110 地方特考四等 食品衛生檢驗 食品化學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查醣類，尤其是多醣類食品添加物的「親水性、溶解與膨潤性、分子鏈結構及凝膠形成能力」，以及這些性質如何轉化為食品加工功能。

醣類分子含有大量羥基（$-OH$），可與水形成氫鍵，因此具有吸水、保水及增黏作用。部分多醣在適當的濃度、溫度、酸鹼值及離子條件下，還能形成三維網狀結構，產生凝膠。

應注意：多數多醣本身不是典型的界面活性劑，其乳化作用多表現為「乳化安定」；也就是提高連續相黏度、抑制油滴聚集與上浮，而非直接大幅降低油水界面張力。

解題方法

可依「分子結構與水的作用」切入，再分別說明四種食品功能：

1. 多量羥基與水形成氫鍵：解釋保水性。
2. 多醣溶於水後使連續相黏度增加：解釋乳化安定與增稠。
3. 多醣分子鏈彼此交聯、聚集或形成網狀結構：解釋成膠。
4. 配合代表性多醣與食品用途舉例，完成應用面的回答。

一、作為保水劑的原因

醣類分子含有大量羥基，具有高度親水性，可藉由氫鍵與水分子結合：

$$\text{多醣}-OH \cdots H-OH$$

因此，醣類可將水分保持在分子周圍，降低水分自由移動及蒸發的程度，並減少食品中水分因冷凍、加熱或儲藏而析出的現象。

多醣的長鏈結構還能：

• 吸收並固定大量水分；
• 降低水分活性；
• 增加食品保濕性；
• 抑制冷凍食品解凍時的滴水；
• 延緩澱粉食品老化造成的乾硬。

代表性例子

• 果膠（pectin）：可吸水並形成黏稠或凝膠結構，應用於果醬、果凍。
• 海藻酸鹽（alginate）：具有良好吸水及保水能力，應用於食品組織改良。
• 黃原膠（xanthan gum）：在低濃度下即可提高黏度，協助沙拉醬、飲料及冷凍食品保持水分均勻。
• 瓜爾膠（guar gum）：強烈吸水膨潤，可用於冰淇淋、乳製品及烘焙食品。
• 澱粉與變性澱粉：加熱糊化後吸水膨潤，形成黏稠糊體，具有保水作用。

二、作為乳化安定劑的原因

乳化食品是由油相與水相組成的分散系統。若油滴彼此碰撞並聚集，便會發生油水分離、乳析或上浮。

多醣可透過下列機制提高乳化安定性：

1. 提高連續相黏度

多醣溶於水後形成高黏度溶液，使油滴移動速度降低，減少油滴碰撞、聚集及上浮。

2. 形成保護性水化層

多醣吸水後可在油滴周圍形成水化層或黏稠界面層，降低油滴相互接近的機會。

3. 形成網狀結構

部分多醣可在水相中形成弱凝膠或三維網絡，使油滴被固定於連續相內，提升乳化系統的物理穩定性。

4. 具有部分界面活性

某些多醣，特別是含有蛋白質片段或經化學修飾的多醣，能較有效地吸附於油水界面，協助形成穩定界面膜。

代表性例子

• 阿拉伯膠（gum arabic）：可吸附於油水界面，常用於香料乳化、乳化香精及飲料。
• 變性澱粉：具有較佳的界面吸附能力，可用於飲料乳化、沙拉醬及乳化香精。
• 果膠：可提高水相黏度並協助穩定飲料中的油滴，應用於含油香料的飲料。
• 黃原膠：主要藉由增稠及形成穩定的水相結構，應用於沙拉醬、醬料及調味乳化食品。
• 纖維素衍生物，如羧甲基纖維素（CMC）：提高水相黏度，協助穩定乳化飲品及食品懸浮系統。

嚴格而言，黃原膠、CMC等多醣主要是乳化「安定劑」，作用重點為防止油滴聚集及分層；阿拉伯膠與變性澱粉則兼具較明顯的界面穩定作用。

三、作為增稠劑的原因

多醣溶於水後，長鏈分子會伸展、彼此纏結，並與水形成水合層，使溶液流動阻力增加，因而提高黏度。

增稠效果主要與下列因素有關：

• 多醣分子量；
• 分子鏈長度；
• 分子支鏈程度；
• 溶液濃度；
• 溫度；
• pH值及鹽類離子；
• 多醣分子間的交互作用。

多醣增稠可改善食品的口感、懸浮性、附著性及加工穩定性。

代表性例子

• 黃原膠：低濃度即可產生高黏度，且具有良好耐酸、耐鹽及耐熱性，應用於沙拉醬、醬料、飲料。
• 瓜爾膠：吸水膨潤能力強，應用於冰淇淋、乳製品、湯品及烘焙食品。
• 刺槐豆膠（locust bean gum）：可提高黏度，並常與卡拉膠配合使用。

