108 年 國立臺灣大學食品科技研究所丙組《食品加工學》

此題主要在探討氣調包裝 (MAP) 的原理、應用與限制。

核心觀念：
氣調包裝 (MAP) 是一種利用改變包裝內部氣體成分來延長食品保鮮期的技術。其原理是透過調整氣體比例，抑制微生物生長與食品本身氧化、呼吸作用，進而減緩食品劣變。

詳解：

1. 原理 (Principle)：
   氣調包裝的原理是透過改變包裝內的氣體組成，以達到延長食品保鮮期的目的。主要透過以下幾個方面：

   • 降低氧氣 (O₂) 濃度： 氧氣是許多好氧性微生物生長和許多氧化反應（如脂肪氧化、酵素褐變）的必需物質。降低 O₂ 濃度可以有效抑制這些劣變過程。
   • 提高二氧化碳 (CO₂) 濃度： CO₂ 對多數微生物具有抑制作用，特別是對細菌和黴菌。其抑制機制包括：
     • 滲透壓效應： CO₂ 溶解於食品表面水分中形成碳酸，降低 pH 值，影響微生物細胞膜的通透性。
     • 細胞內機制： CO₂ 可穿透微生物細胞膜，影響細胞內代謝，如抑制酶活性，干擾核酸合成等。
     • 改變氧化還原電位： CO₂ 具有輕微的還原性，有助於抑制氧化反應。
   • 調整氮氣 (N₂) 濃度： 氮氣是一種惰性氣體，在氣調包裝中主要作為填充氣體，以取代氧氣，維持包裝的體積，防止包裝塌陷，並作為稀釋 CO₂ 和其他氣體的載體。

2. 處理方法 (Processing Methods)：
   氣調包裝的處理方法主要有兩種：

   • 主動式氣調包裝 (Active MAP)： 在包裝過程中，主動加入特定比例的氣體（通常是 N₂, CO₂, O₂ 的混合氣體）。這種方法可以精確控制包裝內的氣體組成。
   • 被動式氣調包裝 (Passive MAP)： 利用包裝材料本身的透氣性，以及食品本身的呼吸作用，在密封後，包裝內的氣體成分會自行達到一個動態平衡。

此題考驗對食品添加物磷酸鹽在重組肉中的功能、健康影響及替代方案的理解。

核心觀念：
磷酸鹽是食品加工中常用的添加物，能改善肉品的質地、保水性及色澤。在重組肉的製程中，其作用尤為重要。

詳解：

1. 磷酸鹽的作用機制 (Mechanism of Action)：
   磷酸鹽在重組肉中的主要作用機制如下：

   • 提高保水性 (Water Holding Capacity)： 磷酸鹽（特別是磷酸二氫鹽與磷酸氫鹽的混合物）能提高肉品中的 pH 值。肉品蛋白質（主要是肌球蛋白）在 pH 值接近其等電點 (isoelectric point) 時，蛋白質分子間的靜電斥力減小，疏水性基團暴露，導致蛋白質吸水膨脹，並能結合更多水分。此外，磷酸鹽能與肌球蛋白結合，使其結構舒展，增加結合水分的能力。
   • 改善質地與結著性 (Texture and Binding)： 透過提高 pH 值和改變蛋白質結構，磷酸鹽能使碎肉顆粒之間的蛋白質更容易溶解和擴散，形成更佳的凝膠網絡，從而增強重組肉的結著性，使其在烹調過程中不易鬆散。
   • 抗氧化作用 (Antioxidant Effect)： 某些磷酸鹽（如焦磷酸鹽）具有螯合金屬離子（如銅、鐵）的能力，這些金屬離子是催化脂肪氧化的催化劑。透過螯合這些離子，磷酸鹽可以延緩脂肪氧化，減少異味產生，並有助於維持肉品的鮮紅色澤。
   • 抑制微生物生長 (Microbial Inhibition)： 磷酸鹽能輕微提高 pH 值，營造不利於部分微生物生長的環境，但此作用相對較弱，主要還是依靠其他保鮮手段。

