110 臺灣菸酒招考從業職 農化-食品 農化食品 (食品化學(含食品加工、食品營養)) 考古題詳解

核心觀念

本題考查三個重點：

1. 果膠物質的化學結構及依水中溶解性分類。
2. 水果熟成時果膠酶對細胞中膠層與細胞壁的分解作用。
3. 果膠酶在果汁澄清及過濾製程中的應用。

水果組織硬度降低，主要與中膠層及初生細胞壁中的果膠降解有關。果膠分解後，細胞間黏著力下降，組織因而軟化。

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（一）果膠的結構及依溶解性分類【9 分】

1. 果膠的基本結構

果膠主要存在於植物細胞的中膠層及初生細胞壁，屬於酸性多醣。其主鏈主要由 $\alpha$-$1,4$ 鍵結的 $D$-半乳糖醛酸（$D$-galacturonic acid，GalA）所組成：

$$[-\alpha\text{-}D\text{-GalA}-(1\rightarrow4)-]_{n}$$

半乳糖醛酸的羧基部分常以甲醇形成甲酯，因此果膠具有不同程度的甲氧基化程度，稱為酯化度（degree of esterification, DE）。

$$DE=\frac{\text{甲酯化羧基數}}{\text{總羧基數}}\times100\%$$

果膠主鏈上也可能含有鼠李糖（rhamnose），形成鼠李半乳糖醛酸聚醣區域；側鏈則含有阿拉伯糖、半乳糖等中性糖。部分羧基也可與鈣、鎂等二價離子形成交聯，增加細胞壁結構的穩定性。

2. 依溶解性分類

（1）原果膠（protopectin）

原果膠為存在於未熟水果細胞壁中的水不溶性果膠物質，常與纖維素、半纖維素及其他細胞壁成分結合，並可透過鈣、鎂離子形成網狀結構。

原果膠含量較高時，細胞間黏著力強，水果組織較硬。熟成時原果膠逐漸轉變為可溶性果膠，造成水果軟化。

（2）果膠（pectin）

果膠為水溶性果膠物質，主要是部分甲酯化的聚半乳糖醛酸。它能溶於水形成黏稠的膠體溶液，並可在適當糖度、酸度及果膠濃度下形成凝膠。

熟成過程中，原果膠轉變為可溶性果膠，細胞間結合力減弱，組織柔軟度增加。

（3）果膠酸（pectic acid）

果膠酸是甲酯基大多已被移除的聚半乳糖醛酸，羧基主要以游離羧酸鹽形式存在。其水溶性通常較低，在鹼性介質中較易溶解，並可與鈣離子形成不溶性鈣果膠酸鹽。

嚴格而言，果膠、果膠酸與原果膠是果膠物質在甲酯化程度、結合狀態及溶解性上的不同型態。

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（二）熟成時參與果膠降解的果膠酶種類與特性【12 分】

水果熟成時，果膠酶先改變果膠的甲酯化程度，再破壞聚半乳糖醛酸主鏈，使高分子果膠轉變為低分子物質及半乳糖醛酸。主要酵素如下。

1. 果膠甲酯酶（pectin methylesterase, PME）

PME 的作用是水解果膠上的甲酯基，使甲酯化羧基轉變為游離羧基，並釋放甲醇：

$$\text{Pectin-COOCH}_{3}+\text{H}_{2}\text{O} \rightarrow \text{Pectin-COOH}+\text{CH}_{3}\text{OH}$$

其特性包括：

• 主要作用於果膠的甲酯基，不直接切斷主鏈的 $\alpha$-$1,4$ 糖苷鍵。
• 降低果膠的酯化度，使果膠轉變為果膠酸。
• 產生較多游離羧基後，容易與鈣離子形成鈣果膠酸鹽交聯。
• 在某些水果中，PME 可使細胞壁局部增強；配合聚半乳糖醛酸酶作用時，則有利於果膠主鏈的進一步分解。
• 工業果汁處理時，PME 活性過高可能造成混濁或形成鈣果膠酸鹽沉澱，因此常需控制其活性。

