食品生產：利用生物資源
在本章中，我們將探討如何管理和調控生物資源，以最大化生產人類所需的糧食。內容涵蓋農作物種植、微生物在食品生產和發酵罐中的應用，以及商業魚類養殖。
1. 最大化作物產量
為了提高作物產量，農民會優化光合作用的環境因素，並保護作物免受害蟲侵害和養分缺乏的影響。
1.1 溫室與塑膠隧道
像溫室（玻璃溫室）和塑膠隧道這樣的封閉種植系統，讓農民能夠控制內部環境：
二氧化碳濃度： 石蠟加熱器或燃氣燃燒器會釋放 \(\text{CO}_2\)。提高二氧化碳濃度可防止其成為光合作用的限制因素，從而加快葡萄糖的產生速率。
溫度： 截留的熱量和人工加熱器能維持光合作用酵素活性的最適溫度，既能防止低溫限制反應速率，又能避免過熱導致酵素變性。
光照： 透明的玻璃或聚乙烯薄膜允許陽光穿透，而在夜間或陰天時可以使用額外的人工照明，以延長光合作用的時間。
水分供應： 自動澆水或灌溉系統能提供穩定的水分。
保護作用： 封閉結構能保護作物免受風雨造成的物理損壞，並防止害蟲侵害。
1.2 肥料的使用
收割作物會從土壤中帶走必需的礦物離子。肥料的作用就是補充這些養分：
硝酸鹽： 提供製造氨基酸和蛋白質所需的氮，以供生長所需。
鎂： 製造葉綠素所必需，葉綠素負責吸收光能進行光合作用。
磷酸鹽和鉀： 促進根部發育、能量轉移（ATP）以及整體的細胞代謝。
肥料可以是有機肥料（如糞肥或堆肥，它們緩慢釋放礦物質並改善土壤結構），也可以是無機肥料（化學鹽類，溶解迅速且能被植物根部快速吸收）。
1.3 害蟲防治
害蟲（雜草、昆蟲、真菌和軟體動物）會因啃食作物、競爭光照、水分與養分，或傳播疾病而降低產量。農民主要使用兩種策略來防治害蟲：
化學殺蟲劑
定義： 噴灑以殺死害蟲的化學物質（殺蟲劑、除草劑、殺真菌劑）。
優點： 作用迅速、容易取得，且易於在大面積範圍內施用。
缺點： 害蟲隨時間可能產生遺傳抗藥性；可能會殺死非目標的有益物種（如傳粉昆蟲）；化學物質可能被沖入水體，並沿食物鏈造成生物累積作用。
生物防治
定義： 引入天敵、寄生生物或病原體來控制害蟲數量（例如引入瓢蟲捕食蚜蟲）。
優點： 對目標害蟲高度專一；害蟲不會產生抗藥性；沒有有毒化學物質在環境中累積；提供長期的防治效果。
缺點： 減少害蟲數量的速度較慢；極少能徹底消滅害蟲；引入的防治物種可能成為入侵物種或攻擊非目標的本地物種。
2. 微生物在食品生產中的應用
2.1 酵母菌在麵包製作中的作用
酵母菌（一種單細胞真菌）可以進行有氧呼吸和缺氧呼吸。在製作麵包時，酵母菌與麵粉、水和糖混合揉成麵糰。
當氧氣耗盡時，酵母菌會進行缺氧呼吸（發酵作用）：
\(\text{葡萄糖} \rightarrow \text{乙醇} + \text{二氧化碳}\)
二氧化碳氣體的氣泡被困在麵筋麵糰中，使麵糰膨脹，從而賦予麵包鬆軟的海綿狀質地。
在烘烤過程中，高溫會殺死酵母菌、停止發酵，並使乙醇蒸發。
實驗探究：探究酵母菌的缺氧呼吸
將酵母菌和葡萄糖的懸浮液放入大試管中，並在頂部覆蓋一層液體石蠟（油），以防止空氣中的氧氣溶解到懸浮液中，確保嚴格的缺氧環境。在不同的受控溫度下，透過連接導管到氣體注射器，或計算每分鐘產生的二氧化碳氣泡數量（或將氣體通入石灰水／指示劑中），來測量缺氧呼吸的速率。
2.2 細菌在酸奶（優格）製作中的作用
酸奶的製作依賴乳酸桿菌屬（Lactobacillus，例如保加利亞乳桿菌 Lactobacillus bulgaricus）細菌：
