109 年 國立臺灣大學食品科技研究所丙組《食品微生物學》

此題主要考驗學生對兩種重要食品微生物（一種指示菌/致病菌，另一種為高風險的產毒菌）生長條件的理解，以及如何透過食品加工與儲存條件來抑制其生長。

解題思路：
針對這兩種微生物，需要分別闡述其生長條件，並從這些條件反推其在食品中的防治策略。

(1) 大腸桿菌 (Escherichia coli)：
大腸桿菌是革蘭氏陰性菌，通常被視為糞便污染的指標，某些致病性大腸桿菌（如 EHEC）對人體健康有嚴重威脅。

• 生長條件：
  • 營養：能利用多種碳源和氮源。
  • 溫度：為兼性厭氧菌，最適生長溫度約在 37°C，但能在 10-45°C 之間生長（範圍廣）。
  • pH：最適 pH 約在 6.0-7.0，在酸性環境下生長受限，一般認為 pH < 4.5 時生長受到顯著抑制。
  • 水分活性 ($a_w$)：需要較高的水分活性，通常 $a_w > 0.95$ 才能良好生長。
  • 氧氣：兼性厭氧，有氧無氧皆可生長。
• 防治策略：
  • 熱處理： 殺菌（如巴氏殺菌、高溫滅菌）可有效殺滅大腸桿菌。
  • pH 控制： 透過添加酸（如醋、檸檬酸）或發酵（產生有機酸）來降低食品 pH 值至 4.5 以下，可有效抑制其生長。
  • 水分活性控制： 降低食品的水分活性，如乾燥、加鹽、加糖，可抑制其生長。
  • 儲存溫度控制： 低溫冷藏 (4°C 以下) 可顯著減緩其生長速率。
  • 良好衛生習慣： 防止交叉污染，確保水源和食材的清潔。

(2) 肉毒桿菌 (Clostridium botulinum)：
肉毒桿菌是革蘭氏陽性、專性厭氧的產孢菌，其產生的肉毒桿菌毒素是極強的神經毒素，可導致肉毒桿菌中毒。孢子耐熱，但毒素不耐熱。

• 生長條件：
  • 營養：能分解蛋白質，利用胺基酸和胜肽。
  • 溫度：分為熱敏型（Type A, B, F，最適生長溫度約 30-37°C，可在 3.3-45°C 生長）和耐熱型（Type E, B，最適生長溫度較低，約 20-25°C，可在 0°C 以上生長）。

此題考驗學生對微生物在酵素生產中的應用，以及微生物酵素相較於動植物酵素的優勢。

解題思路：
首先舉出一個常見的微生物酵素，然後列舉其優於動植物酵素的幾個關鍵點。

舉例：
可以舉出多種微生物生產的酵素，例如：

• 澱粉酶 (Amylase)： 由細菌 (如 Bacillus spp.) 或黴菌 (如 Aspergillus spp.) 生產，用於食品工業（麵包、啤酒釀造）、紡織業等。
• 蛋白酶 (Protease)： 由細菌 (如 Bacillus spp.) 或黴菌 (如 Aspergillus spp.) 生產，用於洗衣粉、肉類嫩化、皮革處理等。
• 纖維素酶 (Cellulase)： 由黴菌 (如 Trichoderma reesei) 生產，用於紡織業（牛仔褲水洗效果）、飼料添加物、生質能源等。
• 脂肪酶 (Lipase)： 由細菌、黴菌或酵母菌生產，用於食品工業（乳酪風味）、清潔劑、藥物合成等。

我們以 澱粉酶 (Amylase) 為例進行說明。

微生物酵素 (澱粉酶) 相較於動植物酵素的優點：

1. 產量高且易於大規模生產：
   • 微生物（如細菌、黴菌）在適當的培養條件下，其繁殖速度快，能產生大量的目標酵素。
   • 透過基因工程技術，可以進一步提高微生物的產酶能力，實現高效、低成本的工業化生產。
   • 相對而言，從動植物體內提取酵素，其含量通常較低，且動物體系可能面臨疾病傳播的風險，植物體系受季節、氣候影響較大，產量穩定性較差。

