111 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》

本題主要在探討食品中微生物控制的幾種基本作用機制。理解這些名詞對於食品安全和品質的維持至關重要。

• 抑菌 (Bacteriostasis)：指抑制微生物生長和繁殖的能力，但並非殺死微生物。當抑菌作用停止時，微生物仍有可能恢復生長。例如，某些防腐劑的作用是抑菌，而非直接殺死細菌。
• 殺菌 (Bactericidal)：指直接殺死微生物的能力。殺菌作用通常是不可逆的，即使移除殺菌因素，微生物也無法存活。例如，高溫或某些化學消毒劑具有殺菌作用。

本題考查乳酸菌的分類以及兩種主要的代謝途徑。

乳酸菌的ABC菌：
「ABC菌」並非一個標準的學術分類術語，在乳酸菌的分類中，通常是根據其代謝產物、生化特性（如產酸能力、生長溫度、鹽分耐受性等）來進行區分。常見的分類方式包括：

1. 依產酸能力：
   • 同型乳酸菌 (Homofermentative)：主要產物為乳酸。
   • 異型乳酸菌 (Heterofermentative)：除了乳酸外，還會產生乙醇、乙酸、二氧化碳等。
2. 依生長溫度：
   • 嗜溫菌 (Mesophilic)：生長溫度約在 20-45°C。
   • 嗜熱菌 (Thermophilic)：生長溫度約在 45-65°C。
3. 依其他特性：如耐鹽性、耐酸性、是否產生二氧化碳等。

若題目中的「ABC菌」是指常見的幾種乳酸菌代表，那可能指的是：

• A: Lactobacillus (乳酸桿菌屬) - 這是最常見的乳酸菌屬。
• B: Lactococcus (乳酸球菌屬) - 如用於優格、起司的菌種。
• C: Leuconostoc (製酪乳酸球菌屬) - 屬於異型乳酸菌，常產生二氧化碳和風味物質。
  或也可能指某些特定的乳酸菌組合，但缺乏更具體的上下文。在此，我們重點放在同型與異型乳酸菌的區別，這是較為核心的概念。

同型乳酸醱酵 (Homofermentative Lactate Fermentation) 與異型乳酸醱酵 (Heterofermentative Lactate Fermentation) 之相異處：

這兩種醱酵途徑的差異主要在於葡萄糖的代謝途徑和最終產物。

1. 同型乳酸醱酵：
   • 代謝途徑：主要經過Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) 途徑（即醣解作用）。
   • 葡萄糖代謝：1 分子葡萄糖 (6碳) 經過 EMP 途徑，最終分解為 2 分子丙酮酸 (3碳)。
   • 最終產物：丙酮酸主要被還原為乳酸。理論上，1 分子葡萄糖可產生 2 分子乳酸。
   • 能量產量：每分子葡萄糖可產生約 2 ATP。
   • 代表菌種：Lactobacillus delbrueckii, Lactococcus lactis, Streptococcus thermophilus 等。
   • 應用：製作優格、起司、泡菜（部分菌種）等，強調高乳酸產量以達到酸味和抑菌效果。

本題分為兩部分，第一部分探討食品微生物污染源，第二部分則定義並列舉理想食品安全指標菌的特性。

食品微生物污染的主要來源：

食品微生物污染的來源非常廣泛，可以從源頭（農場、養殖場）一直到餐桌，主要可歸納為以下幾類：

1. 環境污染 (Environmental Contamination)：

   • 土壤 (Soil)：許多細菌（如Clostridium spp.）和黴菌的孢子存在於土壤中，可能污染農產品（如根莖類蔬菜、葉菜類）或透過農事操作（如灌溉水、施肥）轉移。
   • 水 (Water)：受污染的灌溉水、養殖用水、加工用水或飲用水可能攜帶各種病原菌（如Vibrio spp., Salmonella, E. coli）和腐敗菌。
   • 空氣 (Air)：空氣中的微生物，特別是黴菌孢子和某些細菌，可以透過風傳播，污染開放的食品或生產環境。
   • 動物糞便 (Animal Feces)：這是最主要的污染源之一。無論是來自家畜（牛、豬、禽類）或野生動物，其糞便中可能含有大量的腸道病原菌（如Salmonella, E. coli O157:H7, Listeria monocytogenes, Campylobacter）。這些病原菌可直接污染動物肉品、蛋類，或透過養殖環境、處理過程傳播。

