111 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》

本題主要在測試考生對於台灣常見水果（番石榴、芒果、梅子）的栽培、品種特性及加工應用的基本認識。回答時需涵蓋產期、品種（包含鮮食與加工用）、及常見的加工產品形態。

核心觀念： 蔬果的產期、品種特性（鮮食與加工）、以及加工產品的多元性。

解題說明：

(1) 番石榴 (Guava)

• 主要產期： 全年皆有產，但盛產期約在夏秋季（6-10月）及晚冬（12月-2月）。
• 鮮食品種： 珍珠拔（泰國拔）、水晶拔、紅心拔等。
• 加工品種： 珍珠拔因其果肉厚、果肉率高、風味佳，常用於加工。
• 主要加工產品形態：
  • 果汁、果汁飲料
  • 果醬、果凍
  • 果乾、蜜餞
  • 果泥、果醬餡料

(2) 芒果 (Mango)

• 主要產期： 主要為夏季（5-8月），不同品種產期略有差異。
• 鮮食品種： 愛文、金煌、玉文、凱特、台農一號等。
• 加工品種： 愛文、台農一號等因果肉纖維較少、香氣濃郁，常被用於加工。
• 主要加工產品形態：

本題旨在探討蔬果加工中「殺菁」(Blanching) 的重要性，包含其核心目的、附帶效益，以及如何評估殺菁效果的指標。

核心觀念： 殺菁的原理、目的、效益與評估方法。

解題說明：

殺菁的主要目的與其他效益：

殺菁是指將蔬果在加工前，利用水、蒸氣或熱水進行短時間的加熱處理。其主要目的與效益如下：

1. 主要目的：

   • 鈍化酵素活性 (Enzyme inactivation)： 這是殺菁最主要的目的。蔬果中含有多種酵素（如過氧化物酶、多酚氧化酶、酯酶、脂肪酶等），這些酵素在採收後仍具有活性，若未經處理，會在儲存、加工過程中引起品質劣變，例如：
     • 褐變： 多酚氧化酶催化酚類物質氧化，使果蔬組織褐變，影響外觀。
     • 風味改變： 酯酶、脂肪酶分解脂質，產生不良風味。
     • 維生素破壞： 某些酵素會加速維生素（如維生素C）的分解。
     • 組織軟化： 果膠酶分解果膠，導致組織軟化，影響產品質地。
       殺菁提供足夠的熱能使這些酵素的活性中心變性失活。

2. 其他效益：

   • 抑制微生物生長 (Microbial inactivation)： 加熱能殺死部分表面的微生物，減少後續加工的微生物負荷，延長產品保存期限，特別是對於罐頭、冷凍等加工產品。
   • 軟化組織 (Tissue softening)： 輕度的殺菁可以使細胞壁的纖維素和果膠質部分水解，使組織軟化，有利於後續的乾燥、冷凍、擠壓或裝填等加工步驟，例如：
     • 冷凍前軟化，減少冷凍時冰晶對組織的破壞。
     • 乾燥前軟化，增加水分逸出速率，縮短乾燥時間。
     • 罐頭裝填時，使葉菜類等組織更容易被壓縮填入罐中。
   • 去除異味或苦味 (Removal of undesirable odors/flavors)： 某些蔬果（如十字花科蔬菜）含有揮發性硫化物，殺菁可將其揮發，改善風味。

本題聚焦於「輕度加工」(Minimal Processing) 的概念，特別是針對生鮮截切蔬果的微生物安全、以及「柵欄因子」(Hurdle Concept) 的應用。

核心觀念： 輕度加工、微生物安全標準、柵欄因子（物理、化學、生物）、Hurdle Concept 的應用。

解題說明：

(1) 生鮮截切蔬果的微生物安全標準有哪些？

生鮮截切蔬果的微生物安全標準主要關注能引起食源性疾病的病原菌以及總生菌數。常見的標準包括：

• 病原菌不得檢出 (Absence of pathogens)：
  • 腸道致病菌： 如沙門氏菌 (Salmonella spp.)、李斯特菌 (Listeria monocytogenes)、大腸桿菌 O157:H7 (Escherichia coli O157:H7) 等，在成品中應不得檢出。
  • 金黃色葡萄球菌 (Staphylococcus aureus)： 亦應不得檢出。
• 總生菌數 (Total plate count)： 通常會有一個上限，例如每克（或每毫升）樣品不得超過 $10^5$ 或 $10^6$ CFU (Colony Forming Units)。這代表產品的衛生狀況和整體微生物污染程度。
• 大腸桿菌群 (Coliforms)： 有時也會有檢測標準，其存在可能暗示糞便污染或製程衛生不良。
• 酵母菌與黴菌 (Yeast and Mold)： 也可能會有總數的限制。

