108 高普考普通考試 食品衛生檢驗 食品分析與檢驗概要 考古題詳解

核心觀念

本題評量高效液相層析法（HPLC）之逆相層析（RP-HPLC）分離原理，以及克服分析化學中​「一般沖提問題（General Elution Problem）」​的技術機制。

1. 逆相層析（RP-HPLC）基本原理：

• 固定相：非極性（如八十四烷基矽烷鍵結相，$\text{C}_{18} / \text{ODS}$）。
• 移動相：極性溶劑系統（如水、緩衝液搭配甲醇、乙腈等有機修飾劑）。
• 溶離順序：依分析物極性由大至小溶出（極性強者滯留弱，先溶出；非極性強者疏水性作用力大，後溶出）。
• 溶離強度（Elution Strength）：逆相層析中，有機溶劑比例越高（移動相極性越低），移動相對非極性物質的洗脫能力（溶離強度）越強。

2. 容量因子（Retention Factor, $k$）與分離度（Resolution, $R_s$）：

• 容量因子公式： $k = \frac{t_r - t_0}{t_0}$ （$t_r$ 為滯留時間，$t_0$ 為死時間／溶劑前沿時間）。最適分離之 $k$ 值通常建議介於 $1 \le k \le 10$。
• 分離度公式（Purnell 方程式）： $R_s = \frac{\sqrt{N}}{4} \left( \frac{\alpha - 1}{\alpha} \right) \left( \frac{k_2}{1 + k_2} \right)$

3. 等度沖提（Isocratic Elution）之瓶頸——一般沖提問題： 若樣品組成之極性範圍寬廣，採用單一固定比例移動相時：

• 弱溶離強度（高極性／高水相）：強極性成分可分離，但弱極性（強滯留）成分滯留時間過長、色譜峰嚴重變寬（Band Broadening）、靈敏度驟降，甚至無法溶出。
• 強溶離強度（高有機相）：弱極性成分快速溶出，但強極性成分容量因子 $k < 1$，於管柱死時間附近共溶出（Co-elution），失去分離度。

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解題方法

說明梯度沖提優於等度沖提之原理，應從「移動相極性連續改變所引發的滯留熱力學變化」與「流體力學譜帶壓縮效應」切入：

步驟一：說明梯度沖提的運作方式

逆相層析的混合梯度流洗（Gradient Elution），設定移動相之有機溶劑比例隨時間逐步增加（即移動相極性隨時間遞減、溶離強度遞增）。分析初期以高極性（高水相）開始，隨後線性或階梯式提升非極性（有機相）比例。

步驟二：闡明分離效能提升之四大核心機制

1. 動態調控容量因子（$k$），化解「一般沖提問題」：

• 分析初期：高極性移動相提供強極性成分足夠的滯留能力（維持 $k > 1$），使早期溶出的極性分析物能與固定相充分進行分配作用，達成良好分離。
• 分析中後期：移動相極性降低（溶離強度升高），迫使強滯留的非極性分析物之 $k$ 值隨時間動態下降，依極性序列迅速依序洗脫，避免過度滯留。

2. 波峰壓縮效應（Peak Compression / Band Focusing Effect）：

• 在梯度洗脫過程中，當某個分析物譜帶（Band）在管柱內移動時，譜帶後端（Tail）所接觸的移動相有機溶劑比例略高於譜帶前端（Front）。
• 後端的溶離強度大於前端，促使譜帶後端的分析物移動速度加快並「推擠／追趕」前端，大幅抵消管柱內的縱向擴散（Longitudinal Diffusion），使波峰變窄、變尖銳。

3. 顯著提升訊噪比（S/N Ratio）與檢測靈敏度：

• 等度沖提中晚溶出的波峰因擴散作用而高度扁平；

核心觀念

1. 一級標準品（Primary Standard）具備之條件：

• 高純度（通常達 $99.9\%$ 以上）。
• 組成恆定，化學式確切（含結晶水者組成需固定）。
• 具高度化學穩定性，在空氣中不吸濕、不潮解、不風化、不易氧化，且不吸收二氧化碳。
• 莫耳質量（當量重）較大，以降低天平秤量時所產生的相對誤差。

