114 年 國立臺灣大學食品科技研究所甲組《食品加工學》

此題主要在探討食品加工中常見的單元操作——殺菁(blanching)的原理與應用。殺菁是蔬果及其他食品在加工前進行的一種預處理，目的是為了鈍化酵素活性，減少後續加工過程中的品質劣變，同時也有助於改善組織結構、去除異味、降低微生物數量等。

核心觀念： 酵素鈍化、熱傳遞、D值與Z值在殺菌中的應用。

解題步驟：

(a) 殺菁的目的：
殺菁的主要目的是為了鈍化食品中存在的酵素活性。這些酵素若在後續的加工或儲存過程中持續作用，會導致食品品質下降，例如：

• 氧化酵素： 導致褐變。
• 脂氧合酶 (Lipoxygenase)： 引起脂肪氧化，產生不良風味。
• 果膠酶 (Pectinase)： 造成組織軟化、結構崩解。
• 葉綠素酶 (Chlorophyllase)： 導致葉綠素分解，顏色變黃。
  此外，殺菁還有以下輔助目的：
• 去除異味或澀味： 如沖掉部分揮發性物質。
• 改善組織結構： 使組織軟化，有利於後續的乾燥、冷凍或包裝。
• 降低微生物數量： 雖然不是主要的殺菌步驟，但高溫處理仍可殺滅部分微生物。
• 減少體積： 透過組織軟化，有助於後續的儲存與包裝。
• 驅除組織中的空氣： 有助於防止氧化褐變，並使產品在罐頭或包裝中更緊實。

(b) 紅蘿蔔殺菁的程序：
以紅蘿蔔為例，殺菁程序一般包含以下步驟：

1. 前處理： 清洗、去皮、切塊或切片。
2. 殺菁處理： 將處理好的紅蘿蔔浸入加熱介質中進行一段時間的加熱。
3. 冷卻： 殺菁後立即將紅蘿蔔冷卻至接近室溫，以停止酵素反應並防止過度烹煮。
4. 瀝乾： 移除多餘水分。

(c) 常用的加熱介質、處理溫度範圍及影響速率的因子：

• 加熱介質：
  • 熱水 (Hot Water)： 最常用且經濟的介質。溫度通常在 85-100°C 之間。
  • 蒸氣 (Steam)： 溫度可達 100°C 以上，加熱效率較高。
  • 熱油 (Hot Oil)： 較少用於蔬菜，可能引起油脂吸收問題。
• 處理溫度範圍：
  • 對於紅蘿蔔這類根莖類蔬菜，常用的殺菁溫度範圍約在 90-100°C。
  • 處理時間則取決於產品大小、形狀、溫度以及期望的酵素鈍化程度，通常在幾十秒到幾分鐘不等。
• 影響原料升溫與降溫速率的因子：
  • 產品的物理特性：
    • 大小與形狀： 表面積與體積比影響熱傳導效率。較小的塊狀或較薄的片狀升溫快。
    • 含水量： 水的比熱容高，含水量高的產品升溫較慢。
    • 組織結構： 緻密的組織導熱性較差。
    • 初始溫度： 產品的初始溫度。
  • 加熱介質的特性：
    • 介質溫度： 溫差越大，傳熱速率越快。
    • 介質的熱傳導係數與比熱容： 蒸氣的潛熱傳遞效率高於熱水。
    • 介質的流動性 (對流)： 快速流動的介質能更有效地傳遞熱量。
  • 設備設計：

此題探討食品中的滲透壓現象及其在食品加工中的應用，特別是以乳清為例說明滲透壓濃縮技術。

核心觀念： 滲透壓、半透膜、滲透壓濃縮、膜過濾技術。

解題步驟：

(a) 食品滲透壓的定義：
滲透壓 (Osmotic Pressure) 是指在一個半透膜 (semipermeable membrane) 兩側，當一側是純溶劑 (如水) 而另一側是溶液 (含有溶質，如糖、鹽、蛋白質等) 時，溶劑分子從純溶劑側通過半透膜進入溶液側的趨勢所產生的壓力。更嚴謹地說，滲透壓是使溶液與純溶劑之間達到滲透平衡時，溶液側所需要施加的壓力，以阻止溶劑的淨流入。

在食品體系中，滲透壓是指食品中溶質（如糖、鹽、礦物質、有機酸、蛋白質等）在水中溶解所產生的壓力。高濃度的溶質會產生較高的滲透壓。滲透壓的驅動力是濃度差，溶劑（水）傾向於從低滲透壓（水活性較高）的區域流向高滲透壓（水活性較低）的區域。

