113 年 國立嘉義大學食品科學系碩士班食品科技組《食品加工》

本題主要探討高油脂水果（如酪梨）冷凍解凍後質地軟化的問題，以及如何改善此現象。核心觀念在於理解冷凍過程對細胞結構的影響，特別是油脂含量高的水果。

解題思路：

1. 理解質地軟化的原因：

   • 水果的質地主要由細胞壁、果膠質、澱粉、水分和細胞內的填充物（包括油脂）所構成。
   • 冷凍過程中，細胞內的水分結成冰晶，冰晶會刺破細胞膜和細胞壁，造成細胞結構的破壞。
   • 解凍後，細胞內的液體（包括細胞液和溶解的成分）會滲漏出來，導致細胞塌陷，果肉結構鬆散，進而產生質地軟化的現象。
   • 對於高油脂的水果，油脂本身相對穩定，但細胞結構的破壞會影響其分散狀態，並可能與滲漏出的水分和細胞內容物產生交互作用，加劇質地變化。

2. 提出改善方法：

   • 減緩冰晶生成與大小：
     • 快速冷凍 (Quick Freezing)：使用低溫且高風速的冷凍設備（如接觸式冷凍、強制對流冷凍），使水果在短時間內通過最大冰晶生成區（約 $-1$ 到 $-5^\circ\text{C}$），形成大量微小冰晶，而非緩慢冷凍形成的大冰晶。小冰晶對細胞結構的破壞較小。
     • 預處理 (Pre-treatment)：
       • 鈍化酵素 (Enzyme inactivation)：酪梨富含酵素（如多酚氧化酶 PPO），冷凍前進行鈍化處理（如熱燙 Blenching）可以降低酵素活性，減少解凍後因酵素作用對質地和風味造成的進一步破壞。
       • 添加穩定劑 (Addition of stabilizers)：
         • 醣類 (Sugars)：如蔗糖、葡萄糖漿。醣類可以降低水的冰點，增加溶液濃度，減少自由水的比例，進而抑制冰晶的形成和生長。
         • 多元醇 (Polyols)：如山梨糖醇 (sorbitol)、甘油 (glycerol)。與醣類類似，能降低冰點並作為冰晶結構的改質劑。

本題要求解釋臭氧 (Ozone, O$_3$) 在食品工業中作為廢水處理劑和微生物殺滅劑的原理。核心觀念是臭氧的強氧化性及其與有機物和微生物的反應機制。

解題思路：

1. 臭氧的特性：

   • 臭氧是一種強氧化劑，其氧化電位僅次於氟，遠高於氯。
   • 臭氧在大氣中不穩定，容易分解為氧氣 (O$_2$)，因此通常在現場製備和使用。
   • 其消毒殺菌能力強，作用迅速，且分解後不殘留有害物質。

2. 臭氧作為食品工業廢水處理的原理：

   • 氧化有機物：食品工業廢水中常含有各種有機污染物，如蛋白質、碳水化合物、脂肪、色素、酚類、硫化物等。臭氧能直接氧化這些有機物，將其分解為較小、較易處理的分子，甚至完全氧化成二氧化碳和水。
     • 直接氧化：O$_3$ 分子直接與污染物反應，破壞其化學鍵。
     • 間接氧化：O$_3$ 在水中會產生羥基自由基 (•OH)，這是比 O$_3$ 更強的氧化劑，能更有效地氧化難以降解的有機物。反應式如：
       $\text{O}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{•OH} + \text{O}_2$
   • 去除色度與異味：許多造成色度和異味的物質（如酚類、硫化物、胺類）能被臭氧氧化，從而改善廢水的感官品質。
   • 破壞酚類化合物：酚類化合物是常見的工業污染物，臭氧能有效氧化酚環，使其分解。
   • 氧化硫化物和氮化物：去除惡臭氣體。
   • 提高生物可降解性：雖然臭氧的強氧化性會破壞部分微生物，但對於難以降解的大分子有機物，臭氧的氧化作用能將其分解成小分子，提高這些物質的生物可降解性，有利於後續的生物處理。

