111 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》

此題考查鹽對蛋白質水溶性的影響。

食鹽（如 NaCl）的添加會影響蛋白質的水溶性，此現象稱為「鹽析效應」（salting-out effect）或「鹽溶效應」（salting-in effect），取決於鹽的濃度。

1. 低濃度鹽效應（鹽溶效應, Salting-in）： 在低濃度時，鹽離子（如 Na$^+$ 和 Cl$^-$）會與蛋白質表面的帶電基團（如胺基 -NH$_2$ 和羧基 -COOH）結合，形成離子對。這些離子會包圍蛋白質，增加蛋白質表面的總電荷，並減弱蛋白質分子之間的靜電吸引力。

此題考查 pH 值對蛋白質水溶性的影響。

pH 值是影響蛋白質水溶性的重要因素，主要是因為它會改變蛋白質表面基團的離子化狀態，進而影響蛋白質的電荷和分子間作用力。

1. 等電點（Isoelectric Point, pI）： 每種蛋白質都有一個特定的等電點（pI），這是蛋白質總電荷為零的 pH 值。

   • 在等電點（pH = pI）時，蛋白質的淨電荷為零。此時，蛋白質分子之間的靜電吸引力最大，而蛋白質與水的吸引力（水合作用）相對減弱，導致蛋白質的溶解度最低，容易沉澱。

2. pH 值遠離等電點時：

   • 當 pH 值低於蛋白質的 pI 時（酸性環境），蛋白質表面的羧基 (-COOH) 會傾向於質子化，帶正電荷（-COOH$_2^+$），而胺基 (-NH$_3^+$) 則帶

此題考查疏水性交互作用如何影響蛋白質的球狀結構。

蛋白質的球狀結構（globular structure）是通過多種非共價鍵和作用力維持的，其中疏水性交互作用（hydrophobic interaction）扮演著至關重要的角色，尤其是在蛋白質的摺疊過程中。

1. 疏水性基團的性質： 蛋白質的氨基酸側鏈中，有些是疏水性的（如烴鏈長的氨基酸：丙胺酸 Ala, 纈胺酸 Val, 白胺酸 Leu, 異白胺酸 Ile, 甲硫胺酸 Met, 苯丙胺酸 Phe, 酪胺酸 Tyr, 色胺酸 Trp）。這些基團不喜歡與水分子接觸。

2. 在水性環境中的行為： 當蛋白質處於水性環境（如細胞質）中時，疏水性側鏈會盡量避免與水分子直接接觸。為了達到這個目的，蛋白質會自發地將這些疏水性側鏈摺疊到蛋白質分子的內部，將親水性側鏈（帶電或極性側鏈）暴露在分子的外部，與水分子形成氫鍵或離子鍵，增加水合作用。

此題考查加熱如何促進蛋白質的凝膠化（gelation）。

蛋白質凝膠化是指蛋白質分子從分散狀態轉變為一個三維網絡結構，並將水分子包埋其中，形成半固態的凝膠。加熱是引起許多蛋白質凝膠化的常見方式，其機制主要涉及蛋白質的變性（denaturation）和隨後的聚集（aggregation）。

1. 蛋白質變性（Denaturation）： 當蛋白質受熱時，其三級結構（空間結構）會被破壞。熱能會增加蛋白質分子內部的振動，打破維持蛋白質原有構象的非共價鍵，如氫鍵、離子鍵、疏水性交互作用和范德華力。蛋白質的二級結構（如 α-螺旋和 β-摺疊）也可能部分或完全解開。變性過程會使蛋白質分子展開，暴露內部原本被掩藏的疏水性區域和反應性基團（如巟基 -SH）。

2. 蛋白質聚集與交聯（Aggregation and Cross-linking）： 變性後的蛋白質分子變得不穩定，其展開的結構更容易相互接觸。一旦暴露的疏水性區域或其他反應性基團（如巟基）相互靠近，它們就會發生分子間的交互作用，形成聚集。

此題考查美拉德反應（Maillard reaction）的機制。

美拉德反應是一種廣泛存在於食品中的非酶褐變反應，發生於還原糖（如葡萄糖、果糖）與胺基酸、胜肽或蛋白質中的胺基（-NH$_2$）之間，在適當的溫度、pH 值和水分活度下進行，產生褐色的類黑素（melanoidins）和數百種風味物質。