2. 對健康的影響 (Health Effects)：
   磷酸鹽作為食品添加物，其對健康的影響主要與攝取過量有關：

   • 鈣磷平衡失調： 過量攝取磷酸鹽（特別是無機磷酸鹽）可能干擾體內鈣、磷的平衡。人體會透過腎臟排出多餘的磷，但長期攝取過量可能增加腎臟負擔。
   • 骨骼健康： 磷是骨骼的重要成分，但過多的磷會與鈣競爭吸收，或促使鈣從骨骼釋出，長期下來可能影響骨骼健康，增加骨質疏鬆的風險。
   • 心血管疾病風險： 一些研究指出，高磷攝取可能與心血管疾病的風險增加有關，但這方面的關聯性仍需更多研究證實。
   • 一般建議： 雖然磷是人體必需的元素，但食品中的無機磷酸鹽攝取量應注意控制。一般人從天然食物中獲取的磷已足夠，額外攝取加工食品中的磷酸鹽需適量。

此題主要探討食品加工中的「柵欄技術」(Hurdle Technology)，並以東北酸菜的製作過程為例進行說明。

核心觀念：
柵欄技術是一種食品保藏策略，透過組合多種影響微生物生長的因素（即「柵欄」），形成一個不利於微生物生長和劣變的環境，從而延長食品的貨架期。這些柵欄因素包含物理、化學、生物等不同層面。

詳解：

1. 柵欄技術 (Hurdle Technology) 的定義與原理：
   柵欄技術的核心概念是「多重屏障」。單一的保藏因子（如僅靠高鹽或僅靠低溫）可能不足以有效抑制所有劣變微生物，且可能顯著影響食品的風味和質地。但透過組合多種強度較低的保藏因子，這些因子能夠產生協同作用，共同創造一個嚴苛的環境，使微生物難以適應和生長，從而達到長期的食品保藏。
   常見的柵欄因子包括：

   • 物理因子： 高溫處理 (熱處理)、低溫儲藏 (冷藏、冷凍)、脫水、輻射滅菌、高壓處理、包裝（如氣調包裝）。
   • 化學因子： 高鹽、高糖、低 pH 值 (酸度)、氧化還原電位 (ORP) 的降低、己二烯酸、苯甲酸等化學防腐劑、煙燻。
   • 生物因子： 有益微生物（如益生菌、發酵菌種）、益生元。
   • 結構因子： 食品基質的結構，如脂肪含量、水分活度 (a<0xE1><0xB5><0xA3>)。

2. 酸菜製作與保存過程中的柵欄技術應用：
   東北酸菜的製作過程是一個典型的發酵保藏過程，其中應用了多種柵欄技術：

   • 原料處理 (選用與清洗)：

     • 選擇適合的白菜： 選擇葉片緊實、含水量適中的大白菜，這有利於後續的發酵。
     • 清洗： 雖然清洗可以去除部分污垢和雜菌，但也會洗掉附著在白菜表面的天然乳酸菌，有時會刻意保留一部分，或額外接種發酵菌種。

   • 鹽漬 (Salt Brining)：

     • 柵欄因子： 高鹽濃度。
     • 作用： 鹽漬是關鍵的第一步。鹽滲透到白菜組織中，一方面提高滲透壓，抑制腐敗菌和病原菌的生長；另一方面，鹽能促進乳酸菌的生長，因為乳酸菌對鹽的耐受性相對較高。鹽也能幫助釋放白菜內的水分。

   • 厭氧發酵 (Anaerobic Fermentation)：

     • 柵欄因子： 低 pH 值 (由乳酸菌產生乳酸)、低氧化還原電位 (ORP)、競爭性抑制 (由優勢菌種產生抑制物質)。
     • 作用： 透過將白菜緊密壓實，並用重物壓緊（或使用密封容器），創造厭氧環境。