3. 臭氧作為微生物處理（殺滅）的原理：

   • 細胞壁和細胞膜的破壞：臭氧的強氧化性會攻擊微生物的細胞壁和細胞膜中的脂質和蛋白質，使其結構完整性受損，通透性增加，導致細胞內容物滲漏，最終導致微生物死亡。

本題主要探討超音波 (Ultrasound) 在食品加工中的原理與應用。核心觀念是超音波的物理效應及其在食品處理中的作用。

解題思路：

1. 超音波加工的原理：

   • 定義：超音波是指頻率高於人類聽覺上限（約 20 kHz）的聲波。在食品加工中，常用頻率範圍為 20 kHz 至 1 MHz。
   • 物理效應：當超音波在介質（如液體、固體）中傳播時，會產生一系列物理效應，這些效應可被應用於食品加工：
     • 機械效應 (Mechanical Effects)：
       • 空蝕現象 (Cavitation)：這是超音波在液體中最顯著的效應。當超音波在液體中傳播時，聲壓的週期性變化會導致局部壓力急劇下降。當壓力低於液體的飽和蒸氣壓時，液體中會形成微小的氣泡（空穴）。這些氣泡會迅速膨脹，並在聲壓升高時發生極劇烈的潰縮（Collapse）。空穴潰縮時會產生局部極高的溫度（約 5000 K）、壓力（約 1000 atm）和強烈的微射流 (microjets)，以及衝擊波。這些現象能引起機械剪切力、衝擊力，以及局部的高溫高壓，對食品產生物理和化學影響。
       • 聲空蝕 (Acoustic Streaming)：聲波的動量傳遞會引起流體的宏觀流動，稱為聲流。這有助於混合、傳熱和傳質。
     • 熱效應 (Thermal Effects)：雖然超音波本身不是直接加熱，但空蝕現象的局部高溫和聲波能量的吸收會導致介質溫度升高。
     • 化學效應 (Chemical Effects)：空蝕現象產生的極端條件（高溫、高壓、自由基）可以誘發或加速化學反應，例如水的分解產生自由基（如 •OH），這些自由基具有強氧化性，可參與氧化還原反應。

2. 超音波在食品加工中的應用：

   • 殺菌與滅酶 (Sterilization and Enzyme Inactivation)：
     • 原理：空蝕產生的衝擊波、微射流和高溫高壓可以破壞微生物的細胞壁和細胞膜，使細胞內容物外洩，從而達到殺菌效果。同時，這些物理壓力也能使蛋白質變性，鈍化酶的活性，延長食品的貨架期。
     • 應用：液體食品（如果汁、牛奶）的低溫殺菌；鈍化水果和蔬菜中的酶。
   • 萃取 (Extraction)：
     • 原理：超音波的空蝕效應可以增強細胞膜的滲透性，使細胞內的目標成分（如色素、香料、藥用成分）更容易釋放到溶劑中。同時，聲流有助於溶劑與固體物料的接觸和傳質。
     • 應用：從植物原料中萃取天然色素、香料、茶多酚、藥用成分；從油料種子中萃取油脂。
   • 乳化與分散 (Emulsification and Dispersion)：

本題主要探討抗性澱粉 (Resistant Starch, RS) 的分類及其在熱加工過程中的變化。核心觀念在於理解抗性澱粉的結構特性、不同類型的形成原因，以及熱處理對其結構穩定性的影響。

解題思路：

1. 抗性澱粉的定義與重要性：

   • 抗性澱粉是指小腸無法消化吸收的澱粉及其降解產物。
   • 它在人體大腸中能被腸道微生物發酵，產生短鏈脂肪酸 (SCFA)，具有類似膳食纖維的功能，如改善腸道健康、調節血糖、影響脂質代謝等。

2. 抗性澱粉的分類：
   目前主要將抗性澱粉分為四類：

   • RS 1 (Physically inaccessible starch)：物理性不可及澱粉。
     • 形成原因：澱粉顆粒被緊密的細胞壁結構（如全穀物、豆類、種子中的細胞壁）包圍，或澱粉與蛋白質、脂質形成複合物，導致消化酶難以接近和作用於澱粉分子。
     • 特性：存在於天然食物中，加工過程不易破壞。
   • RS 2 (Native starch granules)：天然澱粉顆粒。
     • 形成原因：具有特定晶體結構（如 A 型、B 型）和較大尺寸的天然澱粉顆粒，其結構緊密，不易被消化酶快速分解。
     • 特性：常見於生馬鈴薯、未煮熟的香蕉（尤其是綠香蕉）等。澱粉的糊化程度低。
   • RS 3 (Retrograded starch)：回凝澱粉。
     • 形成原因：澱粉在糊化（加熱加水）後，冷卻過程中，直鏈澱粉 (amylose) 分子鏈會重新排列、締合，形成緊密的雙螺旋結構，部分區域結晶化，變得不易被消化酶分解。
     • 特性：常見於煮熟後冷卻的澱粉類食物（如米飯、麵包、馬鈴薯）。
   • RS 4 (Chemically modified starch)：化學改性澱粉。
     • 形成原因：通過化學處理（如交聯 cross-linking、酯化 esterification、醚化 etherification）改變澱粉的結構，使其對消化酶產生抵抗性。
     • 特性：屬於食品添加劑，在食品工業中有廣泛應用。

