109 年 國立臺灣大學食品科技研究所丙組《食品加工學》

本題主要在考驗考生對於現代食品保鮮技術的了解，特別是針對非加熱處理技術的原理、優缺點。非加熱處理技術因能保留食品的營養、風味、色澤，並減少熱處理可能產生的不良影響，近年來受到廣泛的關注。

核心觀念： 非加熱食品保鮮技術透過物理或化學方法，在不大幅提升溫度或不使用高溫的條件下，達到殺滅微生物、抑制酵素活性，進而延長食品保存期限的目的。

解題步驟：

a. Cold plasma (低溫電漿)

• 原理： 低溫電漿是一種由離子、自由基、電子、光子等活性物質組成的部分電離氣體。當氣體在電場作用下，會產生低溫電漿。這些活性物質能夠破壞微生物的細胞膜、細胞壁，氧化其細胞內的蛋白質、核酸，進而達到殺菌效果。同時，低溫電漿也能使食品表面的化學物質發生反應，可能影響其風味或質地。
• 優點：
  • 非熱處理，能最大程度保留食品的營養成分、風味、色澤。
  • 處理時間短，效率高。
  • 可處理不規則形狀的食品表面。
  • 能殺滅廣泛的微生物，包括細菌、黴菌、酵母菌等。
  • 對食品的物理化學性質影響較小。
• 缺點：
  • 穿透力有限，主要作用於食品表面，對於內部微生物的殺滅效果較差。
  • 長期或高強度處理可能對食品的風味、質地產生不利影響。
  • 設備成本較高，操作技術要求較高。
  • 目前大規模工業化應用仍在發展中。

b. High pressure process (HPP) (高壓處理)

• 原理： 高壓處理是利用極高的靜水壓力（通常在 100-1000 MPa 之間）來處理食品。高壓會引起微生物細胞膜的通透性改變，導致細胞內容物外洩，或直接破壞細胞結構，進而達到殺菌效果。同時，高壓也能使蛋白質變性，抑制酵素活性，延長食品的保存期限。
• 優點：
  • 非熱處理，能保留食品的天然風味、色澤、營養成分，對熱敏感的維生素破壞較少。
  • 對食品的質地影響較小，能保持食品的「新鮮感」。
  • 能有效殺滅大部分的細菌、酵母菌、黴菌，包括一些耐熱的孢子。
  • 能抑制酵素活性，延長食品的貨架期。

本題主要在探討乾燥過程中的空氣熱力學性質及其對乾燥效率與食品品質的影響。理解這些參數的定義及其相互關係，是優化乾燥過程的關鍵。

核心觀念： 空氣的熱力學性質（溫度、濕度）決定了其攜帶水氣的能力，進而影響熱空氣乾燥時水氣從食品表面蒸發的速率，同時也可能影響食品的品質。

解題步驟：

一、 空氣熱力學參數定義：

1. 乾球溫度 (Dry-bulb temperature, $T_{db}$)：

   • 定義： 指空氣的實際溫度，是通過標準溫度計測得的溫度。它代表了空氣所含的熱能。
   • 意義： 乾球溫度是影響空氣攜帶水氣能力的主要因素之一，溫度越高，空氣能容納的水蒸氣越多。

2. 濕球溫度 (Wet-bulb temperature, $T_{wb}$)：

   • 定義： 將一個浸濕的紗布包裹的溫度計，放在流動的空氣中，當蒸發達到平衡時所測得的溫度。
   • 意義： 濕球溫度代表了空氣中水蒸氣的潛熱，它與空氣的濕度有關。當空氣越乾燥（水蒸氣含量越少），水分蒸發越快，濕球溫度就越低。當空氣達到飽和時（相對濕度 100%），濕球溫度等於乾球溫度。濕球溫度是判斷空氣濕度的一個重要指標。

3. 絕對濕度 (Absolute humidity, AH)：

   • 定義： 指單位體積的空氣中所含的水蒸氣的質量。通常以克/立方米 (g/m³) 表示。
   • 意義： 絕對濕度直接表示了空氣中水蒸氣的含量。在乾燥過程中，我們希望使用的熱空氣具有較低的絕對濕度，以便能吸收食品中的水分。

4. 相對濕度 (Relative humidity, RH)：

   • 定義： 指在一定的溫度和壓力下，空氣中所含水蒸氣的實際量與該條件下空氣所能容納的最大水蒸氣量（飽和水蒸氣量）之比，通常以百分比 (%) 表示。
   • 公式： $RH = \frac{P_v}{P_{sat}} \times 100\% = \frac{AH}{AH_{sat}} \times 100\%$，其中 $P_v$ 為水蒸氣的分壓，$P_{sat}$ 為飽和水蒸氣的分壓，$AH$ 為實際絕對濕度，$AH_{sat}$ 為飽和絕對濕度。
   • 意義： 相對濕度反映了空氣接近飽和的程度。相對濕度越低，空氣越乾燥，其蒸發能力越強。