2. 人為污染 (Human Contamination)：

   • 食品處理人員 (Food Handlers)：帶有病原菌（如金黃葡萄球菌Staphylococcus aureus）的食品處理人員，如果衛生習慣不良（如未洗手、有傷口），可將病原菌轉移到食品上。
   • 食品接觸表面 (Food Contact Surfaces)：砧板、刀具、加工設備、儲存容器等，如果未經徹底清潔和消毒，會成為微生物滋生的溫床，進而污染食品。

3. 食品本身 (Food Itself)：

   • 原材料 (Raw Materials)：許多原材料（如生肉、生魚、生奶、未清洗的蔬果）本身就可能攜帶微生物，包括指示菌和病原菌。
   • 飼料 (Feed)：動物飼料若受污染，也會將微生物帶入動物體內，間接污染肉品。

4. 交叉污染 (Cross-Contamination)：

   • 指病原菌從受污染的食品（如生肉）轉移到未受污染的食品（如熟食或即食食品），通常發生在處理、儲存或烹調過程中。

理想的食品安全指標菌 (Food Safety Indicator Bacteria) 的特色：

食品安全指標菌（或稱指示菌）是指一群與特定食品安全風險相關的微生物。它們本身不一定具有致病性，但其存在可以表明食品可能受到特定病原菌污染或加工處理不足。理想的食品安全指標菌應具備以下特色：

本題考查高靜水壓 (High Hydrostatic Pressure, HHP) 技術的殺菌原理。HHP 是一種非熱加工技術，利用高壓來達到殺滅微生物的目的。

HHP 殺菌原理：

HHP 技術的殺菌作用主要基於高靜水壓對微生物細胞結構和功能的影響，這些影響是多方面的，但最核心的是對蛋白質結構和細胞膜完整性的破壞。

1. 對蛋白質結構的影響：

   • 變性 (Denaturation)：許多蛋白質在壓力下會發生變性。HHP 對某些蛋白質（如細胞壁合成酶、核酸酶、ATP 酶等）的變性作用比對其他蛋白質（如細胞骨架蛋白、核酸）更顯著。這種變性會導致蛋白質失去原有的活性，進而影響細胞的正常生理功能。
   • 壓力誘導的構象變化：壓力可以改變蛋白質的空間構象，特別是那些體積變化較大的構象轉變。這會影響蛋白質的活性中心、酶的功能以及蛋白質之間的相互作用。
   • 影響酶活性：許多關鍵的代謝酶和結構蛋白的活性會因高壓而降低或喪失，例如細胞膜上的離子通道蛋白、參與細胞壁合成的酶、DNA 複製和修復相關的酶等。

2. 對細胞膜的影響：

   • 改變膜流動性 (Membrane Fluidity)：高壓會改變細胞膜脂質的排列和流動性。在一定壓力範圍內，壓力可能導致細胞膜變得更緊密，影響物質運輸；而超過一定壓力，壓力可能導致膜結構的破壞，增加膜的通透性，使細胞內容物洩漏。
   • 影響膜結合蛋白功能：細胞膜上的許多蛋白質（如運輸蛋白、信號傳導蛋白）的功能依賴於膜的完整性和流動性，HHP 會破壞這些結構，影響細胞的物質交換和信號傳導。

3. 對核酸的影響：

   • DNA 和 RNA 在高壓下相對穩定，但高壓可以影響 DNA 的複製、轉錄和修復過程，主要是透過影響相關酶的活性。長期或極高壓下，可能導致 DNA 斷裂。

本題要求解釋四個與食品微生物學密切相關的名詞，並闡述它們的關聯性。

1. Batch Fermentation (批次醱酵)

• 定義：批次醱酵是一種在密閉容器（醱酵槽）中進行的微生物醱酵過程。在醱酵開始時，將所有的原料（基質）和微生物接種到醱酵槽中，然後讓微生物在其中生長和代謝，直到反應結束。在此過程中，不添加新的基質，也不移除產物或微生物。
• 關聯性：這是最傳統、最常見的醱酵方式之一。許多傳統食品的生產，如優格、起司、泡菜、部分麵包、酒精飲料（如葡萄酒、啤酒）的早期階段，都採用批次醱酵。其優點是操作簡單，設備要求相對較低。缺點是醱酵周期結束後需要清空醱酵槽，生產效率相對較低，且在醱酵後期，基質耗盡或產物累積抑制，可能導致產率下降。

