111 年 國立臺灣大學食品科技研究所丙組《食品加工學》

此題主要在考察食品加工中常用的熱力學殺菌指標 D value 和 Z value 的定義，以及高溫短時間 (HTST) 殺菌相較於低溫長時間 (LTLT) 殺菌在營養保留上的優勢。

D value (Decimal Reduction Time)
D value 是指在特定溫度下，使某微生物族群的存活數量減少到原來的十分之一 (1 log reduction) 所需的時間。它代表了微生物在特定條件下的熱穩定性，D值越小，表示微生物越容易被殺滅。
公式表示為：
$D = \frac{t_2 - t_1}{\log N_1 - \log N_2}$
其中 $t_1$ 和 $t_2$ 是兩個不同的時間點，$N_1$ 和 $N_2$ 是對應時間點的微生物數量。

Z value (Z-value)
Z value 是指使微生物的 D value 改變一個對數單位 (1 log cycle) 所需的溫度變化。它代表了微生物對溫度的敏感度，Z值越大，表示微生物對溫度的變化越不敏感，需要更大的溫差才能達到相同的殺滅效果。
公式表示為：
$Z = \frac{t_2 - t_1}{\log D_1 - \log D_2}$
其中 $t_1$ 和 $t_2$ 是兩個不同的溫度，$D_1$ 和 $D_2$ 是對應溫度的 D value。

高溫短時間 (HTST) 殺菌優於低溫長時間 (LTLT) 殺菌保留營養的原因
高溫短時間 (HTST) 殺菌處理，例如 72°C 持續 15 秒的巴氏殺菌，相比於低溫長時間 (LTLT) 處理，如 63°C 持續 30 分鐘，能夠更有效地保留食品中的營養成分，原因如下：

此題旨在探討擠壓食品 (extrusion food) 與膨發食品 (puff food) 這兩種常見的食品加工技術，要求說明其製程上的異同，並舉例。雖然兩者常有交集，但其核心製程原理和最終產品特性有所區別。

擠壓食品 (Extrusion Food)
擠壓加工是一種將原料透過加熱、加壓、剪切及混合等作用，在擠壓機 (extruder) 的螺桿推動下，通過特定形狀的模具口擠出，並在出口處因壓力驟降而迅速膨脹、定型的一種連續加工方法。

• 製程原理：

  1. 混合： 將原料（澱粉、蛋白質、脂肪、水分、添加劑等）均勻混合。
  2. 輸送與壓縮： 混合料進入擠壓機，由螺桿輸送、壓縮並加熱。
  3. 塑化與糊化： 在高溫 (100-200°C) 和高壓 (數十至數百大氣壓) 作用下，澱粉和蛋白質發生糊化、變性，形成可塑性的熔融狀態 (melt)。
  4. 模具擠出與膨脹： 熔融狀態的物料通過模具口時，壓力驟降，物料中的水分迅速蒸發汽化，產生膨脹，並在外力作用下形成特定形狀。
  5. 切割與乾燥/烘烤： 根據產品需求，可能需要進一步切割、乾燥或烘烤定型。

• 特點：

  • 可生產結構複雜、形狀多樣的產品。
  • 能改變澱粉和蛋白質的結構，提高消化率。
  • 適合生產膨化食品、早餐穀物、義大利麵、寵物食品、組織化植物蛋白等。
  • 是一種連續生產、效率高的加工方法。

• 代表食品： 早餐穀物 (如玉米片、麥圈)、蝦味先、王子麵、洋芋片 (部分製程)、組織化植物蛋白 (素肉)。

膨發食品 (Puff Food)
膨發食品是指通過某種方式使食品內部產生氣泡，體積增大，質地變得疏鬆、酥脆的食品。膨發的方式多樣，包括加熱膨發、機械膨發、油炸膨發等。擠壓加工是其中一種最常見且重要的機械膨發方式。

