112 年 國立臺灣大學農業化學系碩士班丙組《食品化學與加工》

此題主要考察不同食品在乾燥過程中應選擇的乾燥方法及其原理。乾燥的目的是去除食品中的水分，以抑制微生物生長、延緩化學反應，從而延長保存期限。選擇何種乾燥方法需考量食品的物性（如含水量、熱穩定性、質地）、目標產品的品質要求（如顏色、風味、營養成分保留）以及經濟效益。

(a) 牛奶粉（嬰兒配方奶粉）

• 適合的乾燥方法： 噴霧乾燥 (Spray drying)。
• 原理： 將液態的濃縮牛奶溶液（或懸浮液）在熱空氣流中霧化成微小的液滴，液滴迅速蒸發水分，形成細小的粉末。
• 選擇原因：
  1. 熱敏感性： 牛奶中的蛋白質和脂肪對高溫較敏感，噴霧乾燥能在較短的時間內完成水分去除，減少熱損傷，有助於保留營養成分和風味。
  2. 均勻細小的粉末： 噴霧乾燥能得到粒徑均勻、流動性好的細粉，易於溶解和沖調，符合嬰兒配方奶粉的沖調需求。
  3. 大規模生產： 噴霧乾燥是大規模工業化生產粉末食品的常用且高效的方法。

(b) 蔓越莓乾（果乾零食）

• 適合的乾燥方法： 熱風乾燥 (Hot air drying) 或凍乾 (Freeze drying)。
• 原理：
  • 熱風乾燥： 在一定溫度和濕度條件下，通過熱空氣的對流來帶走食品中的水分。
  • 凍乾： 先將食品凍結，然後在真空下使冰直接昇華為水蒸氣。
• 選擇原因：
  • 熱風乾燥：
    1. 成本效益： 相對凍乾，熱風乾燥成本較低，適合大規模生產。
    2. 質地改變： 熱風乾燥會導致蔓越莓質地變軟、收縮，但對於作為零食的蔓越莓乾，這種質地是可以接受的。
    3. 顏色與風味： 適當的溫度控制可以盡量保留蔓越莓的顏色和風味。
  • 凍乾：
    1. 高品質保留： 凍乾能最大程度地保留蔓越莓的顏色、風味、營養成分和原始的膨脹結構，質地酥脆，復水性好。
    2. 成本考量： 凍乾成本較高，通常用於對品質要求極高的產品。
  • 綜合考量： 如果目標是作為休閒零食，且考量成本，熱風乾燥是常見選擇；若追求最高品質、色澤和口感，凍乾是更優的選擇。

(c) 米粉（即食早餐穀物飲品用）

• 適合的乾燥方法： 滾筒乾燥 (Drum drying) 或噴霧乾燥 (Spray drying，若經過糊化處理)。
• 原理：

此題主要考察食品包裝的幾種進階技術：氣調包裝（兩種類型）、活性包裝和智能包裝。這些技術旨在通過改變包裝內部的環境或賦予包裝特殊功能，來延長食品的貨架期、保持食品品質或提供額外的資訊。

(a) 氣體調整包裝 (Modified Atmosphere Packaging, MAP)

• 定義： 在包裝內部移除或替換原有的空氣（主要是氧氣和二氧化碳），並充入一種或多種特定比例的氣體（如氮氣、二氧化碳、少量氧氣），以延緩食品的品質劣變（如氧化、微生物生長）。氣體比例在包裝過程中設定，但在儲存期間會隨食品呼吸作用及氣體滲透而緩慢變化。
• 實際範例： 預包裝的生鮮肉品。為了抑制好氧菌生長和延緩氧化，通常會移除空氣，充入高濃度的二氧化碳（CO₂）和氮氣（N₂），有時會加入少量氧氣（O₂）以維持肉品鮮紅色澤（如牛排）。

(b) 控制氣體包裝 (Controlled Atmosphere Packaging, CAP)

• 定義： 與 MAP 類似，也是在包裝內控制氣體成分，但 CAP 通常指在儲存環境（如儲存室、貨櫃）中，通過設備持續監測和精確調節氣體比例（如降低氧氣、提高二氧化碳），以達到最優的保鮮效果。MAP 則主要指包裝內部的氣體成分，其變化是動態的、非持續精確控制的。CAP 更強調對儲存環境氣體成分的精密長期控制。
• 實際範例： 蘋果在低溫、低氧氣（約 2-3% O₂）和高二氧化碳（約 1-2% CO₂）的儲存環境中長期保鮮。這種環境是通過密閉儲藏室和氣體調節系統來維持的。

此題主要考察幾種常見的食品添加劑或成分的化學結構及其應用。這些物質多為碳水化合物的衍生物，在食品工業中扮演著甜味劑、甜味劑載體、乳化劑、穩定劑等角色。

(a) 蔗糖素 (Sucralose, 4,1',6'-trichlorogalactosucrose)

