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珍珠變Q變硬的秘密: 順丁烯二酸化學澱粉 ──這就是所謂Q彈的代價?(上)

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局委託,泛科學企劃執行

文/陳衍達 │ 自由寫手

從早期的泡沫紅茶,到現今的珍珠奶茶與各式新奇飲品,「手搖飲料」絕對是臺灣庶民文化重要的一環,你總可以在轉角處找到一家飲料店,甚至輸出至世界各地,讓人旅遊或留學時遇見了有種他鄉遇故知的感動。然而近年來,濃縮果汁混摻塑化劑(2011 年)、毒澱粉(2013 年)和茶葉農藥殘留(2015 年)等食安事件,讓手搖飲料蒙上了陰影;其中,佔有靈魂地位的珍珠和波霸被捲入的「順丁烯二酸(酐)化製澱粉」事件,就讓從小愛喝波霸烏龍茶的筆者傷透了心Q。

不過,不肖業者為何要在食品中違法添加這種物質呢?它會在風味與健康上造成什麼影響?我們將分成上下兩篇文章,為大家介紹順丁烯二酸和順丁烯二酸酐。

長很像,用途卻大不同的兄弟檔

順丁烯二酸(左)與順丁烯二酸酐(右)。 左圖/ Benjah-bmm27 @ wikimedia, CC0 右圖/ Su-no-G @ wikimedia, CC0

順丁烯二酸又稱馬來酸,是可以解離出兩個質子的有機酸,它的骨架由四個碳原子串接而成,中間兩個碳以雙鍵連接。在工業上有時會被用作甲酯類黏著劑的增黏劑,或和一些藥物結合增加其穩定性。順丁烯二酸的脫水產物 「順丁烯二酸酐」則可以用作聚酯樹脂以及農藥馬拉松(malathion,註)等物質的前驅物。西元 1928 年,德國化學家 Otto Diels 和 Kurt Alder 發現了Diels-Alder反應,當時使用的反應物就是順丁烯二酸酐以及環戊二烯,而後他們也在 1950 年因此獲得諾貝爾化學獎。

Diels 和 Alder在 1928 年發表了雙烯加成反應,而後大家都稱它為 Diels-Alder 反應,當時在期刊上發表的結構是都是由相當簡單的斜線和直線繪成。 圖/ Diels and Alder @ Justus Liebigs Annalen der Chemie

珍珠 Q 彈的秘密

手搖飲料中的「珍珠」多半以樹薯粉(tapioca)為主要原料製成,在沸水中滾一陣子,會產生糊化反應(gelatinization),對水分的通透性變高、吸水膨脹,變得柔軟,和米粒煮熟會變軟的原理很像。人體每日所需的熱量主要由碳水化合物(醣類)提供,而這些碳水化合物主要以澱粉的形式被我們吃進去。澱粉是把數百到數千個葡萄糖單體串在一起的長鏈醣類,如果串起來的結構是線性沒有分岔,我們稱它為直鏈澱粉;而有的澱粉會有許多分岔,成為所謂的支鏈澱粉。

這個結構上的差異會造成食物口感上的不同:直鏈澱粉含量高的食品口感偏硬,且經烹煮後仍粒粒分明;支鏈澱粉較多的煮過後則比較軟、黏而有彈性,像是臺灣主流的粳米(蓬萊米、糯米等,支鏈澱粉約佔 80-100%)和東南亞的秈米(泰國香米、印度香米等,支鏈澱粉約佔 69-77%)相比,前者因為支鏈澱粉比例較高,所以吃起來比較軟,煮太久還可能黏在一起。樹薯(cassava)的支鏈澱粉含量和粳米差不多。起鍋後,通常會用冰水或冷水冰鎮,使珍珠表面的澱粉稍微結晶(也就是變硬),塑造出具有彈性嚼勁的口感。

珍珠奶茶中珍珠的 Q 彈口感,來自澱粉的糊化反應。圖/Oqmilteashop@wikimedia BY CC3.0

不過,很多人大概都有過一個經驗:珍珠在飲料裡泡了一陣子,變得軟爛、失去彈性;若放入冰箱保存,又會變硬不好吃。前者正是因為糊化反應,雖然在冰水中發生得比較緩慢,但時間久了還是會明顯感受到口感變軟爛;後者類似冰鎮珍珠的原理,澱粉在低溫下會慢慢「結晶」,把分子間部份的水分擠出去而變得紮實,在口感上就會變得較硬而脆。

為了解決這個問題……

修飾澱粉登場了!

