114 年 國立臺灣大學食品科技研究所甲組《食品化學》

本題主要考查澱粉轉化為果糖糖漿的化學原理及其與蔗糖組成的差異。

澱粉轉化為果糖糖漿的過程：
工業上，澱粉（主要成分為直鏈澱粉 Amylose 和支鏈澱粉 Amylopectin）轉化為果糖糖漿（高果糖玉米糖漿 High Fructose Corn Syrup, HFCS）主要經過兩個步驟：

1. 澱粉水解 (Starch Hydrolysis)： 在酸或酵素（如 α-澱粉酶 α-amylase）的作用下，澱粉分子中的醣苷鍵 (glycosidic bond) 被水解，斷裂成長鏈的糊精 (dextrins) 和短鏈的寡糖 (oligosaccharides)，最終生成葡萄糖 (glucose)。
   • 化學反應式示意：
     (Glucose)$_n$ + H$_2$O → (Glucose)$_{n-1}$ + Glucose
2. 葡萄糖異構化 (Glucose Isomerization)： 在鹼性條件下，利用葡萄糖異構酶 (glucose isomerase, 亦稱葡萄糖-果糖異構酶 glucose-fructose isomerase) 的作用，將葡萄糖分子中的醛基 (aldehyde group) 轉化為酮基 (ketone group)，從而生成果糖 (fructose)。這個反應是可逆的，最終產物會達到一個動態平衡，通常 HFCS 的果糖含量在 42% 或 55% 左右，剩餘為葡萄糖和少量其他糖類。

本題考查食品化學中的褐變反應，要求區分酵素性褐變與非酵素性褐變的差異、影響及控制方法。

一、 酵素性褐變 (Enzymatic Browning)

1. 定義與反應機制： 酵素性褐變主要發生在富含多酚類化合物 (polyphenols) 和酚類化合物 (phenols) 的植物性食品中。它需要氧氣、酚類物質和酚氧化酶 (polyphenol oxidase, PPO) 這三個要素共同作用。

   • 第一步： 酚氧化酶將酚類化合物氧化成鄰醌 (o-quinones)。
   • 第二步： 鄰醌具有高度反應性，會進一步發生分子內或分子間的聚合反應，生成深色的類黑素 (melanins)。
   • 化學反應示意：
     Phenols + O$_2$ $\xrightarrow{\text{Polyphenol Oxidase}}$ o-Quinones $\rightarrow$ Melanins (Brown pigments)

2. 實例：

   • 蘋果、香蕉、馬鈴薯等水果和蔬菜在削皮或切割後，暴露於空氣中會迅速變褐色。
   • 茶葉的發酵過程（如紅茶的製備）也涉及酵素性褐變，茶葉中的兒茶素 (catechins) 在 PPO 作用下氧化，形成茶黃素 (theaflavins) 和茶紅素 (thearubigins)，賦予紅茶特有的顏色和風味。

3. 對食品品質的影響：

   • 顏色： 產生褐色或黑色，降低產品的外觀吸引力。
   • 風味： 可能產生不喜愛的風味。
   • 營養價值： 鄰醌可能與蛋白質或維生素反應，降低其營養價值。

4. 控制方法：

   • 隔絕氧氣： 真空包裝、充填惰性氣體（如氮氣）、浸泡在水中。
   • 抑制酵素活性：
     • 降低 pH 值： PPO 在酸性條件下活性較低。例如，在水果上淋檸檬汁（富含維生素 C，同時也呈酸性）。
     • 加熱殺菁 (Blanching)： 高溫處理可使 PPO 變性失活。這是茶葉、蔬菜加工中的常用方法。
     • 添加還原劑： 如維生素 C (ascorbic acid)，它能將生成的鄰醌還原回酚類化合物，同時自身被氧化，從而阻止褐變的進行。
   • 去除反應物：
     • 去除酚類物質： 例如，在某些加工過程中，可以透過浸泡或漂洗去除部分酚類。
     • 去除 PPO 酵素： 透過挑選低 PPO 活性的品種，或在加工前進行預處理（如離心）。

二、 非酵素性褐變 (Non-enzymatic Browning)

