鐵氟龍也能做牙線？生活中的全氟烷化合物到底安不安全？

如果今天你想要好好的切食物，該用什麼樣的刀呢？

大家馬上想到的，應該不外乎就是金屬或是陶瓷吧？自古以來要製作工具，這兩個材料一定是首選，直到當代貪圖方便而使用的塑膠刀叉之外，好像想找不太到其他更好的替代方案了。

但是最近，有一群研究人員打破了大眾的想法和材料科學的界線——用木頭製作的刀來取代金屬。

10 月 20 號，這一群來自馬里蘭大學的材料科學家們在期刊《Matter》上發表了一種全新的加工方法，可以把跟木材大幅強化，製作成餐刀等工具。這把刀的硬度不只跟一般的牛排刀不相上下，可以輕鬆地切開 8 分熟的牛排，還可以多次使用、洗滌、有效的回收再利用，整個產品製造過程的能源消耗也比金屬或陶瓷低非常的多，有望在未來取代這類餐具。

比金屬和陶瓷更環保的選擇：木材

當你環顧生活周遭需要以「堅硬」為訴求的材料，你會發現它們大部分都是人造或經過加工的，因為想製作堅硬的物品，最怕的就是整個物理結構上有裂痕、中空或缺口等等瑕疵，只要有以上任何一種，工具的耐久度就無法維持多久，然而天然材料通常都有這種缺陷，例如木頭內部會有中空導管，石頭內則會有導致它容易剝落或裂開的天然紋理。

所以物質多半都都需要經過高溫冶煉才能夠成為堅硬的材料，例如光是製造陶瓷，就需要將陶土加熱到幾千度的高溫，而在這個講求環保的時代，有時候又要考慮產品的碳足跡……不用說，從地球土壤中開採鐵礦和陶土所耗費的能源，絕對與使用天然材質相對多很多。

所以這群研究人員把腦筋動到了陪伴原始人類到現在、樸實無華的木頭身上，他們覺得人類還沒發揮木頭 100% 的能力。

請給我木材！人類尚未 100% 發揮它

好幾千年來，人類就不斷地想在木頭身上動手腳，但是在工具和建築上，木頭的加工通常只限於蒸氣曲木和壓縮法，用這種方法處理的木頭都會有個問題，在一段時間過後，木頭本身會有些許的回彈（定型）。

要知道為什麼就得先了解木頭！

木頭最主要的成分是纖維素，雖然平常可能無感，但纖維素其實有相當高的強度與密度比，表面上看起來是一個輕量又堅固的超理想材質，只看數字的話，甚至凌駕於大部分的高密度建築材料如水泥、金屬等等。但是我們目前加工木頭的方式，都無法把木材的材料潛力發揮到極致，部分是因為纖維素其實只佔了木材的 50%，除此之外還包含半纖維素、木質素等物質，這些聚合物主要是作為介質，而非提供強度，但如果將這些東西去除掉，整個木頭結構會變得容易崩壞。

所以研究團隊找到了方法，移除木頭內比較脆弱的物質，但是仍保留纖維素的結構，這個技術可以把原本木材的硬度整整強化 23 倍，並打造出比不銹鋼刀還鋒利 3 倍的餐刀。

兩步驟加工：讓「普通木材」變「超硬木材」

第一步是將木頭浸泡在添加了特定化學物質的水中，並加熱到攝氏 100 度，以去除部分木質素。失去木質素的木材會變得較為柔軟、具有彈性甚至還會黏稠；以往的木材加工通常不會將這個方法用在木材上，除了如上述提到的結構問題外，還會有使用溶劑的毒性問題，但研究人員研發出了毒性較低、還能重複使用的溶劑。

第二步是對木頭進行高溫加壓，去除水分並讓其材質更為緻密，確保不會有結構上的缺陷，連樹木中原本被導管佔用的空間都能夠去除。

藉由這兩個步驟，他們有辦法去除木頭原本的結構問題，而經過這樣處理後的木頭還可以裁切成想要的形狀，然後再塗抹礦物油延長壽命、也隔絕水分讓纖維素不要再吸水，以免洗滌餐具降低刀子的鋒利程度。