美拉德反應的機制是一個複雜的多步驟過程，主要可分為以下幾個階段：

1. 初始階段（Immediate Reaction）：

   • 縮合反應（Condensation）： 還原糖的羰基（-C=O）與胺基酸的胺基（-NH$_2$）發生親核加成反應，形成不穩定的半脒（hemiaminal）。
   • 脫水反應（Dehydration）： 半脒進一步脫水，形成一個不穩定的席夫鹼（Schiff base），也稱為 N-醣基胺（N-glycosylamine）。

2. 中間階段（Intermediate Stage）：

   • 重排反應（Amadori Rearrangement）： 席夫鹼在溫和條件下，通過分子內重排，形成更穩定的產物，稱為阿馬多里產物（Amadori products），如果糖胺（fructosamine）或葡萄糖胺（glucosamine）。這是美拉德反應的關鍵中間產物，也是許多後續反應的起始點。

3. 晚期階段（Late Stage）：

   • 降解與環化（Degradation and Cyclization）： 阿馬多里產物在進一步加熱或長時間反應後，會發生一系列複雜的降

此題考查 $\alpha$-澱粉酶（$\alpha$-amylase）的作用標的。

$\alpha$-澱粉酶是一種水解酶，廣泛存在於動物唾液和胰液中，以及植物和微生物中，是消化澱粉的主要酶之一。

$\alpha$-澱粉酶的作用標的主要是澱粉（Starch）及其聚合物。更具體地說，它能夠水解澱粉中的：

1. 直鏈澱粉（Amylose）： 這是由葡萄糖單位透過 $\alpha$-(1$\to$4) 糖苷鍵連接而成的線性多醣。
2. 支鏈澱粉（Amylopectin）： 這是由葡萄糖單位透過 $\alpha$-(1$\to$4) 糖苷鍵連接，並在 $\alpha$-(1$\to$6) 糖苷鍵處形成分支的龐大支鏈

此題考查橄欖油的主要脂肪酸成分。

橄欖油是一種植物油，其脂肪酸組成主要由甘油三酯構成，而甘油三酯則是由甘油和脂肪酸酯化而成。

橄欖油最主要的脂肪酸是油酸（Oleic acid）。

• 油酸（Oleic acid）：它是一種單元不飽和脂肪酸（monounsaturated fatty acid, MUFA），化學結構為 C18:1 (n-9)。這表示它有 18 個碳原子，1 個雙鍵，且第一個雙鍵位於從甲基端（n 端）數來的第九個碳原子上。

此題考查兩種不同脂肪酸結構的差異：C16:0 和 C20:5。

脂肪酸的命名 C#: ## 表示：

• C#: 碳原子數量。
• ##: 雙鍵的數量。

C16:0：表示有 16 個碳原子，0 個雙鍵。
C20:5：表示有 20 個碳原子，5 個雙鍵。

結構差異主要體現在以下幾個方面：

1. 碳鏈長度（Carbon Chain Length）：

   • C16:0 是一種較短鏈的脂肪酸（相對於 C20:5）。
   • C20:5 是一種長鏈脂肪酸。

2. 飽和度（Degree of Saturation）：

   • C16:0 (棕櫚酸 Palmitic acid)： 由於雙鍵數量為 0，它是飽和脂肪酸（Saturated Fatty Acid, SFA）。其碳鏈是完全飽和的，所有碳原子都與氫原子或相鄰碳原子形成單鍵。其結構是直鏈的。
   • C20:5 (二十碳五烯酸 Eicosapentaenoic acid, EPA)： 由於雙鍵數量為 5，它是多元不飽和脂肪酸（Polyunsaturated Fatty Acid, PUFA）。其碳鏈上存在五個碳-碳雙鍵。

