111 年 國立臺灣大學食品科技研究所丙組《食品微生物學》

低溫處理（包括冷藏和冷凍）是食品保存的常用方法，主要是透過降低微生物的生長速率來延緩腐敗，但過低的溫度，尤其是冷凍，會對微生物造成直接或間接的傷害。

低溫處理對微生物的傷害或死亡現象：

1. 細胞膜功能受損 (Cell Membrane Damage): 低溫會改變細胞膜的流動性，使其變得僵硬，影響膜上蛋白質的功能，如運輸和能量代謝。在冷凍過程中，細胞內外形成冰晶，這些冰晶的形成會物理性地刺穿細胞膜，造成細胞內容物外洩，導致細胞死亡。
2. 酵素活性降低 (Enzyme Activity Reduction): 微生物的代謝活動高度依賴酵素。低溫會顯著降低酵素的活性，減緩或停止細胞的生化反應，進而抑制生長甚至導致死亡。
3. 核酸損傷 (Nucleic Acid Damage): 極低的溫度（如冷凍）可能導致 DNA 或 RNA 的結構改變或斷裂，影響遺傳物質的複製和蛋白質的合成，最終導致細胞死亡。
4. 滲透壓改變與脫水 (Osmotic Stress and Dehydration): 在冷凍過程中，細胞內的水分結成冰晶，導致細胞外液濃度升高，引起滲透壓的改變。細胞會嘗試透過排出水分來平衡滲透壓，這會導致細胞脫水，細胞質濃縮，進而影響細胞結構和功能。

食品凍藏過程中影響微生物存活的因子：

1. 冷凍溫度與時間 (Freezing Temperature and Time):
   • 溫度: 溫度越低，冰晶形成越快、越小，對細胞的物理傷害可能越小，但整體抑制生長效果越好。

HACCP（Hazard Analysis and Critical Control Points）是一種用於食品安全管理系統的預防性方法，旨在識別、評估和控制食品生產過程中可能發生的危害。

HACCP 的全名：
Hazard Analysis and Critical Control Points
（危害分析重要管制點）

HA (Hazard Analysis) 的意義：
危害分析 (Hazard Analysis) 是 HACCP 系統的第一個步驟。它涉及對食品生產的每一個環節進行系統性的評估，以識別所有潛在的生物性（如細菌、病毒、寄生蟲）、化學性（如農藥殘留、過敏原、清潔劑）和物理性（如玻璃碎片、金屬屑、骨頭）危害。這個步驟的目的是找出所有可能對食品安全構成威脅的潛在風險，並評估這些風險發生的可能性及其嚴重程度。

本題考驗對於食品添加物（防腐劑）作用機制及劑量效應的理解，需要繪製圖形來輔助說明。

核心觀念：
防腐劑的作用是抑制或殺滅食品中的微生物，其效果通常與劑量有關。在食品系統中，不同劑量的防腐劑會導致微生物族群在儲存期間的變化曲線不同。

圖形繪製與說明：

我們將繪製一個座標圖，其中：

• Y 軸 (縱軸): 表示微生物的活菌量 (log CFU/mL 或 log CFU/g)。
• X 軸 (橫軸): 表示儲存時間 (例如：天、週)。

圖中將呈現三條曲線，分別代表不同劑量的防腐劑：

1. 無添加防腐劑 (控制組): 這條曲線代表沒有添加防腐劑的情況。微生物的活菌量會隨著時間的推移而增加（在有利於生長的條件下），或在不利條件下逐漸減少。通常，若食品處於可能腐敗的狀態，此曲線初期會上升，達到高峰後因營養耗盡或代謝產物累積而下降。
2. 低劑量防腐劑: 這條曲線會顯示微生物的生長受到抑制，其活菌量的上升速度比控制組慢，或下降速度比控制組快。在某些情況下，低劑量可能只能延緩微生物的生長，而無法完全阻止。
3. 高劑量防腐劑: 這條曲線會顯示微生物的活菌量迅速下降，或長時間維持在非常低的水平。高劑量的防腐劑通常具有較強的殺菌效果，能快速降低微生物數量，並能有效抑制其後續生長。