(b) 以乳清為例說明如何應用滲透壓加工達到濃縮目的：
滲透壓濃縮 (Osmotic Concentration) 是一種利用滲透壓原理來去除食品中水分，從而達到濃縮目的的加工方法。其基本原理是將食品浸泡在高濃度溶液（稱為滲透壓介質，通常是糖、鹽或其他可食用溶質）中。由於食品內部的水分滲透壓低於滲透壓介質，水分子會從食品中滲透出來，進入滲透壓介質中，從而使食品得到濃縮。

應用於乳清的滲透壓濃縮：
乳清是乳製品加工的副產物，富含乳糖、蛋白質、礦物質和水分。直接濃縮乳清（如蒸發濃縮）會消耗大量能源，且高溫可能影響蛋白質的品質。滲透壓濃縮可以作為一種溫和的濃縮方法。

1. 選擇滲透壓介質：

   • 高濃度糖溶液： 如葡萄糖、蔗糖。乳糖本身也是一種溶質，但為了有效驅動水分，需要使用比乳清中總溶質濃度更高的滲透壓介質。
   • 高濃度鹽溶液： 如氯化鈉。但可能影響乳清的風味。
   • 濃縮乳清本身： 將低濃度乳清與高濃度乳清混合，利用濃度差。
   • 其他可食用溶質： 如山梨醇 (Sorbitol)。
   • 複合滲透壓介質： 結合多種溶質以達到最佳效果，同時考慮成本和風味。

2. 操作過程：

   • 將低濃度乳清與高濃度滲透壓介質（例如，使用濃縮乳清作為介質，或者配製高濃度的糖溶液）在一個容器中接觸。
   • 由於滲透壓介質的滲透壓遠高於乳清，水分子會從乳清中滲透到滲透壓介質中。
   • 在此過程中，乳清中的乳糖和蛋白質等固形物相對保留在乳清中，使得乳清的固形物濃度升高，即達到濃縮目的。
   • 同時，滲透壓介質中的溶質（如糖、鹽）也會部分滲入乳清中，這也是滲透壓濃縮的一個挑戰。

(c) 重要元件：

• 滲透壓介質 (Osmotic Agent)： 必須是可食用的、具有高滲透壓的物質，如高濃度糖、鹽、或濃縮乳清。
• 半透膜 (Semipermeable Membrane)： 滲透壓濃縮的原理是基於滲透作用，但廣義上，如果操作是讓水通過高濃度溶質層，那麼高濃度溶質層就扮演了類似「半透膜」的角色，因為它能讓水通過但阻礙（或減緩）大分子（如蛋白質）的通過。然而，更精確的「滲透壓濃縮」通常是指水分子從食品進入高濃度溶液的過程。
• 接觸設備： 能夠讓乳清與滲透壓介質充分接觸的容器或系統，例如浸漬槽 (immersion tanks) 或流體接觸器。
• 循環系統 (可選)： 為了維持滲透壓介質的濃度梯度，可能需要循環系統來移除滲透進來的稀釋液，或補充蒸發掉的水分。
• 後續處理設備： 濃縮後的乳清需要進一步處理，如清洗（去除表面附著的滲透壓介質）、乾燥、或直接作為原料使用。

嚴格定義的「滲透壓濃縮」與「膜濃縮」的區別：
傳統的滲透壓濃縮是將食品浸泡在高滲透壓溶液中，水分從食品轉移到溶液。

此題主要探討食品加工中「保存」的重要性，以及兩種傳統保存方法的原理。

核心觀念： 食品腐敗變質的原因、食品保存的目的、微生物學、物理化學原理。

解題步驟：

(a) 為什麼食品保存很重要？
食品保存之所以重要，主要基於以下幾個原因：

1. 防止腐敗變質 (Prevent Spoilage)： 食品中的微生物（細菌、黴菌、酵母菌）及食品本身的酵素活性，在適當的條件下會不斷作用，導致食品的顏色、風味、質地、營養成分發生不良變化，最終無法食用。保存就是要抑制或殺滅這些微生物和鈍化酵素。
2. 延長貨架期 (Extend Shelf Life)： 透過保存處理，可以顯著延長食品的銷售和食用期限，減少食物浪費。
3. 確保食品安全 (Ensure Food Safety)： 許多微生物在腐敗過程中會產生毒素，或本身就是致病菌，對人體健康構成威脅。保存處理（如殺菌）可以殺滅或抑制這些有害微生物及其產生的毒素。
4. 維持品質與營養價值 (Maintain Quality and Nutritional Value)： 保存處理旨在盡可能保留食品原有的色、香、味、質地及營養成分，使其在貨架期內保持最佳狀態。
5. 便利性與可及性 (Convenience and Accessibility)： 經過保存處理的食品，可以方便地儲存、運輸和銷售，使消費者在任何時間、任何地點都能獲得所需的食品。例如，罐頭食品、冷凍食品、乾貨等。
6. 經濟效益 (Economic Benefits)： 有效的食品保存可以減少因腐敗造成的經濟損失，並使食品能跨越季節、地域進行生產和銷售，促進食品產業的發展。

