114 食品技師高等考試 食品技師 食品加工學（第二次） 考古題詳解

核心觀念

本題考查脈衝電場（PEF）的微生物失活原理、連續式設備設計，以及如何在殺菌效果、果汁品質與設備成本之間取捨。PEF 對食品施加短時間、高電場強度的電脈衝，使微生物細胞膜發生電穿孔；傳統巴氏殺菌則利用熱能使微生物蛋白質與細胞結構受損。PEF 能縮短受熱時間、降低熱負荷，但殺菌效果仍受電場分布、果汁性質、處理溫度與脈衝條件影響。

高果肉柳橙汁也有物理性穩定問題：若只控制微生物而未處理果膠甲酯酶（PME）等酵素，果汁仍會發生混濁度下降與果肉沉降。PEF 對微生物的失活通常較容易達成；酵素失活則須另行評估，不能直接假設與微生物達到相同程度。

（一）PEF 殺菌機制及與巴氏殺菌的比較（5 分）

PEF 的主要機制

PEF 將食品置於兩電極之間，施加微秒至毫秒等級的高壓脈衝。外加電場造成微生物細胞膜兩側的跨膜電位差上升，超過細胞膜可承受的閾值後，細胞膜形成孔洞，稱為電穿孔。

• 電穿孔為可逆時，細胞膜通透性上升，細胞內外物質交換增加。
• 電穿孔達不可逆程度時，細胞內容物外漏、離子平衡遭破壞，細胞失去繁殖能力而失活。

一般電場強度可表示為：

$$E=\frac{V}{d}$$

其中 $E$ 為電場強度、$V$ 為電極間電壓、$d$ 為電極間距。PEF 對營養細胞及部分酵母、黴菌有效；細菌芽孢通常較耐受，不能把 PEF 一概視為商業無菌處理。

與傳統低溫巴氏殺菌比較

比較項目	PEF	傳統巴氏低溫殺菌
加工原理	高電場脈衝造成微生物細胞膜電穿孔	加熱使微生物蛋白質變性、酵素失活及細胞結構受損
主要控制變數	電場強度、脈衝寬度、脈衝數、流速、產品電導度、處理溫度	溫度、持溫時間、升降溫速率
品質影響	處理時間短、整體熱負荷較低，通常較能保留維生素 C、揮發性香氣與新鮮風味	熱負荷較高，容易造成維生素 C 降解、香氣逸散、熟煮味與色澤變化
限制	電場須均勻；高果肉固液系統較難處理；酵素與芽孢控制仍須驗證	熱穿透較容易計算與監控，但品質劣變較明顯

PEF 可降低熱損傷，但處理過程仍有電導造成的焦耳熱，產品溫度也會上升。因此，「非熱」是指主要殺菌機制不同於傳統熱殺菌，不表示產品完全不升溫。

（二）高果肉柳橙汁的技術挑戰、解決方案與條件平衡（15 分）

1. 電場分布不均與果肉顆粒

果肉顆粒與連續液相的電性不同，顆粒會改變局部電場分布。顆粒過大、形狀不規則或分布不均時，會出現局部場強不足的區域，使微生物受到的處理不一致；尖銳顆粒、氣泡或沉積物亦會增加局部放電及電弧風險。

解決方式：

• 設定果肉顆粒的粒徑上限，並以篩分或前處理排除過大顆粒，保留產品所需的果肉口感。
• 使用適合含顆粒液體的處理腔體，確保電極間距、流道截面及流速穩定。
• 以流場與電場模擬配合實際量測，確認腔體內不存在明顯的低場區。
• 排除進料中的氣泡，避免電弧；使用耐腐蝕電極並定期檢查電極表面。
• 將果汁保持充分混合，降低果肉沉降及局部濃度差。