非酵素性褐變主要包括美拉德反應 (Maillard reaction) 和焦糖化反應 (Caramelization)。

1. 美拉德反應 (Maillard Reaction)
   • 定義與反應機制： 這是還原糖 (reducing sugar) 的羰基 (carbonyl group) 與胺基酸 (amino acid) 的胺基 (amino group) 之間的縮合反應， followed by a complex series of reactions including dehydration, fragmentation, and polymerization. 該反應通常需要在較高的溫度（通常 > 100°C）和較低的 pH 值（pH 3-7 較快）下進行，且水分含量適中（約 15-30%）。
     • 起始步驟： 還原糖的醛基/酮基與胺基酸的胺基反應，形成喜馬氏鹽 (Schiff base)，接著重排為類黑素 (Amadori product)。
     • 後續反應： 類黑素進一步脫水、降解，產生各種小分子化合物，如羰基化合物、醛類、酮類、呋喃類、吡咯類等，這些物質會進一步反應生成類黑素 (melanoidins)，即深褐色至黑色的聚合物。
   • 實例：
     • 烘焙食品（麵包、餅乾）表面的金黃色和香味。
     • 油炸食品（炸雞、薯條）的酥脆外層和色澤。
     • 烤肉、咖啡烘焙、煉乳加熱過程中的顏色和風味形成。
   • 對食品品質的影響：
     • 顏色： 產生誘人的金黃色至褐色。
     • 風味： 產生豐富的烘烤、堅果、肉類等風味。
     • 質地： 影響食品的質地，如麵包表皮的形成。
     • 營養價值： 可能導致某些胺基酸（如離氨酸）的生物利用度下降，維生素 B 群的合成或破壞。
     • 產生有害物質： 在高溫或長時間烹調下，可能產生丙烯醯胺 (acrylamide)、糖化終產物 (AGEs) 等。
   • 控制方法：
     • 調整 pH 值： 弱鹼性條件下反應較快。
     • 控制水分： 適當的水分含量有利於反應。
     • 控制溫度和時間： 高溫和長時間會加劇反應。
     • 添加亞硫酸鹽： 可與羰基化合物反應，抑制反應。

本題考查食品化學中，常見的雜環化合物（吡咯、呋喃、噻吩）的生成途徑及其對食品品質的影響。

一、 雜環化合物的生成途徑

吡咯 (Pyrrole)、呋喃 (Furan) 和噻吩 (Thiophene) 都是五元雜環化合物，它們在食品中的生成主要與高溫加工過程中的化學反應有關，特別是美拉德反應 (Maillard reaction) 和糖的焦糖化反應 (Caramelization)。

1. 美拉德反應的產物：

   • 呋喃類化合物： 在美拉德反應的後續階段，碳水化合物（還原糖）的降解和與胺基酸反應產生的中間產物，如 1,2-二羰基化合物 (1,2-dicarbonyl compounds)，可以進一步脫水、環化生成呋喃衍生物。例如，糠醛 (furfural) 和羥甲基糠醛 (hydroxymethylfurfural, HMF) 是常見的呋喃類化合物。
   • 吡咯類化合物： 在美拉德反應中，糖與胺基酸反應產生的其他中間產物，經過脫水、環化和胺化等反應，可以生成吡咯及其衍生物。例如，丙氨酸 (alanine) 和其他 α-胺基酸在高溫下分解，可以生成吡咯。
   • 噻吩類化合物： 雖然噻吩本身在食品中不如呋喃和吡咯常見，但含硫胺基酸（如半胱胺酸 cysteine, 甲硫胺酸 methionine）在美拉德反應或高溫降解過程中，硫原子可以參與反應，形成含硫的雜環化合物，其中一些結構可能類似噻吩，或作為前驅物。然而，直接生成純噻吩的途徑相對較少。

2. 糖的焦糖化反應：

   • 呋喃類化合物： 糖在高溫下的焦糖化反應是生成呋喃類化合物（如糠醛、HMF）的重要途徑。例如，己糖（如葡萄糖、果糖）在酸性條件下加熱脫水，可以生成 5-羥甲基-2-糠醛 (HMF)；戊糖（如阿拉伯糖）則易生成糠醛。