• 製程原理：
  膨發的關鍵在於在食品內部形成或引入氣體，並在一定條件下使氣體膨脹。
  1. 加熱膨發： 例如，將小麥粒或米粒在高溫高壓下處理，內部水分汽化，壓力釋放時迅速膨脹。
  2. 機械膨發： 例如，透過擠壓機的高溫高壓作用，使物料內部水分迅速汽化膨脹。
  3. 油炸膨發： 將含水量較高的原料（如米餅、麵團）投入高溫油中，原料內的水分快速汽化，產生蒸汽壓力，使產品膨脹。

此題主要考察食品品質劣變中的「變色」現象，特別是針對蟹肉罐頭，要求說明其變色的原因及預防方法。蟹肉的變色是常見的品質問題，與其組成的化學物質以及加工、儲存條件密切相關。

造成蟹肉變色的原因：

蟹肉的顏色主要來自於其天然色素，如類胡蘿蔔素 (carotenoids) 和甲殼藍素 (crustacyanins)。在加工和儲存過程中，這些色素可能發生化學變化，導致顏色改變。主要的變色原因包括：

1. 金屬離子催化氧化：

   • 銅離子 (Cu²⁺)： 蟹肉中含有豐富的蛋白質，蛋白質中的硫氫基 (-SH) 容易與銅離子形成錯合物。銅離子本身會催化類胡蘿蔔素的氧化，導致顏色從鮮紅色或橙紅色變為暗褐色或綠褐色。
   • 鐵離子 (Fe²⁺)： 鐵離子同樣會催化氧化反應，但對蟹肉顏色的影響通常不如銅離子顯著。

2. 硫化物與金屬離子反應：

   • 蟹肉在加工（如加熱）過程中，蛋白質分解會產生硫化物 (S²⁻)，如硫化氫 (H₂S)。
   • 硫化物會與蟹肉中的銅離子反應，生成黑色的硫化銅 (CuS)。這會導致蟹肉出現黑色或藍黑色的斑點或條紋。
   • 若有鐵離子存在，也可能生成硫化鐵 (FeS)，呈現暗綠色或黑色。

3. 色素的降解或轉化：

   • 類胡蘿蔔素的氧化： 在氧氣、光照、高溫或金屬離子存在下，類胡蘿蔔素容易被氧化，失去原有的鮮豔顏色，變為暗淡的黃褐色。
   • 甲殼藍素的分解： 甲殼藍素是一種與蛋白質結合的藍色色素，在加熱或酸性條件下，可能與蛋白質分離或結構改變，導致顏色變化。

4. 微生物污染：

   • 某些微生物（如假單胞菌 Pseudomonas、產氣單胞菌 Aeromonas）代謝產生的色素，或其分解蛋白質產生的硫化物，也可能導致蟹肉變色。例如，產生黑色素的細菌。

5. pH 值的變化：

   • pH 值過低（偏酸性）可能影響某些色素的穩定性。

預防方法：

針對上述原因，可以採取以下預防措施：

1. 嚴格控制原料品質與處理：
   • 選擇新鮮蟹類： 儘量使用新鮮捕撈、狀態良好的蟹，減少內源性酶的活性和微生物污染。
   • 快速處理： 捕撈後應盡快進行加工，避免蟹體自溶或腐敗。
   • 徹底清洗： 清洗掉附著的污垢、泥沙和可能攜帶的微生物。

此題主要考察冷凍技術中的 IQF (Individual Quick Freezing) 技術，要求說明其原理、設備、優缺點及克服方法。IQF 技術在冷凍水產品（如蝦仁）等小而散的食品中應用非常廣泛。

IQF 的原理：

IQF 的核心原理是通過特殊的冷凍設備，使食品個體在冷凍過程中快速且獨立地被冷凍，避免相互粘連成塊。這通常通過以下方式實現：

1. 快速冷凍： 採用較低的溫度和較高的空氣流速，使食品表面迅速結冰，形成一層冰殼，阻止內部水分外溢和食品變形。
2. 個體分離： 設備設計使得食品在冷凍過程中能夠不斷移動或翻滾，確保每個個體都能均勻地接觸到低溫冷空氣，從而獨立冷凍。

