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誰才是《電流大戰》的最終贏家?那些電影也沒說的幕後秘辛

張瑞棋_96
・2019/07/19 ・4611字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

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《電流大戰 (The Current War) 》這部電影,講的是交流電與直流電這兩種電力系統的攻防戰。如果你對特斯拉與愛迪生之間的恩怨情仇略有所知,一定有興趣看看《電流大戰》如何講述這段歷史。而如果你還是班奈狄克·康柏拜區(Benedict Cumberbatch)的粉絲,更會對他主演的這部新作充滿期待。

但如果你兩者皆是,那麼可能會和我一樣在內心哀號:「為什麼BC飾演的竟然是愛迪生,而不是特斯拉!」尤其《電流大戰》的試映會恰恰就在七月十日,特斯拉冥誕這一天(編按:《電流大戰》於台灣正式的上映時間為七月十九日)。

「為什麼BC飾演的竟然是愛迪生,而不是特斯拉!」(內心哀號)source: IMDb

———- 編按:以下有雷,介意的話看完電影再進來喔(雖然談的都是歷史,說有雷感覺哪裡怪怪的XD)———-

為什麼會如此哀號?愛迪生不是發明電燈,造福世界的偉人嗎?沒錯,從小課本告訴我們愛迪生如何努力不懈,才成為「發明大王」。

但課本沒說的是,真正點亮世界,並讓人類進入電氣世界的關鍵人物其實是特斯拉,而不是愛迪生。而且,愛迪生還為了商業利益打壓特斯拉、用盡手段阻撓交流電系統的推展。所以,我們當然希望康柏拜區飾演悲劇英雄特斯拉,而不是唯利是圖的愛迪生,對吧?

不過看完電影才發現,其實特斯拉在這部片子裡的戲份並不多。因為就像片中一位角色所說的,在這場直流電與交流電之戰中,背後真正的推動力量不是電流(current),而是金錢(currency)。

因此這部電影的主軸在於西屋電氣老闆威斯汀豪斯(George Westinghouse)與愛迪生的企業鬥爭,而不是特斯拉與愛迪生的個人恩怨。這雖然不免令人有些遺憾,不過相對而言,我們卻能循著這個脈絡來理解這場電流大戰,並進而釐清許多錯誤的迷思。

特斯拉在這部片子裡的戲份並不多,就連預告片也是在最後一秒才出現。圖/imdb

迷思一:電燈是愛迪生發明的?

很多人到現在都還以為是愛迪生發明了電燈,人類才開始用電力產生燈光,其實不然。首先,早在1802年,英國的戴維爵士(Sir Humphry Davy)就在英國皇家學會展示,鉑絲通電後會發出微微的亮光。當然這微弱的亮度不足以照明,但七年之後,戴維再次登台展示,他這次用兩千張鋅片與銅片所組成的伏打堆電池,接上兩根碳棒,在兩根碳棒之間製造出約十公分長的耀眼弧光。

這亮度遠勝當時的煤氣燈,因而激勵許多科學家陸續投入弧光燈的研究。因此如果電燈的定義是指由電力產生的人工照明,那麼在愛迪生發明電燈的七十年以前,就已經有電燈了(註一)。

戴維爵士拉開研究弧光燈的序幕。圖/wikimedia

即使不算弧光燈,只考慮適合居家照明的白熾燈泡,愛迪生也不是最先發明的人。從一八三零年代起,包括英國、比利時、法國、美國等地,就都有科學家相繼研發白熾燈泡,基本上都不脫在真空的玻璃燈泡內安裝燈絲,通電後讓燈絲發亮。

愛迪生雖然於1880年取得燈泡專利,但他的燈泡也是同樣這種架構;這也是為什麼後來愛迪生發現西屋電氣逐漸壯大,而於1885年提出侵犯燈泡專利的告訴,並在七年後贏得勝訴後,西屋只要避開愛迪生的螺紋燈座設計,改採按壓式的彈簧夾燈座就沒事了。

由愛迪生繪製的燈泡草圖。圖/wikipedia

當然,愛迪生的貢獻也不容抹滅。畢竟他也是試驗了無數種材料,最後才終於發現碳化的竹絲最耐久;而如何改善抽真空的技術與大量生產的製程,也是有他的獨到之處。不過,就像其它科學發明,電燈的發明也是許多前人累積的成果,決不是愛迪生一人的功勞。

迷思二:特斯拉發明交流電?

