111 年 國立臺灣大學農業化學系碩士班丙組《食品化學與加工》

本題主要考驗學生對四種常見修飾澱粉的化學結構、加工目的、對使用者的益處，以及其是否屬於台灣 TFDA 法規列管的食品添加物之了解。

(A) 酸處理澱粉 (Acid treated starch)
結構：澱粉分子在酸性條件下，部分 $\alpha-1,4$ 醣苷鍵水解，導致直鏈澱粉 (amylose) 比例增加，支鏈澱粉 (amylopectin) 的支鏈也可能被切斷。分子鏈變短，結晶度降低。
目的與益處：使其糊化溫度降低，黏度增加且黏度穩定性較佳，透明度提高。常用於糖果、果凍、烘焙產品，作為增稠劑、穩定劑。
TFDA 規範：屬於食品添加物。在「食品添加物使用範圍及限量暨規格標準」中，屬於「粘稠劑」或「糊料」的一種，有其使用範圍與限量規定。

(B) 雙酸酐磷酸二澱粉 (Distarch phosphate)
結構：澱粉分子中的羥基 (-OH) 與磷酸或磷酸鹽反應，形成磷酸酯鍵。通常是將磷酸基團連接到澱粉鏈上。
目的與益處：增加澱粉的抗剪切力、抗凍融穩定性、抗酸性及糊化溫度。使其在加工過程中不易分解，糊化後的凝膠強度較佳。常用於冷凍食品、罐頭食品、醬料等。
TFDA 規範：屬於食品添加物。在「食品添加物使用範圍及限量暨規格標準」中，屬於「粘稠劑」或「糊料」的一種，有其使用範圍與限量規定。

(C) 預糊化澱粉 (Pregelatinized starch)
結構：澱粉顆粒經過預處理（如加熱、擠壓、噴霧乾燥等）使其部分或完全糊化，再乾燥形成。其結構破壞，澱粉分子鏈部分鬆散。

本題考驗學生對植物性肉品 (TVP) 製程的了解，包含原料、設備、以及加工過程中發生的化學反應及其影響。

(A) TVP 的主要原料通常是富含蛋白質的植物性來源，經過脫脂和粉碎處理後製成。最常見的原料包括：

1. 大豆分離蛋白 (Soy protein isolate, SPI)
2. 大豆濃縮蛋白 (Soy protein concentrate, SPC)
3. 大豆組織蛋白 (Textured soy protein, TSP)
4. 其他植物蛋白，如豌豆蛋白、小麥蛋白、蠶豆蛋白等。

(B) 製造 TVP 最常用的擠壓機類型是前饋式雙軸擠壓機 (Co-rotating twin-screw extruder)。
原因如下：

1. 混合與塑化能力強：雙軸擠壓機的螺桿設計可以提供強烈的剪切和混合作用，能將蛋白質粉末均勻混合，並在加熱和加壓下使其發生變性，形成連續的蛋白質基質，具備良好的塑化能力。
2. 精確的溫度與壓力控制：雙軸擠壓機的螺桿組合和擠壓筒的區域劃分，可以精確控制不同區域的溫度和壓力，這對於蛋白質的適當變性（不至於過度分解）至關重要。
3. 結構形成能力：透過調整螺桿的轉速、溫度曲線、模具設計，可以控制蛋白質分子鏈的定向排列，形成纖維狀的結構，模擬肉類的質地。
4. 生產效率高：雙軸擠壓機是連續式生產設備，適合大規模工業化生產。

(C) 在 TVP 的擠壓加工過程中，可能發生的化學反應及其對產品質地的影響如下：

本題考驗學生對兩種特定米製品的定義、加工過程及營養價值的了解。

(A) 蒸煮糙米 (Parboiled rice)
定義：Parboiled rice 的名稱來自於其加工過程，是將糙米（帶米糠層的稻穀）在帶殼的狀態下，經過浸泡、蒸煮（或壓力蒸煮）、乾燥後，再進行碾米（脫殼）製成的產品。這個過程並非將米「煮熟」，而是透過蒸煮使米粒內部發生物理和化學變化。
加工過程：