2. 聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase, PG）

PG 水解聚半乳糖醛酸主鏈上的 $\alpha$-$1,4$ 糖苷鍵，使果膠及果膠酸裂解為較短鏈的寡聚半乳糖醛酸，最終可生成半乳糖醛酸：

$$\text{Pectate}_{n}+\text{H}_{2}\text{O} \rightarrow \text{Pectate}_{n-1}+\text{GalA}$$

依切割位置可分為：

（1）內切型聚半乳糖醛酸酶（endo-PG）

• 從多醣鏈內部隨機水解 $\alpha$-$1,4$ 糖苷鍵。
• 能迅速降低果膠的分子量及溶液黏度。
• 對水果組織軟化及果汁黏度降低具有重要作用。

核心觀念

本題考查葉綠素的「化學結構、物理化學性質與加工保色原理」。答題主軸如下：

1. 葉綠素是含鎂的四吡咯環天然色素。
2. 葉綠素具有脂溶性，對酸、熱、光、氧及酵素均敏感。
3. 綠色蔬菜加工時，須控制酸度、加熱時間、氧氣與光線，並先鈍化相關酵素，以減少葉綠素分解。

本題為申論題，沒有選項，因此不適用選項逐一分析。

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（一）葉綠素的基本結構【8 分】

1. 四吡咯環所形成的卟啉類結構

葉綠素的核心為四個吡咯環彼此連結形成的大型環狀結構，稱為卟啉環衍生物。與血紅素不同，葉綠素中心金屬離子為鎂，而血紅素中心則為鐵。

葉綠素的主要結構包含：

• 四個吡咯環形成的環狀共軛系統。
• 四個氮原子共同配位中央的鎂離子。
• 環狀結構外接一個含羰基的取代基。
• 具長鏈脂肪醇「葉綠醇」（phytol）所形成的酯鏈。

因此，葉綠素分子同時具有：

• 親水性較高的卟啉環部分。
• 親脂性的葉綠醇長鏈部分。

此結構使葉綠素具有脂溶性，並能嵌入植物細胞的葉綠體膜與類囊體膜中。

2. 葉綠素 a 與葉綠素 b

食品中最重要的是葉綠素 a 與葉綠素 b。

種類	主要特徵	顏色
葉綠素 a	卟啉環上的一個甲基被保留	藍綠色
葉綠素 b	葉綠素 a 的甲基氧化為醛基	黃綠色

兩者的分子式分別為：

$$\text{Chlorophyll a}: \mathrm{C_{55}H_{72}MgN_4O_5}$$ $$\text{Chlorophyll b}: \mathrm{C_{55}H_{70}MgN_4O_6}$$

葉綠素 a 的含量通常較高，葉綠素 a 與 b 的比例及其他類胡蘿蔔素共同決定植物組織呈現的綠色深淺。

3. 基本結構與顏色的關係

四吡咯環具有大量共軛雙鍵，可吸收可見光中的部分波長。葉綠素主要吸收藍紫光與紅光，而對綠光的吸收較少，因此反射或透射綠光，呈現綠色。

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（二）葉綠素的物理化學性質【8 分】

1. 顏色與吸收光譜

葉綠素 a 呈藍綠色，葉綠素 b 呈黃綠色。葉綠素對可見光有特定吸收峰，主要集中於：

• 藍紫光區。
• 紅光區。

葉綠素 a 的吸收峰約在 $430\ \mathrm{nm}$ 與 $660\ \mathrm{nm}$ 附近；葉綠素 b 的吸收峰約在 $450\ \mathrm{nm}$ 與 $640\ \mathrm{nm}$ 附近。實際數值會受溶劑、分子聚集狀態及測定條件影響。

