114 年 國立臺灣大學農業化學系碩士班丙組《食品化學與加工》

pH 值是影響食品風味、儲存期限和微生物生長的重要因素。

1. 風味 (Flavor)：

   • 許多風味物質的離子化狀態與 pH 值相關。例如，有機酸在低 pH 值下以未解離的形態存在，通常味道更酸、更尖銳；在高 pH 值下則以離子形態存在，酸味較溫和。
   • 蛋白質的水解產物（如胜肽）的風味也可能受 pH 值影響，因為 pH 值會影響蛋白質的溶解度、結構和酶促水解的速率。
   • 某些香氣成分的揮發性或穩定性也可能隨 pH 值改變，進而影響整體風味。

2. 儲存期限 (Shelf Life)：

   • 抑制微生物生長：大多數腐敗菌和病原菌在 pH 值低於 4.6 的酸性環境中生長受到嚴重抑制。這是因為低 pH 值會破壞微生物的細胞膜，影響其運輸系統，並干擾細胞內必需的酶活性。因此，許多食品（如醃製食品、果醬、酸奶）透過降低 pH 值來延長保質期，這是一種天然的防腐方法。
   • 酶活性：食品中天然存在的或由微生物產生的酶的活性對 pH 值非常敏感。

脂質氧化是影響食品品質的重要因素，會導致異味、風味劣變、營養價值下降，並產生有害物質。

機制的描述 (Mechanism of Lipid Oxidation)

脂質氧化主要是一個自由基鏈式反應，包含三個階段：起始 (Initiation)、傳播 (Propagation) 和終止 (Termination)。

1. 起始 (Initiation)：

   • 首先，需要產生一個自由基。這通常是由於能量（如光、熱）、金屬離子（如 Fe$^{2+}$, Cu$^+$）或酶（如脂氧合酶）的催化，從脂質分子（特別是含有不飽和脂肪酸的部位）中奪取一個氫原子，形成一個脂質自由基 (R•)。
   • $RH \rightarrow R•$

2. 傳播 (Propagation)：

   • 脂質自由基 (R•) 會迅速與氧氣反應，形成脂質過氧自由基 (ROO•)。
   • $R• + O_2 \rightarrow ROO•$
   • 脂質過氧自由基 (ROO•) 會從另一個脂質分子 (RH) 中奪取氫原子，形成脂質氫過氧化物 (ROOH) 和另一個脂質自由基 (R•)，從而形成一個鏈式反應，不斷產生新的自由基。
   • $ROO• + RH \rightarrow ROOH + R•$
   • 脂質氫過氧化物 (ROOH) 是不穩定的，在熱、光或金屬離子催化下會分解，產生新的自由基（如 RO• 和 •OH），進一步加速氧化過程。
   • $ROOH \rightarrow RO• + •OH$
   • 這些產生的自由基會引發進一步的連鎖反應，最終生成多種氧化產物，如醛、酮、酸、醇、內酯等，這些產物是導致食品產生異味（如哈喇味）的主要原因。

3. 終止 (Termination)：

   • 鏈式反應會在兩個自由基相互結合時終止，形成穩定的非自由基產物。
   • $R• + R• \rightarrow R-R$
   • $ROO• + ROO• \rightarrow Non-radical products$
   • $R• + ROO• \rightarrow ROOR$

蛋白質變性 (Protein Denaturation) 是指蛋白質分子在特定條件下，其原來具有的特定三級和四級結構（螺旋結構、摺疊結構等）被破壞，但其肽鏈一級結構（胺基酸序列）保持不變的過程。這個過程通常伴隨著蛋白質溶解度下降、黏度改變、生物活性喪失，以及物理性質（如凝膠性、起泡性）的改變。

蛋白質變性的原因 (Causes of Protein Denaturation)

蛋白質變性可以由多種因素引起，包括：

• 熱：加熱是食品中最常見的變性原因。
• 酸鹼：極端的 pH 值（過酸或過鹼）會破壞蛋白質內部的離子鍵和氫鍵。
• 機械力：如攪拌、打發、均質等。
• 化學試劑：如酒精、尿素、鹽酸胍、重金屬鹽等。
• 紫外線或輻射。

食品加工中的應用與效應 (Applications and Effects in Food Processing)