(b) 兩種傳統的食品保存方法及其原理：

這裡列舉兩種最常見且歷史悠久的傳統保存方法：

1. 低溫保存 (Refrigeration and Freezing)：
   • 原理： 微生物的生長和酵素的活性，都與溫度密切相關。

此題要求比較兩種常見的乾燥技術：熱風乾燥 (Hot Air Drying) 和冷凍乾燥 (Freeze Drying)，並說明其差異。

核心觀念： 乾燥機理、相變化、溫度、壓力、產品品質。

解題步驟：

熱風乾燥與冷凍乾燥是兩種截然不同的水分移除技術，其主要差異體現在以下幾個方面：

1. 乾燥機理與介質：

   • 熱風乾燥： 這是最傳統和廣泛使用的乾燥方法。其機理是透過將熱空氣吹過食品，熱能傳遞給食品，使水分蒸發成水蒸氣，再由熱風帶走。主要依賴於蒸發 (Evaporation)。
   • 冷凍乾燥 (昇華乾燥, Sublimation Drying)： 這種方法首先將食品凍結，然後在低溫和真空條件下，使食品中的冰直接昇華為水蒸氣，而無需經過液態。主要依賴於昇華 (Sublimation)。

2. 操作溫度與壓力：

   • 熱風乾燥： 通常在相對較高的溫度下進行（例如 50-150°C），在大氣壓力或略高於大氣壓力下操作。
   • 冷凍乾燥： 在極低的溫度下（低於冰點，通常在 -20°C 至 -40°C 之間）和高度真空的條件下進行（壓力遠低於水的飽和蒸汽壓，如 0.1-1 mbar）。

3. 產品品質：

   • 熱風乾燥：
     • 優點： 設備簡單，成本較低，處理量大，效率相對較高。
     • 缺點： 高溫和空氣接觸容易導致食品的顏色、風味、營養成分（特別是熱敏感性維生素）發生較大的損失。組織結構也可能因水分蒸發和熱應力而改變，變得緊縮、堅硬。
   • 冷凍乾燥：
     • 優點： 由於在低溫和真空下進行，最大程度地保留了食品的原有色澤、風味、營養成分和組織結構。乾燥後的產品體積收縮小，質地疏鬆，易於復水 (rehydration)。因此，非常適合處理高價值的熱敏感性食品，如速溶咖啡、水果塊、蔬菜丁、藥品、生物製劑等。
     • 缺點： 設備昂貴，操作複雜，乾燥時間長（數小時到數天），能耗高，因此成本也最高。

4. 水分移除方式：

   • 熱風乾燥： 水分從食品內部透過蒸發，再傳輸到表面，最後被熱風帶走。
   • 冷凍乾燥： 水分以冰的形式存在於食品內部，直接昇華為蒸汽，並在真空下被冷凝器捕獲。

5. 適用範圍：

   • 熱風乾燥： 適用於大多數對溫度和結構變化不敏感的食品，如穀物、根莖類蔬菜、部分水果、香辛料等。
   • 冷凍乾燥： 適用於高品質、熱敏感性強、需要最大程度保留原有特性的食品，如咖啡、茶葉、水果、蔬菜、海鮮、藥品、疫苗等。

總結表格：

| 特徵 | 熱風乾燥 (Hot Air Drying) | 冷凍乾燥 (Freeze Drying) |

此題為一典型的食品乾燥計算題，需要先確定原料的初始含水量和乾燥後的目標含水量，然後計算需要移除的水量，最後利用乾燥機的去除水分效率來計算所需的乾燥時間。

核心觀念： 乾基含水量、濕基含水量、水分移除量、乾燥效率。

解題步驟：

首先，我們需要理解「乾基含水量」(Dry Basis Moisture Content) 和「濕基含水量」(Wet Basis Moisture Content) 的定義：

