108 高普考高考三級 食品衛生檢驗 食品微生物學 考古題詳解

核心觀念

本題評量食品微生物學中麴菌屬（Aspergillus）​之生理生化特性、其在食品基質中引發劣變與危害之生化機制，以及在傳統與現代食品發酵工業中之關鍵生化轉化應用。涉及核心觀念包括：

1. 麴菌屬生理特徵：好氧性絲狀真菌、分生孢子繁殖、耐低水活性（Xerophilic/Xerotolerant, $a_w$ 可耐受至 $0.75 \sim 0.80$）、強大胞外水解酵素分泌能力。
2. 食品腐敗作用機制：利用胞外水解酵素分解高分子基質（澱粉、蛋白質、果膠、脂質）導致組織軟化、變色與酸敗；在低水分基質（穀類、堅果）快速產孢發黴；代謝次級代謝產物——真菌毒素（Mycotoxins）​造成化學性食安危害。
3. 發酵食品作用機制：固態發酵製麴（Koji making）；利用高活性之澱粉水解酵素群進行糖化作用、蛋白質水解酵素群進行鮮味胜肽與胺基酸游離作用；代謝累積有機酸（如檸檬酸、葡萄糖酸）賦予風味並形成天然酸性防腐障壁。

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解題方法

本題為標準的對比論述型申論題，採​「二元架構法」（腐敗劣變面 vs. 發酵產製面）切入答題：

1. 建立邏輯支架：說明「酵素水解能力」與「耐乾特性」是雙面刃——作用於未受控基質即為「腐敗與產毒」，受人為精密調控並接種純株時即為「釀造發酵」。
2. 腐敗特性論述：分層闡述「感官與物性裂解（酵素作用）」與「毒素代謝污染（次級代謝作用）」，各別對應具體腐敗菌種（如 A. flavus, A. niger, A. ochraceus）與好發基質。
3. 發酵特性論述：按生化代謝途徑劃分「澱粉糖化／蛋白質分解（釀造）」與「有機酸生成（生技發酵）」，列舉代表菌種（如 A. oryzae, A. sojae, A. niger）及其在醬油、味噌、清酒、檸檬酸等食品之具體作用。
4. 補充亮點（加分關鍵）：提出發酵用菌（A. oryzae）與產毒腐敗菌（A. flavus）於基因簇層次之生物安全性區隔，展現專業深度。

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選項分析

本題為公職高考試卷之申論題型，無選擇題選項。依考選部評分規準，試題得分關鍵在於評分指標之完整性：

1. 腐敗作用面向（佔分約 50%）：

• 須答出：耐旱/耐乾性（於穀豆堅果等低 $a_w$ 環境生長）、多種胞外酵素致使外觀及氣味劣變、次級代謝產物（黃麴毒素 Aflatoxins、赭麴毒素 Ochratoxin A）之產生。
• 常見失分：僅寫「發黴變質」，漏提低水活性特徵與具體真菌毒素名稱及產毒菌種。

2. 發酵作用面向（佔分約 50%）：

• 須答出：製麴之生化轉化角色（$\alpha$-澱粉酶、糖化酶、酸性/中性蛋白酶）、蛋白質水解轉化為麩胺酸（Umami 鮮味來源）、有機酸代謝特性（黑麴菌產檸檬酸抑制雜菌）。
• 常見失分：僅列舉產品名稱（如「醬油、酒」），未深入解析其胞外酵素在受質轉化上的生化功能。

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解題技巧

1. 記憶三位一體模板：「菌種學名 + 關鍵酵素／代謝物 + 目標食品／病徵」。

• 例：A. oryzae + $\alpha$-澱粉酶／中性蛋白酶 + 清酒糖化／醬油釀造。
• 例：A. flavus + 黃麴毒素（$B_1, B_2, G_1, G_2$） + 花生、玉米肝毒性腐敗。

2. 學名書寫規範：國考作答時，拉丁學名屬名首字母大寫、種小名全小寫；於手寫卷上務必加上底線（如 <u>Aspergillus</u> <u>oryzae</u>）以代表印刷體之斜體字，展現嚴謹學術素養。
3. 破除盲點：切勿將黑麴菌（A. niger）視為單純的腐敗雜菌，其在工業發酵產製檸檬酸與果膠酶澄清果汁中為法定安全之核心發酵菌株。