蛋白質變性在食品加工中有廣泛的應用，並且會產生多種效應：

1. 烹飪和加熱處理 (Cooking and Heat Treatment)：

   • 應用：烹煮肉類、魚類、蛋類，製作麵包、豆腐等。
   • 效應：
     • 改變質地：加熱導致蛋白質變性、凝固，使肉類變硬、變白，蛋清變白凝固，製作出可口的口感。
     • 提高消化率：變性後的蛋白質結構鬆散，更容易被消化酶分解，提高營養吸收率。
     • 殺滅微生物：高溫處理不僅使蛋白質變性，也能殺滅食品中的有害微生物，延長保質期。
     • 產生風味：加熱過程中的美拉德反應等，與蛋白質變性同時發生，產生獨特的烹飪風味。

2. 乳製品加工 (Dairy Processing)：

   • 應用：製作酸奶、奶酪、乳清蛋白濃縮物/分離物。
   • 效應：
     • 酸奶製作：乳酸菌發酵產生乳酸，降低 pH 值，使牛奶中的酪蛋白變性並形成凝膠，產生酸奶的質地。

此題要求繪製並解釋 0.1 M 麩胺酸 (glutamic acid) 溶液以 0.01 N NaOH 滴定的滴定曲線。麩胺酸是一種酸性胺基酸，含有一個羧基（pKa $\approx$ 2.17）和一個氨基（pKa $\approx$ 9.67），以及一個側鏈羧基（pKa $\approx$ 4.25）。因此，它是一個有三個可滴定質子的三質子酸。

1. 繪製滴定曲線 (Plotting the Titration Curve)

滴定曲線的縱軸是 pH 值，橫軸是滴定劑（NaOH）的體積。

• 起始點 (Initial Point)：在滴定開始前（NaOH 體積為 0），溶液是 0.1 M 的麩胺酸。由於麩胺酸含有三個可解離的質子，且側鏈羧基的 pKa 較低，溶液的 pH 值會介於其各 pKa 值之間，但由於是酸，pH 會偏酸性。
• 等當點 (Equivalence Points)：麩胺酸有三個可滴定的質子，因此會有三個理論上的等當點。
  • 第一個等當點：第一個羧基（pKa1 $\approx$ 2.17）被 NaOH 中和。
  • 第二個等當點：側鏈羧基（pKa2 $\approx$ 4.25）被 NaOH 中和。
  • 第三個等當點：氨基（pKa3 $\approx$ 9.67）被 NaOH 中和。
• 緩衝區 (Buffer Regions)：在每個等當點之前和之後，當溶液中存在弱酸/弱鹼及其共軛鹼/共軛酸的混合物時，會出現緩衝區，pH 值變化相對平緩。緩衝區的 pH 值約等於該 pKa 值。
• 滴定劑濃度與體積：
  • NaOH 濃度為 0.01 N。
  • 麩胺酸濃度為 0.1 M。
  • 假設我們需要滴定完所有質子，則 NaOH 體積的計算需要考慮莫耳數。
    • 第一個羧基：0.1 M * V (麩胺酸) / 1 = 0.01 N * V1 (NaOH)
    • 第二個羧基：0.1 M * V (麩胺酸) / 1 = 0.01 N * V2 (NaOH)
    • 氨基：0.1 M * V (麩胺酸) / 1 = 0.01 N * V3 (NaOH)
  • 由於 NaOH 濃度 (0.01 N) 相對於麩胺酸濃度 (0.1 M) 較低，要達到等當點所需的 NaOH 體積會相對較大。若取樣 10 mL 的 0.1 M 麩胺酸，則：
    • 滴定第一個羧基需 NaOH 體積：V1 = (0.1 M * 10 mL) / 0.01 N = 100 mL
    • 滴定第二個羧基需 NaOH 體積：V2 = (0.1 M * 10 mL) / 0.01 N = 100 mL (總計 100+100=200 mL)
    • 滴定氨基需 NaOH 體積：V3 = (0.1 M * 10 mL) / 0.01 N = 100 mL (總計 200+100=300 mL)
  • 因此，滴定曲線將會呈現三個 pH 驟升區域，分別對應於三個等當點。

2. 解釋滴定曲線 (Explanation of the Titration Curve)

