113 年 國立臺灣大學農業化學系碩士班丙組《食品化學與加工》

本題主要在測試學生對於食品中幾個重要物理化學參數的理解。

1. 水分含量 (Moisture Content, MC)
水分含量是指食品中水分所佔的質量百分比。它是評估食品水活度、穩定性及加工處理的基礎指標。
定義：
$MC = \frac{\text{濕重} - \text{乾重}}{\text{濕重}} \times 100\%$
或
$MC = \frac{\text{水分質量}}{\text{食品總質量}} \times 100\%$

2. 水活度 (Water Activity, $a_w$)
水活度是指食品中自由水與純水的蒸汽壓比值，它反映了水中可供微生物生長、酵素作用及化學反應的有效水分量。
定義：

本題考驗學生對乾燥過程中水分含量、水活度與玻璃轉化溫度隨時間變化的理解。

在乾燥過程中，水分含量 (MC) 和水活度 ($a_w$) 會隨著時間的增加而逐漸降低，直到達到平衡。玻璃轉化溫度 ($T_g$) 的變化則與食品中固體成分的濃縮有關。

1. 水分含量 (MC) vs. 時間 (Time)

• 初期： 隨著熱風的吹拂，表層水分蒸發，MC 快速下降。
• 中期： 內部水分向表面擴散的速率開始成為限制因素，MC 下降速率減緩。
• 後期： MC 持續緩慢下降，最終趨近於乾燥機的平衡水分含量。
• 圖形： 呈現一個S型曲線（或稱為乾燥曲線），初期下降快，中期下降緩慢，後期又稍快一些然後趨於平台。

2. 水活度 ($a_w$) vs. 時間 (Time)

• $a_w$ 與 MC 呈現高度相關性。隨著 MC 的降低，自由水減少，水活度也會跟著降低。
• 初期： 隨著水分蒸發，$a_w$ 快速下降。
• 中期： $a_w$ 下降速率減緩。
• 後期： $a_w$ 持續下降，最終達到一個較低的值（通常低於 0.6，以抑制微生物生長）。

本題主要探討在乾燥過程中，如何抑制或防止芒果果肉褐變。芒果褐變主要與多酚氧化酶 (Polyphenol Oxidase, PPO) 的活性以及酚類化合物的氧化有關。

防止芒果褐變的方法：

1. 酵素鈍化 (Enzyme Inactivation)：

   • 熱處理： 在乾燥前進行短時間的熱處理，如熱水燙 (blanching) 或蒸煮，可以使 PPO 酵素失活。溫度和時間的選擇是關鍵，需足夠使酵素鈍化但又不至於過度破壞芒果的質地和營養。
   • 高壓處理： 某些高壓處理也能有效鈍化酵素。

2. 抑制 PPO 活性：

   • pH 值調整： PPO 在酸性條件下活性較低。可以在處理前將芒果浸泡在檸檬酸等酸性溶液中。
   • 還原劑處理： 使用抗壞血酸 (Ascorbic acid, 維生素 C) 或其衍生物。抗壞血酸是強力的還原劑，能與氧氣競爭，優先被氧化，從而保護酚類化合物不被氧化；

本題主要探討乾燥芒果在儲存期間，如何透過包裝材料與技術來維持其品質。乾燥芒果的品質劣變原因包括吸濕回潮、氧化、酵素/微生物作用（雖然低水分可抑制，但並非完全停止）、以及風味物質的流失或產生。

