111 食品技師高等考試 食品技師 食品分析與檢驗(第一次) 考古題詳解
第 一 題20 分
溶液配製與稀釋:
(一) 如何由濃鹽酸(HCl,密度 ,濃度 w/w)配製 的 HCl?
(二) 如何由 w/v NaCl 原液稀釋配製 、、、、 w/v 的 5 種標準溶液,各 ?
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考驗食品分析與檢驗實驗室中,溶液當量濃度計算、濃酸配製安全規範以及微量標準溶液稀釋操作之基本能力。
- 當量濃度(Normality, )與莫耳濃度(Molarity, )轉換: 當量濃度定義為每公升溶液中所含溶質的當量數()。對於單質子酸(如 ),其當量數與莫耳數相同(當量因子 ),故當量濃度等於莫耳濃度(即 )。
- 質量百分濃度()與密度()轉換體積: 濃溶液莫耳濃度之導出公式為: 其中 為密度()、 為質量百分濃度、 為溶質莫耳質量()。
- 稀釋定律(Dilution Law): 溶液稀釋前後溶質之總質量與莫耳數維持恆定,遵循公式: 其中 為稀釋前後濃度, 為稀釋前後體積。
- 濃酸稀釋安全守則: 濃酸稀釋為劇烈放熱過程,必須嚴格恪遵「酸倒入水(Acid into Water)」之安全操作原則。
解題方法
(一) 由濃鹽酸配製 的 溶液
- 參數設定:
- 鹽酸莫耳質量 (若題意採 亦可,以下以 進行精確推導)。
- 濃鹽酸密度 。
- 質量百分濃度 。
- 因 為單質子酸,當量因子 ,故 。
- 所需純 莫耳數與質量計算:
- 目標溶液體積 ,目標濃度 。
- 所需純 莫耳數:
- 所需純 質量:
- 所需濃鹽酸體積計算:
- 濃鹽酸所含純 質量關係式為 。
- 代入數值求算濃鹽酸體積 : (若採分子量 計算,則 )。
- 實驗配製步驟:
- 防護與環境:於抽氣櫃(排煙櫃)中配戴防護手套與護目鏡進行操作。
- 預裝蒸餾水:取燒杯量取約 蒸餾水。
- 量取與混合:用量筒量取濃鹽酸 ,沿燒杯壁緩慢倒入裝有蒸餾水之燒杯中,並以玻璃棒適度攪拌散熱。
- 冷卻與定容:待溶液冷卻至室溫後,將溶液定量轉移至 容量瓶中,並以少量蒸餾水沖洗燒杯 次,洗滌液一併倒入容量瓶。
- 混合與標示:加蒸餾水至刻度線(定容),蓋上瓶塞倒轉搖勻,貼上標籤註明「」、配製日期及配製人。
(二) 由 原液稀釋配製 5 種標準溶液(各 )
- 計算各目標濃度所需原液體積: 依據稀釋公式 (其中 , ):
- :
- :
- :
- :
- :
- 配製方法:
- 直接微量吸管配製法(Direct Pipetting): 使用微量吸管(Micropipette, P1000/P200/P20)於 微量離心管中進行配製:
第 二 題20 分
蜂蜜為糖類含量高的天然產品,其水分含量依中華民國國家標準(CNS)規定需小於 。請分別敘述利用常壓乾燥法(Forced draft oven method)及減壓乾燥法(Vacuum oven method)測定蜂蜜水分含量的原理和操作流程,並比較其優缺點。
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題聚焦於食品分析中「高糖高感熱性食品水分測定」之理論與實務操作。依據 CNS 1305「蜂蜜」國家標準規定(以命題當年民國 111 年法規為準),蜂蜜水分含量不得超過 。
