112 年 國立臺灣大學食品科技研究所丙組《食品加工學》

此題主要考查離心機的基本結構與原理，以及其在食品加工中分離不互溶液體之應用。

核心觀念： 離心機利用離心力使不同密度的物質分離。盤式離心機（disc bowl centrifuge）是一種常見的連續式離心機，特別適用於液-液或液-固分離。

組件架構與原理：
盤碗離心機主要由以下幾個關鍵組件構成：

1. 轉鼓 (Bowl): 這是離心機的核心旋轉部件，內部裝有複數個呈錐形且相互堆疊的圓盤 (discs)。這些圓盤並非密合，而是留有間隙，且盤上設有導流槽。轉鼓高速旋轉時，會產生強大的離心力。
2. 進料管 (Feed Inlet): 混合物由進料管進入轉鼓。
3. 分離區 (Separation Zone): 混合物進入轉鼓後，在離心力作用下，較重的物質（通常是密度較大的液體或固體）會被甩向轉鼓的周邊，而較輕的物質（密度較小的液體）則聚集在轉鼓的中心區域。
4. 出料口 (Discharge Outlets): 轉鼓設有兩個或多個出料口，分別用於排出較重相和較輕相。
5. 刮刀/卸料器 (Scraper/Discharge Mechanism): 對於固-液分離，可能配有刮刀將固體排出；對於液-液分離，則通常利用重力或泵浦將分離的液體排出。
6. 驅動系統 (Drive System): 通常由馬達驅動，使轉鼓高速旋轉。

此題考查直接蒸汽加熱 (Direct Steam Injection Heating) 的原理、優點及在湯料加工中的注意事項。

核心觀念： 蒸汽注入加熱是一種利用高壓蒸汽直接噴入液體中進行加熱的技術，其優點在於加熱速度快、效率高，但需要注意蒸汽品質、壓力控制及可能造成的稀釋問題。

湯料加工的蒸汽注入加熱：
湯料（例如濃縮湯、即食湯）的製備過程中，常需要進行高溫短時殺菌以確保食品安全並延長貨架期。蒸汽注入加熱是一種有效的加熱方式。

優點：

1. 加熱速度快 (Rapid Heating): 高壓蒸汽具有很高的焓值，當蒸汽接觸到相對低溫的液體（湯料）時，會迅速冷凝並釋放大量熱能，導致湯料溫度在極短時間內快速升高。
2. 加熱效率高 (High Heating Efficiency): 蒸汽的熱能轉換效率高，能量損耗少。
3. 殺菌效果好 (Effective Sterilization): 能夠快速達到殺菌所需的溫度（如 120-140°C），並維持短時間，符合高溫短時 (HTST, High-Temperature Short-Time) 或超高溫短時 (UHT, Ultra-High Temperature) 殺菌的要求，有效殺滅微生物，同時最大限度地保留湯料的風味、營養成分和質地。
4. 結構簡單 (Simple Equipment): 相較於間壁式換熱器，蒸汽注入加熱裝置的結構相對簡單，佔地面積小。

加工需要注意事項：

1. 蒸汽品質 (Steam Quality):
   • 純淨度： 必須使用高品質、無雜質（如潤滑油、金屬離子）的飽和蒸汽或過熱蒸汽，以避免污染湯料。食品級蒸汽（food-grade steam）是必需的。
   • 乾度： 蒸汽的乾度（dryness）很重要，過濕的蒸汽會降低加熱效率，並引入額外的冷凝水。
2. 壓力與溫度控制 (Pressure and Temperature Control):
   • 精確控制： 蒸汽的壓力直接決定了其溫度，必須精確控制蒸汽壓力，以達到所需的湯料最終溫度。
   • 均勻注入： 蒸汽需要均勻地注入湯料中，避免局部過熱或加熱不均勻。通常採用特殊的噴嘴設計。
3. 稀釋問題 (Dilution Effect):

