115 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》

本題主要在探討不同的乾燥技術，特別是微波真空乾燥的原理及其相較於傳統乾燥方法的優勢。

核心觀念：
乾燥是利用物理方法移除材料中的水分，以延長保存期限、降低運輸成本及方便後續加工。不同的乾燥方式影響水分移除的機制、能量傳遞方式及最終產品的品質。

解題步驟：

1. 微波真空乾燥基本原理：

   • 微波加熱： 微波是一種電磁波，頻率約在 300 MHz 到 300 GHz 之間。當微波通過含水物質時，會引起物質內部極性分子（如水分子）產生高速振動與摩擦，進而產生熱能，使物質內部均勻受熱。
   • 真空環境： 真空環境（低於常壓）的主要作用是降低水的沸點。在真空狀態下，水分可以在較低的溫度下蒸發，這有助於保護對熱敏感的物質，並加速乾燥過程。
   • 結合機制： 微波真空乾燥結合了微波的內部加熱能力與真空環境的低溫蒸發特性。微波能快速且均勻地加熱物料內部，產生內部蒸氣壓，將水分從內部推至表面。真空環境則降低了表面水分的蒸發溫度，並能有效移除蒸發出來的水蒸氣，維持低濕度環境，進一步促進水分的擴散與移除。

2. 與傳統熱風乾燥的比較：

   • 加熱機制：
     • 熱風乾燥： 主要依靠對流傳熱，熱空氣將熱量傳遞給物料表面，再由表面傳導至內部。加熱方式為由外而內。
     • 微波真空乾燥： 微波直接作用於物料內部，產生體積加熱，加熱更均勻且快速。
   • 乾燥效率：
     • 熱風乾燥： 乾燥速率受限於熱傳導與水分擴散速率，且常需較高溫度以加快速率，可能導致表面硬化（case hardening）或品質下降。
     • 微波真空乾燥： 微波加熱快速均勻，真空環境降低沸點，移除水蒸氣效率高，因此乾燥速率顯著提高，整體乾燥時間縮短。

3. 與冷凍真空乾燥的比較：

   • 加熱機制：
     • 冷凍真空乾燥 (Freeze Drying / Lyophilization)： 物料先被冷凍，使水分結成冰晶。然後在真空環境下，使冰晶直接昇華（從固態變為氣態）而非融化。熱量主要以輻射或少量傳導方式傳遞到物料表面，再傳導至冰晶處進行昇華。
     • 微波真空乾燥： 物料中的液態水直接在低溫下蒸發，或在微波加熱下快速蒸發。
   • 乾燥效率：
     • 冷凍真空乾燥： 昇華速率相對較慢，且需要較長的乾燥時間，但能最大程度地保留物料的結構、顏色、風味及營養成分，是最高品質的乾燥方法。
     • 微波真空乾燥： 乾燥速率通常比冷凍真空乾燥快，但可能比冷凍真空乾燥的產品品質略差，因其涉及液態水的蒸發，溫度可能較高。然而，相較於熱風乾燥，其溫度通常較低，對品質的影響較小。

本題在於比較不同蔬果的熱處理（水煮、蒸煮）及脫水（乾燥）方式對營養素的影響，並解釋其背後的原理。

核心觀念：
蔬果中的營養素，特別是維生素與礦物質，對熱、水、氧氣及pH值等環境因素敏感。不同的處理方式會以不同程度影響這些營養素的結構與存在形式。

解題步驟：

1. 水煮 (Boiling)：

   • 原理： 將蔬果浸入沸騰的水中加熱。熱量透過水的傳導與對流傳遞給蔬果。
   • 營養素影響：
     • 水溶性維生素流失： 維生素C、B群（如B1、B2、葉酸）是水溶性維生素，容易在水中溶解並隨之流失。浸泡時間越長，水溫越高，損失越多。
     • 礦物質流失： 部分礦物質（如鉀、鈉）也會溶於水中而流失。
     • 熱損： 高溫會破壞對熱不穩定的營養素，如維生素C、維生素B1。
     • 優點： 快速加熱，能殺滅部分微生物，降低酵素活性，且在某些情況下（如去除蔬菜的苦味或草酸）有助益。
   • 總體影響： 水溶性及熱敏感性營養素流失較多。

2. 蒸煮 (Steaming)：

   • 原理： 利用水蒸氣的熱量來加熱蔬果。蒸氣溫度約為 100°C。
   • 營養素影響：
     • 水溶性營養素損失較少： 蔬果與水直接接觸時間短，因此水溶性維生素（如維生素C、B群）及礦物質的溶出損失較水煮少。
     • 熱損： 與水煮相同，高溫仍會造成熱敏感性營養素的損失，但因為接觸時間通常比水煮短，且蒸氣溫度相對穩定，對某些營養素的影響可能較小。
     • 酵素抑制： 高溫能有效抑制氧化酵素及其他破壞營養素的酵素活性。
   • 總體影響： 相較於水煮，蒸煮能更好地保留水溶性營養素，但對熱敏感營養素仍有損失。

3. 乾燥 (Drying)：

   • 原理： 透過移除蔬果中的水分，降低水分活度，抑制微生物生長與酵素活性，達到長期保存的目的。乾燥方式有日曬、熱風乾燥、冷凍乾燥、微波乾燥等。
   • 營養素影響：
     • 水溶性維生素： 在熱風乾燥等高溫乾燥過程中，水溶性維生素（如維生素C、B群）會因高溫和長時間暴露於空氣中而有一定程度的損失。若採用冷凍乾燥，則水溶性營養素損失極少。
     • 脂溶性維生素 (A, D, E, K)： 相對穩定，但長時間高溫或氧化也可能造成損失。