人們會根據不同的目的,對澱粉做出不同的化學處理,例如加酸或澱粉酶製造糊精,或是修飾上醋酸根加速產品的吸水速度,而這樣調整過的原料,我們稱之為修飾澱粉。以「珍珠糊掉事件」為例,原本製作珍珠時應用的結晶和糊化反應裡,主角只有澱粉和水,它們的結合和分離只靠氫鍵,很容易受溫度影響;但是商人們找到另一種物質 ── 順丁烯二酸(或稱馬來酸,maleic acid),它的結構上有兩個羧基(-COOH),可以和澱粉上面的羥基(-OH)進行交聯聚合反應,形成較不易因為溫度變化而接上或斷裂的共價鍵。鍵結能讓澱粉分子們保持在一定的距離內,不能順利結晶變硬,卻也不會因為泡水太久而糊掉。

讓我們再次回到分子式,順丁烯二酸有兩個羧基,經過脫水縮合之後就變成了順丁烯二酸酐。在和澱粉進行交聯聚合反應時,水中存在的以順丁烯二酸佔絕大多數,但廠商進料的時候大多是進順丁烯二酸酐,這是因為順丁烯二酸酐的應用遠比順丁烯二酸多,所以產量比較大,而且加到水裡之後也能自動水解成能進行反應的順丁烯二酸。

 

珍珠Q彈的秘密。 製作/ 鴨鴨  水分子圖/ Lopossumi~commonswiki @ wikimedia,CC0 笑臉圖/ Unknown @ GoodFreePhotos,CC0 澱粉結構圖/ NEUROtiker @ wikimedia,CC0 順丁烯二酸結構圖/ Benjah-bmm27 @ wikimedia,CC0 螃蟹圖/ python @ Pixabay,CC0

到現在為止可能還有點複雜,讓我們用上面這張圖來複習一下吧!

(1)這是一顆還沒煮熟的粉圓。(2)放大來看,其實上面有很多澱粉分子,(3)再拉進一點會發現它是一個個葡萄糖用共價鍵串起來的,各個支鏈之間會有一定程度的(4)氫鍵和凡得瓦力(這裡不顯示),其中氫鍵受溫度影響很大,熱的時候比較不穩定,冷的時候吸引力比較強。

(5)在沸水中滾一陣子後,支鏈間的氫鍵變弱,原本結構較為緊密的澱粉分子鬆開,讓外界的水分子有機可乘鑽到中間的空洞,是為糊化反應,(6)然後它會膨脹。冷卻的時候因為水分子也可以和澱粉上的羥基形成氫鍵,所以就卡在裡面了。煮透之後冰鎮一下下,表面的分子間及分子內氫鍵變強,珍珠變得較有彈性。

(7)如果泡在飲料裡太久,水分子還是有機會塞進澱粉支鏈間的空洞,讓珍珠變得ㄋㄨㄚˇㄋㄨㄚˊ。(8)如果冰進冰箱,澱粉分子會慢慢擠出水分變回原本較緊密的結構,變得稍微硬而脆。(9)如果加入順丁烯二酸,它有兩個反應位,像螃蟹一樣。(10)會和澱粉分子產生交聯聚合反應再澱粉支鏈間架橋撐住,讓它不會太鬆散或者太緊密,這樣一來,珍珠就能青春永駐了

更棒的是,這項改良除了對珍珠愛好者與製造者們來說是天大的好消息,還能夠推廣至所有有「Q 彈需求」的製品,包括肉圓、粄條等等。超厲害的功能加上諾貝爾獎加持,順丁烯二酸和它的脫水好夥伴簡直好棒棒。感謝吧!讚美吧!讓我們歡欣鼓舞的慶祝吧!但是,想是這麼想,我們還是得稍微踩個煞車,環顧一下所有現實面的問題……

什麼問題呢?讓我們在下篇繼續說吧! –> 毒澱粉,這就是所謂Q彈的代價?(下)

編按:順丁烯二酸現已依毒性化學物質列管為第四類毒化物,無論製造、輸入、使用、販賣等,都需申請核可才可以運作,而且必須定期申報運作情形,透過上述核可及申報制度,可以瞭解其流向,此外,需在容器包裝上標示「禁止用於食品」,以降低物流用的可能。

 

註:連結中使用的馬拉松前驅物是順丁烯二酸二乙酯,其可由丁烯二酸酐製備,故在此我仍稱順丁烯二酸酐是馬拉松的前驅物。

 

參考資料:

  1. Major Differences-Difference between Japonica and Indica rice
  2. Food-info.net-Starch
  3. 維基百科-Modified starch
  4. 科學月刊-認識順丁烯二酸
  5. 上下游-從工廠到餐桌:順丁烯二酸的上下游之旅
  6. Diels, O.; Alder, K. (1928). “Synthesen in der hydroaromatischen Reihe, I". Justus Liebigs Annalen der Chemie. 460: 98–122.

 

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關於作者

行政院環境保護署毒物及化學物質局

行政院環境保護署毒物及化學物質局,落實毒物及化學物質之源頭管理及勾稽查核,從源頭預防管控食安風險,追蹤有害化學物質,維護國民健康。

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