107 高普考高考二級 食品衛生行政 食品科學與加工學研究 考古題詳解

核心觀念

本題評量非熱加工技術（Non-thermal processing）中的「高靜水壓技術」（High Hydrostatic Pressure Processing, HHP，亦稱 High Pressure Processing, HPP）在食品保藏與質地改質上的物理化學機制。

1. 基本熱力學原理：

• 等壓原理（Isostatic Rule / Pascal's Principle）：壓力以均勻、瞬時、無梯度的方式傳遞至食品內部各點，加工效果與物料形狀、體積無關。
• 微觀勒沙特列原理（Microscopic Le Chatelier's Principle）：在壓力系統下，物理或化學反應傾向於朝「總體積減少（$\Delta V < 0$）」的方向進行。
• 化學鍵選擇性：高壓（100～800 MPa）主要破壞維持生物大分子高級結構的「非共價鍵」（疏水性交互作用、離子鍵、氫鍵），但不會打斷「共價鍵」（如胜肽鍵、糖苷鍵）。

2. 微生物致死靶點： 細胞膜相轉變與結構破裂、關鍵代謝酵素去活化、核糖體解離及遺傳物質凝集。

3. 澱粉壓糊化（Pressure-Induced Gelatinization）： 非熱力驅動下的水分子強迫滲透、澱粉雙螺旋去摺疊、結晶區崩解及偏光十字消失。

解題方法

本題為標準的二級高考申論題（滿分 20 分，兩子題各佔 10 分），作答需展現高度專業性與系統性：

• 第 (一) 小題（殺菌原理）：由外而內、由物理結構到生物化學代謝層次分項論述。先提基礎熱力學原理（勒沙特列原理與鍵結破壞特性），再分述「細胞膜完整性破壞」、「酵素與功能性蛋白質變性」、「細胞器與遺傳物質損害」，最後簡要補充營養細胞與芽孢之抗壓性差異，展現答題深度。
• 第 (二) 小題（糊化原理）：以對比傳統「熱糊化」之機制切入。從高壓下的「體積縮減效應」解釋水分子強行滲入澱粉粒，破壞氫鍵、導致結晶區（Crystalline region）瓦解、雙螺旋去摺疊，並闡述澱粉粒膨潤、偏光十字（Maltese cross）消失，但保留顆粒外觀完整性的微觀變化特徵。

評分要點分析（本題為申論題，分析評分規準與得分關鍵）

1. 子題 (一) 得分要點（10 分）：

• 寫出高壓破壞「非共價鍵」及符合「勒沙特列原理（體積收縮效應）」。（2 分）
• 詳細說明細胞膜受損：磷脂雙分子層相變、流動性降低、穿透性增加導致內含物外洩。（3 分）
• 說明酵素失活：蛋白質去摺疊、活性中心構形改變。（3 分）
• 提及核糖體解離或 DNA 代謝受阻，使微生物喪失修復能力。（2 分）

2. 子題 (二) 得分要點（10 分）：

• 提出壓力促進水合作用之熱力學驅動力（$\Delta V < 0$）。（2 分）
• 描述水分子被壓入澱粉粒無定形區及結晶區，切斷分子間氫鍵。（3 分）
• 闡述直鏈與支鏈澱粉雙螺旋解開、結晶結構崩解、雙折射性（偏光十字）喪失。（3 分）
• 點出壓糊化與熱糊化的外觀差異（顆粒膨潤但不破裂成碎片、無大量直鏈澱粉溶出形成黏稠溶膠）。（2 分）

解題技巧

1. 名詞精準度：切記點出「非共價鍵（Non-covalent bonds）」與「勒沙特列原理（Le Chatelier's principle）」，這是閱卷委員判斷專業度的第一印象。
2. 層次分明：殺菌原理切忌只寫「細胞破裂」，應由外（膜）而內（酵素、核糖體、遺傳物質）層層剖析。
3. 避免常見陷阱：

