113 年 國立嘉義大學食品科學系碩士班食品科技組《食品化學》

本題主要考驗學生對牛奶蛋白質的分類、功能性差異及其在食品應用上的知識。

牛奶蛋白質主要可分為兩大類：酪蛋白（casein）與乳清蛋白（whey protein）。

1. 酪蛋白 (Casein)：

   • 結構與特性：酪蛋白占牛奶蛋白質的 80%，以膠束（micelles）的形式存在，膠束結構穩定，不溶於水，但可被酸或酵素（如凝乳酶 chymosin）破壞而沉澱。
   • 功能性：
     • 乳化性 (Emulsification)：酪蛋白膠束具有親水和疏水區域，能穩定油水界面，故具有良好的乳化性。
     • 起泡性 (Foaming)：能形成穩定的泡沫結構。
     • 凝膠性 (Gelling)：加熱或酸處理後易形成凝膠，是優格、起司等產品的基礎。
     • 保水性 (Water binding)：能結合大量水分。
     • 營養價值：富含磷、鈣等礦物質，提供豐富的胺基酸。
   • 食品應用：起司（cheese）、優格（yogurt）、鮮奶油（cream）、煉乳（condensed milk）、嬰兒配方奶粉。

2. 乳清蛋白 (Whey Protein)：

   • 結構與特性：占牛奶蛋白質的 20%，主要包含 $\beta$-乳球蛋白（$\beta$-lactoglobulin, $\beta$-LG）、$\alpha$-乳白蛋白（$\alpha$-lactalbumin, $\alpha$-LA）、牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA）、免疫球蛋白（immunoglobulins, Ig）和乳鐵蛋白（lactoferrin, LF）等。乳清蛋白是可溶性蛋白質。
   • 功能性：
     • 凝膠性 (Gelling)：加熱後容易變性並形成凝膠，但其凝膠特性受 pH、離子強度和加熱條件影響較大，通常比酪蛋白形成的凝膠質地較軟。

本題考驗學生對小麥蛋白質分類、麵筋蛋白的組成與功能，以及其對麵糰流變特性與麵包品質影響的理解。

小麥蛋白質根據其在不同溶劑中的溶解性，可分為四類：

1. 白蛋白 (Albumin)：

   • 溶解性：可溶於水。
   • 含量：約佔小麥總蛋白質的 10-15%。
   • 功能：主要為酵素，對麵糰的發酵和儲存有影響，但對麵糰結構影響不大。

2. 球蛋白 (Globulin)：

   • 溶解性：可溶於稀鹽溶液（如 0.01 M NaCl）。
   • 含量：約佔小麥總蛋白質的 10-15%。
   • 功能：與白蛋白類似，對麵糰結構影響不大。

3. 醇溶蛋白 (Prolamin)：

   • 溶解性：可溶於酒精（如 70-80% 乙醇）。
   • 含量：約佔小麥總蛋白質的 30-40%。
   • 代表性蛋白質：麥醇溶蛋白 (Gliadin)。
   • 功能： gliadin 具有黏滯性（viscosity），能潤滑蛋白質分子，使其在受力時能滑動，有助於形成麵糰的延展性。

4. 穀蛋白 (Glutelin)：

   • 溶解性：不溶於水、稀鹽溶液和酒精，但可溶於稀酸、稀鹼或清潔劑溶液。
   • 含量：約佔小麥總蛋白質的 30-40%。
   • 代表性蛋白質：麥麩蛋白 (Glutenin)。
   • 功能： glutenin 由於其分子間的二硫鍵（disulfide bonds），形成高分子量的網絡結構，賦予麵糰彈性（elasticity）和強度（strength）。

麵筋蛋白 (Gluten Protein)：
小麥蛋白質中的醇溶蛋白 (Gliadin) 和穀蛋白 (Glutenin) 合稱為麵筋蛋白。這兩類蛋白質是形成麵糰延展性和彈性的關鍵。當小麥粉與水混合並揉捏時，這兩類蛋白質會在水的作用下，在氧化還原條件下形成三維網絡結構，即麵筋（gluten）。

麵筋蛋白與麵糰流變特性 (Dough Rheological Properties) 的關係：

• 延展性 (Extensibility)：主要由 gliadin 貢獻。gliadin 分子之間的疏水作用和氫鍵，以及其較小的分子量，使其能夠滑動和伸展，賦予麵糰延展性。