3. 雙鍵的位置與幾何構型（Double Bond Position and Geometry）：

   • C16:0 沒有雙鍵，因此沒有幾何異構的問題。
   • C20:5 具有五個雙鍵。

此題考查必需脂肪酸（essential fatty acids, EFAs）的定義。

必需脂肪酸是指人體無法自行合成，必須從飲食中攝取的脂肪酸。這些脂肪酸對於維持人體正常生理功能至關重要，例如細胞膜的結構和功能、前列腺素的合成、膽固醇代謝等。

目前公認的兩種人體必需脂肪酸是：

1. 亞油酸（Linoleic acid, LA）：

   • 化學結構：C18:2 (n-6)。
   • 它是一種 ω-6 (omega-6) 系列的多元不飽和脂肪酸。
   • 是人體合成其他 ω-6 系列脂肪酸（如花生四烯酸 Arachidonic acid, AA）的前體。

2. α-亞麻酸（Alpha-linolenic acid, ALA）：

   • 化學結構：C18:3 (n-3)。

此題考查食品中大多數脂質所含的醇類成分。

食品中的脂質（Lipids）是一個廣泛的術語，包括脂肪、油、磷脂、固醇等。其中，最常見、含量最高的脂質形式是甘油三酯（Triglycerides），也稱為三酸甘油酯。

甘油三酯是由一個甘油分子（Glycerol）和三個脂肪酸分子（Fatty acids）酯化而成。

甘油（Glycerol）的化學結構是丙三醇（propane-1,2,3-triol），它是一個含有三個羥基（-OH）的簡單醇。

因此，在大多數食品脂質（主要是甘油三酯）中，所含的醇類成分是甘油（Glycerol）。

此題考查奶油（butter）和牛奶（milk）在乳化（emulsification）方面的差異。

乳化是指一種液體以微小液滴形式分散在另一種不互溶的液體中，形成穩定的分散體系。

牛奶（Milk）：
牛奶是一種天然的乳濁液（emulsion）。它主要包含水相（約 87% 的水），分散在水相中有：

• 脂肪球（Fat globules）： 這些是脂肪（甘油三酯）的微小液滴，直徑約 0.1-10 微米。
• 膠體蛋白質（Colloidal proteins）： 如酪蛋白（casein）和乳清蛋白（whey proteins），它們懸浮在水中。
• 乳糖、礦物質、維生素等。

牛奶中的脂肪球並非直接分散在水中，它們被一層天然的乳化劑（emulsifier）包裹著，這層乳化劑主要是由蛋白質（特別是酪蛋白膠束的成分）和磷脂組成。這些乳化劑的親水端朝向水相，親油端朝向脂肪球內部，從而穩定脂肪球，防止它們聚結和沉澱。因此，牛奶是一種水包油型（O/W）的天然乳濁液，其中水是連續相，脂肪是分散相。

奶油（Butter）：
奶油是通過攪打（churning）牛奶或鮮奶油（cream）製成的。這個過程會破壞牛奶中脂肪球原有的乳化結構，使脂肪開始聚結。
奶油是一種油包水型（W/O）的乳濁液。它主要包含：

• 脂肪（Fat）： 佔約 80% 或更高，形成連續相。
• 水相（Water）： 作為微小的液滴分散在脂肪連續相中，含量約 15-18%。
• 其他成分： 如少量蛋白質、乳糖、鹽（如果加鹽奶油）等。

在奶油中，原有的乳化劑（蛋白質、磷脂）會吸附在分散的水滴表面，起到穩定作用，防止水滴聚結。

總結差異：

此題考查乳糖（lactose）和蔗糖（sucrose）的結構差異。

乳糖和蔗糖都是雙醣（disaccharide），由兩個單醣分子透過糖苷鍵（glycosidic bond）連接而成。它們的化學式同為 C$_{12}$H$_{22}$O$_{11}$，屬於異構物。主要的結構差異在於它們是由哪些單醣組成以及糖苷鍵的類型。

1. 單醣組成：

   • 乳糖（Lactose）： 由一個**半乳糖（Galactose）分子和一個葡萄糖（Glucose）**分子組成。
   • 蔗糖（Sucrose）： 由一個**葡萄糖（Glucose）分子和一個果糖（Fructose）**分子組成。

2. 糖苷鍵類型：

   • 乳糖： 其糖苷鍵是 $\beta$-1,4 糖苷鍵。這是指半乳糖的 C1 位（$\beta$ 構型）與葡萄糖的 C4 位連接。
   • 蔗糖： 其糖苷鍵是 $\alpha$-1,2 糖苷鍵。這是指葡萄糖的 C1 位（$\alpha$ 構型）與果糖的 C2 位（$\beta$ 構型）連接。