這些標準的目的是確保產品在提供方便性的同時，不會對消費者健康造成風險。

(2) 請各舉兩例，說明物理性、化學性、生物性的柵欄因子 (hurdle factor)。

柵欄因子 (Hurdle Factor) 是由Leistner於1980年代提出的概念，指的是透過結合多種對微生物生長有抑制作用的因子（即「柵欄」），即使單一因子強度不高，也能共同創造一個不利於微生物繁殖的環境，進而延長食品保存期限。

• 物理性柵欄因子 (Physical Hurdles)：

  1. 低溫 (Low temperature)： 冷藏 (Refrigeration, 0-4°C) 或冷凍 (Freezing, $\le -18$°C) 能顯著減緩微生物的生長速率，甚至殺死部分微生物。例如，冷藏的截切蔬菜。
  2. 低水活性 (Low water activity, $a_w$)： 水活性是指食品中自由水的比例。高水活性 ( $a_w > 0.95$) 是大多數微生物生長的必要條件。透過乾燥、加糖或加鹽等方式降低水活性，可以抑制微生物生長。例如，乾燥的果乾、高鹽的醃漬品。

• 化學性柵欄因子 (Chemical Hurdles)：

  1. 高濃度糖 (High sugar concentration)： 糖分可以透過滲透壓效應降低水活性，抑制微生物生長。例如，糖漬水果、高糖果醬。
  2. 高濃度鹽 (High salt concentration)： 鹽分同樣能透過滲透壓效應降低水活性，並對某些微生物有直接毒性。例如，鹹菜、泡菜（雖然泡菜也涉及生物性柵欄）。

• 生物性柵欄因子 (Biological Hurdles)：

  1. pH值降低 (Low pH)： 大多數病原菌在酸性環境 (pH < 4.6) 下生長受限。透過添加酸（如檸檬酸、醋酸）或發酵產酸，可以降低pH值。例如，醃漬黃瓜、果醋飲料。
  2. 發酵產酸 (Production of organic acids by fermentation)： 益生菌（如乳酸菌）在發酵過程中產生的有機酸（乳酸、醋酸等）和抑菌物質，能有效抑制其他腐敗菌和病原菌的生長。例如，優格、泡菜、酸菜。

本題涉及冷凍加工的原理與技術，包含冷凍系統的運作、冷凍速率對產品品質的影響，以及提升冷凍食品品質的方法。

核心觀念： 冷凍機循環、相變化、冷凍速率、冰晶形成、冷凍食品品質。

解題說明：

(1) 請繪製冷凍機運作之主要構件流程，以及說明其中冷媒之物相變化，以達到產品冷凍之目的。（10%）

冷凍機（壓縮式冷凍系統）主要由四個關鍵構件組成：壓縮機 (Compressor)、冷凝器 (Condenser)、膨脹閥 (Expansion Valve) 或節流裝置，以及蒸發器 (Evaporator)。其運作流程及冷媒物相變化如下：

運作流程與冷媒物相變化：

1. 壓縮機 (Compressor)：

   • 功能： 提高冷媒的壓力與溫度。
   • 冷媒狀態： 在此階段，冷媒（如R-134a、氨等）是處於低壓、低溫的氣體狀態。壓縮機將其吸入，經過壓縮後，變成高壓、高溫的氣體。

2. 冷凝器 (Condenser)：

   • 功能： 散熱，使高壓高溫的氣態冷媒冷卻並凝結成液體。
   • 冷媒狀態： 高壓高溫的氣態冷媒進入冷凝器，透過與外界（通常是空氣或水）進行熱交換，將熱量散失。當冷媒的溫度降低到其飽和溫度以下時，會開始由氣體轉變為高壓高溫的液體（但溫度仍高於環境）。最終，大部分冷媒在此階段變為高壓液體。

3. 膨脹閥 (Expansion Valve) / 節流裝置：

   • 功能： 降低高壓液態冷媒的壓力與溫度。
   • 冷媒狀態： 高壓液態冷媒通過膨脹閥時，因節流效應，壓力急劇下降。壓力下降導致其溫度也隨之大幅降低，形成低壓低溫的液體（部分蒸發）。這是一個絕熱過程，焓值基本不變，但壓力、溫度和比容都發生顯著變化。

