108 年 國立臺灣大學園藝暨景觀學系碩士班園產品處理及利用組《食品化學與食品微生物學》

本題主要考查果膠酶類在食品加工中的作用。

核心觀念： 果膠酶類（pectinesterase, polygalacturonase, pectate lyase）是降解果膠（pectin）的重要酶，在果汁加工中會影響果汁的澄清度、黏度及穩定性。

詳解：
此題要求說明三種果膠降解酶的作用機制及其在果汁加工中的重要性。

(a) Pectinesterase (PE)

• 作用機制： PE 是一種水解酶，主要作用於果膠分子中的 α-1,4 鍵，將果膠上的甲酯基（-COOCH$_3$）水解，生成游離的羧基（-COOH）和甲醇（CH$_3$OH）。這個過程稱為脫甲基化（demethylation）。
  • 反應式：果膠 (methyl esterified) + H$_2$O $\xrightarrow{PE}$ 果膠 (de-esterified) + CH$_3$OH
• 重要性：
  • 澄清度： 脫甲基化的果膠（果膠酸，pectic acid）與鈣離子（Ca$^{2+}$）結合，容易形成不溶性的果膠酸鈣凝膠，導致果汁渾濁，不利於澄清。
  • 黏度： PE 的作用會改變果膠的結構，進而影響果汁的黏度。
  • 其他酶的作用： PE 的脫甲基化作用是後續多聚半乳糖醛酸酶（PG）和果膠裂解酶（PL）有效作用的前提。

(b) Polygalacturonase (PG)

• 作用機制： PG 是一種水解酶，專門作用於果膠或脫甲基化程度較低的果膠分子中，α-1,4 鍵的糖苷鍵，將長鏈的果膠分子切斷，形成較短的寡聚半乳糖醛酸（oligosaccharides）。
  • 反應式：果膠 (or de-esterified pectin) + H$_2$O $\xrightarrow{PG}$ 寡聚半乳糖醛酸
• 重要性：

本題考查殺菁（blanching）的化學原理及其對蔬果品質的影響。

核心觀念： 殺菁是蔬果加工前的一種預處理步驟，主要透過加熱使蔬果中的酵素失活，同時也會引起一系列的化學變化，進而影響產品的品質。

詳解：
從化學角度探討殺菁對蔬果品質的影響，主要涉及酵素失活、營養素變化、風味物質改變、顏色變化以及質地改變等。

(a) 酵素失活 (Enzyme Inactivation)

• 化學機制： 殺菁的主要目的是使蔬果中天然存在的氧化還原酶（如多酚氧化酶 PPO、脂氧化酶 LOX）和水解酶（如果膠酶 PE、PG）失活。這些酶在貯藏過程中會導致褐變、風味劣變、質地改變等品質問題。加熱會使這些蛋白質變性（denaturation），失去其催化活性。
• 對品質的影響：
  • 正面： 有效抑制褐變反應，延長產品的貨架期，保持原有的色澤和風味。
  • 負面： 若殺菁溫度或時間不足，酵素可能無法完全失活，反而可能在後續加工過程中加速品質劣變。

(b) 營養素變化 (Nutrient Changes)

• 化學機制：
  • 水溶性維生素流失： 如維生素 C（抗壞血酸）和 B 群維生素，因其對熱敏感且易溶於水，在殺菁過程中會部分分解或隨加熱水流失。
  • 礦物質流失： 部分水溶性礦物質也會隨加熱水流失。
  • 類胡蘿蔔素和脂溶性維生素： 相對穩定，但長時間高溫可能導致部分損失。
  • 抗氧化物： 部分抗氧化物（如維生素 C）會因熱和氧化而損失，但某些植物化學物質（如類胡蘿蔔素、多酚）可能因細胞結構破壞而增加生物利用度，或因酵素失活而穩定。
• 對品質的影響：
  • 負面： 降低產品的營養價值。
  • 正面： 某些情況下，殺菁有助於減少抗營養因子（如草酸、植酸）的含量。

(c) 風味物質改變 (Flavor Compound Changes)

• 化學機制：
  • 揮發性風味物質的損失： 許多揮發性風味物質，尤其是酯類、醛類、酮類等，具有較低的沸點，在殺菁過程中可能揮發損失。

本題考查粗纖維與膳食纖維在定義及定量分析上的差異。

核心觀念： 粗纖維是較早期的概念，主要指在酸鹼水解後不溶於水的殘渣，範圍較窄；膳食纖維是較現代且廣泛的概念，包含更廣泛的碳水化合物，並區分為水溶性與非水溶性兩大類。

