107 高普考高考三級 食品衛生檢驗 食品加工學 考古題詳解

核心觀念 本題評量重點為「真空包裝即食食品之微生物危害控制」與「食品良好衛生規範準則（GHP）」法規標準。

• 法源依據：本題以命題當年（民國 107 年）法規為準，依衛生福利部發布之《食品良好衛生規範準則》（GHP）附表三「真空包裝即食食品良好衛生規範基準」之規定；現行法規中相關基準架構實質上維持一致。
• 核心微生物學原理：真空包裝會抽除空氣形成「厭氧環境」，抑制大部分好氧腐敗菌生長，但卻為專性厭氧的致命病原菌——肉毒桿菌（Clostridium botulinum）​創造了絕佳產毒條件。因此，擬於「常溫」貯存販賣之真空包裝即食食品，必須確保肉毒桿菌孢子被徹底殺滅，或產品具備足以完全抑制其孢子發芽、生長及產毒之「物理化學屏障（Hurdle Technology）」。

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解題方法 申論題的作答架構應採「法規具體條文」搭配「食品加工與微生物抑菌學理」，切入層次如下：

1. 破題界定：引出 GHP 附表三之立法目的與食品安全核心（防止肉毒桿菌中毒）。
2. 條列常溫要件：精確回答常溫流通之法定四大屏障條件（商業滅菌、水活性、pH 值、水相食鹽含量）。
3. 補充配套管理：補足外包裝標示、製程設備與保存期限驗證之法規規定，使答題架構完整無缺漏，爭取滿分。

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條件深度剖析（申論題各項規定分析） 本題為國家考試之申論題，依 GHP 附表三規範，常溫貯存販賣食品必須符合下列任一要件，各要件背後之加工與微生物學理分析如下：

1. 經商業滅菌（Commercial Sterilization）者

• 法規要件：殺菌強度需使印有該批次代號之食品，在常溫（不超過 30℃）及正常貯存條件下，不致有致病性或可引起腐敗之微生物繁殖。
• 學理機制：通常比照低酸性罐頭標準，以耐熱之肉毒桿菌 Group I 孢子（如 62A 菌株）為指標菌，其加熱殺菌值達 $F_0 \ge 3.0\text{ min}$（採 12D 原理），使孢子全數失活。

2. 未經商業滅菌者，其物理及化學特性符合下列條件之一 若未經高溫加壓商業滅菌，產品必須具備下列能絕對抑制肉毒桿菌孢子發芽產毒的本質屏障：

• 水活性（$a_w$）在 0.85 以下：肉毒桿菌生長之最低水活性極限為 0.935（嗜鹽嗜溫型）至 0.97（嗜冷型），法規設定 $a_w \le 0.85$，同時能一併抑制金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）在有氧或厭氧下產毒的界限（$a_w = 0.85$）。
• 氫離子濃度指數（$\text{pH}$ 值）在 4.6 以下：4.6 為低酸性食品與酸性食品之法規劃分點，亦為蛋白質水解型（Group I）肉毒桿菌孢子發芽與產毒之絕對臨界下限（$\text{pH} \le 4.6$ 時孢子無法發芽產毒）。
• 水相食鹽含量（Salt-in-water phase）在 10% 以上：

核心觀念

本題涵蓋「食品單元操作」中的熱交換設備原理及「質量與能量平衡」工程計算，核心觀念包含：

1. 直接加熱式熱交換原理（Direct Steam Injection, DSI）： 將高壓純淨的食品級蒸汽（culinary steam）藉由特殊噴嘴直接注入流動的液體或半固體食品中。蒸汽與食品混合並瞬間冷凝，釋出相轉變之潛熱使食品急遽升溫。
2. 蒸汽品質（乾度, Steam Quality, $x$）與熱焓值（Enthalpy）： 濕飽和蒸氣之熱焓值由飽和液體熱焓 $H_f$ 與汽化潛熱 $(H_g - H_f)$ 依乾度權重組合而成： $H_s = H_f + x \cdot (H_g - H_f)$
3. 穩態質量平衡（Mass Balance）：