2. 氫氧化鈉（$NaOH$）非一級標準品之原因：

• 固體極易吸收空氣中的水份而潮解。
• 易吸收空氣中的二氧化碳生成碳酸鈉： $2NaOH + CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$
• 市售試劑純度不足且常含有微量雜質，無法藉由直接精確秤量配製出確切濃度的標準溶液。

3. 力價（Factor，符號以 $F$ 或 $f$ 表示）：

• 又稱「校正因子」，代表實際配製溶液之當量濃度與名義（標稱）當量濃度的比值： $F = \frac{N_{\text{實}}}{N_{\text{標}}}$ （$N_{\text{實}}$ 為實際當量濃度，$N_{\text{標}}$ 為理論標稱當量濃度，如 $0.1N$）。

4. 當量重（Equivalent Weight, $EW$）與酸鹼中和原理：

• 一元酸或一元鹼每莫耳釋放 $1$ 莫耳質子或氫氧根離子，其當量重等於分子量（$EW = MW$）。
• 中和滴定等當點：酸的當量數等於鹼的當量數（$N_A \times V_A = N_B \times V_B$）。

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解題方法

本題為典型的「酸鹼滴定分析與標準溶液製備」申論題，採四個子題依序作答，推導完整流程：

一、為何新鮮配製之 $NaOH$ 溶液需要標定力價？

1. 試劑純度不確定：分析級 $NaOH$ 固體純度常僅約 $95 \sim 98\%$，無法直接作為基準。
2. 潮解與碳酸鹽化：$NaOH$ 在秤量與溶解過程中，極易吸收大氣水份與 $CO_2$ 生成 $Na_2CO_3$，導致氫氧根活性濃度降低。
3. 標定的必要性：直接秤量配製之 $NaOH$ 溶液僅為「約略濃度」（如約 $0.1N$）。為了定量分析的準確性，必須藉由基準一級標準酸進行「標定（Standardization）」，求出精確的實際濃度 $N_{\text{實}}$ 與力價 $F$。

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二、如何標定 $0.1N$ $NaOH$ 溶液的力價？

標定 $0.1N$ $NaOH$ 最常用之一級標準酸為鄰苯二甲酸氫鉀（Potassium Hydrogen Phthalate，簡稱 KHP，$KHC_8H_4O_4$，分子量及當量重皆為 $204.22\text{ g/eq}$）。

1. 一級標準品預處理：

• 取純度 $99.9\%$ 以上之 KHP 置於稱量瓶中，放入烘箱以 $105 \sim 110^\circ\text{C}$ 乾燥 $1 \sim 2$ 小時，除去表面吸附水，移置乾燥器內冷卻至室溫。

2. 精確秤量與溶解：

• 以分析天平精密秤取乾燥 KHP 約 $0.4 \sim 0.5\text{ g}$（記錄至 $0.1\text{ mg}$，設為 $W\text{ g}$），置於 $250\text{ mL}$ 錐形瓶中。
• 加入約 $50\text{ mL}$ 新鮮煮沸冷卻之去離子水（去除溶於水中的 $CO_2$），輕微搖晃使其完全溶解。

3. 指示劑選擇：

• 滴加 $2 \sim 3$ 滴酚酞指示劑（Phenolphthalein）。
• 選擇原因：KHP 為弱酸，$NaOH$ 為強鹼，等當點產生弱鹼性鹽類（$KNaC_8H_4O_4$），溶液等當點 pH 值落在 $8.5 \sim 9.0$ 之間，恰落於酚酞變色範圍（pH 8.0～10.0，無色變微粉紅色）。

4. 滴定終點判定：

• 將待標定之 $0.1N$ $NaOH$ 裝入滴定管中調整零點。
• 滴定至溶液由無色轉變為微粉紅色，且持續 30 秒不褪色即為滴定終點，紀錄滴定管消耗體積 $V\text{ (mL)}$。

5. 力價計算推導： 根據等當點反應：$NaOH + KHC_8H_4O_4 \rightarrow KNaC_8H_4O_4 + H_2O$ $\text{KHP 當量數} = \frac{W\text{ (g)}}{204.22\text{ g/eq}}$ $NaOH\text{ 消耗當量數} = N_{\text{實}} \times \frac{V\text{ (mL)}}{1000}$ 兩者相等： $N_{\text{實}} = \frac{W \times 1000}{204.22 \times V}$ 求 $0.1N$ $NaOH$ 之力價 $F$： $F = \frac{N_{\text{實}}}{0.1\text{ N}} = \frac{W \times 1000}{204.22 \times 0.1 \times V} = \frac{W \times 1000}{20.422 \times V}$

