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蛋白質折疊:內摩擦力扮演更重要的角色

only-perception
・2012/05/17 ・1129字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 628 ・十年級

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一個跨國團隊報告,對於一種所知不多的、幾乎發生在我們身體每個細胞的過程,有了新的理解。

蛋白質折疊(Protein folding)是這樣的過程:尚未折疊的胺基酸鍊因呈現(assume)其特定的形狀,因而具有特定的功能。這些功能非常廣泛:在人體內,蛋白質會折疊成為肌肉、荷爾蒙、酵素以及其他各種組成。

“這種蛋白質折疊過程仍是一大謎團,” UC Santa Barbara 物理學家 Everett Lipman 表示,他是「Quantifying internal friction in unfolded and intrinsically disordered proteins with single-molecule spectroscopy」這篇論文的作者之一。這篇論文發表在 PNAS 上。

Lipman 表示,一個蛋白質的最終形狀主要由未折疊鍊中,胺基酸成份的序列所決定。在此過程中,這些成份彼此相撞,且達到正確的配置時,胺基酸鍊通過其「過渡態(transition state)」並裝配妥當(snaps into place)。

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“我們最終想要理解的是,一個蛋白質的化學物質順序如何決定它將要變成什麼,以及變成那樣的速度有多快,” Lipman 說。

利用 UCSB 物理系前畢業生 Shawn Pfeil 所開發的微流體混合技術,這個研究團隊,包括來自蘇黎世大學與德州大學的同僚,能夠監控個別蛋白質分子在折疊時,超級迅速的重新配置(reconfiguration)。

在微流體混合器(mixer)中,一種用來拆解(unravel)蛋白質的「變性劑(denaturant)」 化學物質被迅速稀釋,使得折疊得以在之前無法觸及的自然狀態下觀測到。這些測量證明,內摩擦(internal friction)在折疊過程中所扮演的角色,比先前實驗所能見到的還更加重要,當蛋白質從更密實的未折疊配置(在無變性劑的活細胞內會這樣)開始折疊時,尤其如此。

“在那些尺寸等級下,每樣東西都是由摩擦力所主宰,” Lipman 表示,將水中蛋白質分子的環境比喻成糖蜜(molasses)中的人體。分子間的摩擦力以及其液態環境是個問題,獨立於周遭溶劑的「乾」摩擦也一樣。

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內摩擦力藉由減少胺基酸鍊探索不同配置(那也許會導致過渡態)的速率來減緩折疊過程。尋找其天然狀態 — 其最終形態 — 所花的時間愈長,在展開狀態下「卡住(get stuck)」的可能性愈高。

“當它展開時,它更容易陷入折疊錯誤的狀態,或著與其他未折疊的蛋白質聚集,” Lipman 說。錯誤折疊蛋白質的聚集被認為促成了許多類型的疾病,例如:類澱粉斑塊(amyloid plaques)與阿茲海默症有關。另一方面,未折疊以及未使用的蛋白質有可能被細胞再度分解成它的組成胺基酸。

雖然內摩擦力與聚集,或與某蛋白質之任何片段樣式(那會以相同方式影響其他蛋白質片段)間的關聯尚未證實,不過 Lipman 等人卻對於內摩擦力影響蛋白質折疊過程的程度,有更深入的理解。

“這些測量證實,在實際狀態下,內摩擦力在未折疊態的動力學中扮演一種重要的角色。若某個蛋白質折疊過程的模型未將之納入考量,那麼該模型得經過重新考慮,” 他說。

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原始文獻:Andrea Soranno, Brigitte Buchli, Daniel Nettels,
Ryan R. Cheng, Sonja Muller-Spath, Shawn H. Pfeil,
Armin Hoffmann, Everett A. Lipman, Dmitrii E. Makarov, and
Benjamin Schuler
PNAS, Published online before print April 6, 2012,
doi: 10.1073/pnas.1117368109