巴氏殺菌法 (Pasteurization) 和高溫短時殺菌法 (High-Temperature Short-Time, HTST) 都是用於食品（特別是液體食品）的熱處理方法，旨在殺滅或抑制大部分致病的微生物和腐敗微生物，延長食品的保質期，同時盡可能保留食品的營養和感官品質。它們的主要區別在於處理的溫度和時間。

1. 巴氏殺菌法 (Pasteurization)

• 定義與條件：這是最早發展的殺菌方法，通常使用較低的溫度和較長的時間。經典的巴氏殺菌法包括：
  • 低溫長時間 (LTLT)：例如 63°C 持續 30 分鐘。
  • 高溫短時 (HTST)：這是巴氏殺菌法的一種，但由於其重要性，常被單獨列出討論。
• 主要目的：殺滅致病菌（如 Salmonella, Listeria），但可能無法殺滅所有腐敗菌和高溫耐受性微生物（如某些孢子）。
• 對食品的影響：由於溫度較低，對食品的營養成分（如維生素）和風味的影響相對較小，能較好地保留食品的原始風味和質地。
• 應用：
  • 牛奶：是巴氏殺菌最經典的應用，用於生產鮮奶、優格、起司等。
  • 果汁：用於延長果汁的保質期，但可能影響風味。
  • 啤酒、葡萄酒：用於殺滅酵母菌和雜菌，防止發酵過程失控或變質。
  • 雞蛋產品：如液體蛋。

2. 高溫短時殺菌法 (High-Temperature Short-Time, HTST)

• 定義與條件：這是一種更為高效的熱處理方法，使用更高的溫度和更短的時間。典型的 HTST 條件是：
  • 72°C 持續 15 秒（常用於牛奶）。
  • 其他條件可能包括 85°C 持續 3 秒，或 90°C 持續 1 秒等，具體取決於產品的性質和目標微生物。
• 主要目的：與傳統巴氏殺菌法類似，但由於溫度更高，對某些耐熱性較強的微生物（如某些腐敗菌）的殺滅效果更好，同時也能殺滅絕大多數致病菌。
• 對食品的影響：
  • 營養：對熱敏感的營養素（如維生素 C、某些 B 群維生素）的損失可能比 LTLT 略大，但通常仍優於超高溫殺菌 (UHT)。
  • 風味：對風味的影響相對較小，因為處理時間非常短，可以最大程度地減少熱引起的風味物質變化。
  • 效率：由於處理時間短，生產效率高，適合大規模連續生產。

此題要求繪製五種化合物的化學結構式。

1. 乳酸 (Lactic Acid)
乳酸是一種有機酸，化學式為 $C_3H_6O_3$。它是一個帶有羥基的羧酸。
結構式：

  OH
  |
CH3-CH-COOH

其中，-COOH 是羧基，-OH 是羥基。

2. 亞麻油酸 (Linoleic Acid)
亞麻油酸是一種 Omega-6 型的必需脂肪酸，屬於多元不飽和脂肪酸，含有 18 個碳原子，兩個雙鍵。其結構式為 $C_{18}H_{32}O_2$。雙鍵位於碳 9 和 10 (cis-9, cis-12-octadecadienoic acid)。
結構式：

CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH

注意：雙鍵是順式 (cis) 的。

3. 甘油 (Glycerol)
甘油，也稱為丙三醇，是一種簡單的多元醇。其化學式為 $C_3H_8O_3$。它有三個羥基。
結構式：

  OH  OH  OH
  |   |   |
CH2-CH-CH2

4. 丙胺酸 (Alanine)
丙胺酸是一種常見的胺基酸，屬於非極性胺基酸。其化學式為 $C_3H_7NO_2$。它有一個甲基作為側鏈。
結構式（兩性離子形式，生理 pH 下常見）：

   O-
  //
CH3-CH-C
    |  \
   NH3+ O

或寫成更簡潔形式：

  CH3
  |
H2N-CH-COOH

本題組主要探討小麥加工、全麥麵粉的定義與製備，以及全麥麵包的製作與健康益處。

(a) 如何透過現代輥軋製粉法從小麥籽粒獲得白麵粉？ (How to obtain the white wheat flour from wheat kernels by modern roller milling practice?)