2. 黏度與連續輸送

高果肉含量會提高表觀黏度，也增加流動阻力及果肉堵塞的風險。流速不均會造成停留時間分布變寬，使部分產品處理不足、部分產品處理過度。

解決方式：

• 依果肉含量與粒徑選擇合適的泵浦、管徑及腔體流道，並以穩定流量控制處理時間。
• 使用低剪切輸送設備，避免過度破碎果肉而改變口感。
• 以線上壓力、流量及溫度監測確認連續操作狀態；停機時避免果肉在腔體內沉積。
• 產能不足時採模組並聯，避免單純提高流速而縮短有效處理時間。

3. 電導度與焦耳熱

核心觀念

食品 3D 列印是將食品材料裝入料筒，依數位模型與路徑設定，逐層擠出並堆疊成形的加工方式。考題重點在於：列印參數如何影響材料的擠出、層間黏結與形狀保持，進而左右產品的外觀、結構與質地。

食品列印材料須兼具可擠出性與成形後的穩定性：太稠時不易出料，太稀時則容易塌陷；各層之間也須能黏合，才能形成完整產品。

解題方法

可依列印流程作答：從材料被推出噴嘴、沿設定路徑移動，到逐層堆疊並定形，分別挑出關鍵參數，再說明其對品質的影響。題目要求「任舉 3 項」，以下列出六項，作答時選其中三項並說明因果即可。

列印過程的關鍵參數

1. 噴嘴尺寸 噴嘴口徑影響擠出線條的寬度與解析度。口徑較小可印出較細緻的形狀，但較容易因顆粒或材料黏度過高而堵塞；口徑較大則出料較順，細節表現較受限。

2. 列印速度 指噴嘴沿設定路徑移動的速度。速度需與材料供料量相配合：速度過快，材料來不及充分擠出或黏合；速度過慢，則可能造成局部堆料、形狀變形，並延長加工時間。

3. 擠出壓力或供料速率 兩者決定單位時間內推出的材料量。壓力或供料不足會造成線條斷續、層間缺料；過高則可能使出料過多，導致線條變寬、溢料或結構變形。

4. 層高 指相鄰列印層之間的垂直距離。層高較低可增加堆疊細緻度與層間接觸，但列印時間較長；層高較高可加快列印，卻可能使層間黏結不足、表面較粗糙。

5. 列印溫度 包括材料或噴嘴的溫度設定。適當升溫可降低材料黏度，使擠出較順；溫度過低可能造成出料不順，過高則可能使材料過度軟化、塌陷，並影響食品的色澤、風味或營養成分。

核心觀念

本題考食品濃縮的三種基本技術：蒸發濃縮、膜濃縮與冷凍濃縮。答題須掌握各技術如何移除水分、品質影響的來源，以及它們在蘋果果汁加工時的取捨。

濃縮的目的，是在不大量損失可溶性固形物的前提下移除部分水分，以縮小體積、降低儲運成本並延長保存性。若進料與濃縮液的質量分別為 $F$、$P$，可溶性固形物質量分率分別為 $x_F$、$x_P$，假設固形物完全保留，則：

$$F x_F = P x_P$$

濃縮後液量為 $P=F x_F/x_P$。實際製程仍須考慮香氣物質、揮發性成分或溶質隨水分流失，以及設備處理能力等因素。

解題方法

依序說明三種技術的分離原理、品質影響、蘋果汁加工挑戰與改善方案。品質比較可從風味、營養成分及色澤三方面切入；挑戰則分別連結到熱負荷、膜傳輸限制及冰晶分離效率。

三種濃縮技術的原理與品質影響

蒸發濃縮

**原理：**加熱使食品中的水分汽化，將水蒸氣與濃縮液分離。果汁常採減壓蒸發，降低水的沸點；多效蒸發可回收前一效蒸氣的熱量，降低蒸汽需求。

**品質影響：**加熱可能使揮發性香氣隨水蒸氣逸散，熱敏性維生素（如維生素 C）及部分酚類物質受熱降解，也可能促進褐變或生成熟煮風味。色澤可能因酵素或非酵素褐變而變深。減壓、縮短停留時間與快速加熱可減輕影響，但無法完全消除熱負荷造成的品質變化。