對於這場電流大戰的描述,我們看到的大多是以特斯拉為交流電的代表人物,因此可能在腦中埋下特斯拉發明交流電的印象。但其實交流電早就有了。

1820年,丹麥的大學教授奧斯特(Hans C. Ørsted)在授課時,偶然發現電線接上電池時,竟然造成一旁羅盤的指針轉動,因而發現電流會產生磁場,首度揭露電場與磁場有關。那麼反過來,磁場也會產生電流嗎?

許多科學家拼命做實驗就是試不出來,直到1831年,戴維過世兩年後,原本擔任他助手的法拉第(Michael Faraday)才發現原來磁場變動才會產生電流。法拉第運用這電磁感應的原理,做出世上第一台發電機(雖然要用手搖),而它所發的電就是交流電。這是因為當磁場的南北極反轉時,導線上的感應電流方向也會反轉,而既然磁場必須不斷變換才能一直產生感應電流,那麼電流方向當然也就不斷來回變換。

法拉第承繼戴維爵士的研究,做出世上第一台手搖式交流發電機。圖/wikipedia

後來的發明家不斷改善發電機,但都基於同樣的原理,因此所產生的電一開始都是交流電。交流電用來點亮電燈沒有問題,事實上,在愛迪生開展他的照明事業之前,某些城市就已經有採用交流電系統的弧光燈做為路燈了。然而電不只可以用來照明,在許多人(包括愛迪生)的夢想中,電力還能驅動馬達,取代笨重的蒸汽機,將機械化與自動化提升到全然不同的境界。問題是交流電會使得馬達也不斷改變旋轉方向,這樣根本派不上用場,因此需要將交流電轉換成直流電。

率先令這夢想得以成真的是比利時的發明家格蘭瑪(Zénobe Théophile Gramme)。他於1873年發明直流發電機,方法是在發電機內加入整流器。基本原理是這樣的:原本環狀導線兩端的電不斷一進一出改變方向,現在在導線兩端的位置各加裝一個電刷,使得環狀導線每轉半圈,兩端就會碰觸到左右不同電刷,那麼如果原本左邊的導線電流向前,轉了半圈到右邊時,電流變成向後(↑左、↓右、↑左、↓右、……),如此一來左右電刷每次收到的都是同方向的電流,所輸出的就一直是左出右進的直流電了。格蘭瑪同時也發明了直流馬達;有了發電機與馬達,人類才終於能跨入全面性的電力時代。

格蘭瑪成功地將交流電轉換成直流電。圖/wikipedia

那麼到底特斯拉對交流電做出什麼貢獻?

這還是得回到愛迪生與西屋的電流大戰說起。雖然直流電可以直接驅動馬達,但因為長距離傳輸容易耗損,不適合用於電網,因此必須到處佈建發電機,成本高昂。相對地,交流電發電機產生的交流電可以先用感應線圈提高電壓,便能長距離傳輸,直到靠近用戶端時,再用感應線圈降至符合電氣設備的電壓,因此只需幾個中央發電站,就能透過電網供電給廣大用戶,效益更高。

湯瑪斯·愛迪生(左)與喬治·威斯汀豪斯(右)。source:Wikimedia

問題是,交流電到了用戶端後怎麼驅動馬達?一個方式是在馬達裡放進整流器,先將電網傳來的交流電轉成直流電(類似直流發電機的原理,只是剛好反方向),再驅動馬達。但是電刷容易產生火花,又會耗損,因此不利交流馬達的推廣。特斯拉的最大貢獻便在於發明出「多相感應交流馬達」(註二),不但不用電刷,轉換動力的效率還更高。