• 誤以為高壓會打斷澱粉的 $\alpha\text{-1,4}$ 或 $\alpha\text{-1,6}$ 糖苷鍵（共價鍵在常規 HPP 壓力下極其穩定，不發生化學鍵斷裂）。
• 誤以為壓糊化與熱糊化完全相同（壓糊化後澱粉顆粒通常仍維持外觀結構，黏度與抗回生性表現與熱糊化有顯著不同）。

【答案】

(一) 高靜水壓加工（HHP）殺菌之原理

核心觀念

1. 水產鹽漬加工原理：食鹽（$\text{NaCl}$）藉由滲透作用進入魚肉組織，使組織脫水，降低自由水含量與水活性（$a_w$），提升滲透壓以破壞微生物細胞膜引發質壁分離（plasmolysis），並降低氧氣在組織中的溶解度，進而抑制腐敗菌與致病菌的繁殖，達到防腐保鮮目的。
2. 加工工藝選擇（撒鹽漬 vs. 鹽水漬）：兩者在脫水效率、鹽分滲透均勻度、外觀質地控制及氧化劣變風險上存在物理與化學特性的消長。
3. 柵欄技術（Hurdle Technology）：在低鈉條件下，傳統單一高鹽「水活性障礙」減弱，必須結合溫度（$t$）、氣相（modified atmosphere）、氧化還原電位（Eh）、非加熱殺菌技術或天然防腐抗氧化因子，形成多重微生物抑制障礙，確保產品微生物安全性與品質穩定性。

解題方法

1. 第一小題（撒鹽漬法與鹽水漬法之優缺點）：從「滲透均勻度」、「脫水程度與水分活性」、「操作設備與勞動力」、「質地與外觀表現」以及「油脂氧化風險」五大加工維度進行客觀對比，並以條列及綜合對照表呈現，結構分明且能精準涵蓋評分點。
2. 第二小題（低鈉鹽鮭之 5 種輔助保存方法）：以「柵欄理論」為骨幹，列舉具體可行的現代食品加工輔助技術，並詳述各項方法的作用機制（抑菌／延緩自解／抗脂質氧化）、操作條件及科學依據，避免空洞的泛稱。

解題技巧

1. 答題結構化：高普考申論題評分極重版面視覺與邏輯層次。比較題採用「定義 $\to$ 優缺點分點 $\to$ 彙整比較表」的格式；應用題則以「技術名稱 $\to$ 作用機制 $\to$ 具體實施方式」作答。
2. 專有名詞精準化：答題時務必使用標準食品科學術語，如「水活性（$a_w$）」、「滲透壓」、「質壁分離」、「柵欄技術（Hurdle Technology）」、「氣調包裝（MAP）」、「高壓加工（HPP）」等。
3. 避免常見陷阱：

• 第二小題題目要求「低鈉」且「鮭魚」，需特別注意鮭魚富含多元不飽和脂肪酸（PUFA，如 EPA、DHA），保存風險除了微生物腐敗外，油脂氧化酸敗是核心致命傷；若僅回答抑菌而未提抗氧化與隔絕氧氣，失分風險高。
• 降鈉不能單純依賴化學防腐劑，須符合我國《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》（以命題當年民國 107 年規範為準，生鮮水產及其輕度加工品嚴禁任意使用己二烯酸等防腐劑），應優先採用物理障礙技術與公認安全（GRAS）之天然抑菌抗氧化因子。

【答案】

(一) 撒鹽漬法（Dry salting）與鹽水漬法（Brine salting）之優缺點分析

1. 撒鹽漬法（Dry Salting）

• 定義：將固態食鹽均勻撒布或塗抹於魚體表面，利用魚肉組織滲出的水分溶解食鹽形成濃鹽水，再逐步向內滲透的加工方式。
• 優點：
• 脫水效果顯著：能迅速自魚體抽出大量水分，使水活性（$a_w$）大幅下降，保存性與抑菌效果佳。
• 設備成本低：不需配置大型配鹽槽或耐腐蝕鹽水循環管路，操作流程簡便。
• 成品含鹽量上限高：能製備高鹽度、耐長溫貯藏之重鹽乾製品。
• 缺點：
• 滲透不均勻：固態鹽粒分布受人工塗抹均勻度影響，易產生局部過鹹或內部滲鹽不足現象。
• 肉質乾硬、收率低：組織急遽脫水易導致肌纖維收縮緊密、肉質粗硬，水分流失過多使製品重量損失大。
• 脂肪氧化酸敗風險高：魚體表面直接暴露於空氣中，魚肉高度不飽和脂肪酸在鹽分催化下極易氧化變質。

