108 年 國立臺灣大學園藝暨景觀學系碩士班園產品處理及利用組《園產品加工學》

本題主要在於了解濃縮澄清蘋果汁的標準加工製程與所使用的關鍵設備。這類問題通常會出現在初階的園產品加工學課程中，用以建立學生對基礎加工流程的認知。

濃縮澄清蘋果汁加工流程與設備：

1. 原料驗收與前處理 (Raw Material Receiving & Pre-treatment)

   • 流程： 挑選品質良好的成熟蘋果，去除腐爛、受損部分，並進行清洗。
   • 設備： 輸送帶 (Conveyor belt)、清洗機 (Washing machine)。

2. 破碎與壓榨 (Crushing & Pressing)

   • 流程： 將蘋果破碎成泥狀，以利後續榨汁。然後將果泥送入壓榨機，分離出果汁與果渣。
   • 設備： 破碎機 (Crusher/Grinder)、壓榨機 (Press machine)，例如：帶式壓榨機 (Belt press) 或離心機 (Centrifuge)。

3. 果汁靜置沉澱或酶處理 (Juice Settling or Enzyme Treatment)

   • 流程： 剛榨出的蘋果汁含有懸浮固體，會呈現混濁。可透過靜置沉澱，或加入果膠酶 (Pectinase) 進行水解，使果膠物質分解，有利於後續澄清。
   • 設備： 沉澱槽 (Settling tank)、酶解反應槽 (Enzyme reaction tank)。

4. 澄清 (Clarification)

   • 流程： 利用物理或化學方法去除果汁中的懸浮物，使其變得清澈。常見方法包括離心分離、過濾（如板框過濾、膜過濾）或加入助濾劑（如矽藻土）。

本題涵蓋了冷凍技術中的基本原理、品質維持以及常見問題的解決方法，是冷凍學在食品加工中的重要應用。

(1) 冷媒冷凍循環變化繪製

冷媒在冷凍機中經過一系列的狀態變化，形成一個封閉的循環，以達到製冷的目的。這個循環通常在 P-h 圖 (壓力-焓圖) 或 T-s 圖 (溫度-熵圖) 上表示，但在此僅描述其基本過程。

冷凍循環過程：

1. 壓縮 (Compression)： 低溫低壓的氣態冷媒進入壓縮機，被壓縮成高溫高壓的氣態。
2. 冷凝 (Condensation)： 高溫高壓的氣態冷媒進入冷凝器，與周圍的冷卻介質 (如空氣或水) 進行熱交換，冷卻並凝結成高壓液態。在此過程中，冷媒釋放熱量。
3. 膨脹 (Expansion/Throttling)： 高壓液態冷媒通過膨脹閥 (或毛細管)，壓力驟降，溫度也隨之降低，變成低溫低壓的液態或液氣混合物。
4. 蒸發 (Evaporation)： 低溫低壓的液態冷媒進入蒸發器，從待冷卻的物體 (如食品) 吸收熱量，使其溫度降低。在此過程中，冷媒吸收熱量並蒸發成低溫低壓的氣態，完成製冷。
5. 循環重複： 蒸發後的氣態冷媒再次進入壓縮機，開始下一個循環。

繪製說明：
若繪製 P-h 圖，則循環大致為：

• 壓縮：從低 P、低 h 點 (壓縮機出口) 向上延伸至高 P、高 h 點。
• 冷凝：在高 P 區域，從右側 (氣態) 沿等溫線或略微下降的溫度線向左移動至左側 (液態)。
• 膨脹：沿著垂直線 (等焓線) 從高 P、低 h 點向下移動至低 P、低 h 點。
• 蒸發：在低 P 區域，從左側 (液態) 沿等溫線或略微上升的溫度線向右移動至右側 (氣態)。

(2) 提高冷凍蔬果品質，降低解凍時滴水現象

解凍時的滴水現象，主要是因為在冷凍過程中，細胞內的自由水形成較大的冰晶，破壞了細胞結構。解凍時，這些冰晶融化成水，但已被破壞的細胞結構無法有效將水分保留，因而滲出。

提高品質與降低滴水的方法：

• 快速冷凍 (Rapid Freezing)：
  • 原理： 快速通過最大冰晶生成區 (約 -1°C 至 -5°C)，形成大量微小冰晶，減少對細胞結構的破壞。
  • 方法： 採用接觸式冷凍、空氣冷凍 (如低溫強風隧道式冷凍機)、浸漬冷凍或液態氮冷凍等。
• 預處理 (Pre-treatment)：
  • 鈍化酵素 (Enzyme inactivation)： 透過燙煮 (Blanching) 鈍化蔬果中的氧化酵素和水解酵素，這些酵素在冷凍和解凍過程中會持續作用，加速品質劣變並影響水分保持。
  • 浸漬處理 (Dipping)： 某些蔬果可透過浸漬抗壞血酸 (Ascorbic acid) 或其他抗氧化劑溶液，減少氧化並可能影響細胞膜的通透性。
• 包裝與儲存條件 (Packaging & Storage Conditions)：

