108 年 國立臺灣大學農業化學系碩士班丙組《食品化學與加工》

本題主要在探討膨脹劑（leavening agents）在食品中的作用機制與種類。

(a) 小蘇打 (Baking Soda) 與泡打粉 (Baking Powder) 的區別：

• 小蘇打 (Baking Soda)：化學名稱為碳酸氫鈉 ($NaHCO_3$)。它是一種鹼性物質，遇酸或受熱時會產生二氧化碳 ($CO_2$) 氣體，使麵糰或麵糊膨脹。單獨使用小蘇打時，需要有酸性成分（如優格、酪奶、檸檬汁、醋、巧克力）與之反應才能產生氣體。
• 泡打粉 (Baking Powder)：是一種複合膨脹劑，通常由小蘇打（鹼性成分）、酸性鹽類（如塔塔粉、磷酸氫鈣、焦磷酸鈉）和玉米澱粉（作為填充劑和吸濕劑）組成。泡打粉的優點在於其酸鹼成分預先混合，遇到水分或受熱時，酸鹼中和反應會釋放出 $CO_2$ 氣體，無需額外添加酸性成分。

(b) 泡打粉使食物膨脹的原理：
泡打粉膨脹的主要原理是透過化學反應產生二氧化碳 ($CO_2$) 氣體。當泡打粉與水分接觸時，其中的酸性鹽類和鹼性的小蘇打會開始反應。

1. 溶解與反應： 泡打粉中的酸性鹽類和碳酸氫鈉 ($NaHCO_3$) 在水中溶解。
2. 釋放 $CO_2$： 酸與鹼反應，產生碳酸 ($H_2CO_3$)，碳酸不穩定，會迅速分解產生二氧化碳 ($CO_2$) 氣體。反應式大致如下：
   $NaHCO_3 + H^+ \rightarrow Na^+ + H_2O + CO_2 \uparrow$
   （其中 $H^+$ 來自泡打粉中的酸性成分）

本題主要考驗學生對食品中常用增稠劑（hydrocolloids）的化學結構及其增稠機制的理解。

(a) 黃原膠 (Xanthan Gum)、羧甲基纖維素 (Carboxymethyl Cellulose, CMC) 和玉米澱粉磷酸酯 (Starch Phosphate Monoesters) 的化學結構：

• 黃原膠 (Xanthan Gum)：
  黃原膠是一種陰離子多醣，由單位的葡萄糖、甘露糖和葡萄糖醛酸組成。其結構特點是具有一個纖維素骨架，每三個葡萄糖單元上連接一個三醣側鏈（兩分子甘露糖和一分子葡萄糖醛酸）。側鏈通常會部分乙醯化或丙酮化，使得分子結構呈現螺旋狀。
  化學結構示意：
  黃原膠的重複單元為一個五碳單醣（通常是β-D-葡萄糖）骨架，帶有三個取代基：一個葡萄糖醛酸殘基、一個透過α-(1→4)鍵連接的β-D-葡萄糖殘基，以及一個由兩個甘露糖殘基組成的三醣側鏈，其中第二個甘露糖殘基通常被乙醯化或丙酮化。

  $$\text{[Glc-GlcA-Man-Man(Ac/Py)]}_n$$

  （此處的結構式較為複雜，通常考試會要求畫出示意結構或描述其特點，例如：纖維素骨架、三醣側鏈、陰離子多醣、螺旋結構。）

• 羧甲基纖維素 (Carboxymethyl Cellulose, CMC)：
  CMC 是纖維素的衍生物。纖維素是由葡萄糖單元透過 β-(1→4) 醣苷鍵連接而成的線性多醣。在 CMC 中，纖維素骨架上的部分羥基 (-OH) 被羧甲基 (-$CH_2COO^-$) 取代。取代度（Degree of Substitution, DS）是指平均每個葡萄糖單元上被取代的羥基數量，通常 DS 在 0.4 到 1.3 之間。
  化學結構示意：
  一個葡萄糖單元，其上的部分羥基被 -CH2COO- 取代。

  $$\text{[C}_6\text{H}_7\text{O}_2\text{(OH)}_{3-x}(\text{OCH}_2\text{COO}^- \text{Na}^+)_x\text{]}_n$$

