113 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》

本題主要探討穀類食品受微生物汙染的常見情形、汙染途徑以及可能造成的致病原理。

穀類食品微生物汙染情形與致病原理

穀類食品（如米、麵粉、玉米等）在生產、儲存、運輸及消費過程中，都可能受到各種微生物的汙染。這些微生物包含細菌、黴菌和酵母菌。

1. 汙染情形與來源：

   • 田間汙染： 穀物在生長過程中，可能受到土壤、雨水、昆蟲、鳥類等帶來的微生物汙染。
   • 收穫與儲存汙染： 收穫後的穀物若未妥善乾燥、儲存，在高濕度、高溫的環境下，極易滋生黴菌和細菌。儲存設施（如穀倉）若清潔不當，也可能成為汙染源。
   • 加工過程汙染： 穀物的加工過程（如碾米、磨粉、烘焙）中，若設備、水源、操作人員衛生不良，或環境不潔，都可能引入微生物。例如，麵粉在儲存過程中，若環境潮濕，容易發霉。
   • 再汙染： 加工完成的穀類食品（如麵包、餅乾、穀片）在包裝、販售及消費者儲存過程中，若處理不當，也可能再次受到汙染。

2. 常見汙染微生物種類：

   • 細菌： 桿菌（如 Bacillus spp., Clostridium spp.）、球菌（如 Staphylococcus spp.）。
   • 黴菌： 屬絲孢菌綱（Deuteromycetes）的黴菌如 Aspergillus spp., Penicillium spp., Fusarium spp. 等，是穀類儲存中最常見的汙染者，尤其在潮濕條件下。
   • 酵母菌： 某些酵母菌也可能在穀類產品中生長。

3. 致病原理：

   • 直接致病： 某些微生物本身具有致病性，其汙染穀類食品後，若消費者攝取足夠的活菌，可能引起腸胃道感染。例如，某些大腸桿菌（E. coli）或沙門氏菌（Salmonella spp.）可能透過受汙染的穀類或其製品傳播。

本題分為兩部分，第一部分是根據生長溫度對微生物進行分類，第二部分是探討巴斯德殺菌法的限制。

一、依生長溫度對微生物的分類

微生物對溫度的適應能力差異很大，根據其最適生長溫度，可將微生物大致分為以下幾類：

1. 嗜冷菌 (Psychrophiles)：

   • 生長溫度範圍： 最適生長溫度低於 $15^{\circ}\text{C}$，一般可在 $0^{\circ}\text{C}$ 左右生長，最高生長溫度約在 $20^{\circ}\text{C}$ 左右。
   • 食物安全意涵： 這些微生物是冷藏食品（約 $4^{\circ}\text{C}$）中食品劣變的主要原因。

2. 耐冷菌 (Psychrotrophs)：

   • 生長溫度範圍： 最適生長溫度在 $20 \sim 30^{\circ}\text{C}$ 之間，但可在 $0^{\circ}\text{C}$ 以下的低溫環境中緩慢生長。
   • 食物安全意涵： 雖然不是嚴格的嗜冷菌，但它們能在冰箱溫度下生長並引起食品腐敗，是冷藏食品安全的重要考量。許多常見的腐敗細菌和黴菌屬於此類。

3. 嗜溫菌 (Mesophiles)：

   • 生長溫度範圍： 最適生長溫度在 $20 \sim 45^{\circ}\text{C}$ 之間，此範圍涵蓋了大多數細菌和真菌，包括大多數與人類疾病相關的病原菌（如人體體溫約 $37^{\circ}\text{C}$，故人體是許多嗜溫菌的適宜環境）。
   • 食物安全意涵： 這是食品加工和儲存中最需要關注的微生物群體，因為它們在室溫和人體溫度下都能快速生長，導致食品腐敗和產生毒素。

4. 嗜熱菌 (Thermophiles)：

   • 生長溫度範圍： 最適生長溫度高於 $45^{\circ}\text{C}$，有些甚至高達 $80^{\circ}\text{C}$ 以上。
   • 食物安全意涵： 牠們能在高溫處理過程中存活，例如罐頭食品的滅菌過程，如果處理溫度或時間不足，嗜熱菌的孢子可能未能被完全殺滅。