馬達的應用甚廣,從一般家庭到大廈、工廠、礦場等不同場域,都有各種使用馬達的機械設備,因此特斯拉的發明更有助於西屋擴展交流電市場。而除了用戶端,發電廠本身也需要用到馬達,西屋的電網也因而更有競爭力,得以標到像芝加哥世界博覽會,以及尼加拉瀑布發電廠這樣的重大建設。 

迷思三:特斯拉被愛迪生打壓才窮困潦倒?

是的,特斯拉受雇於愛迪生時並未獲得合理對待,愛迪生還食言而肥,不發給他原本答應的五萬美元獎金。不過特斯拉後來窮困潦倒卻與愛迪生無關。

西屋既然贏得電流大戰,但特斯拉卻沒有因此名利雙收。圖/修改自maxpixel

威斯汀豪斯於1888年時,為了取得特斯拉的多相感應馬達,曾經答應除了預付兩萬美元,並分三期支付五萬美元外,馬達所產生的每匹馬力還要再付2.5美元的權利金給特斯拉。照理說,西屋既然贏得電流大戰,提供更多電力,特斯拉應該有源源不絕的權利金收入,為什麼晚年還會如此落魄?

原來1890年底,英國霸菱兄弟銀行(The Baring Brothers)傳出財務危機,在骨牌效應下,第二年西屋也面臨資金缺口。威斯汀豪斯一方面設法籌措資金,一方面不得不跟特斯拉攤牌,希望他放棄權利金。擁有浪漫情懷的特斯拉,除了感念威斯汀豪斯對自己的賞識,也一心想看到電力的全面普及,遂爽快答應了。有人曾經估算,就算截至1905年,特斯拉的馬達專利到期為止,他的馬達光在美國就已經產出七百萬匹馬力,這意謂著特斯拉至少放棄了一千七百五十萬美元的權利金,相當於今日的四億八千萬美元。若有這筆錢,特斯拉再怎麼將錢浪擲在他的偉大夢想上,仍應該可以過著相當優渥的晚年生活。

迷思四:誰是電流大戰的贏家?

特斯拉後來為了追求一個不切實際的夢想——提供全世界源源不絕的免費電力,而將所有積蓄都浪擲在這個計畫上,最終也賠上自己的信譽,再也得不到投資者的青睞。1934年起,特斯拉搬到紐約客旅館(Hotel New Yorker),他已無力負擔每月125美元的旅館房費,是由西屋電氣幫他墊付,一直到1943年特斯拉孤獨死於房中。

1943年特斯拉孤獨死於房中。source: Wikimedia Commons

威斯汀豪斯帶領西屋電氣平安度過1891年的危機,並以芝加哥世界博覽會與尼加拉瀑布發電廠的成功經驗,讓交流電打敗直流電,成為電網的輸送方式。不料1907年的經濟大恐慌再次帶給西屋財務危機,這次西屋雖然仍挺了過來,但威斯汀豪斯卻失去公司的控制權。七年後,威斯汀豪斯病逝,享年67歲。

愛迪生雖然因為背後金主摩根(J. P. Morgan)的強力介入,於1892年要求愛迪生的公司與另一家公司合併為通用電氣(General Electric Company,又稱「奇異公司」),而失去他的電力事業,但他在電影事業卻一帆風順,也一直受到美國人愛戴,稱得上名利雙收。

愛迪生的死對頭,威斯汀豪斯與特斯拉,分別於1912年與1917年獲美國電氣工程師協會頒發獎章,以表揚他們兩人的貢獻。不過獎章名稱卻是「愛迪生勳章」。你說,誰是贏家呢?

