115 年 國立臺灣大學食品科技研究所甲組《食品微生物學》

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第 一 題15 分

某食品公司計畫開發一款標榜「有助於腸道健康」的乳酸菌發酵飲品。研發人員在產品設計時發現, 僅提高產品中的乳酸菌菌數, 並不一定能確保具有良好的健康效果, 因此必須重新審慎評估乳酸菌 菌株的選擇。請說明在開發具有健康訴求的乳酸菌發酵食品時, 選擇乳酸菌菌株應考量哪些重要重 點, 並簡要說明其理由。

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此題主要在探討開發功能性食品時,菌株選擇的重要考量因素,特別是針對強調「腸道健康」的乳酸菌發酵飲品。考生需要從產品的目標客群、預期功效、生產製程以及法規要求等多個角度來思考。

核心觀念: 功能性食品的開發不僅是菌數的增加,更重要的是菌株本身的特性及其對人體的益處。

解題思路:

  1. 釐清題目重點: 題目強調「健康訴求」和「腸道健康」,這意味著我們不能只看菌數,而要關注乳酸菌本身是否能帶來實際的健康效益,以及它是否能成功地在產品中存活並發揮作用。

  2. 思考乳酸菌的「功能性」:

    • 益生菌特性 (Probiotic properties): 這是最直接的健康訴求。益生菌需要具備以下條件:
      • 存活能力: 必須能夠通過胃酸和膽汁的考驗,活著到達腸道。
      • 定殖能力: 能夠在腸道內暫時或長期定殖,與腸道菌群互動。
      • 健康效益: 經科學研究證實能對宿主健康產生正面影響。常見的效益包括改善腸道菌叢平衡、增強免疫力、促進消化、預防或緩解腹瀉、便秘等。
    • 代謝產物: 乳酸菌在發酵過程中會產生許多對人體有益的代謝產物,例如短鏈脂肪酸 (SCFA)、有機酸、抗菌物質 (如乳酸菌素 bacteriocin)、維生素等。這些產物也能貢獻於產品的健康效益。
  3. 思考產品的「生產與保存」:

    • 加工適應性 (Processability): 菌株必須能夠耐受食品加工過程中的各種條件,例如溫度、pH值、壓力、離心力、氧氣暴露等,並且能在發酵過程中產生預期的代謝物。
    • 儲存穩定性 (Storage stability): 菌株必須能在產品的儲存期間保持足夠的活性和數量,直到消費者食用時仍能發揮作用。這也涉及到菌株的抗氧化能力、耐低溫能力等。
    • 感官特性 (Sensory properties): 菌株的發酵過程不應產生不良的風味、氣味或質地,以免影響產品的接受度。
  4. 思考「安全性與法規」:

    • 安全性 (Safety): 菌株必須是公認安全 (GRAS, Generally Recognized As Safe) 或已獲准使用的菌株,不得具有致病性或產生毒素。
    • 菌株鑑別與溯源 (Strain identification and traceability): 必須能準確鑑別菌株,並確保產品中使用的就是聲稱的菌株,這對於品質控制和法規遵循至關重要。
  5. 組織答案: 將上述思考所得的要點,條列式地整理出來,並簡要說明理由。

參考答案架構:

開發具有健康訴求的乳酸菌發酵食品時,選擇乳酸菌菌株應考量以下重要重點:

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第 二 題15 分

某跨國巧克力品牌於 2022 年發生沙門氏菌污染事件, 疫情波及多國, 且多數感染者為兒童。後續 調查顯示, 不同國家的病例菌株在基因特徵上高度相似, 推測可能來自同一污染來源。在此類跨國 食品安全事件中, 主管機關與食品工廠往往優先使用「快速微生物檢測與分子/基因學檢測方法」, 而非僅依賴傳統培養法。請回答下列問題:

  1. 請說明 PCR、即時 PCR (qPCR) 在此類事件中的主要用途與優點。(8分)
  2. 請說明為何需搭配分子/基因學檢測進行菌株比對與溯源分析, 而傳統培養法無法滿足此需求。(7分)

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此題主要探討在食品安全事件調查中,分子生物學技術(PCR、qPCR)相較於傳統培養法的優勢,特別是在快速檢測、菌株鑑別和溯源分析方面的應用。