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三、繪出常用的標準酸化學式

常用於標定鹼液的一級標準酸為鄰苯二甲酸氫鉀（KHP），次常用為草酸晶體（二水合草酸）：

1. 鄰苯二甲酸氫鉀（KHP）

• 分子式：$C_8H_5KO_4$（示性式：$C_6H_4(COOK)(COOH)$）
• 化學結構式：

 COOH
 /
 // \
 | |
 \\ /
 \
 COOK

2. 草酸晶體（Oxalic Acid Dihydrate，二水合草酸）

• 分子式：$H_2C_2O_4 \cdot 2H_2O$（示性式：$(COOH)_2 \cdot 2H_2O$）
• 化學結構式：

核心觀念

1. 碘價（Iodine Value, IV）定義： 每 $100\text{ g}$ 油脂所能吸收（加成）之碘（$\text{I}_2$）的公克數，單位為 $\text{g } \text{I}_2 / 100\text{ g 油脂}$（通常省略單位，直接以數值表示）。碘價反映油脂中脂肪酸的不飽和程度（碳-碳雙鍵數量）；碘價愈高，代表油脂不飽和程度愈高。
2. 測定原理： 雙鍵不易直接與分子碘（$\text{I}_2$）快速完全加成，故採用化學活性更高的鹵素間化合物（如 Wijs 法的 $\text{ICl}$ 或 Hanus 法的 $\text{IBr}$）進行親電加成反應。過量未反應的鹵素試劑加入碘化鉀（$\text{KI}$）後還原釋出游離碘，再以標準硫代硫酸鈉（$\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3$）溶液滴定，並配合空白試驗扣除試劑背景值。
3. 理論碘價計算公式： $\text{理論碘價} = \frac{n \times M_{\text{I}_2}}{M_{\text{fatty acid}}} \times 100$ 其中 $n$ 為脂肪酸分子中所含碳-碳雙鍵（$\text{C}=\text{C}$）數，$M_{\text{I}_2}$ 為碘的分子量（$253.8\text{ g/mol}$），$M_{\text{fatty acid}}$ 為脂肪酸分子量（$282\text{ g/mol}$）。

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解題方法

一、油脂碘價的定義

油脂碘價定義為每 $100\text{ g}$ 油脂所能吸收（加成）碘（$\text{I}_2$）的公克數。碘價與油脂中雙鍵數成正比，常用於油脂分類（乾性油：$\text{IV} > 130$；半乾性油：$100 \le \text{IV} \le 130$；不乾性油：$\text{IV} < 100$）及鑑別油脂摻偽或氧化酸敗程度。

二、碘價的測定原理

常規檢驗採用官方公定法 Wijs 法（以一氯化碘 $\text{ICl}$ 之冰醋酸溶液為試劑），測定步驟與反應原理如下：

1. 加成反應： 將油脂溶於氯仿（或環己烷）等有機溶劑中，加入過量且已知量的 Wijs 試劑（$\text{ICl}$），置於暗處靜置，使鹵素加成至不飽和雙鍵上： $-\text{CH}=\text{CH}- + \text{ICl} \rightarrow -\text{CH(I)}-\text{CH(Cl)}-$
2. 游離剩餘鹵素： 反應完成後加入過量碘化鉀（$\text{KI}$）水溶液，使未反應的過量 $\text{ICl}$ 還原，釋出等當量的游離碘（$\text{I}_2$）： $\text{ICl} + \text{KI} \rightarrow \text{I}_2 + \text{KCl}$
3. 滴定反應： 以澱粉溶液為指示劑，用標準硫代硫酸鈉（$\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3$）溶液滴定游離出的碘，滴定終點由藍紫色變為無色： $\text{I}_2 + 2\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3 \rightarrow 2\text{NaI} + \text{Na}_2\text{S}_4\text{O}_6$
4. 定量計算： 在相同條件下進行空白試驗（Blank test，不加油脂樣品）。油脂所吸收的鹵素量，相當於空白試驗與樣品滴定所消耗 $\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3$ 之差值：

