112 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》

此題主要考驗學生對肉毒桿菌（Clostridium botulinum）的認識，包含其為病原菌的特性、易污染的食品種類、中毒時的臨床徵狀，以及預防措施。

病原菌特性：

• 形態與生理： 肉毒桿菌是一種革蘭氏陽性、專性厭氧、桿狀、產芽孢的細菌。其芽孢對熱、乾燥、消毒劑及輻射具有高度抵抗力，是其能在環境中存活及污染食品的關鍵。
• 產毒素： 肉毒桿菌本身並不直接引起疾病，而是其在生長過程中產生的神經毒素（botulinum toxin）導致中毒。此毒素是已知毒性最強的物質之一，分為 A、B、E、F 等型，其中 A、B、E 型最常引起人類中毒。毒素對熱敏感，高溫（如 80°C 持續 30 分鐘或 100°C 持續 10 分鐘）即可使其失去活性。

易污染的食品種類：
肉毒桿菌為厭氧菌，因此特別容易污染低酸性（pH > 4.6）、低鹽、低糖、且經過加熱處理但未徹底殺滅芽孢的密封食品。常見的受污染食品包括：

• 罐頭食品： 特別是自製或保存不當的罐頭蔬菜（如香菇、蘆筍、豆類）、肉類、魚類、香腸等。
• 真空包裝或厭氧條件下的食品： 如煙燻魚、發酵香腸、部分乳酪製品等。
• 蜂蜜： 雖然蜂蜜本身酸度高且含糖量高，對肉毒桿菌生長有抑制作用，但其芽孢可能存在於其中，對嬰兒（未滿一歲）而言，腸道菌叢尚未發育完全，可能因攝食受污染的蜂蜜而導致嬰兒肉毒桿菌症。

中毒徵狀：
肉毒桿菌中毒的潛伏期通常為 12-36 小時（範圍 6 小時至 8 天），主要表現為神經系統的麻痺症狀，由於毒素阻斷神經肌肉的傳導，導致乙醯膽鹼釋放減少。

• 初期症狀： 噁心、嘔吐、腹瀉或便秘，疲倦感。

此題主要探討蜂蜜的天然抗菌性及長保存期的原因，這與其特殊的理化特性有關。

蜂蜜之所以能夠長期保存且不易被微生物污染而腐敗，主要歸因於以下幾個關鍵因素：

1. 高糖濃度 (High Sugar Concentration)： 蜂蜜的主要成分是糖，其中葡萄糖和果糖的比例高達 80% 以上。如此高的糖濃度會產生極高的滲透壓。微生物（包括腐敗菌和病原菌）在如此高的滲透壓環境下，其細胞內的水分會被大量滲透出來，導致細胞脫水，無法維持正常的生理代謝，進而抑制或殺死微生物。
2. 低水分活性 (Low Water Activity, $a_w$)： 儘管蜂蜜的總含水量可能在 15-20% 左右，但由於其高糖濃度，其水分活性（$a_w$）非常低，通常低於 0.6。水分活性是衡量自由水含量的重要指標，微生物生長需要一定量的自由水。$a_w$ 低於 0.85 時，多數細菌就無法生長；低於 0.6 時，大多數酵母菌和黴菌也無法生長。因此，低 $a_w$ 是蜂蜜長保存期的重要原因。
3. 低 pH 值 (Low pH)： 蜂蜜通常呈現弱酸性，pH 值介於 3.2 至 4.5 之間。

此題主要考驗學生對非熱加工技術之一的脈衝電場（PEF）殺菌原理的理解。

脈衝電場（Pulsed Electric Fields, PEF）是一種利用短時間、高強度電場脈衝來處理食品以達到殺菌或鈍化微生物的方法。其殺菌原理主要基於電場對微生物細胞膜的影響，而非熱能。

PEF 殺菌原理：

1. 電穿孔 (Electroporation)： 當食品（或含有微生物的液體）暴露在高強度、短時的電場脈衝中時，微生物細胞膜的兩側會產生電位差。當這個電位差超過細胞膜的擊穿電壓（breakdown voltage）時，細胞膜的脂質雙層結構會暫時或永久地發生改變，形成微孔（pores）。

   • 瞬時孔隙形成： 在電場作用下，細胞膜上的離子會重新排列，導致膜電位發生變化。當電場強度足夠高時，膜的雙層結構會被「推開」，形成臨時性的孔隙。
   • 永久性孔隙形成： 如果電場強度極高或脈衝時間較長，這些孔隙可能無法自動閉合，導致細胞膜永久性損傷。

2. 細胞內容物外滲 (Leaking of Intracellular Contents)： 一旦細胞膜形成孔隙，細胞內的離子、小分子物質（如 ATP、核酸、蛋白質）以及其他重要的細胞成分就會從細胞內滲透到細胞外。這個過程會嚴重干擾細胞的正常代謝和結構完整性。

