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聲學稜鏡:將聲音散成彩虹——《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/05/02 ・1347字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 505 ・六年級

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文/陳勁豪|臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心 專案計畫助理研究員

Credit: Esfahlani et al.

瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家發明了聲學稜鏡,可以用物理方法來分離出聲波中不同頻率的成份。

早在 1672 年,牛頓就已經利用一系列的實驗證明,我們常見的白色光是由許多不同顏色的色光所組成。他的作法是讓白光通過一個由玻璃做成的三稜鏡。不同顏色的光從物理的角度就是指不同頻率的光。玻璃的折射率對不同頻率的光都不太相同,因此當白光經過三稜鏡中的兩次折射後,便可以分離出各種不同頻率的光。當然自然界中有許多方法可以作到類似的效果,即便是透過一個小水滴也可以得到相似的現象。

1672 年,牛頓就已經利用一系列的實驗證明,我們常見的白色光是由許多不同顏色的色光所組成。圖/By D-Kuru – Own work, CC BY-SA 3.0 at, wikimedia commons

但是同樣是波動,聲波基本上就沒有辦法用類似的方法來分出不同頻率的成份。要把聲波中不同頻率的成份分出來,基本上只能用電子方法,先把聲波用傅立葉變換轉換成頻譜,然後取出或濾掉想要的頻率,再轉換回聲波。這一系列的過程相當麻煩。

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瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家發明了一個新的方法,他們可以透過純物理的方法,不須透過各種電子元件就可以把聲波中不同頻率的成份分開。他們的器材是以十個完全相同的方形鋁塊做成。鋁塊的中間跟上方各有鑽孔,十個鋁塊接起來後,看起來就像個上方有挖洞的鋁製方管,外貌也有些類似長笛。關鍵的部份是在鋁塊與鋁塊之間貼有薄膜。當聲波要透過薄膜傳遞時,不同頻率的聲波經過薄膜時會因為頻率不同而產生傳遞的時間差,因此頻率較高的聲波比較容易轉彎,頻率較低的聲波偏折的方向會小一點。

聲學稜鏡的外貌有些類似長笛,關鍵是在鋁塊與鋁塊之間貼有薄膜。當聲波要透過薄膜傳遞時,不同頻率的聲波經過薄膜時會因為頻率不同而產生傳遞的時間差。圖/By By Petar Milošević, CC BY-SA 4.0, wikimedia commons

當他們進行實驗的時候,他們輸入了 600-1400 Hz 的聲波。他們發現頻率越高的聲波會被導向較接近音源的表面,而頻率越低的部份則會出現在鋁管的末端。換句話說,這個鋁管就像一個聲學的稜鏡一樣,可以以物理方法把不同頻率的聲波分離出來。

這個研究立刻產生了許多可能的應用方向。其中一個可能的應用是拿來作為聲學天線用。當來自遠方的聲音被這個聲學稜鏡接收到,由於不同的頻率會對應到不同的反射角,只要測量接收到的訊號中,訊號最強的頻率,就可以反推回聲源的方向。更重要的,是這個分離頻率的方法其實相當簡單,因此應該可以很快的把這個方法優化並且產生更多大量的應用。

原始論文:

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本文摘自《物理雙月刊》39 卷 2 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

 

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《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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嗶——超速了!什麼?聲音竟然有「速限」
linjunJR_96
・2020/11/11 ・1866字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

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光速是宇宙的終極速限,任何的物質運動和資訊傳遞都不准超速。不過最近有人做出了最新預測,除了一般物質外,聲音的傳遞速度竟然也有最大上限?

不管是光(電磁波)還是聲音,都是以波動的形式傳播。值得注意的是,波速只會跟系統本身性質(例如:介質不同)有關,一般的繩波或是水面波同樣也是如此,不論震動得多用力或多快,都不會讓波跑的更快或更慢。

我們可以把聲波的傳遞想像成下圖中的彈簧。既然彈簧波的速度可以用彈性係數和彈簧質量來表示,同樣的,聲速應該也可以用某些性質來描述。

可以把聲波的傳遞想像成圖中的彈簧。圖/Shyam Srinivasan

先從聲音的性質說起

聲音在不同材料中傳遞的差異,可以用體積模數(Bulk Modulus,簡寫 B )來表示。體積模數代表物體在面對外部壓力時,會做出多少體積上的改變。數學上可以寫成:

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等號左邊是施加的壓力,右邊是體積模數 B 乘上體積變化量占總體積的比率,負號只是習慣,這代表相同壓力下,B 值越大物體越不容易壓縮,和彈簧的 F=-kx 類似。我們知道越「硬」的彈簧反應越快,可以更快地傳遞波動;同樣地,比起在空氣中傳遞,聲速在較難壓縮的液體和固體中會比較快。因此不難看出,B 會與聲速扯上關係,而且 B 值越大聲速越快。

聲波在固體傳播的速度比在空氣中快。圖/giphy

一般來說,聲速可以寫成:

分子就是上面提到的體積模數 B,而分母的材料密度則表示介質越稀疏,聲速越快。國中學過的聲速與溫度成正比便是這個道理,當溫度變高時,空氣體積膨脹,密度變小,因此聲速傳遞更快。

為什麼聲速有上下限?

不過公式中的 B 和材料密度都是需要透過實驗獲得的材料參數,因此很難看出聲速會有什麼上下限。如果要再往前一步,就必須進入微觀的原子尺度。想像兩個同極相斥的磁鐵,彼此互相靠近時,斥力會逐漸變大;這是因為隨著兩個相斥磁鐵逐漸靠近,抵抗靠近的磁力位能會逐漸增加。

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當兩個同極磁鐵互相靠近,因抵抗靠近的磁力位能增加,斥力會逐漸變大。圖/giphy

同樣地,當原子間的鍵結能量增加,將兩顆原子拉伸或壓縮的難度會隨之上升,物體也就越不容易被壓縮。也就是說,體積模數 B 正比於單位體積內原子間的鍵結能量,巧合的是,材料密度也能寫成單位體積內的原子質量,於是我們可以將聲速寫成:

一般固態物質中,鍵結能量可由古早的波耳氫原子模型導出,大約是 α2c2me / 2(原子質量),α 是一大串常用的物理常數,c 是光速,me 是電子質量。於是我們在原子尺度的物理圖像中,得到了聲速的新公式:

公式中的英文字母都是常數,唯一重要的是原子質量,原子質量越小的聲速便越快。依照理論,聲速最快的會是原子量=1 的固態氫原子,聲速為 36100m/s 。

聽起來很厲害,實際上真的是如此嗎?

針對一系列不同原子量的固態元素,我們可以看看他們的聲速是否的確符合預期。不過因為 B 的實際值和鍵結種類,晶格結構等複雜因素有關,因此並不會完全落在理論線上,不過整體的趨勢十分吻合。

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固態元素中聲速對原子量的對數圖。斜直線為斜率 -0.5 的理論預測,虛線為擬合直線。紅點為原子量=1時的聲速上限。圖/Science advance

有趣的是,如果我們將新的聲速公式移項一下,會發現聲速上限對光速的比率,可以用簡單的物理常數來表示,這點是前人使料未及的。這結果或許不像光速這麼絕對,不過仍然是一次很漂亮的科學推理,也為固態物理的理論與實驗提供了嶄新的發展題材。

參考資料

  1. Trachenko, K., Monserrat, B., Pickard, C. J., & Brazhkin, V. V. (2020). Speed of sound from fundamental physical constants. arXiv preprint arXiv:2004.04818.
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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廚房裡辦不到的加工技術:認識現代食品加工
社團法人台灣國際生命科學會_96
・2019/10/27 ・3075字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

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  • 作者/朱中亮,財團法人食品工業發展研究所資深研究員

為了生產更天然、新鮮、少添加物使用的加工食品,食品科學家積極研發各種對食品品質破壞較小的非熱加工技術,希望突破熱殺菌的極限。

本期ILSI Taiwan專欄邀請財團法人食品工業發展研究所朱中亮資深研究員介紹現代食品加工技術,包括無菌加工技術、超高溫短時間滅菌技術、冷凍乾燥、欄柵技術、薄膜除菌等殺菌技術,以及製造外觀花俏食品的擠壓加工技術。