1. 巴斯德消毒法： 將牛奶加熱至約 \(85\text{--}90^{\circ}\text{C}\) 以殺死任何致病菌或競爭細菌，然後冷卻至 \(40\text{--}45^{\circ}\text{C}\)，以免殺死隨後加入的細菌或使其酵素變性。
2. 接種： 加入乳酸桿菌的發酵菌種。
3. 溫育： 將混合物維持在 \(40\text{--}45^{\circ}\text{C}\)（細菌酵素的最適溫度）數小時。
4. 發酵： 乳酸桿菌利用牛奶中的乳糖作為營養，將其發酵成乳酸。
5. 凝固： 乳酸的積聚降低了 pH 值，導致牛奶蛋白質（酪蛋白）變性並凝固，使牛奶變成濃稠的半固體酸奶，並帶有酸味，這同時也起到天然防腐劑的作用。
3. 工業發酵罐
工業發酵罐是一種大型無菌容器，用於商業規模培養微生物（如細菌或真菌），以生產胰島素、酵素或抗生素等物質。
發酵罐特徵／條件與其生物學重要性：
無菌防範措施（蒸氣滅菌）： 發酵罐和進料管在使用前會用過熱蒸氣清潔以殺死雜菌，防止污染和對養分的競爭。
養分供應： 泵入含有碳水化合物（供呼吸作用／能量所需的葡萄糖）和氮源（供蛋白質合成所需的氨基酸／銨鹽）的無菌液體培養基，以支持微生物生長。
最適溫度（水套）： 微生物呼吸作用會產生熱量。容器周圍設有冷卻水套，循環冷水以維持最適溫度，防止酵素變性。
最適 pH 值（探頭和緩衝液）： pH 感應器負責監測環境；自動添加酸或鹼以維持酵素在最適 pH 值下運作。
供氧（無菌空氣噴嘴）： 從底部注入無菌空氣氣泡，為需氧生物的有氧呼吸提供氧氣。
攪拌（攪拌槳／葉輪）： 電動攪拌槳不斷攪拌培養液，使微生物保持懸浮狀態，並確保養分、氧氣和溫度在整個容器中均勻分佈。
4. 魚類養殖（僅限卷二 Paper 2）
魚類養殖（水產養殖）涉及在封閉的海上網箱或淡水魚池中飼養大量魚類，以最大化產量並防止過度捕撈野生魚類資源。
關鍵的管理策略包括：
維持水質： 魚池中的水經過過濾和曝氣，以提供充足的溶解氧進行有氧呼吸，並清除氨等有毒代謝廢物。
控制種間捕食： 網箱頂部覆蓋漁網或實體屏障，防止其他捕食性物種（如鳥類、海豹、較大的捕食性魚類）進入並吃掉魚苗。
控制種內捕食： 將同種魚類按大小和年齡分開放在不同的魚池或網箱中，以防止較大的魚攻擊並吃掉較小的魚。
控制疾病： 高飼養密度使魚類容易感染傳染病和寄生蟲（如海蝨）。保持水質清潔、定期對網箱進行消毒或輪換，並在必要時使用抗生素或化學藥物治療。
餵食的質素與頻率： 餵食高蛋白質飼料以最大化生長速度。以「少量多餐」的方式頻繁投餵，以避免未吃完的飼料在池底腐爛，從而消耗溶解氧並污染水質。
選擇性繁殖： 挑選具有理想特徵（例如生長速度快、產肉量高、性情溫馴和天然抗病力強）的個體進行代代繁育。
本章總結複習
• 溫室與塑膠隧道透過控制 \(\text{CO}_2\) 濃度、溫度、光照和水分來提高作物產量。
• 肥料補充土壤必需的礦物質（硝酸鹽用於製造蛋白質，鎂用於製造葉綠素）。
• 害蟲防治使用化學殺蟲劑（見效快，但有抗藥性和生物累積的風險）或生物防治（專一性天敵）。
• 酵母菌進行缺氧呼吸產生 \(\text{CO}_2\)（使麵糰膨脹）和乙醇。
• 乳酸桿菌將乳糖發酵成乳酸，使牛奶蛋白質凝固以生產酸奶。
• 工業發酵罐維持無菌條件、最適 pH 值和溫度、養分供應、供氧和攪拌，以達到最大生長量。
• 魚類養殖（卷二）透過維持水質、控制捕食（種內與種間）、疾病管理、控制投餵和選擇性繁殖來最大化產量。