111 年 國立臺灣大學食品科技研究所丙組《食品化學》

此題主要考驗學生對水活度 (water activity, aw) 與水分含量 (moisture content, M) 之間關係的理解，特別是吸濕等溫線 (adsorption isotherm) 與脫濕等溫線 (desorption isotherm) 的滯後現象 (hysteresis) 及其原因。

核心觀念：
水活度 (aw) 是指水在食品中的化學勢，與食品中水的自由度有關。水分含量 (M) 則是指食品中水的總量。水活度與水分含量之間的關係通常以吸濕/脫濕等溫線圖表示。

滯後現象 (Hysteresis) 的說明：
在杏桃果乾的乾燥 (脫濕) 和吸濕過程中，水活度 (aw) 與水分含量 (M) 的關係圖呈現滯後現象。這表示在相同的濕度下，果乾在乾燥時的水分含量會高於在吸濕時的水分含量。在圖上，這會表現為脫濕等溫線 (desorption isotherm) 位於吸濕等溫線 (adsorption isotherm) 的上方。

造成滯後現象的原因：
造成此現象的主要原因與食品基質的結構變化有關，特別是食品內部孔隙的結構。

1. 孔隙結構的改變： 在乾燥過程中，食品基質會收縮，導致原有的孔隙閉合或變小。

此題主要考驗學生對寡糖結構、命名、鍵結方式以及還原糖判斷的知識。

核心觀念：

1. 寡糖命名與結構： 寡糖是由數個單醣分子透過糖苷鍵 (glycosidic bond) 連接而成。命名通常包含單醣的種類、連接方式以及連接的單醣。
2. 單醣種類： 需辨識出 2'-fucosyllactose 中的單醣組成。
3. 糖苷鍵： 了解糖苷鍵的形成方式，即一個單醣的半縮醛羥基 (anomeric hydroxyl group) 與另一個單醣的羥基反應脫水形成。
4. 還原糖： 還原糖是指其分子中含有一個游離的半縮醛羥基 (anomeric hydroxyl group) 的醣類，能夠還原某些氧化劑（如費林試劑、班氏試劑）。

分子結構分析：
2'-fucosyllactose 的名稱本身就提供了重要的結構資訊：

• Lactose (乳糖)： 乳糖是一種二醣，由一個葡萄糖 (glucose) 和一個半乳糖 (galactose) 組成。其結構為 $\beta$-D-galactopyranosyl-(1$\to$4)-D-glucopyranose。
• 2'-fucosyl： 這表示在乳糖的半乳糖單元上，於 C-2 位置連接了一個岩藻糖 (fucose)。
• '- (撇號)：在「2'-」中的撇號表示這個位置是在半乳糖單元上，而不是在葡萄糖單元上。

因此，2'-fucosyllactose 的結構是由：

1. 一個半乳糖 (galactose)
2. 一個葡萄糖 (glucose)
3. 一個岩藻糖 (fucose)

此題主要考驗學生對果膠 (pectin) 基本結構、酯化程度 (degree of esterification, DE) 的定義及其對果膠凝膠形成影響的理解。

核心觀念：

1. 果膠的結構： 果膠是一種複雜的多醣，主要由 $\alpha$-(1$\to$4) 鍵連接的 D-半乳糖醛酸 (D-galacturonic acid) 單元組成。在半乳糖醛酸單元的 C-6 位置的羧基 (-COOH) 可能會被甲基化形成甲酯基 (-COOCH$_3$)。
2. 酯化程度 (DE)： 酯化程度是指果膠分子中被甲基化的羧基占總羧基（包括游離羧基和甲酯基）的比例，通常以百分比表示。
   • 高甲基果膠 (High Methoxyl Pectin, HMP)：DE > 50%
   • 低甲基果膠 (Low Methoxyl Pectin, LMP)：DE < 50%

酯化程度對凝膠性質的影響：
酯化程度是影響果膠形成凝膠最重要的因素之一，它決定了果膠形成凝膠所需的條件，如 pH 值、離子強度（糖含量）和陽離子種類。

1. 高甲基果膠 (HMP, DE > 50%)：
   • 凝膠機制： HMP 形成凝膠主要依靠分子間的氫鍵和疏水作用力。在足夠高的糖濃度（通常 > 55% w/w）和適當的酸性 pH 值（通常 pH 2.8-3.6）條件下，果膠分子之間的羧基 (-COOH) 和甲酯基 (-COOCH$_3$) 能夠形成氫鍵，同時甲酯基之間的疏水作用力也會促使分子鏈聚集。高糖濃度有助於排除果膠分子周圍的水分，使果膠鏈更接近，有利於聚集；

此題主要考驗學生對油脂加工過程中反式脂肪酸 (trans fatty acids, TFA) 生成的機制、影響因素以及避免 TFA 產生之方法的理解。

核心觀念：

1. 反式脂肪酸的生成： 主要發生在油脂的氫化 (hydrogenation) 過程中，以及高溫烹調時。在氫化過程中，不飽和脂肪酸的雙鍵 (-CH=CH-) 在鎳 (Ni) 等催化劑作用下，與氫氣 (H$_2$) 反應，部分雙鍵會被還原成單鍵 (-CH$_2$-CH$_2$-)，從而使液態油脂固化。然而，在此過程中，未完全被還原的雙鍵，其幾何構型可能從順式 (cis-) 轉變為反式 (trans-)。
2. 可塑性油脂 (plastic fats)： 指在室溫下呈現半固態，具有延展性和可塑性，但不會立即融化或崩裂的油脂。這類油脂的結構中含有一定比例的固體脂肪，但同時也保持一定的流動性。