設備設計：

IQF 設備最常見的類型是流化床冷凍機 (Fluidized Bed Freezer)。其基本設計包括：

1. 輸送帶/篩網： 食品在網狀輸送帶上移動。
2. 鼓風機： 強力鼓風機將冷空氣吹向上方或從下方穿過食品層。
3. 冷卻系統： 提供極低的冷卻空氣（通常在 -30°C 至 -40°C）。
4. 振動或擺動裝置： 輸送帶或設備本身可能帶有振動或擺動功能，幫助食品在冷凍過程中保持流動和分散狀態。
5. 進出料口： 確保連續進料和出料。

在流化床冷凍機中，強勁的冷空氣從下方穿過食品層，使食品顆粒懸浮在空氣中，如同流體一樣流動，這就是「流化」狀態。這種狀態確保了每個食品個體都與低溫空氣充分接觸，實現快速均勻冷凍。

優點：

1. 保持食品個體分離： 這是 IQF 最顯著的優點。冷凍後的產品是獨立的單個顆粒，方便按需取用、計量和加工，不會結成大塊。
2. 冷凍速度快： 由於採用低溫和高風速，冷凍時間短，有助於形成細小的冰晶，減少對細胞組織的破壞，從而更好地保持食品的質地、風味和營養。
3. 品質優良： 快速冷凍和個體分離，最大限度地保留了食品的原始形態、顏色、質地和營養價值。
4. 效率高： 流化床冷凍機通常是連續式設備，可以實現自動化生產，處理量大，生產效率高。
5. 節省空間： 相較於其他冷凍方式，流化床冷凍機的單位處理量佔地面積相對較小。

缺點：

1. 設備成本高： IQF 設備（尤其是大型流化床冷凍機）的初期投資成本較高。
2. 能耗較高： 強力鼓風機和低溫冷卻系統需要消耗較多能源。

此題考察食品乾燥技術中的微波真空乾燥 (Microwave Vacuum Drying, MVD)，特別是在藻類萃取粉末生產中的應用，要求說明其原理、設備、操作條件及優缺點。MVD 結合了微波加熱和真空技術的優勢，是一種高效且能較好地保留熱敏感性物質的乾燥方法。

微波真空乾燥 (MVD) 的原理：

MVD 的原理是利用微波的穿透性和體積加熱特性，結合真空環境下的低溫蒸發原理，實現高效、快速的乾燥。

1. 微波加熱： 微波能被食品中的極性分子（主要是水分子）吸收，引起分子高速振動，通過分子間摩擦產生熱量。這種加熱方式是體積加熱，熱量直接產生於物料內部，加熱均勻且快速。
2. 真空環境： 在真空狀態下，水的沸點顯著降低。例如，在 0.05 atm (約 5 kPa) 的壓力下，水的沸點約為 33°C。
3. 協同效應： 微波加熱使物料內部產生熱量，提高物料溫度；同時真空環境降低了水的沸點。這樣，即使在較低的溫度下，物料內的水也能快速汽化並被抽走。這種「內加熱、低溫蒸發」的組合，大大縮短了乾燥時間，並減少了高溫對熱敏感性物質（如藻類中的蛋白質、多醣、油脂、色素）的破壞。

設備設計：

典型的 MVD 設備主要包含以下幾個部分：

1. 微波發生器： 如磁控管 (magnetron) 或固態微波源，產生微波能量。
2. 微波腔體： 放置待乾燥物料的容器，腔體設計需確保微波能量均勻分佈（如採用多饋源、旋轉平台或攪拌器）。
3. 真空系統： 包括真空泵、真空計、真空閥門等，用於維持腔體內的真空度。
4. 加熱/冷卻系統： 可能需要輔助加熱或冷卻，以控制物料溫度，或對冷凝的水分進行回收。
5. 傳送系統： 用於將物料送入和取出腔體。
6. 控制系統： 用於監控和調節微波功率、真空度、溫度、時間等參數。

一般操作條件：

操作條件會根據藻類萃取物的性質（如含水量、固形物含量、粒度）和期望的乾燥效果而有所不同，但一般會包含以下參數：

• 微波功率： 範圍較廣，通常為數百瓦到數千瓦，取決於設備大小和處理量。功率過高可能導致局部過熱或燒焦，功率過低則乾燥效率不高。
• 真空度： 通常設定在 1-10 kPa (約 0.01-0.1 atm)。

