112 年 國立臺灣大學食品科技研究所丙組《食品化學》

此題考驗對膠體與凝膠形成條件的理解。雞湯結凍與否主要取決於膠體（雞湯中的蛋白質、膠原蛋白等）的濃度以及其形成網狀結構的能力。

詳解：

雞湯中含有豐富的蛋白質，特別是膠原蛋白，在冷卻後會形成凝膠（雞湯凍）。

• 稀雞湯不結凍的原因：

  • 在稀雞湯中，膠原蛋白的濃度非常低。膠原蛋白分子在溶液中分散，無法有效相互連結形成連續的三維網狀結構。因此，即使冷卻，也無法形成穩定的凝膠，所以不會結凍。

• 濃雞湯會結凍的原因：

  • 在濃雞湯中，膠原蛋白的濃度相對較高。

此題考驗對蛋白打發原理、影響因素以及形成的泡沫穩定性的理解。蛋白打發過程中，空氣被捲入蛋白液，蛋白質變性並在空氣-液體界面形成一層薄膜，穩定泡沫。

核心觀念：

• 蛋白打發機理： 蛋白質（主要是卵白蛋白）在機械攪拌作用下，分子鏈展開（變性），在氣泡的表面形成一層膜，將空氣包圍，從而形成泡沫。
• 影響因素： pH值、溫度、添加物（糖、油脂、酸、鹽）等都會影響蛋白質的變性、聚集以及泡沫的穩定性。
• 泡沫穩定性： 蛋白質膜的強度、彈性以及氣泡的尺寸和均勻性決定了泡沫的穩定性。

實驗結果說明與預測：

• 配方一 (純蛋白)：

  • 結果說明： 純蛋白是基礎對照組。在機械攪拌下，卵白蛋白展開並在空氣-水界面形成蛋白質膜，產生泡沫。濕性發泡和乾性發泡所需時間相對較短，表明其打發效率較好。
  • 穩定度預測： 泡沫穩定性中等。雖然蛋白質膜能穩定氣泡，但缺乏額外的穩定劑，泡沫結構相對容易塌陷。

• 配方二 (蛋白+糖)：

  • 結果說明： 添加糖（通常是蔗糖）會延長打發時間（濕性發泡和乾性發泡時間都比純蛋白長）。糖會與蛋白質競爭水分，延緩蛋白質的變性。同時，糖也會在蛋白質膜上形成保護層，增加泡沫的彈性和強度，並防止蛋白質過度聚集導致泡沫破裂。
  • 穩定度預測： 泡沫穩定性高。糖的存在顯著提高了泡沫的穩定性，因為它能增加蛋白質膜的強度和彈性，並減少水分的蒸發。

• 配方三 (蛋白+油)：

  • 結果說明： 添加油脂會嚴重抑制蛋白打發，導致無法打發。

此題考驗對油脂的化學結構、物理性質（Iodine Value, Solid Fat Index）及其加工技術（如部分氫化、酶法酯交換等）的理解。

核心觀念：

• Iodine Value (IV)： 指標量測油脂中不飽和脂肪酸的含量。
• Solid Fat Index (SFI)： 指標量測油脂在不同溫度下固態脂肪的比例。
• 部分氫化： 將液態不飽和脂肪酸轉化為固態飽和脂肪酸，但會產生反式脂肪。
• T技術： 指的是一種不產生反式脂肪的油脂改質技術，常見的有酶法酯交換（Interesterification）或分提（Fractionation）。從題目描述和圖示來看，T技術應是指對油脂進行結構改質，使其在保持一定固體含量的同時，避免反式脂肪的產生。

詳解：

(1) Iodine value (IV)的定義，並比較A、A'兩種油脂IV值的高低。

• IV定義： Iodine Value (IV)，碘價，是指每 100 克油脂所能吸收的碘的克數，或相當於能與之反應的碘的克數。它是一個用來衡量油脂中不飽和脂肪酸（特別是雙鍵）含量的指標。不飽和度越高，IV值越高。