Part (1): 影響反式脂肪酸產生與含量的因素

在油脂的氫化過程中，影響反式脂肪酸產生與含量的主要因素包括：

1. 氫化程度 (Degree of Hydrogenation)：

   • 說明： 氫化程度越高，雙鍵被還原的越多，產生的飽和脂肪酸越多，反式脂肪酸的含量通常也越高。這是因為在氫化過程中，順式雙鍵的異構化（轉變為反式）與雙鍵的還原（飽和）是同時發生的。
   • 影響： 為了達到所需的硬度，需要進行一定程度的氫化，但過度氫化會顯著提高 TFA 含量。

2. 催化劑 (Catalyst)：

   • 說明： 常用的氫化催化劑如鎳 (Ni)、銅 (Cu) 等。催化劑的種類、用量、活性和表面積都會影響反應速率和選擇性。
   • 影響： 不同的催化劑對順反異構化和還原反應的選擇性不同。例如，有些催化劑可能更傾向於促進反式異構化。

3. 反應溫度 (Reaction Temperature)：

   • 說明： 氫化反應通常在高溫下進行（例如 150-200°C）。
   • 影響： 較高的溫度通常會加速反應速率，但也可能增加反式脂肪酸的生成比例，因為高溫有利於雙鍵的異構化。

4. 氫氣壓力 (Hydrogen Pressure)：

   • 說明： 氫氣分壓是反應的驅動力。
   • 影響： 較高的氫氣壓力會促進雙鍵的還原，但也可能增加反式脂肪酸的生成。需要平衡以獲得理想的產物。

5. 反應時間 (Reaction Time)：

   • 說明： 反應時間越長，氫化程度越高。
   • 影響： 長時間反應會導致更多的雙鍵被還原，同時也可能增加反式脂肪酸的生成。

6. 攪拌效率 (Agitation Efficiency)：

   • 說明： 良好的攪拌可以確保氫氣、油脂和催化劑充分接觸。
   • 影響： 攪拌不均可能導致局部過度氫化或反應不完全，進而影響 TFA 的形成。

7. 起始油脂的組成 (Composition of Starting Oil)：

   • 說明： 原料油的不飽和度（例如單元不飽和脂肪酸、多元不飽和脂肪酸的含量和位置）會影響氫化反應的進行和 TFA 的生成。
   • 影響： 多元不飽和脂肪酸（如亞麻油酸、次亞麻油酸）的雙鍵較活潑，更容易參與反應。

8. 高溫烹調 (High-Temperature Cooking)：

   • 說明： 除了工業氫化，在食品加工中的高溫油炸、烘烤等也會導致油脂中的順式不飽和脂肪酸部分轉化為反式脂肪酸。

此題主要考驗學生對不同脂肪酸類型的熱穩定性、不同烹調方式對油脂的影響，以及橄欖油的特性與價格的理解。

核心觀念：

1. 脂肪酸的熱穩定性：
   • 飽和脂肪酸 (Saturated Fatty Acids, SFA)： 沒有雙鍵，分子結構穩定，熱穩定性最高，不易氧化。
   • 單元不飽和脂肪酸 (Monounsaturated Fatty Acids, MUFA)： 只有一個雙鍵，熱穩定性介於飽和脂肪酸和多元不飽和脂肪酸之間。
   • 多元不飽和脂肪酸 (Polyunsaturated Fatty Acids, PUFA)： 含有兩個或兩個以上雙鍵，最不穩定，最容易在高溫下氧化、聚合或產生有害物質。
2. 烹調方式與油脂的影響：
   • 高溫烹調（如油炸、煎炒）： 伴隨著高溫、氧氣接觸、水分（來自食物）的產生，這些條件都會加速油脂的氧化和降解。
   • 低溫烹調（如涼拌）： 溫度較低，對油脂的要求相對寬鬆，主要關注油脂的風味和營養價值。
3. 橄欖油的特性：
   • 主要脂肪酸： 橄欖油富含單元不飽和脂肪酸，主要是油酸 (oleic acid, C18:1)。
   • 其他成分： 含有多酚類 (polyphenols) 等抗氧化物質，這有助於提高其抗氧化能力。
   • 等級： 特級初榨橄欖油 (Extra Virgin Olive Oil, EVOO) 未經精煉，保留了較多的營養成分和風味，但其熱穩定性相對較差。精煉橄欖油 (Refined Olive Oil) 則經過處理，熱穩定性較好。
4. 價格： 特級初榨橄欖油由於生產工藝和品質要求，價格通常較高。