2. 鹽水漬法（Brine Salting）

• 定義：將魚體浸泡於預先配製之特定濃度（通常為 $10\%\sim 25\%$）食鹽水溶液中進行滲透的加工方式。
• 優點：
• 滲透均勻一致：液體均勻包覆魚體各部位，鹽分滲入均勻，製品品質穩定、外觀飽滿平整。
• 質地柔嫩多汁：組織失水率較乾漬法低，肌原纖維保持一定水合能力，成品口感較佳，且重量收率較高。
• 延緩油脂氧化：魚肉完全浸漬於鹽水中，阻絕與空氣中氧氣之接觸，能降低脂質過氧化速度。
• 易於精確調控：可透過鹽水濃度計（波美度計，${^\circ}\text{Bé}$）與溫度監控，精準標準化鹽度與浸漬時間。
• 缺點：
• 水活性降幅有限：脫水程度不及撒鹽漬法，製品自由水偏高，防腐時效相對較短。
• 設備佔地與維護成本高：需要耐腐蝕浸漬槽、攪拌與冷卻設備。

核心觀念

本題旨在評量考生對「食品擠壓加工技術（Food Extrusion Technology）」之分類、操作參數控制及物性轉變機制的掌握程度。核心考點包含：

1. 高溫短時間高剪切擠壓（HTST High-Shear Cooking Extrusion）與膨發機制：澱粉於低水分、高剪切力與高溫高壓下之塑化熔融（thermoplastic melt）、水之過熱狀態、出模孔時壓力驟降引起之閃蒸（flash vaporization / flash puffing），以及相變與玻璃轉移溫度（Glass Transition Temperature, $T_g$）對結構固化之影響。
2. 低溫低剪切成型擠壓（Cold / Forming Extrusion）與麵體緻密機制：以通心粉為代表之無膨發、高密度義大利麵食（pasta）製造工藝。核心在於杜蘭小麥粗粒粉（Durum semolina）的筋性水合、真空脫氣（deaeration）對氧化酵素與結構空隙之抑制、擠壓套筒冷卻控溫（防止澱粉糊化與蛋白質熱變性）以及多段階梯式乾燥控制。

解題方法

本題為典型的對比性製程題，解題切入點應分為兩大軸線：

1. 第 (一) 子題（膨發食品）：

• 製造流程：依「原料前處理（調濕） $\to$ 擠壓蒸煮（混煉、加熱、高剪切） $\to$ 模孔擠出成型與驟壓膨發 $\to$ 乾燥 $\to$ 調味與包裝」時序展開。
• 膨發原理：從熱力學與高分子物理角度，層層剖析「高壓維持過熱液態水 $\to$ 出模瞬間壓差驅動閃蒸成核 $\to$ 氣泡擴張伴隨潛熱散失 $\to$ 物料溫度低於 $T_g$ 達成基質固化定型」之連鎖物理化學反應。

2. 第 (二) 子題（通心粉）：

• 採「反膨發」思維，強調「成型（forming）」而非「蒸煮（cooking）」。
• 強調關鍵控制點：原料選用（高蛋白質與葉黃素之杜蘭小麥粉）、真空脫氣系統（消除氣泡防斷裂、隔絕氧氣抑酵素褐變）、低溫冷卻夾套（物溫控制於 $40 \sim 50^\circ\text{C}$，嚴禁澱粉糊化）、特殊帶芯模具擠壓及後續回溫緩慢乾燥。