5. 超嗜熱菌 (Hyperthermophiles)：

   • 生長溫度範圍： 最適生長溫度高於 $80^{\circ}\text{C}$，甚至可達

本題探討在食品保存與加工中，為何普遍避免使用抗生物質。

避免在食品中使用抗生物質的原因

抗生物質（Antibiotics）是指由微生物產生，或由化學合成，能抑制或殺滅其他微生物的物質。雖然它們在醫藥上用於治療細菌感染，但在食品領域的使用受到嚴格限制，主要原因如下：

1. 產生抗藥性細菌 (Development of Antibiotic Resistance)：

   • 這是最主要、最嚴重的問題。若將抗生物質廣泛使用於食品動物的飼養（促進生長或預防疾病），或直接用於食品保存，將導致環境中的細菌（包括益生菌、共生菌及病原菌）長期暴露於低濃度的抗生物質下，進而篩選出對該抗生物質具有抗藥性的細菌。
   • 這些抗藥性細菌不僅可能存在於食品中，更可能透過各種途徑（如食物鏈、環境接觸）傳播給人類。一旦人類感染了這些抗藥性細菌，原有的抗生物質將失效，治療將變得極為困難，甚至危及生命。這對全球公共衛生構成重大威脅。

2. 影響食品中的正常菌群和益生菌：

   • 食品中可能含有對人體有益的正常菌群或添加的益生菌（Probiotics）。

本題探討釀酒過程中，製程失誤為何會導致產品變成醋。

釀酒變醋的原因

釀酒的目的是利用酵母菌（Yeast）將糖分（如葡萄糖、果糖）發酵轉化為酒精（乙醇, Ethanol）和二氧化碳。這個過程主要由酵母菌中的酶系統催化，例如：
$\text{Glucose} \xrightarrow{\text{Yeast}} 2 \text{ Ethanol} + 2 \text{ CO}_2$
然而，醋的產生是由另一類微生物—— 醋酸菌（Acetic acid bacteria, AAB）——所催化，它們能在有氧的條件下，將酒精氧化成醋酸（Acetic acid）。這個過程稱為醋酸發酵（Acetic acid fermentation）：
$\text{Ethanol} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{Acetic acid bacteria}} \text{Acetic acid} + \text{H}_2\text{O}$

因此，釀酒過程中製程失誤導致變成醋，其主要原因就是 醋酸菌的汙染與過度繁殖，以及 不當的製程條件 促進了醋酸菌的活性。具體來說：

1. 醋酸菌的汙染：

   • 醋酸菌廣泛存在於空氣、水果表面、發酵容器、設備等環境中。
   • 如果在釀酒過程中，特別是在發酵後期，釀造液（酒）暴露於空氣中（通氣不良或容器未密封），醋酸菌就很容易進入並汙染酒液。

2. 製程條件有利於醋酸菌生長：

   • 有氧條件： 醋酸菌是好氧菌，需要氧氣才能進行醋酸發酵。

本題要求解釋四個名詞，並說明其與食品微生物學的關聯性。

1. Postbiotics (後生元)

• 定義： Postbiotics 是由益生菌（Probiotics）在代謝過程中產生的、對宿主健康有益的非活體（non-viable）的微生物產物或細胞組分。這些產物包括但不限於有機酸、短鏈脂肪酸 (SCFAs)、肽類、多醣、酶、細胞壁組分等。
• 與食品微生物學的關聯性：
  • 益生菌研究的延伸： Postbiotics 是益生菌研究領域的新興熱點。食品微生物學家研究益生菌（如乳酸菌、雙歧桿菌）在發酵食品中的作用，以及它們產生的代謝物。
  • 食品應用： 許多發酵食品（如優格、克菲爾、泡菜）本身就含有豐富的 postbiotics。研究 postbiotics 有助於開發具有特定健康功效的功能性食品，或作為益生菌補充劑的替代品，因為 postbiotics 不存在活菌的儲存和運輸問題，且不易受胃酸破壞。
  • 微生物產物機能： 食品微生物學研究旨在了解各種微生物（包括非致病菌）如何影響食品品質、安全及人類健康。Postbiotics 就是其中一類重要的、有益的微生物產物。