無菌加工技術:滅菌之餘美味依舊

隨著食品科技日新月異的發展,許多食品加工技術已非是在廚房中就能辦到的程度。首先要談的「無菌加工」,絕對是能被譽為20世紀食品界重大里程碑的一項技術。

無菌加工是相對於傳統的罐頭加工發展出來的先進技術。罐頭加工將食品原料殺菁後,裝至鐵罐並封口隔絕外界環境,再透過殺菌釜高溫滅菌,將鐵罐內部的微生物都殺死後,才能常溫保存。但是這樣滅菌處理的食品因經過長時間加熱殺菌,風味並不好。

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因此科學家想到,在原料填充至罐頭前先滅菌處理,而包裝容器也同樣先滅菌,使食品與容器都達到無菌狀態,最後才在無菌環境中充填並封罐,如此便能降低滅菌的溫度與時間,讓產品的美味依舊,譬如果汁就是無菌加工中最成功的商品之一。

滅菌技術強調殺菌溫度與時間的權衡,提高溫度就能大幅減少加熱時間。

譬如說罐頭要在 121℃ 下殺菌數十分鐘才能達到的滅菌效果,無菌加工則是將溫度提升至 135℃,只需要數秒鐘即可達到相同的效果,且能保留更多的食品風味。現今食品工廠中製作果汁或乳品等,在全自動化的產線中只需要一兩個人力控制機器,產品全在密閉的管線中輸送滅菌,最後才在無菌環境進行包裝。常見的利樂包、部分的包特瓶裝飲料也都是應用無菌加工技術的產品。

一碗泡麵的誕生,需要運用許多現代食品加工技術,如:蔬菜的冷凍乾燥技術、速食麵條的油炸乾燥技術,以及即食調理包的殺菌軟袋技術等。

當我們飢腸轆轆卻不知該吃什麼時,只要撕開包裝、注入熱水,等待片刻就能享用的泡麵深獲許多人喜愛。別小看一碗簡單的泡麵,背後可是應用了許多現代食品加工技術,如:蔬菜的冷凍乾燥技術、速食麵條的油炸乾燥技術,以及即食調理包的殺菌軟袋技術等。

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冷凍乾燥與傳統熱風乾燥相比,能保持食物乾燥前的外觀,其原理是先將食品中的水分凍結,然後控制在真空壓力下能直接將冰昇華為氣態水,因此食物形態能被完整保存,同時在食品中形成許多微孔也造就了食品具有較佳的復水性,冷凍乾燥的食品便能快速吸水沖泡開來;麵條則是煮熟後利用高溫油炸逼出水分,使原本水分存在的地方產生孔洞,同樣達到快速沖泡復水食用的目的。

經過乾燥後的食品本身水活性低,可以長久保存,因此不需要額外添加防腐劑。但速食麵會添加抗氧化劑,原因在於麵條油炸後含油,若不添加抗氧化劑,會造成油脂酸敗,反倒可能產生對人體有害的物質。另外,碗裝泡麵的容器也須經過高溫溶出測試,確定在熱水中泡一段時間後不會溶出對人體有害的物質,才能當作食品容器,消費者在選購上也可以安心。

食品擠壓加工技術:花俏食品外觀靠這招

擠壓加工或許沒那麼容易理解,它的做法與製作塑膠製品的原理─「塑膠射出成型」有些類似。首先將食品原料填充進擠壓機,接著經過揉合、必要時加熱,食品的特性會變得像泥狀。擠壓加工就是趁著食品在泥狀時,迅速將其噴出成形,常見的應用像是貝殼狀或螺旋狀的義大利麵、各種形狀的零食,或是現在正夯的植物肉等。

欄柵技術:多管齊下保持品質

欄柵技術的原理如同治療愛滋病的雞尾酒療法,如果給予一種藥物無法控制病毒,那就給予多種藥物進行治療,將病毒量控制到最低。罐頭食品是以高溫滅菌,讓食品中的微生物一槍斃命無法存活,但缺點是可能會使食品風味變差,並非適合所有的食品;而欄柵技術則是多管齊下的策略,結合各種控制微生物的因子,如:降低水活性、pH值、添加防腐劑、真空包裝去除氧氣或填充惰性氣體、以及冷藏等,藉由調控多種因子,以維持產品品質並延長保存期限。這項技術可謂知易行難,需要十分良好的製程管控才能辦到,在食品科技中稱為 HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points,危害分析重要管制點),這項技術多年來已廣為食品工廠應用。