此題考查在保健食品製程中，如何將少量高活性成分均勻地混合到大量基質中。這是一個典型的混合均勻性問題，在製藥和食品工業中都非常重要。

核心觀念： 將少量高活性成分均勻摻合到大量基質中，關鍵在於「分批稀釋法」(serial dilution) 或「遞減混合法」(mass balance or geometric dilution)，並結合適當的混合設備和工藝參數。

問題挑戰：
當有效成分的比例非常低（例如 ppm 或 ppb 等級）時，直接將其與大量基質混合，很難達到理想的均勻度。這是因為：

• 吸附效應： 有效成分可能吸附在基質顆粒的特定表面，而不是均勻分佈。
• 團聚現象： 有效成分本身可能容易團聚成塊。
• 混合效率限制： 即使使用高效混合器，在極低濃度下，要達到分子層面的均勻性幾乎不可能，目標是達到統計學上的均勻性。

解決方法：分批稀釋法 (Serial Dilution / Geometric Dilution)
這是最常用且最有效的方法。其原理是將少量有效成分逐步、多次地與越來越多的基質混合，每次混合都使有效成分的濃度降低，同時確保其在該批次中的均勻分佈，然後將該批次與下一批基質混合。

具體步驟：

1. 第一階段混合： 取少量基質（例如，佔總基質量的 1-10%），與全部的有效成分進行第一次混合。這個階段的混合器應當非常高效，確保有效成分在這一小批基質中盡可能均勻。
2. 第二階段混合： 將第一階段混合好的物料，與第二批基質（例如，佔總基質量的 1-10%）進行混合。
3. 後續階段混合： 重複上述步驟，將前一階段的混合物與下一批基質進行混合，直到所有基質都加入完畢。

舉例說明（假設有效成分為 100 克，總基質為 1000 公斤）：

• 方法一：
  • 取 100 克有效成分。
  • 取 1 公斤基質，與 100 克有效成分充分混合。得到 1.1 公斤的預混合物。
  • 取 1 公斤基質，與上述 1.1 公斤預混合物充分混合。得到 2.1 公斤的混合物。
  • 取 2 公斤基質，與上述 2.1 公斤混合物充分混合。得到 4.1 公斤的混合物。
  • 取 4 公斤基質，與上述 4.1 公斤混合物充分混合。得到 8.1 公斤的混合物。
  • ... 以此類推，每次將前一批混合物與相同或倍數的基質混合，直到將 1000 公斤基質全部加入。
• 方法二（更常見的幾何稀釋）：
  • 取 100 克有效成分。

此題考查發芽米 (Germinated Rice, GABA Rice) 的生產製程、產品的營養優勢及其潛在的缺點。

核心觀念： 發芽米是通過控制條件使糙米（帶有胚芽和米糠的完整稻穀）的胚芽萌發，從而改變其營養成分和物理性質的產品。

發芽米的製程：
發芽米的製程相對簡單，但關鍵在於控制發芽的條件，以獲得最佳的營養轉化。

1. 原料選擇： 選用高品質的糙米。糙米比精白米保留了胚芽、米糠層和胚乳，這些部分富含營養。
2. 清洗： 將糙米清洗乾淨，去除雜質和灰塵。
3. 浸泡： 將糙米浸泡在水中，使其充分吸水。浸泡時間和水溫會影響後續的發芽速度。通常浸泡數小時。
4. 發芽 (Germination): 這是核心步驟。將浸泡後的糙米置於特定環境下進行發芽。
   • 溫度控制： 通常維持在 25-35°C 之間，這是胚芽最活躍的生長溫度範圍。
   • 濕度控制： 保持高濕度環境（如 85-95% RH），可以通過噴水或在密閉環境中進行。
   • 通氣： 保持良好的通氣，提供氧氣供胚芽呼吸。
   • 時間控制： 發芽時間是關鍵，通常為 24-72 小時，視期望的發芽程度而定。發芽的目標是讓胚芽稍微萌出（約 1-2 毫米），而不是長出完整的稻苗。
   • 發芽程度判斷： 通過觀察胚芽的長度或通過檢測發芽米中某些營養成分（如 GABA）的含量來判斷發芽程度。
5. 乾燥 (Drying): 發芽完成後，需要立即進行乾燥，以終止發芽過程，防止過度生長，並提高儲存穩定性。
   • 溫度： 乾燥溫度不宜過高，以免破壞營養成分。一般在 40-60°C 之間進行。
   • 方法： 可採用熱風乾燥、真空乾燥等。
6. 脫殼與精選 (Dehulling and Polishing - 可選): 有些發芽米產品可能還會進行脫殼（去除米糠層）和精選，但為了保留更多營養，通常只進行輕微的脫殼或不脫殼，以保留胚芽。
7. 包裝： 經過乾燥和處理的發芽米即可包裝。