2. Mycotoxin (真菌毒素)

• 定義： Mycotoxin 是由黴菌（Fungi）在生長過程中產生的、對人體或動物具有毒性的代謝產物。
• 與食品微生物學的關聯性：
  • 食品汙染與安全： 這是食品微生物學中一個極為重要的議題。許多常見的黴菌（如 Aspergillus spp., Penicillium spp., Fusarium spp.）能夠汙染穀物、堅果、水果、香料等食品原料，並在儲存或加工過程中產生 mycotoxins。
  • 健康風險： Mycotoxins 具有多種毒性，包括致癌性（如黃麴毒素）、腎毒性（如赭麴毒素 A）、神經毒性、免疫抑制作用等。它們對人體健康構成嚴重威脅，是食品安全監管的重要對象。
  • 檢測與控制： 食品微生物學家致力於研究 mycotoxins 的產生條件、檢測方法（如 HPLC, ELISA），以及預防和去除策略（如控制儲存濕度、溫度，使用拮抗微生物，或開發解毒技術）。
  • 常見例子： 黃麴毒素 (Aflatoxins)、赭麴毒素 A (Ochratoxin A)、伏馬毒素 (Fumonisin)、嘔吐毒素 (Deoxynivalenol, DON)。

3. Vegetative cells (營養細胞)

本題要求從食品化學角度，解釋五種不同食品劣變現象的原因，並提出防止方法。

1. 肉品長期冷凍造成黑褐色變 (Freezer Burn/Oxidation)

• 原因：
  • 冰晶損傷與水分流失： 長期冷凍過程中，肉品中的水分會逐漸昇華（從固態冰直接變成氣態水蒸氣），即使在冷凍狀態下。這個過程稱為「凍燒」（Freezer burn）。水分流失會導致肉品表面乾燥、質地改變。
  • 脂肪氧化： 隨著水分流失，肉品表面的脂肪暴露出來，且組織結構被冰晶破壞，使得脂肪更容易與空氣中的氧氣接觸，發生 氧化反應。脂肪氧化會產生過氧化物，進一步分解產生醛、酮等揮發性物質，這些物質會改變肉品的風味和顏色。
  • 色素變化： 肉品中的肌紅蛋白（Myoglobin）在氧化條件下會轉變為變性肌紅蛋白（Metmyoglobin），此時顏色從鮮紅色變為褐色。雖然冷凍本身主要影響質地和脂肪氧化，但凍燒造成的組織損傷和水分流失，間接加速了氧化和色素的變性，導致肉品顏色變深、變褐色。
• 防止方法：
  • 妥善包裝： 使用密封性良好的包裝材料（如真空包裝、緊密包裹的保鮮膜或冷凍專用袋），盡量排除包裝內的空氣，減少水分昇華和脂肪與氧氣的接觸。
  • 快速冷凍： 採用快速冷凍技術，使冰晶形成細小均勻，減少對細胞組織的破壞。
  • 控制冷凍溫度： 維持穩定的低溫（如 $-18^{\circ}\text{C}$ 以下），避免溫度波動，減少水分昇華。
  • 添加抗氧化劑： 在加工過程中，可以適當添加食品級的抗氧化劑（如維生素 E、維生素 C 的衍生物、迷迭香萃取物等），抑制脂肪氧化。

2. 抗壞血酸錠暴露於空氣中造成黑褐色 (Oxidation of Ascorbic Acid)

• 原因：
  • 抗壞血酸（維生素 C）的氧化： 抗壞血酸（Ascorbic acid）是一種強還原劑，極易被氧化。在有氧氣的環境下，抗壞血酸會被氧化成脫氫抗壞血酸（Dehydroascorbic acid, DHA）。
  • 進一步氧化與褐變： DHA 本身是無色或淡黃色的，但若在適當的 pH 值和溫度下，DHA 會進一步水解並發生複雜的氧化、聚合反應，最終產生一系列有顏色的產物，如糠醛衍生物（furfural derivatives）、類黑素（melanoidins）等，這些產物呈現黃褐色至黑色，導致錠劑變色。
  • 金屬離子催化： 微量金屬離子（如銅、鐵）會顯著催化抗壞血酸的氧化反應，加速褐變過程。
• 防止方法：
  • 密封保存： 將抗壞血酸錠存放在密封的容器中，隔絕空氣。
  • 避光與低溫： 光照和高溫也會加速氧化，應儲存在陰涼、避光處。
  • 添加穩定劑/抗氧化劑： 在錠劑配方中，可以添加輔料來穩定抗壞血酸，如使用其衍生物（如抗壞血酸棕櫚酸酯），或添加其他抗氧化劑。
  • 包裝技術： 使用防潮、避光的包裝材料，如鋁箔泡罩包裝。

3. 釋迦放置於家用冷藏冰箱導致表面產生黑褐色並軟化 (Chilling Injury of Tropical Fruits)