現代小麥製粉是一個複雜的物理過程，旨在將小麥籽粒分離成胚乳（用於生產麵粉）、麩皮（bran）和胚芽（germ）。其核心是「輥軋製粉法」(roller milling)。

1. 清理與調質 (Cleaning and Conditioning)：

   • 首先，小麥籽粒經過多道清理工序，去除雜質（如石頭、金屬、塵土、其他種子）。
   • 然後，進行「調質」(conditioning)，即將小麥籽粒的水分含量調整到約 14-16%，並靜置一段時間。這一步驟是關鍵，它能軟化麩皮，使其在研磨過程中不易碎裂成細粉，同時保持胚乳的脆性，便於研磨成粉。

2. 輥軋製粉 (Roller Milling)：

   • 破碎 (Breaking)：經過調質的小麥被送入一系列的鋼製輥軋機 (roller mills)。這些輥軋機的兩個輥筒之間有特定的間隙和速度差。
     • 第一道破碎輥：將小麥籽粒初步壓碎，分離出較大的胚乳塊。
     • 後續的破碎輥：逐步減小輥筒間隙，進一步破碎胚乳塊，並與麩皮分離。
   • 篩理 (Sifting)：在每次輥軋後，產生的物料會通過精密的篩網進行篩理。
     • 較細的胚乳粉末（麵粉）會被篩出。
     • 較大的胚乳塊會被送往下一道輥軋機。
     • 分離出的麩皮和胚芽會被去除或單獨收集。
   • 研磨 (Grinding/Reducing)：這個過程進一步將胚乳塊研磨成更細的麵粉。
   • 淨化 (Purification)：在破碎和研磨過程中，會利用風選、篩選等方法，進一步分離胚乳顆粒與麩皮、胚芽的殘留物，以提高麵粉的純度（即降低灰分含量，提高麵粉的潔白度）。

3. 最終篩理 (Final Sieving)：

   • 經過多次輥軋、篩理和淨化的過程後，得到不同等級的麵粉。白麵粉（如中筋、高筋、低筋麵粉）主要由胚乳的中心部分製成，不含或僅含極少量的麩皮和胚芽，因此顏色潔白，灰分含量低。

總結：現代輥軋製粉法是通過機械壓碎、篩理和淨化，將小麥籽粒的胚乳、麩皮、胚芽進行物理分離，最終獲得以胚乳為主的、顏色潔白的麵粉。

(b) 如何製備「全麥麵粉」以符合台灣 TFDA 對「全穀原料」的定義？ (How to make "whole wheat flour" to meet the TFDA definition of "whole grain ingredient"?)

根據台灣 TFDA（衛生福利部食品藥物管理署）的定義，全穀原料 (whole grain ingredient) 是指「穀物經加工後，仍保有完整或近似完整之穀皮、胚芽及胚乳之穀物」。

因此，要製備符合此定義的全麥麵粉，關鍵在於保留小麥籽粒的全部或絕大部分成分，特別是穀皮（麩皮）和胚芽。

1. 原料選擇：選用完整、無破損的小麥籽粒。
2. 溫和的清理：僅去除明顯的雜質，盡量不破壞籽粒結構。
3. 無需去除胚芽和麩皮：與生產白麵粉不同，生產全麥麵粉不需要進行精密的篩理和淨化過程來去除麩皮和胚芽。
4. 整體研磨 (Whole Grain Milling)：將完整的小麥籽粒（包含穀皮、胚芽和胚乳）直接進行研磨。
   • 可以在傳統的石磨上進行，也可以使用現代的輥軋機，但要調整參數，使其將所有組分一同磨碎，而不是分離。
   • 研磨後的顆粒大小可以有差異，但核心是所有組分都包含在最終的麵粉中。
5. 篩理限制：如果需要進行篩理，篩孔大小必須足夠大，確保麩皮和胚芽的顆粒能夠通過，而不是被篩除。最終產品應含有小麥籽粒的各個部分。

總結：製備全麥麵粉的關鍵是「整體研磨」，即將小麥籽粒的穀皮、胚芽和胚乳一起磨碎，不進行分離，以確保產品中保留了這些關鍵成分，符合全穀原料的定義。

(c) 使用「全麥麵粉」製作全麥麵包時，在配方與加工方面應做哪些修改？為什麼？ (When using "whole wheat flour" to make whole wheat bread, what should be modified, in point of view formulation and processing? Why?)