蜂蜜屬於高糖分(主要為果糖與葡萄糖,佔 )、高黏稠性且具強吸濕性之食品,其水分測定涉及以下關鍵理論:
- 熱分解效應(Thermal Decomposition):單醣類(特別是果糖)在大氣壓力與高溫()加熱下,極易發生焦糖化反應(Caramelization)與梅納反應(Maillard reaction),分解產生水分與揮發性物質,導致熱重分析測得之失重偏高(水分過高之偽陽性誤差)。
- 表面硬化現象(Surface Hardening / Crust Formation):高糖濃縮液體在表面水分快速蒸發後易形成一層高黏度緻密皮膜,阻礙內部水分進一步向外擴散與揮發,致使烘乾不完全。
- 減壓低溫沸點效應(Clausius-Clapeyron relation):利用減壓環境降低系統壓力,使水的沸點大幅下降。在 下進行減壓乾燥,可在避免糖類熱分解的前提下迅速揮發水分,為高糖食品水分測定之標準參考方法。
解題方法
本題採「分析法原理敘述 標準操作流程(SOP)推導 方法質性比較」三階段切入解題。
一、常壓乾燥法(Forced Draft Oven Method)
- 測定原理:在 1 個大氣壓()下,將蜂蜜樣品置於熱風循環烘箱中,以 熱風進行對流加熱,使樣品中之自由水蒸發。經數次烘乾、冷卻與稱重,直至達到恆重(Constant weight),利用乾燥前後之質量變化計算水分含量。
- 標準操作流程(SOP):
- 步驟 1:乾燥皿預處理與恆重 取鋁質或玻璃乾燥皿,內含約 精製海砂及一根短玻璃棒,置於 烘箱中加熱 1 小時,取出置入乾燥器中冷卻 30 分鐘,稱重至恆重(記為 )。
- 步驟 2:樣品稱量與海砂分散 精稱約 均勻蜂蜜樣品於上述乾燥皿中,記錄總重(記為 )。利用玻璃棒將蜂蜜與海砂充分混合均勻(必要時可加入 無水乙醇或純水協助懸浮分散),使蜂蜜均勻塗佈於海砂表面,大幅增加蒸發表面積並防止加熱時表面硬化結皮。
- 步驟 3:加熱乾燥 將乾燥皿置入 熱風循環烘箱中,維持加熱 小時。
- 步驟 4:冷卻與恆重測定 將乾燥皿移至乾燥器(含矽膠或無水氯化鈣乾燥劑)中冷卻至室溫(約 30 分鐘),準確稱重。重複「入烘箱烘乾 1 小時 乾燥器冷卻 稱重」之步驟,直到連續兩次稱重之質量差小於 (即達恆重,記為 )。
- 步驟 5:結果計算 水分含量百分比公式推導如下:
二、減壓乾燥法(Vacuum Oven Method)
- 測定原理:利用真空幫浦將烘箱內部壓力降至 (通常調控至 ),依液態蒸氣壓平衡原理,水的沸點相應降低至 。因此可在 之低溫條件下進行乾燥,既能快速抽離水蒸氣,又能完整防止蜂蜜中果糖與葡萄糖之熱分解反應。
- 標準操作流程(SOP):
- 步驟 1:乾燥皿與海砂準備 乾燥皿含海砂與玻璃棒經預烘、冷卻、稱重達恆重(記為 )。
- 步驟 2:樣品稱取與塗佈分散 精稱約 蜂蜜樣品於乾燥皿中(記為 ),用玻璃棒與海砂混合均勻。
- 步驟 3:減壓乾燥設定 將乾燥皿放入減壓烘箱中,關閉箱門與排氣閥。啟動真空幫浦將箱內抽氣至指定真空度(),設定加熱溫度為 。
第 三 題20 分
二氧化硫常用於傳統食品製造作為漂白劑,請詳述以中和滴定法檢驗其含量之原理、檢液之調製和含量測定。
