113 年 國立臺灣大學食品科技研究所丙組《食品化學》

本題主要考查丙烯醯胺 (acrylamide) 的生成機制，屬於食品化學中的重要反應。丙烯醯胺是一種在高溫烹調含碳水化合物和蛋白質的食物時，可能產生的潛在有害物質。

丙烯醯胺的生成主要與「美拉德反應」(Maillard reaction) 和「碳水化合物降解」有關。在油炸過程中，食物被加熱到高溫，葡萄糖 (D-glucose) 和天門冬醯胺 (L-asparagine) 這兩種在食物中常見的分子會發生反應。

反應機制：

1. 天門冬醯胺的脫氨基反應 (Deamination of L-asparagine)： 在高溫條件下，天門冬醯胺首先會發生脫氨基反應，生成天門冬胺酸 (aspartic acid) 和氨 (NH₃)。
2. 天門冬胺酸的脫水反應 (Dehydration of aspartic acid)： 接著，天門冬胺酸會進一步脫水，形成丙烯醛酸 (acrylic acid) 或其衍生物。
3. 葡萄糖的降解和反應： 同時，葡萄糖在高溫下會發生焦糖化反應 (caramelization) 和其他降解反應，產生許多還原性羰基化合物，例如醛和酮。

本題主要考查葡萄糖轉化為葡萄糖酸內酯 (GDL) 的反應機制，以及 GDL 在食品中的應用。

葡萄糖生成葡萄糖酸內酯 (GDL) 的反應：

葡萄糖 (D-glucose) 是一種醛醣，其結構中含有一個醛基。在氧化條件下，葡萄糖的醛基可以被氧化成羧基，生成葡萄糖酸 (gluconic acid)。這個氧化過程可以由化學氧化劑或酶（如葡萄糖氧化酶）催化。

1. 葡萄糖的氧化： 葡萄糖的醛基 $(-CHO)$ 在適當條件下被氧化為羧基 $(-COOH)$，形成葡萄糖酸。
   $\text{D-glucose} \xrightarrow{\text{Oxidation}} \text{Gluconic acid}$
   （此處的氧化劑可以是氧氣，在酶催化下進行）

2. 葡萄糖酸的分子內酯化 (Intramolecular esterification)： 葡萄糖酸 (gluconic acid) 是一種含有五個羥基和一個羧基的分子。在適當的 pH 和溫度條件下，葡萄糖酸分子內的羧基會與其分子中的第五個碳原子上的羥基 (-OH) 發生酯化反應，形成一個六元環的內酯。這個產物就是葡萄糖酸-δ-內酯，即 D-glucono-delta-lactone (GDL)。
   $\text{Gluconic acid} \rightleftharpoons \text{D-glucono-delta-lactone (GDL)} + H_2O$
   GDL 的結構是一個六員環，其中一個氧原子連接在羰基碳和第五個碳原子之間。

GDL 的結構圖示：

D-glucose 的開鏈結構為 $CHO-(CHOH)_4-CH_2OH$。
Gluconic acid 的開鏈結構為 $COOH-(CHOH)_4-CH_2OH$。
D-glucono-delta-lactone (GDL) 的環狀結構：

本題考查褐藻膠 (alginate) 的膠凝機制，特別是鈣離子 (Ca²⁺) 的作用。

褐藻膠 (Alginate) 的結構與特性：

褐藻膠是一種從海藻中提取的多醣，主要由 D-甘露糖醛酸 (D-mannuronic acid, M) 和 L-古洛糖醛酸 (L-guluronic acid, G) 兩種單元透過 β-(1→4) 醣苷鍵連接而成。這些單元可以以三種類型的序列排列：MM 鏈段、GG 鏈段和 MG 鏈段。褐藻膠的分子量通常很大。

