥 (Frying drying):
  • 操作原理: 在高溫油浴中進行，利用油的傳熱效率高，快速將食品內部的水分蒸發，同時油會滲入食品組織。
  • 多孔性形成: 高溫油浴導致食品內部水分迅速汽化，產生蒸氣壓力，將食品組織撐開形成孔隙。同時，油的滲入也填充部分孔隙，並在冷卻後固化，有助於維持結構。
• 冷凍乾燥 (Freeze drying):
  • 操作原理: 將食品預先冷凍，然後在真空環境下，使冰直接昇華為水蒸氣，從食品中移除水分。
  • 多孔性形成: 冰在昇華過程中，會從固態直接轉變為氣態，留下原冰晶所佔據的空間，形成微小的孔隙結構。這種結構能最大程度地保留食品的原始形態和結構。
• 擠壓加工 (Extrusion processing):
  • 操作原理: 將原料在高溫、高壓、高剪切力的條件下通過擠壓機的螺桿擠出。
  • 多孔性形成: 在擠壓過程中，原料中的水分受熱汽化，產生內部壓力。當物料通過模具口時，壓力突然釋放，導致水分快速膨脹，將物料撐開形成多孔結構。此過程常伴隨澱粉糊化、蛋白質變性等，進一步影響質地。

本題考驗學生對食品中色素的種類、差異性，以及非法添加物（如蘇丹紅）的動機與技術目的的理解。

食品化學角度比較天然色素與人工色素的差異性：

本題主要考驗學生對乾酪 (Cheese) 製造過程中關鍵步驟的理解，包括原料、加工流程、凝膠原理、以及熟成過程中的生化變化與其對產品品質的影響。

(1) 乾酪製作過程之原料與加工流程圖：

• 主要原料：

  • 牛乳 (Milk): 牛奶是乾酪最主要的原料，其成分（脂肪、蛋白質、乳糖、礦物質、水分）直接影響乾酪的種類和品質。
  • 乳酸菌 (Lactic acid bacteria): 作為 starter cultures，負責發酵乳糖產生乳酸，降低 pH 值，並參與熟成過程。
  • 凝乳酵素 (Rennet/Coagulant): 主要是酪蛋白酵素 (Chymosin)，使酪蛋白凝固形成凝乳。
  • 鹽 (Salt): 用於調味、抑制不良微生物生長、影響水分和質地。
  • 其他添加物 (Optional): 如氯化鈣 (CaCl2) 幫助凝乳、色素、香料等。

• 基本加工流程圖：

  牛乳預處理 → 添加 starter cultures & 氯化鈣 (可選) → 培養 (產酸) → 添加凝乳酵素 → 凝乳 (Coagulation) → 切割凝乳 (Cutting the curd) → 加熱/攪拌 (Cooking/Stirring) → 脫乳清 (Whey separation) → 加鹽 → 塑形/壓榨 (Molding/Pressing) → 熟成 (Ripening) → 成品

(2) 乾酪加工過程中兩種不同的凝集 (Coagulation) 方式及其差異：

乾酪的凝集是將液態的牛奶轉化為固態凝膠的關鍵步驟，主要有兩種方式：

• 酵素凝集 (Enzymatic Coagulation):

  • 原理: 主要由凝乳酵素 (如酪蛋白酵素) 作用於酪蛋白 (Casein) 的κ-酪蛋白 (κ-casein)。酪蛋白酵素會水解κ-酪蛋白中的特定胜肽鍵 (Phe105-Met106)，使其失去穩定酪蛋白膠束 (micelle) 的能力。失去穩定性的酪蛋白膠束隨後在鈣離子 (Ca²⁺) 的幫助下，相互聚集，形成三維的蛋白質網絡結構，即凝膠。
  • 凝膠特性: 形成的凝膠結構較為緻密、堅實，具有較好的彈性和保水性。這是大多數硬質和半硬質乾酪（如切達起司、帕瑪森起司）的主要凝集方式。

• 酸凝集 (Acid Coagulation):

  • 原理: 主要由添加的乳酸菌發酵乳糖產生乳酸，使牛乳 pH 值下降。當 pH 值接近酪蛋白的等電點 (約 pH 4.6) 時，酪蛋白分子間的靜電斥力減小，分子內和分子間的疏水性作用增強，導致酪蛋白膠束聚集並形成凝膠。
  • 凝膠特性: 形成的凝膠結構相對較疏鬆、柔軟，保水性較差，質地較為嫩滑。這是製作軟質乾酪（如瑞可塔起司、鮮奶油起司、部分優格）的主要方式。