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題旨在考驗考生對食品中漂白劑(二氧化硫及亞硫酸鹽類)之官方標準檢驗法「中和滴定法」(改良 Monier-Williams 法,Modified Monier-Williams Method)的掌握度。
解題核心觀念包含以下四大要素:
- 亞硫酸鹽之酸水解與釋放:食品中之二氧化硫多以游離態(、、)或與食品成分(如羰基化合物)結合之結合態存在。在強酸與加熱條件下,結合態解離並釋放出揮發性之二氧化硫()氣體。
- 惰性載氣之驅趕與防氧化:利用高純度氮氣()作為載氣,將蒸餾出的 氣體攜帶至接收瓶中,同時將系統內的氧氣()驅趕排除,防止 在蒸餾過程中被空氣氧化。
- 過氧化氫之吸收與氧化:將帶出的 氣體通入過氧化氫()吸收液中, 被定量氧化為硫酸()。
- 當量關係與酸鹼中和滴定:生成的硫酸以標準氫氧化鈉()溶液進行滴定。由反應化學計量可知: 的 生成 的 ,解離出 的 ,故需消耗 的 。 之毫克當量為 。
備註:本題依命題當年(民國 111 年)衛生福利部公告之「食品中二氧化硫之檢驗方法-中和滴定法」為準。
解題方法
本題為申論題,答題時需依序詳述「檢驗原理」、「檢液之調製(蒸餾操作)」與「含量測定(滴定與計算)」三大核心步驟:
一、 檢驗原理(Principle)
- 酸水解釋放:樣品加入過量鹽酸()並加熱迴流,促使食品中游離型及結合型亞硫酸鹽轉化為二氧化硫氣體:
- 載氣驅趕:持續通入高純度氮氣(),將揮發之 驅趕至接收瓶,並排除系統內空氣以防氧化。
- 吸收與氧化:以過氧化氫()溶液捕集 ,並將其完全氧化為硫酸:
- 中和滴定:以已知濃度之氫氧化鈉()標準溶液滴定生成之硫酸:
二、 檢液之調製(Sample Preparation & Distillation)
- 檢體前處理與取樣:
- 固體樣品迅速切碎、細研磨並均勻混合;液體樣品則充分搖勻。
- 精稱樣品 (精確至 )置於圓底蒸餾瓶中。
- 蒸餾介質添加:
- 蒸餾瓶內加入去離子水約 及甲醇約 (促進蒸餾及穩定)。
- 加入適量沸石以防止沸騰時產生暴沸現象。
- 裝置組裝與預通氮氣:
- 組裝圓底瓶、加液漏斗、氮氣導入管、冷凝管及接收管,接收管末端需浸入接收瓶之吸收液面下。
- 開啟氮氣(流量約 ),持續通氣 ,以將系統內之空氣徹底置換排除。
- 酸化與加熱蒸餾:
- 由加液漏斗加入 鹽酸溶液 至蒸餾瓶中。
- 開啟加熱器,加熱使溶液維持沸騰迴流蒸餾至少 ,使 完全揮發並被吸收液捕集。
三、 含量測定(Determination & Calculation)
- 吸收液中和預處理:
- 接收瓶內預先加入 溶液 及指示劑(如甲基紅-甲藍混合指示劑)數滴。
- 蒸餾前先以 標準溶液滴定吸收液至中性色澤(終點),消除吸收液微量酸度之干擾。
- 滴定步驟:
- 蒸餾結束後取下接收瓶,以少許去離子水沖洗接收管外壁並併入接收瓶中。
- 以 標準溶液滴定接收瓶中之硫酸,至指示劑顏色由紫紅色轉變為綠色(滴定終點)。記錄消耗之 體積 ()。
- 空白試驗:
- 不加樣品,僅加水與鹽酸,依相同步驟進行蒸餾與滴定,記錄消耗之 體積 ()。
- 計算公式: 二氧化硫殘留量(以 計,單位為 或 ): 變數定義:
- :樣品滴定所消耗 之體積()
第 四 題20 分
請敘述下列分析方法的測定原理及應用:
(一) 凱氏定氮法(Kjeldahl Method)。
(二) 貝氏法(Babcock method)。
