115 年 國立臺灣大學食品科技研究所甲組《食品加工學》

Psychrometric chart（濕度圖）是一張用來表示空氣濕度特性的圖表，通常以乾球溫度（dry-bulb temperature, DBT）為橫座標，絕對濕度（absolute humidity, AH）或相對濕度（relative humidity, RH）為縱座標，並繪製出多條表示不同條件的曲線。

Psychrometric chart 的主要內容與參數：

1. 乾球溫度線 (Dry-bulb temperature lines)： 通常是垂直的線，代表空氣的實際溫度。
2. 濕球溫度線 (Wet-bulb temperature lines)： 通常是傾斜的線，代表在絕熱飽和過程中，空氣達到飽和狀態時的溫度。
3. 露點溫度線 (Dew point temperature lines)： 通常是水平的線，代表空氣中的水蒸氣開始凝結成液態水的溫度。
4. 焓值線 (Enthalpy lines)： 代表空氣的總熱含量，是乾球溫度、濕球溫度和濕度的函數。
5. 濕度比線 (Humidity ratio / Moisture content lines)： 代表單位質量乾空氣中所含的水蒸氣質量。
6. 相對濕度線 (Relative humidity lines)： 代表空氣中水蒸氣含量達到該溫度下飽和蒸氣壓的百分比。
7. 比容線 (Specific volume lines)： 代表單位質量的空氣所占的體積。

蒸發技術是利用加熱使溶液中的溶劑（通常是水）汽化，從而濃縮溶液的單元操作。在食品加工中，由於許多食品含有大量水分，濃縮是降低水分含量、延長貯存期限、方便運輸、改變產品質地或風味的重要手段。

蒸發技術在食品加工中的應用舉例：

1. 果汁濃縮： 將新鮮果汁中的水分蒸發，製成濃縮果汁，如濃縮柳橙汁、蘋果汁等。這不僅方便儲存和運輸，也便於後續加工（如製作果汁飲料、果醬）。
2. 乳品濃縮： 牛奶、煉乳、奶粉的生產過程中，都需要通過蒸發去除部分水分。例如，煉乳是將牛奶蒸發濃縮至原體積的 40% 左右製成的。
3. 糖液濃縮： 甘蔗汁、甜菜汁在製糖過程中，需要經過多道蒸發工序，去除水分，提高蔗糖的濃度，以便結晶。
4. 咖啡、茶葉濃縮： 製造濃縮咖啡液、濃縮茶液，供後續生產速溶咖啡、茶飲料等。
5. 醬油、醋等調味品濃縮： 提高調味品的風味和濃度。

單效蒸發 (Single-effect Evaporation) 與多效蒸發 (Multiple-effect Evaporation) 的設計與能量使用效率差別：

蒸發過程需要消耗大量的熱能來提供汽化潛熱。單效蒸發和多效蒸發的主要區別在於加熱蒸汽的重複利用方式，進而影響能量使用效率。

1. 單效蒸發 (Single-effect Evaporation)：

• 設計： 僅使用一套蒸發器。加熱蒸汽（通常是來自鍋爐）通過加熱管加熱待濃縮的溶液，溶液中的溶劑（水）蒸發，形成二次蒸汽。二次蒸汽通常被直接冷凝排放或用於其他非熱能用途。
• 能量使用效率： 能量使用效率較低。加熱蒸汽的熱量僅被利用一次，大部分潛熱隨著二次蒸汽被冷凝水帶走，造成熱能浪費。其傳熱推動力主要來自加熱蒸汽與二次蒸汽之間的溫度差。

2. 多效蒸發 (Multiple-effect Evaporation)：

• 設計： 由多個串聯的蒸發器（稱為「效」）組成。
  • 第一效（或稱預熱器/一效蒸發器）使用新鮮的高壓蒸汽作為加熱源。
  • 第一效產生的二次蒸汽，其溫度和壓力低於新鮮蒸汽，但仍足以作為第二效蒸發器的加熱源。
  • 第二效產生的二次蒸汽，其溫度和壓力更低，但仍能作為第三效蒸發器的加熱源，以此類推。
  • 每一效的操作壓力逐漸降低，以確保二次蒸汽的溫度足以加熱下一效的溶液。
  • 最後一效的二次蒸汽通常被送到冷凝器，與冷卻水交換熱量後冷凝。
• 能量使用效率： 能量使用效率顯著提高。加熱蒸汽的熱量被重複利用多次。理論上，n 個效的多效蒸發器，其消耗的蒸汽量約為單效蒸發的 1/n。例如，三效蒸發器相較於單效蒸發，約可節省 2/3 的蒸汽消耗。
• 設計考量：
  • 效數選擇： 效數越多，節能效果越好，但設備投資、操作複雜度、管路損耗、二次蒸汽壓力要求等也會增加。通常選擇 2-5 效較為經濟。