核心觀念: 分子生物學技術能夠提供快速、特異性高且具備定量能力的檢測手段,在食品安全事件調查中扮演關鍵角色。

第一小題 (8分):PCR 與 qPCR 的用途與優點

  • PCR (Polymerase Chain Reaction - 聚合酶鏈式反應)

    • 用途:
      • 快速檢測病原菌: 在食品或環境樣本中,利用特異性引子(primer)來放大目標病原菌(如沙門氏菌)的 DNA 片段,從而快速判斷是否存在該病原菌。
      • 基因分型/鑑別: 通過設計不同的引子,可以區分不同的菌株或檢測特定的基因(如抗生素抗藥基因、毒力基因)。
    • 優點:
      • 高靈敏度 (High sensitivity): 能夠檢測到樣本中極低量的目標 DNA。
      • 高特異性 (High specificity): 通過設計精確的引子,可以準確識別目標病原菌,減少交叉污染或非目標生物的干擾。
      • 快速性 (Rapidity): 相較於傳統培養法需要數天,PCR 可以在數小時內獲得結果。
      • 無需培養活菌: 可以直接從環境樣本或受損的食品中提取 DNA 進行檢測,即使病原菌在樣本中無法培養。
  • qPCR (Quantitative Polymerase Chain Reaction - 即時定量聚合酶鏈式反應)

    • 用途:
      • 精確定量病原菌: 在 PCR 的基礎上,qPCR 能夠實時監測 PCR 產物的累積,並通過標準曲線進行定量分析,精確測定樣本中目標病原菌的 DNA 拷貝數,進而推算菌的數量。
      • 用於污染程度評估: 知道病原菌的確切數量,有助於評估污染的嚴重程度和風險。
    • 優點:
      • 定量能力 (Quantification): 這是 qPCR 相較於傳統 PCR 的最大優勢,能夠提供精確的菌數資訊。
      • 快速性與高靈敏度、高特異性: 同樣繼承了 PCR 的優點。
      • 減少交叉污染風險: 實驗過程封閉,減少了後續 PCR 產物產生的交叉污染風險。

第二小題 (7分):為何需搭配分子/基因學檢測進行菌株比對與溯源,而傳統培養法無法滿足?

  • 傳統培養法的局限性:
    • 耗時: 培養微生物通常需要數天甚至數週的時間,對於需要快速應對的食品安全事件而言,效率太低。
    • 菌株鑑別能力有限: 傳統培養法主要依賴形態學、生理生化反應來鑑定菌種,但對於同一種細菌(如沙門氏菌)的不同菌株,其區分能力較弱。很多時候只能鑑定到「屬」或「種」,難以精確到「菌株」層級。
    • 無法提供基因層面的資訊: 無法直接獲取菌株的基因組資訊,也就無法進行精確的基因型比對。
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第 三 題15 分

某食品工廠生產即食熟食產品, 產品於包裝前需經過一道加熱殺菌製程。根據原料特性與製程評估, 該產品在生產過程中可能受到下列兩種細菌污染: 沙門氏桿菌與芽孢桿菌。某次品管稽核中發現, 加熱殺菌製程的實際處理時間短於原先設計之規定時間, 導致整體殺菌強度不足。後續在產品的儲 存與流通期間, 部分產品被檢出微生物汙染。
請回答下列問題:

  1. 在此情境下, 哪一種細菌較可能在加熱殺菌製程失效後仍存活, 並成為食品汙染的主要來源? 請 說明判斷依據。(5分)
  2. 請根據第一小題所做的判斷結果, 進一步說明其中一種細菌在加熱處理條件不足時仍較可能存活 的生理機制。說明時請著重於該細菌特性的結構、組成或代謝狀態, 並解釋這些因子如何提升細菌 對熱處理的耐受性。(5分)
  3. 自受污染產品中分離出該細菌後, 進行革蘭氏染色分析。請說明革蘭氏染色的基本原理, 並指出 該細菌於染色後預期呈現的顏色。(5分)

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此題主要考驗考生對不同細菌熱耐受性的理解,特別是沙門氏菌(一種常見的致病菌)和芽孢桿菌(一種以高熱耐受性著稱的細菌)的差異,以及革蘭氏染色的原理與結果判讀。

核心觀念: 細菌的熱耐受性差異巨大,這與其結構、生命週期(如芽孢形成)和生理狀態密切相關。革蘭氏染色是區分細菌的重要鑑別方法。

第一小題 (5分):哪種細菌較可能在加熱失效後存活?判斷依據為何?