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【答案】

試題：請以 Aspergillus 的菌種為例，說明這些菌種對食品腐敗及利用於產製發酵食品的作用特性。

麴菌屬（Aspergillus）為子囊菌門（Ascomycota）好氧性絲狀真菌，具發達的有隔菌絲與典型的分生孢子穗結構。該屬菌種因具備耐低水活性（Xerophilic/Xerotolerant）及強韌的胞外水解酵素分泌系統，在食品界兼具「重大腐敗產毒菌」與「核心工業發酵菌」之雙重地位。茲就其對食品腐敗之作用特性及發酵食品之產製利用說明如下：

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一、Aspergillus 菌種對食品腐敗之作用特性

麴菌引起食品腐敗，主要透過耐乾性繁殖、強大胞外酵素降解食品質地，以及次級代謝產物（真菌毒素）累積三大特性：

1. 耐低水活性之繁殖特性

多數細菌於水活性 $a_w < 0.90$ 即停止生長，但部分麴菌（如耐旱型 A. glaucus 群、A. restrictus）於 $a_w = 0.70 \sim 0.75$ 仍可萌發菌絲並產孢。因此，麴菌常為低水分乾燥食品（如儲藏穀物、小麥麵粉、堅果、辛香料、脫水果乾）之後期主導腐敗菌（Storage fungi），於儲藏環境相對濕度升高時迅速滋生，造成肉眼可見之黴斑結塊。

核心觀念

本題考查食品微生物學中「致病性大腸桿菌（Pathogenic Escherichia coli）」之分型、生理特徵、毒素生成機制、流行病學及衛生防治策略。

1. 致病性大腸桿菌主要分類：腸內出血性大腸桿菌（EHEC）、腸產毒性大腸桿菌（ETEC）、腸致病性大腸桿菌（EPEC）、腸侵入性大腸桿菌（EIEC）、腸聚集性大腸桿菌（EAEC）及瀰漫附著性大腸桿菌（DAEC）。
2. 生化與毒素生理：

• EHEC（如 O157:H7）：產志賀樣毒素（Shiga-like toxin, Stx / Verotoxin），具極低感染劑量與高耐酸性。
• ETEC：產熱易感性腸毒素（Heat-labile toxin, LT）與熱耐受性腸毒素（Heat-stable toxin, ST），透過腺苷酸環化酶（AC）及鳥苷酸環化酶（GC）引發分泌型腹瀉。

3. 臨床表徵鑑別：出血性大腸炎／溶血性尿毒症候群（EHEC）與旅行者水樣腹瀉（ETEC）之致病機轉差異。

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解題方法

本題為標準的國家考試申論題（共 20 分，每小題 10 分）。閱卷評分採「要點給分制」，切入點必須精準對應題目的四個指定面向：

1. 特性：包含菌體基本型態、特殊生化反應（如 SMAC、MUG）、毒素種類、感染劑量及耐受性。
2. 傳染源：包含主要保菌宿主、好發媒介食品及傳播途徑。
3. 致病性：說明附著因子、毒素作用分子機制、臨床症狀與嚴重併發症。
4. 預防方法：從畜牧端、加工端、廚房調理端（溫度與交叉污染控制）及個人衛生提出具體對策。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題。為利考生掌握兩者異同與閱卷評分標竿，將兩者核心特徵對照分析如下：

比較項目	腸內出血性大腸桿菌（EHEC）	腸產毒性大腸桿菌（ETEC）
代表血清型	O157:H7、O26、O111、O104	O6、O8、O15、O25、O78
生化特徵	O157 通常不發酵山梨醇（SMAC 為無色菌落）、$\beta$-glucuronidase（MUG）陰性	大多數具典型大腸桿菌生化反應（IMViC: $++--$，發酵乳糖產酸產氣）
致病毒素	志賀樣毒素（Stx1, Stx2 / Verotoxins）	熱易感性腸毒素（LT）與熱耐受性腸毒素（ST）
附著因子	緊密素（Intimin，由 eae 基因編碼，形成 A/E 損傷）	定殖因子抗原（Colonization Factor Antigens, CFAs 菌毛）
感染劑量	極低（$10 \sim 100\text{ CFU}$ 即可致病）	較高（需達 $10^6 \sim 10^8\text{ CFU}$）
主要宿主	反芻動物（牛、羊之腸道）	人類（患者及無症狀帶原者之糞便）
主要症狀	劇烈腹痛、出血性大腸炎、血便；嚴重者引起溶血性尿毒症候群（HUS）	大量水樣腹瀉（旅行者腹瀉）、脫水，無血便、無發燒

