食物放涼了才能冰？ 剩菜冰了會流失營養？關於生鮮食品保存的六大迷思──「PanSci TALK：生鮮食品該如何保存」

本文由 ASM 委託，泛科學企劃執行。 

以人類現在的科技，我們能精準打造出每一面牆只有原子厚度的房子嗎？在半導體的世界，我們做到了！

如果將半導體製程比喻為蓋房子，「薄膜製程」就像是在晶片上堆砌層層疊疊的磚塊，透過「微影製程」映照出房間布局 — 也就是電路，再經過蝕刻步驟雕出一格格的房間 — 電晶體，最終形成我們熟悉的晶片。為了打造出效能更強大的晶片，我們必須在晶片這棟「房子」大小不變的情況下，塞進更多如同「房間」的電晶體。

因此，半導體產業內的各家大廠不斷拿出壓箱寶，一下發展環繞式閘極、3D封裝等新設計。一下引入極紫外曝光機，來刻出更微小的電路。但別忘記，要做出這些複雜的設計，你都要先有好的基底，也就是要先能在晶圓上沉積出一層層只有數層原子厚度的材料。

現在，這道薄膜製程成了電晶體微縮的一大關鍵。原子是物質組成的基本單位，直徑約0.1奈米，等於一根頭髮一百萬分之一的寬度。我們該怎麼精準地做出最薄只有原子厚度，而且還要長得非常均勻的薄膜，例如說3奈米就必須是3奈米，不能多也不能少？

這唯一的方法就是原子層沉積技術（ALD，Atomic Layer Deposition）。

小小的電晶體是怎麼做出來的？

蓋房子的第一步是什麼？沒錯，就是畫設計圖。只不過，在半導體的世界裡，我們不需要大興土木，就能將複雜的電路設計圖直接印到晶圓沉積的材料上，形成錯綜複雜的電路 — 這就是晶片製造的最重要的一環「微影製程」。

首先，工程師會在晶圓上製造二氧化矽或氮化矽絕緣層，進行第一次沉積，放上我們想要的材料。接著，為了在這層材料上雕出我們想要的電路圖案，會再塗上光阻劑，並且透過「曝光」，讓光阻劑只留下我們要的圖案。一次的循環完成後，就會換個材料，重複沉積、曝光、蝕刻的流程，這就像蓋房子一樣，由下而上，蓋出每個樓層，最後建成摩天大樓。

薄膜沉積是關鍵第一步，基底的品質決定晶片的穩定性。但你知道嗎？不只是堆砌磚塊有很多種方式，薄膜沉積也有多樣化的選擇！在「薄膜製程」中，材料學家開發了許多種選擇來處理這項任務。薄膜製程大致可分為物理和化學兩類，物理的薄膜製程包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍、物理氣相沉積、脈衝雷射沉積、分子束磊晶等方式。化學的薄膜製程包括化學氣相沉積、化學液相沉積等方式。不同材料和溫度條件會選擇不同的方法。

化學氣相沉積是現今最常見的沉積技術

二氧化矽、碳化矽、氮化矽這些半導體材料，特別適合使用化學氣相沉積法（CVD, Chemical Vapor Deposition）。CVD 的過程也不難，氫氣、氬氣這些用來攜帶原料的「載氣」，會帶著要參與反應的氣體或原料蒸氣進入反應室。當兩種以上的原料在此混和，便會在已被加熱的目標基材上產生化學反應，逐漸在晶圓表面上長出我們的目標材料。

如果我們想增強半導體晶片的工作效能呢？那麼你會需要 CVD 衍生的磊晶（Epitaxy）技術！磊晶的過程就像是在為房子打「地基」，只不過這個地基的每一個「磚塊」只有原子或分子大小。透過磊晶，我們能在矽晶圓上長出一層完美的矽晶體基底層，並確保這兩層矽的晶格大小一致且工整對齊，這樣我們建造出來的摩天大樓就有最穩固、扎實的基礎。磊晶技術的精度也是各公司技術的重點。

雖然 CVD 是我們最常見的薄膜沉積技術，但隨著摩爾定律的推進，發展 3D、複雜結構的電晶體構造，薄膜也開始需要順著結構彎曲，並且追求精度更高、更一致的品質。這時 CVD 就顯得力有未逮。

原子層沉積是什麼？

並不是說 CVD 不能用，實際上，不管是 CVD 還是其他薄膜製程技術，在半導體製程中仍占有重要地位。但重點是，隨著更小的半導體節點競爭愈發激烈，電晶體的設計也開始如下圖演變。