• 總質量平衡：$\dot{m}_{\text{in}} = \dot{m}_{\text{out}} \implies \dot{m}_1 + \dot{m}_s = \dot{m}_2$
• 固形物質量平衡（蒸汽不含食品固形物）：$\dot{m}_1 \cdot X_1 = \dot{m}_2 \cdot X_2$

4. 穩態能量平衡（Energy Balance）： 在無外在熱損失的絕熱假設下，系統輸入總熱焓等於輸出總熱焓： $\sum \dot{m}_{\text{in}} H_{\text{in}} = \sum \dot{m}_{\text{out}} H_{\text{out}}$ 基準溫度（Reference Temperature, $T_{\text{ref}}$）取水在 $0\,^\circ\mathrm{C}$ 之狀態（$H_f \approx 0\,\mathrm{kJ/kg}$），液態食品之熱焓以 $H = C_p \cdot (T - T_{\text{ref}})$ 計算。

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解題方法

第一部分：蒸汽注入式熱交換機之原理及優缺點

1. 原理

蒸汽注入式（Direct Steam Injection, DSI）屬於直接接觸型加熱系統。操作時，將經過微孔濾清之高壓食品級烹飪蒸汽（culinary steam）藉由注入噴嘴直接噴入加壓輸送的管路流體中。蒸汽與物料直接相融並在極短時間（數分之一秒至數秒）內冷凝，完全釋放汽化潛熱，使物料以每秒數十至數百度的升溫速率達到預定殺菌溫度（如超高溫殺菌 UHT 條件）。殺菌完成後，混合液體通常會導入減壓之真空閃蒸室（vacuum flash chamber），利用降壓沸騰將冷凝混入的等量水分汽化排出，同時冷卻物料並使固形物濃度復原。

2. 優點

• 熱傳效率極高且升溫極速：無金屬傳熱管壁與邊界層熱阻限制，受熱時間僅需數秒，能顯著降低食品熱負荷（thermal shock），大幅保留熱敏性營養成分、天然色澤與新鮮風味。
• 防止表面焦結（Fouling / Burn-on）：不依賴高溫加熱壁面，極適合處理高黏度、富含澱粉、蛋白質或糖類之黏稠物料（如番茄糊、布丁、醬料），免除管壁焦化與結垢問題。
• 設備體積小且升降溫應變快：無大型換熱管束或板片組，體積緊湊，開機啟動與溫度調控之滯後時間極短。

3. 缺點

• 物料被水分稀釋：蒸汽直接冷凝於產品中，導致物料水分增加、固形物含量下降，加工後續必須增設真空閃蒸系統以抽離外來水分，增加投資與操作成本。
• 對蒸汽水質要求極為嚴格：注入的蒸汽必須為食品級（culinary steam），鍋爐水源與水處理藥劑（如除氧劑、消泡劑、揮發性防蝕胺類）不可含有任何危害人體之毒性物質或未經核准之化學品。
• 熱能直接回收效率偏低：相比間接式熱交換器（如板式之回熱段），直接注入法較難達成物料對物料（product-to-product）之高效率熱能回收。
• 可能產生氣蝕與組織破壞：高壓蒸汽泡劇烈破裂與冷凝（cavitation）伴隨強烈剪切力，容易破壞對剪力敏感的特定懸浮果肉顆粒或凝膠網狀質地。

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第二部分：番茄糊殺菌之溫度與固形物含量計算

步驟一：質量平衡計算（求殺菌後固形物含量）

1. 總質量平衡： $\dot{m}_2 = \dot{m}_1 + \dot{m}_s = 400\,\mathrm{kg/h} + 50\,\mathrm{kg/h} = 450\,\mathrm{kg/h}$
2. 番茄糊固形物質量平衡： 流入之固形物全來自起始番茄糊： $\dot{m}_{\text{solid}} = \dot{m}_1 \cdot X_1 = 400\,\mathrm{kg/h} \times 40\% = 160\,\mathrm{kg/h}$
3. 殺菌後番茄糊固形物含量 $X_2$：