結構上的影響：

• 還原性：

  • 乳糖： 由於半乳糖的 C1 位（anomeric carbon）沒有完全參與糖苷鍵的形成，它仍然具有一個自由的半縮醛羥基，因此乳糖是還原醣（reducing sugar）。
  • 蔗糖： 葡萄糖的 C1 位和果糖的 C2 位都參與了糖苷鍵的形成，沒有自由的半縮醛或半酮醛羥基，因此蔗糖是非還原醣（non-reducing sugar）。

• 甜度： 蔗糖通常比乳糖甜得多。

• 水解：

  • 乳糖在人體內需要乳糖酶（lactase）水解成葡萄糖和半乳糖才能吸收。

此題考查食品的水活性（water activity, $a_w$）與環境相對濕度（relative humidity, RH）之間的關係，以及水分轉移的判斷。

基本原理：
水分子的移動方向總是從水勢高（或說水蒸氣壓高）的區域，移動到水勢低（或說水蒸氣壓低）的區域。

• 食品的水活性 ($a_w$) 代表食品中水的化學勢，與水蒸氣壓的相對值。它定義為食品中水蒸氣壓與相同溫度下純水蒸氣壓的比值。$a_w = \frac{P_{food}}{P_{water}}$。
• 環境相對濕度 (RH) 代表環境空氣中的水蒸氣壓與相同溫度下飽和水蒸氣壓的比值。$RH = \frac{P_{air}}{P_{sat\_water}}$。

當食品的水活性 ($a_w$) 與環境相對濕度 (RH) 進行比較時，實際上是在比較食品內部的水蒸氣壓 ($P_{food}$) 與環境空氣的水蒸氣壓 ($P_{air}$) 的關係（假設 $P_{sat\_water}$ 相同）。

此題考查澱粉（starch）和纖維素（cellulose）的結構差異。

澱粉和纖維素都是由葡萄糖（glucose）單元組成的多醣，它們的化學式同為 (C$_6$H$_{10}$O$_5$)$_n$，屬於多聚體。它們的主要結構差異在於構成單元之間的糖苷鍵類型以及分子排列方式，這導致了它們在性質和功能上的巨大差異。

1. 單醣組成：

   • 兩者均由葡萄糖單元組成。

2. 糖苷鍵類型：

   • 澱粉： 主要由兩種形式的多醣組成：
     • 直鏈澱粉（Amylose）： 葡萄糖單元透過 $\alpha$-(1$\to$4) 糖苷鍵連接。
     • 支鏈澱粉（Amylopectin）： 葡萄糖單元主要透過 $\alpha$-(1$\to$4) 糖苷鍵連接，但在支鏈點處，則透過 $\alpha$-(1$\to$6) 糖苷鍵形成分支。
   • 纖維素（Cellulose）： 葡萄糖單元透過 $\beta$-(1$\to$4) 糖苷鍵連接。

3. 分子構型與排列：

   • 澱粉（$\alpha$-糖苷鍵）： $\alpha$-(1$\to$4) 糖苷鍵的構型使得葡萄糖環傾向於採取一個較為捲曲、螺旋狀的構象。這使得直鏈澱粉容易形成螺旋結構，並可以被碘分子嵌入而顯藍色。支鏈澱粉則由於 $\alpha$-(1$\to$6) 的分支而呈現更複雜的結構。這種結構使得澱粉在水中具有一定的膨脹性和糊化能力。
   • 纖維素（$\beta$-糖苷鍵）： $\beta$-(1$\to$4) 糖苷鍵的構型使得葡萄糖環採取一個相對伸展、線性的構象。這使得纖維素分子能夠緊密地平行排列，並透過分子間的氫鍵形成穩定的纖維束。這種線性的、高度有序的結構賦予纖維素極高的機械強度和抗水解能力。

4. 消化性：

   • 澱粉： 人體內含有 $\alpha$-澱粉酶（唾液和胰液）和 $\beta$-澱粉酶（腸道），能夠有效水解 $\alpha$-(1$\to$4) 糖苷鍵，將澱粉消化分解為葡萄糖，人體可以吸收利用。
   • 纖維素： 人體缺乏能夠水解 $\beta$-(1$\to$4) 糖苷鍵的酶（如纖維素酶）。