二、 空氣熱力學參數與乾燥效率及食品品質的關係：

本題主要考驗考生對冷凍濃縮技術的理解，包括其基本原理、所使用的設備類型以及實際操作方法。冷凍濃縮是一種相對溫和的濃縮方法，特別適用於熱敏感的液體食品。

核心觀念： 冷凍濃縮是利用水的冰點比食品中其他溶質（如糖、鹽、蛋白質等）的冰點低這一特性，通過控制冷凍過程，使水優先結晶析出，從而將液體中的溶質分離出來，達到濃縮的目的。

解題步驟：

一、 原理 (Principle)：

冷凍濃縮的基本原理是基於水與溶質之間冰點的差異。當液體食品開始冷凍時，由於純水比溶質的冰點高，因此水會首先結晶形成冰。這些冰晶析出後，溶液中的溶質濃度會相對升高，從而達到濃縮的效果。

• 水與溶質的冰點差異： 純水的冰點為 $0^\circ \text{C}$。當水中溶解有溶質（如糖、鹽、蛋白質、有機酸等）時，溶液的冰點會降低（根據拉午爾定律，冰點下降值與溶質的摩爾濃度成正比）。
• 選擇性結晶： 在冷凍過程中，當溫度達到溶液的冰點時，首先析出的固體是相對純淨的水冰，而大部分溶質會留在未凍結的液相中。
• 分離冰晶： 通過機械方法（如離心、過濾、刮擦等）將水冰從濃縮的液相中分離出來，即可得到濃縮液。

二、 設備 (Equipment)：

冷凍濃縮的設備通常需要具備冷凍、攪拌、冰晶分離等功能。常見的設備有：

1. 管狀冰機 (Tube ice maker) 或 板式冰機 (Plate ice maker) 的變形：

   • 原理： 這些設備通常包含一個冷凍夾套的圓筒或平板，內部有攪拌器或刮刀。液體在夾套內流動冷凍，水冰在內壁形成，刮刀或攪拌器將冰刮下，並與濃縮液混合。
   • 主要組件： 冷凍夾套、攪拌器/刮刀、冷凍系統、濃縮液出口、冰晶/濃縮液混合物出口。

2. 離心式冷凍濃縮機 (Centrifugal freeze concentrator)：

   • 原理： 類似於離心機，將液體食品在低溫下冷凍，形成冰晶和濃縮液的混合物，然後通過離心作用將冰晶與濃縮液分離。
   • 主要組件： 冷凍轉鼓、刮刀（用於刮下冰晶）、離心分離系統、濃縮液收集系統。

3. 連續式刮板式冷凍濃縮機 (Continuous scraped-surface freezer concentrator)：

   • 原理： 這是目前較為常見和高效的設備。液體食品在一個或多個具有冷凍夾套的圓筒內流動，內部有高速旋轉的刮刀，不斷刮除在筒壁上形成的冰晶。這種設備可以實現連續進料和出料，效率高，且能得到較細小的冰晶，有利於分離。

本題主要考驗考生對植物蛋白（特別是大豆分離蛋白）加工製成素肉製品（以素漢堡為例）的理解，包括其加工原理、配方設計（添加物）以及所需的設備。

核心觀念： 素肉製品的生產，特別是模仿肉類質地的產品，需要利用蛋白質的變性、凝膠化、擠壓膨縮等特性，結合其他配料來模擬肉的風味、質地和外觀。大豆分離蛋白 (SPI) 因其高蛋白質含量和良好的功能性，是生產素肉的理想原料。

解題步驟：

一、 可能的製程 (Possible Processing Steps)：

生產以大豆分離蛋白為原料的素漢堡，其製程大致可分為以下幾個階段：

1. 配料混合 (Ingredient Mixing)：

   • 將大豆分離蛋白粉與其他乾性配料（如澱粉、纖維、調味料、色素等）在混合機中均勻混合。
   • 同時，將濕性配料（如水、油、醬料、香料、黏結劑等）準備好。

2. 製漿/糊化 (Slurry/Paste Formation)：

   • 將混合好的乾性配料與濕性配料（或部分濕性配料）在混合機或專用製漿機中充分混合，形成均勻的蛋白質漿料或麵團。
   • 此階段需要確保蛋白質充分水合，並可能通過加熱或剪切作用，使蛋白質開始部分變性。

3. 擠壓膨化 (Extrusion Cooking) - （可選，常用於生產結構化組織蛋白）：

   • 如果目標是生產具有纖維狀結構的組織化植物蛋白 (TVP)，則會採用擠壓膨化技術。
   • 將蛋白質漿料通過高溫高壓的擠壓機，在擠壓過程中，蛋白質在熱、機械剪切和壓力作用下發生劇烈變性、取向和凝膠化，形成類似肉的纖維結構。
   • 擠壓後的產物（如組織化大豆蛋白）可以進一步加工。