此題考驗學生對傳統發酵食品及其所用微生物的知識，需要針對細菌、黴菌、酵母菌各舉一例，並說明其在發酵過程中的角色。

解題思路：
針對細菌、黴菌、酵母菌，各選擇一種常見的發酵食品，並找出該食品中主要的微生物及其作用。

1. 細菌 (Bacteria)：

   • 食品名稱： 優格 (Yogurt) 或 泡菜 (Kimchi) 或 豆瓣醬 (Doubanjiang)
   • 菌名：
     • 優格：嗜熱乳酸菌，主要是保加利亞乳酸桿菌 (Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus) 和嗜熱鏈球菌 (Streptococcus thermophilus)。
     • 泡菜：多種乳酸菌，如植物乳桿菌 (Lactobacillus plantarum)、保加利亞乳桿菌 (Lactobacillus delbrueckii) 等。
     • 豆瓣醬：枯草桿菌 (Bacillus subtilis) 和乳酸菌 (Lactic acid bacteria)。
   • 作用：
     • 乳酸菌：將乳糖或碳水化合物分解為乳酸。乳酸的產生會降低 pH 值，抑制腐敗菌和致病菌的生長，並產生獨特的酸味和風味。同時，它們也可能產生一些風味物質（如乙醛、雙乙醯）。
     • 枯草桿菌（在豆瓣醬中）：分解蛋白質產生胜肽和胺基酸，提供鮮味 (umami) 和豐富的風味。

2. 黴菌 (Mould)：

   • 食品名稱： 醬油 (Soy sauce) 或 豆豉 (Douchi) 或 豆腐乳 (Tofu cheese)
   • 菌名：
     • 醬油/豆豉：麴菌，主要是黃麴菌 (Aspergillus oryzae) 或 黑麴菌 (Aspergillus niger)。
     • 豆腐乳：根黴菌 (Rhizopus spp.) 或 毛黴菌 (Mucor spp.)，再由紅麴菌 (Monascus spp.) 進行二次發酵產生紅色。
   • 作用：
     • 麴菌：分泌大量的酵素，如澱粉酶、蛋白酶、纖維素酶等。澱粉酶將米飯或小麥中的澱粉分解為葡萄糖；蛋白酶將蛋白質分解為胺基酸和胜肽，產生鮮味和風味。

3. 酵母菌 (Yeast)：

   • 食品名稱： 麵包 (Bread) 或 啤酒 (Beer) 或 葡萄酒 (Wine)
   • 菌名：
     • 麵包：釀酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)。

此題考驗學生對低溫（冷藏、冷凍）如何影響微生物生長及存活的理解，以及這些影響如何達到延長食品保藏的目的。

解題思路：
低溫處理主要通過減緩或抑制微生物的生長，甚至導致微生物死亡來延長食品保藏。需要從以下幾個方面闡述：

1. 抑制生長速率：

   • 微生物的生理活動，包括代謝、繁殖（細胞分裂）等，都依賴於酶的催化。低溫會顯著降低酶的活性，從而減緩微生物的新陳代謝速率和細胞分裂速率。
   • 這意味著，在冷藏或冷凍條件下，微生物的數量增加會變得非常緩慢，甚至停止。對於一些對低溫敏感的腐敗菌和致病菌，其生長會被完全抑制。

2. 導致細胞損傷或死亡：

   • 對於某些微生物，特別是那些不耐低溫的種類（如許多革蘭氏陰性菌、酵母菌），長時間的低溫暴露，尤其是冷凍過程中的冰晶形成，會對細胞結構（如細胞膜、細胞壁）造成物理損傷，導致細胞死亡。
   • 冷凍時細胞內外的冰晶形成會刺穿細胞膜，改變細胞內部的離子濃度，破壞細胞的正常生理功能。

3. 改變微生物群落結構：

   • 不同的微生物對低溫的耐受性不同。通常，腐敗菌和致病菌（如大腸桿菌、沙門氏菌、李斯特菌等）對低溫的耐受性不如一些真菌（黴菌、酵母菌）或某些特殊的耐冷菌 (psychrophile)。
   • 因此，低溫處理會選擇性地抑制或殺滅對低溫敏感的微生物，而相對耐冷或嗜冷的微生物則可能繼續生長，成為主要的污染源。

此題考驗學生對食品微生物學中兩個重要概念的理解與區別：微生物標準 (standard) 和微生物規格 (specification)。這兩個術語都與食品的微生物品質有關，但含義和應用範圍不同。

解題思路：
首先分別定義兩個概念，然後比較它們的異同點、應用場景和目的。

(A) Microbial Standard (微生物標準)：

• 定義： 微生物標準通常是指由政府機構、國家標準組織或國際組織（如 WHO, FAO, ISO）制定的，針對特定食品類別或與公共衛生相關的微生物限量或要求。這些標準具有法律約束力，是強制性的。
• 目的： 主要目的是保護公眾健康，確保食品安全。它們設定了食品中致病菌、指示菌或總菌數的最高允許水平。
• 特點：
  • 強制性： 必須遵守，違者可能面臨法律處罰。
  • 普遍性： 通常適用於某一類食品在市場上的流通，是食品上市的最低要求。
  • 基於公共衛生： 主要關注食品安全風險，如致病菌的絕對禁止或極低限量。
  • 例子： 嬰兒配方奶粉中沙門氏菌的絕對禁止；即食食品中李斯特菌的限量規定；飲用水中的大腸桿菌限量。