這是一題關於臭氧（O₃）在食品加工中應用的化學知識題，主要考查臭氧的產生方式及其殺菌、殺蟲機制。

核心觀念：
臭氧是一種強氧化劑，具有廣泛的殺菌、殺蟲和除臭能力。其應用於食品加工，主要是利用其強氧化性來達到目的。

詳解：

1. 臭氧的產生機制 (Generation Mechanism)：
   臭氧 (O₃) 是一種不穩定的三原子氧分子，它不能像氧氣 (O₂) 那樣大量存在於空氣中。在常溫常壓下，臭氧主要透過以下兩種方式產生：
   • 高壓放電法 (Corona Discharge)： 這是目前最常見的工業生產臭氧的方法。將乾燥的空氣或純氧氣通過一個高壓電場（放電隙）中。在高能量的電弧放電作用下，氧氣分子 (O₂) 會分解成高活性的氧原子 (O)。這些氧原子隨後會與未分解的氧氣分子反應，生成臭氧分子 (O₃)。
     反應式：
     $3O_2 \xrightarrow{高壓放電} 2O_3$
     或者更詳細的過程：
     $O_2 \xrightarrow{放電} 2O$
     $O + O_2 \rightarrow O_3$
   • 紫外線照射法 (UV Irradiation)： 利用特定波長（約 185 nm）的紫外線照射氧氣。紫外線能量可以裂解氧氣分子，生成氧原子，再進一步生成臭氧。
     反應式：
     $O_2 \xrightarrow{UV(185nm)} 2O$

此題為食品加工中常見的熱力殺菌計算題，考驗對滅菌時間、溫度與 Z 值關係的理解。

核心觀念：
熱力殺菌的效率與溫度密切相關。Z 值定義了當溫度變化 10°C 時，滅菌曲線 (D 值對溫度的對數圖) 的斜率倒數，也就是說，當溫度每升高或降低 10°C 時，達到相同滅菌效果所需的時間會變成原來的十分之一或十倍。

詳解：

1. 滅菌原理與 Z 值定義：

   • D 值 (Decimal Reduction Time)： 指在特定溫度下，將某種微生物的數量減少到原來的十分之一 (1 log reduction) 所需的時間。D 值越小，表示該微生物在該溫度下越容易被殺滅。
   • Z 值 (Z-value)： 指當溫度每改變 10°C 時，D 值變成原來的十分之一或十倍的溫度變化量。它代表了微生物對溫度的敏感度。
     $Z = -\frac{\Delta T}{\log(D_2/D_1)} = \frac{T_2 - T_1}{\log(D_1/D_2)}$
     其中：
     $T_1, T_2$ 為兩個不同的溫度。
     $D_1, D_2$ 為在 $T_1, T_2$ 溫度下對應的 D 值。

2. 計算步驟與公式說明：
   題目給定：

   • 原始溫度 $T_1 = 80^\circ C$
   • 原始時間 $t_1 = 10$ 分鐘
   • 目標溫度 $T_2 = 100^\circ C$
   • Z 值 $Z = 20^\circ C$
   • 要求：在 $T_2$ 下達到與 $t_1$ 在 $T_1$ 下相同的滅菌效果所需時間 $t_2$。

   我們可以利用 Z 值來計算在不同溫度下的 D 值變化，進而推算時間。
   首先，我們假設在 $T_1 = 80^\circ C$ 下，達到 10 分鐘滅菌效果所對應的 D 值為 $D_{80}$。
   然後，我們需要計算在 $T_2 = 100^\circ C$ 下，達到相同滅菌效果所需的 D 值 $D_{100}$。

   根據 Z 值的定義，溫度每升高 10°C，D 值變成原來的十分之一。題目給定的 Z 值是 20°C，這意味著：

   • 溫度每升高 20°C，D 值變成原來的十分之一 (1/10)。
   • 溫度每降低 20°C，D 值變成原來的十倍 (10)。

   我們需要計算 $D_{100}$ 相對於 $D_{80}$ 的比例。
   溫度差 $\Delta T = T_2 - T_1 = 100^\circ C - 80^\circ C = 20^\circ C$。
   根據 Z 值公式：
   $\log(D_1/D_2) = \frac{\Delta T}{Z}$
   在這裡，我們將 $T_1=80^\circ C$ 設為 $D_1$ 的參考溫度， $T_2=100^\circ C$ 設為 $D_2$ 的參考溫度。
   $\log(D_{80}/D_{100}) = \frac{100^\circ C - 80^\circ C}{20^\circ C} = \frac{20^\circ C}{20^\circ C} = 1$
   $D_{80}/D_{100} = 10^1 = 10$
   這意味著，$D_{80} = 10 \times D_{100}$，或者說 $D_{100} = D_{80} / 10$。
   也就是說，在 100°C 下，殺滅相同數量微生物所需的 D 值是 80°C 下 D 值的十分之一。