評論與理由分析：

「橄欖油中的油酸含量最高」：

• 正確性： 這句話是正確的。橄欖油，特別是特級初榨橄欖油，是單元不飽和脂肪酸（主要是油酸）的極佳來源，油酸含量通常可達 70-80% 甚至更高。

「油炸或煎炒應該是較理想」：

• 正確性： 這句話的「理想」程度需要仔細斟酌，部分正確但有誤導性。
  • 部分正確的理由： 相較於富含多元不飽和脂肪酸的植物油（如大豆油、葵花籽油），橄欖油（主要是油酸）的熱穩定性較好，在適當的溫度下（例如煎炒溫度，約 150-180°C）較不易氧化和產生有害物質。油酸的單一雙鍵使其比多元不飽和脂肪酸的亞油酸 (linoleic acid) 和亞麻油酸 (linolenic acid) 更能耐受高溫。
  • 誤導性/不夠理想的理由：
    1. 高溫油炸的極端條件： 雖然橄欖油比 PUFA 油穩定，但極高溫（如超過 200°C 的深度油炸）或長時間的重複油炸，仍然會導致橄欖油的降解，包括氧化、聚合、產生反式脂肪酸（雖然量少）和有害物質。

此題主要考驗學生對亞硫酸鹽 (sulfites) 和亞硫酸氫鹽 (sulfur dioxide) 以及亞硝酸鹽 (nitrite) 和硝酸鹽 (nitrate) 在食品中作為添加物的功效與作用機轉的理解。

核心觀念：

1. 亞硫酸鹽/亞硫酸氫鹽 (Sulfites/Sulfur Dioxide)： 這些化合物在水中會形成亞硫酸 (H$_2$SO$_3$)、亞硫酸氫根離子 (HSO$_3^-$) 和亞硫酸根離子 (SO$_3^{2-}$)，它們是還原劑和弱酸。
2. 亞硝酸鹽/硝酸鹽 (Nitrite/Nitrate)： 亞硝酸鹽 (NO$_2^-$) 是較強的氧化劑，在特定條件下（如酸性環境）會轉化為亞硝酸 (HNO$_2$) 或一氧化氮 (NO)。硝酸鹽 (NO$_3^-$) 則相對穩定，但在特定條件下（如微生物作用）可被還原為亞硝酸鹽。

Part 1: Sulfites and Sulfur Dioxide

功效 (Functions)：

1. 抗氧化劑 (Antioxidant)： 抑制油脂氧化，防止食品褐變。
2. 漂白劑 (Bleaching Agent)： 破壞食品中的色素（如類黃酮、花青素），使其顏色變淺或消失。
3. 防腐劑 (Preservative)： 抑制微生物（細菌、黴菌、酵母菌）的生長，特別是在酸性條件下。
4. 延緩酶促褐變 (Inhibition of Enzymatic Browning)： 抑制酚類化合物氧化酶 (polyphenol oxidase, PPO) 的活性，防止水果、蔬菜切割後褐變。
5. 麵糰改良劑 (Dough Improver)： 破壞麵筋中的二硫鍵 (-S-S-)，使麵糰變軟、延展性增加。

機轉 (Mechanisms)：

1. 抗氧化/還原作用： 亞硫酸根離子 (SO$_3^{2-}$) 具有強還原性，能夠與食品中的氧化性物質（如過氧化物、醌類）反應，將其還原成較穩定的形式，從而中斷氧化鏈。例如，它可以與氧氣反應，消耗氧氣，或還原自由基。
2. 漂白作用：
   • 非酶褐變： 破壞類黃酮、花青素等色素結構，使其顏色變淺。
   • 酶促褐變： 抑制酚類化合物氧化酶 (PPO) 的活性。PPO 在氧氣存在下將酚類底物氧化為醌類，醌類進一步聚合形成棕黑色素。亞硫酸鹽可以：
     • 直接抑制 PPO 酶的活性。
     • 還原已形成的醌類物質，使其恢復為酚類。
     • 與酚類底物反應，減少其被氧化。
3. 防腐作用：
   • 細胞膜損傷： 亞硫酸鹽可以破壞微生物細胞膜的完整性。
   • 酶活性抑制： 抑制微生物體內多種關鍵酶的活性，特別是參與呼吸作用和代謝的酶。
   • pH 降低： 在水中形成酸性環境，不利於許多微生物的生長。
4. 麵糰改良： 亞硫酸鹽可以與麵筋蛋白中的二硫鍵 (-S-S-) 反應，通過還原作用將其斷裂，形成 -SH 基團，從而降低麵筋的強度和彈性，使麵糰更容易加工。

Part 2: Nitrite and Nitrate Salts

功效 (Functions)：

1. 防腐劑 (Preservative)： 特別是在肉製品中，能有效抑制肉毒桿菌 (Clostridium botulinum) 的生長，防止肉毒桿菌中毒。
2. 發色劑 (Curing Agent/Color Fixative)： 賦予肉製品獨特的粉紅色澤，並維持其穩定性。
3. 風味改良劑 (Flavor Enhancer)： 參與形成肉製品特有的風味。

此題主要考驗學生對植物化學物質 (phytochemicals) 的健康益處機轉、消化系統中的吸收與代謝，以及生物利用度 (bioavailability) 的理解。