(B) Microbial Specification (微生物規格)：

• 定義： 微生物規格是由食品生產商、供應商或客戶之間協商制定的，針對特定產品、原料或生產過程的微生物質量要求。這些規格通常是合同性的，可以比標準更嚴格，也可以涵蓋標準未涉及的方面。
• 目的： 除了確保食品安全，規格更側重於產品的質量、穩定性、貨架期以及滿足客戶或消費者對產品品質的期望。
• 特點：
  • 非強制性（或合同性）： 主要由買賣雙方約定，或企業內部質量控制的目標，不一定具有法律約束力，除非納入合同。
  • 產品導向： 可以針對特定產品的特性、生產工藝、預期儲存條件來制定。
  • 更廣泛的考量： 除了致病菌，還可以包括指示菌（用於評估生產衛生狀況）、變質菌（影響食品品質和貨架期）的限量，甚至特定有益菌（如益生菌）的最低要求。
  • 更靈活： 生產商可以根據自身能力和產品定位，制定比國家標準更嚴格的規格，以提升產品競爭力。
  • 例子： 一家飲料公司要求其供應商的瓶裝水，總生菌數必須低於 100 CFU/mL（可能比國家標準更嚴格）；一家生產益生菌產品的公司，要求其產品在有效期內必須含有至少 $10^9$ CFU/g 的特定益生菌。

比較總結：

| 特點 | Microbial Standard (微生物標準) | Microbial Specification (微生物規格)

此題考驗學生對食品安全管理系統 HACCP 的基本認識，包括其全名和核心概念。

解題思路：
首先寫出 HACCP 的英文全名，然後簡要說明其核心理念和運作方式。

英文全名：
HACCP 的英文全名是 Hazard Analysis and Critical Control Points。

簡述：
HACCP 是一種系統性的、預防性的食品安全管理系統，旨在透過識別、評估和控制食品生產過程中潛在的危害（包括生物性、化學性、物理性危害），來確保食品的安全性。

核心理念與運作：

1. 危害分析 (Hazard Analysis)： 識別食品生產鏈中（從原料採購到最終消費）所有潛在的生物性（如細菌、病毒、寄生蟲）、化學性（如農藥殘留、獸藥殘留、過敏原）和物理性（如玻璃碎片、金屬屑）危害。
2. 確定關鍵控制點 (Identify Critical Control Points, CCPs)： 在危害分析的基礎上，確定生產過程中哪些環節是關鍵的，如果這些環節出現問題，將直接導致食品安全問題。這些環節就是 CCPs。
3. 建立關鍵控制限 (Establish Critical Limits)： 為每個 CCP 設定可接受的參數範圍（如溫度、時間、pH 值、水分活性等），以確保危害得到有效控制。

此題要求學生辨識四種微生物的類別（細菌、酵母菌、黴菌），並說明它們在食品微生物學上的重要意義，這通常涉及其作為指示菌、致病菌、產毒菌或在發酵中的作用。

解題思路：
逐一分析每種微生物，確定其類別，並闡述其在食品安全或食品生產中的角色。

(1) Clostridium sporogenes (PA 3679)：

• 類別： 細菌 (Bacteria)。屬於革蘭氏陽性、厭氧、產孢菌。
• 重要意義：
  • 產孢能力： 它的孢子非常耐熱，常用作商業滅菌（如罐頭食品加工中的高壓滅菌）效果的指標菌。如果 𝐶. 𝑠𝑝𝑜𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑠 的孢子在滅菌後未能被殺滅，則表示滅菌條件不足以殺滅其他更耐熱的病原菌孢子（如 𝐶. 𝑏𝑜𝑡𝑢𝑙𝑖𝑛𝑢𝑚 的孢子）。
  • 產氣產毒： 在厭氧條件下，它能分解蛋白質，產生腐敗產物和氣體，對食品造成感官上的破壞。某些菌株也可能產生腸毒素。
  • 在食品加工中的應用： 某些菌株的產酶能力也被研究用於特定發酵過程。

