112 高普考高考二級 農業機械 農產品物理性質與加工工程學研究 考古題詳解

核心觀念與解題方法

本題考查農產加工中六組常見名詞的定義、作用機制與用途。作答時可依序抓住三個問題：名詞是「處理程序」還是「設備／傳熱方式」？它靠什麼機制運作？它通常用來解決什麼加工問題？比較時指出兩者的共同點與差異，即能完整呈現概念。

（一）潤麥（Tempering）與磨粉（Milling）

潤麥是小麥磨製前的調質處理：依小麥原有水分與品質加水，再靜置一段時間，使水分逐漸進入麥粒。這會使麩皮增韌、較不易磨成碎屑，同時使胚乳較適合破碎與研磨，有助於麩皮和胚乳分離，並改善出粉率及麵粉品質。

磨粉是以磨輥等機械力破碎、研磨小麥，並透過篩理與分級，取得不同粒度與品質的麵粉及副產品。製粉過程通常包含多次破碎、篩分與研磨。

**兩者關係：**潤麥是磨粉前的原料調質步驟，磨粉才是將穀粒加工成粉的主要程序。潤麥條件會影響麩皮分離、出粉率、麵粉灰分與品質；潤麥不足或水分分布不均，會使磨製結果不理想。

易混淆處：「潤麥」不是直接磨碎小麥，而是透過加水與靜置，為後續磨製調整麥粒性質。

（二）脫氣（Degassing）與熱交換機（Heat exchanger）

脫氣是從液體、半流體或加工物料中移除溶解氣體或夾帶氣泡的操作，常利用減壓、真空、加熱或氣液接觸等方式。食品加工中，脫氣可減少氧化、起泡與灌裝缺陷，也可改善熱處理或泵送過程的穩定性。

熱交換機是使兩種溫度不同的流體交換熱量的設備。常見型式包括板式與管式熱交換機；兩流體通常隔著金屬壁面傳熱，不直接混合。熱交換機可用於加熱、冷卻、殺菌與熱回收。

兩者關係：兩者都是加工工程中的單元操作，但目的不同：脫氣的核心是移除氣體，熱交換機的核心是傳遞熱量。加熱可能促進氣體逸出，因此脫氣程序可搭配加熱；熱交換機也可提供脫氣所需的加熱或冷卻條件，但兩者並非同一設備或操作。

**易混淆處：**脫氣時常使用真空，但「真空」本身不等於脫氣；熱交換機也不是靠把氣體抽走來傳熱。

（三）微波（Microwave）與遠紅外線（Far infrared ray）

微波是電磁波的一部分。食品受微波電場作用時，極性分子反覆轉向，離子也會移動，因介電損耗而在物料內產生熱，稱為介電加熱。其加熱不只發生在表面，但實際穿透深度會受頻率、含水率、組成與形狀影響，未必能使整體均勻加熱。

遠紅外線是紅外線中的長波段輻射。食品吸收遠紅外線後，能量主要在受照表層轉為熱，再由熱傳導向內部傳遞；穿透深度與食品成分、含水率及輻射波長有關。常用於乾燥、烘烤及表面加熱。

**兩者關係：**兩者都以電磁輻射供能，但加熱機制與能量沉積位置不同。微波藉介電作用在物料內部產熱；遠紅外線則多由表面吸收，再向內傳熱。微波常有加熱快速的優點，但易受物料形狀及電磁場分布影響而產生溫度不均；遠紅外線適合表面加熱與乾燥，但內部升溫較依賴傳導。

**易混淆處：**微波加熱不等於「由內而外」均勻加熱；遠紅外線雖是輻射加熱，也不代表能深入食品內部加熱。

（四）傳導（Conduction）與對流（Convection）

傳導是熱能透過物質內部的分子碰撞或微觀能量傳遞，從高溫處移向低溫處；固體中的熱傳常以傳導為主。傅立葉定律可表示為：

其中 $\dot{Q}$ 為熱傳速率，$k$ 為熱傳導係數，$A$ 為傳熱面積，$dT/dx$ 為溫度梯度；負號表示熱流方向由高溫往低溫。

核心觀念

本題考查的是「產品特性如何決定加工設備與製程」，作答時要把每項產品的原料特性、加工目的、關鍵操作及成品品質連在一起：

• 設備、機具：對應原料前處理與主要加工操作，例如清洗、破碎、乾燥、充填、油炸。
• 製程（簡易）：依加工順序寫出主要單元操作，並點出必要的殺菌、乾燥或冷卻步驟。
• 品質因子：同時涵蓋感官品質、物理化學品質與食品安全，例如色澤、香氣、質地、糖酸度、水分或水活性、微生物與氧化狀況。