常見的加工程序：

• 高溫烘焙： 麵包、餅乾、蛋糕等。
• 油炸： 薯條、炸雞等。
• 烤製： 烤肉、烤魚、咖啡豆烘焙。
• 滅菌： UHT 滅菌的乳製品。

本題考查類黃酮化合物 (flavonoids) 的結構多樣性、分類、結構特徵、食物分布與健康影響。

一、 類黃酮化合物的結構多樣性

類黃酮化合物的共同結構特徵是擁有一個 C$_{6}$C$_{3}$C$_{6}$ 的骨幹，由兩個苯環 (A 和 B) 和一個連接兩者的三碳鏈 (C) 組成。這個三碳鏈 C 環繞成一個雜環（通常是六元環，但異黃酮是五元環），並帶有不同的氧化態和取代基，是造成類黃酮結構多樣性的主要原因。

C$_{6}$C$_{3}$C$_{6}$ 骨幹的結構表示：

• A 環：來自於聚酮酸途徑 (polyketide pathway)，通常是苯甲酸或其衍生物。
• C 環：由 A 環的側鏈碳原子和來自丙二酸酯 (malonate) 或其衍生物的碳原子組成。
• B 環：來自於莽草酸途徑 (shikimic acid pathway)，通常是苯丙酸 (phenylpropanoid) 的衍生物。

二、 主要類黃酮結構分類與說明

根據 C 環的氧化程度、雙鍵位置和取代基的差異，類黃酮可分為多個類別。以下是幾種常見類別的結構特徵：

1. 查爾酮 (Chalcones)：

   • 結構骨幹： C$_{6}$C$_{3}$C$_{6}$ 骨幹，但 C 環是開放的，呈線性鏈狀。即 B 環直接連接在 C3 鏈的兩端。
   • 特徵： C 環上通常有 1,2-不飽和羰基結構 (α,β-unsaturated carbonyl)。B 環上的取代基（如羥基）位置多樣。
   • 示意結構： B-C$_{6}$C$_{3}$-A

2. 黃酮 (Flavones)：

   • 結構骨幹： C$_{6}$C$_{3}$C$_{6}$ 骨幹，C 環為六元環，帶有雙鍵，且 C 環的 2 號位和 3 號位沒有羥基。
   • 特徵： C 環的 2 號位和 3 號位之間有一個雙鍵，C 環的 4 號位為羰基。B 環連接在 C2 位。
   • 示意結構： A-C$_{6}$C$_{3}$C$_{6}$-B (C環為六元環，2-3位有雙鍵，4位羰基)

3. 黃酮醇 (Flavonols)：

   • 結構骨幹： 在黃酮的基礎上，C 環的 3 號位額外增加一個羥基。
   • 特徵： C 環的 2 號位和 3 號位之間有雙鍵，3 號位有羥基，4 號位為羰基。
   • 示意結構： A-C$_{6}$C$_{3}$C$_{6}$-B (C環為六元環，2-3位有雙鍵，3位有羥基，4位羰基)
   • 常見例子： quercetin, kaempferol.

4. 黃烷酮 (Flavanones)：

   • 結構骨幹： C$_{6}$C$_{3}$C$_{6}$ 骨幹，C 環為飽和的六元環，且 C 環的 2 號位和 3 號位沒有雙鍵。
   • 特徵： C 環為飽和的六元環，B 環連接在 C2 位，4 號位為羰基。C3 位通常帶有羥基。
   • 示意結構： A-C$_{6}$C$_{3}$C$_{6}$-B (C環為飽和六元環，B環連C2，4位羰基)
   • 常見例子： naringenin (柚皮素), hesperetin (橙皮素).