• 兩者在凝膠特性上的差異：

  • 酵素凝集 形成更堅實、有彈性的凝膠，適合後續的切割、加熱、壓榨等處理，能形成硬質乾酪。
  • 酸凝集 形成較柔軟、細膩的凝膠，通常不經過劇烈的切割或加熱，適合製作軟質、易於塗抹的乾酪。

(3) 熟成 (Ripening) 的定義、目的、生化代謝途徑、微生態變化及其對乾酪質地與風味的影響：

本題主要考驗學生對啤酒釀造過程中關鍵步驟的理解，包括糖化作用、煮沸階段的目的，以及發酵溫度控制對啤酒品質的影響。

(1) 糖化作用 (Saccharification) 的解釋與條件影響：

• 解釋: 糖化作用是啤酒釀造過程中，將麥芽中的澱粉轉化為可發酵糖（主要是麥芽糖 Maltose）和不可發酵糖（糊精 Dextrins）的過程。這個過程主要依靠麥芽自身含有的酵素，特別是α-澱粉酶 (α-amylase) 和β-澱粉酶 (β-amylase)。在適當的溫度和水分條件下，這些酵素會水解澱粉分子，生成不同長度的糖鏈。

• 不同糖化條件的影響：

  • 溫度:
    • 較低溫度 (約 50-60°C): β-澱粉酶活性較高，它能有效水解澱粉末端，產生較多麥芽糖 (Maltose)，這是一種可被酵母菌高度發酵的糖。
    • 較高溫度 (約 62-70°C): α-澱粉酶活性較高，它能隨機切斷澱粉鏈，產生較多中長鏈的糖（糊精），這些糖對酵母菌的可發酵性較差。
    • 結論:
      • 較低的糖化溫度 → 產生較高的可發酵糖比例 → 殘糖量較低 → 酵母發酵更完全 → 酒精濃度較高 → 口感較「乾爽」(Dry)。
      • 較高的糖化溫度 → 產生較高的糊精比例 → 殘糖量較高 → 酵母發酵不完全 → 酒精濃度較低 → 口感較「醇厚」(Full-bodied)、較甜。
  • pH 值: 理想的糖化 pH 值約在 5.2-5.6。過高或過低的 pH 值都會影響澱粉酶的活性，進而影響糖化效率和產糖的比例。
  • 時間: 足夠的糖化時間確保澱粉酶能充分作用，將澱粉轉化為糖。時間過短會導致糖化不完全。
  • 麥芽研磨度: 研磨越細，澱粉越容易被酵素接觸，糖化越充分。

• 總結影響：

  • 可發酵糖比例: 低溫糖化比例高，高溫糖化比例低。
  • 殘糖量: 低溫糖化殘糖量低，高溫糖化殘糖量高。
  • 最終啤酒口感: 低溫糖化（高可發酵糖）→ 乾爽、清淡。高溫糖化（高糊精）→ 醇厚、甘甜。
  • 酒精濃度: 低溫糖化（高可發酵糖）→ 酒精濃度高。高溫糖化（低可發酵糖）→ 酒精濃度低。

(2) 啤酒製程中煮沸 (Boiling) 階段的主要目的：

煮沸是啤酒釀造中的一個關鍵步驟，主要有以下幾個重要目的：

• 微生物安全性 (Microbial Safety):
  • 目的: 高溫煮沸可以殺滅麥汁中可能存在的雜菌，防止其在發酵過程中污染啤酒，導致產生不良風味或腐敗。
  • 影響: 確保麥汁的無菌狀態，為後續的酵母發酵提供一個純淨的環境。
• 風味穩定性 (Flavor Stability):
  • 目的:
    • 啤酒花 (Hops) 的應用: 煮沸是將啤酒花加入麥汁的關鍵時機。高溫能使啤酒花中的α-酸 (α-acids) 異構化，轉化為可溶性的異-α-酸 (iso-α-acids)，這賦予啤酒獨特的苦味、風味和抗菌性。
    • 揮發性風味物質的形成與揮發: 煮沸會促使一些不必要的揮發性硫化物（如二甲基硫醚 DMS，會產生煮熟的蔬菜味）揮發出去。同時，一些期望的風味物質也可能在煮沸過程中形成或揮發。

