NIELSEN FOOD ANALYSIS 6e · 實驗課 · 18 週

食品分析實驗學期規劃

前半學期做一般成分分析、儀器校正與滴定，並從第一週開始做數據品管：入門用 Excel，進階用 Colab。後半學期用近紅外與拉曼光譜做化學計量學，最後以代糖混合物的 PLS 定量專題收尾。前半學期的參考方法，就是後半學期光譜模型的 Y 值。

15 人，分 5 組、每組 3 人每次 4 小時 期中考 W9、期末考 W18 單台儀器：PASCO 自動滴定、水活性儀、凱氏（需輪站）拉曼 532 / 785 nm NIR：Avantes（300–1100、900–1650 nm；另一台 600–1100 nm 待到貨）、InnoSpectra NIR-S-G1、T1、T11、R14（1600–2400 nm）、NeoSpectra Scanner、Micro Development Kit 與光纖模組（1350–2500 nm）、Spectral Engines NIRONE S2.0、S2.2、S2.5

一般成分 × 校正 × 品管光譜 × 化學計量考試

四條主線

每週的實驗同時推進這四條主線，所以校正與統計不是獨立的講課週，而是跟著當週的數據走。

成分

一般成分分析

水分、灰分、蛋白質、脂肪、碳水化合物、可滴定酸。W2 起全班量同一份共同盲樣，W8 彙整成完整的一般成分表。

校正

儀器校正

每週一項：天平與容量器具、水活性儀、pH 計、折射計、UV-Vis、拉曼波數、NIR 參考與波長。每項都寫標準品與允收條件。

品管

數據品管與統計

從平均與 SD 開始，一路到配對檢定、檢量線、管制圖、ANOVA、不確定度。每週一份 Excel 練習檔（入門）與 Colab 筆記本（進階）；後半學期改用 Orange 流程，進階用 Colab 或 R。

