110 食品技師高等考試 食品技師 食品分析與檢驗（第二次） 考古題詳解

核心觀念

本題考查以卡爾費雪滴定法（Karl-Fischer titration）測定巧克力中「可與卡爾費雪試劑反應之水分」的原理、實驗流程及誤差控制。

卡爾費雪法的核心反應為碘、二氧化硫、鹼及水之間的氧化還原反應。在適當溶劑與鹼性條件下，水分會消耗碘：

$$\mathrm{I_2 + SO_2 + H_2O + 3B \rightarrow 2BI + B\cdot SO_3}$$

其中 $B$ 代表鹼性物質，例如吡啶或咪唑。生成的亞硫酸鹽中間物再與甲醇反應形成較穩定的甲基硫酸鹽。整體定量關係為：

$$1\ \text{mol H}_2\text{O} \equiv 1\ \text{mol I}_2$$

因此，只要測得滴定終點前後所消耗的碘量，即可換算樣品水分含量。

巧克力含有脂肪、糖、可可固形物及乳固形物，基質複雜且水分含量通常偏低。相較於加熱乾燥法，卡爾費雪法不需長時間加熱，能降低水分蒸發、熱分解及糖類焦化等影響，適合測定低水分食品。

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解題方法

本題應依序說明：

1. 卡爾費雪反應原理。
2. 試劑標定與儀器準備。
3. 巧克力樣品前處理與滴定操作。
4. 水分計算公式。
5. 可能造成正誤差及負誤差的因素。

食品水分測定常採容量法；若樣品水分極低，也可採庫侖法。考試作答以容量式卡爾費雪滴定為主要說明最完整。

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一、試劑與儀器

典型卡爾費雪試劑包括：

• 碘：真正直接參與定量反應的氧化劑。
• 二氧化硫：還原劑。
• 甲醇：反應溶劑及穩定反應產物。
• 鹼性物質：中和反應生成的酸，常用咪唑或吡啶。

儀器通常由下列部分組成：

• 密閉滴定槽。
• 滴定管或自動滴定系統。
• 電極式終點偵測器。
• 攪拌裝置。
• 乾燥氣體或防潮裝置。

滴定槽必須保持乾燥並盡量密閉，避免空氣中的水分進入。

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二、試劑標定

容量式卡爾費雪試劑的滴定度會隨時間及環境而改變，因此正式測定前必須標定其水分當量 $F$。

$F$ 的單位通常為：

$$F=\frac{\text{標準品所含水分質量（mg）}}{\text{消耗卡爾費雪試劑體積（mL）}}$$

可使用已知含水量的水標準品、純水微量注入液，或酒石酸鈉二水合物作為標準物質。酒石酸鈉二水合物具有固定結晶水，可作為固體水分標準品。

若以純水標定：

$$F=\frac{m_{\mathrm{H_2O}}}{V_{\mathrm{KF}}}$$

其中：

• $m_{\mathrm{H_2O}}$：標準水的質量，單位為 mg。
• $V_{\mathrm{KF}}$：消耗卡爾費雪試劑體積，單位為 mL。

標定時也應進行空白試驗，以扣除溶劑、滴定槽及操作環境所帶入的水分。

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三、巧克力樣品前處理

1. 將巧克力樣品充分混勻。

巧克力中的水分分布可能不均勻，且脂肪、糖及可可固形物容易造成局部組成差異，因此必須先切碎、研磨並混合均勻。

2. 測定前避免樣品長時間暴露於空氣中。

巧克力可能吸濕，也可能因表面溫度及氣流而失水。取樣時應迅速操作並立即密封剩餘樣品。

3. 準確稱取適量樣品。

稱樣量須依預估水分含量及卡爾費雪試劑濃度決定，使消耗滴定液體積落在儀器適當量測範圍內。樣品過多會使反應不完全，樣品過少則相對誤差增大。

4. 將樣品加入乾燥的甲醇或適當混合溶劑中。

巧克力脂肪含量高，單用甲醇時可能分散不完全。必要時可使用能同時分散脂肪與可可固形物的混合溶劑，重點是使樣品中的水分充分萃取至反應介質中。

5. 若直接溶解或分散效果不佳，可採用加熱爐進樣法。

將樣品置於密閉加熱爐中，使水分以氣相釋出，再由乾燥載氣帶入卡爾費雪滴定槽。此法可避免巧克力脂肪、糖類及固形物直接進入滴定槽，適合不易溶解或容易干擾反應的樣品。

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四、滴定操作

1. 將乾燥溶劑加入滴定槽，啟動攪拌。
2. 以卡爾費雪試劑滴定至無水狀態，使滴定槽先達到穩定終點。
3. 記錄溶劑空白或漂移量。
4. 將稱量好的巧克力樣品迅速加入滴定槽，立即密閉。
5. 充分攪拌，使樣品中的水分完全釋出並與試劑反應。
6. 以卡爾費雪試劑滴定，直到電極偵測到微量過量碘，判定到達終點。
7. 記錄樣品滴定體積，並扣除空白值。