  • 題目情境分析:

    • 產品:即食熟食。
    • 潛在污染菌:沙門氏菌 (Salmonella),芽孢桿菌 (Bacillus)。
    • 製程缺陷:加熱殺菌強度不足(時間縮短)。
    • 結果:儲存流通期間檢出微生物污染。
  • 細菌特性比較:

    • 沙門氏菌 (Salmonella): 是一種常見的兼性厭氧、無芽孢、革蘭氏陰性桿菌,是重要的食源性致病菌。其熱耐受性相對較低,一般加熱處理(如 70°C 以上幾分鐘)即可殺滅。
    • 芽孢桿菌 (Bacillus): 是一類革蘭氏陽性桿菌,其顯著特徵是能夠形成內芽孢 (endospore)。芽孢是細菌在不利環境下(如高溫、乾燥、缺營養、輻射)形成的一種高度耐熱、耐旱、耐化學藥劑的休眠結構。芽孢的殺滅通常需要更高的溫度和更長的處理時間(如高壓滅菌 121°C, 15-20 分鐘)。
  • 判斷:
    在加熱殺菌強度不足的情況下,芽孢桿菌較可能存活下來。

  • 判斷依據:

    • 芽孢的極高熱耐受性: 芽孢桿菌能夠形成芽孢,而芽孢結構對高溫具有極強的抵抗力。即使是相對較弱的加熱處理,也難以完全殺滅處於芽孢狀態的芽孢桿菌。
    • 沙門氏菌的熱敏感性: 沙門氏菌是營養體細胞,其熱耐受性遠低於芽孢。一般食品加工中的殺菌條件,若能有效殺滅沙門氏菌,則對芽孢桿菌的殺滅效果會更弱,但反之,若加熱不足以殺滅芽孢桿菌,則很可能已足以殺滅沙門氏菌。

第二小題 (5分):芽孢桿菌在加熱處理不足時仍較可能存活的生理機制?

  • 重點: 著重於芽孢的結構、組成和代謝狀態。

  • 生理機制:

    1. 芽孢結構 (Spore structure): 芽孢具有複雜且堅固的多層結構,包括:

      • 核心 (Core): 包含細菌的 DNA、核糖體和基本的代謝酶,處於極低的代謝活性狀態。核心內含有大量的鈣-二吡啶羧酸 (calcium dipicolinate, DPA) 複合物,DPA 是一種獨特的物質,能穩定 DNA,並在加熱時吸收水分,參與發芽過程。
      • 內膜 (Inner membrane): 類似於細胞膜,具有一定的通透性。
      • 細胞壁 (Cell wall): 緊貼核心,主要由肽聚糖組成,但在芽孢中含量較少。
      • 皮層 (Cortex): 這是芽孢最厚的層,由高度交聯的肽聚糖組成。皮層的低水含量和特殊的結構是其對熱和化學物質耐受的關鍵。
      • 外殼 (Outer coat): 由多層蛋白質組成,具有高度的疏水性,能抵抗化學物質和酶的侵蝕。
      • 外鞘 (Exosporium, 可選): 最外層,由蛋白質和脂質組成。
    2. 低代謝活性 (Low metabolic activity): 芽孢處於一種休眠狀態,細胞內水分含量極低(約 10-25%),代謝幾乎停止,這使其對高溫引起的蛋白質變性和細胞內化學反應的敏感性大大降低。高溫無法有效破壞處於低水活狀態下的生物分子。

    3. DPA 的作用: 鈣-二吡啶羧酸 (DPA) 複合物在芽孢核心中含量很高(占乾重的 5-15%)。

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第 四 題15 分

在生產「無乳糖牛乳發酵食品」的過程中, 常會添加由微生物產製的酵素, 輔助食品加工及提升 產品質。
請回答下列問題:

  1. 請舉出一種在此食品製程中可能使用到、且作用對象為醣類或蛋白質的微生物產製酵素, 以及使 用此微生物酵素改變該食品加工或最終產品品質的實務目的。(5分)
  2. 請說明該酵素在此過程中的作用機制, 包含其主要基質與反應產物。(5分)
  3. 請說明使用此微生物酵素可能如何影響發酵微生物的生長或代謝。(5分)

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此題主要探討在食品加工中,特別是發酵食品生產中,微生物產酵素的應用。以「無乳糖牛乳發酵食品」為例,需要酵素來處理乳糖或蛋白質,進而影響產品的加工特性、品質以及發酵微生物的生長。

核心觀念: 食品加工中,微生物產酵素扮演著重要的角色,它們能夠特異性地催化特定反應,改變食品的物理化學性質,並影響發酵過程。

第一小題 (5分):舉例一種微生物產酵素,說明其在無乳糖牛乳發酵食品製程中的應用與實務目的。

  • 思考方向:

    • 「無乳糖」表示需要處理乳糖。
    • 「牛乳發酵食品」可能涉及蛋白質的改變。
    • 「微生物產製的酵素」是關鍵。
    • 「作用對象為醣類或蛋白質」指明了酵素的類型。
  • 可能的酵素與應用:

    1. β-半乳糖苷酶 (β-galactosidase),又稱乳糖酶 (Lactase):

      • 來源: 常由酵母菌(如 Kluyveromyces lactis)或細菌(如 Bacillus 屬)等微生物產製。
      • 作用對象: 醣類 (乳糖)。
      • 實務目的:
        • 生產無乳糖產品: 將乳糖水解為葡萄糖和半乳糖,使乳糖不耐症的消費者可以食用。
        • 改善發酵風味: 葡萄糖和半乳糖比乳糖更容易被乳酸菌等發酵菌利用,可以加速發酵過程,產生更豐富的風味物質。
        • 增加甜度: 半乳糖的甜度高於乳糖,有助於提升產品的甜感。
        • 改變質地: 改變乳糖的分子結構可能影響產品的黏度或溶解性。
    2. 蛋白酶 (Protease):

      • 來源: 如枯草桿菌 ( Bacillus subtilis ) 產生的蛋白酶。
      • 作用對象: 蛋白質(酪蛋白等)。
      • 實務目的:
        • 預消化蛋白質: 將大分子蛋白質水解成小分子胜肽和胺基酸,有助於乳糖不耐症者在消化上的負擔,或提供發酵菌生長所需的營養。
        • 改善風味: 蛋白質水解產生的胜肽和胺基酸是風味物質的重要前驅物,可以產生更豐富的鮮味和肉味。
        • 改變質地: 蛋白質水解會影響牛乳的凝膠性、黏度,例如用於製作優格或起司時,可能影響凝乳的強度和質地。
  • 選擇一種並說明: 這裡以「乳糖酶」為例,因為「無乳糖」是產品的關鍵特徵。

第二小題 (5分):說明該酵素(以乳糖酶為例)的作用機制、基質與產物。

  • 酵素: 乳糖酶 (Lactase / β-galactosidase)
  • 作用機制: 乳糖酶是一種水解酶,它通過在乳糖分子中加入水分子,斷開 β-1,4 糖苷鍵。
  • 主要基質 (Substrate): 乳糖 (Lactose)。乳糖是一種二糖,化學式為 C12H22O11C_{12}H_{22}O_{11}。
  • 反應產物 (Products): 葡萄糖 (Glucose) 和 半乳糖 (Galactose)。兩者都是單糖,化學式皆為 C6H12O6C_6H_{12}O_6。
  • 反應式:
    Lactose+H2O→LactaseGlucose+Galactose\text{Lactose} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Lactase}} \text{Glucose} + \text{Galactose}
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第 五 題15 分

請說明納豆之製程、原料、風味來源及參與之微生物(9分)。納豆製程中可能之微生物安全疑慮為何(6分)。

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此題主要考查對傳統發酵食品「納豆」的深入了解,包括其製作過程、主要原料、風味形成機制、關鍵微生物,以及在生產過程中可能遇到的食品安全問題。

