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世上最容易讓人放屁的食物是哪些?——《一顆屁的科學》

時報出版_96
・2019/09/02 ・2152字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

編按:吃什麼食物容易放屁?這些增加「屁產量」的訣竅是本書作者收集自胃腸醫學專家與科學研究者的建議,還有數百名接受訪問與問卷調查的可愛民眾。一起來看看哪些食物是讓人容易排氣的元兇?

豆子與其他富含棉子糖的食物

聖傑洛姆(St Jerome,AD 347-420)曾建議修女們要避免食用豆子,因為 “partibus genitalibus titillations producunt”(拉丁文原意:它們讓人陰部發癢)。大家很好奇聖傑洛姆為何這麼懂陰部,但我想他原本要講的是放屁,只不過搞錯了。像是黃豆、斑豆、菜豆這些豆類,還有青花菜與蘆筍,都含有許多纖維,特別是像棉子糖以及水蘇糖、毛蕊花糖這樣精巧的寡糖。我們的小腸內沒有分解它們所需的酶(一種稱為 α-GAL 的酶),所以寡糖完完整整地保持原樣進到結腸,還好,結腸裡的細菌擁有這種酶,它們爭先踴躍地使寡糖發酵,進而產生大量氣體,一部分是因為它們喜愛纖維,一部分是因為寡糖發酵的同時會使細菌更賣力運作,有效地為這過程灌飽動力(寡糖類物質有益菌生的功用,提供體內益生菌動力)。

洋蔥、大蒜與韭蔥

這些食物含有聚果糖,聚果糖是種果糖聚合物,是另一種需要由腸道細菌而非小腸消化酶來分解的複雜碳水化合物。不同種類的洋蔥產生的屁量也不同。

十字花科蔬菜

又稱為蕓薹科蔬菜,高麗菜、花椰菜、青花菜以及抱子甘藍。這些蔬菜含有許多可溶性纖維(與大量維生素 C),可供細菌飽餐一頓,不過也帶有不少硫代葡萄糖苷─來自葡萄糖與胺基酸的有機化合物,內含硫與氮─這種物質讓蕓薹科蔬菜帶輕微苦味,並且會分解為氣味強烈的帶硫化合物。

十字花科蔬菜、香菇和全穀物食材都是容易讓人放屁的食物。圖/時報出版提供

全穀物食材

包括全穀物麵包、麩皮、燕麥等。它們滿載著可溶性纖維,直接送達結腸,你彷彿能看見自己的腸道細菌興奮搓手、流著口水的樣子。這些食物可以製造大量的屁,但是不太可能為屁臭味做出什麼貢獻。

水果

這一項大概出乎你意料之外,但是包含李子、杏子、乾果李、桃子在內的很多水果(特別是果乾),都含有天然糖醇,這會讓細菌們在大腸裡開心發酵,樂在其中。

未成熟的香蕉

和熟透的香蕉比起來,未成熟香蕉有較多澱粉(屬於聚合醣類)與較少的單醣,這些抗性澱粉直接通行至結腸進行消化。這類香蕉無害,只是我不懂為什麼有人想吃還沒熟的香蕉。

想不到吧!很多水果都容易使人放屁。圖/時報出版提供

柳橙襯皮

有豐富果膠,是另一種澱粉(屬於聚合醣)。就像未成熟香蕉一樣,這類食物會直接向下運行,送到結腸發酵。

肉類與乳製品

高蛋白食物不一定會增加我們的排氣量(通常產生的量還較少),但對於臭味卻是大大的加分。蛋白質的基礎是胺基酸,有兩種胺基酸會分解成很臭的硫化物。有研究顯示,半胱氨酸這種胺基酸能增加腸胃裡的硫化氫排放量高達 700 %。

* 含有硫的兩種胺基酸分別是:甲硫胺酸 NH2CH(CH2CH2SCH2)CO2H 與半胱氨酸 NH2CH(CH2SH)CO2H。半胱氨酸氧化以後會產生「雙硫鍵」CH2-S-S-CH2,這可以讓蛋白質維持在正確的型態。

高脂肪食物

油脂是很迷人的,可在小腸被分解為 pH 值低的脂肪酸,因此我們會釋出高 pH 值、鹼性的碳酸氫鈉來中和它,讓 pH 值回到接近 7 的程度(不覺得人體很聰明嗎?)。碳酸氫鈉與脂肪酸的中和反應會產生二氧化碳氣體,使人感覺脹氣不舒服(若想看那是什麼情況,你可以試著將一茶匙小蘇打加入兩茶匙的檸檬汁裡)。這些二氧化碳有些被吸收進入血液,有些則流向結腸。

馬鈴薯與穀物

這些食物含有可製造屁的聚果糖,會在結腸中分解。有個意想不到的變化很有趣:它們其實會減少臭味。研究顯示,食用馬鈴薯與穀物會使硫化氫產量減少 75%。

義大利冷麵與涼拌馬鈴薯

這項有點奇特,煮過的澱粉類食物冷卻後(特別是在冰箱中),會形成大型碳水化合物,稱為第三型抗性澱粉,是另一種腸道細菌特愛的多醣物質。

乳糖

牛奶微甜是因為含有這種糖,它會讓人更容易放屁,尤其是有乳糖不耐的人。如果你有這種情況,那麼你的小腸缺乏能分解乳糖的消化酶,乳糖會轉而由結腸裡的細菌來分解。細菌吃下沒消化過的乳糖會製造出氫氣,這也是乳糖不耐症的診斷依據之一。