本題考驗學生對酪梨加熱產生苦味的原因及其改善方法的知識。

酪梨（Avocado）加熱後產生苦味是一個常見的食品加工問題，其可能的原因和改善方法如下：

造成苦味產生的可能因素：

1. 脂肪氧化產物：酪梨富含脂肪，加熱過程可能加速脂肪氧化。脂肪氧化過程中會產生許多小分子化合物，其中一些具有苦味，例如醛類（aldehydes）和酮類（ketones）。
2. 酵素活性：酪梨含有多種酵素，如脂肪氧化酶（lipoxygenase, LOX）和多酚氧化酶（polyphenol oxidase, PPO）。在加熱過程中，如果酵素未被完全鈍化，這些酵素可能催化產生苦味的化合物。例如，LOX 可能催化不飽和脂肪酸產生過氧化物，進一步分解產生苦味物質。PPO 則可能參與酚類物質的氧化，產生苦味。
3. 硫化物 (Sulfur compounds)：酪梨含有含硫化合物，如穀胱甘肽（glutathione）和特定的胜肽。在加熱過程中，這些化合物可能被分解或轉化，產生具有苦味的含硫物質，例如硫醚（thioethers）或某些硫醇（thiols）。
4. 苦味前驅物 (Bitterness precursors)：酪梨果肉中可能含有天然的苦味前驅物，這些物質本身不一定有明顯苦味，但在加熱、pH 變化或酵素作用下，會轉化為具有明顯苦味的分子。
5. 蛋白質變性與水解：加熱會導致蛋白質變性。如果酪梨中存在特定的胜肽（peptides），其苦味可能會在加熱變性過程中被釋放出來，或者蛋白質的水解產物中包含苦味胜肽。

如何改善苦味：

1. 快速鈍化酵素活性：
   • 快速加熱：採用高溫短時（如蒸、煮、烤）的加熱方式，能迅速鈍化影響苦味產生的酵素活性，防止其進一步作用。
   • pH 控制：調整 pH 值至酵素活性較低的範圍（例如，對 PPO 而言，酸性 pH 活性較低）。
   • 添加抑制劑：在加工過程中，可考慮添加酵素抑制劑，但需注意食品安全與法規。

本題考驗學生對油脂劣變（rancidity）的作用機制，特別是針對酪梨這種高油脂水果的理解，以及相應的改善措施。

酪梨是一種高油脂水果，其油脂主要為單元不飽和脂肪酸（如油酸 oleic acid）和多元不飽和脂肪酸（如亞麻油酸 linoleic acid）。這些不飽和脂肪酸由於其分子結構中含有雙鍵，較容易受到環境因素的影響而發生化學變化，導致油脂劣變。

油脂劣變的作用機制：

油脂劣變主要有兩種形式：水解劣變（hydrolytic rancidity）和氧化劣變（oxidative rancidity）。對於酪梨而言，氧化劣變是更主要的儲存期間問題。

1. 水解劣變 (Hydrolytic Rancidity)：

   • 機制：在水分、溫度和某些微生物或酵素（如脂肪酶 lipase）的作用下，甘油三酯（triglycerides）的水解，產生游離脂肪酸（free fatty acids, FFAs）和甘油（glycerol）。
   • 影響：游離脂肪酸本身有些具有不良風味，但更重要的是，它們可以作為氧化反應的催化劑，加速氧化劣變。

2. 氧化劣變 (Oxidative Rancidity)：

   • 機制：這是最常見且對品質影響最大的劣變形式，主要發生在含有不飽和脂肪酸的油脂中。氧化劣變是一個自由基鏈鎖反應，可分為三個階段：
     a. 起始階段 (Initiation)：在光、熱、金屬離子（如銅、鐵）、氧氣或過氧化物等引發劑的作用下，脂肪酸分子中的亞甲基（-CH2-）被奪走一個氫原子，形成一個不穩定的自由基（R·）。
     $RH \rightarrow R· + H·$
     b. 傳播階段 (Propagation)：
     * 脂肪自由基 R· 與氧氣迅速反應，生成過氧自由基（ROO·）。
     $R· + O_2 \rightarrow ROO·$
     * 過氧自由基 ROO· 從另一個脂肪酸分子 RH 中奪取氫原子，生成氫過氧化物（hydroperoxide, ROOH）和新的脂肪自由基 R·，使反應得以延續。
     $ROO· + RH \rightarrow ROOH + R·$
     * 氫過氧化物 ROOH 在熱、光或金屬離子催化下，分解產生新的自由基（如 RO· 和 OH·），進一步引發新的鏈鎖反應。
     $ROOH \rightarrow RO· + ·OH$
     c. 終止階段 (Termination)：當兩個自由基相遇並結合，形成穩定的非自由基產物時，鏈鎖反應停止。
     $R· + R· \rightarrow R-R$
     $ROO· + ROO· \rightarrow Non-radical products + O_2$
     $R· + ROO· \rightarrow ROOR$
   • 產物：氧化反應產生許多次級代謝產物，包括過氧化物（hydroperoxides）、醛類（aldehydes）、酮類（ketones）、短鏈脂肪酸、環氧化物等。這些產物中的醛酮類化合物通常具有強烈的異味（如哈喇味 rancid odor），導致油脂產生不良風味。