加熱殺菌（熱力殺菌）是食品加工中常用的滅菌方法，其目的是透過高溫破壞微生物的生理活性，達到商業無菌的目的，延長食品的貯存期。在殺菌過程中，食品內部溫度分佈不均勻是必然存在的，而「冷點」是食品內部溫度最低的區域，它決定了殺菌效果是否能達到預期。

冷點 (Cold Point) 的定義：
冷點是指在加熱過程中，食品內部最難達到預定殺菌溫度的區域。通常位於食品幾何中心或距離加熱表面最遠、熱傳導最慢的位置。殺菌效果的評估，就是以冷點的溫度達到預設的殺菌時間與溫度組合（如 121°C 持續一段時間）為準。

案例說明：肉湯汁罐頭與肉醬罐頭的冷點差異

1. 肉湯汁罐頭 (Broth Can)：

   • 特性： 肉湯汁為液態，主要成分是水、肉類萃取物、鹽分等。熱傳導方式以對流為主，尤其是在罐頭內部的液體中。
   • 冷點位置： 由於對流的幫助，熱量能較快地傳遞到罐頭的幾何中心。因此，肉湯汁罐頭的冷點通常位於罐頭的幾何中心點。
   • 加熱特性： 加熱速度相對較快，溫度分佈較均勻。

2. 肉醬罐頭 (Meat Paste Can)：

   • 特性： 肉醬是半固體或膏狀的食品，主要成分是肉塊、肉泥、脂肪、結締組織、澱粉、醬汁等。熱傳導方式以傳導為主，對流作用非常有限，甚至不存在。脂肪和結締組織的熱傳導性較差。
   • 冷點位置： 由於熱傳導效率低，熱量傳遞緩慢，冷點會比肉湯汁罐頭更靠外。通常位於罐頭的幾何中心點稍偏離中心的位置，或者在罐頭內部的最厚實、最難傳熱的區域，例如靠近罐壁的某個中心區域，或者在肉塊之間、脂肪層的中心。
   • 加熱特性： 加熱速度相對較慢，溫度分佈不均勻，中心區域需要更長的加熱時間才能達到殺菌溫度。

兩者差異的總結：

| 特徵 | 肉湯汁罐頭 (Broth Can) | 肉醬罐頭 (Meat Paste Can) |

體積越大，降溫或升溫所需的時間越久，主要是因為以下幾個關鍵因素的綜合影響：

1. 傳熱面積與體積比 (Heat Transfer Area to Volume Ratio) 降低：

   • 熱量傳遞（加熱或冷卻）的速率，很大程度上取決於物體與外界環境的接觸面積（傳熱面積）。
   • 對於相同形狀（例如球體或立方體）的物體，當體積增大時，其表面積（傳熱面積）的增長率遠小於其體積的增長率。
   • 舉例來說，一個邊長為 $L$ 的立方體，其體積為 $V = L^3$，表面積為 $A = 6L^2$。當 $L$ 增大時，體積 $V$ 的增長率是 $L$ 的三次方，而表面積 $A$ 的增長率是 $L$ 的二次方。因此，$A/V$ 的比值會隨著 $L$ 的增大而減小。
   • 這意味著，體積越大的物體，單位體積的傳熱面積就越小，熱量傳遞到內部或從內部散失的效率就越低。

2. 熱傳導距離增加 (Increased Heat Conduction Path)：

   • 熱量從物體表面傳遞到內部（或從內部傳遞到表面）需要經過一段距離。
   • 對於較大的物體，其內部距離表面最遠點（通常是幾何中心）的距離更長。

a. 乾基 (dry base, db) 和濕基 (wet base, wb) 水分含量的意義：

水分含量是描述食品（或其他物料）中水分多少的指標，在食品加工和儲存中至關重要，因為水分含量直接影響食品的品質、穩定性、微生物生長、儲存期限以及所需的加工條件。乾基和濕基是兩種常用的表示水分含量的方法，它們的計算基準不同，適用於不同的場合。