你說,誰是電流大戰的贏家呢?source: IMDb
  • 註一:其實俄國的物理學家佩卓夫(Vasily Vladimirovich Petrov)於1802年就用四千兩百個個鋅片與銅片組成前所未有的巨型伏打堆電池,展示更明亮穩定的弧光。可惜他在國內發表的論文並未傳到歐洲,直到十九世紀末才被發現。
  • 註二:當然特斯拉還有許多重要發明,包括廣播、無線電、遙控器,以及可以無線充電的特斯拉線圈。

參考資料:

  • 一、《光之帝國》,吉兒·瓊斯(Jill Jonnes)著,商周出版社
  • 二、”Generators
  • 三、en.wikipedia.org

延伸閱讀:

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 623 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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生活中無處不在的電:靜電的應用、交流電與導電性——《神奇物理學》
商周出版_96
・2022/10/15 ・2408字 ・閱讀時間約 5 分鐘

靜電在生活上的應用

我們的抱負是替每種造成生活困難的現象平反,要幫忙找到它們會讓人好過的例子,告訴大家在哪些情況下,它們是有用(甚至更厲害)或有趣的。但是老實說,我懷疑在靜電荷上是否能做到,它好像到哪都會造成困擾。不過有時靜電荷其實也很有用,許多雷射印表機沒有它就無法工作,感謝雷射印表機讓我們不必用鉛筆寫 14 公里。

簡單來解釋一下雷射印表機的運作原理:印表機裡面有個用來列印紙張的感光鼓(Image Drum),這個鼓是帶電,會曝露在雷射光下,而它曝露的地方就會因此被放電,最後會回頭在要充電的區域著色。然後,感光鼓會轉到碳粉那裡,碳粉也帶了電荷,只會附著在仍要充電的區域。感光鼓現在有了我們想要列印的精確圖像,它被引導至紙上將碳粉卸下。

蘋果公司的雷射印表機——LaserWriter Pro 630(1993 年)。圖/維基百科

現在我們的文件已經列印好了。為了不被弄髒,之後會再用滾筒施壓加熱固定,也因此從雷射印表機出來的紙張會有點熱。我們辦公室的雷射印表機曾經在最後一個步驟故障了,還是會列印,只是要手工加固顏色。

除了列印,靜電對打掃也非常有用,但不是清潔家裡,是打掃大型工業廠房時可以派上用場。

我們會用靜電過濾器來過濾空氣中的灰塵或煙灰,現在大略解釋一下它的作業過程:帶電的電線會將電子噴到要清潔的氣體中,這些電子會在該處碰到灰塵並對其充電,帶電的塵粒就會衝向另一個正電荷的電極,並在那裡落下。然後,你就只要關掉靜電過濾器的電源,並輕輕敲一敲。

殘忍的直流電與交流電戰爭

就算靜電很煩,但至少不會對身體造成重大傷害,不像從插座裡出來的電,會變得非常危險。

你肯定從小就被警告:不要讓吹風機掉進浴缸、不要摸沒有絕緣包覆的電纜!不可以把叉子插進插座裡!不管怎麼說,這些警告都有道理。但原因到底是什麼?如果我們在乾燥空氣中走在地毯上會產生高達 2 萬伏特的電壓,而且也毫髮無傷,那從插座出來的 220 伏特電壓又算什麼呢?

有些時候電會傷人,有些時候卻毫無影響,這是為什麼呢? 圖/GIPHY

吹風機泡在浴缸中不是件好事的最重要原因,是吹風機用的是交流電。你或許知道愛迪生(Thomas Edison)在 19 世紀末發明了燈泡,他希望燈泡能靠直流電運作,所謂的直流電就是電流在電路中朝一個方向流動,就像單行道一樣。

除此之外,愛迪生還希望用自己的直流電專利和只能計算交流電的電表賺愈多錢愈好。

然而,愛迪生有個最大的問題,就是直流電在長距離使用時,會損失大量的能量。他其實想利用這個問題,在不斷成長的電力市場上,從許多必要的發電站賺到額外的錢。不過隨著時間過去,他愈來愈輸給立場相對的交流電派的競爭對手。