此題考查更年性水果（climacteric fruits）和非更年性水果（non-climacteric fruits）在呼吸速率和乙烯產生方面的差異。這是一個較為重要的水果生理學概念。

核心概念：
水果的成熟過程與其呼吸作用和乙烯的產生密切相關。呼吸作用是水果消耗儲存的養分（如糖類）產生能量（ATP）和二氧化碳的過程。乙烯是一種植物激素，在水果成熟過程中起著關鍵的調節作用。

更年性水果（Climacteric Fruits）：
這類水果在成熟過程中，其呼吸速率會出現一個突然且顯著的急劇上升，這個現象稱為「呼吸高峰」（climacteric rise in respiration）。在呼吸高峰之前或同期，乙烯的產生量也會顯著增加。乙烯的產生是引發呼吸高峰和加速成熟的主要原因。

• 呼吸速率： 在採摘後，未成熟的更年性水果呼吸速率較低。隨著成熟的進行，會出現一個明顯的呼吸高峰，之後呼吸速率逐漸下降。
• 乙烯產生： 在成熟初期，乙烯產生量很低。當達到或接近呼吸高峰時，乙烯產生量急劇增加，然後可能隨呼吸速率下降而減少。乙烯是啟動和維持更年性水果成熟過程的關鍵信號。
• 成熟特徵： 呼吸高峰和乙烯的產生是其成熟的標誌。即使在採摘後，只要有足夠的氧氣和適當的溫度，它們也能繼續成熟。
• 例子： 蘋果（apple）、香蕉（banana）、番茄（tomato）、酪梨（avocado）、桃子（peach）、芒果（mango）、哈密瓜（melon）。

非更年性水果（Non-climacteric Fruits）：
這類水果在成熟過程中，其呼吸速率不會出現呼吸高峰。即使在成熟過程中，呼吸速率也相對穩定或緩慢下降。乙烯的產生量也相對較低，或者對其成熟過程的影響不如更年性水果那樣直接和顯著。它們的成熟主要是由植物體內生長發育的內在因素決定，一旦採摘，成熟過程就會停止或非常緩慢。

• 呼吸速率： 在採摘後，呼吸速率相對較低且穩定，或緩慢下降，不會出現急劇上升。
• 乙烯產生： 乙烯的產生量較低，對成熟的調節作用有限。它們的成熟更多地依賴於在採摘前已經建立起來的內部生理狀態。
• 成熟特徵： 成熟度主要由採摘時的狀態決定，採摘後不具備繼續成熟的能力。
• 例子： 柑橘類水果（citrus fruits, 如橙子 orange、檸檬 lemon）、葡萄（grape）、草莓（strawberry）、櫻桃（cherry）、藍莓（blueberry）、鳳梨（pineapple）。

總結差異：

| 特徵 | 更年性水果 (Climacteric Fruits) | 非更年性水果 (Non-clima

此題考查澱粉糊化後再老化（retrogradation）的機制。

澱粉糊化（gelatinization）是指澱粉顆粒在水中加熱時，吸收水分，雙螺旋結構解開，澱粉分子（直鏈澱粉和支鏈澱粉）從顆粒中擴散出來，形成均勻的膠體溶液的過程。

澱粉老化（retrogradation），也稱為澱粉回凝，是指糊化後的澱粉溶液在冷卻和儲存過程中，澱粉分子逐漸重新排列、聚集，形成部分結晶結構，導致澱粉凝膠失去水分（稱為「脫水」或「老化」），質地變硬、變脆、口感變差。

澱粉老化的機制主要涉及以下幾個方面：

1. 澱粉分子的重新排列與締合：

   • 糊化過程中，澱粉分子（特別是直鏈澱粉）被水分子包圍，分散在水中。
   • 隨著時間推移，尤其是在冷卻後，水分子從澱粉分子之間逐漸分離出來。
   • 澱粉分子（尤其是直鏈澱粉）會重新互相靠近，排列整齊。