5. 黃烷醇 (Flavanols/Flavan-3-ols)：

   • 結構骨幹： C$_{6}$C$_{3}$C$_{6}$ 骨幹，C 環為飽和的六元環，2 號位連接 B 環，3 號位帶有羥基。
   • 特徵： C 環為飽和的六元環，無羰基。B 環連接在 C2 位，C3 位有羥基。
   • 示意結構： A-C$_{6}$C$_{3}$C$_{6}$-B (C環為飽和六元環，B環連C2，3位有羥基，無羰基)
   • 常見例子： catechin (兒茶素), epicatechin (表兒茶素), gallocatechin. 這些是兒茶素類 (catechins)，是茶葉中的主要類黃酮。

本題考查食用油在高溫油炸過程中，因氧化而導致物化性質的改變，以及這些改變如何被監測。題目要求說明四個指標 (A, B, C, D) 隨油脂氧化程度的變化原因及檢測原理。圖中顯示四個指標的值隨時間 (Time) 的增加而變化，時間在此代表油炸的次數或時間長度，也間接代表油脂的氧化程度。

油脂氧化與物化性質改變的核心概念：
食用油在高溫、氧氣、光照、金屬離子等條件下，會發生自動氧化 (autoxidation)，主要經歷起始 (initiation)、傳播 (propagation) 和終止 (termination) 三個階段，生成過氧化物 (hydroperoxides)，這些過氧化物不穩定，會進一步分解產生多種氧化產物，如醛類、酮類、酸類、醇類、環氧化物等。這些氧化產物的生成會改變油脂的物理化學性質。

分析圖示：
圖中顯示：

• 指標 (A) 隨時間增加而顯著升高。
• 指標 (B) 隨時間增加而顯著升高。
• 指標 (C) 隨時間增加而顯著升高。
• 指標 (D) 隨時間增加而顯著升高。
  這表示這四個指標都隨著油脂氧化程度的增加而增加。

各指標可能的意義、變化原因及檢測原理：

(A) 酸價 (Acid Value, AV)

• 變化原因：
  油脂的自動氧化過程中，過氧化物 (hydroperoxides) 會進一步分解，產生不穩定的醛類、酮類，同時也會產生游離脂肪酸 (free fatty acids, FFAs)。這些游離脂肪酸的增加，導致油脂的酸價升高。
  R-OOH (過氧化物) $\rightarrow$ R-CHO (醛) + R-COOH (游離脂肪酸)
• 檢測原理：
  酸價是指 1 克油脂中所含游離脂肪酸，以氫氧化鉀 (KOH) 的毫克數表示。通常使用鹼（如 KOH）進行滴定。將一定量的油脂樣品溶解在有機溶劑（如酒精、乙醚的混合溶劑）中，然後用已知濃度的標準鹼溶液進行滴定，直至終點（通常使用酚酞指示劑，溶液呈粉紅色）。
  $AV = \frac{V \times M \times 56.1}{W}$
  其中：
  $V$ = 滴定消耗的標準鹼溶液體積 (mL)
  $M$ = 標準鹼溶液的莫耳濃度 (mol/L)
  $56.1$ = KOH 的分子量 (g/mol)
  $W$ = 樣品油脂的重量 (g)

(B) 過氧化物價 (Peroxide Value, PV)

• 變化原因：
  這是油脂自動氧化過程中的初級氧化產物。在油脂自動氧化起始階段，自由基從脂肪酸分子中奪取氫原子，形成烯丙基自由基，然後與氧氣反應生成烯丙基過氧化物。這些過氧化物在儲存和加工過程中會不斷累積，直至達到一定程度後開始分解。因此，PV 值直接反映了油脂氧化產生的過氧化物的含量。
• 檢測原理：
  過氧化物價是指 1 克油脂中所含的過氧化物，以所能釋放的碘的毫克當量數表示。常用的方法是碘量滴定法 (iodometric titration)。
  1. 將油脂樣品溶解在適當的溶劑中（如冰醋酸和氯仿的混合溶劑）。
  2. 加入飽和碘化鉀 (KI) 溶液，過氧化物會氧化碘離子 (I$^-$) 為碘 (I$_2$)。
     R-OOH + 2I$^-$ + 2H$^+$ $\rightarrow$ ROH + H$_2$O + I$_2$
  3. 釋放出的碘用標準硫代硫酸鈉 (Na$_2$S$_2$O$_3$) 溶液進行滴定，通常使用澱粉作為指示劑。
  4. 釋放出的碘量與過氧化物的含量成正比。

(C) 黏度 (Viscosity)

