113 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》

本題主要在探討罐頭食品的殺菌原理與應用，特別是針對酸性與低酸性食品的差異，以及軟袋殺菌技術的優缺點。

核心觀念：

1. 酸性食品 (Acid foods)：pH 值小於 4.6 的食品。
2. 低酸性食品 (Low-acid foods)：pH 值大於 4.6 的食品。
3. 殺菌 (Sterilization)：利用高溫處理，殺滅食品中所有微生物（包括孢子）的過程。
4. 軟袋殺菌 (Retortable pouch sterilization)：將食品裝入耐高溫的塑膠袋中，再進行高溫高壓殺菌。

解題步驟：

1. 酸性罐頭食品與低酸性罐頭食品的定義與殺菌條件及安全要求：

• 酸性罐頭食品 (Acid foods)
  • 定義：pH 值小於 4.6，且水活性 (aw) 通常小於 0.85 的食品。酸性環境能抑制大多數腐敗菌和病原菌（特別是肉毒桿菌）的生長。
  • 代表性罐頭：水果罐頭（如鳳梨、桃子）、番茄製品（如番茄醬）、醃漬蔬菜（如酸黃瓜）。
  • 殺菌條件與安全要求：由於酸性環境的抑菌作用，通常不需要極高的殺菌溫度。一般採用較低的殺菌溫度和時間組合（如 100°C 以下，或短時間的沸水浴殺菌），即可達到商業無菌 (commercial sterility)。主要目標是殺滅酵母菌、黴菌和一些耐熱的細菌，並鈍化酵素。對肉毒桿菌沒有嚴格要求，因為其無法在低 pH 環境下生長。
• 低酸性罐頭食品 (Low-acid foods)
  • 定義：pH 值大於 4.6 的食品。這類食品容易受到多種微生物的污染，特別是產毒的肉毒桿菌（Clostridium botulinum）。
  • 代表性罐頭：肉類罐頭、魚類罐頭、蔬菜罐頭（如玉米、豆類）、湯品、牛奶製品。
  • 殺菌條件與安全要求：為了確保食品安全，必須徹底殺滅所有微生物，特別是肉毒桿菌的休眠孢子。因此，需要採用高溫高壓殺菌（例如，在 121°C 下進行足夠的時間，或等效的殺菌條件），以達到商業無菌。殺菌條件需要根據食品的 pH 值、水活性、容器大小、內容物的熱穿透特性等因素仔細計算，確保殺菌值 (F value) 足夠。嚴格的熱處理是確保食品安全的關鍵。

2. 將罐頭改成殺菌軟袋的方式的優、缺點：

本題主要在比較兩種常見的果汁濃縮技術：蒸發濃縮與冷凍濃縮，從原理、優缺點兩方面進行闡述。

核心觀念：

1. 濃縮 (Concentration)：去除食品中的水分，提高固形物含量，以延長保存期限、降低運輸成本、方便後續加工。
2. 蒸發濃縮 (Evaporation)：利用加熱方式將水分蒸發。
3. 冷凍濃縮 (Freeze concentration)：利用冷凍方式，使水分結成冰晶，再將冰晶與濃縮液分離。

解題步驟：

1. 方法原理：

• 蒸發濃縮 (Evaporation)
  • 原理：在高溫（通常低於水的沸點，或在減壓下操作以降低沸點）下，通過加熱使果汁中的水分汽化蒸發，從而提高固形物濃度。常用的設備有薄膜蒸發器（如降膜、升膜、刮膜式）。
  • 操作：果汁在加熱過程中，水分蒸發，濃縮液被排出。通常在減壓下操作（真空蒸發）以降低操作溫度，減少熱對營養成分和風味的破壞。
• 冷凍濃縮 (Freeze concentration)
  • 原理：利用水與溶質（果汁中的糖、酸、風味物質等）的冰點不同。當果汁冷卻至冰點以下時，水分會優先結成冰晶，而濃縮液中的溶質濃度則會升高。通過機械方法（如離心、過濾、沉降）將形成的冰晶（純水）與濃縮液分離。
  • 操作：果汁在低溫下緩慢冷卻，形成純水冰晶。然後，通過離心機將冰晶與濃縮液分離。分離出的冰晶可融化後作為純水使用。