包裝材料的選擇：

1. 阻隔性材料 (Barrier Materials)：

   • 氧氣阻隔性： 選擇對氧氣阻隔性好的材料，如：
     • 多層複合膜 (Multilayer films)： 結合不同材料的優點，例如 PET (聚對苯二甲酸乙二酯)/AL (鋁箔)/PE (聚乙烯) 或 PET/VMPET (真空鍍鋁聚酯)/PE。鋁箔是極佳的氧氣和光線阻隔層。
     • 高阻隔性塑膠： 如 EVOH (乙烯-乙烯醇共聚物) 或 PVDC (聚偏二氯乙烯) 塗層的薄膜，但需注意其對濕氣的敏感性。
   • 水蒸氣阻隔性： 選擇對水蒸氣阻隔性好的材料，防止外部濕氣進入，避免產品吸濕回潮、結塊、脆度下降、甚至可能引發微生物生長。
     • 鋁箔 (Aluminum foil)： 具有極佳的水蒸氣阻隔性。
     • 高阻隔性塑膠： 如 PE、PP (聚丙烯) 作為內層，提供熱封性，並與高阻隔外層結合。
   • 光線阻隔性： 如果芒果容易因光照而變色或產生不良風味，則需使用不透明或具光線阻隔性的材料，如鋁箔或深色塑膠。

2. 食品級安全材料： 確保所選的包裝材料符合食品接觸安全標準。

包裝技術的選擇：

1. 真空包裝 (Vacuum Packaging)：
   • 原理： 移除包裝袋內的空氣，降低氧氣濃度。
   • 優點： 有效延緩氧化作用，抑制好氧性微生物生長，並可減少因內部壓力而造成的產品壓碎。
   • 適用性： 對於乾燥芒果非常有效。

本題考驗對「還原醣」和「糖醇」這兩個重要碳水化合物概念的定義。

1. 還原醣 (Reducing Sugar)
還原醣是指其分子中含有游離的半縮醛基 (hemiacetal group) 或半酮基 (hemiketal group) 的醣類。這些半縮醛基或半酮基在鹼性溶液中可以開環形成醛基或酮基，進而能夠還原某些氧化劑（如斐林試液、班氏試液、高錳酸鉀等），故稱為還原醣。

• 結構特徵：
  • 單醣（如葡萄糖、果糖、半乳糖）不論是醛醣或酮醣，在溶液中皆能形成半縮醛/半酮結構，並可開環成醛/酮，因此所有單醣均為還原醣。
  • 寡醣和多醣若有游離的還原端（即構成單位的半縮醛/半酮基未與其他單元反應），則也屬於還原醣。例如，麥芽糖是由兩個葡萄糖單元組成，其一個葡萄糖單元的半縮醛基是游離的，因此麥芽糖是還原醣。蔗糖（由葡萄糖和果糖組成）的半縮醛基和半酮基都參與了糖苷鍵的形成，沒有游離的還原端，因此蔗糖不是還原醣。

本題要求辨識五種碳水化合物的結構，命名，並判斷其為還原醣或糖醇。若為還原醣，則需圈出其還原端。

核心觀念：

• 還原醣： 分子中必須有游離的半縮醛基或半酮基。在線性結構中，半縮醛基的碳原子（與一個氧原子和一個羥基相連，同時也是醣苷鍵的形成點）或半酮基的碳原子（與兩個氧原子相連，同時也是醣苷鍵的形成點）若未參與形成醣苷鍵，則為還原端。
• 糖醇： 分子中醛基 (-CHO) 或酮基 (C=O) 被還原成羥甲基 (-CH2OH)。
• 命名： 根據碳原子數、羥基位置、環狀結構等來命名。

逐一分析：

(a)

• 結構圖示： 這是葡萄糖 (Glucose) 的線性結構。
• 判斷： 分子末端的醛基 (-CHO) 在鹼性溶液中可以開環形成半縮醛結構，因此具有還原性。
• 分類： 還原醣。
• 還原端： 位於分子最右側的碳原子，其上的醛基（在線性結構中，或在開環後形成的醛基）是還原端。在圖示中，最右側的碳原子（C1）是醛基碳，可以開環成半縮醛，因此是還原端。
• 名稱： 葡萄糖 (Glucose)

(b)

• 結構圖示： 這是果糖 (Fructose) 的線性結構。
• 判斷： 分子 C2 位置的酮基 (C=O) 在鹼性溶液中可以開環形成半酮結構，因此具有還原性。
• 分類： 還原醣。
• 還原端： 位於分子 C2 位置的酮基碳原子（在線性結構中，或在開環後形成的酮基）是還原端。
• 名稱： 果糖 (Fructose)

(c)

