109 年 國立成功大學食品安全衛生暨風險管理研究所《食品科學》

本題主要探討蛋白質的等電點（Isoelectric Point, pI）及其與蛋白質水溶性的關係。

(a) PI 的定義：
PI 是 Isoelectric Point 的縮寫，中文稱為「等電點」。等電點是指溶液的 pH 值等於某種物質（在此特指蛋白質）的等電點時，該物質的淨電荷為零。在等電點時，蛋白質分子內帶正電的胺基酸殘基（如離胺酸、精胺酸、組織胺酸）的總數，等於帶負電的胺基酸殘基（如天門冬胺酸、麩胺酸）的總數，因此整體淨電荷為零。

(b) 蛋白質在等電點時水溶性最低的原因：
當蛋白質處於等電點（pH = pI）時，其淨電荷為零。蛋白質分子之間的交互作用主要受到靜電力影響。

本題探討蛋白質在蒸蛋過程中如何形成其特有的凝膠質地。

蛋白質是構成蒸蛋質地的主要成分。當雞蛋受熱時，蛋白質會發生變性（denaturation）和凝膠化（gelation）。

1. 變性 (Denaturation)：雞蛋中的蛋白質（主要是卵白蛋白，如白蛋白）在受熱或受到 pH 變化等物理化學因素影響時，會失去其原有的三維結構，展開成較長的鏈狀。這個過程稱為變性。
2. 凝膠化 (Gelation)：變性後的蛋白質鏈會暴露出疏水性基團和一些反應性基團。

本題探討牛奶起泡的原理以及加熱在起泡過程中的作用。

(a) 牛奶能夠產生泡沫（例如製作拿鐵咖啡時的奶泡）的原因：
牛奶中含有蛋白質（主要是酪蛋白和乳清蛋白）和脂肪。

1. 蛋白質的作用：蛋白質是形成牛奶泡沫的關鍵成分。當牛奶被攪打或注入空氣時，蛋白質分子會聚集在氣液界面。蛋白質的兩親性（親水和親油部分）使其能夠穩定氣泡。它們在界面上展開，疏水部分朝向空氣，親水部分朝向水相，形成一層保護膜，阻止氣泡破裂。乳清蛋白（如 β-乳球苷）尤其容易在界面上變性並形成穩定的膜。
2. 脂肪的作用：牛奶中的脂肪球雖然本身不直接參與起泡，但它們的分布會影響泡沫的穩定性。未均質化的牛奶，其較大的脂肪球會附著在氣泡表面，可能加速氣泡的破裂。而均質化後的牛奶，脂肪球尺寸變小，分佈更均勻，理論上對泡沫穩定性有利，但過小的脂肪球也可能影響蛋白質在界面上的聚集。
3. 其他成分：牛奶中的乳糖和礦物質等也可對泡沫的穩定性產生一定的影響。

本題要求定義「脂質」。

脂質（Lipid）是一大類在化學結構上具有親水性（hydrophilic）和疏水性（hydrophobic）雙重特徵的有機化合物，通常被歸類為兩親性（amphipathic）分子。它們的一個主要共同特徵是能夠溶解在非極性溶劑（如乙醚、氯仿、苯）中，而在水中溶解度很低。

脂質的結構多樣，但常見的脂質結構單元包含脂肪酸（fatty acids）或其衍生物。主要的脂質類別包括：

1. 脂肪（Triglycerides）：由一分子甘油（glycerol）和三分子脂肪酸組成的酯。這是食物中最主要的能量儲存形式。

本題考查油（Oil）與固體脂肪（Solid Fat）在常溫下的狀態區別。

油（Oil）在室溫下的物理狀態通常是液態，而固體脂肪（Solid Fat）則在室溫下是固態。這種狀態的差異主要取決於它們所含脂肪酸的飽和度。

• 油 (Oil)：通常指在室溫下呈現液態的脂肪。它們富含不飽和脂肪酸（monounsaturated and polyunsaturated fatty acids）。不飽和脂肪酸的雙鍵（C=C）會使脂肪酸鏈產生彎曲，阻止脂肪分子緊密堆積，因此熔點較低，在室溫下呈液態。
• 固體脂肪 (Solid Fat)：通常指在室溫下呈現固態的脂肪。它們富含飽和脂肪酸（saturated fatty acids）。飽和脂肪酸的碳鏈是直的，沒有雙鍵，因此脂肪分子可以緊密堆積，形成較強的分子間作用力，熔點較高，在室溫下呈固態。

因此，根據題目格式，空格處的答案應為：

Oil : liquid = solid : solid

然而，題目問的是 "Oil: ______ = liquid: solid (5%)"，這可能是在問 Oil 在常溫下的狀態與 liquid 的關係，以及 solid 的狀態。更直接的理解是：