• 化學結構： 蔗糖素是蔗糖的衍生物，在蔗糖的葡萄糖單元上的 4 位羥基被氯原子取代，在果糖單元的 1' 和 6' 位羥基也被氯原子取代。其基本結構是將蔗糖的兩個單糖單元（葡萄糖和果糖）以 α-1,2 糖苷鍵連接，然後進行選擇性氯化。
  • 結構圖： （請想像一個蔗糖的結構，其中葡萄糖單元的 C4-OH 被 Cl 取代，果糖單元的 C1'-OH 和 C6'-OH 被 Cl 取代。）
  • LaTeX 表示： 結構複雜，不易用 LaTeX 簡易表示，通常以圖示呈現。其基本骨架為葡萄糖-果糖。
• 潛在應用：
  1. 高強度甜味劑： 甜度約為蔗糖的 600 倍，幾乎無熱量，且不易被代謝，因此被廣泛用於製作低熱量或無糖食品、飲料、糖果、烘焙產品等。
  2. 穩定性： 在較寬的 pH 範圍內和高溫下（如烘焙）都相對穩定，這使其應用範圍比其他一些甜味劑更廣。

(b) 木糖醇 (Xylitol)

• 化學結構： 木糖醇是一種五碳糖醇（一種多元醇），化學式為 $C_5H_{12}O_5$。它是木糖（一種五碳醛糖）的還原產物。結構上，它是一個線性五碳鏈，每個碳原子上都連接一個羥基。
  • LaTeX 表示： $HOCH_2-(CHOH)_3-CH_2OH$
• 潛在應用：
  1. 甜味劑： 甜度約為蔗糖的 1 倍，熱量約為蔗糖的一半，口感清涼。
  2. 防蛀牙劑： 木糖醇不易被口腔細菌代謝產生酸，反而可能抑制某些致齲菌（如鏈球菌）的生長，因此常用於無糖口香糖、糖果、牙膏、漱口水等口腔護理產品。
  3. 其他： 也可用於糖尿病患者食品、醫藥品等。

(c) β-環糊精 (β-cyclodextrin)

• 化學結構： 環糊精是由葡萄糖單元通過 α-1,4 糖苷鍵連接而成的環狀寡糖。β-環糊精由 7 個葡萄糖單元組成，形成一個截頭圓錐體狀的分子。其外圍是親水的羥基，內部空腔則是相對疏水的。
  • LaTeX 表示： 結構複雜，通常以圖示表示一個環狀的七個葡萄糖單元結構。
• 潛在應用：

此題主要考察小麥麵團流變學的基礎知識，特別是麵筋蛋白的作用以及 Extensograph 的應用。

(a) 小麥麵筋蛋白的胺基酸組成、結構與功能

• 核心觀念： 麵筋蛋白（Gluten proteins）是賦予小麥麵團獨特流變特性的關鍵成分，主要由醇溶蛋白（Gliadins）和麥穀蛋白（Glutenins）組成。它們的結構特徵決定了麵團的延展性和彈性。
• 胺基酸組成：
  • 高含量： 麩胺酸（Glutamic acid）、脯胺酸（Proline）、甘胺酸（Glycine）和半胱胺酸（Cysteine）的含量相對較高。
  • 特點： 由於脯胺酸的側鏈是環狀的，會引起蛋白質鏈的彎曲和扭結；麩胺酸的含量高，其側鏈上的羧基在適當 pH 下帶負電，可能影響蛋白質間的靜電排斥或吸引。
  • 半胱胺酸： 這是最關鍵的胺基酸之一。它在麵團形成過程中，在氧化劑（如抗壞血酸）或酶的作用下，可以形成二硫鍵（-S-S-）來連接不同的蛋白質鏈。
• 結構：
  • 醇溶蛋白 (Gliadins)： 屬於單體蛋白，分子較小，可溶於醇。它們主要通過分子內氫鍵、疏水鍵和靜電作用形成相對鬆散的結構。它們主要貢獻麵團的延展性 (extensibility)。
  • 麥穀蛋白 (Glutenins)： 屬於聚合蛋白，分子量大，不溶於醇，但可溶於稀酸或稀鹼。它們由亞基（subunits）組成，這些亞基通過二硫鍵（-S-S-）和疏水鍵連接形成大的聚合網絡。麥穀蛋白的聚合度（即分子量和二硫鍵的數量）決定了麵團的彈性 (elasticity) 和強度。高分子量的麥穀蛋白對彈性貢獻最大。
• 功能：
  1. 形成麵筋網絡： 在加水和揉麵的過程中，醇溶蛋白和麥穀蛋白在水的作用下發生水合，並在機械力（揉麵）作用下，通過二硫鍵（主要由麥穀蛋白貢獻）和氫鍵、疏水鍵相互連接，形成一個三維的連續網絡結構，即麵筋網絡。
  2. 賦予麵團流變特性：
     • 彈性 (Elasticity)： 來自麥穀蛋白通過二硫鍵連接形成的高分子量網絡，能抵抗變形並在去除應力後恢復原狀。
     • 延展性 (Extensibility)： 來自醇溶蛋白的鬆散結構，允許麵團在拉伸時延展而不易斷裂。
  3. 保氣性 (Gas retention)： 麵筋網絡能捕捉發酵過程中酵母產生的二氧化碳氣體，使麵團膨脹，形成麵包的結構。