以下以芒果果肉型混濁果汁作答；配方與設備可依產品規格調整。

解題方法

按產品加工目的分類，再將目的轉成製程：

1. 芒果汁：保留果肉風味並穩定懸浮物，重點是破碎、均質、脫氣與殺菌。
2. 乾香菇：降低水分與水活性以延長保存，重點是分段乾燥、乾燥均勻及防止吸濕。
3. 中式香腸：將肉與脂肪調味後充填腸衣，再透過乾燥等步驟形成風味與保存性。
4. 炸雞腿：以熱油快速傳熱，使外層形成金黃酥脆外皮、中心充分熟化；同時控制油品劣化與油脂吸收。

作答表格

核心觀念

本題考小麥穀粒的構造辨識，以及穀物乾燥、船運貯藏、氣氛包裝和黴菌毒素防治。作答時可依「先乾燥、再降溫、保持乾燥與通風、減少氧氣及污染源」的貯藏原則，逐題說明。

解題方法與作答

（一）小麥穀粒構造（3 分）

小麥是穎果，外層果皮與種皮緊密結合。剖面可簡畫如下：

 背部
 ┌────────────────┐
 │ 果皮、種皮 │ ← 外層保護組織
 │ ┌────────────┐ │
 │ │ 糊粉層 │ │ ← 麩皮內側，富含蛋白質、礦物質
 │ │ │ │
 │ │ 胚乳 │ │ ← 主要為澱粉與蛋白質
 │ │ │ │
 │ └────────────┘ │
 │ 胚（胚芽） │ ← 位於基部，含胚根、胚芽等
 └────────────────┘
 腹部

主要組成分為：

1. 麩皮（bran）：包括果皮、種皮及糊粉層。
2. 胚乳（endosperm）：穀粒主要部分，含澱粉及儲藏蛋白質。
3. 胚（germ）：包含胚芽及胚根，是種子發芽的部分，含油脂與酵素。

（二）工程處理

1. 小麥乾燥方式、乾燥速率與水分控制

小麥常用熱風乾燥，可採批次式、循環式或連續式乾燥機；水分較低且天候合適時，也可用通風乾燥。乾燥時以適當溫度及風量帶走穀粒水分，避免穀粒過熱，造成胚活性、麵筋品質或加工品質受損。

乾燥速率一般分為兩個階段：

• 恆速乾燥期：穀粒表面水分蒸發較快，速率主要受乾燥空氣溫度、相對濕度與風速影響。
• 降速乾燥期：表面水分減少後，內部水分須向外移動，乾燥速率逐漸下降；穀粒含水率愈低，水分移動阻力愈大。

水分控制應依貯存時間及用途設定。一般短期貯存宜降至約 14%（濕基）以下；長期貯存以 13%（濕基）以下較安全。乾燥後須檢查水分是否均勻，並避免重新吸濕；通風降溫可配合使用，但通風本身不應取代必要的乾燥處理。

2. 船運倉儲的溫度、濕度與氣體控制

船運前應確認小麥已充分乾燥、清潔，並降低穀溫。運輸及倉儲管理重點如下：

• 溫度：保持低而穩定，適時通風降溫，避免熱點及溫度梯度造成水分移動與結露。
• 濕度：保持低相對濕度，防止穀粒吸濕；貨艙須防水、防潮，並避免冷熱表面結露。
• 氣體：採氣密或半氣密管理時，可降低氧氣、提高二氧化碳，以抑制昆蟲及好氧性黴菌；使用惰性氣體時須兼顧安全與氣密性。

核心觀念

本題考查流體的剪應力與剪切速率關係、屈服應力，以及膠體產品的流變特性如何用於加工控制。流變學是研究物質受力後的流動與變形；食品加工時，黏度會影響混合、泵送、充填、加熱與產品口感。

（一）黏度的定義、成因與增加方法

**黏度（viscosity）**是流體抵抗流動或剪切變形的程度。對牛頓流體，剪應力與剪切速率成正比：

其中 $\tau$ 為剪應力（Pa）、$\dot{\gamma}$ 為剪切速率（s$^{-1}$）、$\mu$ 為動力黏度（Pa·s）。因此：

黏度越大，流體在相同剪切條件下越不容易流動。黏度產生的微觀原因，是流體內相鄰分子或微粒的相對運動受到內部摩擦與分子間作用力阻礙；液體分子間的吸引力，以及懸浮粒子、液滴或高分子網絡間的交互作用，均會提高流動阻力。