3. 細胞死亡 (Cell Death)：

   • 代謝紊亂： 細胞內容物的流失會導致細胞內部環境失衡，能量供應中斷，無法維持正常的生化反應。

此題考驗學生對罐頭食品安全問題，特別是「膨罐」（swollen can）現象的微生物學成因的理解。膨罐是罐頭食品變質的明顯跡象，通常由特定的微生物引起。

造成罐頭食品膨罐的主要微生物因素是產氣性細菌的生長和繁殖。這些細菌在罐頭的厭氧環境下，透過發酵食品中的碳水化合物或其他有機物質，產生大量的氣體，如二氧化碳 ($CO_2$)、氫氣 ($H_2$)、硫化氫 ($H_2S$) 等。這些氣體積聚在罐頭內部，導致罐壁向外膨脹，即「膨罐」。

引起罐頭膨罐的微生物主要可分為兩大類：

1. 產氣性但非產毒素的細菌：

   • 例： 某些乳酸菌（Lactic acid bacteria, LAB）如 Leuconostoc 屬、Lactobacillus 屬，以及部分腸桿菌科細菌（Enterobacteriaceae）如 Enterobacter 屬、Klebsiella 屬。
   • 特性： 這些細菌在食品加工（如罐頭殺菌）後，如果殺菌不徹底，或是在罐頭密封不良導致有少量氧氣進入後，它們能夠在罐頭內存活並生長。牠們的代謝途徑會產生大量氣體。例如，某些乳酸菌進行異型發酵，產生 $CO_2$、乙醇和有機酸。
   • 影響： 主要造成膨罐，食品可能呈現酸敗、發酵味，但通常不產生致命毒素。

2. 產氣性且能產毒素的細菌：

   • 例： 肉毒桿菌（Clostridium botulinum）的某些菌株（如 E 型和 F 型）以及其他產氣性梭菌（如 *Clostridium perfrin

此題要求解釋四個名詞，並說明其與食品微生物學的關聯性。這四個名詞分別涉及飲料的微生物發酵、食品的預處理、以及兩種重要的殺菌方法。

1. Lager beer (拉格啤酒)

• 解釋： 拉格啤酒是一種底部發酵的啤酒，使用一種稱為 Saccharomyces pastorianus（以前稱為 Saccharomyces carlsbergensis）的酵母在較低的溫度（約 7-15°C）下發酵。其發酵過程較慢，產生的風味較為清爽、乾淨。
• 與食品微生物學的關聯性：
  • 發酵過程： 拉格啤酒的生產是典型的微生物（酵母）發酵過程。酵母將麥芽中的糖分（主要是麥芽糖）轉化為乙醇（酒精）和二氧化碳，同時產生風味物質。
  • 菌種控制： 選擇和控制特定的酵母菌株（S. pastorianus）對於生產出品質穩定、風味符合規範的拉格啤酒至關重要。
  • 雜菌污染： 在釀造過程中，必須嚴格防止其他微生物（如醋酸菌、乳酸菌、野生酵母）的污染，這些雜菌會導致啤酒產生不良風味、混濁，甚至腐敗，影響產品品質。因此，無菌操作和監控是釀造過程的關鍵。

2. Maceration (浸漬/軟化)

• 解釋： 浸漬（Maceration）是指將固體物料（如水果、藥草、組織）浸泡在液體（通常是水、酒精或油）中一段時間，以提取其可溶性成分，或使物料軟化。在食品加工中，常用於提取風味物質、色素，或在某些加工步驟中軟化組織（如製作果醬前的水果預處理）。
• 與食品微生物學的關聯性：
  • 酶促軟化： 在某些情況下，浸漬過程可能伴隨物料自身酶的作用，這些酶會分解細胞壁或細胞結構，導致軟化。
  • 微生物作用： 如果浸漬在非無菌條件下進行，特別是使用水作為溶劑，可能會促進微生物（如黴菌、酵母菌、細菌）的生長。這些微生物可能利用浸漬液中的營養物質，導致物料腐敗、產生異味、甚至產生毒素（如發酵產生酒精導致醋酸菌過度生長）。
  • 提取和純化： 在某些微生物學的實驗或生產過程中，也可能利用浸漬來溶解或提取微生物細胞內的特定成分。

3. Pasteurization (巴氏殺菌)

• 解釋： 巴氏殺菌（Pasteurization）是一種利用相對溫和的加熱處理，將食品（尤其是液體食品）中的致病性微生物和大部分腐敗微生物數量降低，以延長產品保存期，同時盡量減少對食品營養價值和風味的影響。