• 比較A、A'的IV值：

  • 從左圖（SFI vs. IV）可以看出，油脂A和油脂A'的曲線是不同的。
  • 在相同的SFI值下（例如SFI=50），油脂A的IV值約為100-110，而油脂A'的IV值約為150。
  • 這表示在相同固體含量（SFI）的情況下，油脂A'的不飽和度更高，即其含有更多的雙鍵。
  • 結論： 在此圖中，油脂A'的IV值高於油脂A。

(2) Solid fat index (SFI)的定義，並說明在食品加工代表的意義。

• SFI定義： Solid Fat Index (SFI)，固體脂肪指數，是指在特定溫度下，油脂中固態脂肪所佔的百分比。它反映了油脂的固化特性，即在不同溫度下，有多少脂肪是固態的。

• 在食品加工中的意義：

  • 質地與口感： SFI決定了油脂在不同溫度下的硬度、可塑性、脆性或延展性，進而影響食品的質地和口感。例如，酥餅的酥脆、巧克力在口中的融化感、人造奶油的可塗抹性等都與SFI有關。
  • 加工性能： SFI影響油脂在加工過程中的行為，如混合、成型、冷卻等。例如，在烘焙中，高SFI的油脂能在室溫下保持固態，有助於產生酥脆結構；在製作巧克力時，特定的SFI曲線能確保巧克力在室溫下不融化，但在口中能快速融化。
  • 穩定性： SFI也與油脂的氧化穩定性間接相關。通常，飽和脂肪酸含量較高的油脂（SFI較高）氧化穩定性較好，但可能含有較多反式脂肪（若經部分氫化）。

此題考驗對食品香氣成分的來源及生成機制的理解，特別是植物組織受損時產生的醛類香氣。

核心觀念：

• 香氣成分來源： 許多植物中的香氣成分是以無香或低香的前驅物形式存在，在組織受損（如切割、碾碎）時，由特定的酵素催化分解產生。
• 脂肪氧化途徑： 不飽和脂肪酸是產生許多醛類、酮類香氣的前驅物。
• 酶催化反應： 組織受損會使原本在細胞內隔離的酵素和基質接觸，從而引發化學反應。

詳解：

黃瓜的特有清香主要來自於 trans-2-cis-6-nonadienal，這是一種含有兩個雙鍵的醛類化合物。這種香氣成分的產生與植物組織的機械損傷（如切割、碾碎）有關，其生成機制通常涉及以下步驟：

1. 前驅物： 黃瓜細胞中含有亞麻油酸 (linoleic acid)，這是一種含有兩個雙鍵的 omega-6 不飽和脂肪酸 (C18:2)。亞麻油酸通常以甘油三酯或磷脂的形式存在於細胞膜或細胞質中，與細胞內的酵素（如脂氧化酶）是分開的。
2. 組織損傷： 當黃瓜被切割或碾碎時，細胞結構被破壞，原本分隔的酵素和亞麻油酸得以接觸。

此題考驗對維生素A前驅物、類胡蘿蔔素結構與生物利用性，以及熱對類胡蘿蔔素影響的理解。

核心觀念：

• 維生素A前驅物： 某些化合物在體內可以轉化為維生素A。
• 類胡蘿蔔素： 一類存在於植物中的脂溶性色素，具有共軛雙鍵結構。
• 生物轉化： 體內酵素系統將外源性物質轉化為活性形式。
• 熱對營養素的影響： 高溫可能導致氧化、異構化、降解等。

詳解：

β-胡蘿蔔素作為維生素A前驅物的原因：

• 化學結構： all-trans β-carotene (β-胡蘿蔔素) 具有一個對稱的分子結構，其分子兩端各有一個 β-環，中間由一條由共軛雙鍵組成的長鏈連接。這個共軛雙鍵系統是類胡蘿蔔素的特徵，也是其顏色來源。
• 生物轉化機制： 在人體內，β-胡蘿蔔素可以被類胡蘿蔔素雙加氧酶 (carotenoid dioxygenase)，特別是β-胡蘿蔔素15,15'-雙加氧酶 (β-carotene 15,15'-dioxygenase) 催化。這種酵素會作用在β-胡蘿蔔素分子鏈的中間位置（15和15'碳原子之間），將其氧化裂解成兩個分子的視黃醛 (retinal)。
• 視黃醛轉化為維生素A： 視黃醛隨後可以被進一步氧化成視黃酸 (retinoic acid) 或被還原成視黃醇 (retinol)，而視黃醇就是維生素A的活性形式之一。