鈣離子 (Ca²⁺) 與褐藻膠的凝膠機制：

褐藻膠形成凝膠的關鍵在於鈣離子與褐藻膠分子鏈之間的交聯作用。這種作用被稱為「蛋盒模型」(Egg-box model)。

1. 鈣離子的配位： 褐藻膠分子鏈上的羧基 $(-COO^-)$ 帶有負電。鈣離子 ($Ca^{2+}$) 是二價陽離子，具有較強的配位能力。

核心觀念

本題考查兩項脂肪酸命名原則：

1. 由羧基端（$\Delta$ 命名法）標示雙鍵位置。
2. 由甲基端（$\omega$ 命名法）判定脂肪酸所屬的 omega 家族。

octadecadienoic acid 表示：

• octadeca-：含 18 個碳
• dienoic acid：含 2 個碳碳雙鍵
• 9-cis, 11-trans：第 9、10 碳間為順式雙鍵；第 11、12 碳間為反式雙鍵

因此其 $\Delta$ 表示為：

解題方法

脂肪酸碳鏈由羧基碳開始編號：

雙鍵位置為：

• $\mathrm{C9=C10}$，且為 cis
• $\mathrm{C11=C12}$，且為 trans

因此結構可寫成：

其中兩個雙鍵的幾何構型必須標示為：

更完整地表示為：

羧基端                                                     甲基端
   COOH                                                       CH3
    |                                                          |
—(CH2)7— C9 ═ C10 — C11 ═ C12 —(CH2)5—CH3
             cis        trans

其中：

本題考查不飽和脂肪酸的結構、油脂自氧化機制、光敏劑催化氧化機制，以及產生的氫過氧化物。

18:2 Δ⁹,¹² 脂肪酸的結構：

• 18:2 表示該脂肪酸有 18 個碳原子，並含有 2 個雙鍵。
• Δ⁹,¹² 表示雙鍵的位置。通常這個符號表示從羧基端 (C1) 開始計算，第一個雙鍵位於 C9-C10，第二個雙鍵位於 C12-C13。
• 這是最常見的亞麻油酸 (Linoleic acid) 的結構。

結構繪製 (亞麻油酸)：

總碳數 = 18。
雙鍵位置：C9-C10 和 C12-C13。
通常是順式 (cis) 雙鍵。
$CH_3-(CH_2)_4-CH=CH-CH_2-CH=CH-(CH_2)_7-COOH$

讓我們驗證一下碳數和位置：
$CH_3$ (C18)
$(CH_2)_4$ (C17-C14)
$CH=CH$ (C13-C12)
$CH_2$ (C11)
$CH=CH$ (C10-C9)
$(CH_2)_7$ (C8-C2)
$COOH$ (C1)

總碳數：1 (CH₃) + 4 (CH₂) + 2 (CH=CH) + 1 (CH₂) + 2 (CH=CH) + 7 (CH₂) + 1 (COOH) = 18 碳。
雙鍵位置從 COOH 端算：C9-C10 (第一個雙鍵)，C12-C13 (第二個雙鍵)。
這符合 18:2 Δ⁹,¹² 的定義。
此結構通常為順順式 (cis, cis)。

油脂自氧化 (Autoxidation) 機制：

油脂自氧化是一個自由基連鎖反應，主要包括引發 (initiation)、增長 (propagation) 和終止 (termination) 三個階段。

1. 引發 (Initiation)：

   • 不飽和脂肪酸 (RH) 在能量（如熱、光）或金屬離子 (如 Fe²⁺, Cu⁺) 的作用下，失去一個活性的 α-氫原子，形成一個脂肪酸自由基 (R•)。
   • $RH \xrightarrow{Initiator} R•$

2. 增長 (Propagation)：

   • 脂肪酸自由基 (R•) 與氧氣 (O₂) 反應，生成脂肪酸過氧自由基 (ROO•)。
   • $R• + O_2 \rightarrow ROO•$
   • 脂肪酸過氧自由基 (ROO•) 從另一個脂肪酸分子 (RH) 上奪取 α-氫原子，生成氫過氧化物 (ROOH) 和新的脂肪酸自由基 (R•)，從而使反應得以延續。
   • $ROO• + RH \rightarrow ROOH + R•$
   • 這一步是關鍵，產生了不穩定的氫過氧化物。

3. 終止 (Termination)：

   • 兩個自由基相互結合，形成穩定的非自由基產物，從而終止連鎖反應。
   • $R• + R• \rightarrow R-R$
   • $ROO• + R• \rightarrow ROOR$
   • $ROO• + ROO• \rightarrow \text{Non-radical products} + O_2$