此題考察食品加工中兩種基本的加熱傳遞方式：間接加熱 (Indirect Heating) 和直接加熱 (Direct Heating)，要求說明其操作原理、優缺點並舉例。這兩種加熱方式在食品殺菌、烹調、乾燥等過程中都非常重要。

1. 間接加熱 (Indirect Heating)

• 操作原理：
  間接加熱是指熱源與食品之間存在一個物理屏障（如容器壁、管壁、空氣層），熱量通過傳導、對流或輻射從熱源傳遞到屏障，再通過屏障傳導到食品。熱媒介質（如水、蒸汽、空氣、油）本身不直接與食品接觸，或僅通過屏障間接傳遞熱量。

• 優點：

  1. 加熱媒介清潔： 熱媒介質（如蒸汽、熱水）不直接與食品接觸，能保證食品的清潔衛生，避免交叉污染。
  2. 易於控制： 對加熱媒介的溫度、壓力、流量等參數的控制相對容易，從而間接控制食品的加熱。
  3. 適用範圍廣： 適用於各種形式的食品，包括液體、固體、半固體，以及需要保持原有形態的食品。
  4. 均勻加熱： 當熱媒介質流動良好時，可以實現較為均勻的加熱。
  5. 殺菌效果穩定： 尤其是在罐頭殺菌中，通過控制蒸汽或熱水的溫度和時間，可以達到預期的殺菌效果。

• 缺點：

  1. 熱量傳遞效率相對較低： 由於存在介質和屏障，熱量傳遞過程中會有能量損失，加熱速度可能較慢。
  2. 設備複雜： 需要加熱媒介循環系統、換熱器、絕熱層等，設備相對複雜。
  3. 可能產生局部過熱： 如果熱量傳遞不均勻，靠近熱源屏障的食品表面可能過熱。

• 例子：

  • 水浴殺菌 (Water Bath Sterilization)： 將食品罐頭浸泡在熱水中進行殺菌。熱水作為加熱媒介，通過罐壁將熱量傳遞給罐內食品。
  • 蒸汽加熱 (Steam Heating)： 例如，使用蒸汽夾層加熱的殺菌釜，或用蒸汽直接吹入夾層空間加熱食品。
  • 烘箱烘烤 (Oven Baking)： 熱空氣在烘箱內循環，通過對流和輻射將熱量傳遞給食品。
  • 油炸 (Deep Frying)： 熱油作為加熱媒介，通過油炸鍋壁（或直接接觸）將熱量傳遞給被炸食品。

2. 直接加熱 (Direct Heating)

• 操作原理：
  直接加熱是指熱源直接與食品接觸，熱量通過接觸傳遞給食品。熱媒介質（如蒸汽、微波、電阻）或熱能本身直接作用於食品。

• 優點：

  1. 加熱速度快： 熱量直接傳遞，沒有中間介質或屏障，能量傳遞效率高，加熱速度快。
  2. 節省能源： 減少了熱量傳遞過程中的損耗，可能更節能。
  3. 設備相對簡單： 有些直接加熱方式的設備結構較為簡單。
  4. 特定應用： 對於某些特定產品（如膨化食品、微波加熱食品），直接加熱是必需的。

• 缺點：

  1. 衛生問題： 如果加熱媒介（如蒸汽）不潔淨，可能污染食品。

此題要求繪製並說明冷凍循環 (Refrigeration Cycle) 的各個單元及其功能。冷凍循環是製冷系統的核心，通過工質 (refrigerant) 的相變和循環來實現熱量的轉移，從低溫熱源吸熱並向高溫熱源放熱。

冷凍循環的四個基本單元：

1. 壓縮機 (Compressor)
2. 冷凝器 (Condenser)
3. 膨脹閥/節流裝置 (Expansion Valve/Throttling Device)
4. 蒸發器 (Evaporator)