(三) 薄層層析法(Thin layer chromatography)。
(四) 感應耦合電漿質譜法(Inductively coupled plasma mass spectrometry)。
登入後即可作答並保存紀錄。
第四題 分析方法之測定原理及應用
一、凱氏定氮法(Kjeldahl Method)
核心觀念
凱氏定氮法是以「測定食品中總有機氮含量」估算蛋白質含量的經典方法。其基本流程為:
- 濃硫酸消化,使有機氮轉變為硫酸銨。
- 加鹼使銨根轉變為氨。
- 蒸餾分離氨。
- 以硼酸吸收後滴定,或以標準酸吸收並回滴定。
- 由氮含量換算粗蛋白質含量。
此法所測得的是總氮,並非蛋白質本身,因此非蛋白態含氮物質也會被計入。
測定原理與步驟
1. 消化
食品試樣與濃硫酸及催化劑加熱消化,使蛋白質、胺基酸等有機含氮物分解,氮轉變為銨根,主要生成硫酸銨:
常用催化劑包括硫酸銅、硫酸鉀、硒或其他金屬催化系統。硫酸鉀可提高沸點,加速消化反應。
消化完成的判斷通常為溶液澄清,呈淡綠色或無色,表示有機物已大致分解。
2. 鹼化與蒸餾
消化液冷卻後加入濃氫氧化鈉,使銨根轉變為氨氣:
再以蒸氣蒸餾將氨分離出來。
3. 吸收
氨可被硼酸溶液吸收:
再以標準鹽酸或硫酸滴定。若使用硼酸吸收法,滴定所消耗的酸量與蒸餾出的氨量成正比。
4. 計算
若以標準酸滴定,氮含量可表示為:
其中:
- :試樣滴定所耗酸液體積,mL
- :空白試驗所耗酸液體積,mL
- :標準酸當量濃度
- :氮的原子量
- :試樣重量,mg
粗蛋白質含量則為:
一般食品常用換算係數 ,因假設蛋白質平均含氮量約為 :
但乳品、小麥、肉類等不同食品可依其蛋白質組成使用專用換算係數。
應用
- 測定穀類、豆類、肉品、乳品、蛋品及飼料中的粗蛋白質。
- 作為食品營養標示及品質管制的基礎分析方法。
- 測定食品、肥料及其他有機樣品中的總氮。
限制與注意事項
- 硝酸鹽、亞硝酸鹽中的氮通常不能被傳統凱氏法完全測得。
- 尿素、胺基酸、核酸及其他非蛋白態含氮物會造成蛋白質估值偏高。
- 消化不完全、蒸餾時氨逸失或鹼化不足,均會造成結果偏低。
- 換算係數 只是一般係數,不代表所有食品均適用。
解題技巧
記住「消化—鹼化—蒸餾—吸收—滴定」五個關鍵字。凱氏法的本質是測氮而非直接測蛋白質;題目若問限制,最重要的是指出「非蛋白態氮會被計入」及「硝酸鹽、亞硝酸鹽測定不完全」。
二、貝氏法(Babcock Method)
核心觀念
貝氏法是乳品中乳脂肪的體積分析法。其原理是利用硫酸破壞乳品中的蛋白質及乳脂肪球膜,使脂肪游離,再經離心及加熱,使脂肪聚集於具有刻度的貝氏瓶頸部,直接讀取脂肪體積百分比。
此法主要用於乳及乳製品,不是一般食品脂肪測定的通用方法。
測定原理與步驟
1. 加入硫酸
將定量乳樣加入貝氏乳脂瓶,再加入一定量及適當濃度的硫酸。硫酸具有下列作用:
- 溶解酪蛋白及其他蛋白質。
- 破壞脂肪球膜。
- 溶解乳糖及部分非脂肪固形物。
- 使乳脂肪從乳液中釋放出來。
反應過程會產生熱,因此硫酸濃度及加酸量必須控制適當。
2. 混合與加熱
充分混合,使乳品與硫酸反應完全,再以溫水浴控制溫度,使脂肪保持液態並利於分離。
3. 離心分離
將貝氏瓶置於乳脂離心機中離心。離心力使密度較低的脂肪聚集到瓶頸部,較重的酸性水相及其他物質則留在下方。
4. 讀取結果