看出來差別了嗎？沒錯，就是構造越變越複雜！這根本是對薄膜沉積技術的一大考驗。

舉例來說，如果要用 CVD 技術在如此複雜的結構上沉積材料，就會出現像是清洗杯子底部時，有些地方沾不太到洗碗精的狀況。如果一口氣加大洗碗精的用量，雖然對杯子來說沒事，但對半導體來說，那些最靠近表層的地方，就會長出明顯比其他地方厚的材料。

該怎麼解決這個問題呢？

材料學家的思路是，要找到一種方法，讓這層薄膜長到特定厚度時就停止繼續生長，這樣就能確保各處的薄膜厚度均勻。這種方法稱為 ALD，原子層沉積，顧名思義，以原子層為單位進行沉積。其實，ALD 就是 CVD 的改良版，最大的差異在所選用的化學氣體前驅物有著顯著的「自我侷限現象」，讓我們可以精準控制每次都只鋪上一層原子的厚度，並且將一步驟的反應拆為兩步驟。

在 ALD 的第一階段，我們先注入含有 A 成分的前驅物與基板表面反應。在這一步，要確保前驅物只會與基板產生反應，而不會不斷疊加，這樣，形成的薄膜，就絕對只有一層原子的厚度。反應會隨著表面空間的飽和而逐漸停止，這就稱為自我侷限現象。此時，我們可以通入惰性氣體將多餘的前驅物和副產物去除。在第二階段，我們再注入含有 B 成分的化學氣體，與早已附著在基材上的 A 成分反應，合成為我們的目標材料。

透過交替特殊氣體分子注入與多餘氣體分子去除的化學循環反應，將材料一層一層均勻包覆在關鍵零組件表面，每次沉積一個原子層的薄膜，我們就能實現極為精準的表面控制。

ASM 與 ALD、半導體產業攜手前進

你知道 ALD 領域的龍頭廠商是誰嗎？這個隱形冠軍就是 ASM！ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商，自 1968 年，Arthur del Prado 於荷蘭創立 ASM 以來，ASM 一直都致力於推進半導體製程先進技術。2007 年，ASM 的產品 Pulsar ALD 更是成為首個運用在量產高介電常數金屬閘極邏輯裝置的沉積設備。至今 ASM 不僅在 ALD 市場佔有超過 55% 的市佔率，也在 PECVD、磊晶等領域有著舉足輕重的重要性。

ASM 一直持續在快速成長，現在在北美、歐洲、及亞洲等地都設有技術研發與製造中心，營運據點廣布於全球 15 個地區。ASM 也很看重有「矽島」之稱的台灣市場，目前已在台灣深耕 18 年，於新竹、台中、林口、台南皆設有辦公室，並且在 2023 年於南科設立培訓中心，高雄辦公室也將於今年年底開幕！

當然，ALD 也不是薄膜製程的終點。

ASM 作為半導體設備領導廠商，為了維持領先優勢，當然也得持續開發新技術。例如 PEALD，ALD 前面的 PE，是 Plasma Enhanced，所以這種改良技術就稱為電漿輔助式原子層沉積。做法是針對 ALD 的第一步，先以電漿方式，將氫、氧、氮等氣體電離成離子。這些氣體離子，例如氧自由基，會先將前驅物提前氧化，同時也氧化基材的表面原子，使其產生缺少電子配對、不穩定的「懸空鍵」。如此被活化的基材與前驅物，就更容易互相產生反應，解決過去 ALD 常遇到前驅物反應率不足的問題。讓反應溫度更低的同時還能加快反應速度，因此能滿足更多的製程需求。未來不論是 GAA 環繞式閘極電晶體還是其他製程，都會持續看到 ALD 技術的身影。

最後，ASM 即將出席由國際半導體產業協會主辦的 SEMICON Taiwan 策略材料高峰論壇和人才培育論壇，就在 9 月 5 號的南港展覽館。如果你想掌握半導體產業的最新趨勢，絕對不能錯過！

本文由 美國穀物協會 委託，泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎？

2007 年，從台北的八座加油站開始，民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3，指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示，則代表不同濃度，最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10，巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

為什麼要加酒精呢？

單論玉米乙醇來說，碳排放趨近於零。為什麼呢？因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟，接著被採收，發酵成為玉米乙醇，最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環，淨排放都是 0，是個零碳的好燃料來源。