此題要求解釋六個名詞，並說明其與食品化學的關聯性。這些名詞涵蓋了多醣化學、美拉德反應、天然色素、食品安全（神經學）、蛋白質修飾以及蛋白質結構與功能。

1. Esterification degree of polygalacturonic acid (果膠酸的酯化度)

• 解釋： 果膠酸（Polygalacturonic acid）是果膠（pectin）去甲基化後的產物，主要由 α-(1→4) 鍵連接的 D-半乳糖醛酸（D-galacturonic acid）單元組成。在果膠的結構中，半乳糖醛酸單元的羧基（-COOH）可以與甲醇形成酯鍵（-COOCH₃）。酯化度（Degree of Esterification, DE）是指果膠分子中，半乳糖醛酸單位上被甲基化的羧基所佔的比例。
• 與食品化學的關聯性：
  • 膠凝性質： 酯化度是影響果膠膠凝性質的關鍵因素。
    • 高甲氧基果膠 (HM pectin, DE > 50%)： 在高酸（pH < 3.6）和高糖（> 55%）條件下，透過鈣離子橋聯作用形成凝膠。
    • 低甲氧基果膠 (LM pectin, DE < 50%)： 在較低酸度和低糖的條件下，需要二價陽離子（如 $Ca^{2+}$）與未甲基化的羧基作用，形成鈣離子橋聯來形成凝膠。
  • 食品應用： 不同的酯化度決定了果膠在果醬、果凍、優格、糖果等食品中的應用方式和效果。食品化學家利用控制酯化度來調整食品的質地和穩定性。

2. Occurrence reaction stability of Amadori compound (艾摩里化合物的生成反應穩定性)

• 解釋： 艾摩里化合物（Amadori compound）是美拉德反應（Maillard reaction）的早期中間產物。當還原糖（如葡萄糖、果糖）的羰基與蛋白質或胜肽的游離胺基（如胺基酸的 α-胺基或離胺酸的 ε-胺基）反應，經過一個稱為「重排」的步驟後，形成一個酮胺（ketosamine）結構。例如，葡萄糖與離胺酸反應形成的產物是 N-(1-脫氧-D-果糖基)-L-離胺酸。
• 與食品化學的關聯性：
  • 美拉德反應： 艾摩里化合物是美拉德反應的關鍵步驟，是後續產生褐色色素（類黑素, melanoidins）和各種風味物質（如吡嗪、呋喃等）的基礎。
  • 穩定性與反應性： 艾摩里化合物本身相對穩定，但在加熱、酸性或鹼性條件下，會進一步發生反應，生成更複雜的產物。其「生成反應穩定性」可以理解為指其形成過程的難易程度，以及在特定條件下保持其結構的穩定性。
  • 食品品質： 艾摩里化合物的形成量和隨後的反應，直接影響食品的色澤（如烘焙食品、烤肉的褐色）、風味（如咖啡、可可、烘焙食品的香味）和營養價值（如離胺酸的生物利用度下降）。食品化學家研究其形成條件和穩定性，以控制食品的風味和色澤。

3. Anthocyanidins and anthocyanins (花青素苷元與花青素)

• 解釋：
  • 花青素苷元 (Anthocyanidins)： 是一類黃酮類化合物，其核心結構是 2-苯基苯并吡喃（2-phenylbenzopyrylium）骨架。這是花青素分子的基本結構。
  • 花青素 (Anthocyanins)： 是花青素苷元與一種或多種糖分子（通常是葡萄糖、鼠李糖、阿拉伯糖等）透過糖苷鍵連接形成的糖苷。它們是水溶性色素，在植物中呈現紅色、紫色、藍色。
• 與食品化學的關聯性：
  • 天然色素： 花青素是植物中最重要和最常見的天然水溶性色素之一，廣泛存在於水果（如藍莓、蔓越莓、櫻桃）、蔬菜（如紫甘藍、茄子）和花朵中。
  • 顏色變化： 花青素的顏色受 pH 值影響極大。在酸性條件下呈紅色，在中性時呈紫色，在鹼性時呈藍色甚至綠色，在極鹼性下可能分解。這種 pH 依賴性是食品化學家在調整食品顏色時需要考慮的重要因素。
  • 抗氧化活性： 花青素具有很強的抗氧化能力，能清除自由基，對人體健康有益。這使其成為功能性食品和保健品的潛在成分。
  • 穩定性： 花青素對光、熱、氧氣、金屬離子等較為敏感，易發生褪色。食品化學家研究其穩定性，並開發保護策略（如微膠囊化）以延長其在食品中的應用壽命。