葉綠素具有螢光性，吸收光能後可放出紅色螢光，此性質常用於色素分析與光合作用研究。

2. 脂溶性

葉綠素含有長鏈葉綠醇，因此屬於脂溶性色素：

• 不易溶於水。
• 可溶於乙醇、丙酮、乙醚及其他有機溶劑。
• 容易溶於油脂或含有機溶劑的系統。

未加工蔬菜中的葉綠素位於葉綠體膜內，不是單純游離於細胞液中。

3. 對酸的敏感性

在酸性及加熱條件下，葉綠素中心的鎂離子會被氫離子取代，形成脫鎂葉綠素（pheophytin）：

$$\text{Chlorophyll-Mg} + 2\mathrm{H^+} \rightarrow \text{Pheophytin} + \mathrm{Mg^{2+}}$$

葉綠素失去鎂後，鮮綠色會轉變為橄欖綠、褐綠色或灰綠色。這是蔬菜罐藏、烹煮及酸性食品加工中綠色變暗的主要原因。

4. 對熱的敏感性

加熱會造成下列變化：

• 加速酸與葉綠素的反應，使鎂離子脫除。
• 破壞細胞膜，使有機酸與葉綠素接觸。
• 促進葉綠素酶及其他分解反應。
• 長時間加熱造成色澤由鮮綠轉為橄欖綠或褐綠色。

因此，蔬菜短時間快速加熱通常比長時間慢煮更能保留綠色。

5. 對氧化、光線及酵素的敏感性

葉綠素的共軛雙鍵系統容易受到光、氧及活性氧化物質影響，產生褪色與分解。植物組織中的葉綠素酶（chlorophyllase）可催化葉綠素水解：

$$\text{Chlorophyll} \rightarrow \text{Chlorophyllide}+\text{Phytol}$$

核心觀念

本題考查兩大主題：

1. 啤酒釀造的完整製程，包括麥芽製備、糖化、煮沸、發酵、熟成、過濾及包裝。
2. 以壓力差為推動力的膜分離技術，依膜孔徑區分為微過濾、超過濾、奈米過濾及逆滲透。
3. 生啤酒不經高溫巴氏殺菌，因此須利用適當孔徑的膜過濾去除酵母菌及細菌，以延長保存期限並維持啤酒風味。