詳解：
粗纖維（Crude Fiber, CF）與膳食纖維（Dietary Fiber, DF）在定義、組成和定量分析方法上存在顯著差異。

(a) 定義與組成差異

• 粗纖維 (Crude Fiber, CF)：

  • 定義： 指在標準的酸（如 1.25% H$_2$SO$_4$）和鹼（如 1.25% NaOH）水解處理後，在一定溫度下烘乾，然後燃燒，最後稱量不被燃燒的殘渣。
  • 組成： 主要包含纖維素、半纖維素的一部分，以及木質素的一部分。但由於酸鹼水解條件較為劇烈，會破壞部分半纖維素和木質素，因此 CF 的數值通常低於實際的纖維含量。它是一種較為籠統的指標。
  • 局限性： CF 低估了實際的纖維含量，且未區分水溶性與非水溶性纖維。

• 膳食纖維 (Dietary Fiber, DF)：

  • 定義： 指植物性食物中不能被人體小腸消化吸收的多醣類和木質素。
  • 組成： 包括纖維素、半纖維素、果膠質、植物膠、黏質物、木質素以及一些寡糖（如菊糖、果寡糖 FOS、半乳寡糖 GOS 等）。
  • 分類： 膳食纖維通常被分為兩大類：
    1. 非水溶性膳食纖維 (Insoluble Dietary Fiber)： 主要包括纖維素、大部分的半纖維素和木質素。它們不溶於水，主要存在於細胞壁中，能增加糞便體積，促進腸道蠕動。
    2. 水溶性膳食纖維 (Soluble Dietary Fiber)： 主要包括果膠質、植物膠、黏質物、部分半纖維素和某些寡糖。它們可溶於水，在腸道中可形成凝膠，能延緩葡萄糖吸收，降低膽固醇。

(b) 定量分析方法的差異

本題考查不同蔬果中主要色素的種類及其在加工過程中的穩定性問題。

核心觀念： 綠色主要來自葉綠素，黃色主要來自類胡蘿蔔素，紅色主要來自花青素。這些色素對光、熱、pH、氧氣等條件的穩定性不同，加工過程中需要採取適當措施來維持其色澤。

詳解：

(a) 各種顏色的主要色素成分

1. 茶葉的綠色：

   • 主要色素： 葉綠素（Chlorophyll）。茶葉中主要的葉綠素是葉綠素 a（Chlorophyll a）和葉綠素 b（Chlorophyll b）。
   • 化學結構： 葉綠素是鎂卟啉類色素，中心離子是鎂離子（Mg$^{2+}$），並帶有長鏈的烴基（如葉綠醇）。

2. 木瓜的黃色：

   • 主要色素： 類胡蘿蔔素（Carotenoids）。木瓜中的類胡蘿蔔素主要包括 β-胡蘿蔔素（β-carotene）和 α-胡蘿蔔素（α-carotene），以及少量的葉黃素（lutein）和玉米黃素（zeaxanthin）。
   • 化學結構： 類胡蘿蔔素是四萜類化合物，具有共軛雙鍵結構，這使其呈現黃色至橙紅色。

3. 洛神葵的紅色：

   • 主要色素： 花青素（Anthocyanins）。洛神葵（Roselle, Hibiscus sabdariffa）的紅色主要來自花青素，特別是矢車菊素（Cyanidin）的衍生物，如矢車菊素-3-O-糖苷（Cyanidin-3-O-glucoside）和矢車ViewGroup-3-O-sambubioside 等。
   • 化學結構： 花青素屬於類黃酮化合物，其核心結構是黃酮骨架，在酸性條件下呈現紅色。

(b) 加工中維持色素穩定性的方法

1. 茶葉的綠色（葉綠素）：
   • 不穩定因素： 葉綠素對熱、酸、鎂離子損失（變為脫鎂葉綠素，黃褐色）以及光照都比較敏感。
   • 維持穩定性的方法：
     • 殺菁（Blanching）： 快速加熱（如蒸、燙）可以使與葉綠素降解相關的酶（如葉綠素酶）失活，減少葉綠素的水解。
     • 控制 pH： 避免過酸的環境，因為酸性會加速葉綠素轉化為脫鎂葉綠素。

本題考查分子生物學技術在研究發酵蔬果微生物群相組成與變遷的應用。

核心觀念： 發酵蔬果的微生物群落組成複雜且動態變化，傳統培養方法難以全面評估。分子生物學技術，特別是高通量測序技術，能夠提供更全面、準確的微生物群落結構和功能資訊。

詳解：
發酵蔬果（如泡菜、酸菜、橄欖等）的風味、質地和安全性很大程度上取決於其複雜的微生物群落。分子生物學技術，特別是基於 DNA 或 RNA 的高通量測序技術，已成為研究這些群落組成與變遷的強大工具。

研究方法與技術：

1. DNA/RNA 提取：

   • 步驟： 從發酵蔬果樣品中提取總 DNA 或 RNA。這一步驟的效率和品質對後續分析至關重要。需要考慮到微生物細胞壁的堅韌性（特別是細菌和真菌），可能需要物理（研磨）或化學（酶解）方法輔助。
   • 考量： 樣品採集時間點、重複樣本的設置。