圖示說明：

想像一個圖表，Y 軸從 0 開始向上延伸，X 軸從 0 開始向右延伸。

• 曲線 1 (無添加): 可能從一個較高的初始值（假設已有少量微生物）開始，隨著時間呈現一個先上升後下降的趨勢，或持續緩慢下降。
• 曲線 2 (低劑量): 比曲線 1 開始時的下降速度稍快，或上升速度明顯減緩，可能較長時間維持在較低水平。

半溼性食品（Semi-moist foods）是食品分類中的一個重要類別，其定義主要基於其水分活度（water activity, $a_w$）的範圍。

半溼性食品的定義：
半溼性食品是指水分活度介於約 0.60 至 0.85 之間的食品。在這個水分活度範圍內，大部分的腐敗細菌（如沙門氏菌、金黃葡萄球菌）的生長會受到顯著抑制，但酵母菌和黴菌（如黃麴毒素產生菌）仍有可能生長和繁殖。因此，這類食品雖然比低水分食品（如餅乾、穀物）的保存性好，但比高水分食品（如新鮮蔬果、肉類）的保存性差，通常需要額外的保存方法，如添加防腐劑、真空包裝或冷藏來延長保存期限。

日常生活中常見的半溼性食品兩例：

1. 果醬 (Jam) / 蜜餞 (Preserves): 大部分的果醬和蜜餞，透過高濃度的糖來降低水分活度，使水分活度落在半溼性食品的範圍內。雖然糖有抑菌作用，但仍需注意黴菌的生長，尤其是在開封後。

本題主要在考察考生對台灣現行食品安全法規中微生物衛生標準的了解，特別是 2020 年修訂後的新規定。

核心觀念：
食品微生物衛生標準是為了確保食品安全，透過設定微生物的限量標準來管理食品中的微生物污染。採樣計畫則是執行這些標準的關鍵方法。

(1) 新制『食品中微生物衛生標準』規範的七大食品類別：

根據衛生福利部 2020 年 10 月 6 日發布的新制《食品中微生物衛生標準》，規範的七大食品類別（或稱食品類別）如下：

1. 水產品及其製品 (Aquatic products and their products): 包括各種魚類、貝類、蝦蟹、藻類及其加工製品。
2. 應冷藏或冷凍之調理食品 (Ready-to-eat chilled or frozen foods): 指經加工處理、可直接食用或只需簡單加熱即可食用，且需冷藏或冷凍保存的食品，例如生魚片、壽司、調理包、即食雞肉等。
3. 烘焙食品 (Baked goods): 包括麵包、蛋糕、餅乾、糕點等。
4. 蛋及其製品 (Eggs and their products): 包括生鮮蛋、水煮蛋、滷蛋、液蛋、蛋粉等。
5. 乳品及其製品 (Dairy products and their products): 包括生乳、鮮乳、奶粉、優格、起司等。
6. 嬰兒與較大嬰兒配方食品及學齡前兒童營養補充食品 (Infant formula, follow-up formula and foods for young children): 專為特定年齡層嬰幼兒設計的營養補充品。
7. 飲料品 (Beverages): 包括果汁、茶飲料、碳酸飲料、運動飲料、調味乳等。

(2) 採樣計畫 (Sampling Plan) 的說明：

採樣計畫是執行《食品中微生物衛生標準》的具體執行方法，其目的是為了確保所採取的樣品能夠代表整批食品，並能準確地評估該批食品是否符合微生物衛生標準。一個完善的採樣計畫通常包含以下幾個關鍵要素：

