108 食品技師高等考試 食品技師 食品化學（第一次） 考古題詳解

核心觀念

本題考查食品中水的存在狀態，以及水分對食品安定性的影響。判別自由水與結合水的重點，在於水分子和食品中蛋白質、多醣、鹽類等成分的作用程度，以及水的移動性、可凍結性和可供微生物利用程度。

水不是單純分成「含水量高」與「含水量低」；同一食品中的水可依與食品基質結合的強弱，呈現不同狀態。自由水與結合水是便於說明食品性質的分類，兩者之間並沒有絕對、銳利的分界。

解題方法

作答時可依序說明三件事：

1. 先定義：比較水與食品成分的結合程度及活動性。
2. 再分類：列出自由水與結合水常見的形式。
3. 最後連結品質：說明各類水對微生物生長、化學反應、冷凍、乾燥與質地的影響。

其中，自由水通常較容易移動、凍結或被微生物利用；結合水則受食品成分吸引或限制，活動性低，較不易被凍結或利用。

自由水與結合水的定義及形式

自由水（free water）

自由水是食品中未被食品成分緊密束縛、活動性較高的水。它具有較高的移動性，較容易參與溶解、傳質與生化反應，也較容易被微生物利用。食品中的自由水通常可經乾燥移除，並在一般冷凍條件下形成冰。

自由水常見形式包括：

• 毛細管水：存在於食品孔隙、細胞間隙或毛細管中，受毛細作用影響，但未與食品成分緊密結合。
• 滯留水或截留水：被食品組織或凝膠網絡物理性困住，仍具有一定移動性，條件改變時可釋出。
• 溶液中的水：作為溶劑溶解糖、鹽等小分子物質，雖受溶質影響，仍大致保有自由水的特性。

結合水（bound water）

結合水是受食品成分吸引、吸附或限制而活動性很低的水。它通常與蛋白質、多醣、鹽類等親水性物質形成氫鍵、離子作用或其他分子間作用，難以自由移動，也不易以一般乾燥方式移除；通常不會在一般冷凍條件下結冰，且不易供微生物利用。

結合水常見形式包括：

• 構成水或化學結合水：與食品分子以較強作用結合，構成分子結構的一部分。
• 吸附水：吸附於蛋白質、澱粉、纖維素等親水性物質的表面。
• 單分子層水：直接附著在食品成分親水位點上的第一層水分子，常視為結合最緊密的一層。
• 多分子層水：在單分子層外繼續排列的水分子，結合程度較低，活動性通常高於單分子層水。

核心觀念

本題考查三種重要多醣的單醣組成、糖苷鍵型式、鏈的分枝與排列，以及這些結構如何決定其理化性質。比較時可依序掌握「組成單體 → 鍵結方式 → 分子排列 → 溶解性與功能」。

解題方法

先辨認三者的單醣與糖苷鍵，再由鍵結型式判斷分子鏈是容易形成緊密結構，或具有分枝、結晶等特性。澱粉與纖維素都是葡萄糖聚合物，但鍵結不同；幾丁質則以含氮的葡萄糖衍生物為單體。

一、澱粉（starch）

化學結構

澱粉是植物的儲藏性多醣，由 α-D-葡萄糖組成，主要包括直鏈澱粉與支鏈澱粉：

• 直鏈澱粉（amylose）：葡萄糖以 $\alpha(1\rightarrow4)$ 糖苷鍵連接，主要呈線性鏈，鏈段可形成螺旋構形。
• 支鏈澱粉（amylopectin）：主鏈以 $\alpha(1\rightarrow4)$ 糖苷鍵連接，分枝點以 $\alpha(1\rightarrow6)$ 糖苷鍵形成。其分枝頻率較纖維素高，但整體仍呈分枝狀大分子。