2. 結晶結構的形成：

   • 重新排列的澱粉分子（主要是直鏈澱粉，部分支鏈澱粉的短鏈也可參與）會形成新的氫鍵，並逐漸形成部分結晶區域。
   • 這些結晶結構是澱粉分子重新締合的標誌。直鏈澱粉更容易形成高度有序的結晶結構，而支鏈澱粉（尤其是其長分支）由於分支的存在，較難形成緊密的結晶，但其短分支也可以參與形成結晶。

此題考查 pH 值對葉綠素（Chlorophyll）穩定性的影響。

葉綠素是植物中主要的色素，賦予植物綠色。葉綠素在食品加工和儲存過程中容易受到各種因素的影響而降解，其中 pH 值是一個重要因素。

葉綠素在不同 pH 值下的穩定性表現不同：

1. 酸性條件（pH < 7）：

   • 在酸性條件下，葉綠素的穩定性會顯著下降。
   • 機制： 酸性環境會催化葉綠素分子中的中心金屬離子（鎂離子 Mg$^{2+}$）被氫離子（H$^+$）取代，形成去鎂葉綠素（pheophytin）。
     $\text{Chlorophyll} \xrightarrow{H^+} \text{Pheophytin} + Mg^{2+}$
   • 去鎂葉綠素的顏色從鮮綠色變為橄欖綠色或褐綠色。這個過程是葉綠素在酸性條件下不穩定的主要原因。
   • 在非常強的酸性條件下，葉綠素的吡咯環也可能被破壞，導致進一步降解。

2. 中性條件（pH $\approx$ 7）：

   • 在接近中性的 pH 值範圍內，葉綠素相對較為穩定，顏色也最鮮綠。
   • 這是其天然存在的環境。

此題考查自由基（free radical）對脂質（lipid）的影響，這主要與食品的氧化酸敗（oxidative rancidity）機制有關。

自由基是含有未成對電子的原子或分子，具有高度的反應活性。脂質，特別是含有不飽和雙鍵的脂肪酸，是自由基攻擊的主要對象。

自由基對脂質的影響主要通過**脂質過氧化（lipid peroxidation）**過程實現，這是一個鏈式反應，通常分為三個階段：

1. 起始階段（Initiation）：

   • 一個自由基（如由熱、光、金屬離子等產生的起始自由基 R$\cdot$）攻擊一個含有不飽和雙鍵的脂肪酸分子（RH）。
   • 脂肪酸分子中的氫原子被自由基奪取，形成一個新的脂肪酸自由基（R$\cdot$）。
     $RH + R \cdot \longrightarrow R \cdot + RH$
     （這裡的 R$\cdot$ 代表脂肪酸自由基）
   • 這個脂肪酸自由基（R$\cdot$）非常不穩定，它會迅速與氧氣反應，形成脂質過氧自由基（lipid peroxyl radical, ROO$\cdot$）。
     $R \cdot + O_2 \longrightarrow ROO \cdot$

2. 增長階段（Propagation）：

   • 脂質過氧自由基（ROO$\cdot$）非常活躍，它會攻擊另一個脂肪酸分子（RH），奪取其氫原子，形成脂質過氧化物（lipid hydroperoxide, ROOH）和一個新的脂肪酸自由基（R$\cdot$）。
     $ROO \cdot + RH \longrightarrow ROOH + R \cdot$
   • 這個新的脂肪酸自由基 R$\cdot$ 又會與氧氣反應，形成 ROO$\cdot$，如此循環往復，形成一個連鎖反應。

此題考查花青素（anthocyanin）的顏色。

花青素是一類水溶性植物色素，屬於類黃酮（flavonoids）的衍生物，廣泛存在於花瓣、果實、葉片和根部。它們是造成許多植物呈現紅色、紫色和藍色的主要原因。

花青素的顏色並非固定不變，它對環境因素非常敏感，尤其是 pH 值。

1. 在酸性條件下 (pH < 7)：

   • 花青素主要以紅色的或粉紅色的陽離子形式（赤酮式, flavylium cation）存在。
   • 例如，許多紅色的莓果（如草莓、覆盆子）和紅蘋果中的花青素在酸性環境中呈現紅色。

2. 在中性條件下 (pH $\approx$ 7)：

   • 顏色會轉變為紫色。

3. 在鹼性條件下 (pH > 7)：

   • 顏色會轉變為藍色，甚至綠色或黃色。