關於有機酸型防腐劑，下列敘述何者正確？

本題觀念：

本題主要測驗考生對於**有機酸類防腐劑（Organic acid preservatives）的作用機制、適用環境（pH值）及其抗菌特性的了解。這類防腐劑（如苯甲酸、己二烯酸、丙酸、醋酸等）屬於「弱酸」，其核心抗菌原理在於未解離態（Undissociated form）**的穿透能力。

選項分析

• A：未解離酸的濃度愈高，抗菌效果愈好（正確）

  • 分析：有機酸防腐劑主要以「未解離狀態（分子態，HA）」穿透微生物的細胞膜。因為細胞膜具有脂溶性，帶電荷的離子態（A⁻）難以通過，而未解離的分子態具脂溶性，易於擴散進入細胞。進入細胞後，因細胞質pH值接近中性（pH 7），酸分子會解離產生質子（H⁺）與酸根離子（A⁻）。H⁺會導致細胞質酸化，破壞pH恆定並消耗細菌排酸的能量（ATP）；酸根離子則可能干擾代謝酵素。因此，環境中未解離酸的濃度越高，進入細胞的量越多，抗菌效果越強。這是此類防腐劑的基本藥理/化學原理。

• B：在 pH4.0～6.0 之間苯甲酸鹽的抑菌效果比己二烯酸好（錯誤）

  • 分析：這需要比較兩者的解離常數（pKa）。
    • **苯甲酸（Benzoic acid）**的 pKa 約為 4.2。在 pH > 4.5 時，絕大部分已解離，抑菌效果大幅下降。一般適用於高酸性食品（pH 2.5~4.0）。
    • **己二烯酸（山梨酸，Sorbic acid）**的 pKa 約為 4.8。由於其 pKa 較高，在 pH 4.0~6.0 的範圍內（特別是接近 6.0 時），其保有「未解離態」的比例顯著高於苯甲酸。一般己二烯酸有效作用範圍可達 pH 6.0~6.5。
  • 結論：在 pH 4.0~6.0 的區間，己二烯酸的未解離比例較高，因此己二烯酸的抑菌效果優於苯甲酸。選項敘述相反。

• C：有機酸能抑菌主要是因為干擾細菌DNA 的複製（錯誤）

  • 分析：有機酸的主要抗菌機制並非直接作用於 DNA 複製（這通常是 Quinolone 類抗生素的機制）。其機制包括：
    1. 酸化細胞質：未解離酸進入細胞後解離，釋放 H⁺，導致胞內 pH 下降，抑制酵素活性。
    2. 能量耗竭：細菌為了維持 pH 恆定，需消耗 ATP 將質子泵出細胞，導致生長停滯（Bacteriostatic）。
    3. 干擾代謝：累積的酸根離子可能干擾三羧酸循環（TCA cycle）等代謝途徑。
  • 雖然高濃度下可能會有次級影響，但教科書定義的「主要」機制為質子動力勢（Proton motive force）的破壞與代謝酵素抑制。

• D：醋酸抑制革蘭氏陽性菌之效果優於革蘭氏陰性菌（錯誤或不夠精確）

  • 分析：雖然一般通則認為革蘭氏陰性菌（G-）因具有外膜（LPS）而對許多疏水性物質較有抵抗力，但對於小分子的有機酸（如醋酸），其對 G+ 與 G- 均有抑制力，且文獻結果不一。部分研究顯示醋酸對革蘭氏陰性菌（如 Pseudomonas）也有顯著抑制力，甚至某些情況下 G- 較 G+ 更敏感（視菌株而定）。相比之下，選項 A 是一個絕對的物理化學定律，而選項 D 存在菌株差異且非絕對定論。此外，有機酸最顯著的抗菌光譜通常是黴菌與酵母菌 > 細菌，而非專注於細菌間的比較。

答案解析

正確答案是 A。 有機酸防腐劑的效果取決於環境 pH 值與酸的 pKa 值。當環境 pH < pKa 時，酸主要以未解離態存在，此狀態具脂溶性，能穿透微生物細胞膜發揮作用。因此，未解離酸的濃度越高，抗菌效力越強，這是食品微生物學與藥劑學中的核心定律。

核心知識點

考生應複習以下有機酸防腐劑的關鍵參數與適用性：

1. 作用機制：**未解離態（Undissociated form）**穿透細胞膜 -> 胞內解離 -> 降低胞內 pH、干擾代謝酵素（如 TCA cycle）、消耗 ATP。
2. 有效條件：環境 pH 必須低於或接近酸的 pKa 值（pH < pKa 時效果最佳）。
3. 常見種類比較：
   • 苯甲酸（Benzoic acid）：pKa 4.2。適用 pH < 4.0（高酸性食品，如碳酸飲料、果汁）。由肝臟代謝為馬尿酸（Hippuric acid）排出。
   • 己二烯酸（Sorbic acid / 山梨酸）：pKa 4.8。適用 pH < 6.5（範圍較廣，如起司、糕點）。對黴菌、酵母菌效果極佳。
   • 丙酸（Propionic acid）：pKa 4.9。適用 pH < 5.5。常用於麵包、蛋糕（抑制 Bacillus 引起的繩狀腐敗 Rope spoilage 及黴菌）。
   • 醋酸（Acetic acid）：pKa 4.76。廣效性，常合併其他處理使用。

參考資料

1. Brul, S., & Coote, P. (1999). Preservative agents in foods: mode of action and microbial resistance mechanisms. International journal of food microbiology. (核心機制確認)
2. FDA & USDA Guidelines on Organic Acid Preservatives. (pKa 與適用 pH 確認)
3. Modern Food Microbiology, Jay et al. (抗菌光譜與適用食品)