114 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》

本題主要在探討蔬果類食品遭受微生物污染的途徑以及潛在的致病機制。

微生物污染情形：
蔬果類食品在生產、採收、處理、加工、儲存及販售等各個環節，都可能受到微生物的污染。主要途徑包括：

1. 土壤與水： 許多微生物（如沙門氏菌、李斯特菌、大腸桿菌等）存在於土壤和灌溉用水中，蔬果直接接觸或被污染的水沖洗，都可能帶入病原菌。
2. 動物排泄物： 施肥或農田周圍動物的排泄物，若未妥善處理，可能含有糞便中的病原菌，污染土壤、水源，進而污染蔬果。
3. 採收與處理過程： 採收時使用的工具、容器，以及採收人員的手部衛生不良，都可能造成微生物的轉移。
4. 加工環境： 加工場所的設備、器具、空氣、水源、以及工作人員的衛生習慣，若不符合標準，都可能導致食品遭受二次污染。
5. 儲存與運輸： 不當的儲存溫度、濕度，或運輸過程中的交叉污染，都可能使原先存在的微生物大量繁殖，或引入新的病原菌。
6. 消費者端： 消費者在處理、烹調蔬果時，若衛生習慣不佳，也可能造成污染。

致病原理：
微生物污染蔬果後，若環境條件適宜（如溫度、濕度、pH值、營養來源等），微生物便會大量繁殖，產生多種影響。其致病原理主要有以下幾種：

1. 產生毒素 (Toxin Production)： 某些細菌（如金黃色葡萄球菌 Staphylococcus aureus、仙人掌桿菌 Bacillus cereus、肉毒桿菌 Clostridium botulinum）會在食品中產生外毒素或內毒素。

本題主要探討 pH 值在微生物學中的分類意義，以及低酸性食品的定義與其易受微生物污染的原因。

依酸鹼值對微生物的分類：
微生物對 pH 值的耐受性差異很大，這也是一種重要的分類依據，尤其對於細菌和黴菌而言。根據對 pH 值的偏好，微生物可大致分為三類：

1. 嗜酸菌 (Acidophiles)： 偏好在酸性環境中生長，其最適生長 pH 值通常低於 5.5。例如，某些乳酸菌、酵母菌和黴菌。
2. 嗜中性菌 (Neutrophiles)： 偏好在中性環境中生長，其最適生長 pH 值約在 5.5 至 8.0 之間。絕大多數的致病菌和腐敗菌屬於此類，包括常見的細菌如大腸桿菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌等。
3. 嗜鹼菌 (Alkaliphiles)： 偏好在鹼性環境中生長，其最適生長 pH 值高於 8.0。例如，某些弧菌（Vibrio spp.）和土壤中的細菌。

何謂低酸性食品？
低酸性食品 (Low-acid foods) 通常是指 pH 值大於 4.6 的食品。這類食品的 pH 值較高，接近中性，因此絕大多數的細菌（包括一些產孢子、耐熱的細菌）都能在此環境中生長和繁殖。

為何低酸性食品容易受到微生物污染？
低酸性食品容易受到微生物污染，甚至產生危險，主要原因如下：

本題旨在探討微生物發酵在食品加工中的益處。微生物發酵是一種利用微生物（如細菌、酵母菌、黴菌）的代謝活動來改變食品組成、質地、風味及營養價值的傳統且重要的加工技術。

微生物發酵的優點 (至少五項)：

1. 風味與質地改良 (Flavor and Texture Improvement)：

   • 說明： 微生物在發酵過程中會產生多種代謝產物，如有機酸（乳酸、醋酸）、醇類（乙醇）、酯類、醛類、酮類等，這些物質賦予食品獨特的風味和香氣，例如優格的酸味、酒類的香醇、醬油的醬香味。同時，微生物的酶作用也能改變食品的結構，如使蛋白質變性、分解澱粉，進而改善食品的質地，使其更柔軟、易消化或產生特殊口感。
   • 舉例： 製作優格時，乳酸菌將乳糖轉化為乳酸，使蛋白質凝固，產生酸味和濃稠質地。製作麵包時，酵母菌發酵產生二氧化碳，使麵糰膨脹，產生獨特的風味。

2. 營養價值提升 (Nutritional Enhancement)：

   • 說明：
     • 合成維生素： 某些微生物，特別是乳酸菌，能夠在發酵過程中合成一些人體所需的維生素，如維生素 B 群（B1、B2、B6、B12）、維生素 K 等，顯著提升食品的營養價值。
     • 增加可消化性： 微生物的酶（如蛋白酶、澱粉酶）可以預先分解食品中的大分子物質（蛋白質、碳水化合物、脂肪），使其轉化為更小、更容易被人體吸收利用的小分子物質。
     • 去除抗營養因子： 發酵過程可以降低或去除食品中原有的抗營養因子，如植酸（Phytic acid）、單寧酸等，這些因子會影響礦物質（如鈣、鐵、鋅）的吸收。
   • 舉例： 發酵豆製品（如納豆、味噌）中的微生物可以分解蛋白質，提高胺基酸的利用率，並可能合成維生素 K2。