• 乾基含水量 (DBMC)： $\text{DBMC} = \frac{\text{水分重量}}{\text{乾物質重量}}$
• 濕基含水量 (WBMC)： $\text{WBMC} = \frac{\text{水分重量}}{\text{總重量 (乾物質 + 水分)}}$

這兩者之間的轉換關係為：
$\text{WBMC} = \frac{\text{DBMC}}{1 + \text{DBMC}}$
$\text{DBMC} = \frac{\text{WBMC}}{1 - \text{WBMC}}$

步驟一：計算初始狀態（原料蘋果）的乾物質重量與水分重量。
已知原料蘋果總重為 20 公斤，乾基含水量為 4。
乾基含水量 = 4 表示：乾物質 1 公斤，水分 4 公斤。
所以，總重量 = 乾物質 + 水分 = 1 + 4 = 5 (單位重量)。
我們有 20 公斤的總重，這相當於 5 個單位重量。
因此，
乾物質重量 = $20 \text{ kg} \times \frac{1}{5} = 4 \text{ kg}$
初始水分重量 = $20 \text{ kg} \times \frac{4}{5} = 16 \text{ kg}$
（驗算：乾物質 4 kg + 水分 16 kg = 總重 20 kg。乾基含水量 = 16/4 = 4。正確。）

步驟二：計算目標狀態（乾燥後蘋果）的總重量。
目標是濕基含水量為 20%。
濕基含水量 (WBMC) = 20% = 0.20
我們知道乾物質的重量在乾燥過程中是不變的，仍然是 4 公斤。
利用 WBMC 的定義：
$\text{WBMC} = \frac{\text{水分重量}}{\text{總重量}}$

核心觀念

食品擠壓（food extrusion）是將食品原料經由螺桿輸送，在密閉機筒內同時受到加熱、加壓、剪切與混合作用，再由模具出口連續成形的加工方法。

其主要目的可歸納為：

1. 熟化原料：使澱粉糊化、蛋白質變性，並降低部分微生物與酵素活性。
2. 形成特定形狀：利用模具製成條狀、片狀、環狀或其他外形。
3. 改變食品組織與質地：控制水分、溫度與壓力，使產品產生膨發、酥脆、咀嚼性或纖維狀組織。
4. 提高加工效率：擠壓可連續完成混合、輸送、加熱、熟化、成形與切割，具有生產速度快、流程整合度高的優點。

因此，食品擠壓並非單純的「塑形」操作，而是結合熱加工與機械加工的連續式食品加工技術。

解題方法

本題問「主要目的」，答題時應先寫出擠壓加工的本質，再補充其對食品性質的影響，最後列舉產品。

食品原料在擠壓機中受到螺桿推送及剪切，並在高溫、高壓環境下加工。當熔融物料由模具出口排出時，壓力突然降低，若物料含有足量水分或可形成氣體，水分會快速汽化，使產品膨發並形成多孔結構。

主要變化包括：

• 澱粉吸水、糊化，增加產品的熟化程度。
• 蛋白質受熱變性，部分蛋白質可重新排列形成纖維狀結構。
• 物料經模具成形，得到固定外觀。
• 出口壓力降低造成膨發，使產品具有酥脆口感。

可用下式表示擠壓加工的核心流程：

此題涉及稻穀的組成、稻穀加工（特別是磨粉）的重要性，以及如何減少磨粉過程中的澱粉損傷。

核心觀念： 稻穀結構、磨粉原理、澱粉損傷。

解題步驟：

(a) 稻穀的主要組成部分：
稻穀 (Paddy rice) 是未經碾製的米，其主要組成部分從外到內依序為：

1. 穎殼 (Hull/Husk)： 最外層的保護層，約佔稻穀重量的 15-20%。主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，質地堅硬，不可食用。其作用是保護穀粒免受物理損傷、病蟲害和乾燥。
2. 種皮 (Pericarp)： 緊貼穎殼內層，是果皮的一部分，與穎殼一起構成米糠層。
3. 果皮 (Pericarp)： 與種皮緊密結合。
4. 種皮 (Seed coat)： 緊貼胚乳。
5. 糊粉層 (Aleurone Layer)： 位於胚乳外側，是種皮內側的一層細胞。富含蛋白質、脂肪、維生素和礦物質，但含量相對較少。
6. 胚乳 (Endosperm)： 佔稻穀重量的大部分（約 80-85%），是儲藏澱粉和蛋白質的主要部分。我們食用的白米主要就是由胚乳構成。
7. 胚芽 (Germ/Embryo)： 位於胚乳的基部，含有豐富的脂肪、蛋白質、維生素和礦物質，是將來發育成稻苗的部分。

