113 年 國立嘉義大學食品科學系碩士班保健食品組《生物化學及食品微生物》

本題主要考查食品微生物學中關於食品保存的策略。Hurdle technology 是一種結合多種食品保存因子（hurdles）來抑制微生物生長的方法，以達到延長食品保存期限並維持食品品質的目的。

核心觀念： Hurdle technology 是一種「多重障礙」策略，透過結合多種對微生物生長不利的因素，達到單一因素無法達成的抑菌效果。

原理說明：
Hurdle technology 的基本原理是利用多種對微生物生長有抑制作用的因子（即 "hurdles"），這些因子單獨使用時可能效果有限，但當它們結合在一起時，卻能產生協同效應，顯著抑制微生物的生長和繁殖。每種 "hurdle" 都會對微生物的生理機能造成一定的壓力，例如破壞細胞膜、影響酵素活性、干擾能量代謝、抑制基因表現等。當多種壓力同時作用時，微生物的總體生存能力會大幅下降，甚至導致死亡。

常見的 Hurdle 因子包括：

1. 溫度： 高溫（如加熱殺菌）或低溫（如冷藏、冷凍）。
2. pH 值： 酸性環境（如添加醋、檸檬酸）或鹼性環境。
3. 水活性 (Water Activity, $a_w$)： 低水活性（如添加鹽、糖，或乾燥）。
4. 氧化還原電位 (Redox Potential, $E_h$)： 低 $E_h$（厭氧環境，如真空包裝）或高 $E_h$（好氧環境，配合抗氧化劑）。
5. 添加物： 防腐劑（如山梨酸、苯甲酸）、抗生素、其他天然抑菌物質（如大蒜素、乳酸）。
6. 大氣組成： 修改包裝內的氣體成分，如使用高二氧化碳（MAP, Modified Atmosphere Packaging）或低氧氣。
7. 微生物本身： 利用益生菌或發酵菌種的代謝產物來抑制病原菌。

本題主要考查食品微生物學中關於乳酸菌發酵的兩種主要途徑。

核心觀念： 乳酸發酵是微生物將醣類轉化為乳酸的過程，但產物的種類和比例因菌種和代謝途徑的不同而有差異。

同質乳酸發酵 (Homolactic Acid Fermentation)：

• 定義： 指的是一種乳酸發酵途徑，其中絕大多數（通常超過 90%）的醣類（主要是葡萄糖）被轉化為乳酸。
• 代謝途徑： 主要透過 Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) 途徑（即糖解作用）將葡萄糖分解為丙酮酸 (pyruvate)。接著，丙酮酸被還原為乳酸，此步驟由乳酸脫氫酶 (Lactate dehydrogenase, LDH) 催化，並利用 NADH 作為還原劑。
  • 反應式示意：
    葡萄糖 $\rightarrow$ 2 丙酮酸
    2 丙酮酸 + 2 NADH + 2 H$^+$ $\rightarrow$ 2 乳酸 + 2 NAD$^+$
  • 總反應式（以葡萄糖為例）：
    $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2 CH_3CH(OH)COOH$
• 產物： 主要產物是乳酸。其他副產物極少，通常是微量的乙酸、乙醇等。
• 產能： 每分子葡萄糖大約產生 2 個 ATP（來自糖解作用）。
• 代表菌種： 大部分常見的乳酸菌，如 Lactococcus lactis、Streptococcus thermophilus、Lactobacillus delbrueckii 等。
• 應用： 製作優格、起司、酸奶等。

異質乳酸發酵 (Heterolactic Acid Fermentation)：

• 定義： 指的是一種乳酸發酵途徑，其中除了乳酸外，還會產生多種其他代謝產物，如乙醇、乙酸、二氧化碳等。乳酸的產量相對較少。
• 代謝途徑： 主要透過磷酸酮葡萄糖途徑 (Phosphoketolase pathway) 或稱爲 6-磷酸葡萄糖酸途徑 (Pentose phosphate pathway) 來分解醣類。此途徑將葡萄糖轉化為丙酮酸，但過程較為複雜，會產生 CO$_2$ 和其他中間產物。最終，丙酮酸被轉化為乳酸，但同時也產生其他產物。
  • 反應式示意（此途徑較複雜，簡化說明）：
    葡萄糖 + NAD$^+$ + ADP + P$_i$ $\rightarrow$ 乳酸 + 乙酸 + 乙醇 + CO$_2$ + ATP + H$_2$O
  • 總反應式（以葡萄糖為例，產物比例變動大）：
    $C_6H_{12}O_6 \rightarrow$ 乳酸 + 乙酸 + CO$_2$ + 乙醇 (等)
• 產物： 主要產物是乳酸、乙酸、乙醇、二氧化碳。產物的比例因菌種、基質和發酵條件而異。
• 產能： 每分子葡萄糖產生的 ATP 量通常少於同質發酵，大約 1 個 ATP。