光敏劑 (Photosensitizer) 促氧化作用機制：

光敏劑（如葉綠素、核黃素、某些染料）在吸收光能後，會進入激發態。激發態的光敏劑可以通過兩種主要途徑引發氧化：

1. Ⅰ型機制 (Type I mechanism)：
   • 激發態的光敏劑 (PS*) 直接與底物（如脂肪酸 RH 或氧氣）發生反應，產生自由基。

本題考查食品油炸過程中，食用油品質指標「總極性化合物 (Total Polar Compounds, TPC)」。

總極性化合物 (Total Polar Compounds, TPC) 的定義：

在油炸過程中，食用油會在高溫下不斷地與食物中的水分、蛋白質、碳水化合物等發生複雜的化學反應。這些反應會產生一系列氧化、水解、聚合等產物，這些產物與原來的甘油三酯 (triglycerides) 不同，它們的極性更高。

總極性化合物 (TPC) 是指在油炸過程中，食用油中所有極性較高的化合物的總稱。這些化合物主要包括：

1. 氧化產物： 如氫過氧化物 (hydroperoxides)、醛、酮、環氧化物、過氧化物等。
2. 水解產物： 如甘油一酯 (monoacylglycerols)、甘油二酯 (diacylglycerols)、游離脂肪酸 (free fatty acids, FFA)。
3. 聚合產物： 如甘油三酯的二聚體、三聚體等。
4. 來自食物的極性物質： 如食物中的蛋白質、碳水化合物降解物等，也可能溶解在油中。

這些極性化合物的生成，不僅會影響油的顏色、氣味、風味，降低其熱穩定性，還可能產生對人體健康不利的物質。因此，TPC 的含量是衡量油炸用油品質和安全性的重要指標。

TPC 的測量方法：

測量 TPC 的常用方法是矽膠柱層析法 (Silica Gel Column Chromatography)。

測量步驟概述：

1. 樣品準備： 取一定量的待測炸油樣品。
2. 溶解： 將樣品溶解在非極性溶劑中，如正己烷 (n-hexane) 或石油醚 (petroleum ether)。
3. 層析柱裝填： 在玻璃柱中裝填矽膠 (silica gel) 作為固定相。

本題考查 Fenton 反應及其在食品中的意義，以及維生素 C 的作用。

Fenton 反應：

Fenton 反應是指在酸性條件下，亞鐵離子 ($Fe^{2+}$) 與過氧化氫 ($H_2O_2$) 反應，產生具有極強氧化能力的氫氧自由基 (•OH)。

反應方程式如下：
$Fe^{2+} + H_2O_2 \xrightarrow{H^+} •OH + OH^- + Fe^{3+}$
生成的氫氧自由基 (•OH) 是所有已知自由基中氧化性最強的，它可以攻擊幾乎所有的有機分子，包括蛋白質、脂質、碳水化合物、DNA 等，導致其結構破壞和功能喪失。

在食品科學中，Fenton 反應及其產生的自由基被認為是食品氧化劣變的重要原因之一，尤其是在含有鐵離子和過氧化物的食品中（例如，肉製品、魚製品、某些加工食品）。

維生素 C (Vitamin C) 在 Fenton 反應中的角色：

維生素 C，即抗壞血酸 (ascorbic acid)，是一種強效的水溶性還原劑和抗氧化劑。在 Fenton 反應中，維生素 C 扮演著還原劑和自由基清除劑的角色，其作用是複雜且雙向的：

1. 還原鐵離子，促進自由基生成 (Pro-oxidant effect)：
   • 在 Fenton 反應的初始階段，如果維生素 C 的濃度低於鐵離子，它會將反應生成的鐵離子 ($Fe^{3+}$) 還原回亞鐵離子 ($Fe^{2+}$)。
   • $Fe^{3+} + Ascorbic\; acid \rightarrow Fe^{2+} + Dehydroascorbic\; acid$

本題考查高溫處理（如烘焙、煎炸）對食品風味化合物組成的影響及其具體例子。

高溫處理，如烘焙和煎炸，是食品加工中常用的方法，它們不僅改變食品的質地和結構，更會顯著影響其風味。這是因為高溫會促進一系列複雜的化學反應，這些反應會產生或改變食品中原有的風味物質。