4. 蒸發器 (Evaporator)：

   • 功能： 吸收被冷凍物體的熱量，使冷媒蒸發，從而降低被冷凍物體的溫度。
   • 冷媒狀態： 低壓低溫的液態冷媒（或液氣混合物）進入蒸發器。在蒸發器內，它會吸收被冷凍產品（如水果、蔬菜）的熱量。吸收熱量後，冷媒的溫度升高，並開始由液體蒸發變為低壓低溫的氣體。這個吸收熱量的過程就是製冷的核心。最終，冷媒以低壓低溫的氣體狀態離開蒸發器，並被重新吸入壓縮機，開始下一個循環。

達成冷凍目的的關鍵：
蒸發器中冷媒吸收產品熱量的過程，就是將產品的熱量轉移出去，使其溫度下降。當產品溫度降至冰點以下並持續移除熱量時，產品中的水分就會結成冰晶，最終達到冷凍狀態。

繪圖說明（無法在此繪製，請自行想像或參照講義）：
繪製時應包含壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器四個主要組件，並用箭頭表示冷媒流動方向。在各組件旁標示冷媒的壓力、溫度及物相變化（氣體→高壓氣體→高壓液體→低壓液體→低壓氣體）。

(2) 冷凍速率的快慢與產品冰晶大小，以及產品品質有何關聯？（5%）

冷凍速率對冰晶形成和產品品質有顯著影響：

• 快速冷凍 (Fast freezing)：
  • 冰晶大小： 由於冷凍速度快，水分在細胞內外迅速形成大量微小的冰晶。這些小冰晶對細胞結構的破壞較小。
  • 產品品質： 能夠較好地保持產品的質地（如脆度）、色澤、風味和營養成分。

本題旨在測試考生對果汁加工過程中常見單元操作與設備的理解，包含果肉分離、澄清、濃縮及殺菌等關鍵步驟。

核心觀念： 果汁加工設備與技術。

解題說明：

(1) pulper finisher

• 解釋： "Pulper" 和 "Finisher" 是果汁加工中，特別是針對帶有果肉或籽的果實（如柑橘類、漿果類、番茄等）時，用於分離果汁與固形物（果肉、種子、果皮）的兩道串聯或單獨使用的設備。
  • Pulper (打漿機/果肉分離機)： 主要功能是將整個水果或果肉打碎、搗爛，並初步將較大的果肉塊與汁液分開。它通常使用篩網和旋轉的攪拌器或刷子，將果肉通過篩網擠壓出來，同時去除較大的種子和果皮。
  • Finisher (精煉機/果汁精製機)： 在Pulper之後使用，進一步將果肉從果汁中分離，並去除更小的籽、纖維或殘渣。Finisher通常使用孔徑更小的篩網，並以更高的壓力或更精細的攪拌方式，確保獲得更澄清或特定果肉含量（如有些果汁需要保留一定程度的果肉懸浮物）的果汁。
• 應用：
  • 柑橘類果汁 (Citrus juices)： 如柳橙汁、葡萄柚汁。Pulper-finisher系統能有效去除果皮、果囊和種子，得到所需果肉含量的果汁。
  • 漿果類果汁 (Berry juices)： 如草莓汁、覆盆子汁。
  • 番茄汁 (Tomato juice)： 用於獲得不同濃稠度和果肉含量的番茄汁。
  • 其他果實： 如桃子、芒果等，用於生產果泥或果汁。

(2) ultra-filtration and clarification

• 解釋：
  • Clarification (澄清)： 指的是去除果汁中的懸浮固體物（如細小果肉顆粒、蛋白質、果膠等），使果汁變得清澈透明的過程。傳統上常用離心、沉澱、過濾等方法。
  • Ultra-filtration (UF, 超濾)： 是一種膜分離技術，利用壓力驅動，使液體通過具有特定孔徑大小的半透膜。UF膜的孔徑範圍約在 0.01 至 0.1 微米 ($\mu$m)。
• 應用：
  • 果汁澄清： 超濾是現代果汁工業中高效的澄清技術。它可以精確地去除果汁中極小的懸浮顆粒、膠體物質（如果膠）和微生物，得到高度澄清的果汁。
  • 果膠去除： 在澄清過程中，超濾能有效去除果膠，這對於提高果汁的澄清度、穩定性及防止沉澱非常重要。
  • 風味與營養物質保留： 相比於傳統過濾，超濾在去除雜質的同時，能較好地保留果汁中的小分子風味物質和部分水溶性營養素，且操作溫度低，對品質影響小。
  • 預處理： 超濾後的果汁通常需要進行濃縮或殺菌等後續處理。