3. 延長保存期限 (Extended Shelf Life)：

   • 說明： 發酵過程會產生多種抑菌物質，最常見的是有機酸（如乳酸、醋酸），它們能降低食品的 pH 值，創造不利於多數腐敗菌和致病菌生長的酸性環境。

本題要求解釋五個與食品微生物學相關的專業名詞，並說明其關聯性。

1. antibiotics (抗生素)

• 關聯性： 抗生素是微生物（主要是細菌和黴菌）本身產生或由人工合成的化學物質，能夠抑制或殺死其他微生物的生長。在食品微生物學中，抗生素的關聯性體現在：
  • 食品污染： 殘留抗生素可能存在於動物性食品（如肉、奶）中，這些抗生素可能來自於動物飼養過程，對人體健康造成影響，並可能導致人體內腸道菌叢失衡，甚至產生抗藥性。
  • 食品加工： 在某些特定的發酵食品生產過程中，抗生素可能被用來抑制雜菌的生長，以確保目標菌種能純粹地生長和發酵（但這類應用受到嚴格管制，且非普遍做法）。
  • 微生物研究： 抗生素是實驗室中分離、純化和鑑定微生物的重要工具，可以用來控制培養基中的雜菌。
  • 抗藥性問題： 食品中殘留的抗生素或抗藥性基因的傳播，是食品安全和公共衛生的重要議題。

2. bacteriostatic (抑菌的；靜菌的)

• 關聯性： Bacteriostatic 指的是一種作用，即阻止或延緩微生物（特別是細菌）的生長和繁殖，但並不直接殺死它們。
  • 食品保存： 許多食品保存方法都是基於 bacteriostatic 原理，例如冷藏（降低微生物生長速率）、醃漬（利用高鹽或高糖濃度造成滲透壓，抑制水分活性，從而延緩微生物生長）、添加抑菌劑（如苯甲酸鈉、山梨酸鉀）。
  • 藥物作用： 在醫療領域，某些抗生素或消毒劑的作用機制是 bacteriostatic，它們能控制感染，讓宿主免疫系統有時間清除細菌。
  • 食品安全： 了解哪些因子或物質具有 bacteriostatic 作用，有助於預防食品中的微生物過度繁殖，從而降低食品腐敗和食源性疾病的風險。

3. endospores (內孢子；休眠孢子)

• 關聯性： Endospores 是某些細菌（如 Bacillus 和 Clostridium 屬）在不利環境條件下（如缺乏營養、高溫、乾燥）形成的極度耐熱、耐乾燥、耐化學物質的休眠結構。
  • 食品安全威脅： 這是食品微生物學中極為重要的概念，因為許多致病菌（如肉毒桿菌 Clostridium botulinum）和腐敗菌（如枯草桿菌 Bacillus subtilis）能夠形成內孢子。這些孢子對熱非常不穩定，一般的烹調或巴氏殺菌（約 70°C）難以殺滅。
  • 罐頭食品殺菌： 商業滅菌（如罐頭食品的滅菌，通常在 121°C 以上）的設計，主要就是為了殺滅這些耐熱的內孢子，以確保食品的商業無菌和長期儲存安全。

此題組共包含五個小題，每小題佔 8 分，總計 40 分，主要涵蓋了碳水化合物、酶學、食品化學反應、膳食纖維以及食品品質劣變等重要主題。

小題 (1): 澱粉與纖維素的組成與構造有何異同?