身兼發明家和企業家雙重身分的喬治.西屋(George Westinghouse)與天才物理學家尼古拉.特斯拉(Nikola Tesla)合作,他們依賴交流電每秒會改變 50~60 次的特點。

交流電的優點:可以很容易升到高壓再降壓;可以傳輸幾百公里,損失的能量比直流電少。交流電的缺點:流經生物時,對其造成的危險比直流電大。儘管有這個缺點,威斯汀豪斯和特斯拉還是繼續更大範圍的銷售他們的專利。

愛迪生在大眾示威抗議下,透過電死動物發起一場可怕的反交流電運動,在悲傷的高峰時刻,他要員工替美國政府製造一把電椅,以展示交流電的致命性。但其實沒有用,交流電已經盛行起來了,因此可以替我們國家的所有電器設備(吹風機也包含在內)提供能量,無論是經過變壓器方便地使用或是直接利用。

交流電可替所有電器設備提供能量。圖/GIPHY

到底是什麼讓交流電這麼危險?我們身體裡其實一直都有微小的電交換過程在不斷發生,例如用這種方式刺激心臟跳動。但每個心跳週期中,都有一個階段心臟對干擾會特別敏感,也就是所謂的「易損期」(Vulnerable Period)。

如果我們在這個期間受到電擊,就會發生危及性命的心室顫動(Ventricular Fibrillation)。

使用交流電時,電脈衝會以每秒 50 次的頻率雙向流動,電力突波會剛好在易損期擊中我們的風險,會比用直流電還要高很多。不過,如果突波剛好在剛好的時間以適合的強度出現,那麼心臟的這種敏感性當然就有用——這就是心律調節器每天拯救生命的方式。

人體的導電性比你想的還強

我們不應該讓吹風機掉進浴缸還有另一個原因,就是水的導電性比我們想像的要低。我們都以為掉進水中的吹風機非常危險,是因為水可以導電。我們以前都聽父母這樣解釋過,這沒有錯,但也並不完全正確。掉進浴缸裡的吹風機的確很危險沒錯,但那是因為人體的導電性比水好。

就算自來水的導電性很好,但它並非最好的導體之一,例如銅的導電性就是它的 10 億倍。人體的導電性比自來水更強,因為我們不僅是由水組成,還含有許多的鹽,這就是人體比洗澡水更能導電的原因,除非我們在浴缸裡加了浴鹽或尿尿(當然沒人會這麼做),那就另當別論。

如果吹風機掉進水裡,電流在我們身體裡比在水裡更容易傳播,而這種效應還會因為我們整個身體都泡在洗澡水裡而增加,這樣電流的整個接觸面積就會非常非常大。

——本文摘自《神奇物理學:從重力到電流,日常中的科學現象原來是這麼回事!》,2022 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

商周出版_96
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閱讀商周,一手掌握趨勢,感受愜意生活!商業出版為專業的商業書籍出版公司,期望為社會推動基礎商業知識和教育。

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【2022 年搞笑諾貝爾工程學獎】旋鈕大小與手指數之間的完美關係:轉動音量鈕需要用到幾根手指?
linjunJR_96
・2022/09/29 ・1644字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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旋鈕多大才好轉?誰知道啊!

有些問題是生活中不斷遇到,卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度,還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時,指尖所操控的旋鈕該做多大,才是最好轉的呢?

「誰知道啊!」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道,但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點,甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎!