發芽米的優點：
發芽過程會引起糙米內部一系列的生化變化，從而顯著提升其營養價值和改善某些生理功能。

1. γ-氨基丁酸 (GABA) 含量顯著增加： 這是發芽米最顯著的優點。GABA 是一種重要的神經遞質，具有放鬆、降血壓、改善睡眠、促進腦功能等多種生理功效。

此題為綜合題，考查潔淨標章 (Clean Label) 和柵欄技術 (Hurdle Technology) 如何滿足食品產業的四大管理目標：永續 (Sustainability)、綠能 (Green Energy)、安全 (Safety) 和智能 (Intelligence)，並以優格 (Yogurt) 製造為例進行應用說明。

核心觀念：

• 潔淨標章 (Clean Label): 指的是使用消費者熟悉、易於理解的天然或天然來源的原料，並以盡可能簡單、透明的製程來生產食品，避免使用人工添加物（如人工色素、香料、防腐劑、甜味劑等）。
• 柵欄技術 (Hurdle Technology): 指的是結合多種食品保存方法（柵欄），這些單一方法可能不足以達到足夠的保存效果，但當它們組合應用時，可以產生協同作用，有效抑制微生物生長、延緩品質劣變，從而延長食品的貨架期，同時保持食品的品質和接受度。這些「柵欄」包括物理、化學、生物等因素，如溫度、pH 值、水分活度、添加物（天然或合成）、氣體環境、加工處理（如加熱、高壓）等。

潔淨標章 (Clean Label) 如何滿足四大目標：

1. 永續 (Sustainability):
   • 原料選擇： 鼓勵使用本地、可追溯、可再生或有機的原料，減少運輸距離和環境影響。
   • 製程簡化： 簡化的製程可能減少能源消耗和廢棄物產生。
   • 消費者溝通： 提高消費者對原料來源和生產方式的認知，促進可持續消費。
2. 綠能 (Green Energy):
   • 減少能源消耗： 簡化製程、使用天然原料可能減少對高耗能加工步驟的依賴。
   • 天然來源： 偏好使用天然來源的添加物（如天然色素、香料），這些可能比合成添加物的生產過程能耗更低或環境影響更小（但這點需具體分析）。
3. 安全 (Safety):
   • 減少不必要添加物： 避免使用潛在有害的人工添加物，降低消費者對食品安全和健康的擔憂。
   • 透明度： 清晰的標示讓消費者了解食品成分，增加信任感。
   • 強調優良製程： 雖然不直接等同於安全，但潔淨標章的理念通常伴隨對優良生產規範 (GMP) 的重視。
4. 智能 (Intelligence):
   • 製程創新： 為了在不使用人工添加物的情況下達到所需的品質和穩定性，需要更智能的製程設計和原料選擇。
   • 追溯性： 潔淨標章強調原料的來源和透明度，這需要智能的供應鏈管理和追溯系統。
   • 消費者導向： 智能地理解和回應消費者對「真實」、「天然」食品的需求。