• 原因：
  • 低溫傷害 (Chilling Injury)： 釋迦（Sugar apple）是典型的熱帶水果，其生理機制對低溫非常敏感。當溫度低於其最適生長和儲存溫度（通常高於 $10 \sim 13^{\circ}\text{C}$）時，就會發生低溫傷害。
  • 細胞膜損傷： 低溫會影響細胞膜的流動性和結構完整性，導致膜通透性改變，離子外滲，代謝紊亂。
  • 酶活性改變： 低溫會改變細胞內酶的活性，特別是參與細胞壁降解（如果膠酶、纖維素酶）和酚類化合物氧化（如多酚氧化酶 PPO）的酶。
  • 褐變： 細胞膜損傷導致細胞內酚類化合物（phenolic compounds）與多酚氧化酶（PPO）接觸，發生氧化反應，產生醌類物質，這些醌類物質進一步聚合或與胺基酸反應，形成黑褐色的色素。
  • 軟化： 低溫會加速細胞壁成分（如果膠）的水解，導致組織結構崩解，細胞之間黏合力減弱，表現為果實變軟。
• 防止方法：
  • 避免冷藏： 釋迦應在室溫下儲存，或置於陰涼處。

本題為碳水化合物化學的應用題，涉及醣類的結構、性質與相關酵素作用，需繪製結構式並解釋。

1. 蔗糖非屬還原醣 (Sucrose is a Non-reducing Sugar)

• 原因：

  • 還原醣的定義： 還原醣是指分子中含有游離的半縮醛（hemiacetal）或半酮醛（hemiketal）結構的醣類。這些結構在鹼性溶液中可以開環形成醛基或酮基，進而還原其他物質（如斐林試液、班氏試液）。

  • 蔗糖的結構： 蔗糖（Sucrose）是由葡萄糖（Glucose）和果糖（Fructose）兩個單醣單元透過醣苷鍵（glycosidic bond）連接而成。具體而言，是葡萄糖的 C1 上的半縮醛羥基與果糖的 C2 上的半酮醛羥基形成醣苷鍵。

  • 結構式繪製（Haworth Projection）：

    • 葡萄糖 (α-D-glucopyranose)：

          OH
         / \
        O   CH2OH
       / \ / \
      |   |   |
      OH  OH  OH
      

      (此為簡化示意，實際繪製需注意立體結構)
      在 Haworth 投影中，葡萄糖的 C1 羥基在鍵的右側，且低於環平面。
    • 果糖 (β-D-fructofuranose)：

        CH2OH
       / \
      O   C=O  (此處應為 C 鍵結，但為示意)
      

    / \ /
    | | |
    OH CH2OH OH
    ```
    (此為簡化示意，實際繪製需注意立體結構)
    在 Haworth 投影中，果糖的 C2 羥基（酮基）在鍵的右側，且低於環平面。

    • 蔗糖 (α-D-glucopyranosyl-(1→2)-β-D-fructofuranose)：
      在蔗糖分子中，葡萄糖的 C1（半縮醛碳）與果糖的 C2（半酮醛碳）之間的醣苷鍵形成後，這兩個原本可以開環形成醛基或酮基的碳原子都被醣苷鍵所鎖定，不再有游離的半縮醛或半酮醛結構。

            CH2OH
           /
        O--C--CH2OH
       / \ / \
      |   |   |
      OH  OH  O
           / \
          O   CH2OH
         / \ / \
        |   |   |
        OH  OH  OH
      

      (此為簡化示意，實際繪製需注意兩個環的相對位置及鍵結方式)
      更精確的 Haworth 投影會顯示葡萄糖的吡喃環和果糖的呋喃環，以及 C1-O-C2 的醣苷鍵。

  • 結論： 由於蔗糖分子中沒有游離的半縮醛或半酮醛結構，它不能在鹼性溶液中開環形成醛基或酮基，因此無法還原斐林試液或班氏試液，所以蔗糖不是還原醣。

2. 澱粉與纖維素之構造迴異 (Structural Differences between Starch and Cellulose)

• 共同點： 澱粉（Starch）和纖維素（Cellulose）都是由葡萄糖單元聚合而成的多醣，它們的基本單元都是 D-葡萄糖。
• 結構上的迴異（關鍵在於葡萄糖單元的連接方式）：
  • 澱粉： 澱粉主要由兩種多醣組成：直鏈澱粉（Amylose）和支鏈澱粉（Amylopectin）。
    • 直鏈澱粉： 葡萄糖單元之間主要以 $\alpha-1,4$ 醣苷鍵連接，形成長鏈。
      • 繪製示意 (α-1,4 醣苷鍵)：