計量

化學計量學

光譜前處理、相似度比對、PCA、PLS、VIP、PLS-DA、離群值。工具用 Orange、SpectraView、Colab、R。

每週進度

標「輪站」的週次只有一台儀器，5 組依時間表輪流使用，其他時間在實驗桌做平行實驗。影片是課前 5 分鐘的導入，內容查證中。

週	主題與實驗	儀器校正	數據品管／化學計量	工具、教材、影片
前半學期　一般成分 × 校正 × 數據品管
W1	導論與容量器具校正實驗安全、實驗紀錄規範；10 mL 吸管與 50 mL 滴定管各重複 10 次秤水。	標準砝碼檢核天平；秤水重，用水溫對應的密度換算實際體積。	平均、SD、RSD、有效位數、信賴區間；系統誤差 vs 隨機誤差。	Excel EX01 Orange OR01 Colab NB01 ↗FAS CI 模擬器
W2輪站	水分與水活性105°C 烘箱法 vs 紅外線水分計；牛肉乾、龍眼乾、洋芋片測水活性。發放全學期共同盲樣（例如奶粉），本週測水分。	水活性儀用飽和鹽溶液驗證，25°C 參考值：LiCl 0.113、MgCl₂ 0.328、NaCl 0.753、K₂SO₄ 0.973（Greenspan 1977）。允收範圍依儀器原廠規格；鹽溶液提前一週配好。	重複性、恆重判定；兩種水分方法比較；水分含量不等於水活性。延伸：NIR Aquagram。影片挑錯題：牛肉乾影片說 500 g 鮮肉變 100 g，用瘦牛肉約 27% 固形物做質量平衡，算出實際產率並找出矛盾。	Excel EX02Colab NB02Aquagram widgetch15 投影片牛肉乾柴燒龍眼乾
W3	灰分與鈉離子550°C 乾式灰化：黑糖 vs 白糖、糙米 vs 白米、共同盲樣。鈉用 HORIBA LAQUAtwin 筆式鈉離子計（離子選擇電極）測醬油、洋芋片水萃液、湯包、運動飲料，再和營養標示比較。不使用硝酸銀與鉻酸鉀。	鈉離子計以原廠標準液兩點校正；每 10 個樣品回測一次標準液，確認沒有漂移。量測前後都要清洗感測面。	稀釋倍數（醬油要先稀釋到量測範圍內）；以標準添加法做回收率，檢查基質效應；電極測的是活性而非濃度；Na→NaCl 換算 × 2.54，但味精、小蘇打、苯甲酸鈉也含鈉，所以換算出的「鹽」會偏高；實測值與營養標示的差異。	Excel EX03Colab NB03ch16、ch21 投影片食鹽工廠喜馬拉雅粉鹽
W4輪站	手動 vs 自動滴定（PASCO）以 KHP 標定 NaOH；醋、柳橙汁、優格、紅酒的可滴定酸。同一批樣品兩種方法都做：手動用滴定管加酚酞，自動用 PASCO 教學型滴定系統記錄完整的 pH–體積滴定曲線。醋的數據保留到 W13 當 PLS 的 Y 值。	pH 感測器 4／7／9 三點校正（在 PASCO 軟體內完成），檢查斜率；NaOH 以 KHP 標定。若系統以滴數計算體積，先用 W1 的秤水法校正每滴體積（mL／滴）。	配對設計：Bland–Altman、配對 t 檢定、F 檢定比較精密度，不能只看相關係數。終點定義：酚酞變色、pH 8.2、反曲點各有偏差；從匯出的滴定曲線用一次、二次微分找當量點；紅酒示範指示劑失效。即時曲線投影：PASCO 以無線傳到筆電，把滴定曲線投影給全班。開跑前先讓學生畫出預測的曲線形狀，跑完再對照。醋酸可在半當量點讀出 pH ≈ pKa（約 4.76）；紅酒含多種有機酸，看不到單一明顯躍升。在 PASCO 的燒杯裡也加幾滴酚酞，變色那一刻在即時曲線上標記：醋酸的躍升很陡，酚酞終點與反曲點相差不到一滴；紅酒的躍升較平緩、顏色又遮住酚酞，差距才明顯。	PASCO 軟體匯出 CSVExcel EX04Colab NB04Rch22 投影片養樂多優格
W5輪站	蛋白質（凱氏法）共同盲樣（每組 1 管）＋全班共用 1 管高筋麵粉；低筋麵粉數據由助教提供。消化爐 8 管一次上架，蒸餾輪流。	HCl 標準液標定；硫酸銨回收率檢查；試劑空白。	回收率；空白校正；換算係數 6.25／5.7／6.38 的選擇；三聚氰胺怎麼騙過凱氏法。	Excel EX05Colab NB05ch18 投影片奶粉工廠麵粉工廠
W6	脂肪（Soxhlet 與酸水解）洋芋片、共同盲樣；美乃滋示範為何要先酸水解。	已知脂肪含量的參考樣品；溶劑空白。	準確度 vs 精密度；偏差的來源。	Excel EX06Colab NB06ch17 投影片牛奶脂肪標準化奶油工廠
W7	糖：Brix 與酚硫酸法總醣折射計測楓糖漿、果汁、冬瓜茶；酚硫酸法（Nielsen 實驗手冊方法）測柳橙汁、運動飲料的總醣。乙級介紹（不操作）：勞動部食品檢驗分析乙級的索摩基法與 Bertrand 法。兩者都是還原糖把 Cu²⁺ 還原成 Cu₂O，索摩基法再以碘滴定定量，Bertrand 法則把 Cu₂O 溶於硫酸鐵後以過錳酸鉀滴定。講原理、做計算題，並搭配乙級學科題目。	折射計以純水歸零、蔗糖標準液檢查；UV-Vis 以葡萄糖標準液建立 490 nm 檢量線。	檢量線、殘差圖、R² 迷思、LOD／LOQ。比較方法測到的是什麼：酚硫酸法測總醣（含蔗糖），索摩基法與 Bertrand 法屬銅還原法，只測還原糖，蔗糖要先轉化；果糖與葡萄糖在酚硫酸法的呈色強度不同，選哪種糖當標準會造成偏差。安全：濃硫酸與酚都在抽風櫃內操作，戴面罩與耐酸手套；酚廢液另外回收。	Excel EX07Colab NB07ch19 投影片FAS 檢量線遊戲食品檢驗乙級學科參考資料楓糖漿甜菜製糖
