01001 食品與風味化學(一)

簡介

食品與風味化學是一門將化學理論應用於食品科學的學問，核心在於探討食品成分在加工、儲存及烹調過程中的分子轉變，進而如何決定最終產品的感官品質、營養價值與食用安全。

在碳水化合物領域，研究範疇從基礎的單糖、雙糖到複雜的多糖結構。重點在於理解澱粉的糊化與老化過程如何改變食品的物理質地，以及糖類隨溫度和環境產生的化學反應。其中，美拉德反應與焦糖化反應是生成烘焙食品色澤與香氣的核心機制，直接影響食品的風味表現。

蛋白質部分則著重於其空間結構與變性機轉。當受到熱、酸鹼或機械剪切力作用時，蛋白質會發生變性，進而改變食品的乳化性、起泡性與凝膠能力，這也是豆腐、肉製品或烘焙麵團形成特有質地的基礎。此外，食品中內源性酵素的活性控制，對於防止蔬果褐變或促進肉品嫩化也至關重要。

脂質除了提供能量與脂溶性維生素，更扮演著風味載體與前驅物的角色。不飽和脂肪酸的物理熔點與結晶行為會影響烘焙品的酥脆感，而脂質在空氣、光線或熱作用下發生的氧化與水解反應，則是導致食品產生酸敗異味的主要原因。

維生素、礦物質與色素雖然在食品中佔比微量，卻決定了食品的營養穩定性與視覺吸引力。研究需探討水溶性與脂溶性維生素在加工時的熱降解機轉，以及葉綠素、類胡蘿蔔素、花青素與肌紅蛋白等天然色素在不同環境下的顏色穩定性。

食品風味與添加劑章節則結合了化學與感官科學。風味化學研究非揮發性物質帶來的酸甜苦鹹鮮等滋味，以及揮發性物質帶來的複雜氣味。食品添加劑的應用則是在合法劑量內，利用防腐劑、抗氧化劑、乳化劑或著色劑來調節食品的品質與保存期。

最後，中國食品安全事件的探討則是將化學分析應用於監管的實務案例。透過分析過往如三聚氰胺、地溝油或非法添加物等重大事件，探討如何利用層析法或質譜法等現代檢測技術來把關食品安全。

消費者在選擇食品時，其實有簡單的規則可循，可以保證營養均衡和食用安全。首先，外食和烹飪應當有取捨，食品種類應當多樣、多渠道，葷素搭配。外食的食材品質參差不齊，粗糧的比例較低，油、鹽都可能過量，還會添加味精、香料和色素等添加劑。其次，主食之外少吃零食。現在的零食都是精加工食品，含有防老化劑、抗氧劑、表面活性劑、乳化劑、流變調節劑等添加劑以及大量的鹽和糖。已有大量証據表明，精加工食品和多種代謝疾病和現代病有關聯。另外，晚上7點之後最好不進食，並輔以定期的短暫節食。有數據表明，這樣不但可以增進健康，甚至可以讓老化放慢。第三，少飲用合成飲料，比如汽水、果汁、各種能量飲料以及含有電解質的運動飲料。這些產品中的大量果糖可能引發健康問題。所謂的零卡路里和含有代糖的飲料後果可能更糟。以飲料代水是一種危害健康的行為。水仍然是最佳的解渴飲品。最後，酒少喝。最新研究顯示，任何量的酒都對健康有害，尤其是孕婦和有基礎病的人。

碳水化合物(1) 

1.1 基礎分類與結構

碳水化合物是由碳、氫、氧三種元素組成的一類重要生物分子。因其分子通式通常可寫為 C_n(H₂O)_m（其中 n 與 m 俱為正整數），似乎是碳和水的化合物，故在早期化學文獻中亦常被稱為碳水化合物。這類分子不僅是生命體維持能量代謝的核心燃料，在食品化學與材料科學中，亦扮演著決定食品質地、加工流變學與官能特性的關鍵角色。依據其聚合度、分子量大小以及化學鍵結方式，碳水化合物主要分為單糖、低聚糖（寡糖）與多糖三大類。

單糖

單糖是構成所有複雜碳水化合物最基礎的立體化學單元，無法再經由水解反應裂解為更小的糖分子。從化學結構來看，單糖屬於多羥基醛或多羥基酮。食品體系中最核心的單糖代表為六碳糖，包括葡萄糖、果糖與半乳糖）。有關糖的重要結構性質簡述如下：

• 官能基差異與立體化學： 葡萄糖在其 C-1 碳原子上含有一個醛基（-CHO），屬於醛糖；果糖則在 C-2 碳原子上含有一個酮基（C=O），屬於酮糖。單糖分子具有多個手性碳中心，因而存在豐富的立體異構體。例如，天然存在的葡萄糖與果糖均為 D-型異構體，這種特定配置決定了其生物活性與酶促反應的專一性。
• 溶液中的變旋： 單糖在水溶液中並非單純以開鏈存在，而是通過分子內羥基與親電性羰基的親核加成反應，迅速建立起開鏈式與環狀式的鏈-環動態平衡。醛糖的 C-5 羥基與 C-1 醛基反應，主要形成六元環的吡喃糖；酮糖的 C-5 羥基與 C-2 酮基反應，則主要形成五元環的呋喃糖。
• 端基異構體： 發生環化反應後，原先不具手性的羰基碳轉化為全新的手性中心，稱為端基碳（Anomeric carbon）。這使得環狀結構衍生出兩種非對映異構體：當端基碳上的羥基與 C-5 上的羥甲基（-CH₂OH）處於環平面的異側時稱為 α-型，處於同側時則稱為 β-型。這兩種異構體在水溶液中會通過開鏈中間體不斷相互轉變，直到達到光學旋轉平衡。