解題技巧

1. 製程參數對比記憶法： 考場上切忌將兩者製程混為一談，可用下表快速對焦：

2. 名詞精準度：答題時務必寫出關鍵專業詞彙，如「閃蒸（Flash vaporization）」、「玻璃轉移溫度（$T_g$）」、「過熱水（Superheated water）」、「杜蘭小麥粗粒粉（Durum semolina）」、「真空脫氣（Deaeration）」，能直接拉開與一般考生的給分差距。
3. 常見陷阱：

• 誤以為通心粉有經高溫「煮熟」：通心粉是生麵製品，若擠壓溫度過高（$> 60^\circ\text{C}$），澱粉提早糊化會導致烹煮時麵體混濁、軟爛無彈性（失去 al dente 彈牙口感）。
• 遺漏通心粉製造的「真空脫氣」步驟：未抽氣會導致麵體殘留微氣孔而易碎，且脂氧合酶（Lipoxygenase, LOX）會氧化破壞胡蘿蔔素，使麵體失去金黃色澤。

【答案】

(一) 利用擠壓機製造膨發食品（如乖乖）之製程與膨發原理

1. 製造流程與操作要點

• 原料調配與調濕：以玉米粉、碎米或穀物澱粉為主要基質，添加少量乳化劑（如脂肪酸甘油酯，利於潤滑及控制氣孔均勻度），加水調濕使整體水分含量控制在 $14 \sim 18\%$。
• 高溫高壓擠壓蒸煮（HTST）：物料送入單螺桿或雙螺桿擠壓機中，隨著螺紋深度變淺與轉速剪切，物料依序經歷固態輸送區、混煉壓縮區至熔融塑化區。
• 機筒末端溫度加熱至 $140 \sim 180^\circ\text{C}$。

核心觀念

本題測驗「多醣類凝膠機制」與「傳統農產加工實務」：

1. 多醣化學與成膠原理：蒟蒻主成分為蒟蒻葡甘露聚醣（Konjac Glucomannan, 簡稱 KGM）。核心原理在於 KGM 分子鏈上的「乙醯基（acetyl group）」造成的立體障礙，經「鹼處理」與「加熱」產生脫乙醯基反應（deacetylation），解除立體阻礙，促使分子鏈間藉由氫鍵與疏水性交互作用緊密締合，形成熱不可逆性凝膠（thermo-irreversible gel）。
2. 農產加工工藝：蒟蒻芋（塊莖）含有高量草酸鈣針晶、生物鹼與多酚氧化酶。由新鮮塊莖製作蒟蒻凍時，須兼顧去皮研磨、充分水合膨潤、鹼液均勻混合、加熱熱固化，以及後續漂洗脫鹼去澀之製程控制。

解題方法

本題為標準的食品加工申論題，採「原理說明 $\to$ 製程步驟詳述」的演繹法作答：

1. 第 (一) 子題（成膠原理）：以化學結構出發，依序切入「天然結構阻礙」、「鹼催化脫乙醯基」、「分子締合與網狀架構建構」、「熱不可逆特性」四個層次，並指出與一般熱可逆凝膠（如洋菜、明膠）的差異。
2. 第 (二) 子題（加工流程）：以工廠/實作單元操作（Unit Operations）為主軸，按順序條列「原料選別清洗 $\to$ 去皮切塊 $\to$ 加水研磨打漿 $\to$ 糊化膨潤 $\to$ 加鹼混勻 $\to$ 成型 $\to$ 加熱固化 $\to$ 水洗漂鹼 $\to$ 成品包裝」，並針對每一步驟說明其控制參數與目的（如預防變色、去除刺激性草酸鈣與漂除殘留鹼）。