本題旨在比較兩種不同的低酸性蔬果飲料加工方法：傳統製罐（熱力殺菌）與無菌加工（滅菌後無菌填充），並分析其在目的、包裝材料、製程及殺菌要件上的差異。

核心觀念：
低酸性食品（pH > 4.5）容易滋生產氣莢膜梭菌（Clostridium botulinum）及其產生的肉毒桿菌毒素，因此需要嚴格的殺菌處理。傳統製罐透過罐內殺菌，無菌加工則是在包裝前進行殺菌，再於無菌環境下填充。

解題步驟：

1. 傳統製罐加工 (Retorting / In-container Sterilization)：

   • 目的： 在密封的包裝（如金屬罐）內，對食品進行高溫、高壓的殺菌處理，以消滅所有可能引起腐敗及產生毒素的微生物，並達到商業無菌 (commercial sterility)。
   • 包裝材料： 主要使用金屬罐（如馬口鐵罐、鋁罐），要求能承受高溫高壓殺菌，且具備良好的氣密性和阻隔性。內壁常有塗層，防止金屬與食品反應。
   • 製程：
     1. 內容物製備與填充。
     2. 密封包裝（封罐）。
     3. 將密封的包裝放入殺菌釜 (retort) 中，進行高溫（如 115-121°C）加壓殺菌。
     4. 冷卻。
   • 殺菌要件：
     • 方法： 高溫短時間 (HTST) 或高溫長時間 (LTLT)，通常使用水浴式、蒸汽式或夾層式殺菌釜。
     • 參數： 嚴格控制殺菌溫度、時間、壓力，以達到預定的滅菌強度（如達到特定時間的 C. botulinum spore 死亡率）。低酸性食品的殺菌參數通常比酸性食品嚴苛得多。
     • 關鍵： 殺菌必須在食品密封後進行，確保過程中不會有微生物污染。

2. 無菌加工 (Aseptic Processing)：

   • 目的： 分別對食品和包裝材料進行滅菌，然後在極度潔淨（無菌）的環境下，將滅菌後的食品與包裝材料結合，形成最終的無菌產品。目標是較溫和地處理食品，保留更多品質。
   • 包裝材料： 種類多樣，包括多層複合紙盒（如 Tetra Pak）、軟性塑膠袋、塑膠瓶等。這些材料通常在滅菌前需要經過特殊處理（如過氧化氫浸泡、高溫蒸汽、輻射等）以達到無菌狀態。
   • 製程：
     1. 食品的滅菌：通常採用超高溫短時間 (UHT) 殺菌，如板式或管式熱交換器，將食品在極短時間內加熱至極高溫（如 135-150°C），然後快速冷卻。
     2. 包裝材料的滅菌：在填充前，包裝材料經過滅菌處理。
     3. 無菌環境下的填充與密封：將滅菌後的食品在無菌室內填充到滅菌後的包裝中，並立即密封。
   • 殺菌要件：
     • 方法： 食品滅菌多為 UHT 處理。包裝材料滅菌方法多樣，取決於材料種類。
     • 參數： 食品滅菌的溫度和時間非常精確，以在最短時間內殺滅微生物，同時最大限度地保留食品品質。

本題要求以「澄清蘋果汁」為例，說明其加工製程及各單元操作所需的機械設備。這涉及到水果前處理、榨汁、澄清、過濾、濃縮（可選）、殺菌及包裝等一系列單元操作。

核心觀念：
澄清蘋果汁的關鍵在於去除果汁中的懸浮固體（果肉纖維、果膠、蛋白質等），使其呈現清澈透明的狀態。這通常需要酵素處理、離心分離、過濾等步驟。

解題步驟：

1. 原料驗收與前處理 (Receiving and Pre-treatment)：

   • 製程： 蘋果經過檢選、清洗、去核（如果需要）、切片或破碎。
   • 機械設備：
     • 檢選台 (Inspection table)
     • 洗果機 (Fruit washer)
     • 去核機 (De-coring machine)
     • 破碎機 (Crusher) 或切片機 (Slicer)

2. 破碎與預熱 (Crushing and Pre-heating)：

   • 製程： 將蘋果破碎成較小的顆粒，增加表面積，有利於後續榨汁。進行預熱（約 50-60°C）以鈍化酵素（特別是果膠酶），減少風味物質氧化，並有助於後續果膠酶的作用。
   • 機械設備：
     • 破碎機 (Crusher)
     • 預熱器 (Pre-heater)，如殼管式熱交換器 (Shell and tube heat exchanger)

3. 酵素處理 (Enzymatic Treatment)：

   • 製程： 加入果膠酶 (pectinase) 和纖維素酶 (cellulase) 等。果膠酶能分解果膠，降低果汁的黏度，有利於榨汁和澄清。纖維素酶有助於釋放更多果汁。此步驟通常在約 40-50°C 下進行數小時。
   • 機械設備：
     • 混合槽 (Mixing tank) 或反應槽 (Reaction vessel)，配備攪拌器 (Agitator)。

4. 榨汁 (Juice Extraction)：

   • 製程： 將處理過的果渣進行壓榨，分離出果汁。
   • 機械設備：
     • 壓榨機 (Press)，常見的有：
       • 帶式壓榨機 (Belt press)
       • 螺旋壓榨機 (Screw press)
       • 液壓壓榨機 (Hydraulic press)
       • 離心榨汁機 (Centrifugal juicer) - 有時也包含在內。

5. 澄清 (Clarification)：

   • 製程： 這是獲得澄清果汁的關鍵步驟。
     • 離心分離 (Centrifugation)： 利用高速離心機分離果汁中的懸浮固體，如細小的果肉顆粒、果膠凝膠等。
     • 過濾 (Filtration)：