從炫技料理到可食用水球：食品科學中的晶球技術（下）

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

• 文/陳彥諺

環保行動從源頭出發

說到「環保」，許多人第一時間想到的關鍵字就是「減塑」、「限塑」，在現代社會中，大量塑膠製品、塑膠袋充斥在生活中，而一次性使用的塑膠製品就是環保行動的最大敵人。不過，你知道嗎？發明塑膠袋的初衷，其實是為了拯救地球。
在塑膠袋發明以前，紙袋、布袋是主流的包裝用品。為了讓人們能有好看、方便、低成本的包裝材料運輸物品，1959 年，瑞典工程師斯坦・圖林發明了塑膠袋，其輕便、價格低廉、耐用、可重複使用，也可以取代紙袋以減少伐木量。

卻沒想到，這麼好用又便宜的塑膠袋問世後，在20 世紀末以前，紙袋、布袋幾乎被塑膠袋取代了，但是，人們並沒有如圖林發明當時所設想的，將耐用的塑膠袋重複利用，以減少地球負擔，反而衍生出單次使用後便丟棄的習慣，時至今日，塑膠垃圾更造成了嚴重的環境污染。

然而，地球是大家的，是每一個人的，也是家樂福所關心的。

家樂福十多年來，響應聯合國永續發展目標 SDGs，除了推行友善農業關懷土地，也以透明系列商品支持動物福利，2019 年，更設立影響力概念店，鼓勵消費者自備購物袋，同時把家中不需要的紙袋，帶到店中分享給需要的民眾，家樂福以具體行動響應 SDG 12 責任消費與生產，希望改變從 i 開始。

家樂福賣場實際響應環保行動

(A) 生活區：瓶身再生塑膠的環保洗護產品

日常生活中，洗澡洗髮使用的盥洗用品，是塑膠瓶罐的一大來源。家樂福攜手台鹽生技、台灣設計研究院、點睛設計，從原料到包裝，皆秉持著永續再生、環境友善、天然純淨的原則，推出Re系列永續商品。

Re代表減量（Reduce）、再利用（Reuse）、回收（Recycle），更代表著這項產品的永續再生（Power of Regeneration）。落實的行動包含，瓶身、瓶蓋採用 100% 再生塑料，運輸紙箱採用 FSC 森林環保紙箱等。

(B)食品區：可回收包裝減少食物浪費

食品的包裝，也是生活廢棄物的一大來源。家樂福除了停止使用保麗龍外，更在食品的包裝方法上，採用「貼體包裝」。

以往常見的食材包裝，是將食材放在保麗龍盒上，再以保鮮膜覆蓋，因為保鮮膜並無法完全密合食材本身，保鮮效果有限。而家樂福採用 APET/PE 材質的貼體包裝，結合抽真空原理與加熱技術，讓包材可以貼合食材，形成食材的第二層皮膚，減少與氧氣、微生物的接觸外，更能有效保存食材，減少食物浪費，同時減少保麗龍使用，一年可少用3百萬個保麗龍。

(C) 收納區：減塑收納寶物，再生塑料一級棒

在收納部分，家樂福提供了消費者環保折疊購物袋的新選擇，樣式活潑可愛的環保折疊購物袋，材質為 RPET，是回收寶特瓶材質，每 2.8 個寶特瓶可做 1 個折疊購物袋，不只可供消費者重複使用，且產品本身便已達到循環利用。

另外，居家生活不可或缺的垃圾袋，家樂福也有新實踐！家樂福環保清潔袋，是回收家樂福或各通路的PE膠膜，經過工廠處理、回收篩選、製作成 100% 再生塑膠粒子後添加美國香氛除臭精油製袋，讓以往丟棄的回收膜，經過處理後有了新生命，而且不需添加新塑膠，就能製成接近新料等級的優質產品。

從今天開始、從 i 開始，和家樂福一起減塑、減廢，愛地球！

為了地球，家樂福不遺餘力。從友善農業、動物福利開始，再從減廢減塑著力。當家樂福自有品牌取消了飲料組裝的收縮膜包裝，策略從賣場及商品包裝減塑，每年約減少 340 噸塑膠，1067 噸的碳排。

塑膠產品的誕生初衷，是為了讓地球、讓人們的生活更好。雖然在過去的消費習慣下，對地球造成了嚴重影響，但是，要愛地球，永遠不嫌晚。從今天開始、從i開始，和家樂福一起減塑、減廢，愛地球吧。

• 作者／張凱婷

作者簡介
綠色和平減塑專案負責人。都市與社區規劃背景，從事環境倡議工作六年，致力支持全球與在地的永續與環境保護行動。

• Take Home Message
  • 塑膠廢棄物的汙染愈加嚴重，特別是一次性塑膠包裝。據統計，2040 年全球塑膠廢棄物將會累積至6.46 億公噸。
  • 分析報告指出「源頭控制、減量」比「回收」或「替代材質」更適合作為塑膠汙染的解決方案。
  • 正進行談判協商的全球塑膠公約須以零廢棄為原則限制生產與使用，優先淘汰一次性塑膠，以終結塑膠汙染世代。

自人類開始使用各種形態、材質的塑膠，只花了不到一個世紀的時間，就讓塑膠汙染成為全球性、最緊急的環境挑戰之一，影響著我們的健康、自然生態及氣候。

即使全球統一的回收標誌已運行了 40 年之久，但所有被產生出來的塑膠垃圾只有 9％ 進入回收利用。塑膠廢棄物的末端處理成效令人沮喪，但塑膠用量仍年年升高。根據統計，全球自 1950 年代至今已累積製造了 83 億噸的塑膠，2021 年的塑膠產量更已達到 3.9 億公噸，與半個世紀前 1964 年的 1500 萬噸相比，相差了 20 倍。