2. 高通量測序技術 (High-Throughput Sequencing Technologies)：

   • 16S rRNA 基因測序 (針對細菌和古菌)：
     • 原理： 16S rRNA 基因是細菌和古菌細胞中保守且具有變異區的基因，長度約 1500 bp。通過 PCR 擴增其特定區域（如 V3-V4 區或全序列），然後進行高通量測序。
     • 分析： 將測序得到的序列與參考資料庫（如 SILVA, Greengenes, RDP）比對，將序列聚類為操作分類單元（Operational Taxonomic Units, OTUs）或分類單位（Amplicon Sequence Variants, ASVs），並進行物種鑑定和相對豐度分析。
     • 應用： 確定細菌群落的組成（有哪些菌種）、相對豐度（各菌種的數量比例），以及群落的 alpha 多樣性（單一樣品內的多樣性）和 beta 多樣性（不同樣本間的群落結構差異）。
   • ITS 區域測序 (針對真菌)：
     • 原理： ITS（Internal Transcribed Spacer）區域是真核生物核糖體 DNA 中非轉錄間隔區，變異性較大，適合用於真菌的物種鑑定。
     • 應用： 類似於 16S rRNA 測序，用於分析發酵蔬果中的真菌群落組成。
   • 宏基因組測序 (Metagenomic Sequencing)：
     • 原理： 直接對樣品中所有微生物的總 DNA 進行隨機打斷和測序，無需預先 PCR 擴增。
     • 分析： 通過將測序讀長與基因組資料庫比對，不僅可以鑑定微生物的物種組成，還可以推斷群落的潛在功能（即群落攜帶的基因及其可能參與的代謝途徑）。
     • 優點： 提供更全面的物種資訊，並能預測功能，發現未培養微生物。
     • 缺點： 數據量大，計算複雜，對資料庫依賴性強。

本題考查微生物生長動力學中的 Monod 方程式及其應用。

核心觀念： Monod 方程式是描述微生物在穩態（chemostat）連續培養條件下，受單一限制性營養物濃度影響的生長速率模型。它能解釋微生物生長速率如何隨底物濃度的變化而變化。

詳解：
Monod 方程式是描述微生物生長模型中最基本和廣泛應用的模型之一，特別適用於描述在連續培養或批次培養後期，底物濃度成為生長限制因素時的情況。

Monod 方程式：

微生物的特定生長速率 ($\mu$) 與限制性營養物（如碳源、氮源）的底物濃度 ($S$) 之間的關係，可以用 Monod 方程式來描述：

$\mu = \mu_{max} \frac{S}{K_s + S}$

其中：

• $\mu$：微生物的特定生長速率 (specific growth rate, 單位為 h$^{-1}$)，定義為微生物質量或數量隨時間的變化率與其總質量或總數量的比值，即 $\mu = \frac{1}{X} \frac{dX}{dt}$，其中 $X$ 為微生物的生物量（如乾重、細胞數），$t$ 為時間。
• $\mu_{max}$：微生物在底物濃度無限大時的最大特定生長速率 (maximum specific growth rate, 單位為 h$^{-1}$)。
• $S$：限制性營養物的底物濃度 (substrate concentration, 單位通常為 g/L 或 mol/L)。
• $K_s$：Monod 常數 (Monod constant, 單位與 $S$ 相同)，代表底物濃度為 $\mu_{max}/2$ 時的底物濃度。它反映了微生物對底物的親和力，$K_s$ 值越小，表示微生物對該底物的親和力越強。

Monod 方程式的意義與應用：

1. 底物限制下的生長： Monod 方程式表明，當底物濃度 $S$ 遠小於 $K_s$ 時（$S \ll K_s$），$\mu \approx \mu_{max} \frac{S}{K_s}$，此時生長速率 $\mu$ 與底物濃度 $S$ 近似呈線性關係，即生長速率受底物濃度直接限制。
2. 飽和狀態下的生長： 當底物濃度 $S$ 遠大於 $K_s$ 時（$S \gg K_s$），$\mu \approx \mu_{max}$，此時生長速率達到最大值 $\mu_{max}$，不再受底物濃度影響，而是受微生物內在因素（如酶系統的容量）限制。
3. 半飽和點： 當 $S = K_s$ 時，$\mu = \mu_{max} \frac{K_s}{K_s + K_s} = \frac{\mu_{max}}{2}$，此時的生長速率是最大生長速率的一半。

在生產特定成分中的應用：

在利用微生物生產特定成分（如抗生素、酵素、維生素、有機酸、蛋白質等）時，我們需要理解和控制微生物的生長和代謝。Monod 方程式是理解這一過程的基礎。

• 批次培養 (Batch Culture)：
  • 在批次培養中，微生物從接種少量開始，經歷遲滯期（lag phase）、對數生長期（log phase/exponential phase）、穩定期（stationary phase）和衰亡期（death phase）。
  • 對數生長期： 在此階段，底物濃度通常不是限制因素，或者 Monod 方程式的 $S$ 值較高，微生物以接近 $\mu_{max}$ 的速率生長。此時，微生物的增殖遵循指數增長模型：$X(t) = X_0 e^{\mu t}$。