核心觀念

本題測驗「食品物理化學」與「單元操作（乾燥與保藏）」之核心交集，命題要點包含三大部分：

1. 等溫吸濕／脫濕曲線（Moisture Sorption / Desorption Isotherms, MSI）：在固定溫度下，食品之水分含量（Moisture Content, $M$）與水分活性（Water Activity, $a_w$）之間的動態平衡關係曲線。涵蓋曲線基本型態（通常為第 II 型 S 型曲線）及水分結合的三個區域（BET Zone I、Zone II、Zone III）。
2. 遲滯現象（Hysteresis Phenomenon）及其成因：在相同水分活性下，脫濕路徑測得之平衡水分含量高於吸濕路徑之現象（或相同水分含量下，脫濕之 $a_w$ 小於吸濕之 $a_w$）。核心成因理論包含「墨水瓶毛細管假說（Ink-bottle pore theory）」、「聚合物結構收縮與塌陷」、「活性結合基位阻效應」及「溶質過飽和現象」。
3. 食品加工之實務意義：曲線在乾燥終點控制、貯藏安定性（Labuza 安定性圖譜與 BET 單分子層值 $M_0$）、複合食品水分遷移控制、防潮包裝設計（透濕率 WVTR 評估）及復水性預測之具體應用。

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解題方法

本題為標準的申論型觀念整合題，作答應採取「定義與特徵 $\to$ 機制深入剖析 $\to$ 實務加工應用」的三段式層次鋪陳：

1. 第一段：等溫吸濕脫濕曲線定義與分區：清楚界定 X 軸（$a_w$）與 Y 軸（水分含量），說明典型食品（富含蛋白質或澱粉）呈現之 Sigmoid（S 型）曲線特徵，並以 BET 理論將水分子吸附狀態劃分為三區帶進行說明。
2. 第二段：遲滯現象之定義與微觀機制：具體界定吸濕曲線與脫濕曲線不重合之遲滯環（Hysteresis loop），並列舉四大微觀物理化學成因，其中必須引述熱力學與表面張力之「克耳文方程式（Kelvin equation）」詮釋毛細管凝縮效應。
3. 第三段：加工上的工程與保藏意義：從乾燥工程、貯存化學劣變、包裝工程及產品復水性等維度分項條列，展現高階公職考試所要求的系統性實務思維。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題，無個別選項。各子題評分爭點與論述架構詳見下方【答案】。

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解題技巧

1. 座標軸定義切勿顛倒：X 軸為「水分活性（$a_w$）」（無因次，介於 $0 \sim 1.0$），Y 軸為「平衡水分含量（Equilibrium Moisture Content, $M$）」（單位通常為 $\text{g } \text{H}_2\text{O} / 100\text{g}$ 乾重或 $\text{g } \text{H}_2\text{O} / \text{g}$ 乾物質）。
2. 圖表意識（文字化呈現）：閱卷委員極度重視考生是否掌握「脫濕曲線在吸濕曲線上方」的事實。文字描述必須精確指出：同一 $a_w$ 下，$M_{\text{desorption}} > M_{\text{adsorption}}$。
3. 成因論述關鍵字：解釋遲滯成因時，「墨水瓶孔隙（Ink-bottle pore）」與「Kelvin 方程式」是取得高分的關鍵學術術語，不可僅用模糊的「毛細孔吸水不易」帶過。
4. 與食品劣變反應圖譜結合：在加工意義部分，務必點出「BET 單分子層水分含量（Monolayer value, $M_0$）」，此為食品物理與化學最安定的臨界點。