本題主要考驗學生對食品滅菌技術的理解，特別是商業滅菌的定義、指標微生物、相關熱力學參數（D值、Z值、F值）及其在製程設計中的應用，以及12D概念。

(1) 商業滅菌 (Commercial Sterilization) 與完全滅菌 (Sterilization) 的差異：

• 完全滅菌 (Sterilization):

  • 定義: 指的是在特定條件下，將微生物（包括細菌、黴菌、酵母菌、病毒，以及所有形態的芽孢）的數量減少到無法偵測的程度，或完全消除。
  • 應用: 在醫療用品、實驗室器材、藥品等領域，目標是達到絕對無菌狀態。
  • 食品領域: 在食品加工中，嚴格意義上的「完全滅菌」較少見，因為極端的條件可能嚴重破壞食品的品質。

• 商業滅菌 (Commercial Sterilization):

  • 定義: 指的是一種熱處理方法，其目標是在商業上可接受的條件下，將食品中的致病性微生物和能夠引起食品腐敗的微生物（特別是耐熱的細菌芽孢）顯著減少，使其在正常儲存和運輸條件下不會腐敗變質，並且不會對人體健康造成危害。它並非追求絕對無菌，而是達到「足夠安全」的程度。
  • 應用: 廣泛應用於罐頭食品、盒裝食品、UHT（超高溫瞬間滅菌）液態食品等。
  • 關鍵點: 目標是消除特定的、具有代表性的、最耐熱的微生物，而不是殺滅所有微生物。

• 主要差異：

  • 目標微生物: 完全滅菌目標是殺滅所有微生物；商業滅菌目標是殺滅特定的致病菌和腐敗菌，尤其是最耐熱的芽孢。
  • 結果: 完全滅菌是絕對無菌；商業滅菌是「商業上無菌」，即在商業條件下安全且不會腐敗。
  • 處理條件: 完全滅菌的條件通常比商業滅菌更嚴苛，可能嚴重損害食品品質。商業滅菌的條件在保證安全性的同時，盡可能地保留食品的營養和感官品質。

(2) 為何商業滅菌以 Clostridium botulinum 作為指標微生物？

• 生物學特性:
  • Clostridium botulinum 是一種厭氧性、革蘭氏陽性、產芽孢的桿菌。
  • 其芽孢（spore）是所有已知微生物中最耐熱的形態之一，即使經過商業滅菌的條件，也可能存活。
  • 在無氧環境下，若芽孢萌發成營​​養體，並在適當的溫度和 pH 值下生長，會產生一種極強的毒素——肉毒桿菌毒素 (botulinum toxin)。
• 食品安全意義:
  • 劇毒性: 肉毒桿菌毒素是世界上最劇烈的毒素之一，極少量即可導致人類神經系統麻痺，引起肉毒桿菌中毒 (botulism)，嚴重時可導致呼吸衰竭而死亡。
  • 潛在的食品污染: C. botulinum 廣泛存在於土壤、水中，其芽孢容易污染各種食品原料，特別是低酸性、低鹽、無氧的食品（如罐頭食品、真空包裝食品）。
  • 代表性耐熱性: 由於其芽孢的極高耐熱性，商業滅菌的目標就是確保能殺滅 C. botulinum 的芽孢，或者使其無法萌發產生毒素。只要能達到這個標準，理論上就可以殺滅其他較不耐熱的致病菌和腐敗菌。
  • 「指標」意義: 因此，C. botulinum 被選為商業滅菌的「指標微生物」。商業滅菌的熱處理條件，是根據殺滅 C. botulinum 芽孢所需的最低熱量來設計的，確保了食品在商業流通和儲存期間的安全性。

(3) D值、Z值與F值的意義及其在商業滅菌製程設計中的角色：

• D值 (Decimal Reduction Time):
  • 意義: 在特定溫度下，將某種微生物的數量減少 1 個對數單位 (即 90%) 所需的時間。例如，D值為 1 分鐘，表示在該溫度下，每經過 1 分鐘，微生物數量就會減少到原來的十分之一。D值越小，微生物越容易被殺滅；D值越大，微生物越耐熱。
  • 角色: D值是衡量某種微生物在特定溫度下熱穩定性的基本指標。
• Z值 (Z-value):
  • 意義: 表示當溫度每升高或降低 10°C 時，微生物的 D 值改變 1 個對數單位（即 D 值乘以或除以 10）的溫度變化值。Z 值反映了微生物對溫度變化的敏感性。Z 值越大，微生物對溫度的敏感性越低，即需要更大的溫差才能使 D 值改變一個數量級；