(3) evaporator and concentration

• 解釋：
  • Evaporator (蒸發器)： 是一種將液體（通常是水）從溶液中蒸發去除的設備。在果汁加工中，主要是指將果汁中的水分蒸發，以提高果汁的固形物含量。

這題主要在探討罐頭加工中的兩大關鍵面向：一是針對不同 pH 值產品的殺菌策略差異，二是比較無菌加工與傳統馬口鐵罐加工的技術區別。這兩者都與食品安全和產品品質息息相關。

(1) 低酸性果汁與酸化果汁的殺菌指標與殺菌值有何差異？

核心觀念： 食品的 pH 值是影響微生物生長及殺菌效率的重要因素。低酸性食品（pH > 4.6）容易滋生肉毒桿菌等厭氧孢子菌，因此需要較高的殺菌強度；而酸化食品（pH ≤ 4.6）的酸性環境能抑制大多數病原菌及孢子菌的生長，殺菌要求相對較低。

解題過程：

• 殺菌指標 (Sterilization Indicator)：

  • 低酸性果汁 (pH > 4.6)： 主要的殺菌指標是針對 厭氧性產毒孢子菌，尤其是 肉毒桿菌 (Clostridium botulinum)。這是因為肉毒桿菌的孢子在相對較低的溫度下（例如 100°C 以下）仍能存活，並且能在無氧環境下產生致命的肉毒桿菌毒素。因此，殺菌的目標是確保能殺滅這些孢子。
  • 酸化果汁 (pH ≤ 4.6)： 由於酸性環境已能有效抑制肉毒桿菌孢子及其他多數病原菌的生長，其殺菌指標主要針對 酵母菌 (yeast)、黴菌 (mold) 和 部分不耐酸的細菌 (acid-tolerant bacteria)。這些微生物相對容易被殺滅，且不具備產生致命毒素的能力。

• 殺菌值 (Sterilization Value)：

  • 低酸性果汁： 為了確保殺滅肉毒桿菌孢子，通常需要達到 12-D 條件 (12-D process)。這表示在目標溫度下，殺菌時間需足以將目標微生物（如肉毒桿菌孢子）的存活率降低到百億分之一（$10^{-12}$）。常見的殺菌條件可能是在 115-121°C 下進行數十分鐘。數學上，D 值 (Decimal Reduction Time) 是指在特定溫度下，將目標微生物的數量減少十分之一（$10^1$ 倍）所需的時間。$12-D$ 條件即是殺菌時間至少是 D 值的 12 倍。
    $\text{殺菌時間} \ge 12 \times D_{\text{目標微生物}, \text{目標溫度}}$
  • 酸化果汁： 由於目標微生物較為脆弱，殺菌要求較低。通常採用 巴氏殺菌 (Pasteurization) 即可，其目標是殺滅酵母菌、黴菌和一般腐敗菌，並延長產品的貨架期。殺菌溫度通常在 60-80°C 之間，時間從幾秒鐘到幾十分鐘不等，具體取決於 pH 值、目標微生物和產品的熱穩定性。例如，果汁常採用 72°C 加熱 15 秒 (72°C/15s) 或 85°C 加熱 5 分鐘等條件。此時的殺菌值計算也依據 D 值，但 D 值會顯著縮短。
    $\text{殺菌時間} \ge \text{目標殺菌值} \times D_{\text{目標微生物}, \text{目標溫度}}$
    （目標殺菌值通常較低，例如 5-7 D）

總結差異：
低酸性果汁因潛在的肉毒桿菌風險，需要 高溫高壓 的商業殺菌 (Commercial Sterilization)，以達到 12-D 的嚴格殺菌標準，殺菌指標為肉毒桿菌孢子。酸化果汁則因酸性環境的抑菌作用，殺菌要求較低，常採用 巴氏殺菌，殺菌值要求較低，指標為酵母菌、黴菌等。

【答案】
(1) 低酸性果汁 (pH > 4.6) 的殺菌指標為肉毒桿菌 (Clostridium botulinum) 等厭氧孢子菌，其殺菌值需達到 12-D 條件，以確保殺滅高溫耐受的孢子。