2. Fed-batch Fermentation (分批補料醱酵)

• 定義：分批補料醱酵是在批次醱酵的基礎上進行的改良。在醱酵過程中，定期或連續地向醱酵槽中添加部分基質（或營養物），同時可能移除部分產物或細胞，但醱酵槽不會完全清空。
• 關聯性：這種方式能夠克服批次醱酵中基質過量或不足、產物抑制等問題。通過控制補料速率，可以維持微生物在最佳生長和產物合成的條件下進行醱酵，從而提高產量、產率和產品質量。在食品工業中，分批補料醱酵常用於生產抗生素、酵素、維生素、氨基酸等高附加值的食品成分。例如，某些情況下生產高濃度乳酸或乙醇時會採用此法。

3. Co-culture Fermentation (共培養醱酵)

• 定義：共培養醱酵是指兩種或兩種以上的不同微生物（或同種不同菌株）在同一個醱酵系統中共同生長和代謝的過程。
• 關聯性：共培養可以產生單獨培養無法達到的效果。例如：
  • 協同作用 (Synergism)：一種微生物產生的代謝物可能是另一種微生物生長的必需因子，反之亦然。
  • 代謝途徑的互補：兩種微生物可以共同分解複雜的基質，或共同產生複雜的風味物質。
  • 提高產率或純度：一種微生物可以降解抑制另一種微生物的副產物，或者兩種微生物協同作用提高目標產物的產量。

本題考查五種重要酵素的化學反應機制、在食品中的作用以及其在食品加工與食品化學上的重要性。

1. Polyphenol Oxidase (PPO) / 多酚氧化酶

• 作用方程式：
  PPO 催化酚類化合物（多酚）的氧化反應。反應通常分為兩個階段：
  a. 酚類化合物 (Catechol-type phenols) 的單酚氧化：催化鄰苯二酚類（catechols）的羥基化，或催化單酚（monophenols）的羥基化生成鄰苯二酚。
  $\text{Monophenol} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{PPO}} \text{o-Diphenol} + \text{H}_2\text{O}$
  b. 鄰苯二酚的氧化：催化鄰苯二酚（o-diphenols）被氧化成鄰苯醌（o-quinones）。
  $\text{o-Diphenol} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{PPO}} \text{o-Quinone} + \text{H}_2\text{O}$
  生成的鄰苯醌非常活潑，會進一步發生分子內或分子間的聚合反應，生成棕色或黑色的產物（類黑素，melanins）。
  $\text{o-Quinone} \rightarrow \text{Polymerization products (Melanins)}$

• 食品加工與化學上的重要性：

  • 褐變反應 (Enzymatic Browning)：PPO 是引起許多水果（如蘋果、香蕉、酪梨）和蔬菜（如馬鈴薯）在切割、壓傷或暴露於空氣中時發生的酶促褐變的主要原因。這種褐變會影響食品的外觀（顏色變深）、風味和營養價值（維生素氧化）。
  • 食品加工上的應用與控制：
    • 負面影響：在榨汁、果醬、脫水蔬菜的生產中，需要抑制 PPO 的活性，以防止產品褐變，保持鮮亮的顏色。控制方法包括：低溫處理、酸性 pH 值、添加還原劑（如亞硫酸鹽、抗壞血酸）、或透過熱處理（滅活酶）。
    • 正面應用：在某些食品中，PPO 的褐變作用被利用來產生特定的顏色和風味，例如發酵茶（紅茶、烏龍茶）的製備過程就依賴於 PPO 的氧化作用來產生茶黃素、茶紅素等色素。