簡化來說，稻穀主要可分為：

• 穎殼 (Hull)： 不可食用。
• 糙米 (Brown Rice)： 包括穎殼內的種皮、糊粉層、胚乳和胚芽。
• 精米/白米 (Milled Rice/White Rice)： 去除了穎殼、種皮和糊粉層，僅保留胚乳和胚芽（有些精米工藝也會去除胚芽）。

(b) 磨粉在稻穀加工中的重要性：
稻穀加工的核心步驟是碾米 (Milling)，即去除穎殼（得到糙米）和進一步去除米糠層（糊粉層、種皮，得到白米）。而「磨粉」在稻穀加工中，通常是指將糙米或白米進一步加工成米粉 (Rice Flour) 的過程。

磨粉（製成米粉）的重要性在於：

1. 改善消化吸收性： 稻穀和米的顆粒較大，直接食用時消化速度較慢。磨成細粉後，澱粉顆粒暴露出來，表面積增大，更容易被消化酶作用，提高消化吸收率。
2. 改變質地與口感： 米粉可以製成各種傳統食品，如米糕、湯圓、麵條、粥、嬰兒食品等，提供與整粒米不同的細膩、柔軟的質地和口感。
3. 擴展應用範圍： 米粉不僅是主食，也是重要的食品配料。它可以作為增稠劑、粘合劑、改良劑，用於烘焙食品（如無麩質烘焙）、加工食品、嬰兒食品等。
4. 方便儲存與運輸： 雖然乾燥的米粉仍然需要妥善保存，但相較於新鮮的米製品，米粉的儲存和運輸更為便利。

此題探討真空冷凍乾燥過程中常見的品質問題——產品崩塌 (collapse)，並要求說明其原因與改善方法。

核心觀念： 真空冷凍乾燥機理、昇華、相變、結構支撐、熱傳遞。

解題步驟：

(a) 產品崩塌 (Collapse) 的現象：
崩塌是指在冷凍乾燥過程中，產品的結構失去支撐，導致體積收縮、表面變得緊密、失去原有的疏鬆多孔結構，最終形成一個緻密、塌陷的外觀。這種情況會嚴重影響產品的復水性、質地和外觀。

(b) 產品崩塌的可能原因：
崩塌通常發生在乾燥過程的兩個主要階段：

1. 初級乾燥階段 (昇華階段, Primary Drying - Sublimation)：

   • 過高的熱量輸入： 在昇華過程中，冰直接轉變為水蒸氣。如果輸入的熱量過於劇烈，導致冰的昇華速率過快，或者局部溫度過高，超過了冰點，使得冰融化成液態水，然後再蒸發。液態水會破壞產品原有的冰晶結構和細胞骨架，導致結構支撐喪失，進而崩塌。
   • 真空度不足： 真空度不夠時，水的飽和蒸汽壓相對較高，即使在低溫下，液態水也可能存在並蒸發，而不是直接昇華。
   • 產品的初始組織結構不夠穩定： 某些產品，特別是高蛋白質、高糖或膠體含量較高的產品，其結構在冰凍狀態下就可能不夠穩定，容易在高熱流下垮塌。

2. 次級乾燥階段 (脫附階段, Secondary Drying - Desorption)：

   • 過高的溫度： 在次級乾燥階段，主要是脫附殘留的結合水。如果此時的溫度設定過高，超過了產品結構的熱穩定極限，即使沒有液態水，高溫也會使產品中的蛋白質、碳水化合物等大分子發生變性、收縮或分解，導致結構崩塌。
   • 乾燥時間不足（相對而言）： 雖然此階段的目標是去除結合水，但若產品未完全乾燥，仍帶有少量未完全脫附的水分，在高溫下也可能引發結構問題。

總結來說，崩塌的主要原因可以歸結為：

• 過度加熱： 尤其是在昇華階段，熱量輸入過快或溫度過高，導致冰融化。
• 溫度控制不當： 在次級乾燥階段，溫度設置過高，超過產品的熱穩定性。
• 真空度不足： 影響水的相變行為，使液態水蒸發發生。
• 產品本身的特性： 某些成分（如高糖、高蛋白）在低溫凍結狀態下結構支撐力較弱。

(c) 改善產品崩塌的方法：

1. 優化熱量輸入 (Heat Input Control)：
   • 降低初級乾燥階段的熱量： 採用較低的加熱板溫度或較小的熱流密度，確保冰能以昇華方式有效移除，