  （其中 $x$ 代表取代度，Na+ 為抗衡離子）

本題考驗對梅納反應（Maillard reaction）的控制方法及其原理的理解。梅納反應是食品中胺基酸與還原糖在加熱條件下發生的複雜反應，會產生褐變和風味物質。要減少梅納反應，可從影響反應的關鍵因子著手。

減少梅納反應的三種方法及其原理：

1. 降低反應溫度 (Lowering Reaction Temperature)：

   • 方法： 採用較低的烹調溫度，例如水煮、蒸煮，而非煎、炸、烤。
   • 原理： 梅納反應是熱驅動的化學反應，其反應速率隨溫度的升高而顯著增加。降低溫度可以減緩反應分子的動能，從而降低反應速率，減少褐變和風味物質的生成。例如，許多需要保持淺色或原味的食品（如煮雞胸肉、蒸魚）會採用較低的烹調溫度。

2. 降低 pH 值 (Lowering pH / Increasing Acidity)：

   • 方法： 在食品中添加酸性物質，如檸檬酸、醋、酪乳等，使 pH 值降低。
   • 原理： 梅納反應在弱酸性至中性（pH 4-7）條件下反應速率最快。當 pH 值低於 4 時，酸性環境會抑制反應中的關鍵步驟，例如胺基酸的去質子化（胺基的親核性降低）以及生成褐變產物的環化和聚合反應。同時，高 pH 值（鹼性）會促進梅納反應，所以應避免。例如，醃漬食物或使用酸性醬料烹調，有助於保持顏色。

本題考驗對不同食品包裝技術的理解，特別是它們在延長食品貨架期和提升食品品質方面的差異。以月餅為例，分析不同包裝策略的特點。

月餅的四種包裝方式比較：

1. 傳統包裝 (Traditional Packaging)：

   • 特點： 通常是指使用惰性包裝材料（如塑膠袋、紙盒）將產品密封，內部氣體成分與外界大氣成分相同（約 21% $O_2$，78% $N_2$，1% 其他氣體）。包裝的主要目的是物理保護（防塵、防潮、防損壞）和提供產品資訊。
   • 對月餅的影響： 傳統包裝對月餅的保鮮效果有限，主要依靠月餅本身的配方（如高糖、高油）來延長其貨架期。容易受到氧氣的氧化（導致油脂酸敗、顏色變化）和微生物的生長（導致腐敗）。

2. 改良氣體包裝 (Modified Atmosphere Packaging, MAP)：

   • 特點： 在包裝過程中，將月餅放入包裝袋或容器後，替換袋內的原有空氣，充入特定比例的氣體混合物。常用的氣體包括氮氣 ($N_2$)、二氧化碳 ($CO_2$) 和少量氧氣 ($O_2$) 或無氧氣。目的是改變包裝內部的氣體環境，抑制微生物生長和化學反應。
   • 對月餅的影響：
     • 高 $N_2$： 是一種惰性氣體，能排除氧氣，抑制好氧微生物和氧化反應。
     • 高 $CO_2$： 對許多細菌和黴菌有較強的抑菌作用，能延長貨架期。但過高濃度可能導致月餅內部質地改變或產生不良風味。
     • 低 $O_2$ 或無 $O_2$： 抑制好氧微生物和油脂氧化。
   • 應用於月餅： 常見的是充氮氣保鮮，排除氧氣以防止油脂氧化和微生物生長。

3. 活性包裝 (Active Packaging)：

   • 特點： 包裝材料本身或其中嵌入的組件能與食品或包裝內部的環境發生化學或物理反應，主動地改變包裝內的環境，以延長食品的貨架期或改善其品質。
   • 對月餅的影響：
     • 吸氧劑 (Oxygen Absorbers)： 移除包裝內的氧氣，減緩油脂氧化和好氧微生物的生長，保持月餅新鮮度。