4. 塑形/壓製 (Forming/Pressing)：

   • 若採用擠壓組織蛋白： 將擠壓後的產物切塊或切絲，然後與其他配料（如黏結劑、脂肪、調味料）混合，再通過塑形機壓製成漢堡肉餅的形狀。
   • 若直接使用蛋白質漿料： 將蛋白質漿料直接通過塑形機（如壓片機、滾壓機）壓製成所需形狀和厚度的漢堡肉餅。此方法通常製作出的質地不如擠壓組織蛋白。

5. 熟化/預處理 (Curing/Pre-cooking) - （可選）：

   • 某些製程可能包含一個預煮或熟化步驟，例如通過蒸煮、烤箱烘烤等方式，使蛋白質進一步凝膠化，穩定結構，並改善風味。

6. 烹調/包裝 (Cooking/Packaging)：

   • 最終的素漢堡肉餅可以進行包裝銷售（冷凍或冷藏），或在銷售前進行最終的烹調（煎、烤等）。

二、 所需的添加物 (Required Additives)：

為了模擬肉的質地、風味、顏色和營養，並保證產品的穩定性，通常需要添加以下幾類物質：

1. 結構改良劑/黏結劑 (Structuring Agents/Binders)：
   • 澱粉類： 如玉米澱粉、馬鈴薯澱粉、小麥澱粉、樹薯澱粉等，能增加黏度，提供結構支撐，改善口感。
   • 植物纖維： 如小麥纖維、豌豆纖維、竹纖維等，能增加產品的纖維感和咀嚼感，同時幫助鎖住水分。
   • 膠體： 如甲基纖維素 (MC)、羥丙基甲基纖維素 (HPMC)、卡拉膠、鹿角菜膠等，能提高蛋白質漿料的黏度，有助於塑形，並在加熱時形成凝膠網絡，提供類似肉的彈性。
   • 雞蛋清蛋白/乳清蛋白： （如果產品不是嚴格的純素，而是素食者可食用的話）可以作為良好的黏結劑和結構形成劑。

本題主要考驗考生對無菌加工與包裝技術的理解，特別是其在果汁生產中應用，以實現常溫貯存。這是一項重要的食品加工技術，旨在延長產品的貨架期並減少對冷鏈的依賴。

核心觀念： 無菌加工與包裝 (Aseptic Processing and Packaging) 是一種將產品與包裝材料分別進行滅菌，然後在無菌環境下進行組合和密封的技術。其核心在於徹底殺滅產品中的微生物，並在滅菌後的產品與滅菌後的包裝之間創造一個無菌屏障，從而實現產品的常溫貯存。

解題步驟：

一、 加工原理 (Processing Principle)：

無菌加工與包裝的原理是基於「分別滅菌，無菌組合」。

1. 產品滅菌 (Product Sterilization)：

   • 將需要加工的液體食品（如果汁）進行高溫短時間（HTST - High Temperature Short Time）或超高溫瞬時滅菌 (UHT - Ultra-High Temperature)。
   • 例如，果汁可以在 120-140°C 的溫度下加熱幾秒鐘到幾十秒鐘，以殺滅所有致病菌、腐敗菌及其孢子。這種高溫短時的滅菌方式，能夠在有效殺滅微生物的同時，最大程度地保留果汁的風味、色澤、營養成分和生物活性物質。

2. 包裝材料滅菌 (Packaging Material Sterilization)：

   • 包裝材料（如紙盒、軟袋）在組裝成最終包裝前，必須進行滅菌處理。
   • 常用的滅菌方法包括：
     • 過氧化氫 (Hydrogen Peroxide, $H_2O_2$) 溶液或蒸汽噴霧： 用高濃度的過氧化氫溶液噴灑或浸泡包裝材料，或用過氧化氫蒸汽處理。隨後，通過加熱或熱空氣將殘留的過氧化氫去除。
     • 熱蒸汽： 直接用高溫蒸汽處理包裝材料。
     • 輻照： 對某些包裝材料使用電子束或伽馬射線進行滅菌。

3. 無菌組合與密封 (Aseptic Filling and Sealing)：

   • 滅菌後的產品（已滅菌的果汁）和滅菌後的包裝材料（已滅菌的紙盒或軟袋）在一個嚴格控制的無菌環境（無菌室）中進行組合和密封。
   • 整個過程由自動化設備完成，確保從產品進入灌裝頭到包裝密封完成的整個過程中，都沒有微生物污染。
   • 密封的目的是形成一個對微生物、氧氣、光線、濕氣等具有良好阻隔性的屏障，從而維持產品的無菌狀態。

二、 加工方法 (Processing Method)：

無菌加工與包裝的具體方法流程如下：

1. 原料果汁的製備： 榨汁、過濾、脫氣（去除氧氣，防止氧化和風味損失）等。
2. 產品滅菌： 將果汁通過熱交換器進行 UHT 滅菌（如板式熱交換器、管式熱交換器或直接蒸汽注入式）。滅菌後的果汁被冷卻到灌裝溫度，並儲存在無菌的儲罐中。
3. 包裝材料的準備與滅菌：