資料來源:PHYSORG:In protein folding, internal friction may play a more significant role than previously thought[April 24, 2012 ]

轉載自only-perception

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153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 56 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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鱸魚精有抗疲勞的健康食品認證!累了可以依靠它嗎?自己在家也可以做嗎?
Evelyn 食品技師_96
・2023/01/18 ・3215字 ・閱讀時間約 6 分鐘

有沒有聽過開刀手術、懷孕生產過後要喝一碗鱸魚湯補身體呢?每當有親友開完手術時,通常會燉煮一鍋鮮美的鱸魚湯,期望讓術後的患者能快速癒合傷口,恢復元氣[1]

不過現在市面上已經有「鱸魚精」這樣方便又營養的產品,讓消費者免去熬煮魚湯的麻煩,即開即飲,這跟一般在家做的滴魚精有什麼不同呢?

金目鱸魚,其體背與各鰭皆為褐色,腹部為淡褐色,尾鰭圓形不分叉,可用來製造鱸魚精。圖 / 農委會

在家做的滴魚精和工廠做的鱸魚精之差異

一般在家裡自製的滴魚精,不外乎就是將魚肉放進密閉容器中,以類似蒸箱的方式加熱,讓這些肉滴出具有營養價值的精華——蛋白質和少量支鏈胺基酸(branched-chain amino acid, BCAA)。

支鏈胺基酸包含纈胺酸(valine)、白胺酸(leucine)及異白胺酸(isoleucine),是骨骼肌主要胺基酸成分,也是重要的能量來源。補充支鏈胺基酸除了可延長肌肉耐力外,亦能促進肌蛋白合成並減少分解作用,有助於組織建構及修復[2]

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魚肉雖然是優質的蛋白質來源,但大分子蛋白質還是必須經過胃腸道消化,分解成小分子胺基酸才能被身體吸收。

所以飲用魚精,能讓無法正常咀嚼、飲食,僅能飲用流質食物的人,或是對蛋白質、胺基酸有額外需求者(例如消化功能不良、大手術病患、懷孕等),得以迅速補充營養。

但其實滴魚精的支鏈胺基酸含量並不如一般市售的鱸魚精來得多。因一般市售的鱸魚精的加工方式更為嚴苛,能夠從肉中萃出更多的支鏈胺基酸及胜肽。

那麽鱸魚精是用什麼特殊加工技術製造的呢?

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自家製與工廠製的鱸魚精,作法差在哪裡呢? 圖/GIPHY

超高壓加工所萃出的支鏈胺基酸含量可提高十倍

鱸魚精產品以「品純萃」為例,其採用「超高壓加工[註]輔助酵素水解法」,將處理好的鱸魚肉放入密閉的軟性包材中,加入蛋白分解酵素,同時對它施加 0.2~400 MPa 的壓力(近 4,000 大氣壓)。

如此極大的壓力,增加了酵素與蛋白質的作用及水解效果,使鱸魚精中游離支鏈胺基酸的含量提高至 279 mg / mL。

相較於傳統熱萃取的方式(也就是在家自製的方式)僅能萃出 21 mg / mL 的游離支鏈胺基酸,超高壓加工輔助酵素水解法約提高 10 倍的營養成分萃取,使原料的利用率與產率大幅提升[3, 4, 5]

而這項優秀的萃取技術已經完成了專利申請。

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雞精也是似類似的道理,雖然沒有用到 HPP 技術,但它也是透過長達 10 小時「高溫高壓」的隔水蒸煮,將雞肉中長鏈的蛋白質,轉化為人體易吸收的支鏈胺基酸和小分子胜肽[6]

這些嚴苛的加工條件,不是在家自己 DIY 能夠輕易達成的。

白蘭氏有公開其製造加工雞精的流程影片,可點下方的影片直接觀看。

白蘭氏雞精製作過程。/ YouTube

鱸魚精和雞精的營養差異

所以喝魚精或雞精,主要就是在補充支鏈胺基酸,有助於減少運動所產生之身體疲勞。除了可延長肌肉耐力外,亦可降低運動後會造成疲勞的血液生化指標,如肌酸激酶活性、乳酸去氫酶活性及乳酸等,以維持較佳的運動表現[7]