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦,表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎,頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授,以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量,松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時,如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

圖/Pexels

當我們看見一顆旋鈕,我們會透過目測其大小,來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕,我們會選擇只用拇指和食指來操作,更多的手指只會徒增不便;但如果是快十公分的大旋鈕,就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好,而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

此外,通常看到旋鈕就直接給它轉下去了,不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說,這個決策過程從小多次練習後,已經完全變成下意識的過程,只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇,只有做實驗才知道

在實驗室中,松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕,並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕,並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分,總共 45 種。結果顯示,當旋鈕越大,動用的手指數量越多(一如預期)。只要旋鈕直徑超過五公分,大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果,松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線,所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線,以利進行比較。上方的四條曲線,由左到右分別是食指到小指的位置,虛線則是統計標準差(當然,實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點,這裡簡單地用二次曲線進行擬合,比較好看)。

圖/參考資料 3

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下,人們手指位置如何變化。有趣的是,隨著旋鈕變大,四根手指的位置並非簡單地輻射向外,而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

不是為了搞笑,每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表,時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎,但是包括松崎教授在內的所有獲獎者,可是從來沒有要搞笑,而是以非常專業的態度在做他們的工作,這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後,松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把,可說是精通抓握之道的男人。

雖然得到搞笑諾貝爾獎,但研究內容都是超認真。 圖/GIPHY

松崎教授表示,他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係,並藉此創造最舒適的使用體驗,打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

參考資料

  1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
  2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
  3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.
linjunJR_96
31 篇文章 ・ 533 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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燕麥奶為什麼這麼好喝?如牛奶般微甜、絲滑的口感是怎麼來的?——解析燕麥奶的加工原理
Evelyn 食品技師_96
・2022/09/25 ・3649字 ・閱讀時間約 7 分鐘

你喝過燕麥奶了嗎?相信很多人第一時間都會想到 Oatly,它原先流行於歐美咖啡界,後來因全球興起植物性飲食,加上具有健康、永續等訴求,使得燕麥奶的風潮也迅速吹進臺灣來。

燕麥奶背後代表的健康與永續等訴求,讓風潮在這幾年間快速傳開。 圖/GIPHY

現在知名連鎖咖啡店星巴克與 Cama 的燕麥奶拿鐵皆使用 Oatly 製作;路易莎與 85 度 c 則採用愛之味研發的咖啡師燕麥奶;後來連鎖超商的現煮咖啡也紛紛跟進,如今「燕麥奶拿鐵」已成為咖啡廳菜單上必喝的飲品之一。

但是你有沒有想過,充滿膳食纖維的燕麥,做成飲料感覺應該是口感稠厚,並且有顆粒和渣渣感,然而這個新型態的植物飲品燕麥奶,喝起來卻有如牛奶一般,具有微甜、絲滑的口感,到底是如何辦到的呢?

燕麥有多營養?內含 β-葡聚醣幫助保健

那麼就先從「燕麥」這個原料開始談起。

燕麥(Avena sativa L.),因其果實外穎先端芒尖分叉如燕尾狀而得名,為溫帶地區一年生的作物[1]

燕麥果實外穎先端芒尖分叉如燕尾狀。圖 / 參考資料 1

燕麥穀粒結構一般可簡單分成胚芽(germ)、胚乳(endosperm)及麩皮(bran)三個部分,胚乳主要成分是碳水化合物與蛋白質,也是製造成燕麥奶最主要的來源;纖維主要存在於麩皮;而礦物質及維生素多存在於胚芽及麩皮中[2]

燕麥營養價值高,為蛋白質和膳食纖維的良好來源,其蛋白質含量約為 15-20%,燕麥球蛋白(avenalin)是最主要的蛋白質(約佔 70-80%),在穀類中被視為優良蛋白質的來源之一[3]

而 β-葡聚醣( β-glucan)是燕麥最具保健功效的水溶性膳食纖維,在遇水後會膨脹,形成人體無法吸收的膠狀體。故可延緩食物消化吸收的速度,延長飽足感,也具有降低血液中的低密度脂蛋白膽固醇(low density lipoprotein-cholesterol ; LDL-C)與血糖含量等益處[4]