核心觀念：

1. 植物化學物質 (Phytochemicals)： 指存在於植物中的非營養素化合物，但對人體健康具有潛在益處。它們種類繁多，結構和功能各異。
2. 健康益處機轉： 主要通過抗氧化、抗炎、調節免疫、影響代謝、影響細胞信號通路等方式。
3. 消化系統中的命運： 攝入後，植物化學物質會經歷消化、吸收、代謝、分佈和排泄的過程。
4. 生物利用度 (Bioavailability)： 指有多少攝入的化合物能夠被吸收並到達作用部位發揮生理功能。它受到多種因素的影響。

Part 1: Phytochemicals 的健康益處機轉 (Mechanisms of Health-Promoting Benefits)

植物化學物質的健康益處機轉多樣，常見的有：

1. 抗氧化作用 (Antioxidant Activity)：

   • 機轉： 許多植物化學物質（如類黃酮、酚酸、類胡蘿蔔素）是強效的抗氧化劑。它們可以：
     • 清除自由基 (Free Radical Scavenging)： 直接與活性氧 (ROS) 和活性氮 (RNS) 等自由基反應，使其穩定化，阻止自由基對細胞成分（DNA、蛋白質、脂質）的損傷。
     • 抑制氧化酶： 抑制參與氧化過程的酶（如黃嘌呤氧化酶）。
     • 增強內源性抗氧化系統： 誘導細胞產生和激活自身的抗氧化酶（如超氧化物歧化酶 SOD、過氧化氫酶 CAT、穀胱甘肽過氧化物酶 GSH-Px）。
   • 益處： 減輕氧化應激，預防慢性疾病（如心血管疾病、癌症、神經退行性疾病）。

2. 抗炎作用 (Anti-inflammatory Activity)：

   • 機轉： 許多植物化學物質可以調節炎症信號通路，如抑制 NF-$\kappa$B (Nuclear Factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) 的激活，該因子是啟動炎症反應的關鍵轉錄因子。它們還可以抑制促炎細胞因子（如 TNF-$\alpha$, IL-6）和酶（如 COX-2, LOX）的產生。
   • 益處： 緩解慢性炎症，對關節炎、心臟病等有益。

3. 調節免疫系統 (Immune System Modulation)：

   • 機轉： 部分植物化學物質可以增強或調節免疫細胞（如 T 細胞、B 細胞、巨噬細胞）的功能，影響細胞因子產生，從而增強機體對感染的抵抗力或調節過度的免疫反應。
   • 益處： 提高免疫力，預防感染。

4. 影響細胞信號通路和基因表達 (Modulation of Cell Signaling Pathways and Gene Expression)：

   • 機轉： 許多植物化學物質能夠與細胞內的特定受體或酶結合，影響細胞生長、分化、凋亡 (apoptosis) 等關鍵過程。例如，類黃酮和多酚可以影響 MAPK、PI3K/Akt 等信號通路。某些物質還能影響與代謝、解毒相關的基因表達（如通過 Nrf2 途徑）。
   • 益處： 抑制癌細胞生長，促進正常細胞功能。

5. 抗菌、抗病毒作用 (Antimicrobial and Antiviral Activity)：

   • 機轉： 某些植物化學物質可以直接破壞病原微生物的細胞結構，或抑制其複製和生長。
   • 益處： 輔助預防或治療感染性疾病。

6. 調節代謝 (Metabolic Regulation)：

   • 機轉： 某些植物化學物質（如類黃酮、類胡蘿蔔素、多酚）可以影響葡萄糖代謝、脂質代謝，例如改善胰島素敏感性，調節脂肪生成和分解。
   • 益處： 有助於預防和管理糖尿病、肥胖症。

核心觀念

本題考查胺基酸的基本結構、手性、側鏈分類，以及在生理環境中的存在型態：

• 除了甘胺酸（glycine）外，多數胺基酸具有手性 $\alpha$-碳。
• 含芳香環的胺基酸可吸收紫外光，尤其 tyrosine 與 tryptophan 在 $280\ \text{nm}$ 附近具有吸收。
• lysine 的側鏈含有額外的胺基，屬於鹼性胺基酸。
• 胺基酸在接近生理 pH 的水溶液中，通常以兩性離子（zwitterion）形式存在。

解題方法

逐一檢查各選項所描述的結構與性質：

1. 判斷是否所有胺基酸都有手性 $\alpha$-碳。
2. 判斷 tyrosine 的芳香側鏈是否造成 $280\ \text{nm}$ 紫外光吸收。
3. 依 lysine 側鏈的官能基判定其酸鹼分類。
4. 依胺基酸在生理 pH 下的電離狀態判斷是否為兩性離子。

選項分析

(A) 所有胺基酸的結構中均有一個 chiral $\alpha$-carbon atom

錯誤。

一般胺基酸的 $\alpha$-碳連接四種不同的基團：

因此通常具有手性。然而，甘胺酸的側鏈 $R$ 為氫原子，使其 $\alpha$-碳連接兩個氫：

該碳原子沒有連接四種不同的基團，因此甘胺酸不具手性。故「所有胺基酸」的說法錯誤。

(B) tyrosine 上的苯環使其在 $280\ \text{nm}$ 的波長下有明顯的吸收峰

正確。

Tyrosine 的側鏈含有酚基芳香環：

核心觀念

食品加工中的加熱、氧化與鹼性處理，可能造成胺基酸降解或與其他成分反應，使蛋白質的營養價值降低。其中最重要的兩種易受破壞胺基酸為：

1. 甲硫胺酸（methionine）：容易被氧化，硫醚基可形成 methionine sulfoxide 或 methionine sulfone。
2. 離胺酸（lysine）：其 $\varepsilon$-胺基反應性高，容易與還原糖的羰基進行梅納反應，形成不可利用的結合型離胺酸。