本題考查油脂氧化產生的風味物質 (E,E)-2,4-Decadienal 的結構及生成機制。

一、 (E,E)-2,4-Decadienal 的化學結構

(E,E)-2,4-Decadienal 是一個含有 10 個碳原子的不飽和醛。

• "Deca-" 表示有 10 個碳原子。
• "-dienal" 表示分子中含有兩個雙鍵，且末端為醛基 (-CHO)。
• "2,4-" 表示兩個雙鍵分別位於碳鏈的第 2 和第 4 個位置。
• "(E,E)-" 表示這兩個雙鍵都是 E 型（反式）構型的。

化學結構式：
$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH=CHCH=CHCHO}$
詳細寫出結構：
$\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}=\text{CH}-\text{CH}=\text{CH}-\text{CHO}$
其中，C2=C3 和 C4=C5 之間是雙鍵，且這兩個雙鍵都是 E 型（trans）構型。
碳原子編號從醛基的碳開始：
C1: CHO
C2=C3: 雙鍵 (E型)
C4=C5: 雙鍵 (E型)
C6-C10: -CH$_2$CH$_2$CH$_2$CH$_3$ (丁基)

二、 可能的生成機制

(E,E)-2,4-Decadienal 是油脂氧化過程中產生的重要風味物質，它通常不是直接由脂肪酸氧化生成，而是由更長鏈的脂肪酸（如亞油酸 linoleic acid 或亞麻油酸 linolenic acid）氧化產物經過進一步的分解和重排而來。

一種可能的生成機制是：

1. 起始： 亞油酸 (C18:2) 或亞麻油酸 (C18:3) 等不飽和脂肪酸在高溫或自由基引發下發生自動氧化，生成過氧化物。
2. 過氧化物分解： 過氧化物不穩定，會分解產生多種自由基，這些自由基會引發鏈反應，產生醛、酮、醇等氧化產物。
3. β-裂解 (beta-cleavage)： 在某些氧化產物（特別是過氧化物或其分解產物）中，會發生 β-裂解，這是一種斷裂 C-C 鍵的反應。

本題考查「不皂化物」的概念及其對油脂品質的影響。

一、 不皂化物 (Unsaponifiable Matter) 的定義

不皂化物是指在油脂的皂化反應 (saponification) 中，不與鹼反應而殘留在皂化物中的物質。油脂的主要成分是三酸甘油酯 (triglycerides)，它們與鹼（如 NaOH 或 KOH）反應後會水解生成甘油 (glycerol) 和脂肪酸鹽（肥皂 soap）。
$\text{Triglyceride} + 3\text{NaOH} \rightarrow \text{Glycerol} + 3\text{Fatty acid salt (Soap)}$
然而，油脂中除了三酸甘油酯外，還可能含有其他脂溶性成分，這些成分的結構不含酯鍵或酸性基團，因此無法與鹼反應生成水溶性鹽。這些不能被皂化的物質統稱為不皂化物。

不皂化物的成分：
不皂化物是一類複雜的混合物，其成分因油脂來源而異，常見的成分包括：

• 甾醇類 (Sterols)： 如膽固醇 (cholesterol，主要在動物性油脂中)、植物固醇 (phytosterols)，如 β-穀固醇 (β-sitosterol)、菜油固醇 (campesterol)、豆固醇 (stigmasterol) 等。
• 長鏈醇類 (Long-chain alcohols)： 如鯨蠟醇 (cetyl alcohol)。
• 烴類 (Hydrocarbons)： 如角鯊烯 (squalene)。
• 維生素 E (Tocopherols)： 是抗氧化劑。
• 類胡蘿蔔素 (Carotenoids)： 如維生素 A 的前驅物，賦予油脂顏色。
• 其他脂溶性色素、烴類、酯類 (但這些酯類結構特殊，不易水解)。

二、 不皂化物對油脂品質的影響

不皂化物對油脂品質的影響是多方面的，既有積極作用，也有可能帶來負面影響。

1. 積極影響：
   • 抗氧化性： 維生素 E (生育酚) 和某些甾醇具有抗氧化作用，有助於延緩油脂的氧化劣變，延長產品的貨架期。
   • 顏色： 類胡蘿蔔素等物質賦予油脂特定的顏色，影響產品的外觀。
   • 營養價值： 甾醇、維生素 E 等是人體必需的營養素。