   現在我們知道，在 80°C 下，10 分鐘的加熱時間達到了某種程度的滅菌效果。我們假設這個效果是 $N$ 倍的 D 值。
   所以，$t_1 = N \times D_{80} = 10$ 分鐘。
   我們需要在 100°C 下達到相同的滅菌效果，也就是需要 $N$ 倍的 $D_{100}$。
   所以，$t_2 = N \times D_{100}$。

此題考查食品冷凍與解凍的各種方法及其優缺點，屬於食品加工與儲藏學的基礎知識。

核心觀念：
冷凍是將食品溫度降低至冰點以下，以抑制微生物生長和酵素活性，延長食品保鮮期。解凍則是將冷凍食品恢復到可供食用或進一步加工的狀態。不同的方法對食品的品質影響不同。

詳解：

一、 食品冷凍方法 (Food Freezing Methods)

食品冷凍的目標是盡快將食品溫度降低至冰點以下，並使大部分水分凍結成冰晶，以達到最佳的保鮮效果。凍結速度是關鍵，快速冷凍能形成較小的冰晶，減少對細胞結構的破壞。

1. 空氣冷凍法 (Air Freezing)：

   • 方法： 將食品置於低溫 (-18°C 至 -35°C) 的冷凍庫中，利用高速循環的冷空氣與食品接觸進行熱交換。
   • 分類：
     • 靜置式冷凍 (Still Air Freezing)： 空氣流速慢，凍結速度較慢。
     • 強制對流式冷凍 (Forced Convection Freezing)： 利用風扇加速空氣循環，凍結速度較快（常用於隧道式冷凍機 Tunnel Freezer）。
   • 優點： 設備相對簡單，操作靈活，適用於各種形狀和大小的食品，適合冷凍散裝食品（如 IQF - Individually Quick Frozen）。
   • 缺點： 凍結速度相對較慢（相較於接觸式或浸漬式），可能導致食品表面脫水（凍燒，freezer burn）和冰晶較大，影響質地。

2. 接觸式冷凍法 (Contact Freezing / Plate Freezing)：

   • 方法： 將食品夾在兩片或多片金屬冷卻板之間，透過直接接觸進行熱傳導。冷卻板內的冷媒（如氨、氟利昂）循環，維持低溫。
   • 優點： 凍結速度快，熱傳導效率高，節省空間，設備相對緊湊。適合冷凍形狀規則、較扁平的食品（如魚片、肉塊、漢堡排）。
   • 缺點： 僅適用於形狀規則、厚度均勻的食品，不適合散裝或不規則形狀的食品。

3. 浸漬式冷凍法 (Immersion Freezing)：

   • 方法： 將食品直接浸漬在低溫的冷凍液體中。
   • 冷凍液體：
     • 鹽水 (Brine)： 如濃度 20-25% 的 NaCl 溶液，冰點極低（約 -21°C）。
     • 糖水 (Sugar Solution)： 如蔗糖溶液。
     • 甘油 (Glycerol) 或酒精 (Alcohol)： 冰點極低，但成本較高，且需注意食品安全。
     • 液態氮 (Liquid Nitrogen, LN₂) 或二氧化碳 (CO₂)： 極低溫（LN₂ 約 -196°C，乾冰約 -78.5°C），凍結速度極快。
   • 優點： 凍結速度非常快，能形成微小冰晶，最大程度保持食品原有質地、色澤和營養。LN₂ 和 CO₂ 凍結能達到超低溫快速凍結。
   • 缺點： 食品表面可能吸收冷凍液體中的成分（如鹽、糖），影響風味；LN₂ 和 CO₂ 成本高，且需特殊設備和操作安全措施。

4. 低溫冷凍劑冷凍法 (Cryogenic Freezing)：

   • 方法： 使用液態氮 (LN₂) 或液態二氧化碳 (LCO₂) 作為冷凍介質。
   • 優點： 凍結速度最快，形成最小冰晶，對食品品質的破壞最小，能有效保持新鮮度。
   • 缺點： 成本高，需要專業設備和安全防護。