1. 浸泡 (Soaking)：將糙米在水中浸泡一段時間，使米粒吸水。
2. 蒸煮 (Steaming/Boiling)：將浸泡後的糙米進行蒸煮或壓力蒸煮。此步驟是關鍵，高溫會使米粒澱粉糊化，同時使米糠層中的水溶性維生素和礦物質滲透到米粒內部。
3. 乾燥 (Drying)：將蒸煮後的米粒進行乾燥，使其水分含量降低，便於後續的碾米。
4. 碾米 (Milling)：將乾燥後的米粒進行脫殼和拋光，得到米粒顏色較黃、表面較硬的成品。
   營養益處：

• 保留更多水溶性營養素：由於蒸煮過程中，米糠層中的水溶性維生素（如維生素 B 群）和礦物質（如鎂、磷）會滲透到米粒內部，因此相較於普通白米，蒸煮糙米能保留更多這些營養素。
• 降低升糖指數 (Lower glycemic index, GI)：蒸煮過程會改變米粒的澱粉結構，使其澱粉顆粒變得更緊密，糊化程度降低，消化吸收速度減慢，因此其升糖指數通常低於普通白米，有助於血糖控制。
• 質地改變：蒸煮過程使米粒中心部分也變得較為緊實，烹煮後米粒不易破碎，口感較為彈牙。

(B) 發芽糙米 (Germinated brown rice, GBR)
定義：將糙米在控制的溫度和濕度下進行浸泡和發芽，使其萌發至特定階段（通常是胚芽開始伸出或根部出現），然後進行乾燥處理

本題考驗學生對寡糖結構、醣苷鍵類型以及還原醣判斷的知識。

核心觀念：

• 還原醣 (Reducing sugar)：是指分子中含有游離的半縮醛或半縮酮結構（即有一個可自由轉變為醛基或酮基的碳原子）的醣類。這些結構可以還原某些氧化劑（如費林試劑、班氏試劑），故名還原醣。在鹼性條件下，這些醣類會發生異構化反應，形成醛糖或酮糖。
• 非還原醣 (Non-reducing sugar)：是指分子中所有半縮醛或半縮酮碳原子都參與了醣苷鍵的形成，沒有游離的半縮醛或半縮酮結構的醣類。
• 醣苷鍵 (Glycosidic bond)：是單醣分子中的半縮醛碳原子（異頭碳，anomeric carbon）與另一個醣分子的羥基（通常是 C4 或 C6 上的）之間形成的醚鍵。

判斷方法：
觀察兩個單醣單元結合形成的二醣，若結合的兩個單醣中的異頭碳（anomeric carbon）其中一個是自由的（即沒有形成醣苷鍵），則該二醣為還原醣。如果兩個單醣的異頭碳都參與了醣苷鍵的形成，則該二醣為非還原醣。

(A) 異麥芽糖 (Isomaltose)
結構：異麥芽糖是由兩個葡萄糖單元組成，一個葡萄糖單元的 C1（異頭碳）透過 $\alpha-1,6$ 醣苷鍵連接到另一個葡萄糖單元的 C6 上。
醣苷鍵類型：$\alpha-1,6$ 醣苷鍵。
還原性判斷：第一個葡萄糖單元的 C1 異頭碳沒有參與醣苷鍵的形成，仍然是自由的半縮醛結構。因此，異麥芽糖是還原醣。
化學結構式（示意）：
[葡萄糖單元1 (C1 自由)] - $\alpha-1,6$ - [葡萄糖單元2 (C6 結合)]
（需繪製化學結構圖，顯示兩個葡萄糖單元，並標示出 $\alpha-1,6$ 醣苷鍵和自由的異頭碳。）

本題考驗學生對碘價 (Iodine Value) 的定義及計算能力。

核心觀念：

• 碘價 (Iodine Value, IV)：是指每 100 克脂肪或油脂所能吸收的碘（或碘的當量）的克數。它主要用來衡量油脂中不飽和脂肪酸的含量，特別是雙鍵的數量。不飽和度越高，碘價越高。
• 定義公式：
  $IV = \frac{\text{克數的碘}}{\text{克數的脂肪}} \times 100$

題目給予的資訊：

• 原子量：I = 127
• 三油酸甘油酯 (Triolein) 的分子量 = 884

分析三油酸甘油酯 (Triolein)：
三油酸甘油酯是由一分子甘油和三分子油酸 (Oleic acid) 形成的酯。
油酸的結構是 $CH_3(CH_2)_7CH=CH(CH_2)_7COOH$。
油酸分子中含有一個雙鍵 (-CH=CH-)。
一個三油酸甘油酯分子含有三個油酸殘基，因此含有三個雙鍵。