核心觀念: 納豆是日本一種傳統的黃豆發酵食品,其獨特的風味和質地來自於黃豆與特定微生物(主要是枯草桿菌納豆變種)的協同作用。

第一部分 (9分):納豆之製程、原料、風味來源及參與之微生物

  1. 原料 (Raw Material):

    • 主要原料: 黃豆 (Soybeans)。通常選用顆粒較小、蛋白質和碳水化合物含量較高的黃豆品種,以便於微生物的作用和發酵。
    • 輔助原料: 水 (Water)。用於浸泡和蒸煮黃豆。
  2. 製程 (Process):

    • 黃豆處理:
      • 清洗與浸泡: 黃豆經過清洗後,用清水浸泡數小時(通常過夜),使其充分吸水膨脹。
      • 蒸煮: 將浸泡過的黃豆蒸煮至內部完全熟透(通常 pH 達到 6.5-7.0),軟化黃豆結構,使蛋白質和碳水化合物更容易被微生物利用,同時殺滅黃豆中原有的雜菌。
    • 接種與發酵:
      • 接種: 將蒸煮好的黃豆冷卻至適當溫度(約 40-50°C),然後均勻接種納豆菌(枯草桿菌納豆變種,Bacillus subtilis natto)的孢子或培養物。
      • 發酵: 將接種後的黃豆置於發酵箱中,控制溫度(約 40-45°C)和濕度(約 90-95%),進行約 18-24 小時的發酵。在此過程中,納豆菌大量繁殖,並產生納豆特有的物質。
    • 冷卻與熟成: 發酵完成後,將納豆冷卻至室溫,然後進行冷藏或熟成,以發展更濃郁的風味和質地。
  3. 參與之微生物 (Microorganisms Involved):

    • 主要微生物: 枯草桿菌納豆變種 ( Bacillus subtilis natto)。這是納豆發酵的關鍵菌種。它能產生納豆激酶 (nattokinase)、黏蛋白質 (polyglutamic acid, PGA)、吡嗪類化合物等,並將黃豆中的蛋白質和碳水化合物轉化,形成納豆的獨特風味、質地和功效。
    • 可能存在的輔助微生物: 在傳統的納豆製作中,雖然主要依賴枯草桿菌納豆變種,但有時也可能存在少量的其他微生物,如乳酸菌或酵母菌,它們可能對風味產生輕微影響,但不是納豆特徵的決定性因素。然而,在工業化生產中,通常會盡量控制只存在納豆菌。
  4. 風味來源 (Flavor Source):
    納豆的獨特風味和質地是由多種因素共同作用形成的:

    • 黏性物質 (Sticky Substance): 主要由納豆菌產生的聚谷氨酸 (Poly-γ-glutamic acid, γ-PGA) 構成,這是一種高分子量的多肽,賦予納豆獨特的黏滑拉絲特性。
    • 氨基酸與胜肽: 納豆菌產生的蛋白酶將黃豆中的蛋白質水解成各種氨基酸(如谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸等)和胜肽,這些是產生鮮味 (umami) 和其他複雜風味的基礎。
    • 揮發性風味物質:
      • 吡嗪類化合物 (Pyrazines): 如甲基吡嗪、二甲基吡嗪等,是納豆特有濃郁「豆香」或「發酵味」的重要來源。它們通常由黃豆中的氨基酸和糖類在加熱和發酵過程中通過美拉德反應 (Maillard reaction) 等途徑產生。
      • 揮發性脂肪酸: 黃豆中的脂肪水解產生的脂肪酸。
      • 醇類、醛類、酮類: 這些也可能在發酵過程中產生,貢獻風味。
    • 維生素: 納豆菌能合成多種維生素(如維生素 K2、維生素 B 群),雖然不直接產生風味,但對產品的營養價值和整體評價有影響。
    • 納豆激酶 (Nattokinase): 雖然主要以其生理活性聞名,但其水解蛋白質的過程也間接影響了氨基酸和胜肽的產生,進而影響風味。

第二部分 (6分):納豆製程中可能之微生物安全疑慮

納豆的製作過程,特別是使用黃豆這種植物性原料,且發酵溫度相對較高,存在潛在的微生物安全風險。

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第 六 題10 分

請說明家禽類食品(如雞肉)中最常見的兩種微生物危害, 並簡述其主要污染來源與基本控制措施 (10分)。

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這一題的完整詳解

此題主要考查對家禽類食品(以雞肉為例)常見微生物危害的認知,包括具體的病原菌、它們的來源以及相應的預防和控制措施。

核心觀念: 家禽在飼養、屠宰、加工、儲存和烹調過程中,都可能受到微生物污染。其中,致病菌的污染是食品安全的重要議題。

常見的兩種微生物危害 (以雞肉為例):

  1. 沙門氏菌 (Salmonella spp.)