因此，本題是考「食品加工造成胺基酸營養損失的主要反應」。

解題方法

判斷食品加工中容易損失的胺基酸，可從其側鏈官能基的反應性切入：

• 含硫胺基酸容易受到氧化破壞，代表為 methionine。
• 具有游離 $\varepsilon$-胺基的 lysine，容易在加熱時與還原糖反應。其反應可概略表示為：

核心觀念

$60\text{–}90^\circ\mathrm{C}$ 屬於食品常見的加熱加工範圍，蛋白質最主要的變化是變性。變性會破壞蛋白質的次級、三級與四級結構，使原本埋藏於分子內部的疏水區域與部分胜肽鍵暴露，通常有利於胃蛋白酶、胰蛋白酶等消化酵素作用，因此可提高蛋白質的消化率。

此溫度範圍通常不足以造成胺基酸的大量化學分解、胺基酸結構消旋，亦不足以大量生成高溫熱解產物。

解題方法

判斷本題可依「加熱溫度對蛋白質的典型影響」切入：

1. $60\text{–}90^\circ\mathrm{C}$ 可使多數蛋白質發生熱變性。
2. 蛋白質變性後，分子結構較為伸展，消化酵素較容易接近其作用位置。
3. 因此，在一般食品加工條件下，蛋白質的消化率通常增加。

故最符合題意的選項為 (A)。

選項分析

(A) 增加其 digestibility——正確

加熱造成蛋白質變性，使蛋白質分子展開，並降低部分結構對消化酵素的阻礙，因而通常提高蛋白質的消化率。

例如豆類、蛋類與肉類經適度加熱後，蛋白質較容易被消化。此效果是食品加熱加工改善營養利用率的重要原因之一。

需注意，過度加熱可能引起蛋白質聚集、交聯，甚至使部分胺基酸與還原糖發生反應，造成消化率下降；但在本題所指的一般 $60\text{–}90^\circ\mathrm{C}$ 加工條件下，主要考慮適度變性所帶來的消化率提升。

(B) 去活化 lipoxygenase——不選

Lipoxygenase（脂氧合酶）本身是蛋白質，適當加熱確實可能使其變性並失去酵素活性。脂氧合酶失活可降低脂質氧化及豆腥味形成。

此題考驗學生對蛋白質結構、肽鍵形成、蛋白質分類（纖維狀與球狀）及其性質的理解。

核心觀念：

1. 肽鍵 (Peptide Bond)： 胺基酸之間通過一個胺基酸的羧基 (-COOH) 與另一個胺基酸的胺基 (-NH$_2$) 發生脫水縮合反應形成的共價鍵 (-CO-NH-)。
2. 蛋白質結構層次： 一級結構（胺基酸序列）、二級結構（α-helix, β-sheet）、三級結構（三維空間摺疊）、四級結構（多個胜肽鏈的組合）。
3. 蛋白質分類： 纖維狀蛋白質 (Fibrous proteins) 和球狀蛋白質 (Globular proteins)。
4. 胺基酸的性質： 疏水性 (hydrophobic) 和親水性 (hydrophilic)。

選項分析：

(A) 由排序在前的胺基酸提供 amino group 和下一個胺基酸的 carboxyl group 脫水產生 peptide bond,以此方式串接而成

• 分析： 肽鍵的形成是「一個」胺基酸的羧基 (-COOH) 與「另一個」胺基酸的胺基 (-NH$_2$) 發生脫水反應。在此敘述中，它說「排序在前的胺基酸提供 amino group」，而「下一個胺基酸提供 carboxyl group」。這正好顛倒了。肽鍵的形成是，第一個胺基酸的羧基 (-COOH) 與第二個胺基酸的胺基 (-NH$_2$) 反應。因此，是第一個胺基酸的羧基和第二個胺基酸的胺基參與反應。
• 結論： 錯誤。

(B) peptide bond 的化學性質與雙鍵類似

• 分析： 肽鍵 (-CO-NH-) 具有部分雙鍵的性質，這被稱為「部分雙鍵共振」或「肽鍵的共振結構」。由於氮原子上的孤對電子可以離域到羰基的 π 鍵，導致 C-N 鍵具有部分雙鍵的特徵，鍵長介於單鍵和雙鍵之間，並且是平面的。這種部分雙鍵性質使得肽鍵相對剛性，並且不能自由旋轉。雙鍵 (-C=C-) 也是剛性的，不能自由旋轉。
• 結論： 正確。肽鍵的共振結構使其具有部分雙鍵的性質，表現出平面性和剛性。

(C) lactoglobulin 具有 fibrous protein 的 3級結構

• 分析： Lactoglobulin (乳球蛋白) 是乳清蛋白的主要成分，例如 $\beta$-lactoglobulin。它是一種典型的球狀蛋白質 (globular protein)，其三級結構是高度摺疊形成的緊密三維結構，使其在水中具有較好的溶解性。纖維狀蛋白質 (fibrous proteins) 如膠原蛋白、角蛋白，其結構是長鏈狀、線性的，通常不溶於水。
• 結論： 錯誤。Lactoglobulin 是球狀蛋白質。