木材應用百百種！「五金材料」的新未來？

同樣的手法可以用來製作其他工具，例如和金屬釘子一樣堅硬的木頭釘子，一樣可以釘穿 3 塊木板，但是好處是木頭釘子不會有生鏽的問題，除了釘子之外，還有很多東西可以用這種木頭材質製作，例如更耐用的木頭地板。

儘管目前這個技術的使用還只是存在於實驗室環境中，但是不可否認的是，我們還沒有發揮木頭百分之百的實力，只要這個技術成熟，加上樹木可以種植並回收的特性，在未來每個人都可以分配到的超級強化木材資源或許可以凌駕於金屬，或只是打造出打不壞的木製球棒、堅不可摧的小木屋、輕量化的木頭汽車和飛機、或者是一把堪比鋼刀的超強木刀。

阿銀，你的木刀原來是這麼來的啊 ？

參考資料

2021，《Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic》

近年來，大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生，國際間也會簽訂不同協議與政策，來減緩溫室氣體的排放，講到這邊，我們通常會想到化石燃料的使用，但較少被人們注意到的是，畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗，甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究，提出一種可能的解決方案，以減少畜牧業對環境的影響，也就是——「教小奶牛上廁所」！

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號，為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響？是哪方面的影響？為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢？要怎麼教？

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係？

首先，根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告，全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳，大約是人為排放溫室氣體的 14.5%，其中，牛是排放量最大的物種，佔畜牧業排放量的 65 %，而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動，FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案，其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術，來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH₄) 與一氧化二氮 (N₂O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N₂O) ，雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ，但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍！除此之外，每次排放的一氧化二氮 (N₂O) 都會停留在大氣中超過一世紀，可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起，紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成，主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用，因此紐西蘭政府制定了一個目標，要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢？

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高，而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O)，在紐西蘭和澳洲，通常將牛飼養在戶外，牠們排尿之後，就開始一趟名為「氮循環」的旅程，首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH₄⁺) ，再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No₂^–)，接著，另外一群微生物「硝化菌」，將亞硝酸鹽 (No₂^–) 再氧化成硝酸根 (NO₃^–)，以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然，旅程還沒有結束，另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N₂)，叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」，而一氧化二氮 (N₂O) 是反應的中間產物，會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎？

代誌不是憨人想得這麼簡單！當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時，會產生另一種空氣污染物——氨 (NH₄)。

所以，如果牛的尿液可以被收集處理，裡面所含的氮就可以被轉換，減緩對環境的衝擊，但是要怎麼收集牛的尿液呢？

最直接的方式就是，教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿？獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理，訓練小牛到特定的地方排尿，這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」，由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出，當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」，將飢餓的小白鼠放在箱子裡，內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率，因飢餓不安而活動的小白鼠，偶然壓到槓桿就會得到少量食物，當以後小白鼠看到槓桿，再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說，因反應而出現的食物是「強化物」，對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外，他們還運用訓練小孩上廁所，一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式，將目標拆解成小步驟，從最後一步開始訓練到第一步。

首先，小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡，當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後，把小牛帶到圍欄外的一條走廊上，並再次強化進去廁所裡尿尿的行為，如果小牛在走廊上就排尿，便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練，他們訓練的八頭小牛中，有七隻學會了在廁所尿尿，而且學習的速度和人類小孩差不多快！牠們大約只受了 15 天的訓練，大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套，比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源／參考資料 1

由此，研究團隊得到了兩個結論，第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射，在準備尿尿時會移動到廁所裡；第二，在可以得到獎勵的情況下，牠們學會先憋尿，除非到了正確的地方。

牛牛學會了，然後呢？

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後，下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢？

作者認為希望未來可以優化廁所裝置，自動檢測排尿以及給予獎勵，就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外，像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業，大多將牛飼養在開放的圍場，應該要把廁所設在哪裡，或者牛願意走多遠過來上廁所，都是需要進一步了解的問題，也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業，實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
3. 張春興（民80）。教育心理學：三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
4. Backward Chaining Technique
5. 全國法規資料庫：空氣污染防治法施行細則
6. The science of nitrous oxide