(b) Extensography (麵團拉伸儀) 如何預測發酵過程中麵團的流變性

• 核心觀念： Extensograph 是一種用於測定麵團流變性質的儀器，特別關注麵團在拉伸過程中的力學響應，能評估麵團的延展性、彈性、穩定性以及抵抗變形的能力，這些都與發酵過程中的麵團行為密切相關。
• 測量原理與發酵預測：

此題主要考察小麥蛋白（麵筋）與大豆蛋白在結構和特性上的差異，解釋為何小麥蛋白可以通過水洗法（澱粉洗離法）被分離和回收，而大豆蛋白則不能。

核心觀念： 小麥蛋白（麵筋）的獨特性在於其在水中能形成連續、彈性的三維網絡結構，而大豆蛋白則不具備此特性。

原因分析：

1. 小麥蛋白 (麵筋) 的特性：
   • 成分： 小麥麵粉含有約 7-15% 的蛋白質，其中約 80% 是麵筋蛋白，主要包括醇溶蛋白 (Gliadins) 和麥穀蛋白 (Glutenins)。
   • 形成網絡： 在加水和揉麵的過程中，這些蛋白質會水合，並通過分子間的氫鍵、疏水鍵和二硫鍵 (-S-S-) 相互連接，形成一個連續、彈性且具有延展性的三維網絡結構——麵筋網絡。
   • 水不溶性 (相對)： 雖然麵筋蛋白是親水的，但形成的麵筋網絡在水中具有一定的結構穩定性，不易完全溶解或分散。
   • 澱粉洗離： 當麵團在流動的清水中反覆揉洗時，水溶性的澱粉、可溶性糖類、礦物質以及部分水溶性蛋白質（如白蛋白、球蛋白）會被洗脫下來。而形成的麵筋網絡因為其結構的彈性和不溶性，會被保留下來。通過這種方式，可以將麵筋（小麥蛋白）與澱粉等其他成分分離，從而回收麵筋。

此題考察油脂的穩定性及其影響因素，並對比兩種高油酸食用油——苦茶油和橄欖油。

1. 油脂的穩定性 (Oil Stability) 是什麼？

• 定義： 油脂的穩定性是指油脂抵抗氧化劣變（酸敗）的能力。氧化是油脂在接觸氧氣、光、熱、金屬離子或某些酶的作用下，發生自由基連鎖反應，生成過氧化物、醛、酮、酸等，導致油脂產生不良氣味（哈喇味）、顏色改變、營養價值下降、甚至產生有害物質的過程。
• 穩定性越高，代表： 油脂越不容易發生氧化，其貨架期越長，品質越穩定。

2. 苦茶油與橄欖油在穩定性上存在差異的可能原因：

雖然兩者都屬於高油酸食用油（主要脂肪酸是油酸，單元不飽和脂肪酸），單元不飽和脂肪酸比多元不飽和脂肪酸更穩定，但它們的穩定性仍有差異。這差異主要源於除了脂肪酸組成外，還受到其他非甘油三酯成分的影響。

• 脂肪酸組成細節 (Beyond just oleic acid)：

  • 多元不飽和脂肪酸 (PUFA) 的含量： 雖然兩者都以油酸為主，但如果其中一種油的亞油酸 (Linoleic acid, 18:2, PUFA) 或 α-亞麻酸 (α-Linolenic acid, 18:3, PUFA) 的含量相對較高，則其穩定性會顯著降低。PUFA 的雙鍵對氧化非常敏感。
  • 飽和脂肪酸 (SFA) 的含量： 飽和脂肪酸相對穩定，但含量不高。

• 天然抗氧化劑的種類與含量： 這是造成差異的最主要原因之一。

  • 橄欖油 (Olive Oil)： 特別是特級初榨橄欖油 (Extra Virgin Olive Oil, EVOO)，含有豐富的多酚類化合物 (Polyphenols)，如羥基酪醇 (hydroxy

此題主要考察植物提取物中總酚類化合物的測定方法。總酚類測定通常採用比色法，其中 Folin-Ciocalteu 試劑法 (Folin-Ciocalteu assay) 是最常用和經典的方法。

1. 總酚類含量測定原理 (Principle of Measurement)