(D) 一般而言, fibrous protein 有較高比例的疏水性胺基酸,因此常不溶於水

• 分析： 纖維狀蛋白質（如膠原蛋白、角蛋白、肌肉蛋白）的結構特點是長鏈狀，這些蛋白質通常在細胞外或作為結構成分存在，因此需要不溶於水以保

此題考驗學生對蛋白質結構中維持不同層次結構的各種分子間作用力，以及這些作用力對溫度的敏感性。

核心觀念：
蛋白質結構的穩定性由多種作用力維持，包括：

1. 共價鍵： 肽鍵（一級結構）、二硫鍵 (-S-S-)（影響三級和四級結構）。
2. 非共價鍵：
   • 氫鍵 (Hydrogen Bonds)： 存在於肽骨之間的 N-H...O=C (二級結構) 和側鏈之間的 O-H...O, N-H...O, N-H...N 等。
   • 離子鍵/鹽橋 (Ionic Bonds/Salt Bridges)： 帶相反電荷的側鏈之間（如帶正電的胺基和帶負電的羧基）。
   • 疏水相互作用 (Hydrophobic Interactions)： 疏水性側鏈在水性環境中趨於聚集，以減少與水的接觸面積。
   • 凡得瓦爾力 (van der Waals Interactions)： 包括倫敦分散力 (London dispersion forces) 和偶極-偶極作用 (dipole-dipole interactions)，存在於所有分子之間，在緊密接觸的蛋白質區域尤為重要。

溫度對這些作用力的影響：

• 肽鍵： 非常穩定，高溫不易破壞。
• 二硫鍵： 是共價鍵，相對穩定，但某些還原劑或極端條件下可能斷裂。高溫本身對二硫鍵的直接破壞作用較小，除非伴隨其他反應。
• 氫鍵： 溫度升高會增加分子的動能，使氫鍵更容易斷裂和重新形成。因此，氫鍵對溫度比較敏感，在高溫下穩定性會降低。
• 離子鍵： 離子鍵的強度受介質離子強度和介電常數影響。溫度升高會略微降低介電常數，可能稍微影響離子鍵強度，但不如氫鍵敏感。
• 疏水相互作用： 這是蛋白質在高溫下最容易受到影響的作用力之一。疏水相互作用的驅動力是減少水分子與疏水基團的接觸，增加水的熵。當溫度升高時，水的結構會變得更無序，水分子與疏水基團之間的「排斥」效應減弱，水的熵增加效應減弱，這反而會「促進」疏水基團的聚集。然而，如果溫度繼續升高，超過蛋白質的變性點，水分子動能增大，會開始「解開」疏水核心，導致蛋白質變性。所以，疏水相互作用在「適度」升溫（如 50°C）時，其驅動力可能減弱，導致蛋白質結構鬆弛。
• 凡得瓦爾力： 凡得瓦爾力是所有分子間都存在的弱力，其強度與距離密切相關。溫度升高會增加分子的動能，可能導致分子間距離增大，從而減弱凡得瓦爾力。

題目情境： 將蛋白質加熱至 50°C。
50°C 是一個相對溫和的加熱溫度，足以引起蛋白質的結構變化，但通常不足以完全破壞所有結構。

選項分析：

(A) van der Waal interaction (凡得瓦爾力)：

• 分析： 凡得瓦爾力是較弱的作用力。在 50°C 下，分子動能增加，確實可能導致這些作用力減弱。

(B) hydrogen bonds (氫鍵)：

• 分析： 氫鍵對溫度比較敏感。在 50°C 下，分子的振動和轉動會增加，使得氫鍵更容易斷裂和重新形成。這會導致蛋白質結構的鬆弛。

此題考驗學生對蛋白質變性 (denaturation) 的定義、過程、結果以及其影響的理解。

核心觀念：
蛋白質變性是指蛋白質在物理或化學因素（如加熱、pH 改變、強酸鹼、有機溶劑、重金屬離子、機械攪拌等）作用下，其二級、三級和四級結構被破壞，空間構象發生改變，但一級結構（胺基酸序列）保持不變的過程。變性通常導致蛋白質失去原有的生理活性。

選項分析：

(A) 增加 solvent entropy (增加溶劑熵)：

• 分析： 蛋白質變性時，原本緊密摺疊的球狀蛋白質會展開，暴露更多的疏水性側鏈到水中。這會導致水分子圍繞這些疏水基團的排列變得更加無序，從而增加水的熵。同時，蛋白質自身結構的展開也增加了其構象熵。因此，變性過程通常伴隨著溶劑（水）和蛋白質本身的熵的增加。
• 結論： 正確。

(B) 增加 protein structure entropy (增加蛋白質結構熵)：

• 分析： 蛋白質變性是從一個高度有序的空間摺疊結構（低熵）轉變為一個更為無序、展開的結構（高熵）。這種結構的無序化程度增加，意味著其構象熵的增加。
• 結論： 正確。