冷凍循環圖示與功能說明：

以下將繪製一個典型的蒸汽壓縮式冷凍循環圖，並說明各單元的詳細功能。

(請想像以下為一個簡圖，工質沿著箭頭方向流動)

graph LR
    A[壓縮機] --> B(冷凝器);
    B --> C{膨脹閥};
    C --> D(蒸發器);
    D --> A;

    subgraph 壓縮機
        direction TB
        A_in[低壓氣態工質] --> A_out(高壓氣態工質);
    end

    subgraph 冷凝器
        direction TB
        B_in(高壓氣態工質) --> B_out[高壓液態工質];
    end

    subgraph 膨脹閥
        direction TB
        C_in{高壓液態工質} --> C_out[低壓液態/氣態混合物];
    end

    subgraph 蒸發器
        direction TB
        D_in[低壓液態/氣態混合物] --> D_out(低壓氣態工質);
    end

    linkStyle 0 stroke-width:2px,stroke:red;
    linkStyle 1 stroke-width:2px,stroke:blue;
    linkStyle 2 stroke-width:2px,stroke:green;
    linkStyle 3 stroke-width:2px,stroke:orange;

    classDef compressor fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px;
    classDef condenser fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px;
    classDef expansion fill:#cfc,stroke:#333,stroke-width:2px;
    classDef evaporator fill:#ffc,stroke:#333,stroke-width:2px;

    class A compressor;
    class B condenser;
    class C expansion;
    class D evaporator;

各單元詳細功能：

此題要求繪製冷凍過程中，材料（食品）溫度隨時間變化的曲線圖，並標示出各個階段。這張曲線圖是理解食品冷凍過程的關鍵，能直觀展示冷凍的幾個重要階段及其對食品品質的影響。

食品冷凍過程的溫度-時間曲線：

當食品從初始溫度 (例如 20°C) 開始冷凍，直到達到最終冷凍溫度 (例如 -18°C) 時，其溫度隨時間的變化可以分為幾個主要的階段。

(請想像以下為一個標準的食品冷凍曲線圖)

• X 軸： 時間 (Time)
• Y 軸： 溫度 (Temperature)

曲線圖標示與階段說明：

1. 初始冷卻階段 (Initial Cooling)：

   • 描述： 從食品的初始溫度開始，溫度隨時間逐漸下降。此階段食品仍處於液態。
   • 溫度範圍： 從初始溫度下降至接近冰點。
   • 特點： 熱傳導是主要的熱量移除方式。

2. 冰點階段 (Freezing Point Depression)：

   • 描述： 當食品溫度下降到其冰點時，食品中的自由水開始結冰。此階段溫度下降的速度會減緩，因為結冰過程需要釋放大量的潛熱 (latent heat of fusion)。
   • 溫度範圍： 食品的冰點（通常比純水的 0°C 低，取決於食品的成分，約 -1°C 至 -2°C）。
   • 特點： 這是冷凍過程中溫度下降最慢的階段，因為需要移除結冰潛熱。

3. 部分凍結階段 (Partial Freezing)：

   • 描述： 在冰點階段之後，食品內的大部分自由水結成冰，但仍有部分結合水或未結冰的水。食品的質地開始變得堅硬。
   • 溫度範圍： 從冰點以下，持續下降至最終冷凍溫度。
   • 特點： 溫度持續下降，但速度通常比初始冷卻階段快，因為不再有大量的潛熱釋放。

4. 完全凍結階段 (Complete Freezing)：

   • 描述： 當食品溫度降至其最終冷凍溫度（例如 -18°C 或更低）時，食品內的水幾乎全部結成冰。
   • 溫度範圍： 達到或低於最終設定的冷凍溫度。
   • 特點： 食品已完全凍結，進入儲存階段。

重要參數標示：

• 初始溫度 (Initial Temperature, $T_i$)： 食品開始冷凍時的溫度。
• 冰點 (Freezing Point, $T_f$)： 食品開始結冰的溫度。
• 最大凍結速率區 (Maximum Freezing Rate Zone)： 指的是從開始結冰到大部分水結冰的這段溫度區間。快速冷凍的目標是盡快通過這個區間，以形成細小的冰晶。
• 最終冷凍溫度 (Final Freezing Temperature, $T_f'$)： 食品冷凍後的儲存溫度。