本題考查 L-ascorbyl palmitate 在洋芋片中的作用及其原理。

一、 L-ascorbyl palmitate 的身份

L-ascorbyl palmitate 是維生素 C (L-ascorbic acid) 和棕櫚酸 (palmitic acid) 的酯化物。

• L-ascorbic acid (維生素 C)： 是一種水溶性抗氧化劑，具有很強的還原能力，能有效清除自由基。
• Palmitic acid (棕櫚酸)： 是一種飽和脂肪酸，具有親脂性。

通過將水溶性的維生素 C 與親脂性的棕櫚酸酯化，L-ascorbyl palmitate 結合了兩者的特性，成為一種 兩親性 (amphiphilic) 的分子，同時具有水溶性和脂溶性。

二、 在洋芋片中的目的

洋芋片（薯片）的主要成分是馬鈴薯，經過油炸或烘烤製成，含有較高的脂肪。在儲存過程中，油脂容易發生自動氧化，導致產生異味、產生不良風味（如哈喇味 rancidity），並降低其營養價值和感官品質。
L-ascorbyl palmitate 在洋芋片中添加的主要目的是作為 抗氧化劑，以防止或延緩油脂的氧化劣變，從而延長洋芋片的貨架期，保持其品質。

三、 原理

L-ascorbyl palmitate 作為抗氧化劑的原理主要基於其維生素 C 部分的還原能力：

1. 自由基清除劑 (Free Radical Scavenger)：
   • 油脂氧化是一個自由基鏈式反應。L-ascorbyl palmitate 中的維生素 C 部分具有一個烯二醇結構，容易失去氫原子，將氧自由基 (ROO•) 或烷氧自由基 (RO•) 還原成穩定的過氧化物 (ROOH) 或醇 (ROH)，而自身則轉化為相對穩定的自由基。
   • 反應示意：
     Ascorbyl radical + ROO• $\rightarrow$ Ascorbyl radical• + ROOH

本題組考查胺基酸的基本結構、立體化學、以及蛋白質水解的條件。

一、 (1) 胺基酸的基本結構

胺基酸的基本結構包含一個中心碳原子（α-碳），這個碳原子上連接了四個不同的基團：

1. 一個氫原子 (-H)。
2. 一個胺基 (-NH$_2$)。
3. 一個羧基 (-COOH)。
4. 一個側鏈基團 (R-group)，這個基團因胺基酸種類不同而異。

結構示意圖：

在生理 pH 值（約 7.4）下，胺基酸通常以兩性離子 (zwitterion) 的形式存在，即胺基質子化成 -NH$_3^+$，羧基去質子化成 -COO$^-$。

二、 (2) 人體的胺基酸為哪一種旋光性的鏡像異構物？

人體蛋白質中所含的胺基酸，除了甘胺酸 (glycine) 外，其 α-碳原子都是手性碳 (chiral carbon)，因此存在 L 型和 D 型兩種鏡像異構物 (enantiomers)。
在生物體內，構成蛋白質的胺基酸絕大多數是 L 型 胺基酸。D 型胺基酸在自然界中較少見，但在某些細菌的細胞壁或胜肽中存在。

三、 (3) 哪一個胺基酸沒有鏡像異構物？

沒有鏡像異構物的胺基酸是 甘胺酸 (Glycine)。
原因：甘胺酸的側鏈基團 (R) 是氫原子 (-H)。因此，其 α-碳原子連接了兩個相同的基團（兩個氫原子），不符合手性碳的定義（必須連接四個不同的基團）。

四、 (4) 說明何種條件可以打斷胜肽鍵,使蛋白質水解成胺基酸。

胜肽鍵 (peptide bond) 是胺基酸的羧基與另一個胺基酸的胺基之間形成的醯胺鍵 (-CO-NH-)。打斷胜肽鍵的過程稱為水解 (hydrolysis)。
蛋白質水解成胺基酸主要有以下幾種條件：