Oil (通常指常溫下的狀態) : ______ (常溫下的狀態) = liquid (狀態) : solid (狀態)

若題目是要填寫 Oil 的狀態，則填入 liquid。
若題目是要填寫 Oil 的狀態與 liquid 的關係，則為 Oil : liquid。
若題目是要填寫固體脂肪的狀態，則填入 solid。

題目格式 "A: B = C: D" 通常表示 A 與 B 的關係，類似於 C 與 D 的關係。
在這裡，Oil (油) 的狀態是 liquid (液態)。

本題探討不飽和脂肪酸部分氫化後會產生何種脂肪。

氫化（Hydrogenation）是一種將氫氣（H₂）加到化合物中的化學反應，通常在催化劑（如鎳、鉑、鈀）存在下進行。在食品工業中，氫化常用於改變脂肪的物理性質，例如將液態植物油轉變為半固態或固態的脂肪，以提高其穩定性、塑性和應用範圍。

不飽和脂肪酸（Unsaturated fatty acids）含有一個或多個碳-碳雙鍵（C=C）。氫化反應會使這些雙鍵與氫氣反應，生成單鍵（C-C），從而增加脂肪的飽和度。

當不飽和脂肪酸「部分氫化」（partly hydrogenation）時，並非所有的雙鍵都被還原成單鍵，而是只有一部分雙鍵被氫化。在這個過程中，除了會生成飽和脂肪酸（所有雙鍵都被還原）外，還會產生一種特殊的脂肪類型：反式脂肪（trans fats）。

本題要求闡述飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸之間的區別。

飽和脂肪酸（Saturated fatty acids, SFAs）和不飽和脂肪酸（Unsaturated fatty acids, UFAs）是脂肪酸的兩種主要類型，它們的區別主要在於碳鏈結構以及由此帶來的物理化學性質和生理功能上的差異。

主要區別如下：

1. 碳鏈結構 (Carbon Chain Structure)：

   • 飽和脂肪酸：其碳鏈上所有碳原子之間的鍵均為單鍵（C-C）。也就是說，每個碳原子都與盡可能多的氫原子結合，處於「飽和」狀態。碳鏈通常是直鏈的。
   • 不飽和脂肪酸：其碳鏈上含有一個或多個碳-碳雙鍵（C=C）。根據雙鍵的數量，可分為單元不飽和脂肪酸（Monounsaturated fatty acids, MUFAs，一個雙鍵）和多元不飽和脂肪酸（Polyunsaturated fatty acids, PUFAs，兩個或多個雙鍵）。雙鍵的存在會導致碳鏈彎曲。

2. 物理狀態 (Physical State)：

   • 飽和脂肪酸：由於碳鏈直，分子間容易緊密堆積，分子間作用力（范德華力）較強，因此熔點較高。在室溫下，純飽和脂肪酸通常呈固態（例如動物脂肪）。
   • 不飽和脂肪酸：由於雙鍵的存在使碳鏈彎曲，分子間不易緊密堆積，分子間作用力較弱，因此熔點較低。在室溫下，純不飽和脂肪酸通常呈液態（例如植物油）。

本題要求定義「Omega-3 脂肪酸」。

Omega-3 脂肪酸（Omega-3 fatty acids, ω-3 fatty acids）是一類多元不飽和脂肪酸（Polyunsaturated fatty acids, PUFAs）的總稱。它們的命名是基於其化學結構中，從碳鏈的「omega」端（即末端甲基碳，也稱為 ω 碳或 n 碳）開始計算，第一個雙鍵出現在第三個碳原子上。

Omega-3 脂肪酸是人體必需的脂肪酸，這意味著人體無法自行合成，必須從飲食中攝取。它們在維持人體健康方面扮演著重要角色，尤其對心血管健康、大腦功能、抗炎症反應等有益。

本題要求解釋「C18:1 脂肪酸」的意義。

這種命名法是描述脂肪酸結構的一種標準方式，稱為 簡式命名法 (Shorthand notation) 或 Wurster 命名法。

• C18：表示該脂肪酸的碳鏈長度為 18 個碳原子。
• :：分隔碳鏈長度和雙鍵數量。
• 1：表示該脂肪酸含有 1 個碳-碳雙鍵。

因此，「C18:1 脂肪酸」指的是一個含有 18 個碳原子、且含有 1 個雙鍵的脂肪酸。

本題要求指出磷脂（phospholipid）中的醇類成分。

磷脂是構成細胞膜的主要成分之一，其結構核心是一個甘油骨架。磷脂的基本結構包括：

1. 甘油 (Glycerol)：一個三碳醇。
2. 脂肪酸 (Fatty acids)：通常有兩分子脂肪酸，連接在甘油的 1 號和 2 號碳原子上。
3. 磷酸基 (Phosphate group)：連接在甘油的 3 號碳原子上。
4. 額外的醇類基團 (Alcohol group)：連接在磷酸基上，這決定了磷脂的種類。