那是個典型的炎熱的加州夏日，我剛剛從阿拉斯加釣鮭魚回來。這次的釣魚之行跟之前比不算成功，我的嚮導說，外海的商業漁船過度捕撈及氣候的變化，現在越來越少鮭魚回到河裡，他們擔心未來的魚只會越來越少。非常應景的，我一回來就訪談了一家在舊金山叫 Wildtype 的生物新創公司，他們成功在實驗室生產出鮭魚片。

這個公司是由心臟科醫師/細胞生物學家 Aryé Elfenbein 及耶魯商學院的 Justin Kolbeck 共同創立的。之所以成立這個公司，原因是 Aryé 在醫學領域見識到了，細胞全能性所帶來的可能，也看到了目前海洋及河川污然及過度捕撈的現況。而 Justin 則是因為在阿富汗的經歷，親身體驗過 food insecurity 這件事情有多麽嚴重，進而思考是否有辦法讓資源匱乏的地區也能夠獲得新鮮的食物。

在這樣的前提之下，讓他們重新思考，是否人類真的需要透過動物才能獲取肉？於是，他們在 2019 年一同成立了 Wildtype 這間公司，希望在這海洋、河川資源逐漸匱乏、到處都是塑膠微粒、重金屬的環境下，可以提供一個更永續、更安全、更人道的方式來獲取肉。

而當他們決定這個目標後，他們開始思考要往哪個方向去做，而最後選擇鮭魚主要有三個考量：第一，鮭魚是世界第二大的消費魚種，若能生產鮭魚，對於減少濫捕的會有顯著助益；第二，身為心臟科醫師的 Aryé 認為若要生產商品，也希望將世界帶到比較健康的方向去。富含 Omega-3 的鮭魚，將對大眾的健康更有助益；第三，鮭魚目前市場價格約在每磅 8 美元，比起每磅 1 美元的雞肉，鮭魚的市場價格能提供他們更多的研發空間。

用「啤酒槽」養出鮭魚細胞？

美國人吃鮭魚，其實只有魚側面的兩塊菲力，其他的部分包括魚頭及內臟，大約有五成的魚體都會在處理後丟棄。於是 Aryé 與 Justin 思考，是否可以生產需要的部位就好？

答案是肯定的，而且其實製作起來更可行，生產魚片還是比生產魚頭來的單純很多。

實驗室鮭魚有兩個主要步驟，第一步在生物反應器（bioreactor）放大細胞數量。就像啤酒發酵槽，在生物反應器裡面放入細胞生長所需的最佳營養，並透過不間斷的打氣循環，讓細胞在裡面懸浮生長。

這個過程，細胞數量通常呈指數性的生長，短短幾週可以生長到萬倍之多。不過有一點要非常注意，整個細胞培養的過程必須是無菌狀態。如若不然，即使只是一個細菌、一顆黴菌孢子，在這麽營養的生長環境之下，也會跟著目標細胞一起被放大數萬倍。

第二步是讓細胞在支架裡生長。這裡他們利用植物纖維製作出支架，將細胞循軌跡生長，進而成為漂亮的魚片。不過我很好奇，那個鮭魚肉典型的白色紋理是怎麼做到的？Aryé 說那是脂肪細胞。

簡單來說，在生物反應器生長的這群細胞，就像是幹細胞一樣，尚未分化成不同功能的細胞^[註1]。他們發現，透過改變支架的軟硬程度，及調整培養基的成分，可以誘導尚未分化的鮭魚細胞，分化成肌肉細胞或脂肪細胞，進而產生橘白相間的鮭魚肉。

培養出的魚肉品質如何？味道好嗎？

由於這個產品從收穫到包裝幾乎沒有時間差，我很好奇這個魚肉到底味道如何？一般市場買到的魚，即使處理得非常快速，還是跟現釣的相去甚遠，魚腮、黏液、內臟、血液，都會帶有腥味。Aryé 笑著說，沒錯啊就像現釣。