高溫處理改變風味組成的機制：

1. 美拉德反應 (Maillard Reaction)：

   • 這是最主要的高溫風味形成反應之一，發生於還原糖和胺基酸之間。
   • 反應過程複雜，產生大量的中間產物和終產物，包括：
     • 羰基化合物 (Carbonyl compounds)： 如醛、酮，它們本身具有強烈的香氣，如烘烤、堅果香、焦糖香。
     • 揮發性硫化物 (Volatile sulfur compounds)： 如噻吩、噻唑、呋喃等，提供肉類、烘烤等風味。
     • 吡嗪類化合物 (Pyrazines)： 產生堅果、烘烤、巧克力、咖啡等香氣。
     • 呋喃酮類化合物 (Furanones)： 如麥芽酚 (Maltol)，提供焦糖、甜香。
     • 類黑精 (Melanoidins)： 這些大分子褐變產物本身對風味有貢獻，同時也可能吸附其他風味物質。
   • 反應的進行程度取決於溫度、時間、pH 值、水分含量以及反應物的種類和濃度。

2. 焦糖化反應 (Caramelization)：

   • 這是糖在高溫下（通常高於 160°C）發生脫水、裂解、聚合等反應的過程，不涉及胺基酸。
   • 產生複雜的風味物質，如：
     • 糠醛 (Furfural) 及其衍生物： 具有焦糖、烘烤香。
     • 環狀酮類化合物 (Cyclic ketones)： 如環戊烯酮 (cyclopentenone)，提供焦糖、奶油香。
     • 揮發性醛類和酮類。
   • 焦糖化也貢獻了褐色的色澤。

3. 脂質氧化 (Lipid Oxidation)：

   • 在高溫下，特別是煎炸過程中，脂肪會發生氧化。
   • 自氧化： 產生氫過氧化物，進一步分解產生醛、酮、醇、酸等，這些物質可能產生脂肪敗壞的異味，但也可能貢獻某些特定的風味，如煎炸的香氣。
   • 熱降解： 脂肪在高溫下直接裂解，也可產生短鏈醛、酮等。

本題考查食品中的天然毒素，要求說明其來源、健康風險及控制方法。

1. 黃麴毒素 (Aflatoxins)

• 來源 (Source)：
  黃麴毒素是由某些黴菌（主要是黃麴黴菌 Aspergillus flavus 和 Aspergillus parasiticus）在適宜的濕度、溫度和營養條件下產生的代謝產物。
  常見於受黴菌污染的穀物（如玉米、花生、大豆、小麥）、堅果（如杏仁、開心果）、香料，以及由這些原料製成的食品（如花生醬、啤酒）。

• 對人體造成的健康風險 (Health Risks)：
  黃麴毒素是一類強致癌物質，特別是黃麴毒素 B1 (Aflatoxin B1, AFB1)，被國際癌症研究機構 (IARC) 列為第一類致癌物。

  • 肝癌： 長期攝入微量黃麴毒素是導致肝細胞癌 (Hepatocellular carcinoma, HCC) 的重要因素，尤其是在 B 型肝炎病毒感染者中。
  • 免疫抑制： 影響免疫系統功能，降低抵抗疾病的能力。
  • 發育遲緩： 在兒童中，可能導致生長發育遲緩。
  • 急性中毒 (Aflatoxicosis)： 大量攝入可能引起急性中毒，症狀包括嘔吐、腹痛、黃疸、肝臟損傷，甚至死亡。

• 減少風險的方法 (Reducing Risks)：

  • 食品加工：
    • 原料篩選和處理： 選擇品質良好、未受黴菌污染的原料。對原料進行清洗、去雜、乾燥等預處理，降低黴菌生長和毒素生成。
    • 熱處理： 黃麴毒素對熱相對穩定，一般烹調（如煮、烤）難以完全去除。但高溫處理（如油炸、烘烤）可以部分降低其含量。
    • 化學處理： 使用某些化學物質（如氨水、臭氧化物）在特定條件下處理，可以降解黃麴毒素，但需注意食品安全。
    • 物理方法： 如擠壓（花生油）、吸附（使用活性炭、膨潤土等吸附劑）等，可以去除部分毒素。
  • 食品儲存：
    • 控制濕度： 保持乾燥環境，避免黴菌生長。
    • 控制溫度： 儲存在陰涼、乾燥處。
    • 密封包裝： 防止濕氣進入和黴菌污染。
    • 定期檢查： 對易受污染的食品進行定期檢測。