(2) Listeria monocytogenes：

• 類別： 細菌 (Bacteria)。屬於革蘭氏陽性、兼性厭氧、單孢菌。
• 重要意義：
  • 重要致病菌： 這是食品安全領域最受關注的病原菌之一。它能夠在低溫（冷藏溫度）、高鹽濃度和寬範圍的 pH 值下生長，這使得它能夠在各種冷藏食品（如即食肉製品、乳製品、沙拉）中存活和繁殖，構成嚴重的公共衛生風險。
  • 侵襲性感染： 可引起李斯特菌病 (Listeriosis)，對孕婦、新生兒、老年人以及免疫功能低下者尤其危險，可導致敗血症、腦膜炎，甚至流產或死產。
  • 廣泛存在： 存在於土壤、水、動物腸道，並可污染食品加工環境，造成廣泛的交叉污染。

(3) Aspergillus parasiticus：

• 類別： 黴菌 (Mould)。屬於絲孢菌綱。
• 重要意義：

此題考驗學生對 VBNC 狀態的理解，這是微生物在不良環境下的一種生存機制，對食品安全監測和控制帶來挑戰。

解題思路：
首先定義 VBNC，然後闡述其在生理、形態、生化特性上的表現，以及對傳統檢測方法的影響。

(1) 何謂 VBNC (Viable but Nonculturable)？
VBNC 是 "Viable but Nonculturable" 的縮寫，中文意為「活存但無法培養」。
當微生物處於不利的環境條件下（如營養缺乏、極端溫度、pH、高滲透壓、存在殺菌劑等），它們會進入一種休眠狀態，即 VBNC 狀態。
在此狀態下，微生物仍然是活的（具有完整的細胞結構，維持基本的代謝活動，如維持細胞膜的完整性、能量產生等），但卻無法在標準的培養基和培養條件下進行生長和繁殖，因此無法被傳統的微生物培養方法檢測到。

(2) VBNC 的特性：
VBNC 狀態的微生物表現出以下幾個關鍵特性：

• 無法培養： 這是最主要的特徵。在常規的微生物學檢測方法（如平板計數法）下，這些細胞無法形成菌落。
• 維持細胞完整性與代謝活性： 雖然無法培養，但細胞並非死亡。它們通常維持細胞膜的完整性，並進行低水平的代謝活動，如維持能量產生、DNA 修復等，以適應惡劣環境並等待有利條件。
• 形態學改變： 某些微生物在進入 VBNC 狀態時，其形態可能發生變化，例如細胞體積縮小、細胞壁增厚、形成芽孢（雖然 VBNC 本身不是產孢）或形成生物膜 (biofilm)。

此題考驗學生對微生物在食品中生長時，不同種類微生物之間相互作用的理解，特別是共生和順序生長這兩種模式。

解題思路：
分別定義共生式生長和順序式生長，並舉出相應的食品範例，說明其中的微生物互動機制。

(1) 共生式生長 (Symbiotic growth)：

• 定義： 共生式生長是指兩種或多種微生物在同一環境中生長時，它們之間相互有利，通過協同作用促進彼此的生長和代謝活動。這種相互作用可以是提供生長因子、共同分解基質、或共同抵抗不利環境。
• 食品範例與說明：
  • 優格 (Yogurt)：
    • 微生物： 主要為保加利亞乳酸桿菌 (Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus) 和嗜熱鏈球菌 (Streptococcus thermophilus)。
    • 說明： 這兩種菌協同作用。嗜熱鏈球菌首先將乳糖分解產生葡萄糖和半乳糖，並產生少量乳酸和乙醛。這些產物（特別是乳酸）為乳桿菌的生長提供了有利的低 pH 環境，同時乳桿菌也能利用嗜熱鏈球菌代謝產生的某些胺基酸或胜肽。這種共生關係使得優格的發酵比單獨一種菌種進行得更快速、風味更好。
  • ** kombucha (康普茶)：**
    • 微生物： 含有酵母菌（如 Saccharomyces spp.）和細菌（如醋酸菌 Acetobacter spp. 和乳酸菌 Lactic acid bacteria）。
    • 說明： 酵母菌將茶中的糖發酵產生酒精和二氧化碳；隨後，醋酸菌將酒精氧化生成醋酸和有機酸，並產生一種纖維素性的薄膜（SCOBY，Symbiotic Culture Of Bacteria and Yeast）。乳酸菌則產生乳酸。三者共同作用，產生獨特的酸甜風味和氣泡。

(2) 順序式生長 (Sequence of growth)：

• 定義： 順序式生長是指在一個發酵或腐敗過程中，不同的微生物會按照一定的順序出現和生長。一種微生物的生長和代謝產物會改變環境條件（如 pH、氧化還原電位、營養物質），從而為下一種微生物的生長創造條件，直到該環境條件不再適合任何微生物生長。
• 食品範例與說明：