• 核心觀念： 澱粉和纖維素都是植物體內常見的多醣類，由葡萄糖單元組成，但其單元連結方式和支鏈結構的差異，導致了它們在化學性質、物理性質及生物學功能上的巨大區別。
• 說明：
  • 組成： 兩者均由葡萄糖 (glucose) 單元聚合而成。
  • 構造異同：
    • 相同點：
      • 都是由葡萄糖單元通過糖苷鍵 (glycosidic bond) 連接而成的高分子化合物。
      • 葡萄糖單元都是 β-D-葡萄糖。
    • 不同點：
      • 糖苷鍵類型：
        • 澱粉： 主要由 α-D-葡萄糖單元組成，通過 α-(1→4) 糖苷鍵連接形成直鏈澱粉 (amylose) 和 α-(1→6) 糖苷鍵連接形成支鏈澱粉 (amylopectin)。
        • 纖維素： 由 β-D-葡萄糖單元組成，通過 β-(1→4) 糖苷鍵連接形成線性的長鏈。
      • 分子結構：
        • 澱粉： 結構複雜，包含直鏈和支鏈部分。直鏈澱粉是線性的，支鏈澱粉則有許多分支。這種結構使其在水中能部分溶解或形成膠體，並具有糊化和回凝的特性。
        • 纖維素： 結構高度規整，呈線性，分子鏈之間通過氫鍵形成緊密的微纖絲 (microfibrils)，排列成高度結晶的結構。這種結構使其在水中幾乎不溶，且難以被消化。
      • 消化性：
        • 澱粉： 人體內含有 α-澱粉酶 (amylase)，可以水解 α-(1→4) 糖苷鍵，因此澱粉是重要的能量來源。
        • 纖維素： 人體內缺乏 β-(1→4) 糖苷酶，無法有效消化纖維素，因此纖維素主要作為膳食纖維，對人體有促進腸道蠕動、調節血糖等功能。反芻動物和其他一些微生物則能消化纖維素。
• 舉例：
  • 澱粉： 米飯、麵包、馬鈴薯、玉米等主食的主要成分。
  • 纖維素： 蔬菜的細胞壁（如芹菜的纖維）、水果的果皮、全穀物的麩皮等。

小題 (2): 果膠脂解酶 pectinesterase,聚半乳醣醛酸酶 polygalacturonase,與果膠裂解酶 pectic lyase 三者的功能與作用限制有何差異?

• 核心觀念： 這三種酶都是果膠酶 (pectinases) 的一員，在水果、蔬菜的成熟、軟化、加工及儲藏過程中扮演重要角色。它們作用的底物、作用方式、以及對果膠結構的影響有所不同。
• 說明：

  • 果膠 (Pectin)： 是一種複雜的多醣，主要由 α-(1→4) 連接的 D-半乳醣醛酸 (D-galacturonic acid) 單元組成，並可能帶有甲基化（酯化）的側鏈。果膠是植物細胞壁的組成分，影響植物組織的硬度。

  • 三種酶的功能與差異：

    • 果膠脂解酶 (Pectinesterase, PE)：
      • 功能： 作用於果膠分子上甲基化的半乳醣醛酸殘基，將甲基酯基 (methyl ester group) 水解下來，生成游離的羧基 (-COOH) 和甲醇 (methanol)。它本身不破壞果膠長鏈的骨架。
      • 作用限制： 作用位點是甲基酯化的半乳醣醛酸。它會改變果膠的甲基化程度，但不會直接切斷長鏈。
      • 影響： 提高果膠的負電荷，使其更容易與鈣離子 (Ca²⁺) 結合，形成果膠酸鈣凝膠，有助於組織的硬度；但若處理不當，也可能導致果汁黏度增加或沉澱。
    • 聚半乳醣醛酸酶 (Polygalacturonase, PG)：
      • 功能： 是一種水解酶 (hydrolase)，能水解果膠鏈上相鄰半乳醣醛酸殘基之間的 α-(1→4) 糖苷鍵，將長鏈果膠切成較短的寡糖或單糖。
      • 作用限制： 作用於 α-(1→4) 糖苷鍵。其活性通常需要果膠的甲基化程度較低（即有較多游離的羧基）才能發揮最佳效果。
      • 影響： 導致果膠鏈斷裂，降低果膠的分子量，使植物組織軟化、崩解，例如水果過熟時的軟化。
    • 果膠裂解酶 (Pectic lyase, PL)：
      • 功能： 是一種裂解酶 (eliminase)，它通過消除反應 (elimination reaction)，在果膠鏈上特定位置的 α-(1→4) 糖苷鍵處進行切斷，產生不飽和的單糖（帶有雙鍵），同時也將長鏈果膠分解。
      • 作用限制： 作用於 α-(1→4) 糖苷鍵。其活性通常對果膠的甲基化程度有較高要求，通常在甲基化程度較高的果膠上活性較強。
      • 影響： 同樣會導致果膠鏈斷裂，引起組織軟化。PL 的作用機制與 PG 不同，產物也不同。

  • 總結差異： PE 是修飾甲基酯基，改變電荷；PG 和 PL 則是切斷果膠骨架。PG 是水解酶，PL 是消除酶。它們對果膠甲基化程度的需求和作用方式有所不同。

小題 (3): 如何區分高糖食品褐變屬梅納反應或焦糖化反應?