2. 植物性毒素：茄鹼 (Solanine)

• 來源 (Source)：
  茄鹼是一種天然存在的醣苷生物鹼，主要存在於茄科植物中，尤其是在馬鈴薯 (potato) 的塊莖和綠色部位（如發芽的馬鈴薯、曬綠的馬鈴薯皮）中含量較高

本題考查「生物活性物質」(Bioactive Compounds) 的定義及在人體健康中的作用。

生物活性物質 (Bioactive Compounds) 的定義：

生物活性物質是指在植物、動物或微生物中發現的，能夠對人體的生理功能產生積極影響，但又非必需營養素（如維生素、礦物質、必需脂肪酸、必需胺基酸）的天然化合物。它們通常在食物中含量不高，但卻能通過多種機制對人體健康產生益處，例如抗氧化、抗發炎、調節免疫、預防慢性疾病等。

這些物質通常存在於水果、蔬菜、全穀物、豆類、茶、咖啡、香料等食物中。

生物活性物質的類型及其對人體健康影響的例子：

以下列舉三種類型的生物活性物質及其作用：

1. 多酚類化合物 (Polyphenols)：

   • 類型： 這是生物活性物質中最大、最重要的一類，結構多樣，具有多個酚羥基。常見的有多酚類包括類黃酮 (flavonoids)、酚酸 (phenolic acids)、花青素 (anthocyanins)、兒茶素 (catechins)、白藜蘆醇 (resveratrol) 等。
   • 食物來源： 廣泛存在於水果（漿果類、蘋果）、蔬菜（洋蔥、菠菜）、茶（綠茶、紅茶）、咖啡、可可、紅酒、堅果、全穀物等。
   • 對人體健康影響：
     • 抗氧化作用： 多酚類物質可以清除體內的自由基，抑制脂質過氧化，保護細胞免受氧化損傷，從而預防慢性疾病，如心血管疾病、癌症。
     • 抗發炎作用： 抑制體內促發炎因子的產生，調節免疫反應。
     • 心血管保護： 改善血管內皮功能，降低血壓，預防血栓形成，降低 LDL 膽固醇的氧化。
     • 抗癌作用： 通過抑制癌細胞生長、誘導癌細胞凋亡、調節代謝酶活性等機制，可能具有抗癌潛力。
     • 神經保護： 如兒茶素和白藜蘆醇，可能對神經退化性疾病（如阿茲海默症）有保護作用。

2. 類胡蘿蔔素 (Carotenoids)：

   • 類型： 脂溶性色素，是一大類具有共軛雙鍵結構的烴類化合物。主要分為兩類：β-類胡蘿蔔素 (β-carotenes) 和非 β-類胡蘿蔔素（如茄紅素 lycopene、葉黃素 lutein、玉米黃素 zeaxanthin）。
   • 食物來源：
     • β-類胡蘿蔔素：胡蘿蔔、南瓜、地瓜、菠菜、羽衣甘藍等橙黃色和深綠色蔬菜。
     • 茄紅素：番茄、西瓜、葡萄柚等紅色水果。
     • 葉黃素、玉米黃素：綠葉蔬菜（菠菜、羽衣甘藍）、雞蛋黃、玉米。
   • 對人體健康影響：
     • 抗氧化作用： 類胡蘿蔔素能有效淬滅單線態氧和清除自由基，保護細胞免受氧化損傷。
     • 維生素 A 原： β-類胡蘿蔔素在人體內可以轉化為維生素 A，維持視力、皮膚健康和免疫功能。

本題考查 Aminoimidazoazaarenes (AIAs) 的生成條件及其對人體的影響。

Aminoimidazoazaarenes (AIAs) 的生成條件：

AIAs 是一類在高溫烹調蛋白質和含氮化合物的食物時產生的雜環胺 (heterocyclic amines, HCAs) 的重要亞類。它們的生成主要與以下因素有關：

1. 高溫處理：

   • AIAs 的生成需要較高的溫度，通常在 150°C 以上。
   • 常見的高溫烹調方法包括：煎炸、燒烤、烘烤、油炸。
   • 烹調溫度越高，時間越長，AIAs 的生成量通常越多。