• 結構圖示： 這是葡萄糖 (Glucose) 的吡喃環結構（六員環）。
• 判斷： 吡喃環結構中的 C1 碳原子（其上有一個羥基，且與環上的氧原子相連）是半縮醛碳。這個半縮醛碳上的羥基可以解離，使環打開，重新形成線性結構中的醛基，從而表現出還原性。
• 分類： 還原醣。

本題考驗學生對豆類 (legumes) 和穀類 (cereals) 中常見的限制胺基酸以及抗營養因子/毒性物質的知識。

1. 豆類 (Legumes) 的限制胺基酸與抗營養因子/毒性物質：

• 限制胺基酸 (Limiting Amino Acids)：
  豆類蛋白質的胺基酸組成相較於動物性蛋白質，通常富含離胺酸 (Lysine)，但缺乏含硫胺基酸 (Sulfur-containing amino acids)，如甲硫胺酸 (Methionine) 和半胱胺酸 (Cysteine)。因此，在豆類中，甲硫胺酸和半胱胺酸是主要的限制胺基酸。

• 抗營養因子/毒性物質 (Anti-nutritional Factors/Toxic Substances)：

  • 植物凝集素 (Lectins)： 又稱植物血球凝集素，能與腸道上皮細胞的醣類結合，影響營養吸收，引起腸道損傷。
  • 胰蛋白酶抑制劑 (Trypsin Inhibitors)： 抑制胰蛋白酶的活性，影響蛋白質消化吸收。
  • 植酸 (Phytic Acid)： 植酸根 (phytate) 能與多價金屬離子（如鈣 Ca, 鐵 Fe, 鋅 Zn, 鎂 Mg）形成不溶性複合物，降低這些礦物質的生物利用度。
  • 酚類化合物 (Phenolic Compounds)： 包括單寧 (tannins) 等，可能與蛋白質結合，降低蛋白質消化率，並影響鐵質吸收。
  • 草酸鹽 (Oxalates)： 可能與鈣結合，影響鈣的吸收。
  • 皂苷 (Saponins)： 可能引起消化道不適，並影響某些營養素的吸收。

本題詢問如何改善穀類和豆製品（特別是黃豆製品）的蛋白質品質，以供給素食者。蛋白質品質主要由胺基酸組成（特別是限制胺基酸的含量）及消化率決定。

改善蛋白質品質的策略：

1. 蛋白質互補 (Protein Complementation)：

   • 原理： 結合兩種或多種蛋白質來源，其限制胺基酸不同，可以互相補充。
   • 穀類與豆類組合： 這是最經典的組合。穀類（如米飯、麵包、玉米）富含甲硫胺酸 (Methionine) 和半胱胺酸 (Cysteine)，但缺乏離胺酸 (Lysine)。豆類（如黃豆、扁豆）則富含離胺酸，但缺乏甲硫胺酸。將兩者結合食用，可以獲得更接近人體需求的完整胺基酸譜。
   • 範例： 米飯配豆漿，玉米餅配豆泥，麵包配花生醬。

2. 蛋白質濃縮與分離 (Protein Concentration and Isolation)：

   • 原理： 通過物理（如研磨、篩分）或化學（如沉澱、萃取）方法，提高蛋白質的含量，並可能去除部分抗營養因子或影響消化的成分。
   • 黃豆製品： 豆腐、豆漿、濃縮黃豆蛋白 (Soy Protein Concentrate, SPC)、分離黃豆蛋白 (Soy Protein Isolate, SPI) 等，其蛋白質含量和品質通常優於未加工的黃豆。SPI 的胺基酸組成更完整，離胺酸含量高，且抗營養因子含量極低。

本題詢問如何透過加工處理來降低豆類和穀類中的抗營養因子和毒性物質，以提高其在食品中的利用性。

降低抗營養因子/毒性物質的常用方法：

1. 熱處理 (Heat Treatment)：

   • 原理： 高溫能使許多蛋白質性質變性，包括許多抗營養因子（如胰蛋白酶抑制劑、植物凝集素、尿素酶）以及某些毒性物質。
   • 方法：
     • 烹煮 (Boiling)： 煮沸是家庭中最常用的方法，能有效破壞大部分抗營養因子。
     • 蒸煮 (Steaming)： 類似於煮沸，也能達到類似效果。
     • 烘烤 (Baking)： 在烘焙過程中，高溫也能降低部分抗營養因子。
     • 油炸 (Frying)： 高溫油炸也能降低抗營養因子。
   • 注意事項： 某些抗營養因子（如胰蛋白酶抑制劑）需要特定的溫度和濕度條件才能有效鈍化。過度熱處理可能導致蛋白質變性，影響營養價值。