選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項。依評分要點剖析子題得分關鍵：

• 第 (一) 子題評分重心：
• 是否明確點出關鍵化學基團「乙醯基」及其造成的立體障礙。
• 是否正確寫出「鹼催化＋加熱」引發的「脫乙醯基反應」。
• 是否論及分子間「氫鍵」結合形成三維網狀結構與「熱不可逆」性質。
• 第 (二) 子題評分重心：
• 步驟邏輯完整性（不能遺漏水合膨潤、加鹼與漂洗去鹼）。
• 對蒟蒻芋特性的處理（如草酸鈣針晶之刺癢防護、去皮去雜質）。
• 製程操作參數（加水量、鹼劑種類如 $\text{Ca(OH)}_2$、加熱熟化溫度）。

解題技巧

1. 關鍵字答題法：考官批改多醣凝膠題時，必定搜尋以下核心詞彙：KGM、$\beta\text{-1,4-糖苷鍵}$、乙醯基、立體障礙、脫乙醯基、氫鍵、熱不可逆凝膠。
2. 易漏陷阱：

• 誤將蒟蒻成膠當成「澱粉老化」或「果膠酸鈣交聯」。KGM 本身為中性多醣，雖然加入氫氧化鈣（熟石灰）提供鹼性環境，且鉲離子可能微幅輔助交聯，但最核心的決定性機制是鹼性環境下的「脫乙醯基」，而非高價金屬離子的離子鍵橋接。
• 製程步驟切忌漏掉「漂洗脫鹼（去澀）」，未經水洗中和的蒟蒻含有強鹼性與苦澀味，無法直接食用。

【答案】

(一) 蒟蒻成膠的原理

蒟蒻的主要機能成分為蒟蒻葡甘露聚醣（Konjac Glucomannan, KGM），為一種水溶性中性高分子多醣。其受熱成膠機制包含以下四大關鍵階段：

1. 天然分子結構與立體障礙：

• KGM 主鏈是由 D-葡萄糖（D-glucose）與 D-甘露糖（D-mannose）以 $\beta\text{-1,4-糖苷鍵}$ 連接而成（莫耳比例約為 $1:1.6$）。
• 在主鏈糖基的 C-6 位或 C-3 位上，平均每 9～19 個單糖殘基帶有一個乙醯基（$-\text{COCH}_3$）。

核心觀念

本題為啤酒釀造工藝學（Brewing Technology）的經典核心考題，測驗考生對於啤酒製程中生化轉化反應、微生物控制及物理化學穩定性機制的理解。本題涉及之核心知識點包含：

1. 種子生理與酵素誘導機制：大麥糊粉層（aleurone layer）分泌激發內源水解酵素（如 $\alpha$-澱粉酶、$\beta$-澱粉酶、蛋白酶、$\beta$-葡聚醣酶）之合成，以及胚乳修飾度（modification）對後續糖化（mashing）之影響。
2. 啤酒花有效成分化學反應：啤酒花樹脂（hop resins）中 $\alpha$-酸（humulones）的熱異構化作用（thermal isomerization）轉變為具苦味之異-$\alpha$-酸（iso-$\alpha$-acids）、萜烯類精油（hop oils）的賦香機制，以及異-$\alpha$-酸對革蘭氏陽性菌的抑菌性與起泡性。
3. 熱力學與膠體化學平衡：麥汁高溫煮沸過程中的酵素熱變性失活、高分子不穩定蛋白質與多酚的膠體交聯沉澱（熱凝固物，hot trub）、不良揮發性物質（如二甲基硫，DMS）之蒸發驅除，以及梅納反應（Maillard reaction）對色澤風味的生成。

解題方法

本題配分 20 分，為典型之「單題多子項」申論題型。答題切入點應採「三階段結構化展開」，針對題目指定的「大麥發芽」、「添加啤酒花」、「煮沸」三個關鍵步驟，分別以生化反應、物理作用、微生物穩定性與感官品質四大構面進行對齊，論述層次分明：

1. 大麥發芽：著眼於「酵素體系建立」與「基質修飾分解（胚乳脆化、FAN生成）」。
2. 添加啤酒花：著眼於「感官機能（苦味平衡、香氣來源）」與「物理化學機能（抑菌防腐、泡沫維持、促凝澄清）」。
3. 煮沸：著眼於「酵素失活與糖比固定」、「熱殺菌與濃縮」、「異構化活化能提供」、「熱凝固物沉澱（非生物穩定性）」及「異味蒸發（DMS）」。