核心觀念

1. 法規依據與定義（以命題當年民國 108 年法規為準）：

• 依據衛生福利部公告之「包裝食品營養標示應遵行事項」（現行法規範定義維持一致），包裝食品營養標示所稱之​「糖（Sugars）」，明確定義為：「單醣與雙醣之總和」。
• 包含種類：天然存在或加工額外添加之單醣（Monosaccharides）與雙醣（Disaccharides）。常見主要包括：
• 單醣：葡萄糖（Glucose）、果糖（Fructose）、半乳糖（Galactose）。
• 雙醣：蔗糖（Sucrose）、麥芽糖（Maltose）、乳糖（Lactose）。
• 特別排除：膳食纖維、寡醣（Oligosaccharides）、多醣（如澱粉、肝醣）、糖醇（Sugar alcohols）及人工非熱量甜味劑，皆不計入營養標示的「糖」含量中。

2. 檢驗原理：

• 採用衛生福利部食品藥物管理署（TFDA）公告之「食品中醣類之檢驗方法」或「食品中單醣及雙醣之檢驗方法」。
• 分析技術：高效液相層析法（High Performance Liquid Chromatography, HPLC） 搭配 示差折射檢測器（Refractive Index Detector, RID）。
• 分離原理：醣類具有極性高、親水性強的特性，一般使用親水相互作用（HILIC）機制之胺基鍵結矽膠管柱（Amino column, $-\text{NH}_2$），利用乙腈水溶液作為移動相進行親水性滯留分離。
• 偵測原理：單醣與雙醣分子結構中缺乏共軛雙鍵，無顯著紫外光吸收特性，因此不適用一般 UV/Vis 檢測器，必須使用通用型的 RID（利用溶質進出造成折射率改變之物理性質）或蒸發光散射檢測器（ELSD）進行偵測。

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解題方法

本題為標準國考法規結合分析檢驗的申論題，作答時須拆解為「法規項目界定」與「儀器檢驗標準作業流程（SOP）」兩大主軸：

一、包裝食品中「糖含量」所指之種類

依「包裝食品營養標示應遵行事項」第二點規定：

1. 定義：糖含量係指樣品中所有「單醣」及「雙醣」的總質量和。
2. 具體標定目標物（通常涵蓋以下 5~6 種主要醣類）：

• 單醣類：葡萄糖（Glucose）、果糖（Fructose）、半乳糖（Galactose）。
• 雙醣類：蔗糖（Sucrose）、麥芽糖（Maltose）、乳糖（Lactose）。
• 食品營養標示上的「糖」數值，即為檢體中所檢出之各單醣與雙醣個別含量經相加之總和。

二、檢驗方法與步驟（HPLC-RID 法）

檢驗程序包含檢體前處理、儀器分析條件設定、定性與定量計算三大步驟：

1. 檢體前處理（Sample Preparation）：

• 均質與萃取：取代表性檢體均質後，精密稱取適量樣品（固體檢體需磨碎）。加入 $50\%\ (\text{v/v})$ 乙腈水溶液（或熱去離子水），經超音波震盪震盪浸提使單醣與雙醣充分溶出。
• 去雜質與沉澱：
• 若檢體富含脂肪，先以非極性溶劑（如正己烷）去脂。
• 若含有高量蛋白質或膠體干擾物，加入沉澱劑（如乙腈促沉或 Carrez 試劑：亞鐵氰化鉀與醋酸鋅溶液）促使蛋白質變性沉澱，離心取上清液。
• 過濾：萃取液以去離子水或移動相定容，經 $0.45\ \mu\text{m}$（或 $0.22\ \mu\text{m}$）PTFE/尼龍微孔濾膜過濾，濾液供注入 HPLC。

2. HPLC 儀器分析條件（Chromatographic Conditions）：

• 層析管柱：胺基鍵結矽膠管柱（Amino Column, 如 $\text{NH}_2,\ 250\text{ mm} \times 4.6\text{ mm},\ 5\ \mu\text{m}$）。
• 移動相（Mobile Phase）：乙腈：去離子水（Acetonitrile : $\text{H}_2\text{O} = 75:25$ 至 $80:20,\ \text{v/v}$），採等度沖提（Isocratic elution），流速通常設為 $1.0\text{ mL/min}$。