本題考驗對不同植物油的脂肪酸組成、穩定性及相關化學指標的理解。題目特別指出是透過「擠壓榨取法」(extrusion-expelling process) 獲得的油品，這意味著可能會有較高的溫度處理，並保留較多的天然成分。

芝麻油 (Sesame Oil) 與苦茶油 (Camellia Oil) 的比較 (擠壓榨取法)：

(a) 主要脂肪酸 (Dominant Fatty Acid(s))：

• 芝麻油 (Sesame Oil)：
  芝麻油的主要脂肪酸是 油酸 (Oleic acid, C18:1, 單元不飽和脂肪酸) 和 亞麻油酸 (Linoleic acid, C18:2, 多元不飽和脂肪酸)。兩者比例接近，大約各佔 40-45%。此外，也含有少量棕櫚酸 (Palmitic acid, C16:0, 飽和脂肪酸) 和硬脂酸 (Stearic acid, C18:0, 飽和脂肪酸)。

• 苦茶油 (Camellia Oil)：
  苦茶油最顯著的特點是其高含量的 油酸 (Oleic acid, C18:1)。油酸的比例通常高達 70-85%，遠高於亞麻油酸。此外，也含有約 10-20% 的亞麻油酸 (Linoleic acid, C18:2)，以及少量飽和脂肪酸如棕櫚酸和硬脂酸。

  差異： 苦茶油的油酸含量顯著高於芝麻油，而芝麻油的亞麻油酸含量則相對較高。

(b) 油品氧化穩定性 (Oil Oxidative Stability)：

• 芝麻油： 由於含有較高比例的多元不飽和脂肪酸（亞麻油酸），其氧化穩定性相對較低。亞麻油酸的雙鍵容易被氧化，導致油脂酸敗，產生異味。不過，芝麻油含有天然的抗氧化劑，如芝麻酚 (Sesamol) 和芝麻林酚 (Sesamolin)，這能在一定程度上提高其穩定性，使其比其他高亞麻油酸的油（如大豆油）更穩定一些。

本題主要考驗對蛋白質營養學性質的理解，以及如何評估蛋白質的品質。

蛋白質的營養學性質：

蛋白質是人體必需的巨量營養素，其在體內扮演著極其重要的角色，主要有以下營養學性質：

1. 必需胺基酸的來源 (Source of Essential Amino Acids, EAAs)：
   蛋白質經消化分解後，會產生胺基酸。其中有 9 種胺基酸（在成人體內）是人體無法自行合成，必須從飲食中攝取，稱為必需胺基酸（如離胺酸 Lysine, 甲硫胺酸 Methionine, 色胺酸 Tryptophan 等）。蛋白質是人體獲取這些必需胺基酸的主要途徑。

2. 氮的來源 (Source of Nitrogen)：
   蛋白質是人體攝取氮的主要來源。氮是構成胺基酸和核酸等重要生物分子的基本元素，對於細胞生長、修復和代謝至關重要。

3. 生理功能支持 (Support Physiological Functions)：
   蛋白質不僅是結構成分（如肌肉、皮膚、毛髮），也是功能性分子，參與體內各種生理過程：

   • 酵素 (Enzymes)： 幾乎所有的酵素都是蛋白質，催化體內各種生化反應。
   • 激素 (Hormones)： 許多激素是蛋白質或胜肽（如胰島素）。
   • 抗體 (Antibodies)： 免疫球蛋白是蛋白質，負責抵抗病原體。
   • 運輸蛋白 (Transport Proteins)： 如血紅蛋白負責運輸氧氣，載脂蛋白負責運輸脂質。
   • 結構蛋白 (Structural Proteins)： 如膠原蛋白、彈性蛋白構成結締組織。
   • 體液平衡與緩衝 (Fluid Balance and Buffering)： 蛋白質有助於維持體液滲透壓平衡，並參與血液的酸鹼緩衝系統。

