114 年 國立臺灣海洋大學食品科學系碩士班食品科學組《食品加工及食品化學》

凍燒 (freezer burn) 是指冷凍食品表面出現乾硬、顏色變淡、質地變差的現象。其主要原理是冷凍過程中，食品表面的水分（冰晶）不斷昇華（從固態直接變成氣態），導致食品表面脫水、變質。

原理：

1. 昇華作用： 在冷凍儲存過程中，即使在低溫下，食品表面的冰晶也會緩慢地昇華，轉變成水蒸氣逸散到環境中。
2. 相對濕度差異： 如果儲存環境的相對濕度低於食品表面冰晶的飽和蒸氣壓，水分就會持續從食品表面蒸發。
3. 組織結構破壞： 表面水分的流失會導致組織細胞脫水、細胞膜受損，蛋白質變性，使組織變得乾硬、易碎，顏色變淡（因光線折射改變）。

水產品（如遠洋捕撈的魚肉）與畜產品（如豬肉、牛肉）的腐敗速率存在差異，這主要與其本身的化學組成、生理結構及採後處理方式有關。

水產品（遠洋捕撈魚肉）的腐敗特點與速率：

1. 高水分、低脂肪（部分魚類）： 魚肉通常水分含量高（約 70-80%），但脂肪含量差異大。一般而言，魚肉的蛋白質含量也高。
2. pH 值較高： 魚肉的 pH 值通常在 6.0-6.5 之間，比畜肉的 pH 值（約 5.5-5.8）更高。較高的 pH 值有利於微生物的生長。
3. 結締組織較少： 魚肉的結締組織（如膠原蛋白）相對較少，肌肉纖維較易分離，這使得微生物和酵素更容易接觸到基質，加速分解。
4. 富含游離胺基酸和核苷酸： 魚肉含有較高量的游離胺基酸（如鳥嘌呤、肌苷酸 IMP）和核苷酸，這些是微生物和酵素分解的良好基質，也容易產生不良風味（如腥味）。
5. 含胺氧化酶 (amine oxidase)： 魚肉中含有胺氧化酶，在宰後容易產生揮發性胺類（如三甲胺 TMA），這是魚腥味的主要來源。
6. 採後處理： 遠洋捕撈的魚類通常需要較長的運輸時間，且在捕撈後不久即面臨高溫環境，若未即時進行有效的保鮮處理（如船上急速冷凍），腐敗速度會非常快。

本題主要探討食品中脂質氧化的機理與影響因素。

a. 脂質自氧化三階段所代表之化學反應

脂質自氧化 (Autoxidation) 是一個自由基連鎖反應，主要分為三個階段：起始 (Initiation)、傳播 (Propagation) 和終止 (Termination)。

1. 起始 (Initiation)：
   在這個階段，不穩定的脂質分子 (RH)，在誘導因子（如熱、光、金屬離子、過氧化物）的作用下，失去一個氫原子，形成一個脂質自由基 (R•)。
   $\text{RH} \rightarrow \text{R•} + \text{H•}$
   或者，氧氣與脂質自由基反應生成脂質過氧化自由基 (ROO•)。
   $\text{R•} + \text{O}_2 \rightarrow \text{ROO•}$
   這個階段是反應的開端，需要能量或誘導因子來產生第一個自由基。

2. 傳播 (Propagation)：
   這個階段是自由基連鎖反應的核心，產生大量的過氧化物。
   脂質過氧化自由基 (ROO•) 會從另一個穩定的脂質分子 (RH) 上奪取一個氫原子，形成脂質過氧化物 (ROOH) 並產生新的脂質自由基 (R•)，這個新的脂質自由基再與氧氣反應，形成新的 ROO•，如此循環往復。
   $\text{ROO•} + \text{RH} \rightarrow \text{ROOH} + \text{R•}$
   $\text{R•} + \text{O}_2 \rightarrow \text{ROO•}$
   脂質過氧化物 (ROOH) 本身是不穩定的，在熱或金屬離子催化下，會分解產生新的自由基（如 RO• 和 •OH），進一步擴大自由基的數量，加速鏈式反應。
   $\text{ROOH} \rightarrow \text{RO•} + \text{•OH}$
   $\text{RO•} + \text{RH} \rightarrow \text{ROH} + \text{R•}$
   $\text{•OH} + \text{RH} \rightarrow \text{H}_2\text{O} + \text{R•}$