2. 優、缺點比較：

特性	蒸發濃縮 (Evaporation)	冷凍濃縮 (Freeze Concentration)
原理	加熱使水分蒸發	低溫使水分結冰，分離冰晶
操作溫度	較高 (約 50-100°C，減壓下可降低)	較低 (低於冰點，通常在 -5°C 至 -15°C 範圍內)
對風味影響	較大：高溫可能導致揮發性風味物質損失、熱降解、焦糖化反應，顏色變深。	較小：低溫操作對風味物質影響最小，能較好地保留原始風味、顏色和營養成分。

本題主要探討兩種特殊的乾燥技術：真空冷凍乾燥與真空油炸乾燥，以及它們如何造成食品組織的多孔性，並分析多孔性對食品的影響。

核心觀念：

1. 真空冷凍乾燥 (Vacuum Freeze Drying)：將食品預先凍結，然後在真空狀態下，使冰昇華（從固態直接變成氣態）去除水分。
2. 真空油炸乾燥 (Vacuum Frying)：在減壓（真空）條件下，利用油作為傳熱介質對食品進行加熱乾燥。
3. 多孔性 (Porosity)：指食品內部存在的微小孔隙結構。

解題步驟：

1. 加工原理與組織多孔化原因：

• 真空冷凍乾燥 (Vacuum Freeze Drying)

  • 加工原理：
    1. 預凍 (Freezing)：將食品預先凍結，使組織中的水分形成冰晶。凍結的速度和溫度會影響冰晶的大小和分佈。
    2. 一次乾燥 (Primary Drying - Sublimation)：在低溫（通常低於 0°C）和高真空（壓力低於三相點壓力）下，冰晶直接昇華為水蒸氣，被真空系統抽出。此過程保留了食品原有的形狀和結構。
    3. 二次乾燥 (Secondary Drying - Desorption)：當大部分冰昇華後，殘留的結合水（吸附水）通過解吸作用被去除，以達到所需的最終水分含量。此階段溫度會適度升高。
  • 組織多孔化的原因：
    • 冰晶昇華的空間填充：在一次乾燥階段，冰晶直接昇華，在其原有的位置留下了大量微小的空腔。這些空腔的形態和大小與預凍時形成的冰晶結構密切相關。
    • 細胞壁支撐：細胞壁在乾燥過程中保持其結構，支撐著由冰晶昇華留下的空腔，形成一個相對穩定的多孔結構。
    • 低溫操作：低溫操作減少了細胞質的流動和結構塌陷的可能性。

• 真空油炸乾燥 (Vacuum Frying)

  • 加工原理：
    1. 減壓 (Vacuum)：在真空環境下進行油炸。減壓可以降低油的沸點，從而在較低的溫度（通常 80-120°C）下進行油炸。
    2. 油浴加熱 (Oil Bath Heating)：將食品浸入預熱的食用油中。油作為傳熱介質，快速將熱量傳遞給食品，促進水分蒸發和內部澱粉、蛋白質的糊化或變性。
    3. 水分蒸發：在減壓下，水分的蒸發速率加快，且由於油的包覆，能有效抑制褐變和風味物質的損失。
  • 組織多孔化的原因：
    • 油的滲透與置換：在油炸過程中，油會滲入食品組織，並部分取代原有的水分。
    • 水分快速蒸發與油的滲透：在減壓和高溫下，食品內部的水分快速蒸發形成蒸汽。這些蒸汽在油的包覆下，會從組織中逸出，同時油會填補水分蒸發後留下的空間。
    • 油的冷卻固化：油炸完成後，油的溫度下降，部分滲入組織的油會固化，形成支撐結構。

本題主要探討罐頭食品加工中的關鍵步驟——殺菌，以及評估殺菌效果的兩種重要試驗方法。

核心觀念：

1. 商業無菌 (Commercial Sterility)：指經過適當熱處理，使食品中引起腐敗和對人體健康有害的微生物（特別是病原菌及其孢子）的數量減少到在正常貯存條件下不會引起腐敗或危害的程度。
2. 殺菌值 (F value)：表示特定殺菌處理所能殺滅微生物的總量，通常以 121°C 下的分鐘數表示。
3. 熱分佈試驗 (Thermal Distribution Test)：評估殺菌釜內不同位置的溫度分佈均勻性。
4. 熱穿透試驗 (Thermal Penetration Test)：評估食品內部從外層到中心點的溫度隨時間的變化情況。