2. 浸泡 (Soaking)：

   • 原理： 用水浸泡豆類或穀類，可以溶解並溶出水溶性的抗營養因子（如植酸、單寧、寡糖），並有助於後續的烹煮。
   • 方法： 在清水中浸泡數小時至過夜，並更換浸泡水。
   • 優點： 尤其對降低植酸含量有效。

3. 發芽 (Germination / Sprouting)：

   • 原理： 穀物或豆類發芽過程中，內源性的酵素（如植酸酶 phytase）會被活化，分解植酸，從而提高礦物質的生物利用度。同時，發芽過程也可能降低其他抗營養因子。

本題主要探討「高品質蛋白質」的定義以及評估蛋白質品質的常用方法。

1. 高品質蛋白質 (High-Quality Protein) 的定義：

高品質蛋白質是指其胺基酸組成與人體需求非常接近，並且易於消化吸收的蛋白質。其關鍵特徵包括：

• 胺基酸譜完整且比例適當： 含有所有九種人體必需胺基酸 (Essential Amino Acids, EAAs)，且其比例與人體需求模式（例如 WHO/FAO 的參考模式）相符。
• 限制胺基酸含量高： 缺乏任何一種必需胺基酸都會限制蛋白質的合成，因此高品質蛋白質應避免有顯著的限制胺基酸。
• 消化率高： 蛋白質及其所含胺基酸能被消化系統有效分解並吸收利用。

蛋白質的限制胺基酸 (Limiting Amino Acid)：
在蛋白質的胺基酸組成中，相較於人體需求的比例，含量最低的那個必需胺基酸，就是限制胺基酸。它會限制身體利用該蛋白質合成其他蛋白質的能力。

2. 評估蛋白質品質的常用方法 (Assays for Evaluating Protein Quality)：

評估蛋白質品質的方法主要分為兩大類：生物學方法 (Biological Assays) 和化學方法 (Chemical Assays)。

(A) 生物學方法 (Biological Assays)：
這些方法直接測量蛋白質在活體內的利用情況，通常被認為是更準確的指標，但操作較為複雜且耗時。

• 蛋白質效率比 (Protein Efficiency Ratio, PER)：

  • 原理： 測量動物（通常是幼年大鼠）在攝取特定蛋白質來源的飼料後，體重增加量與蛋白質攝取量之比。
  • 公式： $PER = \frac{\text{體重增加量 (g)}}{\text{蛋白質攝取量 (g)}}$
  • 優點： 反映了蛋白質的生長潛力。
  • 缺點： 僅適用於生長期的動物，且未考慮蛋白質的消化率。

• 淨蛋白質利用率 (Net Protein Utilization, NPU)：

  • 原理： 測量攝入蛋白質後，體內保留的蛋白質量與攝入的蛋白質量之比。
  • 公式： $NPU = \frac{\text{體內蛋白質淨增加量}}{\text{攝入蛋白質總量}} = \frac{\text{攝入氮} - (\text{排泄氮} + \text{體內氮損失})}{\text{攝入氮}}$
  • 優點： 考慮了蛋白質的消化和代謝。
  • 缺點： 實驗較複雜，需要測量攝入和排泄的氮。

• 蛋白質分數 (Protein Score / Chemical Score)：

  • 原理： 這是化學方法，但常與生物學方法一起討論。它比較食物蛋白質的胺基酸組成與人體需求（參考蛋白質，如雞蛋或 WHO/FAO 模式）的胺基酸組成。以限制胺基酸的比例作為評估指標。