題目問的是「磷脂的醇」，這裡的「醇」可以指代構成磷脂骨架的醇，也可以指連接在磷酸基上的醇類基團。

• 構成磷脂骨架的醇：是 甘油 (Glycerol)。甘油是一個三碳醇，其化學式是 $C_3H_8O_3$。
• 連接在磷酸基上的醇類基團：這取決於磷脂的具體類型。常見的例子包括：

本題考查乳化體（Emulsion）的類型與組成，特別是水包油 (W/O) 和油包水 (O/W) 的區別，並與奶油和牛奶的關係連結。

題目格式為 "A: B = C: D"，表示 A 與 B 的關係，與 C 與 D 的關係類似。
這裡的 A 是 W/O，B 是空白。
C 是 butter（奶油），D 是 milk（牛奶）。

• W/O：代表 Water-in-Oil，即 水包油 的乳化體。這種乳化體中，水滴（分散相）被連續的油相所包圍。

• O/W：代表 Oil-in-Water，即 油包水 的乳化體。這種乳化體中，油滴（分散相）被連續的水相所包圍。

• Butter (奶油)：奶油是從牛奶中提煉出來的脂肪，其主要成分是脂肪。在製作過程中，將牛奶的脂肪分離出來，經過攪打，將大部分水分從脂肪中分離出來，但仍有少量水滴被包裹在連續的脂肪（油）相中。因此，奶油是一種 水包油 (W/O) 的乳化體。

• Milk (牛奶)：牛奶是一種天然的乳化體，其中含有脂肪球（油滴）分散在水相中。因此，牛奶是一種 油包水 (O/W) 的乳化體。

現在我們將這些關係代入題目：
W/O (水包油) : ______ = butter (奶油) : milk (牛奶)

我們知道：
butter 是 W/O (水包油)
milk 是 O/W (油包水)

那麼，A:B 的關係應該是：A 的類型 = B 的類型。
W/O 的類型是水包油。
butter 的類型是水包油 (W/O)。
milk 的類型是油包水 (O/W)。

所以，題目想表達的是：
W/O (水包油) : ______ (奶油的類型) = butter (奶油) : milk (牛奶)
W/O : W/O = butter : milk

或者，如果題目是想問 W/O 所對應的食品，那麼空格應填入 butter。
W/O : butter = butter : milk (這個邏輯不通)

本題考查乳糖（lactose）消化後產生的單醣。

乳糖是一種雙醣（disaccharide），其化學結構是由兩個單醣（monosaccharide）透過醣苷鍵（glycosidic bond）連接而成。乳糖的化學式是 $C_{12}H_{22}O_{11}$。

本題要求描述「水活性」（Water Activity, Aw）的意義與重要性。

意義 (Meaning)：
水活性（Aw）是指食品或材料中「自由水」（free water）的相對量，它是一個介於 0 到 1 之間的數值。嚴格來說，水活性定義為：在特定溫度下，材料的水蒸氣壓（$P$）與同溫度下純水的飽和蒸氣壓（$P_0$）之比。
$A_w = \frac{P}{P_0}$
自由水是指那些沒有被食品基質（如糖、鹽、蛋白質等）強烈結合，能夠自由參與化學反應、微生物生長和物理變化的水分。結合水（bound water）則被食品成分強烈吸附，不易參與上述過程。

• 水活性為 1 表示該材料為純水，含有 100% 的自由水。
• 水活性越低，表示自由水的含量越少，結合水的比例越高。

重要性 (Importance)：
水活性是影響食品品質、安全和貯存壽命的關鍵因素之一，其重要性體現在以下幾個方面：

1. 微生物生長 (Microbial Growth)：
   • 大多數細菌需要在 Aw ≥ 0.85 的環境中生長。
   • 酵母菌通常能在 Aw ≥ 0.80 的環境中生長。
   • 黴菌（真菌）的耐受性較強，有些甚至能在 Aw 低至 0.60 的環境中生長。

本題要求比較澱粉（starch）和肝醣（glycogen）的差異。

澱粉和肝醣都是人體內儲存能量的多醣（polysaccharides），它們的基本組成單元都是葡萄糖（glucose）。然而，它們在結構、儲存位置和功能上存在顯著差異。

主要差異如下：

1. 結構 (Structure)：

   • 澱粉：主要由兩種葡萄糖聚合物組成：
     • 直鏈澱粉 (Amylose)：葡萄糖單元以 α-1,4 醣苷鍵連接形成直鏈。
     • 支鏈澱粉 (Amylopectin)：葡萄糖單元以 α-1,4 醣苷鍵連接形成長鏈，並在 α-1,6 醣苷鍵處形成分支點。支鏈澱粉的支鏈比肝醣更少。
   • 肝醣 (Glycogen)：結構與支鏈澱粉相似，也是由葡萄糖單元以 α-1,4 醣苷鍵連接，並在 α-1,6 醣苷鍵處形成分支。但肝醣的 分支點更多、更密集，結構比支鏈澱粉更複雜，呈高度分支的樹狀結構。