全麥麵粉與白麵粉的成分差異很大，這會影響麵包的質地、口感和烘烤特性，因此需要進行相應的調整。

配方方面的修改 (Formulation Modifications)

1. 增加水分 (Increase Hydration)：

   • 原因：全麥麵粉含有較多的麩皮和胚芽，它們的吸水性比純胚乳強。如果使用與白麵粉相同的含水量，麵團會感覺偏乾、偏硬，不易操作，且最終產品質地會比較乾澀。
   • 修改：增加配方中的水量，通常需要額外增加 5-10% 的水分。

2. 調整酵母用量 (Adjust Yeast Amount)：

   • 原因：全麥麵粉中的麩皮和胚芽含有較多的營養物質（如礦物質、植酸），這些物質可能會抑制酵母的活性。此外，麩皮的粗糙結構也可能影響麵團的延展性，不利於酵母產生的二氧化碳氣體的保留。
   • 修改：可能需要稍微增加酵母的用量，或使用更強力的酵母菌株，以確保足夠的發酵動力。

3. 考慮添加改良劑 (Consider Dough Conditioners/Improvers)：

   • 原因：全麥麵粉中的麩皮顆粒會切割麵筋網絡，削弱麵團的結構強度，導致麵團延展性差、持氣性不足，容易在烘烤時塌陷。

本題組涵蓋了碳水化合物的幾個重要方面，包括單醣、雙醣、多醣的結構與性質，以及碳水化合物的轉化產物。

(a) 請提供蔗糖 (sucrose) 和三氯蔗糖 (sucralose) 的化學式並繪製其化學結構式。 (Please provide the chemical formulas and draw the chemical structures of sucrose and sucralose.)

• 蔗糖 (Sucrose)：

  • 化學式：$C_{12}H_{22}O_{11}$
  • 結構式：蔗糖是一種雙醣，由一個葡萄糖 (glucose) 分子和一個果糖 (fructose) 分子透過 $\alpha, \beta$-1,2 醣苷鍵連接而成。葡萄糖是以吡喃環 (pyranose ring) 形式存在，果糖是以呋喃環 (furanose ring) 形式存在。

        O
       / \
      /   \
     C1--C2--O--C1'
    / \ / \ / \
   C6 C5 C4 C3' C2'
   |  |  |  |  |
   C2 C3 C4 C5' C4'
    \ / \ / \ /
     C---C---C6'
         |
         O
  

  (上述為簡化示意圖，表示葡萄糖（左，吡喃環）與果糖（右，呋喃環）透過氧原子連接。更精確的表示需要標示所有碳原子和官能基。)
  一個更準確的表示方式：

         O
        / \
       /   \
  (α-D-Glc) C1--O--C2' (β-D-Fru)
     / \   / \
    C6 C5 C6' C3'
    |  |  |  |
    C2 C3 C4 C4'
     \ / \ /
      C---C
          |
          O
  

  (其中 Glc 代表葡萄糖，Fru 代表果糖。C1-O-C2' 是 $\alpha, \beta$-1,2 醣苷鍵。)

• 三氯蔗糖 (Sucralose)：

  • 化學式：$C_{12}H_{19}Cl_3O_8$
  • 結構式：三氯蔗糖是蔗糖的衍生物，在蔗糖的葡萄糖單元上，原本的 3 個羥基（C4, C6, C1' 上的羥基）被氯原子取代。它保留了蔗糖的雙醣結構，但由於氯原子的引入，其甜度大大增加，且不易被人體代謝。

         O
        / \
       /   \
  (Glc-Cl3) C1--O--C2' (Fru-Cl)
     / \   / \
    C6 C5 C6' C3'
    |  |  |  |
    C2 C3 C4 C4'
     \ / \ /
      C---C
          |
          O
  

  (其中 Glc-Cl3 表示葡萄糖單元有三個氯取代，Fru-Cl 表示果糖單元有（通常是 C1' 上的）一個氯取代，實際上是 C4, C6, C1' 的羥基被氯取代。)
  更精確的表示：