此題聚焦於超臨界流體萃取 (Supercritical Fluid Extraction, SFE) 技術，特別是超臨界二氧化碳 (scCO2) 的應用，要求說明其優勢以及操作參數對萃取效率的影響。

核心觀念： 超臨界流體、超臨界二氧化碳、萃取原理、操作參數、優勢。

解題步驟：

(a) 超臨界CO2萃取的優勢：
超臨界流體是指物質在超過其臨界溫度 (Critical Temperature, Tc) 和臨界壓力 (Critical Pressure, Pc) 時所呈現的狀態。在超臨界狀態下，流體同時具有氣體的低黏度和高擴散性，以及液體的溶解能力。二氧化碳 (CO2) 因其臨界點較低（Tc = 31.1°C, Pc = 73.8 bar），且無毒、無味、不易燃、價格便宜、易於從萃取物中去除，成為最常用的超臨界流體。

超臨界CO2萃取的主要優勢包括：

1. 選擇性強 (High Selectivity)： 通過調整超臨界CO2的密度（通過壓力、溫度控制），可以精確地控制其溶解能力，從而選擇性地萃取目標化合物。這使得從複雜的天然物混合物中分離特定成分成為可能。
2. 溫和的萃取條件 (Mild Extraction Conditions)： 相較於高溫蒸餾或有機溶劑萃取，超臨界CO2萃取的溫度相對較低（通常在 40-60°C 範圍內，遠低於許多熱敏感性化合物的分解溫度），能最大程度地保留天然物的生物活性、風味和營養成分。
3. 無溶劑殘留 (Solvent-Free Product)： CO2在萃取完成後，通過降低壓力或升高溫度，會恢復到氣態並逸散，不會在萃取物中留下任何有毒有害的溶劑殘留。這對於食品、藥品和化妝品等高安全性要求的行業尤為重要。
4. 環境友好 (Environmentally Friendly)： CO2是一種天然存在的物質，且可循環使用，不會對環境造成污染，符合綠色化學的要求。
5. 高效率與快速性 (High Efficiency and Speed)： 超臨界流體的高擴散性和低黏度使其能快速滲透到物料內部，高效地溶解和傳輸目標化合物，從而縮短萃取時間。
6. 易於分離與回收 (Easy Separation and Recycling)： CO2容易通過減壓或升溫轉化為氣態，從萃取物中分離出來。同時，CO2可以被回收再利用，降低生產成本。

(b) 操作參數如何影響萃取效率：
萃取效率通常指萃取率（目標化合物的總量）或萃取速率（單位時間內萃取的量）。以下主要操作參數對萃取效率有顯著影響：

1. 壓力 (Pressure)：

   • 影響： 壓力是影響超臨界CO2密度和溶解能力的最關鍵參數。隨著壓力的升高（在臨界溫度以上），CO2的密度增大，溶解能力增強，從而提高萃取效率。
   • 具體表現： 在一定的壓力範圍內，壓力越高，萃取率越高。例如，對於極性較低的化合物，在高壓下（如 200-400 bar）萃取效率更高。

2. 溫度 (Temperature)：

   • 影響： 溫度對CO2密度和溶解能力有雙重影響。一方面，升高溫度會降低CO2的密度，從而降低其溶解能力（尤其對極性化合物）。

此題探討氣調包裝 (Modified Atmosphere Packaging, MAP) 技術在延長生鮮肉品保質期中的應用，重點在於氣體組成對肉品品質的影響機制，以及包裝材料的選擇考量。

核心觀念： 氣調包裝、肉品變質原因、氣體作用機制、包裝材料性能。

解題步驟：

(a) 不同氣體組成對肉品品質的影響機制：
MAP是透過改變包裝內的氣體成分（通常是氮氣、二氧化碳、氧氣的混合物，有時還包含其他氣體如一氧化碳），來抑制微生物生長和延緩肉品氧化，從而延長保質期。

1. 氮氣 (Nitrogen, N2)：

   • 作用： 氮氣是一種惰性氣體，無色無味，不與肉品發生化學反應。其主要作用是填充作用 (Filler Gas)，取代包裝內的空氣，降低氧氣濃度，防止氧化和好氧微生物生長。同時，它能維持包裝的體積，防止包裝塌陷。
   • 對肉品品質的影響： 主要透過排除氧氣來間接影響，無直接的生理或化學作用。