燕麥穀粒結構。 圖 / 參考資料 3

改善燕麥糊化後變稠的關鍵——酵素水解

燕麥的主要由澱粉組成,具有高溶脹(high-swelling)的特性,在加熱過程中會快速吸水膨潤,於攝氏 44.7-73.7 度間(糊化溫度)糊化產生高黏稠性米白色漿體,甚至可達到如凝膠狀態的稠度[2]

這樣不但限制燕麥的添加比例,也增加製造過程中的操作與清洗難度。為了讓它保持流動性,有一道「酵素水解」的程序(酵素又稱為酶),可將澱粉分解成小分子以提升流動性,在加工過程中就能夠順利流動[2]

延伸閱讀:烘焙系動畫利用米做麵包——淺談米的科學與應用

而燕麥因澱粉含量高,需使用澱粉酶(amylase)進行水解,一般廣泛應用於澱粉水解的酵素有兩種,為 α-澱粉酶與 β-澱粉酶。

α-澱粉酶(α-amylase)是一種內切型葡萄糖苷酶,可任意切斷 α-1,4 糖苷鍵(glycosidic bond),生成大小不一的分子,包括直鏈和支鏈寡糖、麥芽糖、葡萄糖及糊精等產物,因反應完後產物黏度會急劇下降,故又稱「澱粉液化酶」。

β-澱粉酶(β-amylase為外切型葡萄糖苷酶,從澱粉的非還原端逐次以一分子麥芽糖為單位,切斷 α-1,4 糖苷鍵,產物為麥芽糖、少量糊精或葡萄糖,因此又稱「澱粉糖化酶」[5]

另外有研究指出,燕麥在水解過程中若單一使用 α-澱粉酶或 β-澱粉酶,無法使燕麥水解液兼具黏度降低與產生麥芽糖的優點,兩者混合使用的效果最佳[2]

微甜又絲滑的燕麥奶是怎麼來的?

既然澱粉酶是製造燕麥奶的關鍵,那到底是如何加工的?

首先,將燕麥加水浸泡軟化,研磨成燕麥漿,接著升溫至澱粉酶適合的作用溫度,加入澱粉酶進行水解。燕麥漿會從濃稠狀逐漸轉變為流動狀,並產生許多麥芽糖或少量葡萄糖等,甜度也會因此而提高。

水解結束後,將燕麥漿加熱至攝氏 90 度以上使澱粉酶失去活性(即蛋白質變性),然後進行過濾,去除無法水解的纖維和殘渣,獲得澄清的米白色液體,為燕麥水解液[2]

再將燕麥水解液與水、植物油、食鹽、磷酸鹽類或是其他營養成分混合,例如:可添加碳酸鈣,彌補燕麥奶缺乏鈣質的缺點;添加膠體以提升飲品穩定性;或是添加香料來增添風味。

將上述原料混合後進行均質(homogenization)[注 1],形成質地穩定的飲品,這樣就完成微甜(來自麥芽糖或葡萄糖等)又絲滑(來自植物油)的燕麥奶,即可進行殺菌、包裝來販售囉!

如此一來,我們熟悉的好喝燕麥奶就完成了。 圖/envato.elements

β-葡聚醣不見後,燕麥奶又為什麼能打成奶泡?

然而這樣的加工方式有個遺憾的缺點,那就是在後段進行過濾去除殘渣時,容易造成 β-葡聚醣損失。

因 β-葡聚醣大部分存在於大粒徑的殘渣中(麩皮),這些殘渣多為不溶性膳食纖維,故不會被澱粉酶水解[2],所以若想要補充 β-葡聚醣,建議直接沖泡燕麥片來食用會較容易達到保健的效果。

此外,燕麥奶之所以能打成綿密的奶泡,是因為燕麥含有的「蛋白質」具有起泡性。

燕麥奶打入空氣後,蛋白質展開,吸附到氣體與液體之界面處包住氣泡,蛋白質的疏水端隨之移動到氣泡內,親水端則移到氣泡外,與液體相互作用形成液體膜層,氣泡就被這個膜保留住,形成綿密的奶泡。