         O
        / \
       /   \
  (C4,C6-diCl-Glc) C1--O--C2' (C1'-Cl-Fru)
     / \   / \
    C6 C5 C6' C3'
    |  |  |  |
    C2 C3 C4 C4'
     \ / \ /
      C---C
          |
          O
  

  (注意：蔗糖的鍵合是 C1 of glucose to C2 of fructose. 在三氯蔗糖中，葡萄糖單元的 C4 和 C6 的羥基，以及果糖單元的 C1' 的羥基被氯取代。結構式繪製時需注意每個碳原子上連接的基團。)

(b) 請繪製直鏈澱粉 (amylose) 和支鏈澱粉 (amylopectin) 的結構。它們如何影響澱粉糊化性質和澱粉凝膠的儲存品質？ (Please draw the structures of amylose and amylopectin. How do they affect the pasting properties and storage quality of starch gels?)

• 直鏈澱粉 (Amylose)：

  • 結構：由許多葡萄糖單元透過 $\alpha$-1,4 醣苷鍵連接而成的長鏈狀分子。它通常呈現螺旋狀結構，內部疏水，外部親水。
  • 繪製：可以繪製數個葡萄糖單元透過 $\alpha$-1,4 鍵連接的片段，並示意其螺旋結構。

  ---[Glc]$\alpha$-1,4-[Glc]$\alpha$-1,4-[Glc]$\alpha$-1,4-[Glc]--- (簡化表示)
  

  可以繪製一個螺旋結構示意圖。

• 支鏈澱粉 (Amylopectin)：

  • 結構：也是由葡萄糖單元透過 $\alpha$-1,4 醣苷鍵連接而成，但每隔約 25-30 個葡萄糖單元，就會有一個 $\alpha$-1,6 醣苷鍵，形成一個分支點。這使得支鏈澱粉呈高度分支的樹狀結構。
  • 繪製：可以繪製一個長鏈，其中包含 $\alpha$-1,4 鍵和 $\alpha$-1,6 鍵的連接點，示意其分支結構。

  ---[Glc]$\alpha$-1,4-[Glc]$\alpha$-1,4-[Glc]$\alpha$-1,6-[Glc]$\alpha$-1,4-[Glc]---
               |
            [Glc]$\alpha$-1,4-[Glc]...
  

  (需要示意分支點。)

• 對澱粉糊化性質和儲存品質的影響：

  • 糊化性質 (Pasting Properties)：

    • 直鏈澱粉：由於其緊密的螺旋結構和較低的溶解度，直鏈澱粉在加熱時需要更高的溫度才能糊化，且糊化程度相對較低。它有助於形成較強的凝膠網絡。
    • 支鏈澱粉：由於其高度分支結構，支鏈澱粉更容易吸水，糊化溫度較低，糊化程度高，能形成更黏稠的糊。
    • 澱粉體系：澱粉的糊化性質是直鏈澱粉和支鏈澱粉比例的綜合結果。高直鏈澱粉的澱粉（如糯米，直鏈澱粉含量低）糊化後黏度較低，但凝膠性強；高支鏈澱粉的澱粉（如玉米澱粉）糊化後黏度高，但凝膠性可能較弱。

  • 儲存品質（老化/回凝 retrogradation）：

    • 直鏈澱粉：老化現象（回凝）更為顯著。在冷卻和儲存過程中，直鏈澱粉分子容易重新排列，形成結晶結構，導致澱粉凝膠體系變硬、體積收縮、釋出水分（出水 syneresis）。
    • 支鏈澱粉：由於其分支結構，分子鏈不易緊密排列，因此老化現象相對較弱，凝膠的穩定性較好，不易出水。
    • 澱粉體系：含有較高直鏈澱粉的澱粉，其凝膠在儲存過程中更容易老化變硬。含有較高支鏈澱粉的澱粉，其凝膠在儲存過程中更穩定，不易老化。

總結：直鏈澱粉傾向於形成緊密螺旋和強凝膠，但易老化；支鏈澱粉分支多，易糊化，黏度高，但老化較弱。這兩種成分的比例決定了澱粉糊化時的黏度、糊化溫度，以及冷卻儲存後的凝膠硬度、穩定性和出水現象。

(c) 請繪製高甲氧基果膠 (HMP) 和低甲氧基果膠 (LMP) 的結構。它們的膠凝機制有何不同？ (Please draw the structures of high methoxyl pectin (HMP) and low methoxyl pectin (LMP). What are the differences in their gelling mechanisms?)