乳酸菌在發酵乳製品中不僅能產生酸味，更能透過其多樣化的生化代謝途徑，產生複雜且令人愉悅的香味物質，賦予產品獨特的風味。

核心觀念：
乳酸菌主要透過發酵碳水化合物（如乳糖、葡萄糖）及分解蛋白質、脂肪等，產生多種揮發性及非揮發性的小分子化合物，這些化合物共同構成了發酵乳製品的香味。

香味產生可能透過的生化代謝途徑：

1. 碳水化合物發酵途徑：
   • 乳酸發酵 (Lactic Acid Fermentation): 這是乳酸菌最主要的代謝方式。
     • 同型乳酸發酵 (Homofermentative): 主要將糖分解為乳酸。例如，乳球菌屬 (Lactococcus) 和部分乳桿菌屬 (Lactobacillus) 會將乳糖或葡萄糖主要轉化為乳酸。乳酸本身帶有輕微的酸甜味，是乳製品基礎風味的一部分。
     • 異型乳酸發酵 (Heterofermentative): 除了乳酸外，還會產生乙酸、乙醇、二氧化碳、以及少量揮發性脂肪酸（如丙酸、丁酸）。這些副產物對風味的貢獻非常重要。例如，嗜乳酸桿菌 (Lactobacillus acidophilus) 和酵母菌（若有共存）常進行異型乳酸發酵。
   • 其他碳水化合物代謝產物：
     • 乙醛 (Acetaldehyde): 被認為是發酵乳製品（特別是優格）中最重要的芳香物質之一，帶有新鮮、青草或蘋果的香氣。由某些乳酸菌（如保加利亞乳桿菌 Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus）通過特定途徑產生。
     • 雙乙醯 (Diacetyl): 具有濃郁的奶油香氣，是許多發酵乳製品（如奶油、優格、起司）的關鍵風味物質。主要由檸檬酸發酵 (citrate fermentation) 產生，常見於乳球菌屬 (Lactococcus) 和鏈球菌屬 (Streptococcus)。
     • 揮發性脂肪酸 (Volatile Fatty Acids, VFAs): 如乙酸、丙酸、丁酸、己酸等。乙酸帶有刺激性的酸味，丙酸有時帶有甜味，丁酸則有令人不悅的氣味（高濃度時），己酸則有奶酪味。這些 VFAs 的產生與蛋白質和脂肪的分解也有關。

核心觀念

本題考的是康普茶發酵過程中，菌群如何受到溫度、營養來源、酸鹼值及代謝產物影響。SCOBY 指「細菌與酵母菌的共生培養體」（Symbiotic Culture of Bacteria and Yeast）。

康普茶中的主要代謝關係為：

• 酵母菌利用糖類，產生乙醇與二氧化碳。
• 醋酸菌在有氧環境下利用乙醇，產生醋酸，使環境逐漸酸化。
• 一般較不耐酸的嗜中溫菌群在初期能增殖，但隨著酸度增加而受到抑制。

醋酸菌的代表性反應為：

因此，判讀重點是菌數在發酵後期能否維持，以及它與糖、乙醇及酸化的關係。

解題方法

先比較三圖的整體趨勢，再結合各菌群的生理特性判定。

一、圖 a：嗜中溫菌

圖 a 的菌數先上升，約在第 7 天達到高峰，之後下降，約第 10～12 天出現明顯衰退。

發酵初期，糖與其他營養仍充足，酸度也較低，一般嗜中溫菌可利用適宜環境增殖。隨著發酵進行，醋酸等有機酸逐漸累積、pH 降低，加上營養消耗與菌群競爭，較不耐酸的菌群受到抑制，活菌數便明顯下降。

有機酸除了降低環境 pH，未解離的酸也能進入菌體，在細胞內解離，干擾胞內酸鹼平衡及代謝。因此，先增殖、後明顯衰退的圖 a，對應本題的一般嗜中溫菌群。

二、圖 b：酵母菌

食品微生物在肉品中的作用，可以分為兩大類：破壞性的腐敗作用，以及有益的發酵作用。這兩者在肉品的品質、安全與保存上扮演著截然不同的角色。

食品微生物在肉品腐敗時的角色：

肉品腐敗是指肉品因微生物的生長和代謝活動，導致其原有的色澤、氣味、質地、風味發生不良變化，進而失去食用價值的過程。在此過程中，微生物扮演著「破壞者」的角色，主要透過以下方式：

1. 分解蛋白質 (Protein Degradation):

   • 許多腐敗菌（如綠膿桿菌 Pseudomonas spp.、產氣莢膜梭菌 Clostridium perfringens、變形桿菌 Proteus spp.）能分泌蛋白酶，將肉品中的蛋白質分解成胜肽 (peptides) 和游離胺基酸 (free amino acids)。
   • 進一步分解會產生揮發性含氮化合物，如胺類 (amines)（如屍胺 putrescine、腐胺 cadaverine）、硫化物 (sulfides)、氨 (ammonia) 等。這些物質是造成肉品產生惡臭（如腐敗味、硫磺味、氨味）的主要原因。
   • 同時，蛋白質分解也會導致肉品質地變軟、出現黏滑感。

2. 分解脂肪 (Lipid Degradation):