計算過程：

1. 確定一個三油酸甘油酯分子能與多少碘反應：
   每個雙鍵 (-CH=CH-) 可以與兩個碘原子 (I) 加成反應。
   $R-CH=CH-R' + I_2 \rightarrow R-CHI-CHI-R'$
   所以，一個雙鍵可以吸收 1 分子的 $I_2$。
   由於三油酸甘油酯有 3 個雙鍵，因此一個三油酸甘油酯分子可以吸收 3 分子的 $I_2$。

2. 計算 3 分子 $I_2$ 的質量：
   $I_2$ 的分子量 = 2 * 原子量 (I) = 2 * 127 = 254 g/mol。
   所以，一個三油酸甘油酯分子（分子量 884 g/mol）可以吸收 3 個 $I_2$ 分子。
   吸收碘的總質量 = 3 莫耳的 $I_2$ 分子量 / 莫耳數 = 3 * 254 g。
   這裡的計算應該是：一個三油酸甘油酯分子（884 g）吸收 3 個 $I_2$ 分子。
   吸收碘的總質量 = 3 * (分子量 $I_2$) = 3 * 254 g。
   所以，884 克的三油酸甘油酯能吸收 3 * 254 克 = 762 克的碘。

3. 根據碘價定義計算：
   碘價定義為：每 100 克脂肪所能吸收的碘克數。
   我們已知 884 克的三油酸甘油酯吸收 762 克的碘。
   那麼 1 克的三油酸甘油酯吸收的碘克數 = $\frac{762 \text{ g I}}{884 \text{ g Triolein}}$。
   100 克的三油酸甘油酯吸收的碘克數 (碘價) = $\frac{762}{884} \times 100$。

本題考驗學生對花青素 (Anthocyanin) 化學結構、pH 變化對其顏色影響的機制，以及相關結構變化的理解。

核心觀念：

• 花青素 (Anthocyanin)：是一類水溶性植物色素，屬於類黃酮 (flavonoid) 的衍生物。它們是植物中重要的呈色物質，賦予花、果實、葉片鮮豔的紅色、紫色和藍色。
• 基本化學結構：花青素的核心結構是 C6-C3-C6 的碳骨架，即一個苯環 (A環) 連接一個碳鏈 (C3)，再連接另一個苯環 (B環)。這個 C3 鏈形成一個氧雜環己烯酮 (oxacyclohexenone) 結構，稱為 黃酮母核 (flavylium cation)。
  • 結構特點：
    • 具有一個帶正電的黃酮陽離子 (flavylium cation) 核心。
    • 通常在 B 環上有取代基（如羥基、甲氧基），在 A 環的 C5 和 C7 位置有羥基。
    • 在 C3 位置通常連接一個醣基（形成花青素苷，anthocyanin），這會影響其溶解度和穩定性，但核心的呈色結構是無醣基的花青素素 (anthocyanidin)。
• pH 變化對顏色和結構的影響：花青素的顏色對 pH 非常敏感，其顏色變化是由於在不同 pH 下，花青素分子發生了質子化/去質子化和結構重排。

pH 變化與顏色、結構的關係：

1. 強酸性環境 (pH < 3)：

   • 結構：在強酸性條件下，花青素主要以黃酮陽離子 (flavylium cation) 的形式存在。這是最穩定的形式。
   • 顏色：呈現紅色。這是花青素最鮮豔的顏色。
   • 機制：黃酮母核上的氧原子被質子化，形成一個正電荷中心，整個分子形成一個高度共軛的體系，吸收可見光譜中的綠色部分，顯現紅色。

2. 弱酸性環境 (pH 3-6)：

   • 結構：黃酮陽離子 (flavylium cation) 會與水分子反應，在 C2 位置發生水合作用，形成黃酮醇 (flavanonol) 或假黃酮醇 (pseudo-flavanonol) 的半縮醛結構。
   • 顏色：顏色會從紅色逐漸變為紫紅色，然後趨向於紫羅蘭色。
   • 機制：水合作用破壞了部分的共軛體系，吸收的光譜會發生偏移。