本題旨在評估學生對微生物熱致死動力學的理解，特別是 D 值 (Decimal Reduction Time) 和 Z 值 (Z-value) 的概念，以及如何利用實驗數據來比較不同微生物的熱穩定性。

核心觀念：
微生物的熱致死性通常用 D 值和 Z 值來表示。

• D 值 (Decimal Reduction Time)： 指在特定溫度下，使某種微生物數量減少 90% (即減少一個對數單位，Log10) 所需的時間。D 值越小，表示該微生物在該溫度下越容易被殺滅。
• Z 值 (Z-value)： 指使 D 值改變一個對數單位 (即 10 倍) 所需的溫度變化。Z 值越小，表示該微生物的熱敏感性隨溫度變化越大，也就是說，溫度稍微升高，其 D 值就會顯著縮小 (更容易被殺滅)。反之，Z 值越大，表示該微生物的熱穩定性越好，對溫度的變化越不敏感。

圖表分析與計算：

圖 10 顯示了 Salmonella Typhimurium (沙門氏菌) 的 Log10 D-value 對溫度 (Temperature, °C) 的關係圖。圖中顯示了兩組數據點，並有一條線性迴歸線。

• 數據點 1： 在 57°C 時，Log10 D-value 約為 0.3，對應的 D 值為 $10^{0.3} \approx 2$ min。
• 數據點 2： 在 60°C 時，Log10 D-value 約為 -0.27，對應的 D 值為 $10^{-0.27} \approx 0.54$ min。
• 迴歸線方程式： $y = -0.22x + 13.73$ (其中 $y$ 代表 Log10 D-value，$x$ 代表溫度 °C)。
• Z 值計算： Z 值是斜率的倒數的負值。斜率為 -0.22。
  $Z = -\frac{1}{\text{slope}} = -\frac{1}{-0.22} \approx 4.55 \text{ °C}$。
  圖中也標示了 Z-value = 4.44 °C，這與計算值接近，可能是數據點取樣或計算方式略有差異。我們以圖中標示的 Z-value = 4.44 °C 作為 Salmonella Typhimurium 的 Z 值。

**關鍵問題：**題目要求比較 Listeria monocytogenes (李斯特菌) 與 Salmonella Typhimurium 的耐熱性，並判斷 Salmonella Typhimurium 是否較差。

本題主要探討蔬果在水分活動中的兩個重要現象：吸濕與乾燥曲線，以及與之相關的滯後 (hysteresis) 現象，並要求分析影響乾燥速率的因素。這涉及到食品物性、傳質學以及乾燥工程等知識。

一、 蔬果吸濕與乾燥曲線 (Sorption and Desorption Isotherms)

吸濕曲線 (Sorption isotherm) 和乾燥曲線 (Desorption isotherm) 是描述食品在一定溫度下，其平衡水分含量 (equilibrium moisture content, EMC) 與水活性 (water activity, aw) 之間關係的圖。

• 橫軸： 水活性 ($a_w$)，範圍從 0 到 1。
• 縱軸： 平衡水分含量 (EMC)，通常以重量百分比表示。

曲線繪製說明：

• 乾燥曲線 (Desorption Isotherm)：
  • 當食品從高水分含量開始乾燥時，其 EMC 隨 $a_w$ 下降而下降。
  • 通常呈現 S 形，在低 $a_w$ 區域，水分含量下降較慢；在中等 $a_w$ 區域，下降較快；在高 $a_w$ 區域，又趨於平緩。
  • 在低 $a_w$ 區域，水分與食品基質中的極性基團（如羥基、胺基）強烈結合（單分子層吸附），不易脫離。
  • 在中等 $a_w$ 區域，水分開始形成多分子層吸附，或填充在毛細孔中。
  • 在高 $a_w$ 區域，大部分水分是以自由水的形式存在，與純水的行為相似。
• 吸濕曲線 (Sorption Isotherm)：
  • 當食品從低水分含量開始吸濕時，其 EMC 隨 $a_w$ 上升而上升。
  • 通常也呈現 S 形。
• 滯後現象 (Hysteresis)：
  • 對於大多數食品，相同 $a_w$ 值下，吸濕曲線所對應的水分含量高於乾燥曲線所對應的水分含量。這就是吸濕-乾燥曲線之間的滯後現象。