當然，我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此，美國農業部經過評估分析，2017 發表的報告指出，玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF（永續航空燃料）前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%，而根據國際民用航空組織（ICAO）的預測，這個數字還會成長，2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF，開始成為航空業減碳的關鍵，及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續，都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高，以食用油為原料進行氫化的 HEFA，以及酒精航空燃料 ATJ（alcohol-to-jet）。

每種燃料的原料都不相同，因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料，因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油，再進行「氫化」。

就引擎來說，我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵，以氫原子佔據這些鍵結，讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高，不易氧化，適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯，接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵，成為長鏈烷烴，性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化，但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外，HEFA 取用的油品來源來自餐廳，雖然是幫助廢油循環使用的好方法，但供應多少比較不穩定。相對的，因為 ATJ 來源是玉米等穀物，通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產，因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF，都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息，例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100％ 的 SAF 燃料完成飛行，締下創舉。

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析，在所有交通工具的碳排放中，航空業佔了其中的 12%，而公路交通則占了 77%。沒錯，航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%，但真正最大宗的碳排來源，還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢？有人擔心，酒精可能會吸收空氣中的水氣，對機械設備造成影響？

其實也不用那麼擔心，畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅，來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說，酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑，當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查，結果發現，由於 E10 汽油摻雜的比例非常低，和傳統汽油的化學性質差異非常小，這 50 年來的車輛，只要符合國際標準製造，都與 E10 汽油完全相容。

解惑：這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎？

在環保議題裡，這種原本以為是一片好心，最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範，例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明，生質乙醇等生物燃料確實有持續性，但必須符合「永續」的標準，並且因為使用的原料是穀物，因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是，隨著目標變明確，專門生產生質酒精的玉米需求增加，這也帶動品種的改良。在美國，玉米產量連年提高，種植總面積卻緩步下降，避開了與糧爭地的問題。

另外，單位面積產量增加，也進一步降低收穫與運輸的複雜度，總碳排量也觀察到下降的趨勢，讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭，低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外，生質燃料車，是否也是個值得加碼投資的方向？

參考資料

• Corn to Power Airplanes? Biden Administration Sets a High Bar. – The New York Times
• 台灣中油全球資訊網-加油站查詢
• https://grains.org.tw/最新科學研究：玉米燃料乙醇大幅減少溫室氣體排/
• USDA Releases New Report on Lifecycle Greenhouse Gas Balance of Ethanol
• https://scijournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bbb.2225
• 本田・GE100% 可持續燃料航空引擎測試成功
• 阿聯酋航空邁向永續 完成 100％ SAF 驅動單一引擎首航
• https://tcc-gsr.com/module-1/transforming-transport-and-mobility/

本文由衛生福利部食品藥物管理署委託，泛科學企劃執行

文字記錄／陳亭瑋

食物是怎樣開始變質腐敗的？把生鮮食品「冰起來」，就能對付食品上的微生物讓食物不會「壞掉」嗎？而我們使用冰箱的方式，又真的正確嗎？

今年度食安系列講座第二彈「PanSci TALK：生鮮食品該如何保存？」的首位講者，輔仁大學食品科學系的陳邦元助理教授，這次帶領大家話說從頭，由食品微生物學的角度探討食物保存的基本原理。

生鮮食品是活的還死的？

「首先，日常生活中的新鮮食品可以被區分為『動物性』跟『植物性』兩類。」動物性食品如肉品、水產等，最大的特色就是生物體本身已經死亡，體內的酵素會在動物死後自動開始分解自身組織，因此，即使能夠透過加工、真空等方式排除外界微生物的影響，動物性食品仍然會產生劣變。而新鮮的植物性食品如蔬果，組織仍然存活，體內的呼吸作用一般都還持續進行，但已經失去種植環境下持續供給的養分跟水分，隨著保存時間拉長，植物性食品的狀況也會逐漸損失水分、養分而劣化。

既然食品本來就會變化，大家該如何判斷食物已經到了不堪食用的地步？「一般來說，當食品能從外觀發現有了腐敗、酸化、發黴、變色、產生黏液等較劇烈的變化，我們就會認為完全不適合食用了，而這類變化多是由『微生物』所引起的，包含食品科學上著重討論的幾類細菌、黴菌和酵母菌。」陳邦元老師表示，想完善保存食品，我們需要針對環境中微生物所需的幾個生長條件加以限制，盡可能減少微生物的生長以延長食品保存的時間。