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當然上述兩項產品皆通過健康食品「抗疲勞」認證,擁有小綠人標章,筆者依衛生福利部審核通過之健康食品資料查詢,將擁有健康食品認證的鱸魚精與雞精做個比較。

其中雞精除了抗疲勞,還多了一項免疫調節的保健功效,研究發現,支鏈胺基酸也有助於促進免疫細胞增生的功能,或促進吞噬細胞及自然殺手細胞的活性[2]

不過,根據 110 年「超高壓輔助鱸魚副產物之發酵水解物對調節血壓功能性與產品開發的評估」報告,超高壓加工輔助商業酵素水解發酵鱸魚副產物經動物試驗及體外試驗的結果顯示,具有調節高血壓的效果[8]

所以這些蛋白質水解物不只可抗疲勞,還具有免疫調節或調節高血壓的功效,說不定鱸魚精未來還會再多一項「輔助調節血壓功能」的健康認證。

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品純萃鱸魚精(左)和白蘭氏雞精(右)的營養標示,兩者皆標示出保健功效之相關成份含量。圖 / 品純萃大買家

哪些人不適合喝魚/雞精?

魚 / 雞精雖然是健康食品,可以補充營養和體力,但衛生福利部食品藥物管理署不建議以下 4 類族群天天飲用:

  1. 慢性腎臟病患者:魚/雞精內含豐富鉀離子與蛋白質,可能加重腎臟負擔。
  2. 高血壓患者:魚/雞精的鈉含量可能偏高,易造成血壓升高。
  3. 痛風患者:魚/雞精屬普林類食品,可能易導致尿酸升高,不利於痛風控制。
  4. 楓糖尿症患者:此種罕見疾病無法代謝支鏈胺基酸,魚/雞精內所含胺基酸可能導致疾病惡化[9]

我有需要喝魚/雞精嗎?

對於健康的人來說,吃魚/雞肉當然比喝魚/雞精更營養。

以蛋白質為例,鱸魚每 100 克有 20 克的蛋白質,魚精則約含有 2.5 克左右;而去皮的雞胸肉每 100 克有 22 克的蛋白質,雞精則約含有 8 克左右,肉的蛋白質含量會比「魚/雞精」高得多。

且吃魚/雞肉可攝取到更多元的胺基酸、維生素 B 群和鐵等更多成分,營養會更完整且更美味。

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若覺得疲累,喝「魚/雞精」或許有助於改善疲勞,但如果是長期工作壓力累積的的疲勞,喝「魚/雞精」只能治標,不治本,還是得改變不良的生活習慣才能有效改善疲勞喔!

註解

超高壓加工(high pressure processing, HPP):包括動態高壓加工(High Dynamic Pressure Processing, HDPP)與高靜水壓加工(high hydrostatic pressure processing, HSPP)技術。

前者是運用衝擊波使加工原料更為均勻細碎化;後者是以水作壓力介質對原料進行加壓作用。屬非熱加工技術,優點在於食品風味不會受到高溫破壞,與新鮮原料較為相近,也具殺菌的效果。

目前全球已開發應用的產品包括肉製品、果汁和飲料、蔬菜製品、水產品等種類,但因高壓加工的成本遠高於熱加工技術,故在商業化應用的進展較為緩慢[10]

