藏在柔軟有彈性麵包裡的魔鬼「溴酸鉀」

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

• 作者／山田昌治；譯者／吳佩俞

小麥蛋白質在麵粉的狀態下是堅硬且不易變形的，不過一旦加水搓揉就會產生變化，成為具有獨特彈性與黏性的物質。這種同時具備彈性與黏性的性質稱為「黏彈性（Viscoelasticity）」。如先前所提到的，因為室溫的水不會造成澱粉糊化，所以可以說這種黏彈性是因為小麥蛋白質才得以出現。

接下來，我們就針對小麥當中的蛋白質種類及性質加以解說。

小麥蛋白質的水合物稱為「麩質（ gluten）」。蛋白質是一種由許多胺基酸聚集構成的串珠狀天然高分子（macromolecule），構造相當複雜。在這裡，我們先省略蛋白質構造的相關說明，把重點放在麩質的物理特性解析，並試著以湯馬斯．奧斯本（Thomas Osborne）的分餾（fractionation）分析法來進行說明。

奧斯本的分餾法是將麩質加入極性（溶解蛋白質的性質）較弱的溶劑當中，接著對溶出的蛋白質性質進行測試檢查，而無法溶出的物質會再繼續浸入極性較弱的溶劑裡，然後再繼續檢查溶出蛋白質的性質，換言之，分餾是一種依序不斷重複進行的手法。使用這種方法可以得知構成小麥蛋白質的蛋白質。也就是表 1-1 的內容。

至於這份表格的閱讀方法，則是若為白蛋白（albumin），可溶在水中，不溶於水的球蛋白（globulin）則是溶入鹽水裡，然後這樣就能由上而下依序看出各種蛋白質能夠溶解和不能溶解的溶劑了。

• 白蛋白

白蛋白的主要成分為澱粉酶抑制劑，不過其特性是只會抑制動物性澱粉酶，並不會對植物性澱粉酶產生抑制。許多研究學者都認為這可能是小麥種子為了避免被動物和昆蟲吃掉，才會發展出此種防禦特性。這也是大家說生吃小麥麵粉會讓胃腸不適的原因之一。

• 球蛋白

所謂的「球蛋白」，就是無法溶入水中、但卻能以「食鹽水」萃取出的「餾分」。目前已經知道這是一種可溶於鹽水的蛋白質。雖然佔比極低，僅有 3 ％，不過球蛋白擁有 α-澱粉酶、β-澱粉酶、蛋白酶（protease）等許多對於植物維持生命活動極為重要的酵素。

• 麥膠蛋白

使用比食鹽水極性更強的「酒精溶液」萃取出的餾分，稱為麥膠蛋白（gliadin）。這種蛋白質具有黏性，置於斜面上會如泥流般滑動。麥膠蛋白與下面提到的麥穀蛋白（glutenin）都與小麥麵粉麵團展現的黏彈性有著密切的關聯。

• 麥穀蛋白

麥穀蛋白是一種無法溶解於酒精溶液的蛋白質，不過卻可以溶在比酒精溶液更強烈的「醋酸溶液」當中。這種蛋白質與極富彈力的性質有著密切的關聯。所謂的極富彈性，就是意味著施加力道後，只要不再使力就會恢復原狀的性質。

小麥麵團黏彈性的祕密

在小麥蛋白質中，佔有關鍵地位的就是極具彈性的麥穀蛋白和富有黏性的麥膠蛋白。那麼，麥穀蛋白又為何會富有彈性呢？

我們在前面曾提過，小麥是生長在沙漠高原地帶並持續進化的植物。在這樣的環境中，與水同為小麥所必須的氮應該會出現常態性缺乏的情況。不過，即使在如此嚴苛的環境，有時還是會因為降雨而以銨離子（ammonium ion）與硝酸鹽離子（nitrate ion）的形式來取得氮的供給。

雖然無法獲得大量的補充，但小麥還是會盡其所能地留下這些氮的養分並加以儲存。銨離子雖然會保持原狀，但硝酸鹽離子一旦轉換成銨離子，就會改以麩胺酸（glutamic acid）及麩醯胺酸（glutamine）這類胺基酸的形式儲存在種子當中。

小麥麩質的胺基酸組成

麩胺酸與麩醯胺酸都是蛋白質的原料，利用這些原料所合成的蛋白質即被稱為儲藏蛋白（storage protein）。因此，小麥種子當中的蛋白質就是由麩胺酸、麩醯胺酸，以及作為誘導體的脯胺酸（proline）以極高比率所構成的。