步驟與論述深入剖析

一、大麥發芽（Malting / Germination）之目的

1. 誘導水解酵素之合成與活化： 大麥吸水發芽時，胚會分泌吉貝素（gibberellin），刺激糊粉層大量生合成澱粉水解酵素（$\alpha$-amylase、$\beta$-amylase）、蛋白質水解酵素（protease, peptidase）及半纖維素/$\beta$-葡聚醣分解酵素（$\beta$-glucanase）。此為後續「糖化步驟（mashing）」將澱粉有效水解為可發酵性醣類（麥芽糖、葡萄糖等）與糊精（dextrins）的酵素基礎。
2. 胚乳細胞壁降解與結構修飾（Endosperm Modification）： 發芽過程中，$\beta$-葡聚醣酶與戊聚醣酶分解胚乳細胞壁之高分子碳水化合物，使堅硬的胚乳結構多孔脆化（提高脆碎度，friability），解除蛋白質與澱粉顆粒被包埋的狀態，利於後續磨碎與水解萃取。
3. 分解生成酵母營養源（游離胺基氮，FAN）： 蛋白酶將大麥儲藏蛋白質分解為低分子胜肽及游離胺基氮（Free Amino Nitrogen, FAN），提供主發酵階段釀酒酵母菌（Saccharomyces cerevisiae 或 Saccharomyces pastorianus）生長、繁殖與發酵代謝所必需的含氮營養。
4. 生成風味與色澤之前驅物： 發芽後期的焙燥（kilning）處理，利用生成之還原醣與胺基酸引發梅納反應，賦予麥芽特有的麥香與特定色度。

二、添加啤酒花（Hopping）之目的

1. 賦予特有苦味並平衡麥芽甜感： 啤酒花腺體含有樹脂成分，主要為 $\alpha$-酸（$\alpha$-acids，包含 humulone、cohumulone 等）。在煮沸過程中，$\alpha$-酸受熱轉化為水溶性高且具苦味的異-$\alpha$-酸（iso-$\alpha$-acids），能中和麥汁原本厚重的甜味，賦予清爽爽口的特徵苦味。
2. 提供特有芳香與精油風味： 啤酒花含有揮發性精油（hop essential oils，如 myrcene、humulene、caryophyllene 等萜烯類化合物），在釀造中賦予啤酒花香、柑橘香、草本及松木等豐富香氣特徵。
3. 發揮天然抑菌防腐功能： 異-$\alpha$-酸具有強效的質子離子載體（proton ionophore）性質，能耗散細胞跨膜質子梯度，有效抑制革蘭氏陽性菌（特別是易造成啤酒酸敗的乳酸桿菌 Lactobacillus 與片球菌 Pediococcus）的滋生，大幅提升啤酒的生物穩定性。
4. 促進泡沫形成與泡持性（Head Retention）： 異-$\alpha$-酸可與麥汁中源自麥芽的疏水性蛋白質（如脂質轉移蛋白 LTP1）形成膠體複合基質，增強氣泡膜黏彈性，維持啤酒泡沫的緻密性與持久度。
5. 輔助蛋白質沉澱與澄清： 啤酒花中的多酚化合物（polyphenols/tannins）在煮沸過程中可與高分子蛋白質結合，促進熱凝固物的交聯沉澱，提升後續麥汁澄清度。

三、麥汁煮沸（Wort Boiling）之目的

1. 終止酵素反應以固定麥汁成分組成： 高溫加熱（$100^\circ\mathrm{C}$）使殘存的澱粉水解酶與蛋白酶徹底熱變性失活，精確固定麥汁中可發酵性醣類與不可發酵性糊精的比例，確立最終啤酒的酒精潛能與酒體厚度（body）。
2. 完全滅菌以保障純種發酵：