• 方法： Folin-Ciocalteu (FC) 試劑法。
• 原理： Folin-Ciocalteu 試劑是一種複合的磷鎢酸-磷鉬酸（Phosphotungstic-phosphomolybdic acid）試劑。在鹼性條件下，植物提取物中的酚類化合物（含有酚羥基）會將 FC 試劑中的鎢酸鹽 ($W^{6+}$) 和鉬酸鹽 ($Mo^{6+}$) 還原成藍色的鎢藍和鉬藍。
  • 酚羥基上的氫原子被釋放，將 FC 試劑的雜多酸離子還原。
  • 在強鹼性條件下（如加入碳酸鈉溶液），酚羥基上的質子被奪取，促進了還原反應。
  • 生成的藍色產物在特定波長（通常為 760 nm 或 650-700 nm 之間，取決於具體方法）下有強烈吸收。
• 定量基礎： 產生的藍色深淺與提取物中酚類化合物的總量成正比。通過測量溶液在特定波長下的吸光度 (Absorbance)，並與已知濃度的標準品（通常是沒食子酸 Gallic acid）進行比較，可以計算出提取物中總酚類的含量。

2. 測定步驟與計算 (Measurement and Calculation)

步驟：

1. 樣品製備：

   • 準備植物提取物樣品。若為固體，需溶解在合適的溶劑（如水、乙醇、甲醇）中，製備成一定濃度的溶液。
   • 準備標準品溶液：配製一系列已知濃度的沒食子酸標準溶液（例如 0, 50, 100, 150, 200, 250 mg/L）。

2. 反應體系建立：

   • 在試管或比色皿中，加入一定量的樣品溶液（或標準品溶液）。
   • 加入 Folin-Ciocalteu 試劑（通常稀釋後使用）。
   • 在室溫下避光反應一段時間（例如 5-10 分鐘），使酚類物質與 FC 試劑發生反應。
   • 加入足量的鹼性溶液（如 20% 碳酸鈉溶液 $Na_2CO_3$）以調節 pH 至強鹼性，並同時作為顯色劑。
   • 在室溫下避光反應一段時間（例如 30 分鐘或 1 小時），使顏色充分顯現。

3. 吸光度測定：

   • 使用分光光度計 (Spectrophotometer)。
   • 在選定的最大吸收波長（如 760 nm）下，以空白對照組（不含樣品，僅含溶劑、試劑和鹼液）校準儀器。
   • 分別測量各個標準品溶液和樣品溶液的吸光度 (A)。

計算 (Calculation)：

1. 建立標準曲線：

   • 以標準品濃度 (mg/L) 為橫坐標 (X 軸)，對應的吸光度 (A) 為縱坐標 (Y 軸)，繪製標準曲線圖。
   • 進行線性迴歸分析，得到標準曲線方程 $y = mx + c$（其中 $y$ 是吸光度，$x$ 是濃度，$m$ 是斜率，$c$ 是截距）。同時記錄相關係數 $R^2$（通常要求 $R^2 > 0.99$）。

2. 計算樣品中總酚類含量：

   • 將樣品溶液測得的吸光度值 (A_sample) 代入標準曲線方程中，計算出樣品溶液的總酚類濃度 (C_sample, mg/L)。
     $C_{sample} (mg/L) = (A_{sample} - c) / m$

此題主要考察幾種常見有機化合物的化學結構繪製。這些化合物在食品科學和生物化學中都扮演著重要角色。

繪製化學結構：

(a) 乙醇 (Ethanol)

• 化學式： $C_2H_5OH$
• 結構： 一個乙基（-CH₂CH₃）連接一個羥基（-OH）。
• 結構圖：

    H   H
    |   |
  H-C---C---O-H
    |   |
    H   H
  

  或簡寫為 $CH_3CH_2OH$

(b) 纈胺酸 (Valine)

• 類別： 必需胺基酸，屬於疏水性胺基酸。
• 結構： 胺基酸的基本結構是含有一個胺基 (-NH₂) 和一個羧基 (-COOH) 連接在同一個 α-碳原子上。纈胺酸的 R 基團是異丙基（-CH(CH₃)₂）。
• 結構圖：

        CH₃
        |
  H₂N---C---COOH
        |
        CH(CH₃)₂
  

  或寫成：

        CH(CH₃)₂
        |
  H₂N---CH---COOH
  

  （注意：α-碳是連接胺基、羧基、氫原子和 R 基團的碳原子）

(c) 丙酮酸 (Pyruvate)

• 類別： α-酮酸，是糖酵解的終產物，也是三羧酸循環的起始物。
• 化學式： $C_3H_4O_3$
• 結構： 一個三個碳的鏈，中間的碳原子（α-碳）上連接一個酮基 (=O)，同時與羧基 (-COOH) 相鄰。
• 結構圖：

    O
    ||
  CH₃-C---COOH