電極式終點的意義是：樣品水分已完全反應，系統中開始出現微量未反應的碘。過量碘會造成電極訊號達到設定條件，儀器即判定滴定終點。

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五、水分含量計算

若採容量式卡爾費雪法：

核心觀念

硼酸（$H_3BO_3$）及硼酸鹽可溶出硼酸根，食品中添加硼酸鹽後，常以硼酸或硼酸鹽形式存在。民國 110 年命題時，硼酸及其鹽類屬於非法食品添加物，檢驗重點是確認食品中是否含有硼元素，而非進行定量分析。

本題主要考查：

1. 硼酸及硼酸鹽在酸性條件下轉變為硼酸。
2. 硼酸與薑黃素（curcumin）形成具特徵性的紅色錯合物。
3. 硼酸與甲醇在濃硫酸催化下形成揮發性硼酸甲酯，燃燒時產生綠色火焰。
4. 檢液調製時，須將食品基質中的硼酸或硼酸鹽萃取、分離，並以酸化處理使其轉變為硼酸。

法規部分以命題當年（民國 110 年）規定為準；現行法規內容如有修正，並不影響本題依命題年度作答。

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檢驗方法之原理

一、硼酸與薑黃素反應

硼酸在酸性條件下可與薑黃素反應，生成紅色至紅棕色的硼酸－薑黃素錯合物，通常稱為 rosocyanine 類色素。

反應可概念性表示為：

$$\text{H}_3\text{BO}_3+\text{curcumin} \longrightarrow \text{紅色硼酸－薑黃素錯合物}$$

此反應的特徵為：

• 出現紅色或紅棕色；
• 乾燥後色澤較明顯；
• 加氨水或鹼性物質後，顏色轉為藍綠色或綠黑色。

因此，薑黃試紙呈現「紅色，遇氨轉藍綠色」可作為硼酸存在的重要定性依據。

二、硼酸甲酯之綠色火焰反應

硼酸在濃硫酸及甲醇存在下，形成揮發性硼酸甲酯：

$$\text{H}_3\text{BO}_3+3\text{CH}_3\text{OH} \rightleftharpoons \text{B(OCH}_3)_3+3\text{H}_2\text{O}$$

生成的硼酸甲酯燃燒時，會產生特徵性的綠色火焰。因此可利用甲醇－濃硫酸酯化後的綠色火焰作為另一項鑑別試驗。

必須注意，綠色火焰並非硼酸專一反應，銅鹽等物質也可能產生綠色火焰，所以應配合薑黃素反應判定。

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檢液之調製

一、一般水溶性或半固體食品

1. 取具代表性的食品試樣，置於適當容器中。
2. 加入適量蒸餾水，充分混合，必要時加熱煮沸，使硼酸及硼酸鹽溶出。
3. 冷卻後過濾或離心，取澄清濾液作為水萃取液。
4. 以鹽酸將萃取液酸化，使硼酸鹽轉變為游離硼酸：

$$\text{B(OH)}_4^-+\text{H}^+ \longrightarrow \text{H}_3\text{BO}_3+\text{H}_2\text{O}$$

5. 酸化後所得溶液即作為檢液，供薑黃試紙反應及其他鑑別試驗使用。

若食品含有大量油脂、蛋白質、澱粉或色素，應先以水萃取，再經過濾、離心或必要的澄清處理，以避免基質干擾。

二、含水量低或基質複雜之食品

對於肉製品、魚製品、乳製品或其他有機物含量較高的食品，可依食品性質先行乾燥，再以灰化或濕式分解破壞有機基質。

基本步驟如下：

1. 試樣均質後取適量。
2. 先低溫炭化，避免劇烈燃燒造成試樣飛散。
3. 再進行灰化，使有機物分解。
4. 灰分以稀鹽酸溶解。
5. 過濾除去不溶物，所得酸性溶液作為檢液。

核心觀念

本題考查三個連續環節：

1. 以酸消化法破壞食品有機基質，使鎘轉變為可溶性鎘離子。
2. 以儀器將鎘原子化或激發，產生可測量的光學訊號。
3. 由檢量線換算食品中鎘的含量，並扣除空白、校正稀釋倍數。