2. 蛋白質和含氮化合物：

   • AIAs 的前體是蛋白質中的特定胺基酸，尤其是肌酸 (creatine) 或其磷酸化形式（磷酸肌酸）以及胺基酸（如甘氨酸、丙氨酸、麩胺酸、苯丙胺酸等）。
   • 因此，富含蛋白質的食物，特別是肉類（紅肉、禽肉、魚肉），是 AIAs 的主要來源。

3. 烹調方式：

   • 直接接觸火焰或高溫表面： 燒烤、煎炸等過程中，食物表面與火焰或高溫金屬表面直接接觸，更容易產生 AIAs。
   • 水分含量： 烹調過程中水分的蒸發和食物表面的乾燥，有利於 AIAs 的形成。

AIAs 的具體類型：

AIAs 主要包括兩大家族：

• IQ 型化合物 (Imidazo[4,5-b]pyridines)： 如 IQ, MeIQ, MeIQx。
• PhIP 型化合物 (2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine)： PhIP 是其中最常見的一種。

對人體健康的影響 (Health Effects)：

AIAs 被歸類為潛在致癌物。

本題考查美拉德反應 (Maillard Reaction) 的定義，以及其在食品中受喜愛和應避免的應用。

美拉德反應 (Maillard Reaction) 的定義：

美拉德反應是一種發生於還原糖 (reducing sugar) 和胺基酸 (amino acid) 或蛋白質 (protein) 之間的非酶促褐變反應。這個反應通常需要較高的溫度和較長的時間，並在適當的 pH 值下進行。
它是一個複雜的多步驟反應，涉及多種中間產物和最終產物的生成，這些產物共同構成了食品的褐色、風味和香氣。

反應過程簡述：

1. 初始階段： 還原糖的羰基 (aldehyde or ketone group) 與胺基酸的胺基 (-NH₂) 發生縮合反應，形成不穩定的喜馬反應中間產物 (Amadori product)。
2. 中間階段： 喜馬反應中間產物進一步脫水、重排、裂解，產生一系列活性羰基化合物（如 α-二羰基化合物）。
3. 終極階段： 這些羰基化合物與胺基酸進一步反應，或者發生分子內/分子間的環化、聚合等反應，最終生成類黑精 (melanoidins)，這是褐變的色素。同時，也產生了大量具有揮發性和風味的化合物，如吡嗪、噻唑、呋喃、醛、酮等。

美拉德反應在食品上的應用：

美拉德反應是許多食品加工中風味和色澤形成的重要基礎。

1. 受喜愛的例子 (Favored Examples)：
   • 烘焙食品 (如麵包、餅乾、蛋糕)： 麵包表皮的誘人褐色和酥脆口感，以及餅乾的堅果香、焦糖香，很大程度上歸功於美拉德反應。麵粉中的還原糖和蛋白質在高溫烘烤下發生反應。

本題考查鹽對肌原纖維蛋白 (myofibrillar proteins) 乳化能力的影響。

肌原纖維蛋白 (Myofibrillar Proteins) 的結構與乳化作用：

肌原纖維蛋白是肌肉中的主要結構蛋白，包括肌球蛋白 (myosin) 和肌動蛋白 (actin) 等。它們在肌肉的收縮和結構中起關鍵作用。
乳化作用是指將兩種原本不相溶的液體（通常是油和水）分散均勻，形成穩定的乳液。在食品中，這通常涉及將脂肪（油）分散在水相中，並由乳化劑穩定。

肌原纖維蛋白具有兩親性 (amphiphilic) 的結構，即分子中同時存在親水性區域和疏水性區域。這使得它們能夠吸附在油水界面，降低界面張力，並形成保護層，阻止油滴聚集，從而發揮乳化作用。