柵欄技術 (Hurdle Technology) 如何滿足四大目標：

1. 永續 (Sustainability):
   • 減少廢棄物： 通過有效延長貨架期，減少因品質劣變導致的食品浪費。
   • 溫和加工： 結合多種溫和的保存方法，可能比單一的強烈處理（如高溫滅菌）更能保留原料的價值，減少資源浪費。
2. 綠能 (Green Energy):
   • 降低能耗： 組合使用多種柵欄，可能減少對高能耗單一方法的依賴，例如，結合低溫儲存和輕微的 pH 調節，比僅依賴高溫滅菌能耗更低。
   • 延長貨架期： 減少運輸和銷售環節的損耗，間接節約能源。
3. 安全 (Safety):
   • 協同抑菌： 這是柵欄技術的核心。多種保存方法的組合可以協同抑制微生物的生長，從而有效防止食源性疾病的發生，確保食品安全。
   • 減少化學添加物： 雖然柵欄技術可以包含化學添加物，但透過組合，可以減少對單一、高劑量添加物的依賴，甚至可以利用天然的保存方法（如 pH 調節、天然抗菌劑），這與潔淨標章的理念相契合。
4. 智能 (Intelligence):
   • 科學設計： 柵欄技術的應用需要深入理解微生物學、食品化學、物理學和加工工程學，是高度科學化的應用。
   • 優化配方與製程： 智能地選擇和組合不同的柵欄，以達到最佳的保存效果和產品接受度。
   • 客製化方案： 針對不同食品的特性和目標貨架期，設計專屬的柵欄組合。

以「優格」製造為例，說明潔淨標章和柵欄技術的應用：

優格的基本製程：

1. 原料準備（牛奶、乳清蛋白、糖等）
2. 預熱（巴氏殺菌）
3. 均質 (Homogenization)
4. 冷卻
5. 接種發酵菌種（如 Lactobacillus bulgaricus 和 Streptococcus thermophilus）

此題考查豆漿中的抗營養因子及其去除方法。

核心觀念： 豆漿中的抗營養因子主要指植物性大豆蛋白中的某些成分，它們會干擾人體對營養素的吸收或產生不良生理反應。

造成腸胃不適及營養吸收困難的抗營養因子：
豆漿中主要的抗營養因子包括：

1. 胰蛋白酶抑制劑 (Trypsin Inhibitors, TI):
   • 作用： 抑制胰臟分泌的胰蛋白酶 (trypsin) 和其他絲胺酸蛋白酶的活性。胰蛋白酶是消化蛋白質的重要酶。
   • 影響： 阻礙蛋白質的消化吸收，長期攝入可能導致胰臟肥大。
2. 植酸 (Phytic Acid):
   • 作用： 是一種有機磷酸鹽，能與鈣 (Ca)、鐵 (Fe)、鋅 (Zn)、鎂 (Mg) 等二價和三價金屬離子形成不溶性複合物，降低這些礦物質的生物利用度。
   • 影響： 造成礦物質的吸收困難，導致礦物質缺乏。
3. 植物凝集素 (Lectins):
   • 作用： 是一類能與細胞表面糖類結構結合的蛋白質。大豆中的植物凝集素（如大豆凝集素, Soy Lectin）能與腸道上皮細胞表面的糖蛋白結合，干擾營養吸收，甚至可能引起腸道損傷。
   • 影響： 阻礙營養吸收，可能引起腸道不適。
4. 寡糖 (Oligosaccharides):
   • 作用： 如棉子糖 (Raffinose) 和水蘇糖 (Stachyose)。人體缺乏相應的酶（如 α-半乳糖苷酶）來消化這些寡糖，它們進入大腸後，會被腸道微生物發酵，產生氣體。
   • 影響： 引起脹氣、腹脹、腹瀉等腸胃不適。
5. 皂苷 (Saponins):
   • 作用： 具有一定的毒性，可能與腸道內的膽固醇結合，影響其吸收，也可能引起腸道刺激。
   • 影響： 產生苦味，可能影響口感，並對腸道有一定影響。

