熱力殺菌技術之動力學分析：超高溫瞬時殺菌（UHT）與高壓釜殺菌（121°C/30分鐘）對營養成分影響之深度綜述

在食品工業與熱力工程的交叉領域中，確保低酸性食品（pH > 4.6）的微生物安全性與最大化保留其營養價值，始終是一個極具挑戰性的平衡課題 1。熱處理的核心目標在於失活致病菌及腐敗微生物，特別是具有極高熱耐受性的細菌內孢子，如肉毒桿菌（Clostridium botulinum） 3。然而，熱能的輸入同樣會引發一系列化學反應，導致蛋白質變性、維生素降解以及梅納反應（Maillard reaction）的發生，進而損害食品的營養品質與感官特性 5。

目前工業界最廣泛討論的兩種商業殺菌模式，分別是「超高溫瞬時殺菌」（Ultra-High Temperature, UHT）以及傳統的「高壓釜殺菌」（Retort Sterilization，典型條件為 121°C、30 分鐘） 8。雖然這兩者都能達到「商業無菌」（Commercial Sterility）的標準，使其產品能在常溫下長期保存，但其對營養物質的破壞程度存在顯著差異 7。

熱力殺菌的理論基礎與動力學模型

理解不同殺菌技術對營養成分的破壞，必須從熱動力學的角度切入。食品科學中使用 $D$ 值（十倍衰減時間）和 $Z$ 值（溫度係數）來定量描述微生物與營養素對熱的敏感性 11。

微生物失活與化學降解的動力學差異

$D$ 值定義為在特定溫度下，將微生物數量或營養素濃度減少 90%（即 1 個對數單位）所需的時間 11。$Z$ 值則是指使 $D$ 值發生十倍變化所需的溫度增量 14。

在熱處理過程中，一個至關重要的發現是微生物（特別是孢子）的 $Z$ 值通常遠低於營養素或感官指標的 $Z$ 值 11。典型細菌孢子的 $Z$ 值約在 7°C 至 12°C 之間，而維生素降解及梅納反應等化學反應的 $Z$ 值則通常在 20°C 至 30°C 甚至更高 4。

這種 $Z$ 值的差異構成了 HTST（高溫短時）和 UHT 技術的科學基礎 3。由於細菌孢子對溫度的升高比維生素更敏感，當溫度大幅提升時，細菌死亡率的增加速度遠快於營養素降解率的增加速度 7。因此，透過極高的溫度配合極短的時間，可以在達到相同微生物致死效應的前提下，大幅降低化學負荷（Chemical Load） 7。

熱負荷指標：F0 值與 Cook 值（C*）

熱處理的總強度通常由 $F_0$ 值來衡量，它代表在 121.1°C 下達到相同殺菌效果所需的等效時間（假設 $Z=10°C$） 19。對於低酸性罐頭食品，為了安全起見，通常要求 $F_0$ 值至少達到 3 分鐘，這被稱為「肉毒桿菌殺菌標準」（Botulinum cook） 21。

與致死率相對應的是品質破壞指標，通常稱為「烹飪值」（Cook value, $C^*$）或「褐變值」（Browning value, $B^*$） 7。其計算公式與 $F_0$ 類似，但使用的 $Z$ 值較高（如 33°C），代表化學反應的熱依賴性 18。

$$F_0 = \int_{0}^{t} 10^{(T(t) - 121.1)/10} dt$$

$$C^* = \int_{0}^{t} 10^{(T(t) - 100)/Z_{chem}} dt$$

在 $F_0$ 值相同的情況下，UHT 處理後的 $C^*$ 值會遠低於 121°C 長時間殺菌的 $C^*$ 值 7。這定量的解釋了為什麼 121°C 殺菌 30 分鐘對營養物質的破壞遠大於 UHT 處理 8。

UHT 與 121°C/30 分鐘殺菌之機制對比

超高溫瞬時殺菌（UHT）的工藝特性

UHT 處理通常將液態產品加熱至 135°C 至 150°C，維持時間僅為 2 至 10 秒 9。這種技術主要應用於液體食品，如牛奶、果汁及液態營養補充品 24。

UHT 系統分為直接加熱（Direct Heating）和間接加熱（Indirect Heating）兩類 7。直接加熱包括蒸氣噴射（Steam Injection）或蒸氣注入（Steam Infusion），產品能在不到一秒的時間內達到目標溫度，並透過真空閃蒸進行極速冷卻 24。這種方式因熱負擔極小，能最大程度地保留食品原始風味與熱敏感營養素 7。