2. Isoamylase / 異澱粉酶

• 作用方程式：
  異澱粉酶是一種脫支酶 (debranching enzyme)，屬於水解酶類。它主要作用於澱粉顆粒中的支鏈澱粉 (amylopectin)。澱粉是由直鏈澱粉 (amylose) 和支鏈澱粉組成。支鏈澱粉具有 α-1,6 糖苷鍵的支鏈結構。異澱粉酶特異性地水解支鏈澱粉中的 α-1,6 糖苷鍵。
  $\text{Amylopectin} \xrightarrow{\text{Isoamylase}} \text{Linear dextrins}$
  （水解支鏈澱粉的 α-1,6 鍵，將支鏈澱粉轉化為更短的直鏈寡糖或糊精）

• 食品加工與化學上的重要性：

  • 澱粉的轉化：異澱粉酶在澱粉糖工業中非常重要，特別是用於生產高果糖玉米糖漿 (HFCS)。
    1. 首先，使用 α-澱粉酶 (α-amylase) 將澱粉部分水解成較短的寡糖。
    2. 接著，使用異澱粉酶將支鏈澱粉中的 α-1,6 鍵水解，使支鏈澱粉結構變得更線性，產生更多可被後續酶處理的末端。
    3. 再用葡糖澱粉酶 (glucoamylase) 將寡糖和糊精的水解，生成葡萄糖。
    4. 最後，使用葡萄糖異構酶 (glucose isomerase) 將葡萄糖轉化為果糖，得到高果糖玉米糖漿。
  • 改善澱粉性質：異澱粉酶的使用可以改變澱粉的糊化特性、溶解度，有助於生產特定質地的澱粉產品。
  • 酿造工業：在啤酒釀造中，它能幫助分解澱粉，增加可發酵糖的濃度，提高酒精度。

3. Pectinesterase (PE) / 果膠酶

• 作用方程式：
  果膠酶是一種水解酶，它催化果膠（主要成分是聚半乳糖醛酸）中的甲酯基（methyl ester group）水解，生成半乳糖醛酸和甲醇。
  $\text{Pectin (Polygalacturonic acid methyl ester)} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Pectinesterase}} \text{Pectic acid (Galacturonic acid polymer)} + \text{Methanol}$
  （將果膠分子上的甲酯基水解掉，形成羧基）

本題考查米粒老化（staleness）的機制，這是一個與食品化學和儲藏科學相關的概念。

米粒的老化機制：

米粒老化是指米飯在烹煮後一段時間內，其質地變得變硬、乾燥、失去彈性和黏性，口感變差的現象。這是一個複雜的物理化學過程，主要與米飯中澱粉的變化有關。

1. 澱粉的糊化與再結晶 (Starch Gelatinization and Recrystallization)：

   • 糊化：當米飯烹煮時，米粒中的澱粉顆粒吸收大量水分，在加熱和水分的作用下，澱粉分子（直鏈澱粉和支鏈澱粉）從有序的晶體結構轉變為無序的膠體狀態，體積膨脹，形成黏稠的糊狀物。這個過程稱為糊化。
   • 老化（澱粉的再結晶）：在米飯冷卻和儲存過程中，澱粉分子（特別是直鏈澱粉和支鏈澱粉的短鏈部分）會逐漸重新排列，形成有序的晶體結構，這個過程稱為澱粉的老化或澱粉的再結晶 (recrystallization)。澱粉顆粒從無序的膠體狀態回到部分有序的晶體結構。

2. 水分的遷移 (Water Migration)：

   • 在老化過程中，原本結合在澱粉分子之間的自由水（free water）會逐漸被重新組織化的澱粉結構排擠出來，變成結合水（bound water），或者遷移到米飯顆粒的表面，導致米飯整體的水分含量看似減少，觸感變得乾燥。
   • 澱粉鏈之間的氫鍵會重新形成，將水分子擠出，形成更緊密的澱粉結構。

本題考查高甲氧基果膠 (High Methoxyl Pectin, HMP) 和低甲氧基果膠 (Low Methoxyl Pectin, LMP) 在形成凝膠時的機制差異。這兩種果膠是製作果醬、果凍等膠體食品的關鍵原料。