2. 二氧化碳 (Carbon Dioxide, CO2)：

   • 作用： CO2是MAP中最重要的抗菌氣體。它具有很強的抑菌作用 (Antimicrobial Effect)。其機制包括：
     • 溶解於肉品表面水分： CO2溶於水後會形成碳酸 (H2CO3)，降低pH值，產生酸性環境，不利於許多細菌（特別是中性pH生長的細菌）的生長。
     • 干擾細胞膜功能： CO2能滲透到微生物細胞膜內，影響細胞膜的通透性，干擾離子運輸和代謝酶的活性，抑制其生長。
     • 抑制氧化反應： CO2也能抑制某些氧化酶的活性，但其主要作用是抑菌。
   • 對肉品品質的影響：
     • 優點： 有效抑制腐敗菌（如假單胞菌 Pseudomonads）和部分致病菌（如李斯特菌 Listeria monocytogenes）的生長，顯著延長保質期。
     • 缺點： 高濃度的CO2（通常大於 5-10%）可能導致肉品顏色變深（產生類似缺氧的暗紅色），並可能影響某些肉品的質地（如產生酸敗感）。

3. 氧氣 (Oxygen, O2)：

   • 作用： 氧氣在肉品包裝中的作用比較複雜，取決於肉品的種類和期望的品質。
     • 對紅肉（如牛肉、羊肉）的影響： 為了維持其鮮紅色澤（由氧合肌紅蛋白 Myoglobin 形成），通常需要保留一定濃度的氧氣（約 60-80%）。氧氣能將肌紅蛋白氧化成鮮紅的氧合肌紅蛋白，並維持其狀態，防止其進一步氧化成褐色的變性肌紅蛋白 (Metmyoglobin)。
     • 對禽肉、加工肉品（如香腸、火腿）的影響： 這些肉品對氧氣較敏感，容易發生脂肪氧化，產生不良風味（油耗味），並導致顏色變褐。因此，在這些產品的MAP中，通常會盡量降低氧氣濃度，甚至完全排除。
   • 對肉品品質的影響：
     • 優點（對紅肉）： 維持鮮紅色澤。
     • 缺點（對所有肉品）： 促進脂肪氧化，產生不良風味；促進好氧微生物（如某些腐敗菌）的生長；促進肌紅蛋白氧化成褐變的變性肌紅蛋白。

4. 一氧化碳 (Carbon Monoxide, CO)：

   • 作用： CO與肌紅蛋白結合，形成穩定且鮮紅的一氧化碳肌紅蛋白 (Carboxymyoglobin)。這種形態比氧合肌紅蛋白更穩定，不易氧化變性成褐色。
   • 對肉品品質的影響：
     • 優點： 能極大地延長紅肉的鮮紅色澤，使其在較長時間內保持誘人的外觀。
     • 缺點： CO是毒性氣體，其在食品中的使用受到嚴格管制。在許多國家，CO的使用是被禁止或限制的。即使允許使用，也需要非常低的濃度，並確保其不會被誤認為是新鮮度指標。

常見的MAP氣體組合及其適用對象：

• 高氧 (High O2, 70-80% O2 + 20-30% CO2)： 主要用於紅肉（牛肉、羊肉），以維持鮮紅色

此題探討罐頭食品加工中的脫氣 (Deaeration) 步驟，要求說明其目的和可行方法。

核心觀念： 罐頭食品加工、氧氣影響、脫氣原理、方法。

解題步驟：

(a) 脫氣步驟的目的：
脫氣是指在罐頭食品密封之前，將食品組織中以及食品表面（或內容物液體中）的空氣（主要是氧氣）盡可能地排除出去的過程。這個步驟對於罐頭食品的品質和保質期至關重要，主要目的包括：

1. 防止氧化變質 (Prevent Oxidative Spoilage)：

   • 食品中的游離氧是引起氧化反應的主要原因。氧氣會與食品中的脂肪、色素、維生素、風味物質等發生氧化，導致：
     • 脂肪氧化： 產生不良風味（油耗味）、顏色變褐。
     • 色素氧化： 導致顏色褪色或變褐（如紅肉變褐、綠葉蔬菜變黃）。
     • 維生素破壞： 影響食品的營養價值。
   • 脫氣能顯著降低氧氣含量，延緩這些氧化過程，保持食品的色、香、味、營養。