麥穀蛋白加水揉和，結構開始變化

如同圖① 所顯示的，麥穀蛋白的構造是兩條帶子於末端互相連結。因為麥殼蛋白也是一種蛋白質，所以這種「帶子」其實是由胺基酸連結成為一長串而形成的。

我們在前面提過，麥殼蛋白的構成胺基酸因含有較多麩醯胺酸，所以乾燥狀態下會因麩醯胺酸彼此結合而變成兩條軌道般的形狀。此時加水揉和的話，水分就會進入這兩條軌道之間，成為圖② 那樣的小圓圈。

如果再繼續加入大量水分，即會出現如同圖③ 的大圓圈。看到這張圖，大家應該就能夠感受到小麥麵粉具有的彈性了。

擁有泥土般黏性的小麥麵團

另一方面，若從分子等級來觀察，可以發現麥膠蛋白呈現微小球狀，直覺上就給人似彈珠滾來滾去那種滑動的感覺，所以在目視程度時，就會有如泥土般地溢流移動。這種泥土般流動的性質稱為「黏性」。

因此，麥穀蛋白的彈性與麥膠蛋白的黏性彼此混合在一起後，就形成了小麥麵粉麵團的性質。從這層意義來看，小麥麵粉麵團的物理性質也可以稱為黏彈性質。

麥殼蛋白、麥膠蛋白的每一個單位（domain，結構域）大小約僅有數奈米（奈米：10億分之1公尺），不過，這些結構域會因各種相互作用而連結起來，並且聚合（polymerization）成為目視程度尺寸的薄膜般構造。

上圖就是將小麥麵粉與水混合並充分搓揉後的麵團狀態。這點從麵團延展性極佳，且呈現為可透光至對側的薄膜就能看得出來。

掌控空間、溫度與時間，做出專屬口感

麵團之所以延展良好，其實是來自於結構域彼此結合的相互作用，但其中原因為何正是長年研究小麥學者們的課題。目前知道的是這與名為交聯（cross-link）的結合作用有著密切的關係。

因為交聯的形成屬於一種化學反應，所以也會依循化學反應的一般規則。換言之，只要充分混合拌勻，就能提高與反應相關部分的促發機率，進而開展交聯作用。這種情況就稱之為「空間效果」。

另外，我們也可以說溫度較高時亦較容易進行化學反應。這種情況被稱為溫度效果。還有，花費較多時間也能使化學反應持續進展。這個情況則稱之為時間效果。

空間效果、溫度效果，以及時間效果這三大原則，對於思考麩質的形成與控制是很有幫助的。

舉例來說，烤點心時，如果充分揉和麵團，就會做出脆硬口感的餅乾，但若只是稍加搓揉，就會成為鬆軟口感的點心。不同揉製方法帶來不同口感，應該就是交聯作用的空間效果。此外，製作烏龍麵時，也是有個充分揉和後放上一晚靜置醒麵的作業，這個程序的重點應該就是交聯作用的時間效果了。

——本文摘自《麵的科學：麵粉如何創造豐富的口感、香氣和美味》，2020 年 3 月，晨星出版

作者：CFSA_鍾凱

流言：

Subway 承認在北美出售的食物中有種叫 Azodiacarbonamide 的化學製品，一種麵粉漂白劑，也被用於瑜伽墊和鞋底，在歐盟、澳大利亞等地被明令禁止用於食物。世衛組織曾將它與呼吸、過敏和哮喘等聯繫在一起。CNN 稱市面上大部分麵包都有這種成分，包括星巴克和麥當勞。

真相：

「Subway 承認食物中有鞋底成分」的新聞，乍一看很嚇人。想到之前「老皮鞋酸奶」的新聞，這回連鞋底也上場了。仔細一瞧，原來是一群美國人搞了一項表決，要求禁用一種叫偶氮二甲酰胺的食品添加劑。

人們對食品品質的追求可謂永無止境，以前吃飽就行，現在不僅要吃好，還要色香味俱全。正是食客們對色澤、口感的挑剔，造就了一大批「改良劑」，比如麵粉增白劑、麵粉增筋劑。其中有一種食品添加劑「文武雙全」， 既可以增筋，又可以漂白，這就是偶氮二甲酰胺。

偶氮甲酰胺其實很安全

偶氮二甲酰胺其實也只是一個後起之秀。以前麵製品不夠筋道的時候，人們添加一種叫做溴酸鉀的東西，但是後來科學家發現溴酸鉀是一種致癌物，於是它被廢棄。可大家還是想吃有勁道的麵製品怎麼辦？科學家找到了偶氮二甲酰胺這個接班人。這一點類似於皮蛋工藝中的硫酸銅替代鉛丹，相對來說能避免影響人體健康。

偶氮二甲酰胺和乾麵粉可以相安無事，但加上水一和，偶氮二甲酰胺就迅速釋放活性氧，自己轉變為更加穩定的聯二脲。釋放出來的活性氧可以奪取蛋白質巰基（-SH）上的氫原子，兩個失去「氫伴侶」的巰基相依為命成為二硫鍵（-SS-）。這些二硫鍵就像搭建在蛋白分子間的橋樑，使蛋白質形成立體網狀結構，於是麵就更有勁道、有彈性。