3. 熱加工對抗性澱粉的影響：
   熱加工（如烘烤、蒸煮、油炸）對不同類型的抗性澱粉影響不同：

   • RS 1 (物理性不可及澱粉)：
     • 影響：熱加工（尤其是加水加熱）會使澱粉顆粒膨脹、糊化，破壞細胞壁結構，或使澱粉與蛋白質、脂質的複合物鬆散，從而降低其抗性。
   • RS 2 (天然澱粉顆粒)：
     • 影響：適當的熱加工（如蒸煮、烘烤）會導致澱粉顆粒糊化，降低其抗性。但如果加工條件不充分（如烘烤溫度不足、時間太短），澱粉顆粒可能無法完全糊化，仍保留部分抗性。
   • RS 3 (回凝澱粉)：
     • 影響：熱加工（尤其是重新加熱）會使回凝澱粉再次糊化，顯著降低其抗性。這是因為重新加熱會破壞回凝形成的雙螺旋結構。
   • RS 4 (化學改性澱粉)：
     • 影響：化學改性澱粉的抗性是通過化學鍵的形成來維持的。其抗性受熱加工的影響程度取決於改性的類型和程度。

本題要求解釋四個與食品加工及保存相關的名詞。需要準確定義這些術語的含義及其在食品領域的應用。

解題思路：
逐一解釋每個名詞。

1. Hydrostatic sterilization (靜水壓滅菌)

   • 定義：一種利用高靜水壓（通常為數百 MPa，即數千大氣壓）來殺滅微生物的滅菌方法。
   • 原理：高壓會破壞微生物的細胞結構（如細胞膜、細胞壁），使蛋白質和核酸變性，抑制酶的活性。與熱滅菌不同，它主要依賴壓力而非溫度（雖然壓力升高也會導致溫度升高）。
   • 應用：用於對熱敏感的食品（如果汁、牛奶、雞蛋、海鮮、肉製品），可以在相對較低的溫度下（如室溫至 60°C）達到商業無菌。優點是能較好地保留食品的營養成分、風味和質地。

2. Freezer burn (凍燒)

   • 定義：冷凍食品表面出現乾燥、硬化、顏色變淺（呈灰白色）的區域，通常伴隨質地變差。
   • 原理：冷凍食品在儲存過程中，由於包裝不嚴密或溫度波動，食品表面的水分會發生升華（從固態冰直接變成氣態水蒸氣），導致食品表面失水乾燥。同時，暴露在空氣中的脂肪也容易被氧化，導致顏色和風味的變化。
   • 影響：影響食品的外觀、質地（變得乾硬、粗糙）和風味。
   • 預防：嚴格的包裝（如真空包裝、防潮保鮮膜），保持穩定的冷凍溫度，避免溫度波動。

3. Plasma sterilization (電漿滅菌)

   • 定義：利用電漿（等離子體）來殺滅微生物的一種滅菌技術。電漿是物質的第四態，由離子、電子、自由基、中性粒子和紫外線等組成。
   • 原理：電漿中的活性粒子（如自由基、離子、活性氧、活性氮）具有很強的氧化性和反應性，能破壞微生物的細胞壁、細胞膜，氧化細胞內的生物分子（蛋白質、核酸），從而殺滅微生物。紫外線照射也能殺滅微生物。
   • 應用：
     • 低溫滅菌：可用於處理對熱敏感的材料，如醫療器械、藥品包裝材料、食品包裝材料。
     • 表面處理：能夠對材料表面進行改質，增加其親水性、黏附性或殺菌性。
     • 食品包裝殺菌：在食品包裝過程中使用，用於殺滅包裝材料表面的微生物，延長食品保質期。