本題考驗學生對食用油品質與紫外光 (UV) 吸收之間關係的理解，特別是 234 nm 波長的重要性。

核心原理：
食用油的品質，尤其是新鮮度和氧化程度，與其所含的不飽和脂肪酸及其氧化產物有關。在 234 nm 的 UV 光譜區域，特定的共軛雙鍵結構會產生吸收峰，這些結構主要來自於脂肪酸的氧化過程。

原因分析：

1. 共軛雙鍵的形成：
   • 不飽和脂肪酸的氧化： 食用油中的不飽和脂肪酸（特別是多元不飽和脂肪酸，如亞麻油酸 linoleic acid 和 α-次亞麻油酸 α-linolenic acid）在接觸氧氣、光線、熱或金屬離子等條件下，會發生自動氧化 (autoxidation)。
   • 氧化機理： 自動氧化是一個自由基鏈鎖反應，會產生多種氧化中間產物，包括氫過氧化物 (hydroperoxides)。
   • 共軛化 (Conjugation)： 在氧化過程中，非共軛的雙鍵結構（如亞麻油酸中的 1,4-戊二烯結構）會通過異構化反應，形成共軛雙鍵 (conjugated double bonds)，例如共軛二烯 (conjugated dienes) 或共軛三烯 (conjugated trienes)。

本題考驗學生對微波加熱原理的理解。微波加熱是利用電磁波（微波）與食物中的極性分子相互作用，將電磁能轉化為熱能的過程。

微波加熱的原理：

1. 微波的電磁特性：

   • 微波是一種頻率範圍在 300 MHz 到 300 GHz 的電磁波。常見於食品加熱的微波爐，其工作頻率通常為 2450 MHz (2.45 GHz)。
   • 在食品加熱中，微波主要通過其電場分量與食物作用。

2. 與食物的相互作用：

   • 極性分子 (Polar Molecules)： 食物中含有大量極性分子，其中最主要的是水分子 (H₂O)。其他極性分子還包括某些醣類、蛋白質、脂肪（雖然脂肪的極性較弱）。
   • 偶極旋轉 (Dipolar Rotation)： 當微波的電場作用於食物時，食物中的極性分子（特別是水分子）會嘗試順應電場的快速變化而旋轉。由於電場的頻率很高（例如 2450 MHz，意味著每秒約 24.5 億次方向改變），極性分子會以極高的頻率進行旋轉和振動。
   • 分子間摩擦生熱： 這種快速的旋轉和振動會導致分子間產生劇烈的摩擦和碰撞，將電磁能轉化為動能，進而以熱能的形式釋放出來。這就是微波加熱的主要機制，也稱為介電加熱 (Dielectric Heating)。

3. 離子傳導 (Ionic Conduction)：

   • 食物中也含有離子（如鹽中的 Na⁺, Cl⁻ 離子）。在微波電場的作用下，這些離子會進行定向移動。

本題考驗學生對冷凍儲存期間溫度波動如何影響食品品質的理解。溫度波動（或稱溫度循環）是冷凍食品品質劣變的重要原因之一。

溫度波動導致品質劣變的核心機制：

溫度波動主要通過以下幾個方面影響冷凍食品的品質：

1. 冰晶的形成、生長與重結晶 (Ice Crystal Formation, Growth, and Recrystallization)：

   • 溫度波動的影響： 當溫度升高時，微小的冰晶會融化；當溫度再次降低時，融化的水分會重新結冰。由於水分子的移動，重新結冰時會傾向於在現有的較大冰晶上沉積，導致較大冰晶的生長，而微小冰晶則可能消失。這個過程稱為冰晶重結晶 (Recrystallization)。
   • 對組織結構的破壞： 冰晶的生長和重結晶會導致細胞內外形成更大、更尖銳的冰晶。這些冰晶會刺穿和破壞細胞膜、組織結構，導致細胞失水、結構崩潰。
   • 品質劣變表現：
     • 質地改變： 產品變得鬆軟、乾澀、失去原有彈性（如肉類、水果、蔬菜）。
     • 水分流失： 由於細胞結構破壞，解凍後水分大量流失（滴水 loss），導致產品重量減輕、口感乾硬。
     • 質地變差： 影響口感，如水果變得糊狀、蔬菜變得軟爛。