本題考查生化學中關於肝臟與肌肉之間能量及物質代謝的循環途徑。

核心觀念： Cori cycle 和 Glucose-alanine cycle 是體內重要的碳水化合物和胺基酸代謝循環，主要涉及肝臟和肌肉之間的協同作用，以維持血糖恆定和能量平衡。

1. Cori Cycle (柯氏循環)

• 途徑：
  Cori cycle 是一個在肝臟和肌肉之間進行的循環，主要涉及葡萄糖和乳酸的相互轉化。

  1. 肌肉進行無氧呼吸： 在劇烈運動或缺氧條件下，肌肉細胞主要透過糖解作用將葡萄糖分解為丙酮酸，進而將丙酮酸還原為乳酸。此過程不消耗氧氣，但 ATP 產量較少（2 ATP/葡萄糖）。
  2. 乳酸釋放到血液： 肌肉產生的乳酸會被釋放到血液中。
  3. 肝臟攝取乳酸： 血液中的乳酸被肝臟攝取。
  4. 肝臟進行糖質新生 (Gluconeogenesis)： 在肝臟中，乳酸在乳酸脫氫酶 (Lactate dehydrogenase, LDH) 的作用下被氧化為丙酮酸（與肌肉的反應相反）。接著，丙酮酸經過一系列酶促反應（包括丙酮酸羧化酶、PEP 羧激酶、果糖-1,6-雙磷酸酶、葡萄糖-6-磷酸酶等），在消耗 ATP 和 GTP 的情況下，重新合成為葡萄糖。
  5. 肝臟釋放葡萄糖： 肝臟產生的葡萄糖會釋放到血液中，供肌肉及其他組織使用。

• 功能：

  • 回收乳酸： 將肌肉產生的乳酸回收，避免其在肌肉中過度累積導致 pH 下降而影響肌肉功能。
  • 維持血糖恆定： 在飢餓或劇烈運動時，肝臟透過此循環將乳酸轉化為葡萄糖，補充血液中的葡萄糖濃度。
  • 能量再利用： 將肌肉無氧呼吸產生的乳酸作為肝臟合成葡萄糖的碳源。

• 重要性：

  • Cori cycle 在維持血糖水平，尤其是在飢餓狀態下，扮演關鍵角色。
  • 它也是運動生理學中的重要概念，解釋了為何運動後身體能清除累積的乳酸，並補充能量儲備。
  • 此循環的效率受到肝臟酶活性的影響，例如在糖尿病或肝功能異常時，Cori cycle 的功能可能受損。

2. Glucose-Alanine Cycle (葡萄糖-丙胺酸循環)

• 途徑：
  Glucose-alanine cycle 是另一個肝臟和肌肉之間進行的循環，主要涉及葡萄糖和胺基酸（特別是丙胺酸）的轉運。
  1. 肌肉分解胺基酸： 在飢餓狀態或蛋白質分解代謝增加時，肌肉細胞會分解胺基酸以獲取能量（通過三羧酸循環）或作為其他代謝物的來源。胺基被轉移到丙酮酸上，形成丙胺酸。
  2. 肝臟攝取丙胺酸： 肌肉產生的丙胺酸會被釋放到血液中，運送到肝臟。
  3. 肝臟進行糖質新生： 在肝臟中，丙胺酸透過轉胺酶 (transaminase) 的作用，將胺基轉移到 $\alpha$-酮戊二酸上，釋放出丙酮酸。隨後，丙酮酸經過糖質新生途徑轉化為葡萄糖。
  4. 肝臟釋放葡萄糖： 肝臟產生的葡萄糖釋放到血液中，供肌肉及其他組織使用。

本題考查生物化學中關於磷脂質的結構、特性及其在細胞膜中的排列，以及酶促水解的產物。

核心觀念： 磷脂質是構成細胞膜的主要成分，具有兩親性（amphipathic）結構，即同時含有疏水和親水部分。這種結構決定了它們在水性環境中的自組裝行為，以及與細胞膜的相互作用。