現在人其實非常少能接觸到極新鮮的魚，所以大家習慣的魚其實都是有點魚味的。所以他們在試吃的過程，很多人的反應都是他們的魚肉沒有味道，因此後來他們還特別去研究，增加一點空氣接觸，讓肉熟成一下，產生魚味。

關於保存期限，Aryé 表示，由於魚肉是在無菌狀態下生產的，所以非常非常耐放。他們目前還沒有做過完整的儲藏性實驗，但合作的廚師把他們的魚肉（未拆封狀態）放在冰箱一個月之後，吃起來還是超級新鮮。

甚至放置在室溫之下，目前的結果顯示幾天之內都不會腐敗。雖然仍需要更進一步的實驗，但如果結果屬實，短期運輸就能不需要冷鏈，除了降低運輸成本，也可以運送到冷鏈不發達的地區。

根據一篇 2019 年的訪問^[註3]，因為結構的問題，這個魚肉產品煮完會散掉，因此只能生食，在我看來這樣可能會降低消費者的購買興趣。Aryé 表示這點已經克服，只需要多培養一些時間，讓細胞間的結構比較扎實，就可以正常烹煮了。所以他們的產品現在可以做各種烹調法，不再局限於生食而已。同時，他們也正在規劃試吃間（tasting room），之後有進一步消息會再行公告。

潛在的吃素市場

我在進行這個訪問之前，先在我的個人臉書做了市調，結果反應最熱烈的是吃素的朋友。除了天生吃肉會過敏、一輩子要吃素的族群以外，很多人吃素是因為抱持著不殺生、不剝削動物、環境保護的原則。

雖然還有一些道德性的思考需要去界定到底吃鮭魚細胞算不算殺生，但普遍吃素的朋友都會願意去嘗試這樣的商品，並非常期待這樣的商品能夠趕快出現在市場上。

目前 Wildtype 的鮭魚，仍在小量生產的試驗階段，所以價格還是很高。目前做一盤六片的鮭魚握壽司，要價 50-100 美金。但他們很有信心，在持續的研發跟改良之後，他們最終希望售價可以降到一磅 10 美金左右，讓消費者可以在 Trader Joe’s（美國的平價超市）之類的商店輕鬆購買。

人造鮭魚還算是「魚」嗎？

目前 Wildtype 尚未拿到 FDA 核准上市的認證，因為這是一個非常嶄新的產品，法規和食品標準都尚未成形。但 Aryé 透露目前的溝通都算順利，他們被要求提供的資料及數據都算合情合理。

我繼續問，那這樣的商品可以被標示為鮭魚嗎？他說這個問題也在討論之中，但應該不會直接就寫鮭魚肉，畢竟和傳統捕撈的鮭魚不同，而且他們也希望告訴消費者這是鮭魚細胞製作而成，並不是源自於傳統的鮭魚。

但根據耶魯消費者中心的市調^[註3]，由於這個概念太新了，無論是「實驗室鮭魚」、「人造鮭魚」、「人工培養鮭魚」等等，目前並沒有一個名詞可以讓消費者馬上理解。

所以 Aryé 覺得最後可能會像 Impossible burger 那樣，在商品名稱下直接加一個描述句「使用植物製成的漢堡」。而他們公司希望可以在商品名稱 Wildtype salmon 之下，標註「本產品使用鮭魚細胞並在食物加工場域製作」。

最後，他也補充一個很有趣的點：根據他們內部的市調，成人消費者對於這個新概念很難理解，但五歲小孩們卻都能馬上領會。可見以人工培養鮭魚細胞對於下個世代而言是很自然的事。

文獻資料

1. Wild Type’s Cell-Based Salmon Costs $200, But Not For Long
2. Allan, S. J., De Bank, P. A., & Ellis, M. J. (2019). Bioprocess design considerations for cultured meat production with a focus on the expansion bioreactor. Frontiers in Sustainable Food Systems, 3. 44-44.
3. Labeling the future: ______ salmon