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解題技巧

1. 答題結構化：申論作答務必依照「特性」、「傳染源」、「致病性」、「預防方法」四個階層條列作答，版面整齊、標號分明，閱卷老師能迅速抓到得分點。
2. 生化與遺傳關鍵詞：寫出「SMAC（山梨醇-麥康凱瓊脂）」、「MUG 反應陰性」、「A/E 損傷（Attaching and Effacing lesions）」能大幅提升專業度。
3. 毒素作用機轉精準度：

• LT：結構似霍亂毒素（Cholera toxin），使 G 蛋白 ADP-核糖基化 $\rightarrow$ 活化 Adenylate cyclase $\rightarrow$ $\text{cAMP} \uparrow \rightarrow$ 刺激分泌水與電解質。
• ST：活化 Guanylate cyclase $\rightarrow$ $\text{cGMP} \uparrow \rightarrow$ 抑制水分及離子再吸收。
• Stx：裂解 28S rRNA 抑制宿主細胞蛋白質合成 $\rightarrow$ 內皮細胞壞死出血。

4. 常見陷阱與禁忌：

• 診斷與治療防護中，EHEC 嚴禁貿然給予抗生素，因抗生素會誘發噬菌體裂解而釋放大量 Stx，大幅增加引發 HUS 之死亡風險。此點若寫入「致病性／防治注意事項」，為重要加分亮點。

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【答案】

(一) 腸內出血性大腸桿菌（Enterohemorrhagic E. coli, EHEC）

1. 特性：

• 菌體特徵：為革蘭氏陰性無芽孢桿菌，兼性厭氧，最重要且常見的代表血清型為 O157:H7（非 O157 如 O26、O111 亦具致病性）。
• 生化反應：O157:H7 菌株無法在 24 小時內發酵山梨醇（Sorbitol），於 SMAC 培養基上呈現無色透明菌落；且缺乏 $\beta$-葡萄糖醛酸苷酶（$\beta$-glucuronidase），MUG 試驗呈陰性反應。
• 耐受性與劑量：耐酸性極高（可在胃酸中存活），感染劑量極低（僅需 $10 \sim 100\text{ CFU}$ 即可致病）。
• 產毒性：由溶原性噬菌體基因編碼產生志賀樣毒素（Shiga-like toxins: Stx1, Stx2，亦稱 Verotoxins）。

核心觀念

本題的核心在於「食品水分環境與微生物生理生態學」，聚焦於滲透壓（Osmotic Pressure）、水活性（Water Activity, $a_w$）​對微生物細胞造成的逆境衝擊，以及耐逆境微生物的滲透調節（Osmoregulation）適應機制。

1. 滲透壓與水活性關係： 根據物理化學原理，溶液的滲透壓 $\Pi$ 與溶質濃度成正比（$\Pi = cRT$）。食品中高濃度的糖類或食鹽會顯著提升溶液滲透壓，同時降低水活性（$a_w = \frac{p}{p_0}$）。
2. 高滲透壓之抑菌機轉： 當環境滲透壓高於細胞質時，水分子經由半透膜自胞內向外流失，導致細胞膨壓（Turgor pressure）喪失、原生質萎縮脫水（質壁分離，Plasmolysis），使酵素變性、代謝受阻，甚至造成細胞死亡。
3. 滲透適應核心法則： 能在高滲透壓生長的微生物，必須具備避免脫水的主動防護機制，主要涵蓋相容性溶質累積（Compatible Solute Strategy）​與無機離子蓄積（Salt-in Strategy）。