低聚糖（Oligosaccharides）

低聚糖（通稱寡糖）是由 2 至 10 個單糖單元通過糖苷鍵（Glycosidic bond）脫水縮合而成的短鏈聚合物。糖苷鍵的形成是由一個單糖的端基碳羥基與另一個單糖的任意羥基縮合而成，其鍵結的方向性（α 或 β）以及參與反應的碳原子編號，直接決定了低聚糖的空間構型、物理化學性質及被酶水解的難易度。幾種常見的低聚糖包括：

• 蔗糖： 由一分子 D-葡萄糖的 α-C-1 與一分子 D-果糖的 β-C-2 經由脫水縮合形成 α-D-glucopyranosyl-(1→2)-β-D-fructofuranoside。由於兩個單糖的端基碳（具有還原性的官能基）皆參與了糖苷鍵的構建，因此蔗糖屬於非還原糖，不易發生美拉德反應（Maillard reaction）引起的褐變。
• 乳糖： 廣泛存在於哺乳動物的乳汁中，由 D-半乳糖的 β-C-1 與 D-葡萄糖的 C-4 結合，形成 β-1,4-糖苷鍵。由於葡萄糖單元的端基碳仍處於游離狀態，乳糖保留了還原性。人體若缺乏乳糖酶（β-Galactosidase），便無法有效水解此鍵結，從而引發乳糖不耐症。
• 麥芽糖： 為澱粉經澱粉酶（Amylase）水解後的中間產物，由兩個 D-葡萄糖分子通過 α-1,4-糖苷鍵相連，屬於還原性雙糖。
• 機能性寡糖： 聚合度在 3 至 10 之間的低聚糖（如棉子糖 Raffinose、水蘇糖 Stachyose、低聚果糖 FOS 等），由於人體胃腸道缺乏相應的消化酶，無法將其水解吸收。這類寡糖能順利抵達大腸，成為益生菌（如雙歧桿菌）的利用底物，具備調節腸道菌群的生理活性。

多糖（Polysaccharides）

多糖是由數百至數千個單糖單元聚合而成的高分子聚合物（DP > 10）。依據組成單元的種類，多糖可分為由同種單糖構成的同聚多糖（Homopolysaccharides）與由不同種單糖或其衍生物構成的雜聚多糖（Heteropolysaccharides）。在食品體系與植物組織中，多糖主要承載著能量儲存與細胞壁結構支撐兩大核心功能。常見多糖有：

1. 澱粉（Starch）

澱粉是植物界最主要的能量儲存物質，也是人類膳食中碳水化合物的主要來源。天然澱粉以半結晶顆粒的形式存在，化學成分包含兩種截然不同的結構：

2. 纖維素（Cellulose）

纖維素是植物細胞壁的基質骨架，亦是地球上最豐富的有機高分子。它是由 D-葡萄糖單元通過 β-1,4-糖苷鍵 連結而成的完全線性同聚多糖。

• 構型與氫鍵網路： 由於 β-糖苷鍵的幾何限制，纖維素鏈中的相鄰葡萄糖殘基彼此翻轉 180°，形成一條極為剛直、延伸的扁平帶狀鏈。這種構型有利於分子鏈之間形成極其緻密的分子間與分子內氫鍵網路，組裝成不溶於水的微纖維結晶區。
• 營養學屬性： 人體消化道內僅含有水解 α-糖苷鍵的酶（如 α-amylase），缺乏能裂解 β-1,4-糖苷鍵的纖維素酶（Cellulase）。因此，纖維素無法被胃腸道消化吸收，在膳食營養學中被歸類為不溶性膳食纖維，對促進腸道蠕動具有重要生理功能。

3. 果膠（Pectin）

果膠屬於結構複雜的雜聚多糖，主要存在於雙子葉植物的細胞壁中層。

• 化學組成： 其核心骨架是由 α-1,4-鍵 連結的 D-半乳糖醛酸（D-Galacturonic acid） 構成。這些羧基通常會發生不同程度的甲酯化。
• 食品工業應用： 依據甲酯化度（DE），果膠分為高酯果膠（DE > 50%）與低酯果膠（DE < 50%）。高酯果膠在高糖、高酸條件下藉由氫鍵與疏水相互作用形成凝膠；低酯果膠則需藉由多價陽離子（如 Ca²⁺）交聯羧基，形成典型的「蛋盒模型」凝膠結構。在食品工業中，果膠被廣泛用作天然增稠劑、穩定劑與凝膠劑。

題圖：龐貝城麵包房的烤爐和磨坊，約西元前1世紀到1世紀。龐貝城在西元79年一場火山爆發中被掩埋。（來源：wikicommons，CC-BY-NA 4.0）