核心觀念

油脂品質鑑定主要利用油脂的化學性質，判斷：

1. 是否發生水解劣變：游離脂肪酸增加。
2. 是否發生氧化劣變：過氧化物、醛、酮等氧化產物增加。
3. 脂肪酸組成及不飽和程度：影響油脂的穩定性與乾性。
4. 油脂的種類、純度及摻 adulteration 情形：利用分子量、揮發性脂肪酸及不皂化物等特性鑑別。

常用化學鑑定方法如下。

一、酸價（Acid value, AV）

定義

酸價是中和 $1\ \text{g}$ 油脂中游離脂肪酸所需的氫氧化鉀毫克數。

$$\text{AV}=\frac{V \times N \times 56.1}{W}$$

其中：

• $V$：滴定所消耗之 $KOH$ 溶液體積，單位為 mL
• $N$：$KOH$ 溶液當量濃度
• $56.1$：$KOH$ 分子量
• $W$：試樣重量，單位為 g

原理與用途

三酸甘油酯受水分、熱、酸、鹼或脂肪酶作用，會水解生成甘油與游離脂肪酸：

$$\text{Triacylglycerol}+3H_2O \rightarrow \text{Glycerol}+3\text{Free fatty acids}$$

游離脂肪酸增加時，酸價升高，因此酸價可判斷油脂的水解酸敗程度及精製品質。

判讀

• 酸價低：游離脂肪酸少，水解劣變程度較低。
• 酸價高：表示油脂已發生較明顯的水解酸敗。
• 酸價只能反映游離脂肪酸，不能單獨代表氧化酸敗程度。

二、過氧化價（Peroxide value, POV）

定義

過氧化價是油脂中過氧化物，主要為氫過氧化物的含量，常以每公斤油脂中所含之毫當量活性氧表示。

常見表示方式為：

$$\text{POV}=\frac{(V-V_0)\times N\times 1000}{W}$$

其中：

• $V$：試樣滴定所消耗之硫代硫酸鈉體積
• $V_0$：空白試驗所消耗之體積
• $N$：硫代硫酸鈉溶液當量濃度
• $W$：試樣重量，單位為 g

原理

油脂氧化生成氫過氧化物，氫過氧化物可氧化碘離子生成碘，再以硫代硫酸鈉滴定：

$$ROOH+2KI+2H^+ \rightarrow ROH+I_2+2K^+$$ $$I_2+2S_2O_3^{2-} \rightarrow 2I^-+S_4O_6^{2-}$$

判讀

• 過氧化價升高：表示油脂處於初期氧化階段。
• 過氧化價先升高後降低：過氧化物會分解成醛、酮及其他二次氧化產物。
• 因此過氧化價低不一定表示油脂新鮮，也可能是油脂已進入氧化後期。

三、硫代巴比妥酸價（Thiobarbituric acid value, TBA value）

原理與用途

油脂氧化後會產生丙二醛（malondialdehyde, MDA）等二次氧化產物。丙二醛與硫代巴比妥酸反應，形成紅色化合物，再以比色法測定其吸光值。

$$\text{MDA}+\text{TBA} \rightarrow \text{有色反應產物}$$

TBA 值主要用於測定油脂的二次氧化程度，特別適合補充過氧化價的不足。

判讀

• TBA 值高：表示醛類等二次氧化產物較多，油脂已有明顯氧化劣變。
• TBA 值不能直接取代過氧化價，因為兩者分別反映氧化初期與後期產物。

四、對茴香胺價（p-Anisidine value, p-AV）

原理與用途

油脂氧化產生的醛類可與對茴香胺反應，形成有色物質，再以分光光度法測定。對茴香胺價主要反映油脂中的二級氧化產物，尤其是醛類。

判讀

• 過氧化價：反映初級氧化產物。
• 對茴香胺價：反映二級氧化產物。
• 兩者合併可較完整評估油脂氧化程度，常以總氧化價表示：

$$\text{Totox value}=2(\text{POV})+\text{p-AV}$$

五、碘價（Iodine value, IV）

定義

碘價是 $100\ \text{g}$ 油脂所能吸收的碘克數，代表油脂中碳碳雙鍵的相對含量。

原理

不飽和脂肪酸的碳碳雙鍵可與鹵素加成。實驗中常使用 Hanus reagent 或 Wijs reagent，使碘或碘化物與雙鍵反應，再以硫代硫酸鈉滴定剩餘的鹵素量。