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解題方法

本題為標準的食品微生物生理學申論題，答題架構應緊扣題目的三大問：「菌體種類」、「特性」與「原理」，採條列層次展開：

1. 菌體種類：依食品中常見的高滲透壓基質（高鹽 vs. 高糖／高溶質）分類，精確列出細菌、古菌、酵母菌及黴菌之代表性學名與類別。
2. 菌體特性：從生長最低水活性（$a_w$）、耐受/嗜好濃度範圍、型態與食品腐敗/發酵應用等面向切入對比。
3. 生長原理：從生物物理學與細胞生化學切入，重點闡述維持胞內等滲透平衡的生化策略（有機溶質合成 vs. 離子泵運送），以及細胞膜與酵素結構的分子適應性。

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選項分析

本題為高考三級之申論題型，無選擇題選項。在評分實務上，閱卷委員針對考生所列菌種與機制的「辨識完整度」與「機制深度」進行分段給分：

• 嗜鹽細菌與古菌（Halophilic Bacteria/Archaea）： 若僅答出一般致病菌，分數偏低；須清楚區分「耐鹽（Halotolerant）」與「嗜鹽（Halophilic）」，並點出極端嗜鹽古菌（Extreme halophiles）與食品中重要代表菌（如腸炎弧菌、金黃色葡萄球菌）。
• 耐滲透／嗜乾真菌（Osmotolerant/Xerophilic Fungi）： 高糖及高滲透壓食品腐敗的主要元凶為真菌（酵母菌與黴菌），而非一般細菌。能否精準點出耐高糖酵母（如魯氏接合酵母）與嗜乾黴菌（如灰綠麴黴、乾燥真菌），是取得高分的關鍵指標。
• 生化適應機制： 若只回答「細胞膜堅固」屬於外行答法；必須正確寫出關鍵專有名詞「相容性溶質（Compatible solutes）」與「高鉀離子蓄積（Salt-in strategy）」，才能獲得完整機轉分數。

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解題技巧

1. 學名規範書寫：菌名寫出完整屬名與種小名（如 Staphylococcus aureus），首字母大寫並註記斜體，展現專業素養。
2. 水活性數據量化：背記關鍵臨界水活性數值（一般細菌 $>0.90$、金黃色葡萄球菌 $0.85$、耐滲透酵母 $0.62$、嗜乾黴菌 $0.61$），量化數據能使論述具備高度說服力。
3. 三階段答題模組：答題直接依照「一、菌體種類」、「二、生理特性」、「三、抗滲透壓生長原理」分大項作答，版面整齊分明，切合閱卷計分標準。

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【答案】

一、能在高滲透壓環境生長之菌體種類

在高滲透壓環境（高食鹽或高糖基質）下生長的微生物，依其生長基質與適應程度可分為兩大族群：

1. 嗜鹽與耐鹽微生物（Halophiles & Halotolerant Microorganisms）：

• 耐鹽細菌（Halotolerant bacteria）：以金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）​為典型代表，非絕對需鹽，但在無鹽至高達 $10\% \sim 15\%$ NaCl 環境中均能生長。
• 嗜鹽細菌（Halophilic bacteria）：絕對需要特定濃度食鹽才能生長。如腸炎弧菌（Vibrio parahaemolyticus）​為中度嗜鹽菌（最適生長鹽度 $2\% \sim 4\%$，可耐受至 $8\%$）；

核心觀念

本題測驗衛生福利部食品藥物管理署（TFDA）公告「食品中沙門氏桿菌之檢驗方法」（本題以命題當年民國 108 年之公告檢驗方法為準）中，分離培養與生化鑑定的核心生化機制。

沙門氏桿菌（Salmonella spp.）為腸道菌科（Enterobacteriaceae）之革蘭氏陰性桿菌，其生化鑑定關鍵特徵為：

1. 碳水化合物代謝特異性：能發酵葡萄糖產酸產氣，但通常不發酵乳糖（Lactose）、蔗糖（Sucrose）及水楊苷（Salicin）；能發酵木糖（Xylose）。
2. 胺基酸代謝：具離胺酸去羧酶（Lysine decarboxylase）。
3. 硫化氫產生：能利用硫代硫酸鹽還原產生硫化氫（$H_2S$）。