膜濃縮

**原理：**利用選擇性膜讓水分優先透過、使果汁固形物留在濃縮側。逆滲透（RO）以外加壓力克服滲透壓差；正向滲透（FO）則利用膜兩側滲透壓差使水移動。滲透蒸發等膜蒸餾類製程，也可利用水分蒸氣壓差移除水分。

**品質影響：**低溫操作通常能保留較多熱敏性營養成分，降低熱褐變，較有利於維持原有風味與色澤。但不同膜技術的分離特性不同：香氣小分子可能穿膜或隨水相流失，因此膜濃縮並不代表香氣一定完全保留。

**加工限制：**果汁中的果膠、懸浮微粒及其他物質可能造成膜污染與濃度極化，使通量下降；逆滲透亦受滲透壓與操作壓力限制，難以單靠此法達到極高濃度。

冷凍濃縮

**原理：**將果汁部分冷凍，使水形成冰晶，再將冰晶與未凍結的濃縮液分離。水結晶時，大部分糖、酸及其他可溶性固形物留在液相；濃縮程度受冰晶形成與分離效率影響。

**品質影響：**低溫製程可減少熱敏性營養物質降解及揮發性香氣逸散，較能維持果汁原有風味與色澤。其主要品質風險來自冰晶夾帶濃縮液：若分離不完全，糖、酸、香氣及營養成分會隨冰相流失，降低產率；

核心觀念

食品發酵是利用微生物生長及其酵素作用，使食品原料中的成分發生預期的生化轉變，進而形成特定風味、色澤、質地或保存特性。考題中的「發酵」採食品加工的廣義用法，包含微生物及其酵素所促成的轉化；因此，普洱茶渥堆發酵不宜只狹義理解為無氧條件下將醣類轉成酒精或有機酸。

普洱熟茶的渥堆是固態發酵：將曬青毛茶加水、堆積，讓微生物在茶葉基質上生長並代謝。微生物及其酵素會轉化茶多酚、醣類、胺基酸等成分，促成茶湯色澤轉深、滋味轉醇、香氣改變。過程受溫度、水分、酸鹼值、氧氣與通氣狀態等環境因素共同影響。

解題方法

作答時先界定食品發酵，再以普洱茶渥堆為例，依「環境參數 → 微生物生長或酵素作用 → 成分與品質變化」逐項說明。普洱茶不是單一微生物、單一代謝途徑主導的發酵，因此宜說明菌相會隨堆積與發酵進程改變，不將某一種菌或某一項參數說成唯一決定因素。

普洱茶發酵的關鍵環境因素

環境因素	對微生物活性及代謝的影響
溫度	微生物生長及酵素反應都有適宜溫度範圍。渥堆中微生物代謝產熱，使堆心升溫；適度升溫可加快生長與成分轉化，也會改變不同菌群的競爭優勢。溫度過高則會抑制或殺死較不耐熱的微生物、使部分酵素失活，並增加品質劣變風險；過低則使發酵緩慢。
水分與水活性	加水可提高茶葉含水量與水活性，促進微生物繁殖、酵素擴散及底物轉化。水分不足時，微生物生長與酵素作用受限；水分過高則會降低堆體孔隙中的氧氣供應，形成過濕或局部缺氧環境，並增加不良菌生長及異味風險。因此水分須配合翻堆與通氣管理。
酸鹼值（pH）	pH 影響微生物的生長範圍、菌群演替及酵素活性。發酵中有機酸及其他代謝物的形成會改變局部 pH，進而抑制部分微生物、促進適應該環境的菌群，並影響茶葉成分轉化。pH 並非固定不變，應視為會隨發酵進程改變的環境指標。
氧氣與通氣狀態	渥堆並非全程密閉的純厭氧發酵。