• 核心觀念： 梅納反應 (Maillard reaction) 和焦糖化反應 (Caramelization) 都是高溫下引起食品褐變的反應，但它們的反應物、條件和產物不同。

• 說明：

  • 梅納反應 (Maillard Reaction)：
    • 反應物： 還原糖 (reducing sugar) 和胺基酸 (amino acid) 或蛋白質。
    • 條件： 通常發生在較低的溫度（約 140-165°C）或中高溫，且需要較長的時間。pH 值呈弱鹼性或中性時反應較快。
    • 過程： 涉及一系列複雜的化學反應，包括糖的羰基與胺基的縮合（形成糖胺）、重排、脫水、胺基酸的降解等。
    • 產物： 產生大量的褐色素（美拉德色素），以及風味物質（如烘烤味、堅果味、咖啡味）、揮發性化合物、以及一些對人體有益或有害的產物（如抗氧化劑、丙烯醯胺 acrylamide）。
    • 特徵： 伴隨產生複雜的香氣和風味。
    • 舉例： 烤麵包、烤肉、炸薯條、咖啡烘焙、巧克力等的褐變和風味形成。
  • 焦糖化反應 (Caramelization)：
    • 反應物： 單醣或雙醣（如蔗糖、葡萄糖、果糖），無需胺基酸或蛋白質。
    • 條件： 需要較高的溫度（通常高於 160°C），反應速度快。pH 值影響反應速率，酸性或鹼性均可促進。
    • 過程： 是糖分子本身在加熱條件下的脫水、分解、聚合反應。
    • 產物： 產生褐色素、揮發性化合物，風味通常是甜、苦、帶有焦糖香。
    • 特徵： 主要產生焦糖風味，反應物單純。
    • 舉例： 製作焦糖醬、太妃糖、烤布蕾表面的焦糖層、炒糖色。

• 區分方法：

  • 是否存在胺基酸/蛋白質： 如果食品中含有胺基酸或蛋白質，且觀察到褐變和複雜的香氣，則很可能是梅納反應。
  • 反應溫度與時間： 較低的溫度和較長的時間，以及豐富的香氣，傾向於梅納反應；較高的溫度和較短的時間，以及單純的焦糖風味，傾向於焦糖化反應。

本題探討不同蔬果汁的主要色素成分及其對光、熱、pH 等因素的穩定性差異，以及相應的防止退色策略。

主要色素成分差異：

1. 紅龍果汁 (Dragon Fruit Juice)：

   • 主要色素： 主要為 甜菜紅素 (Betacyanins)。這是紅龍果（特別是紅肉品種）獨特的色素，屬於甜菜類色素 (betalains)。
   • 化學結構： 是一種水溶性的大分子色素，結構相對複雜。

2. 番茄汁 (Tomato Juice)：

   • 主要色素： 主要為 茄紅素 (Lycopene)。這是類胡蘿蔔素 (carotenoid) 的一種，也是番茄呈現紅色澤的主要原因。
   • 化學結構： 是一種脂溶性的類胡蘿蔔素，具有共軛雙鍵結構。

3. 菠菜汁 (Spinach Juice)：

   • 主要色素： 主要為 葉綠素 (Chlorophyll)。這是菠菜呈現綠色的主要色素。
   • 化學結構： 是一種脂溶性色素，結構中含有鎂離子。

4. 柳橙汁 (Orange Juice)：

   • 主要色素： 主要為 類胡蘿蔔素 (Carotenoids)，其中以 β-類胡蘿蔔素 (β-carotene) 和其他黃色、橙色的類胡蘿蔔素為主，如黃質素 (xanthophylls)。
   • 化學結構： 脂溶性色素，具有共軛雙鍵結構。

防止退色的要點差異：

色素的穩定性受多種因素影響，如光、熱、pH 值、氧氣、金屬離子等。不同色素對這些因素的敏感度不同，因此防止退色的策略也不同。

1. 紅龍果汁 (甜菜紅素 Betacyanins)：

   • 不穩定性： 甜菜紅素對 光 和 pH 值 較為敏感，特別是在酸性條件下容易分解。高溫也會使其褪色。
   • 防止退色要點：
     • 避光儲存： 使用不透光的包材（如深色玻璃瓶、鋁箔包），並儲存在陰涼處。
     • 控制 pH 值： 盡量維持 pH 值在接近中性或微鹼性範圍，避免過度酸化。
     • 避免高溫： 採用較溫和的殺菌方式（如短時高溫殺菌 H TST，或冷充填），並在低溫下儲存。
     • 隔絕氧氣： 充填時盡量排除氧氣，或添加抗壞血酸 (維生素 C) 作為抗氧化劑。

2. 番茄汁 (茄紅素 Lycopene)：

   • 不穩定性： 茄紅素對 光 和 氧氣 特別敏感，容易被氧化和光分解。高溫也會加速其分解。
   • 防止退色要點：
     • 避光與隔絕氧氣： 這是最關鍵的。使用不透光包材，並進行脫氣處理或充填氮氣，以減少氧化。
     • 添加抗氧化劑： 如抗壞血酸 (維生素 C) 和 α-生育酚 (維生素 E)，可以幫助穩定茄紅素。