4. Bovine spongiform encephalopathy (BSE) (牛海綿狀腦病)

• 解釋： 牛海綿狀腦病（Bovine Spongiform Encephalopathy, BSE），俗稱「狂牛病」，是一種影響牛的神經系統的致命性傳染性疾病。其特徵是大腦組織出現海綿狀空洞，導致牛隻出現行為異常、運動協調障礙等神經症狀。
• 與食品化學的關聯性：

此題考驗學生對不同食品膠體（gelling agents）成膠機制的理解，以及它們之間的差異。這四種材料（米、果膠、卡拉膠、明膠）成膠的原理和條件各不相同。

1. Rice (米)

• 成膠機制： 米（特別是糯米）中的主要成膠成分是澱粉，尤其是直鏈澱粉（amylose）和支鏈澱粉（amylopectin）。
  • 澱粉糊化 (Starch Gelatinization)： 當米粒（或米粉）在水中加熱時，澱粉顆粒會吸水膨脹，結晶結構破壞，分子鏈（直鏈澱粉和支鏈澱粉）從顆粒中釋放出來，形成黏稠的糊狀物。
  • 澱粉凝膠 (Starch Gelation)： 在冷卻過程中，釋放出的澱粉分子鏈（尤其是直鏈澱粉）會重新排列、締合，形成三維網狀結構，將水分包裹其中，從而形成凝膠。支鏈澱粉的支鏈結構會影響凝膠的彈性和結構。
• 成膠條件： 需要足夠的水分和加熱（糊化過程）。冷卻後形成凝膠。
• 差異： 主要依賴澱粉的糊化和隨後的分子締合，與蛋白質或多醣的聚合機制不同。

2. Pectin (果膠)

• 成膠機制： 果膠是一種由半乳糖醛酸單元組成的酸性多醣。其成膠機制取決於其酯化度（DE）。
  • 高甲氧基果膠 (HM Pectin, DE > 50%)： 在高酸（pH < 3.6）和高糖（> 55%）的條件下，果膠分子之間的羧基 (-COOH) 和甲氧基 (-COOCH₃) 透過氫鍵和疏水作用相互締合，同時糖分子（如蔗糖）起到排除水分的作用，使果膠分子更易接近和締合，形成三維網狀結構。鈣離子在此過程中作用較小。
  • 低甲氧基果膠 (LM Pectin, DE < 50%)： 在較低酸度（pH 3.6-6.0）和低糖的條件下，需要二價陽離子（主要是 $Ca^{2+}$）來連接相鄰的果膠分子。鈣離子會與果膠分子上未甲基化的羧基 (-COO⁻) 結合，形成「鈣離子橋聯」(egg-box model)，將果膠鏈連接起來，形成網狀結構。
• 成膠條件： HM 果膠需要高酸、高糖；LM 果膠需要鈣離子、適當 pH。
• 差異： 果膠成膠是透過分子間的氫鍵、疏水作用（HM）或離子橋聯（LM）形成網狀結構。其成膠機制受其化學結構（酯化度）和環境條件（pH, 糖, 離子）的影響很大。

3. Carrageenan (卡拉膠)

• 成膠機制： 卡拉膠是從紅藻中提取的多醣，主要由重複的半乳糖和脫水半乳糖單元組成，並帶有硫酸基。根據硫酸基的數量和位置，有 κ-（kappa）、ι-（iota）、λ-（lambda）三種類型。
  • κ-卡拉膠： 帶有較少的硫酸基，在有 $K^+$ 離子存在時，分子鏈會形成雙螺旋結構，然後進一步締合形成網狀結構，產生硬脆的凝膠。
  • ι-卡拉膠： 帶有較多的硫酸基，在有 $Ca^{2+}$ 離子存在時，分子鏈也會形成雙螺旋，但由於分子間靜電斥力較大，形成的凝膠較為彈性。
  • λ-卡拉膠： 硫酸基最多，通常不形成凝膠，而是作為增稠劑。
• 成膠條件： 主要依賴於離子（$K^+$ 或 $Ca^{2+}$）的存在，以及溫度。通常是加熱溶解後，冷卻形成凝膠。
• 差異： 與果膠類似，卡拉膠的成膠也依賴離子橋聯（雖然機制是雙螺旋形成後締合），但其基本結構單元和離子種類（$K^+$ 或 $Ca^{2+}$）有所不同。

4. Gelatin (明膠)

• 成膠機制： 明膠（Gelatin）是膠原蛋白（collagen）經過水解處理後得到的蛋白質。其成膠機制是基於蛋白質分子在加熱溶解後，冷卻時發生的分子締合。
  • 熱溶解： 明膠分子在水中加熱時，其三股螺旋結構被破壞，分子伸展並溶解。
  • 分子締合與網狀結構： 在冷卻過程中，伸展的明膠分子鏈之間透過氫鍵、疏水相互作用以及範德華力等非共價鍵重新締合，形成一個三維的網狀結構。