本題考驗學生對可可豆發酵過程的理解，包含其目的、主要階段及發生的生化變化。

核心觀念：
可可豆發酵是巧克力風味形成過程中至關重要的一步。新鮮的可可豆（種子）含有苦澀味，缺乏巧克力應有的複雜香氣和風味。發酵過程通過微生物的代謝活動和酶的作用，轉化可可豆內的成分，產生風味前體物，並改變豆子的結構，為後續的烘烤產生豐富的巧克力風味打下基礎。

發酵過程主要包含以下幾個階段和生化變化：

1. 厭氧階段（酵母菌階段）：

   • 時間：發酵初期（約 1-2 天）。
   • 主要微生物：酵母菌 (yeast)，如 Saccharomyces spp.
   • 發生地點：可可豆內部。
   • 過程：
     • 酵母菌利用可可果肉（pulp）中豐富的糖分（如蔗糖、果糖、葡萄糖）進行無氧呼吸，將糖轉化為酒精 (ethanol) 和二氧化碳 ($CO_2$)。
     • 同時，也產生少量有機酸，如乳酸。
   • 結果：
     • 果肉逐漸液化，酒精和 $CO_2$ 的產生會使豆莢內壓力升高，可能導致豆莢破裂，有利於後續好氧微生物的進入。
     • 豆子內部溫度開始升高。

2. 兼性厭氧/微需氧階段（乳酸菌階段）：

   • 時間：發酵初期至中期（約 1-2 天）。
   • 主要微生物：乳酸菌 (lactic acid bacteria)，如 Lactobacillus spp.
   • 發生地點：豆莢內部。
   • 過程：
     • 乳酸菌利用酵母菌產生的糖和酒精，進行乳酸發酵，將糖轉化為乳酸 (lactic acid)。
     • 同時，也產生少量乙酸。
   • 結果：
     • 豆子內部溫度持續升高。
     • 乳酸和少量乙酸的產生，進一步降低了 pH 值，有利於後續好氧微生物的生長。

3. 好氧階段（醋酸菌階段）：

   • 時間：發酵中期至後期（約 2-5 天）。
   • 主要微生物：醋酸菌 (acetic acid bacteria)，如 Acetobacter spp. 和 Gluconobacter spp.。
   • 發生地點：豆莢外部及內部（由於豆莢破裂和通氣）。
   • 過程：

本題要求學生繪製三種有機化合物的化學結構式，考驗對基礎有機分子結構的掌握。

繪製結構式時，需注意以下幾點：

• 標示出所有原子（除非是簡化結構式，但此處應繪製完整結構）。
• 標示出所有鍵（單鍵、雙鍵、三鍵）。
• 標示出所有非鍵結的孤對電子（若有）。
• 確保正確的鍵角和分子幾何。
• 標示出官能基。

(A) 離胺酸 (Lysine)

• 分類：一種必需胺基酸。
• 結構特點：含有一個胺基 (-NH2) 和一個羧基 (-COOH) 連接在同一個碳原子（α-碳）上，同時在側鏈（ε-碳）上還有一個額外的胺基 (-NH2)。
• 化學式：$C_6H_{14}N_2O_2$
• 結構式繪製：

  • 中心是 α-碳。

  • α-碳連接一個氫原子 (H)，一個羧基 (-COOH)，一個胺基 (-NH2)。

  • 另外，α-碳還連接一個由四個碳原子組成的側鏈 (-CH2-CH2-CH2-CH2-)，側鏈的末端（ε-碳）再連接一個胺基 (-NH2)。

  • 總共有 6 個碳原子。

        NH2
        |
    H2N-CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOH
    

    （這裡使用文字表示，實際作答時需繪製結構圖，標明所有原子和鍵。）

(B) 亞麻油酸 (Linoleic acid)

• 分類：一種必需脂肪酸，屬於 Omega-6 脂肪酸。
• 結構特點：是一種含有 18 個碳原子的長鏈飽和脂肪酸，並含有兩個順式雙鍵 (cis double bonds)。
• 化學式：$C_{18}H_{32}O_2$
• 結構式繪製：
  • 總共 18 個碳原子，形成一個長鏈。
  • 鏈的一端是羧基 (-COOH)。
  • 在碳鏈上，有兩個雙鍵。亞麻油酸的 IUPAC 名稱是 cis,cis-9,12-Octadecadienoic acid。