    • 危害: 引起沙門氏菌病,症狀包括腹瀉、發燒、腹部絞痛、噁心、嘔吐,嚴重者可能導致脫水、菌血症等。
    • 主要污染來源:
      • 飼養階段: 雞隻腸道攜帶沙門氏菌,通過糞便污染飼料、水源、雞舍環境。
      • 屠宰階段: 糞便污染、屠宰過程中內臟破裂、交叉污染(從污染的雞體到未污染的雞體,或污染的設備、工具、人員)。
      • 加工與儲存: 處理被污染的雞肉,若未徹底清洗或隔離,可能污染其他食品或設備;儲存溫度不當,有利於沙門氏菌的增殖。
    • 基本控制措施:
      • 源頭管理: 飼養場實施生物安全計畫,監測和控制種雞場及肉雞的沙門氏菌感染。
      • 屠宰衛生: 嚴格執行屠宰操作規程,避免糞便污染,確保內臟完整,加強設備和人員的清潔消毒。
      • 加工控制: 實施 HACCP (危害分析與重要管制點) 系統,對關鍵控制點進行監測(如冷鏈、pH 控制、熱處理)。
      • 冷鏈儲存: 保持低溫儲存(4°C 以下),減緩或抑制沙門氏菌的增殖。
      • 消費者教育: 強調徹底煮熟(中心溫度達到 74°C 以上),避免生熟交叉污染。
  2. 彎曲桿菌 (Campylobacter spp.)

    • 危害: 引起彎曲桿菌病,是常見的食源性腹瀉病之一,症狀類似沙門氏菌病,但有時也可能引發格林-巴利症候群 (Guillain-Barré syndrome) 等嚴重併發症。
    • 主要污染來源:
      • 飼養階段: 雞隻是彎曲桿菌的主要攜帶者,其腸道中菌量極高。通過糞便污染飼料、水源、雞舍。
      • 屠宰階段: 彎曲桿菌對雞的屠宰過程非常敏感,腸道中的彎曲桿菌很容易通過糞便污染雞皮,或在屠宰過程中通過腸道破裂污染肉體。
      • 加工與儲存: 污染的雞肉在加工過程中可能污染其他食品、設備、砧板、刀具等;低溫儲存對抑制彎曲桿菌的增殖效果不如對沙門氏菌明顯,且彎曲桿菌對氧氣敏感,在真空包裝中可能存活。
    • 基本控制措施:
      • 源頭管理: 飼養場控制彎曲桿菌感染,這是最根本的措施。
      • 屠宰衛生: 嚴格防止糞便污染雞皮,開發有效的去污方法(如噴淋)。
      • 加工控制: 監測和控制加工過程中的交叉污染,注意清潔消毒。
      • 冷鏈儲存: 雖然不如對沙門氏菌關鍵,但低溫仍有助於減緩其增殖。
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第 七 題15 分

請以微生物學角度解釋下列名詞:(15分)

  1. Precision fermentation
  2. Synbiotics
  3. Sublethally injured microorganisms (SIMs)
  4. Competitive exclusion
  5. Hurdle technology