簡化表示為：

$$RCH=CHR'+I_2 \rightarrow RCHI-CHIR'$$

用途

• 判斷油脂的不飽和程度。
• 鑑別不同種類油脂。
• 評估油脂的氧化敏感性。
• 檢查氫化油或摻入其他油脂的情形。

判讀

核心觀念

本題考查蛋白質的「協同性變性」（cooperative denaturation）與蛋白質構形穩定力之間的關係。

蛋白質天然構形並非由單一作用力維持，而是由多種非共價作用力共同穩定，包括：

• 疏水作用力
• 氫鍵
• 離子鍵或鹽橋
• 范德華力
• 偶極作用與其他靜電作用

部分蛋白質亦含有二硫鍵。二硫鍵屬於共價鍵，通常不會因一般的 pH 或溫度變化而直接斷裂，但會影響蛋白質整體構形的穩定性。

蛋白質變性是指蛋白質的天然三維構形遭到破壞，使其失去原有的生物活性；通常主要涉及二級、三級及四級結構的改變，而非肽鍵大量水解，因此一級結構通常仍然保留。

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解題方法

可由「變性自由能」與「構形作用力的協同破壞」兩個角度說明。

蛋白質天然態與變性態之間可表示為：

$$\text{天然態} \rightleftharpoons \text{變性態}$$

其變性自由能為：

$$\Delta G_{\text{unf}}=\Delta H_{\text{unf}}-T\Delta S_{\text{unf}}$$

其中：

• $\Delta H_{\text{unf}}$：破壞氫鍵、離子作用、范德華力等所造成的焓變化
• $\Delta S_{\text{unf}}$：蛋白質由有序構形轉為較無序構形所造成的熵變化
• $T$：絕對溫度

在天然條件下，若 $\Delta G_{\text{unf}}>0$，天然態較穩定；當環境變化使 $\Delta G_{\text{unf}}$ 降低至接近零時，天然態與變性態的比例會迅速改變。

變性平衡常數可表示為：

$$K_{\text{unf}}=\frac{[\text{變性態}]}{[\text{天然態}]} =e^{-\Delta G_{\text{unf}}/RT}$$

變性態比例為：

$$f_{\text{unf}} =\frac{K_{\text{unf}}}{1+K_{\text{unf}}}$$

由於變性態比例與 $\Delta G_{\text{unf}}$ 呈指數關係，當環境因素使 $\Delta G_{\text{unf}}$ 發生小幅變化時，$K_{\text{unf}}$ 可能產生大幅改變，因此變性比例會在狹窄區間內急遽上升。

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為何蛋白質會突然變性

一、蛋白質構形作用力具有協同性

蛋白質的各種構形作用力不是彼此完全獨立，而是相互連結、共同維持蛋白質的折疊構形。

當某一局部結構受到破壞時，會造成下列連鎖反應：

1. 局部氫鍵、離子鍵或疏水作用力受到干擾。
2. 蛋白質局部鬆開，原本埋藏於內部的疏水性胺基酸殘基暴露於水中。
3. 水分子進入原本的疏水核心，進一步削弱疏水作用力。
4. 鄰近區域的氫鍵、鹽橋及范德華力相繼遭到破壞。
5. 蛋白質由部分展開迅速轉變為大範圍展開的變性構形。

因此，變性不是許多彼此獨立的小事件平均發生，而是具有「連鎖式」與「合作式」的特性。少量構形破壞可能不會立即造成明顯變性，但一旦達到臨界程度，整個蛋白質構形會快速崩解。

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二、疏水核心被破壞會加速構形崩解

許多球狀蛋白質的疏水性胺基酸位於分子內部，形成疏水核心；親水性胺基酸則較多分布於表面。

天然構形可藉由疏水作用力將疏水性基團埋藏在蛋白質內部，以降低其與水接觸的程度。當 pH 或溫度改變而使蛋白質局部鬆動時，疏水性基團暴露，水分子便可進入蛋白質內部。