• 濕基水分含量 (Wet Basis, wb)：

  • 定義： 指食品中水分的重量佔總重量（濕重）的百分比。
  • 公式：
    $w_{wb} = \frac{W_{water}}{W_{total}} \times 100\% = \frac{W_{water}}{W_{water} + W_{solid}} \times 100\%$
    其中，$W_{water}$ 為水分重量，$W_{solid}$ 為固形物（無水物）重量，$W_{total} = W_{water} + W_{solid}$ 為總重量（濕重）。
  • 意義與應用：
    • 這是最常用的表示方法，因為在實際操作中，我們通常稱量的是濕重。
    • 數值範圍為 0% 至 100%。
    • 在描述食品的「含水量」時，濕基更直觀，例如「含水量 70% 的水果」。
    • 在食品儲藏和微生物學中，濕基水分活度 ($a_w$) 與濕基水分含量密切相關，且濕基水分含量低於一定值（例如 15-20%）時，微生物生長會受到極大抑制。

• 乾基水分含量 (Dry Basis, db)：

  • 定義： 指食品中水分的重量佔無水固形物重量的百分比。
  • 公式：
    $w_{db} = \frac{W_{water}}{W_{solid}} \times 100\%$
    其中，$W_{water}$ 為水分重量，$W_{solid}$ 為固形物（無水物）重量。
  • 意義與應用：
    • 在某些科學計算和工程分析中更為常用，特別是當關注水分變化對固形物組成的影響時。
    • 數值範圍可以大於 100%（例如，如果水分重量大於固形物重量）。
    • 在描述乾燥過程或水分移除量時，乾基有時更方便，因為固形物重量在乾燥過程中是恆定的。
    • 可以通過以下公式進行濕基與乾基之間的轉換：
      $w_{wb} = \frac{w_{db}}{1 + w_{db}}$
      $w_{db} = \frac{w_{wb}}{1 - w_{wb}}$
      （注意：此處 $w_{db}$ 和 $w_{wb}$ 指的是比例值，非百分比）

b. 稻穀乾燥計算：

• 已知條件：

  • 初始濕穀重量 ($W_{initial\_wet}$) = 200 kg
  • 初始濕穀水分含量 (濕基) ($w_{initial\_wb}$) = 30% = 0.30
  • 目標乾穀水分含量 (乾基) ($w_{final\_db}$) = 0.125 db
  • 乾燥機去除水分速率 ($R_{remove}$) = 5 kg/h

• 計算步驟：

a. 食品乾燥的主要目的及其保存效果：

食品乾燥是透過移除食品中的水分，使水分含量降低至微生物難以生長和繁殖的水平，從而達到延長食品貯存期限的目的。

主要目的：

1. 抑制微生物生長： 大多數腐敗菌、黴菌和酵母菌在生長繁殖時需要一定量的自由水（自由水分活度 $a_w$）。當食品中的水分含量降低到一定程度（通常濕基水分含量低於 15-20%，對應的 $a_w$ 值低於 0.6-0.7），微生物的生長就會受到極大限制甚至停止。
2. 減緩化學反應速率： 水分是許多食品內部化學反應（如酵素褐變、氧化、美拉德反應等）的介質或參與者。降低水分含量可以減緩這些反應的速率，從而防止食品品質的劣化，如變色、產生不良風味、營養價值損失等。
3. 降低重量和體積： 去除水分可以顯著減輕食品的重量和體積，便於儲存、運輸和包裝，降低相關成本。
4. 改變食品質地與風味： 乾燥可以產生酥脆的口感（如餅乾、零食），或為後續加工（如速溶產品）提供便利。

保存效果：
通過上述機制，乾燥技術有效地延長了食品的貨架期，使其在常溫下或較低的儲存條件下也能保持穩定，避免了因微生物腐敗和化學變化引起的品質損失。

b. 食品在乾燥過程中，水分被移除的兩種主要機制：

食品中的水分移除主要透過兩種機制進行：

1. 蒸發 (Evaporation)：

   • 原理： 這是最主要的機制。水分從食品表面蒸發到周圍的氣體（通常是空氣）中。這個過程需要能量（汽化潛熱），通常由加熱的空氣或物料本身提供。
   • 過程： 水分子在食品表面獲得足夠的動能，克服表面張力和與周圍分子的作用力，從液態轉變為氣態，並擴散到周圍環境中。
   • 影響因素： 蒸發速率受環境溫度、濕度、空氣流速、表面積、以及食品內部水分向表面傳輸的速率等多種因素影響。

2. 昇華 (Sublimation)：

   • 原理： 在冷凍乾燥（freeze-drying）過程中，水分直接從固態（冰）轉變為氣態（水蒸氣），而無需經過液態。
   • 過程： 食品在冷凍狀態下，於低壓（真空）環境中進行乾燥。此時，冰的蒸氣壓低於周圍環境的壓力，冰塊直接昇華為水蒸氣，並被真空系統抽出。
   • 影響因素： 主要受真空度、物料溫度（略低於冰點）和熱量供應的影響。