看不見的微生物大軍，食品微生物學的基礎

「細菌存在於生活中各處，如果提供適當條件，可以生長得非常快速，例如金黃葡萄球菌每 12~15 分鐘就能分裂一次，8 個小時可以長到 100 萬個；一般的肉片或魚類，每一公克約有 10~10000 個細菌。而無論是哪種食物，細菌量只要到 500 萬個，大概都可以判定腐壞了。」陳邦元老師解釋道，「如果食物一開始就遭到污染，也就是沾染了比較多的細菌，腐壞的速度自然也會比未受污染的快上很多。」

「食品微生物學的主要內容便是著眼於微生物生長所需的因子，從而控制環境條件、研發出適合食品保存的方式。」影響食品中微生物生長的因子，可以分成內在因子、外在因子、微生物因子等。

內在因子：自身條件的影響

食品原本就有的、天生會影響微生物生長的因子，我們稱之為內在因子，主要包括：

• 水活性 Water activity

微生物要在食品上存活繁衍，需要環境中有夠高的水活性，也就是「微生物能利用的水分」之比例。以蜂蜜為例，蜂蜜是液體，但它的水分幾乎都被糖類包裹住了，微生物無法獲得水分，自然非常難存活；但仍有少數微生物可以在裡面休眠，如肉毒桿菌的孢子，這也是一歲以下的幼兒不能吃蜂蜜的緣故 ── 幼兒腸道被認為酸性不足、益生菌叢少，肉毒桿菌孢子若入侵便可能致命。

「一般生鮮食品的水活性都非常高，因此在保存上會應用醃製、乾燥等方法降低食品的水活性，避免微生物增生。」陳邦元老師說。

• 酸鹼值 pH value

環境中的酸鹼值會影響生物體酵素的運作，也會影響微生物生長，大多數微生物生長的最適當的酸鹼值範圍在 pH 值 6.5~8.5 之間。 除了少數產酸細菌（乳酸菌、醋酸菌等）外，一般細菌生長酸鹼值範圍範圍在 pH 值 4.0~9.0，偏鹼性環境；相對來說，酵母菌（適合範圍 pH 值 1.5~8.5）、黴菌（適合範圍 pH 值 1.5~11.0）則較偏愛酸性環境。陳邦元老師提到，一般蔬菜偏鹼性，較容易因細菌造成腐敗；水果則主要偏酸性，常由黴菌或酵母菌造成腐敗。

• 食品中的營養成分 Nutrient contents

很簡單，微生物需要獲得能量延續生存，營養源越多的食物他們越愛。

• 抗菌物質存在與否 Antimicrobial agents

部分天然食品含有「抗菌成分」，因此能抑制某些微生物生長，最常見的就是大蒜，其精油有抗菌效果。

• 食品之生物性結構屏障 Biological barrier

如果食品的取用過程中能盡量維持完整結構，對抵抗細菌也有幫助。一顆完整的水果不會露出養分與水分，外部微生物無法取用，也就無法增生。另一個例子，絞肉相較於整體的肉塊，其結構已經被破壞、內部更容易受細菌污染，因此腐敗速度會比完整肉塊快很多。

• 氧化還原電位 Oxidation/Reduction potential

食品所含成分各有其氧化還原電位，各種微生物也有自己對氧的偏好程度。氧化還原電位數值正值越大，代表越趨向「氧化狀態」，有利假單胞菌、嗜鹽菌等好氧菌生長； 氧化還原電位數值負值越大，則代表越趨向「還原狀態」，有利如李斯特菌、酵母菌等厭氧菌生長。

外在因子：四面八方的推波助瀾

食品所處的環境也會影響微生物的生長狀況，稱為外在因子，而這也是食品微生物學主要操控的內容。主要的外在因素包括：

• 食品所處環境之溫度 Temperature

食品保存的相關法規，對於各食品所處環境之溫度皆有限制，值得注意的是，保存食品不只限於低溫，常溫、甚至高溫，也都有一些條件可以保存食品。微生物最適合的生長溫度為 4~40 度，超商冬天有些飲品會放置於 60 度左右的保溫箱中，便是以高溫保存食品，提供大家更符合需求的選擇。不過，由於部分種類的細菌能在罐頭裡形成孢子，這類孢子會被高溫喚醒，因此這種高溫飲品通常不會放隔夜。

• 相對濕度 Relative humidity

前面有提過食品的水活性會影響微生物生長，而食品外部的濕度當然也會有影響。絕大多數的微生物都喜歡潮濕的環境，細菌與酵母菌喜歡食品外部泡在水裡，而黴菌則不偏好過多的水分。