二、 Hysteresis 現象的可能原因

滯後現象的產生，主要是由於食品在吸濕和乾燥過程中，其內部結構和水分結合狀態發生了不可逆的變化。主要原因包括：

1. 結構變化 (Structural Changes)：
   • 膨脹與收縮： 在乾燥過程中，食品基質（如纖維素、蛋白質）會因為水分的脫離而收縮、緊密堆積，形成更緊密的結構。當再次吸濕時，這些結構可能無法完全恢復到原來的膨脹狀態，導致在相同 $a_w$ 下，吸濕狀態的水分含量比乾燥狀態要高。
   • 毛細孔結構改變： 乾燥過程中，毛細孔可能塌陷或改變形狀，使得水分在吸濕時需要更高的 $a_w$ 才能進入或填充這些孔隙。
2. 水分結合狀態的不可逆性 (Irreversible Water Binding)：
   • 疏水性基團暴露： 在乾燥過程中，原先被水分屏蔽的疏水性基團可能暴露出來，與水分的結合能力減弱。
   • 多分子層吸附變化： 結構變化可能影響水分形成多分子層吸附的模式。
3. 玻璃轉化 (Glass Transition)：
   • 食品在低水分含量時，基質處於玻璃態。隨著水分含量的增加，基質會軟化並進入橡膠態。這個過程可能不是完全可逆的，導致吸濕和乾燥時的行為不同。

本題要求學生闡述水活性 (Water Activity, $a_w$) 對蔬果品質各方面的影響，並以圖表輔助說明。這是一個綜合性的問題，涵蓋了微生物學、感官科學和食品化學的知識。

核心觀念：
水活性 ($a_w$) 是指食品中未結合水（自由水）的比例，它直接影響微生物的生長、酵素的活性、化學反應速率以及物理性質，進而影響食品的品質。$a_w$ 的數值介於 0 和 1 之間，與相對濕度 (Relative Humidity, RH) 的關係為 $a_w = RH/100$。

圖表說明：
由於無法在此處直接繪製圖表，以下將以文字描述和概念圖的形式說明，並附上關鍵的影響關係。

影響機制：
水活性主要透過以下方式影響品質：

1. 微生物生長 (Microbial Growth)： 微生物需要一定量的自由水才能進行代謝活動和繁殖。
2. 酵素活性 (Enzyme Activity)： 酵素的催化反應通常需要水作為反應介質或參與者。
3. 化學反應速率 (Chemical Reaction Rates)： 如美拉德反應、褐變反應、氧化反應等，其速率與水活性的高低密切相關。
4. 物理性質 (Physical Properties)： 如質地、顏色、風味物質的揮發性等。

品質相關反應的影響 (以圖表概念說明)：

I. 微生物生長 (Microbial Growth)

• 圖表概念： 繪製一個曲線圖，橫軸為 $a_w$，縱軸為微生物生長速率 (Growth Rate) 或最低可生長 $a_w$ (Minimum $a_w$ for Growth)。

• 說明：

  • 高 $a_w$ ( > 0.90)： 大多數細菌（包括病原菌如沙門氏菌、李斯特菌）和酵母菌能快速生長。
  • 中等 $a_w$ ( 0.80 - 0.90)： 耐滲透壓酵母菌 (Osmophilic yeasts) 和耐鹽菌 (Halophilic bacteria) 開始生長，部分黴菌也能生長。
  • 低 $a_w$ ( < 0.80)： 僅少數黴菌（如黃麴黴菌）能在極低 $a_w$ 下緩慢生長。大多數微生物的生長受到抑制。
  • 最低 $a_w$： 不同類型的微生物有不同的最低生長 $a_w$ 值。例如，大多數細菌約為 0.90，酵母菌約為 0.85，黴菌約為 0.70。

  微生物生長速率
        ^
        |      * (細菌)
        |     *
        |    *
        |   * (酵母菌)
        |  *
        | * (黴菌)
        +-------------------> 水活性 (aw)
        0.70  0.85  0.90    1.0
  

II. 風味 (Flavor)

• 圖表概念： 橫軸為 $a_w$，縱軸為風味強度或風味物質的揮發性。
• 說明：
  • 高 $a_w$：
    • 風味物質（如揮發性酯類、醛類）的溶解度高，在水中含量豐富，但其揮發性可能受高水分影響而降低（水包覆效應）。
    • 容易發生水解反應，導致某些風味物質分解。
  • 中低 $a_w$：
    • 風味物質的揮發性增加，因為它們不像在高 $a_w$ 時那樣被「稀釋」或「束縛」在水中。
    • 然而，過低的 $a_w$ 可能會抑制產生風味的酶促反應，或使風味物質的溶解度降低，導致整體風味感知改變。
    • 例如，在乾燥水果中，風味物質的濃縮和揮發性變化是影響其風味的關鍵。