(C) 其一級結構改變 (其一級結構改變)：

• 分析： 蛋白質變性主要破壞的是蛋白質的二級、三級和四級結構。一級結構，即胺基酸的序列，是由穩定的共價鍵（肽鍵）連接而成，在一般的變性條件下（如加熱、pH 變化）是不會改變的。只有在極端的條件下（如強酸/鹼長時間水解），一級結構才會被破壞。
• 結論： 錯誤。

(D) 同一個蛋白質的變性結構有多種 (同一個蛋白質的變性結構有多種)：

• 分析： 蛋白質的天然狀態（未變性）通常是單一的、高度有序的構象。但變性過程是一個從有序到無序的過程，蛋白質在變性後，其展開的結構是高度無序且不穩定的，可能存在多種不同的鬆散構象。而且，變性過程通常是可逆的（退火），但也可能形成不可逆的變性狀態。即使是可逆變性，蛋白質展開後的狀態也不是單一固定的，而是多種構象的混合。
• 結論： 正確。

題目要求選出「何者正確」。選項 (A), (B), (D) 都是正確的敘述。
這很可能是一道多選題。

如果這是單選題，則需要找出「最」正確或最核心的描述。

• (A) 和 (B) 都描述了熵的增加，這是變性過程的熱力學特徵。

此題考驗學生對影響蛋白質溶解度的因素，特別是溶劑性質、溫度、pH 值（等電點）以及鹽析作用機制的理解。

核心觀念：
蛋白質溶解度受多種因素影響，包括：

1. 溶劑性質： 介質的極性（介電常數）、離子強度（鹽濃度）、pH 值。
2. 蛋白質本身性質： 胺基酸組成（疏水性/親水性）、分子大小、電荷分佈。
3. 溫度： 對溶解度的影響複雜，通常在某一溫度範圍內溶解度隨溫度升高而升高，但超過變性溫度後會急劇下降。

選項分析：

(A) 有機溶劑可增加溶液的介電常數,因此增加溶質分子之間的作用力,而使蛋白質沈澱,降低溶解度

• 分析： 有機溶劑（如乙醇、丙酮）的介電常數通常比水低。它們的加入會降低溶液的整體介電常數。介電常數降低會使得帶電蛋白質分子之間的靜電吸引力（離子鍵）增強，同時也會削弱蛋白質與水分子之間的吸引力。當蛋白質分子之間的吸引力超過其與溶劑的吸引力時，蛋白質就會聚集並沈澱，從而降低溶解度。此外，有機溶劑還能與蛋白質的疏水基團發生作用，破壞蛋白質的疏水相互作用。
• 結論： 錯誤。有機溶劑降低介電常數，削弱蛋白質與水的相互作用，並增強蛋白質分子間的吸引力，導致沈澱，降低溶解度。

(B) 在未引起蛋白質變性的溫度範圍內,溫度越高,其蛋白質溶解度越高

• 分析： 在較低的溫度範圍內，溫度升高通常會增加蛋白質與溶劑（水）之間的分子動能，有利於蛋白質的溶解，因此溶解度會升高。然而，這種趨勢並非無限。蛋白質也有一個最佳溶解溫度，超過這個溫度後，熱能會開始破壞蛋白質的結構（變性），導致其溶解度急劇下降。因此，說「溫度越高，溶解度越高」是不夠準確的，它只在一個特定的溫度範圍內成立。
• 結論： 錯誤。這種關係只在一定溫度範圍內成立。

(C) 一般而言,在等電點的蛋白質,其溶解度最佳

• 分析： 等電點 (isoelectric point, pI) 是指蛋白質總淨電荷為零的 pH 值。

此題考驗學生對乳化作用中「蛋白質負荷」(protein load) 的定義理解。

核心觀念：
乳化劑（如蛋白質）在乳化液中發揮作用，主要是通過在油水界面形成一層膜，降低界面張力，穩定乳滴。

• 乳化液 (Emulsion)： 由兩種不互溶的液體（通常是油和水）分散而成，其中一種液體以小液滴的形式分散在另一種液體中。
• 蛋白質負荷 (Protein Load)： 指的是在乳化過程中，蛋白質作為乳化劑在油水界面上的「承載量」或「覆蓋程度」。它衡量的是有多少蛋白質分子能夠吸附到界面上，並在界面上形成穩定的膜。

選項分析：

(A) 在乳化液中蛋白質的量 (Amount of protein in the emulsion)：

• 分析： 這指的是體系中蛋白質的總量，而不是其在界面上的作用。蛋白質總量是決定能吸附到界面的蛋白質的潛在來源，但不是「負荷」的定義。
• 結論： 錯誤。

(B) 在乳化液中蛋白質的濃度 (Concentration of protein in the emulsion)：

• 分析： 這指的是蛋白質在整個乳化液體系中的濃度，同樣是總量的一個指標，而不是其在界面上的分佈。
• 結論： 錯誤。

(C) 在乳化液中兩相介面上蛋白質的量 (Amount of protein at the interface of the two phases)：

此題考驗學生對蛋白質疏水性 (hydrophobicity) 與其乳化活性 (emulsifying activity) 之間關係的理解，以及如何通過圖形來表示這種關係。