補充說明：
雖然蒸發是普遍的機制，但對於某些特定乾燥方式（如冷凍乾燥），昇華是關鍵的水分移除機制。在一般的熱風乾燥中，主要都是蒸發。

益生菌食品是含有對宿主健康有益的活微生物的食品。為了確保這些微生物在食品中的存活和活性，從產品設計到加工製程都需要特別的考量。

a. 益生菌產品設計階段的關鍵考量因素：

在設計益生菌產品時，有許多因素需要考慮，其中兩個關鍵因素是：

1. 選擇合適的益生菌菌株 (Selection of Suitable Probiotic Strains)：

   • 考量內容： 菌株的來源、特性、功能性（如對特定健康益處的證明）、耐受性（如對胃腸道環境的耐受性、對加工條件的耐受性）、以及市場接受度。
   • 重要性： 不同的菌株具有不同的功效和生存能力。例如，有些菌株對熱、酸或氧氣較敏感，不適合用於需要高溫加工或長時間儲存的食品。選擇具有良好科學證據支持其健康益處且能在目標食品基質中存活的菌株至關重要。同時，菌株的安全性（GRAS認證等）也是首要條件。

2. 食品基質的兼容性與穩定性 (Food Matrix Compatibility and Stability)：

   • 考量內容： 益生菌需要與食品基質（如pH值、水分活度、營養成分、添加物等）相容，並且在整個產品的貨架期內保持活性。
   • 重要性： 食品基質的物理化學特性對益生菌的存活率有直接影響。例如，酸性環境（低pH）或高水分活度可能不利於某些菌株的生存。某些食品成分（如抗生素、過氧化物）可能具有抑菌作用。產品的包裝（如阻隔性、是否避光）和儲存條件（溫度、濕度）也直接影響益生菌的穩定性。產品設計時需確保基質不會殺死益生菌，並能提供一定的保護。

b. 常用加工技術對益生菌存活率與產品穩定性的影響：

這裡以微膠囊化 (Microencapsulation) 技術為例進行說明：

• 微膠囊化技術：
  • 原理： 將益生菌細胞包裹在一個保護性外殼（微膠囊）中，形成微小的顆粒。常用的包埋材料包括海藻酸鈉、殼聚醣、果膠、乳化劑、蛋白質、多醣等。
  • 影響益生菌存活率：

巴氏殺菌 (Pasteurization) 和滅菌 (Sterilization) 都是利用熱力來降低食品中微生物數量、延長食品貯藏期的熱加工方法。然而，它們的目標、條件和結果有顯著差異。

食品發酵是利用微生物（如細菌、酵母菌、黴菌）的代謝作用，將食品中的碳水化合物、蛋白質等轉化為另一種產物，以改善食品的風味、質地、營養價值或保存性。固態發酵和液態發酵是兩種主要的發酵方式，它們在基質、操作條件、微生物生長方式及應用上有所不同。

食品包裝是食品生產和行銷環節中不可或缺的一部分，它不僅僅是保護食品的容器，更承載著多方面的功能。從 containment, protection, convenience, communication 四個層面來論述其目的與功能：

1. Containment (容納與盛裝)：

   • 目的： 這是食品包裝最基本的功能，即將食品安全、衛生地容納在包裝材料內。
   • 功能：
     • 確保產品完整性： 避免食品在搬運、儲存和銷售過程中散失、洩漏或變形。
     • 衛生保障： 防止外部污染物（如灰塵、微生物、異物）進入食品，確保食品衛生安全。
     • 方便處理： 使食品易於定量、單位化，方便生產線的自動化處理、倉儲管理和消費者購買。例如，將散裝的穀物包裝成小袋，或將液體裝入瓶罐。

2. Protection (保護)：

   • 目的： 保護食品免受各種內外因素的影響，維持其品質、安全性和營養價值。
   • 功能：
     • 物理保護： 防止食品在運輸和搬運過程中受到擠壓、碰撞、震動等物理損傷。例如，使用堅固的紙箱、氣泡膜緩衝。
     • 化學保護： 阻隔氧氣、濕氣、光線、揮發性物質等，防止食品氧化、吸潮、光照分解、異味滲入等化學變質。例如，使用具有高阻隔性的複合膜包裝，或採用充氮包裝。
     • 生物保護： 阻止微生物的侵入，防止食品在儲存過程中腐敗。對於需要延長保質期的食品，包裝還可能結合滅菌（如熱封滅菌）或使用抗菌材料。
     • 防止異物污染： 確保食品在從生產線到消費者手中的過程中，不被外部異物污染。

3. Convenience (便利性)：

   • 目的： 提升食品在儲存、攜帶、開啟、使用和處理方面的便利性，滿足現代消費者對便捷生活的需求。
   • 功能：