2. 防止金屬罐的腐蝕 (Prevent Metal Can Corrosion)：

   • 罐頭的金屬內壁（通常是馬口鐵）在氧氣、酸性物質和高溫的共同作用下容易發生腐蝕。氧氣是金屬腐蝕的重要因素，它會加速鐵的氧化。
   • 脫氣可以減少罐內氧氣含量，從而減緩金屬罐的腐蝕，防止罐壁穿孔、內容物洩漏、金屬離子污染食品，以及產生不良的「金屬味」。

3. 防止內容物膨脹與罐體變形 (Prevent Can Swelling and Deformation)：

   • 食品在滅菌過程中會受熱膨脹，如果罐內含有大量空氣，這些氣體受熱體積會急劇膨脹，可能導致罐體鼓脹（俗稱「胖罐」）甚至爆裂。
   • 脫氣可以減少罐內的非凝結性氣體，降低滅菌時的內部壓力，防止罐體變形。

4. 提高滅菌效率 (Improve Sterilization Efficiency)：

   • 氧氣具有一定的鈍化作用，可能影響某些熱敏性微生物的殺滅。雖然不是主要目的，但去除空氣有助於更均勻、更有效地傳遞熱量，提高滅菌效果。

5. 改善產品外觀和質地 (Improve Appearance and Texture)：

   • 對於某些產品，如水果塊，脫氣可以幫助其更好地浸潤在糖漿或湯汁中，防止漂浮，改善外觀。
   • 脫氣也有助於減少某些產品的空隙，使產品更緊實。

(b) 可行的脫氣方法：
脫氣的方法主要有兩種：機械脫氣和熱力學脫氣。

1. 機械脫氣 (Mechanical Deaeration)：
   • 原理： 利用物理方法將食品中的溶解氣體（主要是氧氣）分離出來。
   • 方法：

此題要求說明食用油精製過程中的五個關鍵步驟：脫膠、脫酸、脫色、冬化、脫臭，包括它們的目的和常用的加工方法。

核心觀念： 食用油精製、雜質種類、精製目的、加工單元操作。

解題步驟：

食用油精製 (Refining) 是指將毛油 (Crude Oil) 經過一系列物理和化學處理，去除其中的雜質，使其達到食用標準，包括良好的色澤、風味、穩定性和安全性。

1. 脫膠 (Degumming)：

   • 目的： 去除毛油中的磷脂質 (Phospholipids) 及其他膠質成分（如糖蛋白、金屬離子與磷脂的複合物等）。這些膠質在後續高溫處理（如脫酸、脫臭）時會產生焦化物，影響油的顏色、風味，並導致損失。脫膠也稱為水化脫膠。
   • 加工方法：
     • 水化脫膠 (Water Degumming)： 向毛油中加入少量水（約 1-3%），並在一定溫度（40-70°C）下攪拌。磷脂質吸水膨脹，形成水化物，然後通過離心分離將其除去。
     • 酸脫膠 (Acid Degumming)： 對於含有非水化磷脂的油，可加入少量酸（如磷酸、檸檬酸），使磷脂質質子化，變得易溶於水，然後再進行水化和離心分離。
     • 酶脫膠 (Enzymatic Degumming)： 使用磷脂酶 (Phospholipase) 等酵素處理，將磷脂分解為更易於分離的產物。

2. 脫酸 (Neutralization)：

   • 目的： 去除毛油中的游離脂肪酸 (Free Fatty Acids, FFA)。游離脂肪酸會降低油的煙點（容易冒煙），產生不良風味，並影響油的穩定性。
   • 加工方法：
     • 鹼煉脫酸 (Alkali Neutralization)： 向毛油中加入鹼液（通常是氫氧化鈉 NaOH 溶液），與游離脂肪酸反應生成皂化物 (Soapstock)。皂化物不溶於油，通過離心分離除去。這是最傳統和常用的方法。
     • 物理脫酸 (Physical Refining)： 在脫膠和脫色後，利用高溫（蒸氣蒸餾）和真空條件，將游離脂肪酸作為揮發性物質一同蒸出。此方法適用於低膠質、低游離脂肪酸含量的油（如棕櫚油），且不產生皂化物廢料。

3. 脫色 (Bleaching)：

   • 目的： 去除油中的色素（如葉綠素、類胡蘿蔔素、花青素等）和部分氧化產物、金屬離子、殘留的皂化物等，以獲得淺黃色或無色的食用油，並提高油的穩定性。
   • 加工方法：
     • 吸附脫色 (Adsorption Bleaching)： 將油在一定溫度（60-120°C）下與吸附劑（最常用的是漂白土，一種活性白土，也可用活性炭）充分接觸，吸附劑能吸附色素、氧化產物、金屬離子等雜質。