好的，這題主要在探討水分子在不同狀態下對酵素的影響，以及這些狀態如何透過水分活度（moisture sorption isotherm）來理解。

題目 6：酵素水分子的性質與影響

核心觀念：
本題考查水分子在食品基質中的不同存在形式，以及這些形式如何影響酵素的活性和穩定性。水分活度（Water Activity, $a_w$）是描述水分子可用性（即水參與化學反應或作為微生物生長介質的能力）的重要指標，而水分吸附等溫線（Moisture Sorption Isotherm, MSI）則能描繪出在特定溫度下，食品與水分子之間在不同相對濕度下的平衡關係，進而揭示不同形態水分子的存在。

解題過程：

本題要求我們以一種酵素為例，利用水分吸附等溫線的分布範圍，說明 constitutional water, hydration shell water, free water 和 entrapped water 這四種水分子形態的性質及其對酵素的影響。

首先，我們需要了解這四種水分子形態的定義：

• Constitutional water (結構水)： 指的是緊密結合於蛋白質分子內部結構中的水分子，通常是透過氫鍵或離子鍵與蛋白質的極性基團（如胺基、羧基、羥基等）結合。這部分水分子的量相對較少，且不易被移除。
• Hydration shell water (水合殼層水)： 指的是緊密吸附在蛋白質分子表面，形成一層或多層水分子層。這些水分子與蛋白質表面的極性基團透過氫鍵相互作用，形成所謂的「水合殼層」。這層水對於維持蛋白質的空間結構和功能至關重要。
• Bound water (結合水)： 廣義的結合水包含 constitutional water 和 hydration shell water。這部分水分子與蛋白質之間存在較強的作用力，其物理性質（如凝固點、蒸氣壓）與自由水不同。
• Free water (自由水)： 指的是未與蛋白質分子發生顯著相互作用的水分子，其性質與純水相似，可以自由流動，並作為溶劑參與化學反應或作為微生物生長介質。
• Entrapped water (夾帶水)： 指的是被包裹在蛋白質分子聚集體或食品基質的孔隙中，但與蛋白質分子的直接相互作用較少的水分子。這部分水可能難以被完全移除，但其流動性介於結合水和自由水之間。

接下來，我們以澱粉酶 (Amylase) 為例進行說明。澱粉酶是一種常見的酵素，其活性與其三維結構密切相關。

水分吸附等溫線 (Moisture Sorption Isotherm, MSI) 的分布範圍與水分子的性質：

水分吸附等溫線通常會呈現 S 型曲線，可以大致分為幾個區域，對應著不同形態的水分子：

1. 低相對濕度區 (Low relative humidity, RH < 30-40%)：

   • 水分子形態： 主要為 constitutional water 和部分 hydration shell water。
   • 性質： 這些水分子與蛋白質分子（如澱粉酶）的極性基團有強烈的相互作用，結合力很強。Constitutional water 甚至可以被視為蛋白質結構的一部分。Hydration shell water 則形成緊密的單分子層或雙分子層，維持蛋白質的局部結構穩定性。
   • 對酵素的影響： 在這個區域，水分子極少，蛋白質結構可能開始變得不穩定，甚至發生部分變性。澱粉酶的活性會顯著下降，因為其活性中心的水合作用不足，底物（澱粉）難以接近和結合。

2. 中相對濕度區 (Moderate relative humidity, 40% < RH < 70-80%)：

   • 水分子形態： 結合水（constitutional water 和 hydration shell water）的比例仍然很高，但開始有 entrapped water 出現，並有少量 free water 開始形成。