二、 食品解凍方法 (Food Thawing Methods)

解凍的目標是盡快將食品從冷凍狀態恢復到適宜食用的溫度，同時盡量減少水分流失、營養損失和品質劣變。

1. 低溫解凍法 (Temperate Thawing)：
   • 方法： 將冷凍食品放置在低溫環境中解凍，如冷藏庫 (4-10°C) 或室溫 (約 20-25°C)。

此題為食品單元操作中關於噴霧乾燥的詳細探討，包含設備結構、功能以及操作參數對產品影響的分析。

核心觀念：
噴霧乾燥是一種快速將液體或懸浮液轉化為粉末的乾燥技術。其核心原理是將液體霧化成細小液滴，並在熱空氣流中快速蒸發水分，形成乾燥的粉末。

詳解：

a. 食品噴霧乾燥系統之結構及各單元功能 (System Structure and Unit Functions)

食品噴霧乾燥系統主要包含以下幾個單元：

1. 進料系統 (Feeding System)：

   • 功能： 將待乾燥的液體或懸浮液（如果汁、牛奶、醬油、咖啡液、酵母菌液、蛋白質溶液等）穩定地輸送至霧化器。
   • 設備： 通常使用齒輪泵、柱塞泵或離心泵，配合穩壓裝置，以確保進料流量和壓力穩定。

2. 霧化器 (Atomizer)：

   • 功能： 將液體原料分散成極細小的液滴，以增大其與熱空氣的接觸面積，加速水分蒸發。液滴的大小對乾燥速率、粉末粒徑和流動性有重要影響。
   • 類型：
     • 離心式霧化器 (Centrifugal Atomizer)： 利用高速旋轉的圓盤或碗狀結構，將液體甩出形成細霧。適用於較大處理量，可控制粒徑。
     • 壓力式霧化器 (Pressure Nozzle Atomizer)： 將液體加壓通過特製的噴嘴，產生細小的液滴。結構簡單，成本較低，但易堵塞，粒徑較難控制。
     • 氣流式霧化器 (Two-fluid Nozzle Atomizer)： 利用壓縮空氣或蒸汽與液體混合，產生細霧。霧化效果好，能處理黏度較高的物料，但需要壓縮空氣源。

3. 乾燥室 (Drying Chamber)：

   • 功能： 這是噴霧乾燥的核心部分，熱空氣在此與霧化後的液滴接觸，進行傳熱和傳質。乾燥室通常設計成圓柱形，上部或側面引入熱空氣，下部收集產品。
   • 設計考量： 尺寸、形狀、進風方式（順流、逆流、混流）會影響乾燥效率、產品粒徑分佈和粉塵飛散。
     • 順流式 (Co-current)： 熱空氣與霧滴同方向流動。適用於熱敏性物料，因液滴在氣流剛進入時溫度較高，但隨後氣溫下降，可避免過度乾燥。
     • 逆流式 (Counter-current)： 熱空氣與霧滴反方向流動。乾燥效率高，適合處理黏度較大或需要較大粒徑的產品，但可能導致過度乾燥。
     • 混流式 (Mixed-flow)： 結合順流和逆流的優點。

4. 熱風系統 (Hot Air System)：

   • 功能： 提供高溫、乾燥的空氣作為熱源，驅動水分蒸發。
   • 設備： 包括熱源（如燃氣爐、電加熱器、蒸汽加熱器）和風機，以及空氣過濾和溫度控制裝置。

5. 分離收集系統 (Separation and Collection System)：

   • 功能： 將乾燥後產生的粉末從氣流中分離出來並收集。
   • 設備：
     • 旋風分離器 (Cyclone Separator)： 利用離心力將較大的粉末顆粒從氣流中分離出來。這是最常見的收集裝置。
     • 袋濾器 (Bag Filter / Fabric Filter)： 對於較細的粉末，旋風分離器可能無法完全捕集，需用袋濾器進行二次過濾，以提高收率並減少粉塵排放。
     • 集粉桶 (Collection Bin)： 收集分離出的粉末。

6. 氣體排放系統 (Exhaust System)：

   • 功能： 將經過乾燥室和分離系統後，水分含量增加、溫度降低的廢氣排放到大氣中。

簡圖示意：