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（一）大型工廠生產生啤酒的製造加工程序【14 分】

1. 麥芽製備

以大麥為主要原料，經下列程序製成麥芽：

（1）浸麥

將大麥浸泡於水中，使含水率提高，促進胚芽萌發。浸麥過程須控制溫度、時間及供氧量，以避免微生物大量繁殖。

（2）發芽

在適當溫度及濕度下使大麥發芽。發芽時會產生或活化多種酵素，主要包括：

• $\alpha$-amylase
• $\beta$-amylase
• 蛋白質分解酵素
• $\beta$-glucanase

這些酵素可在後續糖化時將澱粉、蛋白質及細胞壁成分分解。

（3）乾燥及焙燥

將綠麥芽乾燥，使酵素活性受到控制，並形成麥芽特有的色澤及香氣。乾燥程度會影響啤酒的顏色及風味。

（4）除根及貯存

去除麥芽根，經冷卻後貯存備用。

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2. 粉碎

將麥芽粉碎，使胚乳破碎而釋出澱粉，但外殼應盡量保持完整，以利後續過濾形成良好濾床。

粉碎過細會造成：

• 糖化醪黏度增加
• 過濾速度降低
• 麥糟層透水性變差
• 可能產生過多澀味物質

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3. 糖化

將粉碎麥芽與水混合，加熱至適當溫度，使麥芽酵素將澱粉及其他成分分解。

主要反應如下：

（1）澱粉分解

$\alpha$-amylase 將澱粉鏈隨機切割，產生較短的糊精及部分麥芽糖。

$\beta$-amylase 從澱粉鏈末端切割，主要形成麥芽糖。

澱粉最後轉變為：

• 麥芽糖
• 葡萄糖
• 麥芽三糖
• 糊精

（2）蛋白質分解

蛋白質分解為胜肽及胺基酸。胺基酸可供酵母生長及發酵使用，適量蛋白質則有助於啤酒泡沫穩定性。

（3）其他成分分解

$\beta$-glucanase 可分解細胞壁中的 $\beta$-glucan，降低麥汁黏度，改善過濾性。

糖化完成後所得液體稱為「糖化醪」或「麥汁醪」。

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4. 麥汁過濾

將糖化醪送入過濾槽或壓濾設備，分離：

• 液相：含可發酵糖分的麥汁
• 固相：麥糟

過濾後通常以熱水洗糟，回收殘留於麥糟中的可溶性糖分，但洗糟過度會使多酚及矽酸鹽等物質溶出，造成啤酒澀味或品質降低。

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5. 麥汁煮沸及酒花添加

將麥汁煮沸，並在不同時間加入酒花。

主要作用如下：

（1）滅酵素及殺菌

煮沸可使糖化酵素失活，並降低麥汁中的微生物數量。

（2）萃取酒花成分

酒花中的苦味酸經加熱異構化，形成啤酒主要苦味來源；酒花精油則提供特殊香氣。

（3）蛋白質凝固

蛋白質與多酚形成熱凝固物，即所謂熱凝固物，有助於後續澄清。

（4）濃縮麥汁及形成風味

煮沸可蒸發部分水分及不良揮發性物質，並促進啤酒特有風味形成。

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6. 麥汁澄清及冷卻

煮沸後的麥汁先經旋沉槽或其他澄清設備，使熱凝固物及酒花殘渣分離，再快速冷卻至適合酵母發酵的溫度。

快速冷卻可避免：

• 微生物污染
• 過度氧化
• 不良風味生成

冷卻後的麥汁須適度充氧，以供酵母初期增殖使用。

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7. 添加酵母及主發酵

將啤酒酵母接種於冷卻麥汁中進行主發酵。

酵母將可發酵糖轉化為酒精及二氧化碳：

$$\mathrm{C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH+2CO_2+能量}$$

主發酵期間會產生：

• 酒精
• 二氧化碳
• 酯類
• 高級醇
• 有機酸及其他風味物質

啤酒酵母可分為：

• 上面發酵酵母：常用於 ale
• 下面發酵酵母：常用於 lager

一般大型啤酒工廠以底部發酵型酵母生產 lager 啤酒為主。

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8. 後發酵及熟成

主發酵完成後，將啤酒移至熟成槽，在低溫下進行後發酵及熟成。

熟成的作用包括：

• 使殘餘糖分繼續發酵
• 使酒精、酸及其他風味成分平衡
• 使二氧化碳溶解於啤酒中
• 使酵母及蛋白質凝聚沉降
• 降低生青味及雙乙醯等不良風味

此階段又稱 lagering。

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9. 啤酒澄清及過濾

熟成後的啤酒先以離心、沉降或粗過濾去除酵母及懸浮物，再依產品需求進行精密過濾。

生啤酒通常不採用高溫巴氏殺菌，而以膜過濾降低微生物數量，兼顧保存性與新鮮風味。

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10. 碳酸化

將二氧化碳溶入啤酒，使其具有適當的氣泡、口感及泡沫特性。大型工廠通常在密閉、低溫及加壓條件下進行。

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11. 無菌充填及包裝

核心觀念

蛋白質變性是指蛋白質受到加熱、酸鹼、鹽類、有機溶劑等作用後，破壞其氫鍵、離子鍵、疏水作用等非共價作用，使蛋白質的天然立體結構改變，但通常不會破壞一級結構中的肽鍵。

加熱造成蛋白質展開、聚集、凝固與交聯，因而同時影響食品的加工特性、營養價值與安全性。本題應依「可塑性、消化酵素抑制劑、消化率、胺基酸可用性、致癌物形成」五方面分別說明。