果膠的結構與甲氧基含量：

果膠是一種由 α-(1→4) 鍵連接的 D-半乳糖醛酸單元構成的多醣。在果膠的主要鏈上，一部分半乳糖醛酸單元的羧基會與甲醇形成甲酯基 (-COOCH$_3$)。

• 高甲氧基果膠 (HMP)：其甲酯基含量較高，通常佔總半乳糖醛酸羧基的 50% 以上（稱為 DM，Degree of Methoxylation，甲氧基化度）。
• 低甲氧基果膠 (LMP)：其甲酯基含量較低，通常低於 50%（DM < 50%）。LMP 可以通過化學或酶法處理 HMP 得到，即將部分甲酯基水解為羧基 (-COOH)。

凝膠機制的差異：

兩種果膠形成凝膠的機制截然不同，主要在於它們在溶液中的聚集方式和所需的條件。

1. 高甲氧基果膠 (HMP) 的凝膠機制：

   • 機制：主要依賴於氫鍵和疏水鍵的形成，以及果膠分子間的緊密堆積。
   • 條件：
     • 高糖濃度：需要較高的糖濃度（通常 > 55% w/w）。糖分子（如蔗糖）會與果膠分子鏈上的酯基和羧基發生強烈的水分活度降低作用，競爭果膠分子對水分的結合，將果膠分子「脫水」，促進果膠分子之間的相互接近。
     • 低 pH 值：需要較低的 pH 值（通常在 2.8-3.5 之間）。酸性環境有助於：
       • 抑制果膠酶（如果存在）的活性。
       • 使果膠分子鏈上的羧基質子化（-COO$^-$ 變為 -COOH），減少分子間的靜電斥力。
       • 促進果膠鏈的剛性，有利於形成氫鍵和疏水鍵。
   • 過程：在足夠高的糖濃度和低 pH 值下，HMP 分子鏈會通過氫鍵和疏水鍵相互連接，形成一個三維網絡結構，將水分包圍在其中，從而形成凝膠。這個過程類似於「乾的」分子之間的堆積。

2. 低甲氧基果膠 (LMP) 的凝膠機制：

   • 機制：主要依賴於二價陽離子（尤其是鈣離子 Ca$^{2+}$）的橋聯作用。
   • 條件：
     • 低糖濃度：對糖濃度要求不高，甚至可以在無糖或低糖條件下形成凝膠。

本題考查維持不同類型果蔬汁色澤穩定的方法，重點在於識別不同果蔬汁的主要色素及其不穩定性，並提出相應的穩定化策略。

色素種類與不穩定性：

1. 葡萄汁 (Grape Juice)：主要色素是花青素 (Anthocyanins)。花青素的顏色受 pH 值影響很大（在酸性環境下呈紅色/紫色，pH 升高則變藍/綠色，甚至無色），且對光、熱、氧氣、金屬離子（如 Fe$^{2+}$, Cu$^{2+}$）和亞硫酸鹽等敏感，容易褪色或產生不良顏色。
2. 番茄汁 (Tomato Juice)：主要色素是茄紅素 (Lycopene)，屬於類胡蘿蔔素 (Carotenoids)。茄紅素顏色鮮紅，相對穩定，但對光、氧氣和高溫較敏感，長期暴露可能導致顏色變淡或產生異味。
3. 柑橘汁 (Citrus Juice)：主要色素是類胡蘿蔔素 (Carotenoids)，如黃色色素（β-胡蘿蔔素、黃質素）和橙色色素（如β-隱黃質）。類胡蘿蔔素的穩定性比花青素好，但仍可能因光、氧氣和高溫而氧化褪色。

維持色澤穩定的方法：

雖然都涉及穩定色素，但由於色素種類和不穩定性不同，採用的方法也會有所側重。

針對葡萄汁 (花青素)：

• pH 控制：維持較低的 pH 值（酸性環境），以保持花青素的紅色/紫色。
• 低溫儲存：低溫可以顯著減緩花青素的降解和氧化。
• 避光：光照會加速花青素褪色。
• 無氧處理：通過真空脫氣或添加抗氧化劑（如抗壞血酸、二氧化硫）來減少氧化。
• 添加穩定劑：
  • 共沉澱物 (Copigments)：添加其他小分子化合物（如酚類、黃酮類）與花青素形成復合物，穩定其顏色，防止褪色和 pH 影響。
  • 金屬離子螯合劑：添加 EDTA 等物質螯合可能催化褐變的重金屬離子。