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【答案】

一、食品等溫吸濕與脫濕曲線之定義及特性

1. 定義： 食品等溫吸濕／脫濕曲線（Moisture Sorption/Desorption Isotherms, MSI）係指在恆定溫度下，食品樣品的水分含量（$M$，通常以乾基表示：$\text{g } \text{H}_2\text{O}/\text{g}$ 乾重）與其周圍環境達到相平衡時的水分活性（$a_w$ 或平衡相對濕度 $\text{ERH} = a_w \times 100\%$）之間的函數關係圖。

• 等溫吸濕曲線（Adsorption isotherm）：乾燥食品由低水分狀態逐漸吸收水分加濕時所測得之曲線。
• 等溫脫濕曲線（Desorption isotherm）：高水分新鮮食品藉乾燥脫水過程逐漸移除水分時所測得之曲線。

2. 曲線型態與分區（以典型富含高分子物質之第 II 型 S 型曲線為例）： 大部分富含澱粉或蛋白質之食品呈現 Sigmoidal（S 型）曲線，依據 BET（Brunauer-Emmett-Teller）吸附理論，曲線由低到高可劃分為三個水活性區帶：

• Zone I（單分子層結合水，Monolayer water，$a_w < 0.2 \sim 0.25$）： 水分藉由強氫鍵或離子鍵緊密結合於親水性高分子（如 $-\text{OH}$、$-\text{NH}_3^+$、$-\text{COO}^-$）之極性基團上。此區水分子無溶劑性質、不可凍結（$-40^\circ\text{C}$ 下不結冰），流動性極低。
• Zone II（多分子層微毛細水，Multilayer water，$a_w \approx 0.25 \sim 0.75$）： 水分子藉由水—水氫鍵附著於單分子層水外圍，並充填於細小微毛細管中。開始具有微弱溶劑能力，可使親水性基質發生微度塑化與膨潤，化學反應速率隨水分增加而漸進上升。
• Zone III（毛細管凝縮水與游離水，Free/Bulk water，$a_w > 0.75 \sim 0.8$）： 水分充填於大型毛細孔隙或巨觀組織間隙中。此區水分子受基質束縛力最微弱，具完整溶劑活性、易於凍結，是微生物生長與酵素水解作用的主要反應介質。

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二、遲滯現象（Hysteresis）及其成因

核心觀念

1. 罐頭食品之法定與加工學定義： 以命題當年（民國 107 年）法規為準，依據衛生福利部訂定之《食品良好衛生規範準則》（GHP）附表二及我國國家標準（CNS），罐頭食品（Canned food）具備三大核心要素：

• 容器密封性：以金屬、玻璃、殺菌袋（耐熱塑膠/鋁箔複合軟袋）或其他可耐殺菌之容器密封。
• 商業滅菌（Commercial Sterilization）：封口前或封口後，施以充分加熱殺菌，使能在常溫下殺滅病原微生物、毒素產生菌（特別是肉毒桿菌 Clostridium botulinum 芽孢），以及在常溫正常儲存流通條件下能繁殖之致腐敗微生物。
• 常溫可長期保存（Shelf-stable）：不需添加防腐劑，亦不需冷藏或冷凍，即可在常溫下維持品質與食用安全性。

2. 真空度（Vacuum Degree）之物理意義與計算： 真空度係指「外界大氣壓力」與「罐內絕對壓力」之差值，代表罐內負壓程度。罐頭的真空主要來自封罐時頂隙（Headspace）內充滿高溫水蒸氣，冷卻後水蒸氣凝結成液態水，體積極度收縮，致使內部絕對壓力大幅驟降所形成。

3. 熱力學與氣相變化原理： 利用道耳吞分壓定律與理想氣體狀態方程式：

• 罐內全壓為乾空氣分壓與水蒸氣分壓之和：$P_{\text{can}} = P_{\text{air}} + P_{\text{vapor}}$。
• 封罐高溫時水蒸氣分壓大；冷卻至常溫後，水蒸氣凝結成水，飽和蒸氣壓急降，未凝結之殘存空氣亦隨絕對溫度降低而壓力縮小，構成罐頭之真空度。