• 氣體環境 Gas composition

一般空氣組成為 20% 的氧與 80% 的氮，其中氮氣為無色無味的惰性氣體，不容易與一般化合物或微生物作用，因此食品保存上常會使用真空或真空充氮（抽除空氣後填入氮氣）的方式。

微生物因子：互助與競爭

接著，陳邦元助理教授提到微生物間的互動關係。

「食品中含有多種不同微生物，彼此會互相幫助或競爭。舉例來說，跟鮮乳相較起來，優酪乳比較不容易嚴重變質，是因為優酪乳本身含有很多的乳酸菌，其他的菌種不容易在其中繁殖；但放置太久的優酪乳乳酸菌繁衍較多，可能讓優酪乳變得太酸不好喝。」

欄柵技術：控制各種因子以保存食品

欄柵技術 (Hurdle Technology) 會綜合以上提到的各種因子，藉由控制水活性、酸鹼值、微生物互動等，來延長保存期限。例如市面上販售的鮮魚，常會用三去法、真空加冷凍的方式加以保存 ── 除去頭、鱗與內臟三種最容易腐敗的部位，再擦乾後使外包裝真空並進行冷凍，結合幾個「外部因子」的概念，盡可能延長食品的保存期限。

冰箱的食品保存秘訣

對一般人來說，比起水活性、酸鹼值和微生物，「溫度」會是比較容易控制的條件。那麼，將食品丟進冰箱裡就不會壞了嗎？陳邦元老師以一張各溫度區間的細菌分類（如下圖）解釋冰箱的應用方式。

大家可以看到，15~50℃ 是微生物繁殖快速的危險區，法規規定冷凍食品的品溫應保持在 -18℃ 以下；冷藏食品則是 7℃ 以下、凍結點以上，並且要避免劇烈之溫度變動。

一般家用冰箱的冷藏層大多設定在 4~5℃，這個溫度下大部分的細菌都無法生長，或者生長得非常緩慢，只剩下低溫菌、酵母菌以及黴菌，也所以這些微生物會是冷藏食物腐敗的主要原因。「也因此，烹煮完成的食物如果沒有要馬上食用，應該要盡量快速降溫到 15℃ 以下，避免食物處在危險的 15~50℃ 下太久。」陳邦元老師說。

若想讓所有的微生物不生長，則得將外部溫度設定至 -10℃ 左右 ── 當然，還是很難保證百分之百。

來到冰箱的冷凍庫，熔點以下的低溫會使食品內部的水分凍結（即前面說的水活性下降），阻止微生物生長、降低酵素的活性，達到冷凍中食品的保存。「但是，即使將冷凍溫度控制在微生物完全無法生長的 -10℃ ，並確保食品解凍後沒有腐敗，也不代表食品完全不會變質。食品本身的酵素（內部因子）在 -10℃ 仍可能繼續運作，長時間下來，依然會影響食品的風味。」這也是為什麼冷凍食品還是有保存期限的限制。

而陳邦元老師也提到冷凍儲存食品的缺點之一：一般家用冰箱的降溫速度較慢，容易在食品中形成冰晶，造成植物組織、動物組織破裂，因此許多冷凍過的食品會流失水分、口感改變。「另外，冷凍保存的食品水分容易昇華，肉品甚至會變色，因此如果要冷凍食物，尤其是肉品類，建議盡可能採取真空包裝。」

食品冷藏的注意事項

最後，陳邦元老師談到食品冷藏保存的注意事項。「應用生鮮水果天生的植物特性，冷藏保存應該盡量維持原本的生物結構、減少組織的破壞，例如葡萄先不清理蒂頭，則可以維持得比較良好；另外部分水果的型態如熱帶水果、沒有硬外皮如香蕉、枇杷等容易凍傷，不能冷藏。」

而生鮮水產與肉品的保存期限通常是 3 天，他提醒大家若選擇放在「冷藏」，要注意盡量維持食品表面的乾燥。「肉品、魚類尤其容易有組織液滲出，因此超級市場的肉品底層會有吸水墊，減少肉品表面的水分可以防止細菌聚集生長；但若是從傳統市場購入，通常不會有吸水墊，保存時要注意盡可能維持乾燥。」

更多關於生鮮食品的居家保存，歡迎閱讀下半場講座紀實《生鮮食品買回家了，該如何保存？ 》