如何去除或降低這些抗營養因子：
去除這些抗營養因子的關鍵在於利用它們的熱不穩定性或水溶性。

1. 加熱處理 (Heat Treatment):
   • 胰蛋白酶抑制劑 (TI)： TI 對熱非常敏感，高溫加熱（如煮沸）可以使其失活。這是最有效的方法。
   • 植物凝集素 (Lectins)： 也對熱敏感，高溫加熱可以使其失活。
   • 寡糖 (Oligosaccharides)： 加熱可以稍微降低其含量，但效果有限。
   • 皂苷 (Saponins)： 對熱相對穩定，但加熱和浸泡可以幫助去除一部分。

好的，這題主要在比較三種食品濃縮技術：蒸發、冷凍濃縮和逆滲透。核心觀念在於理解它們各自的操作原理、所需的設備，以及在實際應用中選擇哪種方法時需要考量的因素。

以下是針對這題的詳解：

7. 濃縮方法比較

濃縮是食品加工中一種重要的保存技術，其主要目的是透過移除水分來降低食品的水活性（$a_w$），進而抑制微生物生長，延長產品的保存期限。工業上常用的濃縮方法包括蒸發、冷凍濃縮和逆滲透。本題將比較這三種方法的原理、設備需求及選擇考量。

(a) 操作原理 (Operating Principle)

• 蒸發 (Evaporation):

  • 原理： 蒸發是利用加熱的方式，將食品中的水分汽化成蒸汽並移除，從而提高食品的固形物濃度。此過程通常在減壓（真空）條件下進行，以降低水的沸點，減少熱對食品成分的破壞，並節省能源。
  • 為什麼： 減壓操作是為了在較低的溫度下進行蒸發。許多食品成分（如維生素、香氣物質、蛋白質）對高溫敏感，高溫會導致其變質、損失或產生不良風味。降低操作溫度可以最大程度地保留食品的品質。

• 冷凍濃縮 (Freeze Concentration):

  • 原理： 冷凍濃縮是利用水的冰點（0°C）遠高於大多數食品成分的冰點的原理。當食品溶液冷卻至接近水的冰點時，水分會優先形成冰晶，而溶質（如糖、鹽、蛋白質）則留在未結冰的液體中。透過固液分離（如過濾、離心）將冰晶移除，即可達到濃縮的目的。
  • 為什麼： 此方法利用相變化（液態水變成固態冰）來分離水分，而非直接汽化。由於水的冰點較低，且冰晶的形成過程對許多熱敏感成分的破壞較小，因此冷凍濃縮能較好地保留食品的風味和營養成分。

• 逆滲透 (Reverse Osmosis, RO):

  • 原理： 逆滲透是一種膜分離技術。在一個裝有半透膜（semipermeable membrane）的裝置中，將食品溶液置於膜的一側，另一側施加高於溶液滲透壓的壓力。半透膜允許水分子通過，但會阻擋較大的溶質分子（如糖、鹽、蛋白質、膠體等）。在高壓驅動下，水分子會從濃溶液側穿過半透膜移動到稀溶液側，從而達到濃縮食品的目的。
  • 為什麼： 逆滲透是利用壓力差驅動水分子通過半透膜，是一種物理分離過程，不涉及加熱。這使得它特別適合處理熱敏感性高的食品，且能耗相對較低。

(b) 設備需求 (Equipment Requirements)

• 蒸發 (Evaporation):
  • 主要設備： 蒸發器（evaporator），通常包含加熱室、分離室（用於分離蒸汽和濃縮液）、冷凝器（用於回收蒸汽）、真空系統（真空泵）以及濃縮液收集系統。常見的蒸發器類型有薄膜式（如降膜式、升膜式、刮膜式）和循環式。
  • 其他： 熱交換器（用於預熱進料）、泵、儲存槽等。