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這一題的完整詳解

此題要求考生解釋五個與食品微生物學相關的專業名詞,考察對這些概念的理解深度和準確性。每個名詞的解釋都需要從微生物學的角度出發,說明其定義、原理或應用。

核心觀念: 這些名詞涵蓋了現代食品微生物學的幾個重要領域,包括精準發酵、益生菌協同作用、微生物損傷、微生物競爭以及多重控制策略。

1. Precision fermentation (精準發酵)

  • 定義: 精準發酵是一種利用微生物(如酵母菌、細菌、藻類或真菌)作為「細胞工廠」,通過精確控制發酵條件(如營養、溫度、pH、氧氣供應)和基因工程技術,使其高效、特異性地生產目標分子(如蛋白質、脂肪、色素、香料、藥物、酶等)的生物技術。
  • 微生物學角度:
    • 菌種選擇與改造: 選用或通過基因工程改造的微生物,使其能夠高效表達目標基因,產生目標產物。
    • 代謝途徑調控: 精確調控微生物的代謝途徑,將碳源等底物導向目標產物的合成,減少副產物。
    • 發酵過程優化: 精確控制發酵的各個參數,以最大化微生物的生長、產物合成效率和產物品質。這涉及對微生物生理學、生化學和分子生物學的深刻理解。
    • 目標產物: 傳統發酵產物(如乳酸、酒精)或非傳統產物(如重組蛋白、植物性脂肪、特定風味分子)。
  • 應用: 生產替代性蛋白質(如植物肉中的血紅素)、特定營養素(如維生素 D)、藥物(如胰島素)、酶、香料等。

2. Synbiotics (合生素)

  • 定義: 合生素是指一種產品或配方,它包含益生菌 (probiotics) 和益生元 (prebiotics) 的組合,這些成分能協同作用,對宿主(人或動物)產生預期的健康益處。
  • 微生物學角度:
    • 益生菌 (Probiotics): 指活的微生物,攝入足夠量時,能對宿主健康產生益處(如調節腸道菌群、增強免疫)。
    • 益生元 (Prebiotics): 指不能被人體消化吸收的膳食成分(通常是寡糖或多醣),但能選擇性地促進有益菌(如某些乳酸菌、雙歧桿菌)在腸道的生長和活性。
    • 協同作用 (Synergistic effect): 合生素的關鍵在於益生元能為添加的益生菌提供生長環境和營養,幫助其在腸道中定殖、存活和發揮作用;同時,這些益生菌也能進一步促進腸道健康,或代謝益生元產生有益物質(如短鏈脂肪酸)。這種組合比單獨使用益生菌或益生元能提供更顯著或更廣泛的健康效益。
  • 應用: 功能性食品、嬰幼兒配方奶粉、藥品等,用於改善腸道健康、增強免疫力、預防或治療某些疾病。

3. Sublethally injured microorganisms (SIMs) (亞致死損傷微生物)

  • 定義: 指在食品加工、儲存或環境壓力(如熱處理、冷凍、乾燥、高壓、酸、鹽、輻射、防腐劑等)作用下,微生物的生理功能受到損害,但尚未死亡的狀態。
  • 微生物學角度:
    • 損傷機制: 壓力會破壞微生物的細胞結構(如細胞膜、細胞壁)、代謝系統(如酶活性降低)、遺傳物質(DNA 損傷)或生長潛力。
    • 表現: SIMs 可能失去在標準培養基上的生長能力,或生長緩慢、形態異常。它們通常需要更優越的培養條件(如補充特定營養物、改變 pH、延長培養時間、使用選擇性培養基)才能恢復其生理功能並進行繁殖。
    • 食品安全隱憂: SIMs 雖然暫時失去生長能力,但並非完全死亡。在有利條件下,它們可能恢復活力,重新成為食品污染源。此外,受損的微生物可能更容易被宿主免疫系統識別,但其潛在的致病性(如毒素產生能力)也可能發生改變。
    • 檢測挑戰: 標準的微生物檢測方法(如使用一般培養基)可能無法檢測到 SIMs,導致對食品污染程度的低估。因此,需要開發專門的檢測方法(如使用修復培養基)。
  • 應用: 理解 SIMs 對於評估食品加工過程的殺菌效果、預測食品的貨架期和潛在風險至關重要。

4. Competitive exclusion (競爭性排除)

  • 定義: 指一種微生物群落(通常是已經定殖的、對宿主無害的微生物)通過各種機制,阻止或抑制另一種(通常是致病性的)微生物在其棲息地(如腸道、皮膚表面、食品表面)定殖和擴散的現象。
  • 微生物學角度:
    • 機制:
      • 空間競爭 (Space competition): 預先定殖的微生物佔據了棲息地的結合位點,使後來的微生物無法附著。
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