2. 儲存位置 (Storage Location)：

   • 澱粉：是植物的主要儲能多醣，主要儲存在植物的細胞質中，如根、莖、種子（如穀物）等部位。

本題探討乙烯（Ethylene）對水果成熟（ripening）的影響，是促進還是抑制。

乙烯是一種植物激素（phytohormone），它在植物體內廣泛存在，並且在水果成熟過程中扮演著至關重要的角色。

乙烯對水果成熟的影響是促進（Promote）作用。

乙烯是一種氣體激素，當水果開始成熟時，其內部會產生並釋放出乙烯。乙烯的釋放會引發一系列的生理和生化變化，這些變化共同導致了水果的成熟過程。這些變化包括：

1. 呼吸作用增強 (Increased Respiration)：在成熟初期，水果的呼吸速率會顯著升高（稱為「呼吸高峰」），消耗糖分和有機酸，產生能量和二氧化碳。
2. 細胞壁降解 (Cell Wall Degradation)：乙烯誘導相關酶（如纖維素酶、果膠酶）的活性增強，分解細胞壁的結構成分，使果實變軟。
3. 澱粉轉化為糖 (Starch Conversion to Sugars)：澱粉酶活性增加，將儲存的澱粉轉化為可溶性糖（如葡萄糖、果糖），使果實變甜。
4. 色素合成與變化 (Pigment Synthesis and Changes)：
   • 葉綠素降解，導致綠色消失。

本題探討葉綠素（Chlorophyll）在酸性環境下的穩定性。

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，它在酸性環境下的穩定性相對較差，容易發生結構變化，導致顏色改變。

葉綠素的結構與酸性環境的影響：
葉綠素分子中央有一個鎂離子（Mg²⁺），周圍由卟啉環（porphyrin ring）圍繞。
當葉綠素處於酸性環境時，溶液中的氫離子（H⁺）會攻擊葉綠素分子。

1. 鎂離子的取代：酸性條件下，H⁺ 會從葉綠素的卟啉環上取代中心的鎂離子（Mg²⁺）。這個過程稱為 脫鎂作用 (demetallation)。

本題考查哪種脂質的化學反應會產生過氧化物（peroxide）。

這個問題指向的是脂質的 氧化反應 (Oxidation)，特別是 自動氧化 (Autoxidation) 過程。

自動氧化是一個自由基鏈式反應，是導致油脂（脂質）酸敗（rancidity）的主要原因。這個過程通常發生在含有不飽和脂肪酸的油脂中，尤其是不飽和度高的油脂（如多元不飽和脂肪酸）。

自動氧化過程大致分為三個階段：

1. 起始階段 (Initiation)：

   • 在這個階段，會產生起始自由基（R•）。這可能由熱、光、金屬離子（如 Fe²⁺, Cu²⁺）或過氧化物分解等因素引發。
   • 起始自由基從不飽和脂肪酸（RH）的亞甲基碳（-CH₂-）上奪取一個氫原子，形成一個烷基自由基（R•）。
     $RH \rightarrow R• + H•$

2. 增殖階段 (Propagation)：

   • 烷基自由基（R•）非常活潑，會立即與氧氣（O₂）反應，形成一個過氧自由基（ROO•）。
     $R• + O₂ \rightarrow ROO•$

本題探討 pH 值對花青素（anthocyanin）顏色穩定性和顯色的影響。

花青素是一類水溶性植物色素，屬於類黃酮（flavonoid）化合物。它們是許多水果、蔬菜和花卉呈現紅色、紫色和藍色的主要色素。花青素的顏色對 pH 值非常敏感，其顏色會隨著 pH 的變化而顯著改變。

花青素的顏色變化機制與其在不同 pH 下的分子結構轉變有關。其最常見的結構形式是黃酮鎓離子（flavylium ion），這是一種帶正電荷的陽離子結構，在酸性條件下穩定存在，並呈現紅色。

pH 對花青素的影響如下：

1. 強酸性環境 (pH < 3)：

   • 在強酸性條件下，花青素主要以 黃酮鎓離子 (flavylium ion) 的形式存在。
   • 顏色：呈現 鮮紅色。

2. 弱酸性至中性環境 (pH 3-7)：

   • 隨著 pH 升高，黃酮鎓離子會發生一系列結構轉變，例如形成卡貝基酮（carboxyanhidro base）、查爾酮（chalcone）等無色或淡黃色的結構。
   • 顏色：顏色會逐漸減弱，可能變為 淡紫、無色或淡黃色。