解題步驟：

(1) 影響殺菌條件之殺菌重要因子有哪些？

影響殺菌條件（特別是熱處理條件，如溫度和時間）的因子眾多，主要目標是確保達到足夠的殺菌值 (F value)，以殺滅目標微生物（如肉毒桿菌孢子 Clostridium botulinum）。關鍵因子包括：

• 目標微生物的特性 (Characteristics of Target Microorganisms)：
  • 耐熱性 (Heat Resistance)：不同微生物對熱的敏感度不同。例如，肉毒桿菌的孢子比酵母菌或黴菌的孢子耐熱性高得多。需要確定最耐熱的指標微生物（如 C. botulinum 孢子）的熱致死曲線 (D value 和 z value)。
  • 起始數量 (Initial Count)：食品中微生物的起始數量越高，所需的殺菌時間或溫度就越高。
• 食品的特性 (Characteristics of the Food Product)：
  • pH 值 (pH Value)：如前所述，酸性食品（pH < 4.6）的殺菌要求較低，因為酸性環境本身就有抑菌作用。低酸性食品（pH > 4.6）則需要嚴格的熱處理。
  • 水活性 (Water Activity, aw)：水活性較高的食品，微生物的生長和繁殖更活躍，熱處理效果可能受影響。
  • 成分組成 (Compositional Factors)：食品中的脂肪、蛋白質、糖、鹽等成分會影響熱傳導速率和微生物的熱敏感性。例如，脂肪可以保護微生物免受熱傷害（脂肪包覆效應），而糖和鹽有時也會影響。
  • 質地 (Texture)：食品的質地（如固體、液體、半固體）和顆粒大小會影響熱量在食品內部傳遞的速度。
• 容器的特性 (Characteristics of the Container)：
  • 容器尺寸與形狀 (Container Size and Shape)：這是最關鍵的幾何因子。容器越大、越深，熱量傳遞到中心所需的時間就越長。殺菌曲線的計算必須考慮到最大、最厚實的容器。
  • 容器材質 (Container Material)：金屬罐、玻璃瓶、軟袋的熱傳導性能不同。金屬罐和玻璃瓶是良好的熱導體，而軟袋的傳熱速度通常更快。
• 殺菌設備與條件 (Sterilization Equipment and Conditions)：
  • 殺菌溫度 (Sterilization Temperature)：這是決定殺菌效果最主要的參數。通常選定一個高於微生物熱死亡溫度的溫度，如 115°C、121°C 或更高。
  • 殺菌時間 (Sterilization Time)：在特定溫度下，維持足夠長的時間以達到目標殺菌值。

本題考查冷凍學的基礎知識，要求繪製冷凍循環圖並解釋其原理。

核心觀念：

1. 冷凍循環 (Refrigeration Cycle)：利用冷媒（製冷劑）在不同壓力下發生相變（蒸發與冷凝）來轉移熱量的過程。
2. 相變 (Phase Change)：物質從一種狀態（固、液、氣）轉變為另一種狀態的過程。
3. 蒸發 (Evaporation)：液體轉變為氣體的過程，吸收熱量。
4. 冷凝 (Condensation)：氣體轉變為液體的過程，放出熱量。
5. 冷凍機 (Refrigerator/Chiller)：利用冷凍循環將熱量從低溫處轉移到高溫處的設備。

解題步驟：

1. 冷凍循環圖 (Refrigeration Cycle Diagram)

繪製一個標準的蒸氣壓縮式冷凍循環圖，通常是在 P-h 圖（壓力-焓圖）或 T-s 圖（溫度-熵圖）上表示。這裡用文字描述並繪製簡化示意圖。

簡化示意圖：

      (4) --- 壓縮機 (Compressor) --- (1)
       ↑                              ↓
      (3) --- 冷凝器 (Condenser) ----- (2)
       ↑                              ↓
      (2) --- 膨脹閥 (Expansion Valve) --- (3)  <-- 這裡應為 (2) -> (3)
       ↑                              ↓
      (1) --- 蒸發器 (Evaporator) ------ (4)

正確的順序與標示 (以 P-h 圖為基礎)：

1. 蒸發器 (Evaporator)：低壓、低溫的液體/氣體混合冷媒吸收低溫物體（如冷凍庫內空氣）的熱量，蒸發成為低壓、低溫的氣體冷媒。
2. 壓縮機 (Compressor)：將低壓、低溫的氣體冷媒壓縮成高壓、高溫的氣體冷媒。
3. 冷凝器 (Condenser)：高壓、高溫的氣體冷媒在高壓下向周圍環境（如室外空氣）散熱，冷凝成高壓、中溫的液體冷媒。
4. 膨脹閥 (Expansion Valve / Throttling Device)：高壓、中溫的液體冷媒通過膨脹閥節流降壓，成為低壓、低溫的液體/氣體混合物，準備進入蒸發器。