偶氮二甲酰胺的性能優異，但安全性如何呢？國際權威機構糧農組織/世界衛生組織食品添加劑聯合專家委員會（Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives，JECFA）於1966年就對偶氮二甲酰胺作出了評估，結論就是「很安全」，給出的安全劑量是0-45毫克/千克。到目前為止，還沒有足夠有力的研究質疑這一結論。中國目前的食品添加劑標準就是依此規定的：麵粉可以使用偶氮二甲酰胺，限量為45毫克/千克。美國FDA將偶氮二甲酰胺定為「GRAS」，也是很安全，所以美國、加拿大都在用它，使用量的上限（美國）和中國一樣。

那偶氮二甲酰胺產生的聯二脲會不會有問題呢？研究表明，聯二脲在烘焙條件下很穩定。它在體內是一種惰性物質：毒性很低，在消化道裡不被消化酶破壞，可以很快通過糞便和尿液排出，不會累積在我們的臟器中，也沒有發現致癌、致腫瘤或影響生殖。

偶氮二甲酰胺處理過的麵粉會不會使蛋白質營養破壞、流失？研究發現，用偶氮二甲酰胺處理麵粉後，氨基酸構成沒有明顯變化，而且維生素B1、B2和菸酸等成分都沒有變化，所以這一擔憂也是沒必要的。

日常接觸與職業暴露大不同

對於偶氮二甲酰胺的安全性，國際上確實出現了一些「爭議」。比如聯合國環境計劃署曾經在1999年對偶氮二甲酰胺的職業暴露做過分析（很多資料來自英國），他們認為在職業暴露的條件下（比如生產、運輸），偶氮二甲酰胺的確有可能誘發哮喘。但對普通消費者而言，日常接觸不太可能達到職業暴露的量。更重要的是，引起這些呼吸道症狀的原因是吸入，而不是吃到肚子裡。因此這種風險在普通消費者身上是很難複製出來的。

也有文獻報導，偶氮二甲酰胺可能會產生氨基甲酸乙酯、氨基脲等物質。但這些研究都沒有足夠有力的證據來推翻偶氮甲酰胺的安全性結論，畢竟主要產物是聯二脲。比如氨基二甲酸乙酯，在一些酒中（例如黃酒）含量高得多。「潛在致癌」的氨基脲是在高溫焙烤下產生的，不過很多食品 ​​經高溫處理都會產生另一種潛在致癌物丙烯酰胺。模擬實驗中，用偶氮二甲酰胺處理過的麵粉烤製麵包後，氨基脲大約是200微克/千克，而高溫處理的食物中丙烯酰胺是幾十至上千微克/千克。（國際癌症研究機構（IARC）的致癌物分級中，氨基脲為3類，不明確是否導致人類癌症；丙烯酰胺為2A類，很可能導致人類癌症。更多相關分類的含義請參閱〈打破致癌物的核威懾 〉）

當然出於謹慎的考慮，歐盟、澳紐等國要規避上述可能的風險，禁用偶氮二甲酰胺倒也無可厚非。但使用某一食品添加劑或禁用某一食品添加劑本就是各國自己的選擇，譬如，果凍裡山梨酸鉀的允許量，歐盟就是中國的2倍；中國禁用的過氧化苯甲酰（一種麵粉增白劑）在美加等國仍照常使用。

至於說偶氮二甲酰胺是工業成分，這其實挺正常的，食品添加劑中的磷酸鹽、亞硫酸鹽、EDTA等，個個都是工業領域的高強好手。其實只要消費者還喜歡彈力十足的麵製品，食品工業就需要麵粉增筋劑。如果現在想淘汰偶氮二甲酰胺，得找到一個比它更好的接班人。

好消息是科學家們正在試驗用酶製劑、多醣等新方法改良麵製品。相信將來一定會有更多、更經濟實惠的選擇。Subway 近日已經表態準備停用偶氮二甲酰胺，但偶氮二甲酰胺依然是一種合法的食品添加劑。Subway 的聲明，一方面可能是迎合消費者的需求，更重要的是，他們很可能已經有了更好的替代品，否則放棄一個合法的食品添加劑，導致產品失去消費者喜愛的口感，似乎不是商家的明智選擇。

參考資料：

1. wikipedia：Azobisformamide​
2. Concise International Chemical Assessment Document 16: AZODICARBONAMIDE
3. FAO Nutrition Meetings Report Series No. 40A,B,C WHO/Food Add./67.29
4. Semicarbazide Formation in Azodicarbonamide-Treated Flour: A Model Study
5. 食品安全國家標準食品添加劑使用標準GB2760-2011

轉載自果殼網