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解題方法

本題為標準的食品工程與加工整合型申論題，採「定義 $\to$ 公式與原理推導 $\to$ 系統化因子剖析」三層次切入：

1. 名詞定義：嚴格扣合「密封容器」、「商業滅菌」、「常溫耐存」三要件，避免僅狹義列舉馬口鐵罐，需涵蓋殺菌軟袋等新型罐頭。
2. 真空度計算：

• 寫出絕對壓力與相對表壓之關係式。
• 說明以標準大氣壓為基準的計量方式，並推導溫度變化引起的壓力差。

3. 影響因子：按加工製程之時間軸進行結構化分類（充填前物料狀態 $\to$ 排氣與封罐條件 $\to$ 容器幾何與密封 $\to$ 儲運與化學反應），確保答題無遺漏。

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選項分析

本題為申論題（非選擇題），歷年國家考試各子題評分權重與閱卷踩分點如下：

• 子題一：罐頭食品之定義（約佔 25%）： 若僅回答「裝在鐵罐裡密封殺菌的食品」屬於嚴重失分。必須明確寫出「商業滅菌」（非絕對無菌）與「常溫保存」，並列舉適用容器型態。
• 子題二：真空度計算（約佔 35%）： 須提供明確數學式。僅寫「大氣壓減去罐內壓力」得基本分；若能同時標明計量單位（$\text{inHg}$ 或 $\text{cmHg}$）、說明真空表檢測原理，並進一步由氣體分壓說明冷卻前後的狀態變化，即可獲滿分。
• 子題三：影響真空度之因子（約佔 40%）： 需列出至少 4 至 5 項關鍵因子。單純列出名詞得分有限，必須逐一闡述「因果機制」（例如：排氣溫度如何透過水蒸氣飽和蒸氣壓影響最終冷卻後的壓差）。

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解題技巧

1. 記住「真空度」是相對值： 真空表所測得的數值是相對壓力（Gauge pressure 下的負壓），而非絕對壓力。外界氣壓變動（如高海拔測量）或未校正真空表讀數，是實務與計算中最常見的陷阱。
2. 掌握「排氣－水蒸氣凝結」主導論： 回答影響因子時，核心機制是「水蒸氣取代空氣的程度」及「冷卻前後的溫差」。凡是影響「封口當下頂隙氣體含水蒸氣比率」與「封口溫度」者，皆為主要因子。
3. 分類作答避免混亂： 影響因子建議分為：

• 原料因子（蔬果組織內孔隙含氣量）。
• 操作因子（充填量/頂隙、排氣溫度與時間、封罐溫度、機械抽氣效率）。
• 包裝與環境因子（捲封氣密性、儲存溫度、量測時之大氣壓）。

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【答案】

一、罐頭食品之定義

罐頭食品（Canned food）係指符合下列三項要件之加工食品：

1. 密封容器包裝：將原料經前處理後，裝填於金屬罐、玻璃瓶、蒸煮殺菌袋（Retort pouch）或其他氣密性複合材料容器中，並予以完全密封。
2. 施行商業滅菌：於密封前或密封後，施行適當之加熱殺菌（或其他同等效能之物理殺菌方法），使食品中之致病菌（特別是肉毒桿菌 Clostridium botulinum 芽孢）完全殺滅，且使常溫下能發育之腐敗性微生物及其芽孢失去活性。
3. 耐儲性與常溫流通：在不添加防腐劑且未經冷藏或冷凍之常溫流通環境下，可長期維持食用安全性與品質穩定性。

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二、罐頭食品真空度之計算

1. 基本物理定義與計算式

真空度（Vacuum degree, $V$）定義為外界大氣壓力與罐內絕對壓力之差值： $V = P_{\text{atm}} - P_{\text{can}}$

核心觀念

本題旨在評量考生對果汁加工中「非加熱濃縮技術（Non-thermal Concentration）」之單元操作原理、物理化學機制與工業應用特性的掌握程度。

1. 果汁濃縮的傳統困境：傳統熱濃縮（如真空蒸發濃縮）因施加相變汽化熱，易導致熱敏性營養成分（如維生素 C、花青素）熱降解、梅納反應與焦糖化褐變，並造成揮發性芳香成分（Flavor Volatiles）隨蒸氣大量逸散。
2. 非加熱濃縮的物理機制：