四種培養基結合了選擇劑（抑菌）、受質（鑑別醣類/胺基酸）、酸鹼指示劑（pH變化呈色）​與硫化氫指示系統（黑色金屬硫化物沉澱），藉此快速辨識沙門氏桿菌。

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解題方法

本題依序針對四種培養基，逐一剖析其​「配方關鍵組成分」、「呈色反應化學與生物化學原理」​及​「沙門氏桿菌之判定標準」：

一、海克頓腸內菌培養基（Hektoen Enteric Agar, HEA）

1. 配方組成分特性：

• 抑制劑：高濃度膽鹽（Bile salts），強力抑制革蘭氏陽性菌及部分正常腸道非致病性菌。
• 鑑別受質（碳源）：乳糖（Lactose）、蔗糖（Sucrose）、水楊苷（Salicin）。
• 酸鹼指示劑：溴百里酚藍（Bromothymol blue）與酸性複紅（Acid fuchsin）。
• $H_2S$ 偵測系統：硫代硫酸鈉（Sodium thiosulfate）為硫源；檸檬酸鐵銨（Ferric ammonium citrate）為金屬顯色劑。

2. 呈色反應原理：

• 非沙門氏菌（如大腸桿菌等大腸菌群）：發酵乳糖、蔗糖或水楊苷產酸，酸性使指示劑呈現亮黃色至鮭魚粉色（Salmon-orange），周圍常有膽鹽沉澱環。
• 沙門氏桿菌：不發酵上述三種醣類，分解蛋白腖（Peptone）產鹼，使 pH 上升，指示劑呈現藍綠色（Blue-green）；同時其硫代硫酸鈉還原酶催化產生 $H_2S$： $H_2S + Fe^{3+} \rightarrow FeS\downarrow \text{（黑色沉澱）}$

3. 結果判定：

• 典型沙門氏桿菌為藍綠色（Blue-green）菌落，中心帶有黑色沉澱（Black center）。

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二、木糖離胺酸去氧膽酸鹽培養基（Xylose Lysine Deoxycholate Agar, XLD）

1. 配方組成分特性：

• 抑制劑：去氧膽酸鈉（Sodium deoxycholate），抑制革蘭氏陽性菌及部分大腸菌群。
• 鑑別受質（碳源與胺基酸）：限量木糖（Xylose, 0.35%）、過量乳糖與蔗糖（各 0.75%）、L-離胺酸（L-Lysine, 0.5%）。
• 酸鹼指示劑：酚紅（Phenol red，酸性為黃色，中性/鹼性為紅色）。
• $H_2S$ 偵測系統：硫代硫酸鈉與檸檬酸鐵銨。

2. 呈色反應原理（兩階段酸鹼回轉反應）：

• 第一階段（產酸變黃）：沙門氏桿菌發酵限量的木糖產生有機酸，使環境 pH 下降，酚紅轉為黃色。
• 第二階段（去羧產鹼回紅）：木糖耗盡後，沙門氏桿菌的離胺酸去羧酶（Lysine decarboxylase）誘導表現，將離胺酸去羧化生成鹼性屍胺（Cadaverine）： $\text{Lysine} \xrightarrow{\text{Lysine decarboxylase}} \text{Cadaverine} + CO_2$ 鹼性物質中和酸性並使 pH 升高回升至鹼性，菌落轉回粉紅至紅色。
• 對照菌反應：乳糖/蔗糖發酵菌（如大腸桿菌）持續產酸，酸性無法被中和，維持黃色且無黑心。
• 硫化氫沉澱：在鹼性環境下，沙門氏桿菌還原硫代硫酸鈉產生的 $H_2S$ 與鐵離子結合生成黑色硫化鐵（$FeS$）。

3. 結果判定：

• 典型沙門氏桿菌為粉紅色至紅色（Pink to Red）半透明菌落，中心伴隨黑色沉澱（Black center）。

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三、麥康奇培養基（MacConkey Agar, MAC）

1. 配方組成分特性：

• 抑制劑：膽鹽（Bile salts）與結晶紫（Crystal violet），共同抑制革蘭氏陽性菌。
• 鑑別受質：乳糖（Lactose）。
• 酸鹼指示劑：中性紅（Neutral red，pH $< 6.8$ 呈紅色，pH $> 6.8$ 呈無色至淡黃色）。