重要理化特性

1. 冷水中不易溶解：澱粉顆粒在冷水中通常不溶或僅有限度膨潤。
2. 糊化：加熱並有足量水時，澱粉顆粒吸水膨潤，結晶區被破壞，直鏈澱粉部分溶出，黏度上升，形成澱粉糊。
3. 凝膠化與回凝：糊化後冷卻，澱粉分子重新排列並形成網絡，可提高黏稠度或形成凝膠；儲存期間分子進一步重新結晶稱為回凝（retrogradation），常使食品變硬或析水。
4. 碘呈色：直鏈澱粉的螺旋結構可包覆碘分子，呈典型藍色；支鏈澱粉通常呈紅紫色或紫褐色。

二、纖維素（cellulose）

化學結構

纖維素是植物細胞壁的重要結構多醣，由 β-D-葡萄糖以 $\beta(1\rightarrow4)$ 糖苷鍵連接，形成線性、不分枝的長鏈。相鄰葡萄糖單元方向交替，分子鏈間可形成大量氫鍵，使纖維素束排列緊密。

重要理化特性

1. 不溶於水：鏈間氫鍵與緊密排列使其難以被水分子分散。
2. 具高機械強度：分子鏈形成微纖維，構成植物細胞壁的支撐骨架。

核心觀念

本題考麵筋中兩類主要蛋白質的組成與功能差異，以及它們如何共同決定麵糰的黏彈性。麥醇溶蛋白（gliadin）與麥穀蛋白（glutenin）遇水並經揉捏後形成麵筋網絡：前者主要提供延展性，後者主要提供彈性與強度。

解題方法

作答時可依序說明兩種蛋白質的分子特性，再對應到麵糰性質：

核心觀念

乳化作用（emulsification）是指將一種液體分散成細小液滴，均勻分布於另一種與其互不相溶的液體中，形成乳化系統。食品中最常見的是油與水的乳化，液滴所在的相稱為分散相，連續包覆液滴的相稱為連續相。

依連續相不同，乳化系統主要分為：

• 油包水型（W/O）：水滴分散在油中，如奶油。
• 水包油型（O/W）：油滴分散在水中，如牛乳、沙拉醬。

油水界面會增加系統的界面自由能，乳化劑可吸附於界面、降低界面張力，並在液滴表面形成保護層，使液滴較不易聚結。不過，乳化劑通常只能延緩乳化系統分層，不能保證系統永久穩定。

解題方法

本題為申論題，可分成兩部分作答：先界定乳化作用與乳化型態，再依乳化系統失穩的原因，說明相應的安定方法。乳化系統常見的不安定現象包括乳析、絮凝、聚結及熟化；安定措施則著重於降低液滴上浮或沉降的速度、避免液滴聚集，以及防止液滴合併。

如何維持乳化系統的安定性

1. 選用適當乳化劑 乳化劑須能吸附於油水界面並降低界面張力，其親水親油平衡值（HLB）應配合乳化型態與油相性質。一般而言，較親水的乳化劑常用於 O/W 乳化，較親油的乳化劑常用於 W/O 乳化。乳化劑形成的界面膜可提供靜電排斥或立體障礙，降低液滴聚結的機會。

2. 減小液滴粒徑並使粒徑分布均勻 以均質等方式減小液滴，可降低液滴因重力而上浮或沉降的速度。稀薄系統中，液滴的上浮或沉降速度可用 Stokes 定律表示：

核心觀念

本題考查水果成熟時的呼吸作用變化與乙烯（ethylene）調節後熟及蔬果採後品質的關係。乙烯是植物荷爾蒙，也是一種氣態訊號分子；其作用會因蔬果種類、成熟階段及儲藏條件而異。

「更性」描述的是水果成熟過程中的生理型態：更性水果在成熟時，呼吸速率會出現明顯高峰（呼吸高峰，climacteric rise），並伴隨乙烯生成量增加；非更性水果則沒有這種典型呼吸高峰，成熟後的呼吸與乙烯變化較不明顯。

解題方法

先比較兩類水果在採收後的成熟能力、呼吸速率及乙烯生成，再說明乙烯對品質的作用。作答時要區分兩件事：是否屬於更性水果，以及是否對外來乙烯敏感。非更性水果不會因乙烯而像更性水果一樣完成典型後熟，但仍可能因乙烯而提早老化或品質劣變。

乙烯對蔬果品質的影響