4. 能量來源 (Energy Source)：
   雖然蛋白質的主要功能不是提供能量，但在碳水化合物和脂肪攝取不足時，蛋白質可以被分解代謝，提供能量（每克蛋白質約提供 4 千卡）。

何謂高品質蛋白質 (What is a Protein with Good Quality?)：

本題考驗對巧克力加工中常見的品質問題——「巧克力結霜」(chocolate bloom) 的成因與防治方法的理解。

巧克力結霜 (Chocolate Bloom) 是什麼？

巧克力結霜是指巧克力表面出現一層不均勻的白色或灰色薄膜，摸起來可能略有粗糙感。這層薄膜是巧克力中的脂肪或糖結晶析出並聚集在表面所形成的，並非發霉或變質，但會嚴重影響巧克力的外觀和口感，使其失去光澤和滑順感。

巧克力結霜的兩種典型類型及其成因：

1. 脂肪結霜 (Fat Bloom)：

   • 成因： 這是最常見的結霜類型。當巧克力在儲存或運輸過程中，經歷溫度波動（例如從冷藏到室溫，或反覆的溫度變化）時，可可脂中的不穩定晶體（如 IV 型或 V 型晶體）會融化，然後重新結晶形成更穩定的晶體（如 VI 型晶體）。在重新結晶過程中，脂肪會從巧克力內部遷移到表面，並在表面形成較大的、粗糙的脂肪晶體，呈現出白色或灰色的斑塊。
   • 觸發因素：
     • 溫度波動： 巧克力未妥善儲存，經歷溫度變化。
     • 可可脂的晶體結構不穩定： 巧克力在調溫（conching）或回火（tempering）處理不當，未能形成穩定且均勻的 VI 型晶體結構。
     • 過多的可可脂或添加其他脂肪： 這些額外的脂肪更容易遷移到表面。

2. 糖結霜 (Sugar Bloom)：

   • 成因： 當巧克力暴露在潮濕的環境中時，表面的微小水滴會溶解巧克力中的糖分（如蔗糖）。隨後，當水分蒸發時，溶解的糖會在巧克力表面重新結晶，形成粗糙的白色糖晶。
   • 觸發因素：
     • 高濕度環境： 巧克力儲存在潮濕的地方，或包裝不當，導致水氣滲入。
     • 溫差過大導致的表面凝結水： 例如從冷藏取出巧克力，表面產生大量小水珠。

如何預防巧克力結霜：

本題考驗對植物性蛋白質製品（素肉）生產技術的理解，特別是其加工原理和各步驟的目的。

素肉 (Vegetarian Meat) 的生產流程與步驟目的：

素肉（或稱植物肉、素雞、素火腿等）的生產旨在模仿傳統肉類的質地、風味和營養價值，但使用植物性原料。其生產通常涉及以下幾個關鍵步驟：

1. 原料選擇與預處理 (Raw Material Selection and Pretreatment)：

   • 原料： 主要使用高蛋白質含量的植物性原料，如大豆（黃豆）、豌豆、小麥（麩質）、花生等。
   • 預處理：
     • 脫殼、去雜質： 去除原料中的外殼、種皮、雜質等，確保產品純淨。
     • 研磨/粉碎： 將原料磨成細粉，以便後續加工。
     • 脫脂 (De-fatting)： 若使用含油量較高的原料（如大豆），可能需要進行脫脂處理，以降低脂肪含量，減少油脂氧化，並提高蛋白質的利用率。通常採用溶劑萃取法（如用己烷）或物理壓榨法。
     • 濕法或乾法分離蛋白質 (Wet or Dry Protein Isolation)：
       • 乾法： 利用氣流或篩選，將蛋白質與澱粉、纖維等分離（如小麥麩質的生產）。
       • 濕法： 將原料漿液調整 pH 值（通常在蛋白質等電點附近，pH 4-5），使蛋白質沉澱，再進行分離、洗滌和乾燥，得到濃縮蛋白質（如大豆濃縮蛋白）。
   • 目的： 獲取高純度的植物蛋白質，並去除影響口感、風味或穩定性的成分（如脂肪、纖維、抗營養因子），為後續的結構形成打下基礎。