間接加熱則使用板式或管式熱交換器，產品與熱媒不直接接觸 7。雖然其能源利用率較高，但由於熱交換效率受限，其升溫與降溫曲線較緩，導致產品承受的熱負荷略高於直接加熱系統，但仍遠低於傳統的高壓釜殺菌 7。

高壓釜/罐裝殺菌的局限性

傳統的 121°C 殺菌 30 分鐘通常發生在密封容器中，這種方法適用於固體、半固體或含有顆粒的液體 1。由於容器體積較大，熱量必須透過傳導或對流從外部傳遞至容器中心（冷點，Cold Point） 22。

為了確保中心點達到足夠的殺菌強度（$F_0 \geq 3$），靠近容器壁的食品不可避免地會受到過度加熱 1。這長達 30 分鐘甚至更久的加熱過程（包含升溫時間 CUT 和降溫時間 CDT），使得總體熱負荷遠超 UHT 處理 19。

熱處理對具體營養物質的破壞分析

關於「哪一個破壞較大」的問題，科學數據一致指向 121°C 長時間處理對營養素的損耗最為嚴重 1。

熱敏感維生素的降解動力學

維生素 C（抗壞血酸）和 B 群維生素（特別是 B1、B12 和葉酸）是對熱最敏感的成分 1。

1. 維生素 B1（硫胺素）： 硫胺素在熱處理中極不穩定 1。研究顯示，在液態營養配方中，UHT 處理後的 B1 損失幾乎可以忽略不計，而在 121°C 下殺菌 40 分鐘（Retort B）會導致 B1 損失 22-23% 8。

2. 維生素 C： 其降解受熱與氧氣的雙重影響 5。在 121.9°C 下殺菌的調味奶中，維生素 C 的降解率高達 45-50%，而溫度稍升至 122.6°C 則會導致 100% 的完全破壞 8。相比之下，UHT 處理的損失通常控制在 25-35% 以內，且大部分損失發生在儲存期間而非殺菌瞬間 26。

3. 維生素 B12： 研究發現，在嬰兒食品加工中，85°C 處理 15 秒就可能導致高達 94% 的 B12 降解 32。在更劇烈的 121°C 長時間殺菌中，B12 的保留率往往極低，顯著遜於 UHT 產品 31。

蛋白質的變性與氨基酸可用性

熱處理會導致蛋白質的三級結構展開，即變性 34。雖然適度變性有助於提高消化率，但過度加熱會引發蛋白質與還原糖之間的梅納反應，導致關鍵氨基酸（尤其是賴氨酸 Lysine）的「閉鎖」（Blocking），使其無法被體內吸收利用 6。

在針對大鼠進行的活體實驗中，餵食 UHT 處理配方奶的大鼠，其淨蛋白質利用率（Net Protein Utilization, NPU）顯著高於餵食高壓釜殺菌配方奶的大鼠 8。此外，高壓釜處理後的配方奶在消化過程中產生的盲腸氨濃度較高，這暗示了較多的未消化蛋白質進入了大腸，反映其蛋白質品質受損嚴重 8。

梅納反應與化學衍生物的生成

梅納反應不僅導致顏色變深（褐變），還會產生潛在的有害物質，如 5-羥甲基糠醛（HMF）和氟胺酸（Furosine） 6。

• 氟胺酸（Furosine）： 作為熱損傷的指標，氟胺酸的含量與熱處理的總熱負荷成正比 6。在 121°C 長時間處理中，氟胺酸的生成量遠高於 UHT 產品 6。

• 褐變指數： 高壓釜殺菌會賦予乳製品明顯的「焦香味」和深黃色調，這是由於長時間加熱促進了高級梅納反應產物（Melanoidins）的生成 24。
  

溫度與時間的辯證關係：只有溫度會破壞營養嗎？

關於「只有溫度會破壞營養嗎？」以及「加熱時間長度的影響」，答案是非常明確的：加熱時間對營養破壞的貢獻往往大於溫度本身 7。

時間-溫度積分的決定性作用

營養素的破壞是一個化學反應過程，其遵循反應速率與時間的線性關係 16。在 UHT 工藝中，雖然 150°C 遠高於 121°C，但其作用時間僅為 1/450（5 秒對 2250 秒） 8。

這種現象可以通過「阿瑞尼斯定律」（Arrhenius Law）解釋：當溫度升高時，細菌孢子的死亡速率常數 $k$ 的增長係數遠高於維生素降解的 $k$ 值 11。因此，透過提高溫度來縮短時間，實際上是利用了物理與化學反應的不同活化能（Activation Energy, $E_a$），實現了「精準打擊微生物、放過營養素」的效果 7。

溶氧量：非熱力降解的關鍵因素

除了熱負荷，營養素（特別是抗氧化成分）的穩定性還深受食品中物理化學環境的影響 5。