2. 呈色反應原理：

• 乳糖發酵菌（如大腸桿菌）：發酵乳糖產酸使 pH 下降，中性紅變紅，形成粉紅至深紅色菌落，嚴重產酸時伴隨膽鹽沉澱形成混濁暈環。

核心觀念

本題評量食品熱加工工程與微生物死滅動力學（Microbial Inactivation Kinetics）之核心理論。加熱殺菌遵循「一級反應動力學」（First-order reaction kinetics），即菌數死滅速率與當下存活菌數成正比：

$-\frac{dN}{dt} = k N$

其中 $N$ 為微生物數量，$t$ 為加熱時間，$k$ 為反應速率常數。

1. 耐熱性影響因子：探討內在生物特性（菌種、型態、生理期）與外在環境基質（水活性、pH 值、食品成分如油脂、糖、鹽）如何改變蛋白質變性與 DNA 損傷速率。
2. 熱死滅動力學參數：

• $D$ 值（Decimal Reduction Time）：恆溫下微生物死滅的時間指標。
• $Z$ 值（Thermal Resistance Constant）：微生物死滅速率對溫度變化的敏感度指標。
• $F$ 值（Thermal Death Time / Sterilization Value）：熱殺菌程序的總致死效力指標。
• $12$-$D$ 觀念（$12$-$D$ Concept）：低酸性罐頭食品達到「商業無菌（Commercial Sterility）」的法規與工程安全標準。

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解題方法

1. 第 (一) 小題（5 分）：採用「分類歸納法」，將影響因子劃分為「微生物固有因子」、「基質環境因子」與「加工物理條件」三大構面，條列分明、切中要點。
2. 第 (二) 小題（20 分）：各名詞佔 5 分，依循標準三層次結構作答：

• 定義與物理量單位：明確敘述其代表之意義與量綱。
• 數學表示式：列出精確公式，避免僅有文字敘述。
• 微生物學與食品工程意義：說明在殺菌條件設定、安全評估或品管上的實務應用。

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解題技巧

1. 單位判斷竅門：

• $D$ 值與 $F$ 值量綱為「時間」（常用單位：$\text{min}$）。
• $Z$ 值量綱為「溫度」（常用單位：${}^\circ\text{C}$ 或 ${}^\circ\text{F}$）。

2. 圖形座標判斷：

• 存活曲線（Survival Curve）：縱軸為 $\log_{10} N$，橫軸為加熱時間 $t$，斜率為 $-\frac{1}{D}$。
• 熱死滅時間曲線（Thermal Death Time Curve, TDT curve）：縱軸為 $\log_{10} D$，橫軸為溫度 $T$，斜率為 $-\frac{1}{Z}$。

3. 經典數值記憶：

• 低酸性罐頭指標菌：肉毒桿菌（Clostridium botulinum）芽孢。
• 基準常數：$Z = 10^\circ\text{C}$；$D_{121.1^\circ\text{C}} \approx 0.21\text{ min}$；$12\text{-}D = 12 \times 0.21 \approx 2.52\text{ min}$（實務常取 $F_0 \ge 3.0\text{ min}$ 作為安全邊際）。

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【答案】

(一) 影響微生物耐熱性的因子

微生物的耐熱性受其自身生理狀態與所處基質環境共同影響，主要因子如下：

1. 微生物固有特性

• 菌種與型態：細菌芽孢（Spore）之耐熱性遠高於營養細胞（Vegetative cell）；嗜熱菌（Thermophiles）芽孢之耐熱性高於嗜溫菌（Mesophiles）與嗜冷菌（Psychrophiles）；革蘭氏陽性菌通常較革蘭氏陰性菌耐熱。
• 生長階段與生理狀態：處於靜止期（Stationary phase）之菌體耐熱性高於對數生長期（Log phase）；先經歷亞致死熱處理之菌體會誘導產生熱休克蛋白（Heat Shock Proteins, HSPs），顯著提升耐熱性。
• 初始菌數（菌相負荷）：初始污染菌數愈高，殘存高抗性個體機率增加且分泌之胞外保護物增多，表觀耐熱性提高。

2. 環境與食品基質特性

• 水活性（$a_w$）與水分含量：水分愈低，蛋白質熱變性愈不易進行，耐熱性大幅上升（乾熱殺菌所需時間遠高於濕熱殺菌）。