以命題當年（民國 110 年）法規及食品檢驗方法為準。實際酸量、消化溫度、儀器參數應依當時公告檢驗方法及實驗室確效結果執行。

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一、酸消化法之操作流程

1. 器具與試藥準備

使用酸洗並以純水充分沖洗之玻璃器皿或聚四氟乙烯器皿，避免器皿本身帶入鎘。常用試藥包括：

• 優級純硝酸（$HNO_3$）
• 過氧化氫（$H_2O_2$）
• 純水或超純水
• 必要時依公告方法使用過氯酸等氧化性酸

酸及純水均應確認鎘空白值足夠低。操作應在通風櫥中進行，並穿戴耐酸手套、護目鏡及實驗衣。

2. 採樣與均質化

取具代表性的食品樣品，除去不屬於檢驗範圍的部分，充分混合、研碎或均質化。液體樣品應搖勻；固體樣品應使用不易造成金屬污染的器具處理。

秤取一定量樣品於消化容器中，記錄樣品重量 $m$。秤樣量須依樣品基質及預期鎘濃度調整，使最終溶液濃度落在儀器檢量線範圍內。

3. 加酸預消化

先加入硝酸，使樣品初步分解並降低劇烈反應的風險。若樣品含有較多脂肪、蛋白質或色素，可靜置預消化，使酸逐漸滲入樣品基質。

加入酸時應沿容器壁緩慢加入，避免大量起泡、噴濺或急遽放熱。

4. 加熱消化

以加熱板、消化爐或微波消化系統進行消化。常見操作為：

1. 先以硝酸加熱，使有機物氧化分解。
2. 視消化情形補加硝酸。
3. 必要時加入少量過氧化氫，促進有機物完全氧化。
4. 持續加熱至溶液澄清或接近澄清，且不再有明顯棕色氮氧化物煙霧產生。
5. 冷卻後以少量純水沖洗容器內壁，將洗液併入消化液。

消化終點通常為無明顯有機殘渣、溶液呈澄清或淡黃色。不可在強酸、高溫下將溶液蒸乾，以免造成鎘吸附、飛濺或揮發性損失。

若使用微波消化，應依消化器皿耐壓規格設定升溫程序，常用硝酸搭配過氧化氫，在約 $180\sim210^\circ\mathrm{C}$ 的密閉條件下完成消化；實際溫度、升溫時間及酸量以公告方法或實驗室確效程序為準。

5. 冷卻、定容與過濾

消化完成後冷卻至室溫，將溶液定量移入容量瓶，以純水定容至 $V$。若仍有微量不溶物，可使用適當之低金屬背景濾紙過濾。

若儀器測定需要較低酸度，應先以純水或相容酸性溶液稀釋，使酸度落在儀器可接受範圍。所有樣品、空白及標準液的酸基質應盡量一致，以降低基質差異造成的訊號偏差。

6. 必要的品質控制

每批樣品至少應包含：

• 試劑空白：檢查試藥及器皿污染。
• 平行樣品：確認操作精密度。
• 加標回收樣品：確認消化及測定之準確度。
• 檢量線標準液及查核標準液：確認儀器校正狀態。
• 必要時使用標準參考物質。

酸消化的目的可表示為：

$$\text{食品有機基質} \xrightarrow[\text{加熱}]{HNO_3,\ H_2O_2} \text{氧化分解產物}+\mathrm{Cd}^{2+}$$

消化後的鎘以溶液中鎘離子形式存在，供後續原子吸收或電漿放射光譜分析。

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二、火焰式原子吸收光譜法（Flame AAS）

1. 測定原理

樣品溶液經霧化器形成細小氣溶膠，與燃料及助燃氣混合後送入火焰。火焰使鎘化合物經歷脫溶劑、汽化及原子化，形成基態鎘原子。

鎘基態原子會選擇性吸收鎘空心陰極燈所發出的特定波長光線。吸光度與鎘原子濃度在一定範圍內符合比耳－朗伯定律：

$$A=\log\left(\frac{I_0}{I}\right)=abc$$

其中：

• $A$：吸光度
• $I_0$：入射光強度
• $I$：穿透光強度
• $a$：吸光係數
• $b$：光徑長度
• $c$：鎘濃度

儀器以不同濃度鎘標準液建立檢量線，再由樣品吸光度求得鎘濃度。

2. 主要測定條件

常用條件如下：

• 分析波長：鎘 $228.8\ \mathrm{nm}$
• 光源：鎘空心陰極燈，使用單元素燈或多元素燈
• 光譜狹縫：依儀器光譜解析度設定，常約 $0.5\sim1.0\ \mathrm{nm}$
• 火焰：空氣－乙炔火焰
• 火焰型態：通常採氧化性火焰，以獲得穩定的鎘原子化效率
• 背景校正：氘燈背景校正或塞曼背景校正
• 檢量線：至少包含空白及數個鎘標準濃度點
• 樣品酸度：標準液與樣品消化液保持相近
• 進樣方式：連續吸入，待訊號穩定後讀取吸光度