而起泡性會受到 pH 值、離子強度和糖質種類的影響,一般而言,添加鹼性材料可增加泡沫體積;添加糖質可增加泡沫安定性[5]

故一般市售燕麥奶均會添加磷酸鹽類(鹼性材料);糖質來自燕麥水解液本身的產物,即麥芽糖或葡萄糖等,就不需再額外添加。

燕麥奶本身含有的蛋白質,與添加磷酸鹽類,都可以幫助燕麥奶打出綿密的奶泡。(本圖僅供示範,請勿浪費食物!) 圖/GIPHY

為什麼燕麥奶的成份表沒有標出「酵素」?

不過,仔細看市面上燕麥奶的成份標示,似乎都沒有標出「酵素」或「澱粉酶」等字樣,依《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》,酵素屬於食品添加物[注 2],不是應該要標示出來嗎?

因為法規特別規定,食品添加物若在食品加工製造使用,在終產品完成前,經過中和、去除或以其他方法使其失去活性,對終產品無功能者,得免予標示[注 3]

上述分享了這麼多燕麥奶的小知識,是因為隨著友善環境與健康意識的抬頭,植物基產品已成為現代人的食尚新選擇,而「燕麥奶」便是新型態植物基飲品的最佳代表。

燕麥奶不但能打發出綿密細緻的奶泡,適合搭配咖啡或茶,最近還發展出更多元的料理方式,像是製作成燕麥奶吐司、燕麥奶甜點,甚至還能入菜,做成燉飯或是燕麥奶火鍋等,提供素食者更多友善低負擔的美味餐點[8]

相信未來會有愈來愈多人來一同響應這股蔬食趨勢,甚至成為新的飲食型態。

相信未來會有愈來愈多人喜歡上這股新形態的飲食風潮。  圖/GIPHY

註解

1. 均質(homogenization),利用高壓所產生的剪切力,將大小不一的脂肪球撞碎成大小均一且細小的脂肪球,使脂肪球能均勻散佈在水中,形成穩定且均勻飲品,才不會產生油水分離的現象。

2. 酵素在《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》中,被歸於第 (十七) 其他類別的食品添加物[6]

3. 食品安全衛生管理法施行細則第九條第二項指出,食品添加物若對終產品無功能者,得免標示之[7]

參考資料

1. 莊溪,2000。燕麥。認識植物。

2. 陳愉婷,2020。燕麥應用於植物性飲品之研究開發。食品工業 52:07,49-54。

3. Chu, Y. and Blatner, D. J. 2016. The Whole Grain Picture: Sharing the Science Behind Oats. International Journal of Food Science and Nutrition 1: 6 1-10.

4. Deswal, A., Deora, N. S. and Mishra, H. N. 2013. Optimization of Enzymatic Production Process of Oat Milk Using Response Surface Methodology. Food and Bioprocess Technology 10.1007/s11947-013-1144-2

5. 顏國欽,2020。最新食品化學。臺中市:華格那出版有限公司。

6. 食品藥物管理署,2022。食品添加物使用範圍及限量暨規格標準。衛生福利部。

7. 食品藥物管理署,2017。食品安全衛生管理法施行細則。衛生福利部。
8. 經濟日報 新聞部編輯中心,2021。台灣首發「燕麥奶入菜」 美味復「蔬」計劃正式啟動。聯合報系。

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Evelyn 食品技師_96
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一名食品技師兼研發專員,對食品科學充滿熱忱。有鑒於近年發生許多食安風暴,大眾對於食品安全的關注越來越高,網路上卻充斥著不實資訊或謠言。希望能貢獻微薄之力寫些文章,讓更多人有機會認識食品科學的正確知識!想獲得更多食品營養資訊可追蹤作者的粉絲專頁喔!https://www.facebook.com/profile.php?id=100066016756421