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參考資料

  1. 行政院農業委員會,2009。追溯鱸魚補身的秘密。食農教育資訊整合平臺
  2. 黃桂英、洪可珎、田宛容,2019。雞精~真「滴」營養嗎?。國泰綜合醫院營養通訊 108,1-4
  3. 食力 foodNEXT,2021。【食聞】什麼是「HPP」技術?用來製作鱸魚精,竟能保存更多營養?
  4. 林雨欣、李季樺、林家驊、顏薏貞、莊曜陽、陳冠文,2017。水產食品中超高壓加工技術的應用與發展現況。海大漁推 47,17-32。
  5. 金利食安科技股份有限公司,2017。專利編號 TW I600379 B。臺北市:經濟部智慧財產局。
  6. 白蘭氏,雞精製作過程
  7. Coombes, J. S. and McNaughton, L. S. 2000. Effects of branched-chain amino acid supplementation on serum creatine kinase and lactate dehydrogenase after prolonged exercise. Journal of sport medicine and physical fitness 40: 3 240.
  8. 陳冠文,2022。超高壓輔助鱸魚副產物之發酵水解物對調節血壓功能性與產品開發的評估。計畫編號 MOST 108-2221-E-019-040-MY3。臺北市:國家科學及技術委員會。
  9. 衛生福利部食品藥物管理署,2018。送長輩滴雞精,真能讓他們「補身體」嗎?。食藥好文網。
  10. 吳思節、劉育姍、徐源泰,2021。新型態高壓加工技術-蔬果產品加值應用之新契機。農業科技決策資訊平台
Evelyn 食品技師_96
23 篇文章 ・ 28 位粉絲
一名食品技師兼食品生技研發工程師,個性鬼靈精怪,對嗅覺與味覺特別敏銳,經訓練後居然成為專業品評員(專業吃貨)?!因為對食品科學充滿熱忱,希望能貢獻微薄之力寫些文章,傳達食品科學的正確知識給大家!商業合作請洽:10632015@email.ntou.edu.tw

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料理系動畫頂級湯底素材!——海鮮乾貨超濃郁鮮味從何而來?
Evelyn 食品技師_96
・2022/02/19 ・3346字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文/Evelyn 食品技師

每年農曆春節,到以辦年貨聞名的迪化街走一遭,可見南北雜貨行裡琳瑯滿目的海鮮乾貨,如魷魚乾、干貝、魚翅、乾鮑魚、昆布、魚乾或蝦米等,都是年節珍饈少不了的海味。

而說到乾貨,不禁聯想到動畫《中華一番》小當家為了拯救中毒的及第師父和嘟嘟,與下毒者面具廚師李嚴進行了一場攸關生死的料理對決──龍蝦三爭霸,第三回合比的便是龍蝦砂鍋料理。

李嚴用放了 16 年堪稱鮮味超濃縮的「頂級乾貨」作為湯底素材,包括鮑魚、魚翅、扇貝和海膽等做出海龍鍋,對上小當家用山菜做的四川家鄉味寶山飛龍鍋,然而李嚴終究還是不敵主角光環而不幸落敗。

為何用乾貨做料理,鮮味會如此濃郁呢?在這鮮美的乾貨背後,還隱藏了什麼危機?

動畫《中華一番》海報,左上方戴面具的即為廚師李嚴。圖/IMDb

連小當家都驚呼的高級素材「海鮮乾貨」濃郁鮮味怎麼來?

海鮮乾貨的鮮味之所以如此濃郁,是因為水產品原本擁有的呈味物質眾多,尤其游離胺基酸的含量非常豐富。一般親水性胺基酸提供食品良好風味,如甜味、鮮味及肉味等;不良風味係由疏水性胺基酸所提供,如苦味。

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麩胺酸(glutamic acid)為水產品的主要鮮味來源,以鈉鹽的形式存在,就是具有強烈鮮味的物質,即所謂的「味精」。其次為肌苷酸(inosine 5 ́-monophosphate; IMP),不但可提供鮮味,亦可使味道帶有圓潤感,並抑制酸味及苦味,具有緩衝風味的效果。這兩者共存還具有加乘作用,能使食品風味更加鮮美。

在水產品中,通常各自有某些胺基酸為其味道的主要特徵,如蝦是甘胺酸(glycine),海膽是甲硫胺酸(methionine);丙胺酸(alanine)和甘胺酸是甜味來源,這兩者在貝類及甲殼類含量最多,可能是味道較魚類鮮甜的原因。

因此海鮮經過乾燥這個脫水程序後,使味道更顯濃縮,也能釋放更多上述的呈味物質,在料理上便能發揮很好的調味效果。這些豐富的呈味物質是蔬菜所沒有的,甚至連畜產動物都沒這麼多,所以筆者認為李嚴用海鮮乾貨做的海龍鍋,怎麼可以輸給小當家用蔬菜做的寶山飛龍鍋呢?!  

