114 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》

本題主要考查學生對蔬果乾燥加工過程中，水活性、乾燥速率、溫度與產品品質之間關係的理解。

(1) 食品水活性 (water activity, $a_w$) 是指食品中自由水的含量，也就是水參與化學反應和微生物生長的能力。水活性越低，微生物的生長受到抑制，化學反應速率減緩，因此能有效延長食品的保藏期限。乾燥蔬果的目的就是降低其水活性，使其不易腐敗。一般而言，微生物生長所需的最低水活性約為 0.6，而大多數腐敗菌和黴菌在 $a_w$ 低於 0.85 時即無法生長。因此，透過乾燥將蔬果的水活性降低至 0.6 以下，可以大幅度提高其穩定性，使其在常溫下也能長期貯存。

(2) 乾燥溫度對乾燥速率和產品品質都有顯著影響。
乾燥速率：在一定範圍內，提高乾燥溫度可以增加水蒸氣分壓差，加速水分從蔬果內部向表面擴散，並促進表面水分蒸發，從而提高乾燥速率。然而，溫度過高可能會導致表面過快乾燥形成硬殼，阻礙內部水分的蒸發，反而降低整體乾燥效率。
產品品質：

本題主要考查學生對食品熱加工中殺菌相關參數的理解，以及低酸性罐頭殺菌條件的確定方法。

D 值 (Decimal Reduction Time, DRT)：
D 值是指在特定溫度下，殺滅某種微生物（通常是致病菌或指標菌，如產氣莢膜梭菌 Clostridium perfringens 或肉毒桿菌 Clostridium botulinum）數量達到原有的 1/10（即減少一個對數單位）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；D 值越大，表示該微生物越耐熱。D 值是衡量微生物熱穩定性的重要指標。數學表達式為：
$D_{T} = \frac{t_1 - t_2}{\log N_1 - \log N_2}$
其中 $N_1$ 和 $N_2$ 分別為在溫度 $T$ 下，經過時間 $t_1$ 和 $t_2$ 後剩餘的微生物數量。

Z 值 (Z-value)：
Z 值是指當殺菌溫度改變 10°C 時，D 值改變 1 個對數單位（即 90% 的殺滅效果）的溫度變化量。Z 值越大，表示該微生物對溫度的敏感性越小，即在不同溫度下 D 值的變化幅度較小；Z 值越小，表示該微生物對溫度的敏感性越大，D 值隨溫度變化較劇烈。Z 值用於描述微生物熱耐受曲線的斜率。
$Z = \frac{T_2 - T_1}{\log D_1 - \log D_2}$
其中 $D_1$ 和 $D_2$ 分別是在溫度 $T_1$ 和 $T_2$ 下的 D 值。

F 值 (Sterilization Value, F)：
F 值是指在特定殺菌溫度下，殺滅某種特定微生物（通常是目標致病菌，如肉毒桿菌）在某特定時間內所能達到的總殺滅效果。它表示將某批產品在某指定殺菌溫度下進行殺菌，其達到的殺滅效果相當於在另一參考溫度下進行殺菌的時間。F 值常用來評估熱處理的總殺滅能力，例如 $F_0$ 值是指在 121.1°C (250°F) 下的殺菌時間。
$F_{T_{ref}} = D_{T_{ref}} \times (\log N_0 - \log N_f)$
其中 $N_0$ 是初始微生物數量，$N_f$ 是最終微生物數量。更常用的是，F 值可以通過積分計算，考慮到殺菌過程中溫度的變化：
$F = \int_{0}^{t} 10^{\frac{T(t) - T_{ref}}{Z}} dt$
其中 $T(t)$ 是殺菌過程中的瞬時溫度， $T_{ref}$ 是參考殺菌溫度，Z 是微生物的 Z 值。

如何決定低酸性罐頭的殺菌條件？
低酸性食品（pH > 4.6）的殺菌條件決定需要特別謹慎，因為這類食品容易滋生產毒的肉毒桿菌 (Clostridium botulinum)。其殺菌目標是徹底破壞肉毒桿菌的孢子，以確保食品安全。
決定殺菌條件的步驟通常包括：

1. 確定目標微生物： 主要目標是殺滅肉毒桿菌 (Clostridium botulinum) 的孢子，因為它們是低酸性食品中最耐熱且具有致病性的微生物。有時也會考慮其他指標性微生物。

本題旨在考察學生對不同農產品乾燥技術的原理、優缺點及其應用方面的掌握程度。

1. 膨化乾燥技術 (Puff Drying)

• 原理： 膨化乾燥是一種利用壓力變化或內部水分汽化產生壓力，使物料內部組織結構膨脹、體積增大，從而降低水分擴散阻力，加速乾燥過程的技術。常見的膨化方法有：
  • 機械膨化： 利用擠壓機（如螺桿擠壓機）在高溫高壓下處理物料，當物料通過模孔排出時，壓力驟降，內部水分瞬間汽化膨脹，形成多孔結構。
  • 熱風膨化： 將物料預熱後，突然暴露於常壓或較低壓力環境，內部水分快速汽化膨脹。
  • 油浴膨化： 在高溫油浴中處理物料，水分快速汽化並排出，形成膨化結構。
• 優點：
  • 乾燥速度快，能顯著縮短乾燥時間。
  • 形成疏鬆多孔結構，有利於水分蒸發。
  • 成品質地疏鬆，復水性好。
  • 可改善部分產品的風味和口感。
• 缺點：
  • 高溫和高壓條件可能導致部分營養成分（如維生素）的損失。
  • 可能引起產品的結構破壞，影響某些產品的形態。
  • 設備投資相對較高，操作複雜。
  • 不適用於所有類型的農產品，特別是質地脆弱的。
• 產業應用： 常用於澱粉類或含澱粉量較高的農產品，如：
  • 膨化米、膨化麵包、膨化餅乾的生產。
  • 部分水果、蔬菜製成的膨化休閒食品。
  • 即食麥片、嬰兒食品等。