• 相轉變型：冷凍濃縮（Freeze Concentration），利用稀溶液降溫時純水優先凍結成冰晶的相平衡原理進行固液分離。
• 膜分離型：逆滲透（Reverse Osmosis, RO），利用半透膜之溶質截留特性，施加克服液相滲透壓（Osmotic Pressure, $\pi$）之機械靜水壓，使水分子以液態形式脫除。

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解題方法

本題為標準的食品單元操作申論題，答題策略應採「明確命名 $\to$ 物理原理剖析 $\to$ 條列式優缺點對稱比較」架構，以求精準命中閱卷給分點：

1. 選定技術：挑選食品工業中最成熟、學理依據最完備的兩大經典方法——「冷凍濃縮」與「逆滲透濃縮」。
2. 闡明原理：

• 冷凍濃縮須清楚寫出「凝固點下降」、「純水結晶」及「冰晶與母液之機械分離（離心或洗滌塔）」。
• 逆滲透須清楚說明「半透膜孔徑尺度（$< 1 \text{ nm}$）」、「外加操作壓力高於原汁滲透壓（$\Delta P > \Delta \pi$）」及「常溫無相變水分脫除」。

3. 優缺點評析：針對果汁加工特性，從「品質保留（熱敏與香氣）」、「能耗表現」、「最終濃縮極限（$^\circ\text{Brix}$）」與「設備操作瓶頸（溶質夾帶、膜污染）」四個維度進行深度對比。

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選項分析

本題為問答申論題，針對食品加工學中各類非加熱脫水濃縮技術之適用性與作答可行性進行解析：

• 冷凍濃縮（Freeze Concentration）【正選標準技術】： 以低溫純水結冰進行相分離。熱敏成分完全不破壞、香氣保留最完整，但受制於母液黏度與共晶點，濃縮極限約在 $40 \sim 50\ ^\circ\text{Brix}$，為國考標準核心答案。
• 逆滲透濃縮（Reverse Osmosis, RO）【正選標準技術】： 利用化學位能與靜水壓差驅動。全程無相變且常溫操作，節能顯著，但受制於果汁高糖度帶來的巨大滲透壓，極限僅約 $25 \sim 30\ ^\circ\text{Brix}$，同為國考標準核心答案。
• 正滲透（Forward Osmosis, FO）／滲透蒸餾（Osmotic Distillation, OD）【替代方案】： 雖同屬非加熱濃縮，但工業應用需搭配專用汲取液（Draw Solution）或疏水微孔膜，牽涉汲取液再濃縮系統與化學溶質交叉污染疑慮，在試卷上適合作為佐證或替代選項，優先級次於冷凍濃縮與逆滲透。
• 超濾（Ultrafiltration, UF）／微過濾（Microfiltration, MF）【錯誤作答】： 膜孔徑過大（$0.001 \sim 10\ \mu\text{m}$），無法截留蔗糖、葡萄糖、果糖及有機酸等低分子量可溶性固形物，僅能截留果膠、纖維素等懸浮膠體，實務上係用於「果汁澄清」，無法達成「果汁濃縮」，若以此作答將嚴重失分。

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解題技巧

1. 避開常見名詞陷阱：

• 「減壓蒸發（真空蒸發）」常在低溫（$45 \sim 55\ ^\circ\text{C}$）下沸騰，但本質仍需提供大量潛熱進行液—氣相變，屬於加熱型濃縮，切勿混淆列入。

2. 濃縮上限（$^\circ\text{Brix}$）是評分核心鑑別點：

• 務必於缺點中點出各自的終點濃度瓶頸及背後物理限制：冷凍濃縮因高黏度造成冰晶分離困難（約 $40 \sim 50\ ^\circ\text{Brix}$）；