鹽 (0.5M NaCl) 對肌原纖維蛋白乳化能力的影響：

鹽，特別是離子強度較高的鹽溶液（如 0.5M NaCl），對肌原纖維蛋白的溶解度和結構有顯著影響，進而影響其乳化能力。

1. 增加蛋白質的溶解度：
   • 在一定濃度的鹽溶液中（通常是中等濃度，如 0.3-0.6M 的 NaCl），鹽離子（$Na^+$ 和 $Cl^-$）會與蛋白質表面的帶電基團（如羧基 $-COO^-$ 和胺基 $-NH_3^+$）發生「鹽溶效應」(salting-in effect)。
   • 鹽離子通過屏蔽蛋白質分子內部的靜電吸引力，並增加蛋白質與水的相互作用，從而提高蛋白質在水中的溶解度。
   • 溶解度增加意味著有更多的肌原纖維蛋白分子能夠分散在水相中，成為可用的乳化劑。

本題考查酵素 (enzymes) 在食品加工中對食物材質的影響。酵素是生物催化劑，能夠特異性地催化特定的化學反應，從而改變食物的物理、化學和感官特性。

以下舉兩個例子說明酵素對食物材質的影響：

例子一：澱粉酶 (Amylase) 在烘焙中的應用

• 酵素： 澱粉酶（包括 α-澱粉酶和 β-澱粉酶）。
• 食物材質： 麵團中的澱粉。
• 影響：
  • 軟化麵團： 澱粉酶能夠水解麵粉中的大分子澱粉，將其分解成較小的糖分子（如麥芽糖、葡萄糖）和糊精。這個過程會導致麵團的黏度和硬度降低，使其質地更柔軟、易於加工。
  • 改善麵包質地和風味：
    • 分解的糖可以被酵母利用，產生二氧化碳，使麵團膨脹，改善麵包的體積和內部結構（孔隙度）。
    • 分解的糖在高溫烘烤時，可以與麵粉中的蛋白質發生美拉德反應，產生誘人的褐色色澤和豐富的烘烤風味。
  • 總結： 澱粉酶通過水解澱粉，軟化了麵團，改善了麵包的結構、體積、色澤和風味。

例子二：蛋白酶 (Protease) 在嫩化肉類中的應用

• 酵素： 蛋白酶（如木瓜蛋白酶 papain，來自木瓜；菠蘿蛋白酶 bromelain，來自菠蘿；無花果蛋白酶 ficin，來自無花果）。
• 食物材質： 肉類中的結締組織（如膠原蛋白）和肌纖維蛋白。
• 影響：

本題考查蛋白質變性 (protein denaturation) 的實驗結果圖示及其解釋。圖示顯示了蛋白質在不同變性劑濃度、溫度或 pH 值下的性質變化曲線。

圖示說明：

圖中顯示了蛋白質的某種可測量物理或化學性質 (y) 隨變性劑濃度、溫度或 pH 值變化的典型曲線。

• yN 代表蛋白質在天然狀態 (native state) 下的性質值。
• yP 代表蛋白質在完全變性狀態 (denatured state) 下的性質值。
• 曲線顯示，隨著變性劑濃度、溫度或 pH 值的增加，蛋白質的性質 (y) 從天然狀態的值 (yN) 逐漸變化，最終趨近於變性狀態的值 (yP)。

蛋白質變性 (Protein Denaturation) 的概念：

蛋白質變性是指蛋白質的空間結構（二級、三級和四級結構）發生改變，導致其生物活性喪失，但其一級結構（胺基酸序列）通常保持不變的過程。
導致蛋白質變性的因素有很多，包括：

• 物理因素： 高溫、強光（UV）、機械攪拌、壓力等。
• 化學因素：
  • pH 變化： 極端的酸性或鹼性條件會破壞蛋白質表面的離子鍵和鹽橋。
  • 有機溶劑： 如乙醇、丙酮，會破壞疏水相互作用和氫鍵。
  • 強鹽溶液： 如高濃度鹽（>1M）會破壞蛋白質結構。
  • 重金屬離子： 如 $Hg^{2+}$、$Pb^{2+}$。
  • 尿素 (Urea)、鹽酸胍 (Guanidine hydrochloride)： 這些是強的變性劑，通過破壞氫鍵和疏水相互作用來變性蛋白質。
  • 去污劑 (Detergents)： 如 SDS (十二烷基硫酸鈉)。

圖示呈現的情形解釋：

圖示呈現的是一個漸進式 (gradual) 的變性過程，而不是一個瞬間的「全或無」(all-or-none) 的過程。這說明了蛋白質變性通常是逐步發生的，而不是所有蛋白質分子同時或一次性變性。