2. 水分遷移與表面脫水 (Water Migration and Surface Dehydration)：

   • 溫度波動與冰昇 (Ice Sublimation)： 在冷凍儲存期間，即使溫度低於冰點，水分子仍會以蒸汽的形式從產品表面（或內部冰晶）向較冷的儲存空間（如冷凍櫃內壁）升華 (sublimation)。
   • 溫度波動加速升華： 當溫度升高時，產品表面的冰昇速率會稍微加快；當溫度再次降低時，產品表面可能變得更乾燥。
   • 品質劣變表現：
     • 冷凍燒傷 (Freezer Burn)： 產品表面出現乾硬、變色（呈灰白色）的區域，這是由於水分大量升華，導致該區域的組織變性。
     • 重量損失： 總體水分的流失導致產品重量減輕。

核心觀念

本題考查三類食品化學常見物質的結構辨識與結構式繪製：

1. Aspartame（阿斯巴甜）：由兩個胺基酸形成的二肽衍生物，並具有甲酯基。
2. Monosodium glutamate（味精，麩胺酸單鈉）：麩胺酸的單鈉鹽，需辨認羧酸基與羧酸鈉基。
3. Pentane（戊烷）：五個碳組成的直鏈烷類，所有碳碳鍵皆為單鍵。

繪製結構時，應掌握：

• 胺基酸的基本骨架：$\mathrm{H_2N-CH(R)-COOH}$
• 胺基酸形成胜肽鍵時，胺基與羧基脫去一分子水，形成 $\mathrm{-CO-NH-}$
• 羧酸失去氫離子後形成羧酸根，與鈉離子形成羧酸鈉
• 烷類只含碳、氫，且碳碳之間全為單鍵

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解題方法

（a）Aspartame（阿斯巴甜）

題目已給出全名：

Methyl L-α-aspartyl-L-phenylalaninate

可將名稱拆成三個部分：

• L-α-aspartyl：L-天門冬胺酸以 $\alpha$-羧基參與胜肽鍵
• L-phenylalaninate：L-苯丙胺酸的羧基形成甲酯
• Methyl：末端羧基轉變為甲酯 $\mathrm{-COOCH_3}$

天門冬胺酸的側鏈為 $\mathrm{-CH_2COOH}$；苯丙胺酸的側鏈為 $\mathrm{-CH_2C_6H_5}$。因此，阿斯巴甜的縮合結構式為：

$$\mathrm{HOOC-CH_2-CH(NH_2)-CO-NH-CH(CH_2-C_6H_5)-COOCH_3}$$

其中：

• $\mathrm{CO-NH}$ 為天門冬胺酸與苯丙胺酸形成的胜肽鍵
• 左側 $\mathrm{-CH_2COOH}$ 是天門冬胺酸的側鏈羧基
• 右側 $\mathrm{-COOCH_3}$ 是苯丙胺酸羧基的甲酯
• 兩個手性中心皆為 $\mathrm{L}$ 型，分別位於兩個 $\mathrm{CH(NH_2)}$ 碳原子

可用較具立體化學意義的方式標示為：

$$\mathrm{(L)-Asp-CO-NH-(L)-Phe-COOCH_3}$$

阿斯巴甜的分子式為：

$$\mathrm{C_{14}H_{18}N_2O_5}$$

（b）Monosodium Glutamate（麩胺酸單鈉）

麩胺酸具有兩個羧酸基：

$$\mathrm{HOOC-CH(NH_2)-CH_2-CH_2-COOH}$$

「單鈉」表示其中一個羧酸基的酸性氫被鈉取代，形成羧酸鈉基。食品中味精通常表示為：

$$\mathrm{HOOC-CH(NH_2)-CH_2-CH_2-COO^-Na^+}$$

也可寫成：

$$\mathrm{NaOOC-CH(NH_2)-CH_2-CH_2-COOH}$$

上述兩種寫法代表相同的連接結構；重點是：

• 只有一個羧酸基轉變為 $\mathrm{-COO^-Na^+}$
• 另一個羧酸基仍為 $\mathrm{-COOH}$