食品中自由水（free water）的含量遠低於微生物細胞內自由水含量時，微生物會產生什麼變化，而無法進行正常生理代謝？

本題觀念：

本題主要測驗 水活性 (Water Activity, $a_w$) 與 滲透壓 (Osmotic Pressure) 對微生物細胞的影響。

在食品微生物學中，自由水 (Free water) 指的是未與食品成分（如蛋白質、碳水化合物）結合，可供微生物生長繁殖利用的水分。水活性的高低決定了水分子移動的方向，遵循滲透作用原理：水分子會由「高水活性（低溶質濃度）」往「低水活性（高溶質濃度）」的方向移動。

選項分析

• A. 細胞脹大 (Incorrect)： 這是發生在低張溶液 (Hypotonic solution) 環境下的現象。若食品中的自由水含量高於微生物細胞內（即環境水活性 > 細胞內水活性），水分子會進入細胞，導致細胞吸水脹大。若無細胞壁保護，細胞甚至可能破裂（Lysis）。

• B. 細胞萎縮 (Correct)： 當食品中自由水含量遠低於微生物細胞內（即環境水活性 < 細胞內水活性），食品環境相對於細胞為高張溶液 (Hypertonic solution)。根據滲透壓原理，細胞內的自由水會滲透流出到食品環境中，導致細胞脫水。

  • 對於具細胞壁的細菌，細胞膜會與細胞壁分離，原生質體皺縮，稱為質壁分離 (Plasmolysis)。
  • 在巨觀或選項描述上，這導致細胞內容物體積減少，即描述為細胞萎縮。此狀態下，微生物缺乏代謝所需的水分，生長停滯甚至死亡，這也是鹽漬或糖漬食品能防腐的原理。

• C. 細胞增生 (Incorrect)： 細胞增生需要適宜的水活性（通常細菌需 $a_w > 0.90$）。當自由水含量過低導致水分流失時，微生物代謝受阻，無法進行細胞分裂或增生。

• D. 細胞分化 (Incorrect)： 細胞分化是指細胞從一種形態轉變為另一種特定功能形態的過程（如孢子形成）。雖然惡劣環境可能誘導某些細菌產生內孢子（Endospores），但題目描述的是立即的物理滲透變化導致無法代謝，最直接的細胞生理反應是脫水萎縮，而非分化作用。

答案解析

當食品環境的自由水極低（高滲透壓）時，水分子會由微生物細胞內（高水勢）流向食品環境（低水勢），導致細胞失水、原生質皺縮（細胞萎縮），進而使代謝停止。故正確答案為 (B)。

核心知識點

考生應掌握以下「食品保存與微生物」關鍵概念：

1. 水活性 ($a_w$) 定義：$a_w = P/P_0$（食品蒸氣壓/純水蒸氣壓）。純水 $a_w=1.0$。
2. 滲透作用方向：水由 高 $a_w$ $\rightarrow$ 低 $a_w$ 移動。
3. 高張環境效應：環境 $a_w$ 低 $\rightarrow$ 細胞失水 $\rightarrow$ 質壁分離 (Plasmolysis) / 萎縮 $\rightarrow$ 生長抑制（鹽漬、糖漬原理）。
4. 低張環境效應：環境 $a_w$ 高 $\rightarrow$ 細胞吸水 $\rightarrow$ 膨脹（細胞壁提供保護維持 turgor pressure）。
5. 微生物生長下限：
   • 一般細菌：$a_w > 0.90$
   • 酵母菌：$a_w > 0.88$
   • 黴菌：$a_w > 0.80$
   • 耐滲透壓酵母/耐旱黴菌：可低至 $0.60 \sim 0.65$。

參考資料

1. 水活性 - 維基百科
2. 水活性控制與食品儲存 - 農業部
3. Osmotic Pressure and Water Availability - The Virtual Edge