炒米粉或肉粽都愛用的「蝦米」在 40 年前曾爆發食安危機?!

海鮮乾貨除了動畫愛用,臺灣民眾最常用的乾貨就非「蝦米」莫屬了,在年菜、炒米粉、廣東粥或肉粽等料理都十分常見。然而在 40 年前的臺灣,蝦米就曾爆發食安危機。

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根據行政院農業委員會水產試驗所(以下簡稱水試所)的調查報告[3],民國 70 年傳出蝦米含螢光增白劑的消息,引起國內軒然大波。

螢光增白劑係利用化學物質的螢光反應,改變物品顏色使其潔白鮮豔,一般用在造紙、印染、洗滌,不得用於食品或食品的容器或包裝(跟食品有接觸的部分)。另外經許多研究證實,螢光增白劑無致癌性,惟對嬰兒、皮膚敏感者可能會造成皮膚過敏等症狀。

當年水試所立即對國內的蝦乾製品進行調查,幸好結果顯示全數皆不含螢光增白劑,也發現添加螢光增白劑對於蝦乾的色澤不但沒有改進的效果,反而還變差。

筆者推測因為蝦類本身的甲殼素,在紫外光燈(365 nm)下有螢光反應[註 1],被誤認為是含有螢光增白劑,才會傳出不實的資訊,但實際上「有螢光反應」並不等於該物質「含有螢光增白劑」。 

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於紫外光燈(365 nm)下之螢光反應,左圖為蝦子甲殼素的螢光反應,右圖之右 2 為含有螢光增白劑的紗布所呈現的螢光反應。圖/參考資料 4

該起事件會如此一發不可收拾,是因當時國內蝦乾皆是以「散裝」的形式出售,不但容易受到污染,消費者亦無法辨識產品來源,一旦發生問題,整個加工業都遭殃,連帶漁民也蒙受無妄之災。

若各家廠商能以適當的小包裝密封供應,並在包裝外註明商號及來源,發生問題時比較容易調查或追究原因,可避免全體受責。

鮮蝦或蝦乾容易發生漂白劑殘留超標的問題

2016 年曾發生蝦子添加過量亞硫酸鹽類(sulfite; SO32-),導致二氧化硫殘留量超標的事件,是因為蝦子死亡後,體內的酵素會催化酪胺酸(tyrosine)代謝產生黑色素,使蝦體(特別是頭部)表面產生「黑變」的現象,易使消費者誤認為產品不新鮮了。

而亞硫酸鹽類會反應產生二氧化硫(sulphur dioxide; SO2),二氧化硫與水反應後轉變為亞硫酸(sulfurous acid; H2SO3),其具強還原性,在食品中能抑制該酵素活性作用,進而防止蝦子黑變發生。

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目前亞硫酸鹽類是合法的食品添加物,具有漂白、保存、防止氧化之功能,法規規定其殘留量(以二氧化硫計)在蝦類、貝類的限量為 0.1g/kg 以下。

雖然二氧化硫在限量標準內是不必擔心,且人體內具有可以代謝的酵素,可隨著尿液排出體外,但對某些特殊體質者而言,有可能會引起哮喘等呼吸道過敏反應,必須注意。

除了糖果、零食外,海鮮乾貨也常添加人工合成的著色劑

著色劑泛指添加於食品、飲料或其他應用而產生顏色之物質。由於消費者主觀的認知,著色劑常應用於回復加工過程中損失的顏色、改變食品外觀及提升整體感官品質。

根據國立臺灣海洋大學近期研究[7],針對國內各地區市場中販售的魚乾、魚卵及蝦米進行檢驗,結果發現三者皆有檢出著色劑,包含:

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  • 食用黃色四號 tartrazine(俗稱檸檬黃)
  • 食用黃色五號 sunset yellow FCF(俗稱日落黃)
  • 食用紅色六號 ponceau 4R
  • 食用紅色四十號 allura red AC

以上為合法食用的人工合成著色劑,然而魚卵和蝦米還檢出非法用於食用的著色劑,分別為酸性橙 7(orange II)和偶氮玉紅(azorubine),其中偶氮玉紅在我國雖非法,但在歐盟、日本或美國卻是合法著色劑,易因規範不同而造成違法事件,也凸顯出目前非法著色劑濫用問題仍然存在。

有研究指出,若長期食用這些合成著色劑可能會造成消化不良、貧血、過敏反應、生長遲緩及學齡前兒童過動症等健康危害。

值得注意的是,目前我國法規合法使用的著色劑,皆可於各類食品中視實際需要適量使用,並無最大使用量限制。但這些著色劑毒性很低微,也尚未有那些著色劑對人體直接有害的證據,是不需過於擔憂,比較需要擔心的是不肖業者添加了非法著色劑的風險。 

建議購買包裝標示清楚、完整的乾貨產品,並注意保存方式避免發霉

雖然法規規定上述的食品添加物一定要在包裝上標示,但對於一些散裝、來路不明的乾貨來說,可能就沒有標示可讀了,這就是一大風險!所以建議消費者盡量購買包裝標示清楚且完整的產品。

另外由於台灣氣候濕度高,乾貨可能會有發霉的疑慮,購買乾貨一定要確實密封好,並保存在陰涼乾燥處,能冷藏、冷凍更佳,也不建議購買像李嚴那種放了 16 年的乾貨喔!(他保存在甕裡都不會壞,筆者覺得害怕…)

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購買魚乾這類乾貨食品時,務必保存在陰涼乾燥處,避免發霉。圖/Pixabay

註解

  1. 螢光反應:物質受到紫外線照射時,其中某些化學鍵被紫外線激發,而轉換成肉眼可見的可見光釋出,這就稱為「螢光反應」,如植物的葉綠素或蝦蟹的甲殼素,在紫外光照射下都會有該反應。

參考資料

  1. Muse 木棉花,2021。中華一番(舊版小當家)第 26 話【致勝王牌!輕狂的惡魔】
  2. 黃宛儀,2014。探討臺灣產褐臭肚魚(Siganus fuscescens)及其加工品於不同季節、地域之呈味成分與鮮度變化。國立臺灣海洋大學食品科學所碩士學位論文。基隆。
  3. 陳聰松、黃文政、鄭溪潭,1981。台灣地區蝦乾螢光物質調查。行政院農業委員會水產試驗所 33: 429-440。
  4. 新北市政府衛生局。螢光增白劑
  5. 陳建元,2018。食用食物添加物(五版)。臺中市:華格那出版有限公司。
  6. 衛生福利部食品藥物管理署,2017。食品添加物使用範圍及限量暨規格標準。衛生福利部,台北市。
  7. 賴昱維,2018。高效液相層析搭配二極體陣列檢測器與四極軸軌道捕捉式質譜儀多重分析魚乾、魚卵及蝦米中 23 種人工合成著色劑。國立臺灣海洋大學食品科學所碩士學位論文。基隆。
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Evelyn 食品技師_96
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一名食品技師兼食品生技研發工程師,個性鬼靈精怪,對嗅覺與味覺特別敏銳,經訓練後居然成為專業品評員(專業吃貨)?!因為對食品科學充滿熱忱,希望能貢獻微薄之力寫些文章,傳達食品科學的正確知識給大家!商業合作請洽:10632015@email.ntou.edu.tw