2. 真空冷凍乾燥技術 (Vacuum Freeze Drying)

• 原理： 真空冷凍乾燥（又稱凍乾）是將含水物料預先凍結，然後在真空狀態下，使物料中的固態水（冰）直接昇華為水蒸氣並被移除的乾燥過程。
  1. 預凍： 將物料快速凍結，形成細小的冰晶，有利於保持組織結構。
  2. 升華（一次乾燥）： 在真空室內，對凍結的物料施加熱量，使冰直接昇華為水蒸氣，並通過真空系統將水蒸氣抽走。此階段乾燥速度較快，約 90% 以上的水分在此階段移除。
  3. 解吸（二次乾燥）： 升華完成後，物料中仍殘留少量結合水，需要通過略微提高溫度和維持真空，使結合水脫附蒸發，以達到極低的最終水分含量。
• 優點：
  • 乾燥溫度極低，能最大程度地保持物料的熱敏感性成分（如維生素、風味物質、活性成分）和結構。
  • 成品疏鬆多孔，復水性極佳，幾乎能恢復原狀。
  • 產品穩定性高，易於長期貯存，不易變質。
  • 乾燥後的產品質量極高，適用於高品質、高附加值的產品。
• 缺點：
  • 乾燥週期長，能耗高，設備投資非常昂貴。
  • 操作過程複雜，需要嚴格的真空和溫度控制。
  • 乾燥效率相對較低。
• 產業應用：
  • 高檔水果、蔬菜、花卉的乾燥，如草莓、藍莓、咖啡豆、蔬菜片等。
  • 速溶咖啡、茶葉、中藥材、生物製品（如疫苗、蛋白質、酶）的生產。
  • 太空食品、軍用食品、醫療急救食品。

3. 真空微波乾燥技術 (Vacuum Microwave Drying)

本題主要考察學生對蔬果冷凍加工的理解，包括其目的、商業化方法、優缺點以及冷凍過程中的品質變化與控制。

蔬果冷凍加工的目的

蔬果冷凍加工的主要目的是通過將溫度降低到冰點以下，顯著減緩或抑制微生物的生長和繁殖，並延緩或終止由酶和化學反應引起的品質劣變，從而延長產品的保藏期，同時盡可能地保持其原有的營養成分、色澤、風味和質地。

現行商業化的主要方法及其優缺點

目前商業化的冷凍方法主要有以下幾類：

1. 接觸式冷凍 (Contact Freezing)

   • 原理： 將食品直接與低溫的冷凍設備表面接觸，通過熱傳導進行冷凍。例如，平板冷凍機 (plate freezer)。
   • 優點： 設備結構相對簡單，能耗相對較低，適合冷凍塊狀或板狀食品。
   • **缺點：**冷凍速度相對較慢，易產生表面冰晶，可能造成細胞損傷；食品與設備表面直接接觸，存在衛生問題，需要嚴格清潔。
   • 應用： 較少直接用於單獨的蔬果，更多用於預處理的蔬果塊或作為其他冷凍設備的輔助。

2. 對流式冷凍 (Convection Freezing)

   • 原理： 利用低溫的空氣或其他介質（如液氮、二氧化碳）作為傳熱介質，通過對流帶走食品的熱量。
     • 氣流冷凍 (Air Blast Freezing, Air Freezing)： 是最常見的對流冷凍方式，將食品置於低溫高速的氣流中冷凍。
     • 浸漬冷凍 (Immersion Freezing)： 將食品浸入低溫的液體（如鹽水、糖水、乙二醇溶液、液氮、液態二氧化碳）中進行冷凍。
   • 優點：
     • 氣流冷凍： 設備通用性強，可冷凍各種形狀和大小的食品，操作相對靈活，衛生條件較好。
     • 浸漬冷凍： 冷凍速度非常快，特別是使用液氮或二氧化碳，能形成細小的冰晶，最大程度地保持產品品質。
   • 缺點：
     • 氣流冷凍： 冷凍速度相對較慢（相較於浸漬冷凍），易造成表面水分蒸發（凍燒），影響產品外觀和重量損失；若氣流速度不足，冷凍效率不高。
     • 浸漬冷凍： 食品可能吸收冷凍液體中的成分（如鹽分、糖分），改變產品的風味和成分；設備成本高，特別是低溫製冷劑（如液氮）。
   • 應用：
     • 氣流冷凍： 廣泛應用於各種預處理過的蔬果，如 IQF (Individually Quick Frozen) 產品的生產（如冷凍豌豆、玉米粒、草莓等）。
     • 浸漬冷凍： 液氮或二氧化碳冷凍常用於高品質的草莓、覆盆子等水果，以及需要快速冷凍以保持細小冰晶的產品。

3. 蒸發式冷凍 (Evaporative Freezing)

   • 原理： 利用水在蒸發過程中吸收大量熱量的原理進行冷凍。例如，濕式冷凍 (contact freezing with moisture)。
   • 優點： 冷凍速度較快，能形成較小的冰晶。
   • 缺點： 產品表面水分含量會增加，可能影響後續加工或貯存。
   • 應用： 較少單獨用於蔬果，有時與其他方法結合使用。

4. 壓力冷凍 (Pressure Freezing)

   • 原理： 利用加壓使水的冰點降低，從而達到冷凍目的。
   • 優點： 較少見，理論上可減少冰晶損傷。
   • 缺點： 技術尚未成熟，設備複雜，成本高。
   • 應用： 商業應用非常有限。

主要品質變化及控制方法

冷凍過程中，蔬果會發生一系列品質變化，主要包括：