根據世界經濟論壇（World Economic Forum，WEF）估計，一次性塑膠包裝占所有塑膠產量的 40％，為塑膠產業的最大宗，相當於每年有 1.61 億噸的塑膠包裝在市面上僅用一次就被丟棄。塑膠包裝也因此成為海洋及全球淨灘統計中最大量的垃圾。

塑膠演變成環境汙染的原因在於它幾乎無法完全被分解，而且會隨著陽光長期照射，脆化、分解、破碎成更小的碎片或顆粒，形成塑膠微粒。由於塑膠微粒的尺寸小、重量輕，透過大氣可以使它的傳播距離更遙遠，不僅漂浮在我們呼吸的空氣中，甚至可以進入並積聚在我們的器官、組織、血液中。

單靠回收無法解決問題 「減量、控制」才是最具吸引力的解決方案

皮尤慈善信托基金會（The Pew Charitable Trusts）2020 年出版的海洋塑膠分析報告書——《打破塑膠浪潮》（Breaking the Plastic Wave）指出，全球塑膠汙染的情形會愈來愈嚴重，若沒有系統性的轉變，到了 2040 年全球每年產生的塑膠廢棄物將會倍增，累積在海洋中的塑膠垃圾會比現在多出四倍，來到6.46 億公噸（圖一）。

不過，這份報告也提出相關解決方案，包括：

• 源頭控制、減量：直接淘汰塑膠、擴大消費者重複使用方案、推出新的包裝商業模式
• 替代材質：紙、紙＋淋膜、可分解材質
• 回收：機械回收、化學回收
• 終端處理：廢棄物燃料化、焚燒、掩埋

報告指出，若要解決塑膠汙染，無法靠單一的解決方案，且每一個解決方案可以帶來的減量效果都有所不同。其中，「源頭控制、減量」——透過直接淘汰包裝、擴大消費者重複使用的選項、新興的商業模式，在綜合環境、經濟和社會角度成為最具吸引力的減量方案，可以最大程度減少塑膠汙染，還能帶來經濟效益並緩解溫室氣體排放（圖二）。

我們必須要以前所未有的速度和規模創建新的商業模式、產品設計、材料、技術和回收系統，以加速朝向循環經濟發展。

企業自願性承諾減塑緩不濟急

2018年，艾倫麥克阿瑟基金會（Ellen MacArthur Foundation）邀請眾多企業及政府簽署自願性的「新塑膠經濟全球承諾」，包含使用大量一次性塑膠包裝的零售商、觀光業、食品業及包裝製造商要在 2025 年達到以下減塑目標：

• 剔除不必要或有問題的塑膠包裝。
• 達成可重複使用塑膠的商業模式，以替代一次性的塑膠使用。
• 全面使用 100％ 可重複利用、可回收或可堆肥的塑膠包裝。
• 對所有使用中的塑膠包裝設定採用可回收塑膠比例的目標。

然而，艾倫麥克阿瑟基金會去（2022）年度的追蹤報告卻顯示，以目前企業落實的程度看來，2025 年幾乎不可能達成此目標。值得一提的是，重複使用的商業模式雖然每年都有成長，但是成長幅度並不高，企業以及政府相對投注更多資源在「回收」或「替代材質」。

這突顯大品牌空洞的自願性承諾，需要更強而有力的導正，大幅減少塑膠的生產和使用，並且應大力加速轉型往「重複使用包裝」的經濟模式。

進行中的全球塑膠公約

好消息是，要阻止塑膠汙染持續惡化的呼聲也來到高峰。去年 3 月的聯合國環境大會（United Nations Environment Assembly，UNEA 5.2），各國家及地區代表均認同解決塑膠汙染的迫切性，決議確立公約。為了立法處理塑膠汙染問題，全球規劃透過「政府間談判委員會」（Intergovernment Negotiating Committee）商議條文細節，目標明（2024）年底前完成協商程序。

依照目前的規畫，從去年底到明年將進行五輪的談判協商，第一輪已經於去年 11 月於肯亞奈洛比落幕。

第一輪的會議重點有以下：

• 各國家及地區均認同解決塑膠汙染的迫切性
• 許多政府及企業都有共識此條約需具法律約束力，並涵蓋整個塑膠生命週期
• 各國家及地區須制訂「國家／地區級行動計畫」

源頭減量，終結塑膠汙染時代

聯合國在 2017 年時宣布了塑膠汙染為全球危機（planetary crisis）：塑膠汙染不可逆轉，不僅會導致生物多樣性喪失，對依賴海洋生態系統健康的人類生計造成毀滅性影響，科學證據也證實當前的塑膠汙染已超出了地球可負荷的極限，再加上塑膠汙染的跨區域特性強、生命週期對全球造成汙染並衝擊自然環境與人類健康。

我們亟需導入能與問題規模相匹配的解決方案，全球塑膠公約必須以「預防放任塑膠無上限生產」及「零廢棄」為原則，限制塑膠的生產與使用，設定塑膠生產限制的歷史基線，作為不得再產生新原生塑膠的禁令，並且優先從源頭逐步淘汰一次性塑膠，以終結汙染世代。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 5 月號〉
• 科學月刊／在一個資訊不值錢的時代中，試圖緊握那知識餘溫外，也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。