        ---[Glc(α1→4)Glc(α1→4)Glc]---
        

        其中 Glc 代表葡萄糖單元。α-1,4 鍵使得葡萄糖鏈呈現螺旋狀結構。
    • 支鏈澱粉： 除了 $\alpha-1,4$ 醣苷鍵外，在約每 24-30 個葡萄糖單元處，還存在 $\alpha-1,6$ 醣苷鍵，形成支鏈結構。
      • 繪製示意 (α-1,6 醣苷鍵)：

             Glc (α1→6)
              ↓
        ---[Glc(α1→4)Glc]---
        

本題為油脂化學的應用題，要求解釋五個油脂指標的意義，並說明如何藉由這些指標判斷油脂的品質。

1. Iodine Value (碘價)

• 意義： 碘價是指每 100 克油脂所能吸收碘（或相當於碘的鹵素）的克數。它主要用於衡量油脂中 不飽和脂肪酸（特別是雙鍵和三鍵）的含量。不飽和脂肪酸的雙鍵和三鍵可以與鹵素發生加成反應。
• 判斷油脂品質優劣：
  • 碘價高： 表示油脂含有較高比例的不飽和脂肪酸（尤其是多不飽和脂肪酸）。這類油脂通常在室溫下呈液態（如大豆油、玉米油、橄欖油），稱為「不乾性油」或「半乾性油」。碘價越高，代表不飽和度越高，但相對地，也越容易氧化變質。
  • 碘價低： 表示油脂含有較高比例的飽和脂肪酸。這類油脂通常在室溫下呈固態或半固態（如豬油、牛油、椰子油），稱為「乾性油」或「不乾性油」。碘價低表示其氧化穩定性相對較好。
  • 品質判斷： 碘價本身不直接代表品質優劣，而是反映油脂的 物理特性 和 化學反應性。例如，用於製作沙拉醬的植物油需要較高的碘價（代表液態），而用於製作人造奶油的油脂則需要經過氫化處理來降低碘價，使其在室溫下呈半固態。對於已氫化或變質的油脂，其碘價會異常（如氫化後碘價降低，氧化變質後碘價可能因雙鍵斷裂而降低，但同時會產生其他指標異常）。

2. Saponification Value (皂化價)

• 意義： 皂化價是指皂化 1 克油脂（即與氫氧化鉀反應完全水解成脂肪酸鹽和甘油）所需的氫氧化鉀（KOH）毫克數。它主要用於衡量油脂中 脂肪酸的平均分子量。
• 判斷油脂品質優劣：
  • 皂化價高： 表示油脂中含有較多 短鏈脂肪酸（分子量較小）的甘油酯。例如，奶油、椰子油、棕櫚仁油含有較多短鏈脂肪酸，其皂化價相對較高。
  • 皂化價低： 表示油脂中含有較多 長鏈脂肪酸（分子量較大）的甘油酯。例如，大豆油、橄欖油、魚油等含有較多長鏈脂肪酸，其皂化價相對較低。
  • 品質判斷： 皂化價是鑑定油脂種類的重要指標，可以幫助判斷油脂是否摻偽。例如，若一種聲稱是長鏈脂肪酸的油脂，其皂化價卻很高，則可能摻有短鏈脂肪酸的油脂。它也與油脂的加工性質有關，如用於製造肥皂。皂化價本身不直接反映油脂的氧化程度或新鮮度，但異常的皂化價可能暗示油脂的來源或加工過程有問題。

3. Free Fatty Acids (FFAs) / Acid Value (酸價)

• 意義：
  • FFAs (游離脂肪酸)： 是指油脂中未與甘油結合，以游離狀態存在的脂肪酸。
  • Acid Value (酸價)： 是指皂化 1 克油脂所需的游離脂肪酸，用標準氫氧化鉀溶液滴定所需的毫克數來表示。它代表油脂中游離脂肪酸的總量。
• 判斷油脂品質優劣：
  • 酸價高： 表示油脂中的 游離脂肪酸含量高。這通常是油脂 水解變質 的結果。在儲存過程中，由於水分、高溫、微生物作用等因素，甘油酯會水解，釋放出游離脂肪酸。
  • 品質判斷：
    • 新鮮度指標： 酸價是判斷油脂新鮮度最常用的指標之一。新鮮、品質好的油脂，酸價應非常低（接近於零）。