以熱水調整脂肪柱高度至刻度區域,在規定溫度下直接讀取脂肪百分比。由於貝氏瓶瓶頸的刻度已依試樣體積及脂肪密度校正,因此通常不必再以重量換算。
應用
- 牛乳及羊乳的乳脂肪測定。
- 奶油、乳粉、煉乳等乳製品的脂肪品質控制。
- 乳品收購、分級及產品標準檢驗。
影響測定準確性的因素
- 乳樣未充分混勻,脂肪分布不均。
- 硫酸濃度過低,蛋白質及乳糖分解不完全。
- 硫酸濃度過高或反應過熱,可能使脂肪碳化或造成脂肪柱顏色過深。
- 離心不足,脂肪分離不完全。
- 讀值溫度不適當,會影響脂肪體積及液柱高度。
- 脂肪柱中混入水分或其他雜質,會使讀值偏高。
- 貝氏瓶刻度、試樣體積及酸液比例不符規定,會造成系統誤差。
解題技巧
貝氏法可用「硫酸破乳、離心分脂、瓶頸讀值」概括。與凱氏法比較:
- 凱氏法測的是總氮,再換算粗蛋白質。
- 貝氏法測的是乳品中的乳脂肪體積。
- 貝氏法的核心不是滴定,而是化學破乳後的離心分離與直接讀值。
三、薄層層析法(Thin Layer Chromatography, TLC)
核心觀念
薄層層析法是利用不同成分對固定相與移動相的親和力不同,使混合物在薄層板上產生不同移動距離,藉以進行分離、鑑定及半定量分析。
薄層板通常以玻璃板、鋁板或塑膠板為基材,表面塗布矽膠、氧化鋁或纖維素等固定相。
測定原理
試樣中各成分在下列兩相之間反覆分配:
- 固定相:薄層板上的矽膠、氧化鋁或纖維素。
- 移動相:沿薄層板上升的展開溶劑。
若某成分與固定相作用較強,移動速度較慢;若較容易溶於移動相,則移動速度較快,因而形成不同斑點。
矽膠表面具有極性及吸附性,適合分離許多極性化合物。非極性成分通常較容易隨非極性或混合型展開溶劑移動。
主要操作步驟
1. 試樣前處理
依分析對象進行萃取、濃縮、過濾或淨化。例如:
- 脂質可用有機溶劑萃取。
- 色素可先以適當溶劑萃取。
- 農藥或添加物可進行液液萃取。
2. 點樣
在薄層板下端以毛細管將試樣及標準品點在同一基線上。點樣斑點必須小而集中,並使溶劑完全揮發。
第 五 題20 分
檢驗機構管制檢驗結果品質時,須執行空白樣品分析及查核樣品分析等品管樣品分析,請詳述這些分析的目的及做法。
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考查食品檢驗實驗室以品管樣品監控檢驗結果可靠性的基本方法,重點在於區分:
- 空白樣品分析(blank sample analysis):確認檢驗過程是否有污染、背景值或儀器殘留。
- 查核樣品分析(check sample analysis):確認分析方法、儀器及人員能否正確測得已知濃度或已知結果,主要評估檢驗結果的準確度與方法適用性。
以命題當年(民國111年)法規及食品檢驗品管原則為準。品管樣品應與實際樣品採相同或等同的前處理、分析及判定程序,並保留完整紀錄,以確保檢驗結果具有代表性、可追溯性及可信度。
一、空白樣品分析
(一)目的
空白樣品係指不含待測物,或待測物濃度已知且低於方法可定量範圍的樣品。其主要目的如下:
-
確認試劑、器具及容器是否受到污染 若空白樣品出現待測物訊號,表示試劑、玻璃器皿、耗材或操作環境可能帶入污染。
-
確認分析系統的背景值 儀器、溶劑、基質或環境可能產生背景訊號,空白分析可用來判斷背景對結果的影響。
-
監控樣品處理過程的交叉污染 樣品均質、萃取、消化、濃縮及移液過程中,可能因設備或操作順序造成污染,空白樣品可協助發現此問題。