3. 終止 (Termination)：
   當兩個自由基相遇時，它們會結合形成穩定的非自由基產物，從而終止鏈式反應。
   $\text{R•} + \text{R•} \rightarrow \text{R-R}$
   $\text{ROO•} + \text{R•} \rightarrow \text{ROOR}$
   $\text{ROO•} + \text{ROO•} \rightarrow \text{ROOR} + \text{O}_2$
   終止階段的反應速度通常較慢，因為自由基的濃度相對較低。

b. 促使脂質自氧化的誘導因子有哪些

誘導因子 (Inducers) 是指能夠引發或加速脂質自氧化反應的物質或條件。主要包括：

1. 金屬離子： 特別是過渡金屬離子，如鐵 (Fe²⁺, Fe³⁺) 和銅 (Cu⁺, Cu²⁺)。它們能催化脂質過氧化物的分解，產生更多的自由基，強烈促進氧化反應。
2. 光線： 特別是紫外線 (UV) 和可見光。光能提供足夠的能量，使脂質分子或氧氣產生自由基，或激發光敏劑 (photosensitizer) 產生單線態氧，引發氧化。
3. 熱能： 高溫可以提供起始反應所需的活化能，加速自由基的形成和鏈式反應的進行。
4. 過氧化物： 如脂質過氧化物 (ROOH) 或其他有機過氧化物。它們本身可以分解產生自由基，或與金屬離子協同作用，加速氧化。
5. 氧氣： 雖然氧氣本身不是誘導因子，但它是自氧化反應必需的反應物，缺乏氧氣則反應無法進行。
6. 酵素： 某些酵素，如脂氧合酶 (lipoxygenase, LOX)，能催化不飽和脂肪酸的氧化，產生過氧化物和醛酮類產物。
7. pH 值： 雖然不是直接誘導因子，但 pH 值會影響金屬離子的活性和酵素的活性，間接影響氧化速率。

c. 光氧化有哪兩種不同之機制

光氧化 (Photooxidation) 是指在光照條件下發生的氧化反應，主要有兩種機制：

遲滯現象 (Hysteresis) 是指在食品的吸濕（由乾燥狀態向濕潤狀態變化）和脫濕（由濕潤狀態向乾燥狀態變化）過程中，其水分含量與水活度 (water activity, $a_w$) 之間的關係曲線不重疊的現象。例如，在相同的 $a_w$ 下，脫濕時的水分含量會高於吸濕時。

遲滯現象的成因主要與食品基質的結構和性質有關，以下為幾種可能的解釋：

1. 食品基質的結構變化與孔隙結構：

   • 吸濕過程： 當食品從低 $a_w$ 狀態開始吸濕時，水分首先進入食品表面的毛細孔，並與親水性基質（如蛋白質、多醣、鹽類）發生吸附作用。此時，孔隙的直徑可能相對較大，水分容易進入。
   • 脫濕過程： 當食品從高 $a_w$ 狀態開始脫濕時，水分的蒸發不僅發生在表面，也發生在食品內部。當內部水分蒸發後，食品基質（特別是蛋白質和多醣）可能會發生結構收縮、聚集或凝膠化，導致內部孔隙變得更小、更窄。這些收縮的孔隙或被水潤濕後膨脹、再脫水收縮的結構，會產生一種「毛細管壓力」效應，使得在相同的 $a_w$ 下，需要更高的水分含量才能填滿這些較小的孔隙，或者說，在相同的 $a_w$ 下，脫濕時的水分含量較高。

2. 不可逆的結構變化：

   • 蛋白質變性： 在吸濕過程中，水分可以促進蛋白質的舒展和變性，暴露出更多的親水性基團，從而能吸附更多的水。這種變性過程在一定程度上是不可逆的。

本題探討酸性罐頭食品的定義、殺菌條件與一般罐頭食品的差異及原因。

酸性罐頭食品之定義：
酸性罐頭食品 (Acid Canned Foods) 是指 pH 值低於 4.6 的罐頭食品。在這些食品中，由於 pH 值較低，使得引起肉毒桿菌中毒的厭氧性細菌 Clostridium botulinum 的孢子難以萌發和生長，或其產毒能力受到抑制。因此，其殺菌處理的嚴格程度相對較低。

殺菌條件與一般罐頭食品的不同：
一般罐頭食品，尤其是低酸性罐頭食品 (low-acid canned foods)，其 pH 值通常高於 4.6。這類食品容易受到肉毒桿菌等高溫耐受性細菌孢子的污染，這些細菌在厭氧、無酸的環境下能夠產生劇毒的毒素，造成嚴重的食品安全問題。因此，低酸性罐頭食品必須採用較嚴格的商業殺菌 (commercial sterilization) 條件，以確保殺滅所有具有生長或產毒能力的微生物。