疏水核心一旦瓦解，會同時影響：

• 蛋白質內部的堆疊
• 鄰近氫鍵
• 胺基酸側鏈間的范德華力
• 局部離子作用
• 二級結構與三級結構的相對位置

核心觀念

本題考查食品加工中「維生素與礦物質的穩定性」及其受三項加工條件共同影響的情形：

1. 加熱溫度與時間
2. 食品的 $\mathrm{pH}$ 值
3. 光線照射

判斷營養素是否穩定，須從以下機制分析：

• 熱破壞：高溫會加速氧化、還原、水解及其他分解反應。
• 酸鹼催化：$\mathrm{pH}$ 會改變分子結構、離子化狀態及反應速率。
• 光化學反應：光線可使感光性維生素產生光氧化或光分解。
• 溶出損失：水溶性維生素與礦物質可能在汆燙、煮沸、浸泡時溶入加工水。
• 生體可利用率改變：礦物質雖不易被熱「破壞」，但可能因形成難溶性化合物而降低吸收率。

可用下式表示一般化學反應受溫度影響的趨勢：

$$k=Ae^{-E_a/RT}$$

溫度升高時，反應速率常數 $k$ 增大，因此維生素的氧化、分解及失活速度通常加快。

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解題方法

本題沒有計算數據，適合採用「加工因素 × 營養素種類 × 損失機制」的方式作答：

1. 先說明加熱對各類維生素的影響。
2. 再說明 $\mathrm{pH}$ 如何改變穩定性。
3. 接著說明光線對感光性維生素的影響。
4. 分別補充水溶性維生素、脂溶性維生素及礦物質的特性。
5. 最後強調三項因素具有加成或交互作用，不能只單獨判斷。

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一、加熱溫度對維生素及礦物質的影響

1. 水溶性維生素

水溶性維生素通常較容易在加工中流失，主要包括維生素 B 群及維生素 C。

維生素 C

維生素 C 對下列條件特別敏感：

• 高溫
• 氧氣
• 金屬離子
• 中性至鹼性環境
• 光線

維生素 C 可先被氧化成脫氫抗壞血酸，後續再分解為失去維生素活性的物質。因此，加熱時間愈長、溫度愈高，損失通常愈大。

加熱時若食品暴露於空氣，熱與氧化會同時作用，使維生素 C 降解更加明顯。切碎、攪拌及長時間煮沸會增加接觸氧氣的面積，也會加速損失。

維生素 B 群

各種 B 群穩定性不同：

• 硫胺素（維生素 B₁）：對熱及鹼性環境較敏感，在中性至鹼性條件下加熱容易分解。
• 核黃素（維生素 B₂）：本身耐熱性尚可，但對光線特別敏感。
• 葉酸：在加熱、光照及氧化環境下可能損失，長時間加工更容易降低含量。
• 維生素 B₆：對熱及光線具有一定敏感性。
• 菸鹼素（維生素 B₃）：相對穩定，熱加工損失通常較少，但仍可能因溶出而流失。

水溶性維生素除了遭受熱分解，也會因煮沸水、湯汁或浸泡液而發生擴散及溶出。因此，烹煮液未被食用時，營養損失會更大。

2. 脂溶性維生素

脂溶性維生素包括維生素 A、D、E、K，通常不會像水溶性維生素一樣大量溶入水中，但其中部分成分對熱、氧氣及光線敏感。

• 維生素 A及類胡蘿蔔素：高溫、光線及氧氣會促進氧化與異構化，造成活性降低。
• 維生素 D：一般穩定性較高，但長時間高溫及強光仍可能造成破壞。
• 維生素 E：具有抗氧化作用，但在高溫、氧氣及光線作用下會被消耗。
• 維生素 K：相對穩定，但仍可能因長時間高溫及光照而降低。

脂溶性維生素的損失通常與脂質氧化共同發生。食品中的油脂發生氧化時，產生的自由基及過氧化物會進一步促進維生素 A、E等成分降解。

3. 礦物質

礦物質是無機元素，不會像維生素一樣因加熱而「分解消失」。因此，單純加熱通常不會破壞鈣、鐵、鋅、鎂、鉀等元素本身。

但加工仍可能造成礦物質含量或利用率下降：

• 汆燙、煮沸會使鉀、鈉、鎂等可溶性礦物質進入水中。
• 食品去皮、去汁、過濾會帶走附著或溶解於液相中的礦物質。
• 高溫會改變食品組織，使礦物質重新分布。
• 加熱引起的蛋白質變性、澱粉糊化及有機酸變化，可能改變礦物質的結合狀態與吸收率。

因此，礦物質的重點不是「熱分解」，而是溶出、分離、重新分布及生體可利用率改變。

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二、$\mathrm{pH}$ 值對維生素及礦物質的影響