-
監控儀器殘留及記憶效應(carry-over) 高濃度樣品分析後,殘留物可能影響後續低濃度樣品,空白分析可判斷儀器清洗是否充分。
-
確認低濃度檢驗結果的可信度 當樣品測值接近方法偵測極限或定量極限時,空白值特別重要,可避免將背景訊號誤判為樣品中的待測物。
(二)種類
依污染來源及操作階段,常見空白樣品包括:
1. 試劑空白(reagent blank)
僅含分析所需試劑及溶劑,不含樣品基質,用以確認試劑、溶劑及儀器本身是否產生待測物訊號。
2. 方法空白(method blank)
將不含待測物的空白基質,依實際樣品相同的前處理及分析程序操作。其監控範圍較完整,能同時反映試劑、器具、設備及操作環境造成的污染。
3. 設備或清洗空白
於設備清潔後,以適當溶劑或空白基質進行沖洗、萃取或分析,用以確認設備清潔效果。
實務上不可一律以純水取代所有空白樣品。若實際樣品具有特殊基質,應優先使用適當的空白基質,以提高污染監控的代表性。
(三)做法
-
準備空白樣品 選擇不含待測物的空白基質;若無適當基質,則依檢驗方法使用試劑空白或溶劑空白。
-
與樣品同步處理 空白樣品須經過與實際樣品相同的稱量、均質、萃取、消化、過濾、濃縮、定容及儀器分析步驟。若只將溶劑直接注入儀器,僅能監控部分污染來源,不能完全代表方法空白。
-
安排分析頻率 通常每一批檢驗樣品至少應配置適當空白;在分析高濃度樣品、痕量分析或污染風險較高的項目時,應增加空白分析。儀器分析序列亦可於高濃度樣品後安排空白,以監控記憶效應。
-
觀察及記錄結果 記錄空白樣品的定性訊號、定量值、峰面積、吸光值或其他相關分析數據,並與既定品管標準比較。
-
判定是否合格 空白樣品應無待測物訊號,或測值低於該方法所規定的可接受上限。通常要求低於方法偵測極限、定量極限,或不得影響樣品結果的判定。
-
空白不合格時的處置 應暫停該批結果判定,查明污染來源,包括試劑、器具、設備、環境、操作人員及儀器殘留等,再重新製備空白及受影響樣品分析。若空白值會影響樣品定量結果,不得逕行以扣除空白值取代污染調查,除非檢驗方法明定可進行空白校正。
二、查核樣品分析
(一)目的
查核樣品係指待測物含量或檢驗結果已知,並用於查核分析品質的品管樣品。其主要目的如下:
-
評估分析結果的準確度 比較實測值與已知值、參考值或標示值,確認方法是否能得到接近真值的結果。
-
監控方法的回收率 對於萃取、消化、濃縮等前處理程序,可藉由查核樣品判斷待測物是否在處理過程中損失。
-
確認分析方法及儀器的穩定性 若查核樣品連續測定結果偏高或偏低,可能表示校正曲線、儀器靈敏度、試劑狀態或操作程序發生異常。
-
評估不同批次、不同日期及不同分析人員間的一致性 查核樣品可作為日常內部品質控制工具,監測分析結果是否持續落在可接受範圍內。
-
確認方法對特定食品基質的適用性 食品基質複雜,脂肪、蛋白質、色素及其他成分可能造成基質效應。使用與實際樣品性質相近的查核樣品,可確認方法在該基質下仍能正常運作。
(二)查核樣品的形式
1. 有證標準物質(certified reference material, CRM)
具有認證濃度、參考值及不確定度的標準物質,可用於評估方法的準確度及實驗室能力。
2. 實驗室自製查核樣品
以均質食品基質添加已知量待測物,或選用先前已充分確認濃度的樣品,作為日常品管樣品。此類樣品應確認均質性、穩定性及參考值。