1. 酸性水解 (Acid Hydrolysis)：
   • 條件： 使用強酸（如 6 M 的鹽酸 HCl）在較高溫度（通常是回流，約 100-120°

本題組考查蛋白質的結構層次，重點在於三級結構的穩定作用力、熱穩定性、蛋白質的分類（纖維狀與球狀）及其溶解性。

一、 (1) 影響蛋白質三級結構的作用力

蛋白質的三級結構 (tertiary structure) 是指蛋白質多肽鏈通過各種非共價鍵和共價鍵相互作用，摺疊形成的三維空間結構。影響蛋白質三級結構的主要作用力包括：

1. 氫鍵 (Hydrogen bonds)： 存在於肽鍵的羰基氧 (C=O) 和胺基氫 (N-H) 之間，以及側鏈基團之間的極性基團（如 -OH, -NH$_2$, -COOH）之間。
2. 離子鍵 (Ionic bonds) / 鹽橋 (Salt bridges)： 存在於帶相反電荷的側鏈基團之間，如帶正電的胺基（如離氨酸 Lys, 精胺酸 Arg）和帶負電的羧基（如天門冬胺酸 Asp, 麩胺酸 Glu）之間。
3. 疏水相互作用 (Hydrophobic interactions)： 非極性側鏈基團（如烴鏈、芳香環）傾向於聚集在一起，遠離水分子，形成疏水核心。這是蛋白質摺疊中非常重要的驅動力。
4. 凡得瓦爾力 (Van der Waals forces)： 存在於所有分子之間，包括蛋白質的非極性側鏈基團之間，當距離很近時，這些微弱的吸引力累加起來會產生穩定的作用。
5. 二硫鍵 (Disulfide bonds)： 這是蛋白質三級結構中唯一一種 共價鍵，由兩個半胱胺酸 (cysteine) 的側鏈 -SH 基團氧化形成 (-S-S-)。二硫鍵非常穩定，能極大地增強蛋白質結構的穩定性。

二、 (2) 何種力對熱的穩定性與其它作用力不同？

在上述作用力中，二硫鍵 (Disulfide bonds) 是唯一一種 共價鍵。

• 與其他作用力的區別： 氫鍵、離子鍵、疏水相互作用和凡得瓦爾力都是 非共價鍵。非共價鍵相對較弱，容易在熱、pH 變化或某些化學試劑的作用下斷裂，導致蛋白質變性。
• 對熱穩定性的影響： 二硫鍵非常穩定，需要較強的還原劑才能斷裂，因此它對蛋白質結構的熱穩定性有著決定性的貢獻。含有較多二硫鍵的蛋白質通常在較高的溫度下也能保持其結構和功能。其他非共價鍵在受熱時容易斷裂，導致蛋白質變性。

三、 (3) 舉例說明 fibrous protein 和 globular protein

蛋白質根據其三維結構和溶解性，主要分為兩大類：纖維狀蛋白質 (fibrous proteins) 和球狀蛋白質 (globular proteins)。

1. 纖維狀蛋白質 (Fibrous proteins)：

   • 結構特點： 多肽鏈呈細長的纖維狀或片狀結構，通常由重複的結構單元組成，分子沿一個方向延伸。它們在水中溶解度很低。
   • 功能： 主要起結構支持、保護和連接作用。
   • 例子：
     • 角蛋白 (Keratin)： 存在於毛髮、指甲、羽毛、皮膚表皮中，提供結構強度。
     • 膠原蛋白 (Collagen)： 是結締組織（如骨骼、肌腱、皮膚）中的主要結構蛋白，提供強度和彈性。
     • 肌動蛋白 (Actin) 和肌球蛋白 (Myosin)： 是肌肉收縮的蛋白質。
     • 蠶絲蛋白 (Fibroin)： 構成蠶絲的主要成分。

2. 球狀蛋白質 (Globular proteins)：

   • 結構特點： 多肽鏈高度摺疊，形成緊密、圓球狀的結構，通常有親水性側鏈暴露在外，使其在水中具有一定的溶解度。
   • 功能： 種類繁多，參與生命活動的各種功能，如酶催化、運輸、免疫、調節等。
   • 例子：