P-h 圖示意（文字描述）：

• 點 1：進入壓縮機，低壓、低溫氣體冷媒。
• 過程 1→2：壓縮機做功，冷媒壓力、溫度升高，成為高壓、高溫氣體。
• 點 2：進入冷凝器，高壓、高溫氣體冷媒。
• 過程 2→3：冷凝器散熱，冷媒溫度下降，冷凝成高壓、中溫的液體。
• 點 3：進入膨脹閥，高壓、中溫的液體冷媒。

本題主要考查台灣常見三種水果（番荔枝、鳳梨、柿）的農藝與加工特性，包括產期、品種、以及主要的加工產品。

核心觀念：

1. 產期 (Production Season)：水果的收穫季節。
2. 鮮食品種 (Fresh Market Varieties)：主要供生食，追求口感、風味、外觀佳的品種。
3. 加工品種 (Processing Varieties)：適合加工製成產品，可能較耐儲運、顏色穩定、酸甜度適中或果肉易處理的品種。
4. 加工產品形態 (Processed Product Forms)：水果經過加工後呈現的最終產品形式。

解題步驟：

由於本題需要具體的農產品資訊，以下提供我國常見的產期、品種及加工型態。請注意，農產品資訊可能因品種、栽培技術、氣候變動及市場需求而有細微差異，以下為一般性資訊。

(1) 番荔枝 (Annona squamosa L.) - 俗稱：釋迦

• 主要產期：
  • 台灣主要產期為 7 月至隔年 2 月。
  • 其中，外銷主力及品質最佳的產期約在 10 月至 12 月（秋冬季）。
  • 台東地區因氣候特殊，有「二次結果」，故產期可拉長。
• 鮮食品種：
  • 大目釋迦：果實大，果鱗明顯，果肉較少，產量高，為目前市場主流品種。
  • 鳳山一號 (早生種，已較少見)：果實較小，產期較早。
  • 台東二號 (金黃釋迦)：果實較小，果肉金黃，風味濃郁，較耐儲運。
• 加工品種：
  • 通常以「大目釋迦」為主要加工原料，因其產量大，且果肉含量雖相對較少，但風味仍佳。
  • 部分選育的早生或晚生品種，若產期特殊或有特殊風味，也可能用於加工。
• 主要加工產品形態：
  • 冷凍釋迦果肉：將新鮮釋迦去皮去籽後，將果肉急速冷凍，是目前最主要的加工產品，方便後續製作冰淇淋、奶昔、果汁等。
  • 釋迦果汁/果漿 (Pulp)：直接打成果汁或果漿，可能需添加糖或檸檬酸調整風味。
  • 釋迦冰淇淋/雪糕：以冷凍釋迦果肉為基底製作。
  • 釋迦果乾：較少見，因釋迦果肉質地較軟，乾燥後質地改變較大。

(2) 鳳梨 (Ananas comosus L.)

• 主要產期：
  • 台灣鳳梨的產期全年皆有，但主要盛產期為 3 月至 6 月（春季）。
  • 不同品種的產期略有差異，例如：台農 3 號（蘋果鳳梨）約 3-5 月，台農 17 號（金鑽鳳梨）約 4-6 月，台農 11 號（香水鳳梨）約 5-7 月。
• 鮮食品種：
  • 台農 17 號（金鑽鳳梨）：果肉黃色，肉質細緻，酸甜適中，香氣濃郁，纖維少，為目前市場最受歡迎的品種。
  • 台農 11 號（香水鳳梨）：果肉淡黃色，具獨特香氣，果肉較軟，酸度較低。
  • 台農 3 號（蘋果鳳梨）：果肉淡黃色，肉質較硬，酸甜度高，帶有蘋果酸味。
  • 台農 16 號（台農芒果鳳梨）：果肉橙黃色，有芒果香氣。
• 加工品種：
  • 台農 4 號（蘋果鳳梨，早生種）：早熟，果肉較硬，酸度高，適合加工。
  • 台農 17 號（金鑽鳳梨）：雖然是鮮食主力，但因產量大、品質穩定，也常作為加工原料。