標準液濃度應涵蓋樣品濃度，且不得任意將超出線性範圍的訊號直接代入檢量線。超出範圍時應稀釋樣品後重新測定。

3. 火焰式 AAS 的特性

火焰式 AAS 儀器操作簡單、選擇性佳，適合中等濃度鎘的測定。然而食品中鎘常為微量，若濃度接近方法偵測極限，火焰原子化效率可能不足。此時可採用濃縮、增加取樣量、降低定容體積，或改用石墨爐原子吸收法等高靈敏度技術。

4. 干擾與控制

常見干擾包括：

• 非光譜性干擾：高鹽分、高酸度或高黏度造成霧化效率改變。
• 化學干擾：樣品基質與鎘形成難以原子化的化合物。
• 背景吸收：消化殘留物或未完全分解的基質吸收同一波段光線。
• 記憶效應及霧化器污染：高濃度樣品測定後影響後續樣品。

控制方法包括酸基質匹配、背景校正、適當稀釋、空白扣除、充分沖洗進樣系統及執行加標回收試驗。

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三、感應耦合電漿放射光譜法（ICP-OES）

1. 測定原理

樣品溶液經霧化後導入氬氣電漿。以高頻電磁場維持的電漿溫度通常可達約 $6,000\sim10,000\ \mathrm{K}$，使鎘原子或離子受到激發：

$$\mathrm{Cd}+E \rightarrow \mathrm{Cd}^{*}$$

核心觀念

本題考查檢驗方法確效中「精密度（precision）」及其統計表示方式。精密度是多次測定結果彼此接近的程度，主要反映隨機誤差；與正確度（accuracy）不同，精密度高不代表結果一定接近真值。

三種精密度依「測定條件改變的程度」區分：

• 重複性：同一實驗室、相同條件、短時間內測定。
• 中間精密度：同一實驗室，但在不同時間或操作條件下測定。
• 再現性：不同實驗室依相同方法測定。

變異係數則是將標準差相對於平均值表示，以便比較不同量測尺度或不同濃度下的精密度。

解題方法

判斷三種精密度時，依序檢查三項條件：

1. 是否為同一實驗室。
2. 操作者、儀器、校正狀態及測定日期是否相同。
3. 測定結果的離散程度以何種統計量表示。

其中，重複性、中間精密度及再現性都是「精密度的不同實驗條件」；變異係數則是「精密度的數值表達方式」。

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(一) 重複性（Repeatability）

重複性是指在下列條件均儘量相同時，對相同或均質試樣進行多次測定，所得結果彼此接近的程度：

• 相同檢驗方法；
• 相同實驗室；
• 相同操作者；
• 相同儀器及設備；
• 相同校正條件；
• 短時間內完成測定。

因此，重複性主要評估檢驗方法在「最小變動條件」下的隨機誤差。

例如，同一位分析人員使用同一台儀器，在同一天依相同方法對同一均質食品樣品進行數次測定，所得結果的標準差或變異係數，即可用來描述該方法的重複性。

重複性條件下的變異來源較少，通常只包括進樣、稱量、反應及儀器讀值等短期隨機變異。

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(二) 中間精密度（Intermediate precision）

中間精密度是指在同一實驗室、使用相同檢驗方法及相同類型試樣的前提下，允許改變部分測定條件，例如：

• 不同測定日期；
• 不同操作者；
• 不同儀器；
• 不同校正批次；
• 不同環境或試劑批次。

所得測定結果彼此接近的程度。

中間精密度的目的，是評估檢驗方法在同一實驗室日常運作中，因人員、時間及設備等因素造成的總體變異。其變異程度通常大於重複性，因為納入了較多實際操作變化。

例如，同一實驗室由不同分析人員於不同日期，使用同一標準作業程序分析同一均質樣品，所得結果的離散程度，即可用來評估中間精密度。

判斷重點是「仍在同一實驗室內」，這是中間精密度與再現性的主要區別。

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(三) 再現性（Reproducibility）

再現性是指不同實驗室依照相同檢驗方法，對相同或相似試樣進行測定時，各實驗室所得結果彼此接近的程度。

再現性條件通常允許下列因素不同：

• 實驗室不同；
• 操作者不同；
• 儀器及設備不同；
• 測定日期不同；
• 實驗室環境不同；
• 試劑或校正系統不同。

再現性主要用於協同試驗（collaborative study）或跨實驗室試驗，以評估檢驗方法在不同實驗室間的適用一致性。

由於再現性包含實驗室間的變異，因此其變異程度通常大於或等於中間精密度及重複性。實務上可用再現性標準差、再現性變異係數或再現性限度表示。

三者可用下列方式快速區分：

名稱	實驗室	操作者／儀器	時間	評估重點
重複性	相同	相同	短時間	短期、最小條件變異