果膠 (Pectin) 是一種由 $\alpha$-1,4 連接的 D-半乳糖醛酸 (D-galacturonic acid) 單元組成的多醣，其部分羧基被甲醇酯化。

• 高甲氧基果膠 (High Methoxyl Pectin, HMP)：
  • 結構：其特點是甲酯化度 (degree of esterification, DE) 較高，通常大於 50%。

本題組探討食品中的色素及其在不同條件下的變化。

(a) 為什麼肉類表面顏色會從紫紅色變為鮮紅色，再變為褐色，如果長時間置於室溫下？ (Why does the surface color of meat change from purple-red to bright red, and again to brown, if it is placed at room temperature for a long time?)

肉類的顏色主要由肌紅蛋白 (myoglobin) 決定，其顏色變化與氧氣的結合狀態和氧化程度有關。

1. 紫紅色 (Purple-red)：

   • 原因：剛宰殺的動物體內，血液循環停止，組織缺氧。此時，肌紅蛋白主要以脫氧肌紅蛋白 (deoxymyoglobin) 的形式存在。脫氧肌紅蛋白與氧氣的親和力很低，在無氧或低氧環境下，其鐵離子處於二價 (Fe$^{2+}$) 狀態，呈現出較深的紫紅色。這是新鮮肉類在真空包裝或缺氧狀態下的顏色。

2. 鮮紅色 (Bright Red)：

   • 原因：當肉類接觸到空氣（氧氣）後，脫氧肌紅蛋白的鐵離子 (Fe$^{2+}$) 會與氧氣結合，形成氧合肌紅蛋白 (oxymyoglobin)。氧合肌紅蛋白的結構與脫氧肌紅蛋白相似，鐵離子仍為二價 (Fe$^{2+}$)，但結構發生了輕微變化，使其呈現出明亮的鮮紅色。這是人們在超市看到的新鮮肉類顏色。
   • 反應：
     Deoxymyoglobin (Fe$^{2+}$) + $O_2$ $\rightarrow$ Oxymyoglobin (Fe$^{2+}$)

3. 褐色 (Brown)：

   • 原因：長時間置於室溫下，氧氣和微生物的作用會導致肌紅蛋白進一步氧化。
     • 氧化 (Oxidation)：氧合肌紅蛋白中的鐵離子 (Fe$^{2+}$) 會被氧化成三價 (Fe$^{3+}$) 狀態，形成變性肌紅蛋白 (metmyoglobin)。變性肌紅蛋白的顏色為褐色。
     • 微生物作用：隨著時間推移，肉類表面的微生物會生長，它們產生的酶也會催化肌紅蛋白的氧化，加速變性肌紅蛋白的形成。
   • 反應：
     Oxymyoglobin (Fe$^{2+}$) + $O_2$ $\rightarrow$ Metmyoglobin (Fe$^{3+}$) + $H_2O$ (此反應受多種因素影響，可能為酶促或非酶促氧化)
     或者更簡化地：
     Myoglobin (Fe$^{2+}$) $\xrightarrow{O_2, 時間, 室溫}$ Metmyoglobin (Fe$^{3+}$)
   • 結論：這種變褐色是肉類開始變質的標誌之一。

總結：肉類的顏色變化是肌紅蛋白在不同氧氣環境和氧化狀態下的表現：缺氧時呈紫紅色（脫氧肌紅蛋白），接觸空氣後呈鮮紅色（氧合肌紅蛋白），長時間暴露於空氣或受微生物作用後，鐵離子被氧化成三價，呈褐色（變性肌紅蛋白）。

(b) 請解釋葉綠素 (chlorophyll) 在酶（葉綠素酶, chlorophyllase）、酸和熱條件下，顏色變化的反應。 (Please explain the reaction of chlorophyll under enzyme (chlorophyllase), acid and heat conditions on the changes of color?)

葉綠素是植物中主要的綠色色素，其結構中包含一個鎂離子和一個相對不穩定的酯基（通常是甲酯基）。