1. 磷脂質分子的結構與兩親性

圖片顯示的是一個典型的磷脂質分子，其結構包含以下幾個部分：

• 頭部 (Head group)： 通常是帶有電荷或極性的基團，例如磷酸基團、膽鹼基團（如圖中的 -P-O-CH$_2$CH$_2$N(CH$_3$)$_3^+$）等。這個部分是親水性的。
• 甘油骨架 (Glycerol backbone)： 連接頭部和尾部的中心結構。
• 尾部 (Tail)： 由兩個脂肪酸鏈組成，通常是長鏈烴基（R$_1$ 和 R$_2$），它們是疏水性的。

疏水性端： 兩個長脂肪酸鏈 (R$_1$ 和 R$_2$)。
親水性端： 磷酸基團及其連接的膽鹼基團（-O-P-O-CH$_2$CH$_2$N(CH$_3$)$_3^+$）。

2. 在細胞膜中的排列方位

由於磷脂質的兩親性，在水性環境（如細胞內外環境）中，它們會自發地形成脂雙層 (lipid bilayer)。

• 排列方位：
  • 親水性頭部朝向細胞膜的外部（細胞外液）和內部（細胞質），與水分子接觸。
  • 疏水性尾部則相互聚集在脂雙層的內部，避開水分子，形成一個疏水的核心。

這種排列方式形成了細胞膜的基本結構，既能阻擋水溶性物質通過，又能保持細胞的完整性。

3. Phospholipase 酶作用後的產物

Phospholipases 是一類能夠水解磷脂質的酶，根據它們作用的鍵位不同，分為 A1、A2、C、D 四種類型。圖示的磷脂質分子結構為：
$(R_1) \text{-CO-O-} \text{CH}_2$
$\qquad \quad |$
$\qquad \quad \text{CH-O-CO-(R}_2\text{)}$
$\qquad \quad |$
$\qquad \quad \text{CH}_2\text{-O-P(=O)(O}^-\text{)-O-CH}_2\text{CH}_2\text{N(CH}_3\text{)}_3^+$ (膽鹼部分)

其中，R$_1$ 和 R$_2$ 代表醯基 (acyl group)。

• Phospholipase A1 (PLA$_1$)：
  • 作用鍵位：水解與甘油 C1 位連接的脂肪酸鏈。
  • 產物：
    1. 游離脂肪酸 (Free fatty acid)： R$_1$-COOH (來自 C1 位)

本題考查生物化學與食品微生物學中的基礎名詞解釋。

1. Mesophiles

• 定義： Mesophiles（中溫菌）是一類微生物，它們在其中溫度的範圍內生長得最好。
• 溫度範圍： 這個溫度範圍通常介於約 20°C 到 45°C 之間。
• 重要性：
  • 許多對人類和動物致病的細菌都屬於中溫菌，例如引起食物中毒的 Salmonella、Staphylococcus aureus、Escherichia coli 等。
  • 許多在食品加工和發酵過程中使用的微生物（如乳酸菌、酵母菌）也屬於中溫菌。
  • 它們的生長對食品安全和品質有重要影響，需要在適當的溫度下儲存和處理，以防止其過度繁殖。

2. Pasteurization

• 定義： Pasteurization（巴氏殺菌法）是一種食品（特別是液體食品，如牛奶、果汁、啤酒）的熱處理方法，旨在殺死或抑制大部分引起疾病的微生物和腐敗微生物，同時最大限度地減少對食品感官和營養品質的影響。
• 原理： 利用溫度和時間的組合來破壞微生物的細胞結構和酶活性。
• 常見方法：
  • 高溫短時 (HTST, High-Temperature Short-Time)： 例如，牛奶通常在 72°C 加熱 15 秒。
  • 超高溫滅菌 (UHT, Ultra-High Temperature)： 例如，牛奶在 135-150°C 加熱 1-2 秒，可達到商業無菌，延長貨架期。
• 目的： 提高食品的安全性，延長其保存期限，但通常不能殺死所有微生物（如耐熱的細菌芽孢），因此處理後的產品仍需冷藏保存。

3. Ceramide

• 定義： Ceramide（神經醯胺）是一種神經鞘脂 (sphingolipid) 的主要結構成分。它由一個脂肪酸鏈與一個鞘氨醇 (sphingosine) 分子通過醯胺鍵 (amide linkage) 連接而成。
• 結構：
  • 鞘氨醇 (Sphingosine)： 一個具有長鏈的胺基醇。
  • 脂肪酸 (Fatty acid)： 一個長鏈羧酸，通過醯胺鍵連接到鞘氨醇的胺基上。
• 功能與重要性：