核心觀念：

1. 疏水性 (Hydrophobicity)： 指蛋白質分子中疏水性胺基酸側鏈暴露在表面的程度。高疏水性意味著蛋白質更容易與油相相互作用。
2. 乳化活性指數 (Emulsifying Activity Index, EAI)： 這是衡量蛋白質乳化能力的指標，通常定義為單位質量蛋白質在單位體積油水中能夠穩定化的界面面積。EAI 越高，乳化能力越強。
3. 乳化能力與疏水性的關係： 蛋白質要發揮乳化作用，需要能夠吸附到油水界面，並在界面上形成穩定的膜。這通常需要蛋白質具有一定的疏水性，以便與油相相互作用，同時也需要有親水性區域，以便在水相中保持一定的穩定性。
   • 如果蛋白質過於親水，則難以吸附到界面。
   • 如果蛋白質過於疏水，則可能在水相中過早聚集，難以擴散到界面，或者一旦吸附到界面後，過於強烈的疏水性可能導致其過度聚集，反而不利於形成穩定、均勻的乳化膜。
   • 因此，乳化活性通常與適度的疏水性相關。存在一個「最佳」的疏水性範圍，在這個範圍內，EAI 最高。

圖形分析：
題目要求畫出「hydrophobicity (x 軸) 對 emulsification 程度 (y 軸, EAI) 的圖」。

• x 軸：Hydrophobicity (疏水性)。
• y 軸：Emulsification (乳化活性指數 EAI)。

我們預期，當疏水性從非常低（過於親水）開始增加時，乳化活性會逐漸升高。當疏水性達到某個最適當的程度時，乳化活性達到最大值。

此題考驗學生對麵糰 (dough) 中蛋白質（主要是麥麩質，gluten）結構及其對麵糰品質影響的理解。

核心觀念：
麵糰的品質（如延展性、彈性、強度、氣體滯留能力）主要取決於麵粉中的蛋白質，特別是麥麩質蛋白 (gluten proteins)，包括麥膠蛋白 (glutenin) 和麥穀蛋白 (gliadin)。

• 麥麩質蛋白 (Glutenin)： 具有較高的分子量和較強的彈性，能夠形成三維網狀結構，提供麵糰的強度和彈性。這種結構的形成大量依賴於分子鏈之間的交聯。
• 麥穀蛋白 (Gliadin)： 分子量較小，較易流動，提供麵糰的延展性。

作用力在麵糰形成中的作用：

• 肽鍵： 構成蛋白質的一級結構，是基礎。
• 二硫鍵 (-S-S-)： 這是麥麩質蛋白形成強韌三維網狀結構的關鍵。麥膠蛋白 (glutenin) 分子之間，以及麥穀蛋白 (gliadin) 和麥膠蛋白之間，通過側鏈的半胱胺酸殘基形成的二硫鍵，將蛋白質鏈連接起來，形成一個連續的、強韌的蛋白質網絡。這個網絡賦予麵糰強度、彈性和延展性。
• 氫鍵： 在蛋白質鏈內部和鏈之間也存在，對維持蛋白質的二級和三級結構有貢獻，對麵糰的整體結構也有影響，但其作用力相對二硫鍵較弱。
• 疏水相互作用： 疏水性側鏈的聚集有助於蛋白質的摺疊和網絡形成，對麵糰的彈性有一定貢獻。
• 凡得瓦爾力： 普遍存在，但作用力最弱。

題目要求「貢獻最大」的作用力。
在形成麵糰堅韌的蛋白質網絡中，二硫鍵的形成是至關重要的。它將單獨的蛋白質鏈連接成一個巨大的、有彈性的網絡。沒有足夠的二硫鍵，麵糰將會非常鬆散，缺乏強度和彈性。

此題考驗學生對 Michaelis-Menten 動力學方程的理解，特別是 KM 值的定義。

核心觀念：
Michaelis-Menten 方程描述了酶促反應速率 (v) 與底物濃度 ([S]) 之間的關係：
$v = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$
其中：

• $v$ 是反應速率。
• $V_{max}$ 是最大反應速率，當所有酶都被底物飽和時達到。
• $[S]$ 是底物濃度。
• $K_m$ 是 Michaelis 常數，它代表了酶與底物結合的親和力。

KM 值的定義：
$K_m$ 的定義是，當反應速率 $v$ 等於最大反應速率 $V_{max}$ 的一半時，所對應的底物濃度 $[S]$。

推導過程：
將 $v = \frac{1}{2}V_{max}$ 代入 Michaelis-Menten 方程：
$\frac{1}{2}V_{max} = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$
將等式兩邊同除以 $V_{max}$ (假設 $V_{max} \neq 0$)：
$\frac{1}{2} = \frac{[S]}{K_m + [S]}$
交叉相乘：
$1 \times (K_m + [S]) = 2 \times [S]$

核心觀念

本題需先區分兩種酵素：

• Hydroperoxide lyase（氫過氧化物裂解酶，HPL）：屬於脂質氧化途徑中的酵素，主要催化脂肪酸氫過氧化物裂解，生成醛類與含氧脂肪酸，形成植物的香氣或異味。

  $$$$

\text{脂肪酸氫過氧化物}
\xrightarrow{\text{HPL}}
\text{醛類}+\text{含氧脂肪酸}