解題方法

可將蛋白質加熱後的影響分為三個層面：

1. 加工性質：蛋白質結構展開與凝膠形成，影響食品的可塑性與質地。
2. 消化與營養：抑制劑失活通常有利於消化，但過度加熱會造成聚集、交聯與胺基酸損失。
3. 食品安全：高溫、長時間、低水分加熱會促進熱裂解與梅納反應，生成有害物質。

一、對蛋白質可塑性的影響

蛋白質天然結構展開後，原本埋藏於分子內部的疏水性基團與反應性基團暴露，蛋白質分子間會產生新的疏水作用、氫鍵及二硫鍵，形成較大的聚集體或三維網狀結構。

因此，加熱會改變蛋白質的：

• 溶解性
• 黏度
• 保水性
• 彈性
• 凝膠性
• 凝固性
• 延展性與成形性

適度加熱可使蛋白質形成具有支撐力的凝膠，例如蛋、肉類及乳品蛋白質受熱後凝固，使食品產生固定形狀與良好口感。蛋白質凝膠中的網狀結構可包埋水分與脂肪，增加食品的成形性。

但加熱過度時，蛋白質聚集及交聯程度提高，凝膠收縮、排水，食品會變得乾硬、粗糙，塑性及加工適應性下降。例如肉類長時間高溫加熱會造成肌肉蛋白收縮與水分流失，使肉質變硬。

二、破壞消化酵素抑制劑

許多植物性食品含有蛋白酶抑制劑，代表性物質為大豆中的胰蛋白酶抑制劑（trypsin inhibitor）。此類物質會抑制胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等消化酵素，降低蛋白質分解效率。

加熱可使蛋白酶抑制劑的蛋白質結構變性，破壞其活性部位與立體構形，使抑制作用降低。因此，黃豆、豆粉等食品經適當加熱後：

• 胰蛋白酶較容易作用於食物蛋白質。
• 蛋白質消化效率提高。
• 胺基酸吸收量增加。
• 胰臟因代償性分泌消化酵素所承受的負擔降低。

除蛋白酶抑制劑外，植物性食品中的部分凝集素（lectin）也可因充分加熱而失活，降低其抗營養作用。

須注意加熱程度必須適當。加熱不足時，抑制劑未完全失活，仍會降低蛋白質利用率；充分加熱可改善營養價值，但過度加熱又會引發胺基酸損失與不良反應。

三、對蛋白質消化率的影響

1. 適度加熱通常提高消化率

天然蛋白質具有緊密的立體構造，部分肽鍵與酵素作用位置被包埋在分子內部。加熱使蛋白質展開，增加消化酵素與肽鍵的接觸機會，因此蛋白質較容易被胃蛋白酶及胰蛋白酶分解。

適度加熱提高消化率的主要原因包括：

• 蛋白質結構鬆散。
• 消化酵素作用位置暴露。
• 胰蛋白酶抑制劑失活。
• 部分細胞組織被破壞，使蛋白質釋出。

例如，熟蛋白質通常比生蛋白質更容易消化。

2. 過度加熱可能降低消化率

蛋白質若長時間接受高溫處理，會發生：

• 分子間聚集。
• 二硫鍵交聯。
• 蛋白質凝膠過度緊密。
• 與糖類發生梅納反應。
• 形成酵素不易作用的複合物。

上述反應會使消化酵素難以接近肽鍵，導致消化率下降。因此，蛋白質消化率與加熱程度並非單純呈正比，而是通常在適度加熱時改善，過度加熱時反而降低。

四、對胺基酸可用性的影響

胺基酸可用性是指胺基酸能否在消化、吸收後被人體有效利用。蛋白質變性本身主要改變二級、三級及四級結構，不一定造成胺基酸破壞；但高溫加工所伴隨的化學反應，會降低部分胺基酸的生物利用率。

1. 梅納反應造成離胺酸損失