本題組考查蛋白質的水合性質、玻璃轉化溫度、胺基酸組成與水合能力的關係，以及溫度和 pH 對蛋白質水合的影響。

一、 (1) 蛋白質的水合程度對玻璃轉化溫度的影響

• 玻璃轉化溫度 (Glass Transition Temperature, $T_g$)： 指的是無定形固體（如蛋白質、多醣、聚合物）從玻璃態（堅硬、脆性）轉變為橡膠態（柔軟、黏彈性）的溫度。在這個溫度範圍內，分子的運動性會顯著增加。
• 蛋白質的水合程度： 指蛋白質分子結合水的量。水分子可以包圍蛋白質，形成水合層，增加蛋白質分子的運動空間和柔韌性。
• 影響： 蛋白質的水合程度越高，結合的水越多，這些水分子充當了蛋白質分子之間的潤滑劑，降低了蛋白質分子間的作用力，增加了分子的運動自由度。因此，較高的水合程度會降低蛋白質的玻璃轉化溫度 ($T_g$)。反之，水含量越少，蛋白質越接近玻璃態，其 $T_g$ 越高。

二、 (2) 公式解析：$a = f_{x1}X_1 + 0.4f_{x2}X_2 + 0.2f_{x3}X_3$

此公式描述了蛋白質的水合能力 (a) 與其胺基酸組成的關係。其中：

• a：蛋白質的水合能力 (water binding capacity)，通常表示為每克蛋白質結合的水克數，或每克蛋白質結合的水的莫耳數。
• $X_1, X_2, X_3$：代表不同類型的胺基酸殘基在蛋白質中的比例或含量。
• $f_{x1}, f_{x2}, f_{x3}$：代表這些不同類型胺基酸殘基的 水合因子 (hydration factor) 或 結合水量係數。這個係數反映了該類胺基酸殘基結合水分子的能力。

題目中提到 $X_1, X_2, X_3$ 是 charged, nonpolar, 和 polar amino acid 的組合。根據公式中的係數（1.0, 0.4, 0.2），我們可以推斷：

• 水合能力最強的胺基酸類別，其係數最大。
• 水合能力最弱的胺基酸類別，其係數最小。

一般而言：

• 帶電胺基酸 (Charged amino acids)： 如帶正電的離氨酸 (Lys)、精胺酸 (Arg)、組胺酸 (His)，以及帶負電的天門冬胺酸 (Asp)、麩胺酸 (Glu)，它們的側鏈帶有離子基團，與水分子有很強的靜電吸引作用，能夠結合大量的水分子。因此，它們的水合能力最強。
• 極性胺基酸 (Polar amino acids)： 如絲胺酸 (Ser)、蘇胺酸 (Thr)、酪胺酸 (Tyr)、天門冬醯胺 (Asn)、麩胺醯胺 (Gln)、半胱胺酸 (Cys)，它們的側鏈帶有極性基團（如 -OH, -NH$_2$, -SH），可以與水分子形成氫鍵，也能結合一定量的水。
• 非極性胺基酸 (Nonpolar amino acids)： 如烴鏈側鏈的丙胺酸 (Ala)、纈胺酸 (Val)、亮胺酸 (Leu)、異亮胺酸 (Ile)、苯丙胺酸 (Phe)、色胺酸 (Trp)、甲硫胺酸 (Met)，它們的側鏈是非極性的，與水分子之間沒有強的吸引力，傾向於聚集在一起形成疏水核心。它們結合水的量最少。

根據公式中的係數 1.0, 0.4, 0.2：

• 係數 1.0 最高，應對應 帶電胺基酸 (Charged amino acids)。
• 係數 0.4 中等，應對應 極性胺基酸 (Polar amino acids)。
• 係數 0.2 最低，應對應 非極性胺基酸 (Nonpolar amino acids)。

因此，我們可以推斷：

• $X_1$ 代表 帶電胺基酸 (Charged amino acids)，其水合因子為 1.0。
• $X_2$ 代表 極性胺基酸 (Polar amino acids)，其水合因子為 0.4。
• $X_3$ 代表 非極性胺基酸 (Nonpolar amino acids)，其水合因子為 0.2。

三、 (3) 溫度對蛋白質水合的影響

溫度對蛋白質水合的影響是複雜的，主要取決於溫度的變化範圍：