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薄膜除菌技術:讓飲料好喝又能保存

薄膜除菌技術顧名思義就是使用一種能讓食品中的水與各種成分(如香氣、維生素、蛋白質等)可以通過,但細菌無法通過的薄膜,以達到除菌效果。一般現打的西瓜汁大概放置一天就腐壞不能飲用,但使用薄膜除菌技術包裝的西瓜汁,存放時間能延長到將近兩星期。而為了確定薄膜的有效性,食品科學家用已知最小的細菌測量通過薄膜的量,能減少99.999% 才能稱為有效薄膜,這也是此技術最困難之處。

薄膜除菌技術示意圖,資料來源:作者提供。

高壓加工技術:超高壓殺死細菌

前述如製作罐頭的熱滅菌技術、利用膜過濾的薄膜除菌技術等都是常見的殺菌方法。但如果不希望食品被過度加熱,也無法通過薄膜時,譬如魚肉這樣的食品該如何殺菌呢?科學家發現可以對食品施以高壓將微生物殺死。

高壓加工技術的原理是藉由施以高壓,改變細胞膜的通透性,導致細胞內物質流出,或是破壞細胞的繁殖功能使細胞死亡。此項技術是將食品包裝在至容器中放入可以耐高壓很厚的鋼管中,我們稱為高壓腔,在高壓腔注滿水後用高壓泵對管內注水加壓,使腔室內部的水壓到達將近 6000 大氣壓(世界上最深的海溝壓力也「只有」2000大氣壓),就可殺死微生物。由於容器內的食物是受到來自四面八方均勻的壓力,因此並不會造成食物形狀的改變,而且加壓是在室溫甚至低溫之下進行,食物的風味也不會被破壞。這是一項可以良好保持食品色香味的技術,但相對的製造成本也比加熱殺菌高出許多。

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食品高壓加工技術從發展到成熟歷時將近百年的時間,除了設備的造價高昂之外,科學家們也必須證實這種方法確實能夠殺滅食品中的細菌,並且不會造成食品品質改變,目前在加拿大、美國、英國、歐盟都已經有研究證實。

高壓加工技術示意圖,資料來源:作者提供。

加工食品的美麗與哀愁

食品加工的目的有很多,如:提高食品的食用性、保存性、便利性、嗜好性、衛生安全、營養價值、運輸性、商業價值等,看似都立意良善,那為什麼社會上存有「加工食品就是不好的」、「加工食品就是沒營養」、「加工食品是造成文明病主因」等印象,原因出在哪裡呢?

身為一位食品研究者,當社會大眾對健康的需求日益增加時,我們的挑戰是製作出健康、少鹽、少油、少糖、無反式脂肪的食品,且無農藥殘留或毒素。然而過去的確有少數廠商並未花費足夠心力去達到這些目的,反而是為了在市場上取得競爭優勢,使用不正當手段製作產品,這毫無疑問是必須被檢討的。

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本文目的是希望能讓讀者了解,市面上還存在許多並非單從字面上的名稱或感覺就能對它做出正確判斷的加工食品,也有許多運用適當的加工技術、用心實在的加工食品供民眾選擇,希望民眾能夠正確分辨出這些加工食品。

延伸閱讀

 

  • 本文轉載自 ILSI Taiwan-2019 年第 7 期《廚房裡辦不到的加工技術─認識現代食品加工》,歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 ILSI Taiwan 喔!
  • 作者/朱中亮│資深研究員
    德國Hohenheim大學食品科技研究所博士,現任財團法人食品工業發展研究所資深研究員。專長為食品加工與製程,目前研究技術領域為食品非熱加工技術、冷藏食品保存期限預測及溫度管理技術等。
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創會於2013年,這是一個同時能讓產業界、學術界和公領域積極交流合作及凝聚共識的平台。期望基於科學實證,探討營養、食品安全、毒理學、風險評估以及環境的議題,尋求最佳的科學解決方法,以共創全民安心的飲食環境。欲進一步了解,請至:ww.ilsitaiwan.org