殺菌條件的差異：

1. 殺菌溫度與時間：
   • 低酸性罐頭食品 (pH > 4.6)： 需要採用高溫短時間或中溫長時間的商業殺菌，通常在 115-121°C (240-250°F) 下進行，維持足夠的時間（如 F₀ 值要求）來殺滅 C. botulinum 的孢子。例如，可能需要 2.5 - 12 D (Decimal Reduction Time) 的殺滅效果，以確保安全。
   • 酸性罐頭食品 (pH < 4.6)： 由於低 pH 值對微生物（特別是 C. botulinum）有抑制作用，其殺菌處理相對寬鬆。

本題比較噴霧乾燥法與冷凍乾燥法的異同，並探討其應用。

本題要求說明鮮乳和一夜干的製造流程及原理。

一、 鮮乳製造流程與原理 (約 10 分)

鮮乳 (Fresh Milk) 是指從健康乳牛（或其他可食用乳腺動物）擠出的生乳，經過嚴格的品質檢驗後，進行一系列的處理（主要是殺菌和均質化），以達到安全、穩定、品質優良的產品。

製造流程：

1. 收乳與品質檢驗 (Milk Reception & Quality Control)：

   • 流程： 從牧場收集的生乳，在進入工廠後，首先進行嚴格的品質檢驗，包括：總固形物、乳脂肪、蛋白質、體細胞數、生菌數、抗生素殘留、酸度、異味等。
   • 原理： 確保生乳來源健康、衛生，沒有受到污染或藥物殘留，符合生產鮮乳的原料標準。

2. 淨乳 (Clarification / Filtering)：

   • 流程： 利用離心機或過濾器，去除生乳中的雜質，如毛髮、塵埃、體細胞等。
   • 原理： 提高生乳的潔淨度，減少後續處理的負擔，並改善最終產品的外觀。

3. 冷卻 (Cooling)：

   • 流程： 將生乳迅速冷卻至 4°C 左右。
   • 原理： 抑制生乳中微生物的生長和繁殖，延緩其腐敗變質。

4. 標準化 (Standardization)：

   • 流程： 通過離心分離，調整乳脂肪含量，以生產不同脂肪含量的鮮乳產品（如全脂、低脂、脫脂）。
   • 原理： 滿足不同消費者的需求，並確保產品的規格一致性。

5. 均質化 (Homogenization)：

   • 流程： 將生乳在高壓下通過狹小的縫隙，使較大的脂肪球打碎成微小的脂肪球（直徑小於 2 微米）。
   • 原理：
     • 防止脂肪上浮： 減少脂肪球的尺寸和密度，使其在乳液中更均勻分散，不易上浮形成乳脂層，保持產品外觀穩定。
     • 改善口感： 使口感更滑順、細膩。
     • 提高乳化穩定性。

6. 殺菌 (Pasteurization)：

   • 流程： 這是鮮乳製造中最關鍵的步驟。最常見的為巴氏殺菌法 (Pasteurization)，例如：
     • 高溫短時間 (HTST)： 72°C 殺菌 15 秒。
     • 超高溫短時間 (UHT)： 135-150°C 殺菌 1-2 秒。
   • 原理：
     • 殺滅致病菌： 主要目的是殺滅對人體健康有害的病原微生物，如沙門氏菌、李氏桿菌、大腸桿菌等。
     • 降低腐敗菌數量： 顯著減少乳中微生物總數，延長產品的貨架期。
     • 鈍化部分酵素： 抑制乳中部分酵素的活性，防止其引起風味劣變。
     • UHT 殺菌的優點： 殺菌效果更徹底，可延長常溫保存期（但通常仍需冷藏，因其並非完全無菌）。HTST 殺菌的風味保留度較好，但需冷藏保存。

7. 冷卻 (Cooling)：

   • 流程： 殺菌後，迅速將鮮乳冷卻至 4°C 左右。
   • 原理： 抑制殺菌過程中殘留的或環境中污染的微生物的生長，維持產品品質。

8. 充填與包裝 (Filling & Packaging)：

   • 流程： 在無菌條件下，將冷卻後的鮮乳充填到預先滅菌的包裝容器中（如紙盒、塑膠瓶），並密封。