1. 酸鹼度會改變維生素的化學穩定性

不同維生素具有不同的最佳穩定 $\mathrm{pH}$ 範圍。一般而言：

• 酸性環境可抑制部分氧化反應。
• 鹼性環境常會加速某些維生素的水解、氧化或結構破壞。
• $\mathrm{pH}$ 改變也會影響維生素的離子化狀態及其與食品成分的反應性。

重要例子如下：

維生素 C

維生素 C在酸性食品中通常較穩定；當 $\mathrm{pH}$ 升高，尤其進入中性或鹼性環境時，氧化與分解速度會增加。因此，酸性果汁中的維生素 C通常比鹼性蔬菜汁更容易保存。

維生素 B₁

維生素 B₁在酸性環境較穩定，在中性及鹼性條件下受熱時容易分解。因此，含有碳酸氫鈉等鹼性添加物的食品，若再經加熱，可能造成 B₁損失增加。

核黃素

核黃素對光線敏感，且其穩定性也受 $\mathrm{pH}$ 影響。在鹼性及光照條件下，分解通常更明顯。

葉酸

葉酸的穩定性會受到酸鹼度、熱及氧氣共同影響。加工條件不當時，可能因水解或氧化而降低活性。

脂溶性維生素

核心觀念

本題考查食品中醣類與果膠的基本性質，重點包括：

1. 澱粉水解後形成的糖類產品。
2. 糖受熱產生非酵素性褐變的反應。
3. 澱粉加水加熱時的糊化現象。
4. 植物組織中不溶性果膠前驅物的性質與轉變。

作答時應掌握「定義、形成條件、主要變化及食品上的意義」。

解題方法

四個名詞可依其本質分成兩類：

• 「澱粉糖」是澱粉的水解產物。
• 「焦糖化」與「澱粉成膠」是加熱引起的物理或化學變化。
• 「原果膠質」是植物組織中的果膠前驅物。

每一小題以「是什麼、如何形成、產生何種結果」的順序說明，即可完整涵蓋得分要點。

(一) 澱粉糖

定義與形成

澱粉糖是以澱粉為原料，經酸或酵素水解，使澱粉分子中的 $\alpha$-糖苷鍵部分或完全裂解所得到的糖類產品。

澱粉水解程度不同，所得成分也不同：

$$\text{澱粉} \rightarrow \text{糊精} \rightarrow \text{麥芽糖、寡糖} \rightarrow \text{葡萄糖}$$

水解不完全時，產品通常含有糊精、麥芽糖、麥芽寡糖及葡萄糖等混合物；水解較完全時，則以葡萄糖為主要成分。

製造方式

常見製造方式包括：

• 酸水解：利用鹽酸等酸加熱，使澱粉糖苷鍵裂解。
• 酵素水解：利用 $\alpha$-amylase、glucoamylase 等酵素，控制水解程度，製成葡萄糖漿或高麥芽糖漿。

食品意義

澱粉糖可作為甜味劑、增量劑、保濕劑及發酵原料，常見產品包括葡萄糖漿、麥芽糖漿及高果糖糖漿的前段原料。

澱粉糖的水解程度常以 **DE值（dextrose equivalent，葡萄糖當量）**表示。DE值越高，通常代表水解程度越大、還原糖含量越高；但DE值並不表示產品全部都是葡萄糖。

(二) 焦糖化

定義

焦糖化是糖類在高溫加熱下，未必需要胺基酸或蛋白質參與，即發生脫水、裂解、環化、聚合等反應，形成褐色物質與特殊焦香味的非酵素性褐變反應。

反應過程

糖受熱後會依序產生：

1. 脫水反應：形成糠醛類及其他脫水產物。
2. 裂解與重排：生成小分子醛、酮及有機酸等。
3. 聚合反應：形成褐色的大分子焦糖化產物。

例如六碳糖受熱脫水可形成羥甲基糠醛（HMF）等物質，之後再進一步聚合形成焦糖色素。

反應條件與食品作用

焦糖化通常需要較高溫度，且不同糖類的焦糖化溫度不同。反應結果包括：

• 顏色由黃色、金黃色轉為褐色。
• 產生焦香、烘烤及苦甜味。
• 形成焦糖色素，可用於食品著色。

焦糖化不等同於梅納反應。焦糖化主要由糖受熱引起，不必有胺基化合物參與；梅納反應則是還原糖與胺基酸、胜肽或蛋白質之間的反應。

(三) 澱粉成膠

定義

澱粉成膠是澱粉在水中加熱時，澱粉粒吸水膨潤、結晶構造破壞、黏度上升，並形成黏稠糊狀物的現象，食品化學上主要稱為澱粉糊化（gelatinization）。