增加黏度的方法包括：

1. 提高可溶性固形物或高分子濃度：例如增加糖、澱粉、蛋白質或膠體濃度，使分子交互作用與流動阻力上升。
2. 加入增稠劑或膠凝劑：如洋菜、三仙膠、果膠、黃原膠或澱粉。
3. 促進水合、溶解或形成網絡結構：適當加熱、攪拌與調整配方，使高分子充分分散；部分膠體冷卻後形成網絡，可提高表觀黏度或形成凝膠。
4. 降低溫度：多數液態食品降溫後黏度上升；但溫度效應仍須依產品與膠體特性判斷。

（二）牛頓流體與賓漢流體

**牛頓流體（Newtonian fluid）**在一定溫度、壓力下，其黏度不隨剪切速率改變，剪應力與剪切速率呈線性關係：

例如水、稀糖水及多數低濃度油品可近似視為牛頓流體。其流動曲線通過原點，剪切速率加倍時，剪應力也加倍。

賓漢流體（Bingham plastic fluid）需先施加超過某一臨界值的屈服應力 $\tau_0$ 才開始流動；超過屈服應力後，剪應力與剪切速率近似線性：

核心觀念

本題考查兩項發酵工程基礎：

1. 攪拌槽式生物反應器的主要構造，以及供氧、混合、控溫、監測與維持無菌的功能。
2. 固定化生物催化劑的概念與應用差異。固定化菌體是將完整微生物細胞限制在特定位置或載體中；固定化酵素則是將酵素固定或結合於載體上。高果糖糖漿製程的代表性例子，是以固定化葡萄糖異構酶將葡萄糖轉為果糖。

（一）生物反應器構造及配件功能

以下以常見的攪拌槽式生物反應器為例。考場可依此示意圖繪出槽體、攪拌系統、進氣系統、溫控系統與監測控制設備，再標示各部件功能。

 馬達
 │
 傳動軸／軸封
 無菌排氣管 ── 冷凝器／排氣濾器
 │
 培養基、菌種、酸鹼液、消泡劑添加口
 │
 ┌────────────────────────┐
 │ │ │ │ ← pH、溫度、溶氧探針
 │ │ 攪拌軸 │ │
 │ 擋板 │ │ │
 │ ├──葉輪──┤ │
 │ │ │ │
 │ │ │ │
 │ └───────────┘ │
 │ ↑ 無菌空氣氣泡 │
 └───────────┬────────────┘
 夾套／盤管 │
 冷卻水或蒸汽進出口│
 空氣分散器
 │
 無菌空氣 → 流量計／空氣濾器
 │
 底部取樣口／排料口

主要構造與功能

• 反應槽體：容納培養基、菌體或酵素反應物。常採耐腐蝕、易清洗及可耐受蒸汽滅菌的材質，並須能維持製程所需的密閉與無菌條件。
• 馬達、攪拌軸與葉輪：提供攪拌，使培養液中的養分、菌體、熱量及氧氣分布較均勻；在好氧發酵中，也能增加氣液接觸與氧傳遞。
• 擋板：設於槽內壁，抑制液體隨葉輪整體旋轉形成渦流，改善混合效果。
• 空氣分散器（sparger）：將無菌空氣導入槽底並分散成氣泡，供應好氧微生物所需的氧氣。進氣端通常配置空氣濾器及流量控制設備，以降低污染並調節通氣量。
• 夾套或盤管：通入冷卻水、熱水或蒸汽，移除發酵產熱或提供加熱，控制培養液溫度。
• 溫度、pH及溶氧探針：即時監測培養液狀態，並將訊號傳送至控制系統。控制系統可依設定值調整加熱／冷卻、酸鹼液添加及通氣或攪拌條件。
• 培養基、菌種及補料口：供裝入培養基、接種菌種或在培養過程中補充養分；採密閉及無菌操作，以維持製程衛生。
• 排氣管、冷凝器及排氣濾器：排出發酵產生的氣體。冷凝器可降低排氣帶走水分造成的損失；排氣濾器可降低微生物逸散及外界污染風險。
• 消泡裝置或消泡劑添加口：處理通氣、攪拌或蛋白質造成的泡沫，避免泡沫堵塞排氣管或溢出槽體。
• 取樣口與底部排料口：供無菌取樣、排出培養液或收取反應產物。

（二）固定化菌體、固定化酵素與高果糖糖漿

1. 固定化菌體

固定化菌體是將完整微生物細胞限制或附著在不溶性載體上，使菌體保留生物催化活性，並能在反應結束後與產物分離。常見方式包括包埋於凝膠、吸附於載體、共價結合或形成交聯聚集體。