2. 蛋白質結構化 (Protein Structuring / Texturization)：

   • 方法： 這是生產素肉的關鍵步驟，旨在將分散的蛋白質分子重新排列組合，形成類似肉類的纖維狀結構。最常用的技術是 擠壓膨化技術 (Extrusion Cooking)。

本題考驗對食品科學中幾個關鍵概念的理解，涵蓋了食品加工、安全和微生物學的基礎知識。

(a) 12D：
* 定義： "12D" 是熱力殺菌（Thermal Sterilization）或罐頭食品殺菌的一個概念，通常與 D 值 (D-value) 相關。D 值是指在特定的溫度下，將食品中的某種特定微生物（通常是最耐熱的孢子，如產氣莢膜梭菌 Clostridium perfringens 的孢子）的數量減少十分之九（即減少 1 log cycle）所需的時間（以分鐘計）。
* 12D 的意義： "12D" 指的是經過足夠的熱處理，使得最耐熱的微生物（通常是產氣莢膜梭菌的孢子）的存活機率降低到百萬分之一以下（即總共減少 12 個 log cycle）。這是一個非常嚴格的殺菌標準，常用於商業無菌（Commercial Sterility）的罐頭食品生產。
* 計算： 如果某種微生物在特定溫度下的 D 值為 $D_T$ 分鐘，那麼要達到 12D 的殺菌效果，總共需要 $12 \times D_T$ 分鐘的處理時間。
* 目的： 確保罐頭食品在室溫下能長期儲存而不腐敗變質，對食品安全至關重要。

(b) 致冷劑 (Refrigerant)：
* 定義： 致冷劑（或稱冷媒、製冷劑）是一種在製冷循環中吸收熱量並釋放熱量的物質，用於實現製冷或空調的目的。在食品工業中，致冷劑是冷凍、冷藏設備的核心工作介質。
* 工作原理： 致冷劑在製冷系統中不斷循環，經歷蒸發（吸收熱量，從液態變為氣態）和冷凝（釋放熱量，從氣態變為液態）的相變過程。
* 在蒸發器中，致冷劑吸收食品或儲存空間的熱量而蒸發。
* 在壓縮機的作用下，氣態致冷劑被壓縮，溫度和壓力升高。
* 在冷凝器中，高壓氣態致冷劑向外界環境釋放熱量而冷凝成液態。
* 通過節流閥減壓後，低溫低壓的液態致冷劑再次進入蒸發器。
* 常見種類： 過去常用氯氟烴 (CFCs) 和氫氯氟烴 (HCFCs)，但因環保問題（破壞臭氧層、溫室效應）已逐漸被淘汰。目前廣泛使用的是氫氟烴 (HFCs)，以及更環保的天然致冷劑，如氨 ($NH_3$)、二氧化碳 ($CO_2$)、碳氫化合物（如丙烷）等。

(c) 危險溫度帶 (Temperature Danger Zone, TDZ)：
* 定義： 危險溫度帶是指食物最容易讓細菌（包括致病菌）快速生長繁殖的溫度範圍。在這個溫度範圍內，細菌的生長速度最快，可能在短時間內達到危險的濃度，導致食物中毒。
* 具體範圍： 在大多數國家和地區，危險溫度帶的定義是 4°C (40°F) 到 60°C (140°F)。
* 重要性： 食品安全管理中，嚴格控制食物的儲存和處理溫度，使其遠離危險溫度帶，是防止細菌污染和食物中毒的關鍵措施。
* 冷藏 (Refrigeration)： 應將食物保存在 4°C 以下，以減緩細菌生長。