W8	全班能力試驗與品管總整理彙整 5 組的共同盲樣結果，碳水化合物用差減法，完成一般成分表；補做需要重測的項目。	回顧 W1–W7 的校正紀錄，找出哪一項校正最影響結果。	管制圖、Grubbs 異常值、單因子 ANOVA（組間差異）、z-score、不確定度預算、規格放行判定。	Excel EX08 Orange OR08Colab NB08RFAS 管制圖、異常值、不確定度、放行官、ANOVA
W9	期中考筆試（一般成分、校正、品管觀念）	實作：給一組滴定或能力試驗數據，在 Excel 或 Colab（任選）完成品管報告（描述統計、異常值檢定、方法比較、結論）。
後半學期　近紅外 × 拉曼 × 化學計量學
W10	振動光譜原理與光譜儀校正量純物質：蔗糖、阿斯巴甜、三氯蔗糖、赤藻糖醇、麥芽糊精、乙醇、醋酸。每組固定分到一台 NIR（見下方儀器分配），拉曼兩台輪用。	拉曼：Si 520.7 cm⁻¹、聚苯乙烯 1001.4 cm⁻¹，532 與 785 nm 都要校正。NIR：白板參考、暗電流、波長檢查；比色槽方向造成的遮光假影。	重複掃描的 SD 光譜；532 vs 785 的螢光背景比較（黑糖、食用油）。各組把自己那台 NIR 的波段、量測模式、解析度整理成一張全班共用的儀器表。	SpectraViewch8 IR 投影片ch6 光譜投影片
W11	前處理與光譜相似度比對用 W10 的純物質建光譜庫，指認特徵峰；比對未知粉末與市售代糖的成分。	拉曼螢光背景用 ALS 基線（λ、p）扣除。	SNV、MSC、Savitzky–Golay 微分；相關係數與 SAM 相似度；相似度門檻與誤判。	SpectraViewOrange OR11Colab NB09
W12	PCA食用油：特級初榨與精製橄欖油、大豆、芥花、椰子、花生油，量拉曼 785 與 NIR；備用資料集 five_sugar。	每個樣品重複裝填 3 次，評估取樣變異。	分數圖、loadings 解讀、scree plot；Orange PCA 要接 Data 輸出，score plot 才能依類別上色。	Orange OR12Orange PCA + SpectraColab NB10R prcomp橄欖油芥花油大豆油
W13	PLS I：醋酸（或乙醇）定量用 W4 滴定的醋當 Y，加上稀釋標準系列。液體用可裝比色槽的穿透式配置量測，各組用不同儀器，全班比較 RMSEP；也可比較短波（600–1100 nm）、900–1700 nm 與長波（1350–2500 nm，需排除約 1940 nm 水吸收飽和區）的模型差異。示範資料：acetic_t1_1mm_0313_2025。延伸：W7 在水果上量的 Brix 光譜（Avantes 300–1100 nm vs NIR-S-G1 900–1700 nm），以折射計 Brix 為 Y 建模，比較兩台儀器。	比色槽光程與方向固定；每天開機先量參考。	校正集與驗證集切分、交叉驗證選 LV 數、RMSEC／RMSECV／RMSEP、RPD、偏差；參考方法的誤差會傳進模型。	Orange OR13Orange PLS + Test and ScoreR plsColab NB11葡萄酒
W14	PLS II：VIP、PLS-DA、離群值定量 PLS 的 VIP 與回歸係數；油種或糖種分類用 PLS-DA；Corn 資料集練 T² 與 Q 殘差，並看三台儀器間的模型轉移問題。	VIP 高的波段要能對應 W11 指認的化學鍵。	VIP 解讀與波段篩選；PLS-DA 的混淆矩陣；T²（模型內）vs Q（模型外）；模型適用範圍。	Orange OR14R／Colab 算 VIPOrange PCA＋邏輯斯迴歸chemometrics-teaching 離群值模組
W15	代糖專題 I：配製與量測阿斯巴甜 × 三氯蔗糖 5×5 格點，赤藻糖醇補足；以拉丁方格分工，每組配 5 個樣品、每組都碰到兩種甜味劑的每個濃度水準。助教另配 7 個不在格點上的盲樣當驗證集。	秤量用 W1 校正過的天平；研缽研磨、過篩控制粒徑。	32 瓶（25 校正＋7 盲樣）用 Excel =RAND() 隨機分到 6 個樣品架，輪轉經過每一台 NIR 與拉曼 785；每瓶每台重裝 2 次、分開存檔不平均，把取樣變異當成品管數據。每台儀器都量到全部樣品，W16 可比較儀器。	拉曼 785NIR
W16	代糖專題 II：建模與預測兩個 Y 各建 PLS 模型，預測盲樣與市售代糖；再用 NNLS（Colab NB13）以純物質光譜直接回推比例，比較兩種做法。	確認兩個 Y 的相關係數接近 0（設計正確的證據）。	PLS vs 經典最小平方法（CLS／NNLS）；市售品低於 LOD 時該怎麼報告。	Orange OR16Orange PLSColab NB13：VIP／NNLS／LOD／T²·Q
W17	專題發表與同儕審查每組交一份模型成績單並口頭報告。	報告必須附上本組儀器的校正紀錄。	成績單欄位：LV 數、RMSEP、偏差、RPD、VIP 對應的特徵峰、適用範圍、LOD 限制。	同儕評分表
W18	期末考筆試（光譜原理、校正、化學計量觀念）	實作：給一組光譜與參考值，在 Orange 或 Colab（任選）完成 PCA 與 PLS，寫出模型結論；在 R 或 Colab 算 VIP 列為進階加分。