   • 一些微生物（如假單胞菌 Pseudomonas spp.、葡萄球菌 Staphylococcus spp.）具有脂酶活性，能分解肉品中的脂肪，產生游離脂肪酸 (free fatty acids)。
   • 這些游離脂肪酸，特別是短鏈脂肪酸，會產生不良的酸敗味（如油耗味、腐臭味）。
   • 脂肪分解也可能導致肉品表面出現油膩感。

3. 分解碳水化合物 (Carbohydrate Degradation):

   • 雖然肉品中碳水化合物含量較低，但如果有少量殘留（如糖原），微生物仍會將其發酵產生酸、醇、氣體等，影響風味並可能導致肉品膨脹。

4. 產生毒素 (Toxin Production):

   • 某些腐敗微生物（如金黃葡萄球菌 Staphylococcus aureus、產氣莢膜梭菌 Clostridium perfringens、肉毒桿菌 Clostridium botulinum）在生長過程中可能產生外毒素 (exotoxins)，這些毒素對人體健康構成嚴重威脅，即使微生物本身已被殺滅，毒素仍可能存在。

5. 改變色澤 (Color Changes):

   • 微生物代謝產物可能與肉品中的色素（如肌紅蛋白）發生反應，導致肉品顏色變暗、變綠、變褐色，失去新鮮肉品的鮮紅色澤。例如，硫化氫可能與鐵離子反應產生黑色沉澱。

食品微生物在肉品發酵時的角色：

肉品發酵（如製作香腸、火腿、風乾肉製品等）是利用特定的、有益的微生物（通常是乳酸菌、酵母菌、某些枯草桿菌等）在控制的條件下，對肉品進行轉化，產生預期的風味、質地和保存性。

好的，我們來詳細解析這道關於液態培養基滅菌的題目。這題主要在考驗你對培養基滅菌原理、方法、條件，以及滅菌效果影響因素的理解。

題目 9：液態培養基滅菌

本題核心觀念： 培養基滅菌是食品微生物實驗中不可或缺的一環，確保實驗結果的準確性。滅菌方法的選擇、條件的設定（溫度、濕度、壓力）以及滅菌時間的長短，都與培養基的體積、滅菌機制的效率密切相關。

(a) 在進行液態培養基滅菌時，常用之溫度、濕度與壓力條件為何？

在進行液態培養基滅菌時，最常用的方法是濕熱滅菌，通常使用高壓蒸氣滅菌鍋（Autoclave）。其常用條件如下：

• 溫度： $121^{\circ}\text{C}$。這是因為在此溫度下，即使是具有高耐熱性的細菌芽孢，其存活率也會在足夠時間內降至可忽略的程度。
• 濕度： 高濕度（飽和水蒸氣）。水蒸氣的潛熱能有效傳遞至培養基，並使微生物細胞內的蛋白質變性，是濕熱滅菌的關鍵。
• 壓力： $15 \text{ psi}$（磅/平方英吋），約等於 $1.05 \text{ kg/cm}^2$ 或 $103.4 \text{ kPa}$。在標準大氣壓下（$1 \text{ atm}$），水的沸點是 $100^{\circ}\text{C}$。透過加壓，可以將水的沸點提高到 $121^{\circ}\text{C}$，從而達到更有效的滅菌。

原因說明： 選擇 $121^{\circ}\text{C}$、$15 \text{ psi}$ 的條件，是基於熱力學和微生物學的考量。在 $121^{\circ}\text{C}$ 的高溫下，水分子的熱運動加劇，能有效地穿透微生物的細胞壁和細胞膜，與細胞內的蛋白質、核酸等重要分子發生化學反應，導致其結構破壞和功能喪失（變性）。高壓的目的是提高水的沸點，使高溫滅菌得以在短時間內有效進行。濕潤的環境（飽和水蒸氣）比乾燥的熱空氣更能有效地傳導熱量，且水分子本身也參與化學反應，增強滅菌效果。

【答案】常用溫度為 $121^{\circ}\text{C}$，濕度為飽和水蒸氣，壓力為 $15 \text{ psi}$。

(b) 乾熱滅菌法與濕熱滅菌法之相異處為何？

乾熱滅菌法與濕熱滅菌法在滅菌原理、適用範圍、滅菌條件和效果上存在顯著差異。