本題為解釋名詞題，考驗學生對食品化學中幾個重要概念的理解。

1. Reducing Sugar (還原醣)

• 定義：還原醣是指分子中含有游離的醛基（aldehyde group）或酮基（ketone group），或者在鹼性溶液中可以轉化為含有醛基或酮基的半縮醛（hemiacetal）或半縮酮（hemiketal）結構的醣類。
• 化學性質：這些游離的醛基或酮基具有還原性，能夠將金屬離子（如 Cu$^{2+}$、Ag$^{+}$）還原成低價態金屬（如 Cu$^{+}$、Ag），同時醣類本身被氧化。
• 例子：
  • 單醣 (Monosaccharides)：所有單醣都是還原醣，包括葡萄糖（glucose）、果糖（fructose，雖然是酮糖，但在鹼性條件下會異構化為醛糖）、半乳糖（galactose）等。
  • 雙醣 (Disaccharides)：只有當兩個單醣之間的糖苷鍵（glycosidic bond）不是透過兩個單醣的異頭碳（anomeric carbon）連接時，該雙醣才是還原醣。例如：
    • 麥芽糖（maltose）：由兩個葡萄糖組成，其中一個葡萄糖的異頭碳與另一個葡萄糖的 C4 位連接，剩餘一個葡萄糖的異頭碳是游離的，故為還原醣。
    • 乳糖（lactose）：由葡萄糖和半乳糖組成，同樣具有游離的異頭碳，為還原醣。
    • 蔗糖（sucrose）：由葡萄糖和果糖組成，兩個單醣的異頭碳都參與形成糖苷鍵，無游離醛基或酮基，故為非還原醣。
• 應用：還原醣的還原性是其重要的化學性質，常用於食品分析（如斐林試驗 Fehling's test、班氏試驗 Benedict's test）來檢測和定量醣類。同時，還原醣也是美拉德反應（Maillard reaction）的關鍵反應物之一。

2. Non-enzymatic Browning (非酵素性褐變)

• 定義：非酵素性褐變是指在食品加工和儲存過程中，不涉及酵素催化而發生的褐變現象。它主要包括兩種機制：
  a. 美拉德反應 (Maillard reaction)：這是最常見的非酵素性褐變。它發生於還原醣與胺基酸、胜肽或蛋白質的胺基（amino group）之間，在適當的溫度、pH 和水分條件下進行的一系列複雜反應。
  * 階段：包括初始階段（形成糖胺 Schiff 鹼，再重排形成 Amadori 產物）、中間階段（Amadori 產物脫水、裂解，形成類黑精前驅物 dehydro-reductones 和 dicarbonyls）和終止階段（類黑精前驅物聚合、縮合，形成棕色、高分子量的類黑精 melanoidins）。
  * 產物：產生棕色色素（類黑精）、揮發性風味物質（如吡嗪 pyrazines、呋喃 furan、酮類 ketones 等），以及一些營養素的損失（如離胺酸）。
  b. 焦糖化反應 (Caramelization)：這是指醣類在無胺基化合物存在下，在高溫加熱時發生的脫水、裂解、聚合反應，形成棕色色素和風味物質。
  * 特點：主要發生在高溫（通常高於 160°C）下，與美拉德反應相比，焦糖化反應產生的風味物質類型不同，且不產生複雜的揮發性風味群。
• 影響：非酵素性褐變會顯著改變食品的顏色、風味、香氣和營養價值。適度的褐變可以增加食品的吸引力（如烘焙食品的色澤和香氣），但過度的褐變可能導致不良風味和營養素損失。