為什麼會有咬人的沙發？富馬酸二甲酯是抗黴良品還是毒藥？

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

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

在本文上篇，我們提到了珍珠的原料順丁烯二酸，以及它的糊化作用、口感 Q 彈的秘密；在下篇裡，則要更進一步，帶大家起來看看它的水解產物「順丁烯二酸酐」。

恐慌的源頭：毒性

讓我們從 2013 年發生的順丁烯二酸（酐）化製澱粉事件、或稱毒澱粉事件開始談起。事實上，因為順丁烯二酸不是食品用料，所以欲添加這種成分的製造商只能從化工原料供應商進料。這麼做的第一個問題是，因為化工原料不是給人吃的，所以對雜質、副產物的安全衛生要求較低；第二則是順丁烯二酸本身的毒性。以現有的文獻來看，它的「急毒性」很小，且沒有有研究能指出其致癌性，不過部分動物實驗指出它對腎臟可能會造成傷害。

拉出國際標準來看，歐盟和美國都有針對順丁烯二酸及順丁烯二酸酐訂出成人每公斤體重的每日耐受量（Tolerable Daily Intake，TDI，也就是一天吃進多少是可以接受的範圍），分別是 0.5 毫克以及 0.1 毫克。

如果用當時衛生署在 2013 年 5 月 13 日首度公布的黑輪檢驗結果最高濃度 494 ppm 來算，一個體重 60 公斤的成人在兩種標準下的每日耐受量分別是 30 毫克以及 6 毫克；也就是說，一天只要分別食入 61 克或是 13 克的該產品便會超標。不過，TDI 預設的標準是「每天」攝入的物質量，雖然這個事件波及的範圍甚廣（板條、肉圓、黑輪、粉圓、豆花、粉粿、芋圓及地瓜圓），只要不是天天吃，基本上不會有太大的健康疑慮喔！

國家環境毒物研究中心也因應此事件，彙整出一份「順丁烯二酸與酸酐技術性資料評估報告」，內容相當完整，提供給想更深入了解的人參考。

違法疑慮：食品添加物使用範圍及限量暨規格標準

由於澱粉經化學處理的程序可能會有殘留非食用性或不適合食用的物質，修飾澱粉（法規上稱之「化製澱粉」）不一定都能用在食品上，各國對修飾澱粉的使用範圍更是有所規範。

在臺灣，食品添加物皆為正面表列（也就是列出可以使用的才能用），而順丁烯二酸並不包含在 2013 年公布的「食品添加物使用範圍及限量暨規格標準」中的 21 項准用之食用化製澱粉品項裡面（編按：檔案下載後將副檔名改為 .doc 即可開啟），因此，在食品中使用順丁烯二酸化製澱粉是違法的。然而，法令的約束力往往鞭長莫及，部分廠商基於提升產品性能的需求，仍可能知法犯法。而在長長的供應鏈中，食藥局（現食藥署）並沒辦法管制到原本就不該出現在食品中，原先並無明確管轄單位的的順丁烯二酸，造成「順丁烯二酸（酐）化製澱粉」的使用範圍，幾乎是全國淪陷。

順丁烯二酸（酐）化製澱粉事件對臺灣社會造成相當大的衝擊，雖然帶來一定程度的恐慌，卻也促成懸宕已久的《食品衛生管理法》修正草案迅速完成修法，對後續的衛生署改制、《毒性物質管理法》修法以及「食品業者登錄辦法」的訂定也都發揮了催化劑的效果。當然沒有人希望食安事件發生，然而換個角度想，人們若能在恐慌之餘痛定思痛，或許也能讓臺灣的食安體系建置得越來越完整。

好的，介紹到這裡也差不多進入尾聲了。在這兩篇文章中，我們分析了順丁烯二酸如何讓珍珠 Q 彈得更久，也提到這個物質的毒性疑慮，介紹了順丁烯二酸酐的應用和小歷史，並簡述順丁烯二酸（酐）化製澱粉事件的影響，希望大家閱讀完後，也能更了解這兩項物質！

編按：順丁烯二酸酐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。

參考資料：

1. 國家環境毒物研究中心－順丁烯二酸與酸酐技術性資料評估報告
2. 環境資訊中心－懶人包：2013年順丁烯二酸（毒澱粉）事件（上） （下）

延伸閱讀：

1. 誰是毒澱粉專家？（1）談順丁烯二酸酐
2. 誰是毒澱粉專家？（2）再談順丁烯二酸事件
3. 食品添加劑的恐懼與理性之戰
4. 哪一年才是食安元年？

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。

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。

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。

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.