單台儀器的輪站安排

5 組、4 小時（240 分鐘）。扣掉開場講解 30 分鐘與收尾 20 分鐘，單台儀器約有 190 分鐘可排。

W4 PASCO 自動滴定（1 套）

每組約 30 分鐘：醋與紅酒各跑 1 次。教學型系統加液速度較慢，每次約 8–12 分鐘，實際時間請先試跑確認；重複數由全班 5 組合併取得。

沒輪到的組在實驗桌做手動滴定，同一批樣品各 3 重複。KHP 標定 NaOH 由各組手動完成，PASCO 用全班共用的一瓶已標定 NaOH。每組把滴定曲線匯出成 CSV，回家用 Colab 找當量點。

W2 水活性儀（1 台）

開場由助教示範 4 種飽和鹽驗證，全班共用結果。

每組只量 3 個樣品，每次約 5–10 分鐘，每組約 30 分鐘；其他時間做烘箱法與紅外線水分計。

W5 凱氏法（1 套）

消化爐只能放 8 管：5 組盲樣各 1 管 + 1 空白 + 1 硫酸銨回收 + 1 高筋麵粉 = 8 管，一次上架剛好滿。因此盲樣蛋白質每組只有 1 個數值，W8 的組內重複性改用助教的重複測定。

消化約 2 小時，空檔講解換算係數與三聚氰胺案例；蒸餾輪流，每管約 8–10 分鐘。

光譜週（W10–W16）

拉曼 2 台（532、785）加上 12 台 NIR（Avantes 2、InnoSpectra 4、NeoSpectra 3、NIRONE 3；另 1 台 Avantes 待到貨），5 組同時量測不需輪站。

每組固定一台 NIR，整學期不換，W13 與 W16 就能比較不同儀器建出的模型。分配時看量測模式：液體（W13）用能裝比色槽的穿透式配置，粉末（W15）用漫反射配置；波段與模式請依各儀器規格表核對。

W6 Soxhlet 在 4 小時內偏緊：建議萃取 3 小時，或由助教提前開始、學生接手收尾。

代糖專題設計

配方格點（% w/w，赤藻糖醇補足）

變因	水準
阿斯巴甜	0, 2.5, 5, 7.5, 10
三氯蔗糖	0, 2.5, 5, 7.5, 10
校正集	25 個（拉丁方格分工，每組 5 個）
驗證集	7 個盲樣

兩種甜味劑的濃度各自獨立變化，兩個 Y 才不會互相混淆，VIP 也才分得出各自的特徵峰。

可行性限制

不用溶液：飲用濃度遠低於 NIR 與拉曼的偵測能力，阿斯巴甜的水溶解度又只有約 1%，所以改用固體混合物。
Y 值來自秤重：市售產品不標示甜味劑含量，沒有標示值可以對照。
市售代糖只當挑戰組：含量可能接近或低於 LOD，教學重點是模型的適用範圍。
先做預試：開學前由助教量 0、5、10% 三個點，確認兩台拉曼與各台 NIR 看得到訊號，再決定格點範圍。

評分建議

35%

實驗報告

15%

每週數據作業（Excel／Orange／Colab 任選）

15%

期中考（筆試＋實作）

15%

期末考（筆試＋實作）

20%

代糖專題（成績單＋發表＋同儕審查）

前後測、自我效能問卷、每週出場券與評分規準的做法，見學習成效評量；用 Colab／Jupyter 完成進階題最多加 5 分。

開學前待準備

數據分析工具：Excel 練習檔 EX01–EX08、Orange 流程 OR01–OR16、Colab／Jupyter 筆記本 NB01–NB13 都共用同一種長格式（組別、樣品、重複、數值），見數據分析工具指南。電腦教室請先裝好 Orange 與 Spectroscopy 外掛。
定量 PLS 的 VIP：Orange 內建的 PLS 沒有 VIP。先用 R 或 Colab 計算（可參考醋酸資料夾的 pls_analysis.py），或在 orange-spectra 加一個 PLS 迴歸 VIP widget。
代糖預試與原料採購：阿斯巴甜、三氯蔗糖、赤藻糖醇、麥芽糊精。
儀器確認：凱氏消化爐管數、Soxhlet 組數；W2 飽和鹽溶液提前一週配製；W3 鈉離子計台數、原廠標準液存量，並依說明書確認量測範圍與鉀離子干擾。
共同盲樣：選一種一般成分分布完整的樣品，例如全脂奶粉，W2 分裝發放。
工廠影片：三顆星影片的字幕查證完成後，更新本頁的影片欄。