香菇

香菇含有一種稱為甘露醇的多元醇(糖醇),會被腸胃細菌消化,有輕微通便助瀉的作用。糖醇被專門用做糖尿病飲食裡的糖精,因為不易被小腸吸收,必須等到之後的腸道才分解。

健身用高蛋白粉

大家都知道練重訓健身者放的屁特別臭,一般認為是因為他們額外攝取了會產生硫的蛋白質,導致胃腸細菌製造的硫化氫排放量增加。

山梨醇無糖口香糖

做為代糖的山梨醇通常是以玉米糖漿製成,熱量比一般蔗糖(餐用砂糖)低,常常是口香糖的甜味劑。山梨醇無法被消化,可能導致胃腸不適,可作通便瀉藥之用,將水分引入大腸,刺激腸道運動。它的分子質量大,使它在小腸中難以分解,只好來到結腸。到了結腸,山梨醇會增進腸道細菌的發酵能力,促進氣體產生。

所以到底吃什麼才不會放屁啦(崩潰)。圖/時報出版提供

本文摘自《一顆屁的科學》,2019 年 7 月,時報出版

 

 

 

 

 

 

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時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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聚餐的夢魘:飯前咕嚕咕嚕,吃飽後就狂拉屎、打嗝和放屁?我的身體到底在幹嘛!——《了不起的人體:如此精妙,如此有趣,說不定還能救你一命》
如何出版
・2022/07/25 ・1967字 ・閱讀時間約 4 分鐘

放屁和打嗝居然有共同點?

為什麼放屁會臭?因為大腸裡的細菌分解食物,產生硫醇和硫化氫等臭味氣體。硫化氫被形容是「有如臭雞蛋」,這也是溫泉飄著臭味的原因。對於細菌來說,這種作用是生存的必要活動。

有了這方面的常識,很容易會誤以為「屁是腸子裡產生氣體」,但並非如此,屁大半是從嘴巴吃進去的空氣。

我們在吃東西的時候,會把空氣一起吃進肚子。進入胃的空氣,一部分會逆流從嘴巴排出,一般稱之為「打嗝」,醫學上稱之為「噯(ㄞˋ)氣」;剩下的空氣就和食物一起到小腸,藉由腸蠕動不斷往下,最後連同大腸內的臭味氣體一起從肛門排出,這就是屁。

空氣就和食物一起到小腸、大腸,最後連同大腸內的臭味氣體一起從肛門排出,這就是屁。圖/Pixabay

吃東西又急又快,就很容易吃進空氣。吃下去的空氣量多,當然打嗝和放屁的次數也會增加。雖說如此,進食時也不可能完全都不吃進空氣。

進行腹部斷層掃描時,每個人的腸道裡一定都有空氣。量的多寡因人而異,有人多、有人少。但是以健康的人來說,腸道內完全拍不到空氣是不可能的。不管吃東西時多慎重,一定會吃到空氣。

肚子咕嚕咕嚕叫不一定是肚子餓?

空腹時肚子會叫,大家一定都會有這樣的經驗。但是其實不限於空腹,肚子其實經常會「叫」。證據就是拿聽診器聽腹部的時候,只要是健康的人,聽起來都會咕嚕作響。我們覺得「肚子在叫」時,是只有「聲音大到不用聽診器也聽得到」。

只要是健康的人,用聽診器聽腹部的時候,聽起來都會咕嚕作響。圖/Pexels

肚子的聲音主要是腸道(大腸和小腸)搬運食物所發出的聲音。腸子隨時都在蠕動,但主要還是有二種模式,一是空腹時的「空腹期收縮」,另一種是進食後的「進食期收縮」。

腸道的收縮力在空腹時更大,從胃、十二指腸開始的收縮會一路傳到小腸末端,這是為了要讓腸道內殘留的胃液和腸液往下游送出,為下一餐做準備。這也是為什麼空腹時比較容易聽到腹鳴的理由。

當然,在肚子不餓時也可以聽到腹鳴,這是腸道不斷在運動的緣故,不需要大驚小怪。腸道運動活潑,代表很健康。

進行腹部手術的時候,打開腹部就會直接看到腸子,此時腸道蠕動聲真是非同小可。平常都是隔著腹部聽到的聲音,沒有遮蔽物後變大聲很正常,而且是整個手術室都聽得到的大音量。

大家可能認為聽診器都是拿來聽胸部,但像我這樣的消化器官專科醫師,拿聽診器來聽肚子的機會更多。

食物又不會偷跑,為什麼總是「剛吃飽」就想大便?

吃完飯後沒多久一定會有便意,你也有這種經驗嗎?

很多人都是在家吃了早餐後,上完大號才去上班。但應該也有本來沒有便意所以直接出門,結果走著走著卻便意襲來而後悔不已的經驗吧?

午餐後也一樣。我經營的醫療資訊網站有解說排便相關的文章,點閱率非常明顯的集中在平日中午十二點到下午一點的時候。這個時間帶排便的人很多,想當然耳搜尋「腹瀉」、「血便」也會增加。

平日中午十二點到下午一點的時候,關鍵字搜尋「排便」、「腹瀉」、「血便」的數量都會增加。圖/Pixabay

「用餐後就想大便」乍看之下理所當然,但仔細想想卻很不可思議,因為食物不可能那麼快就變成糞便。

慢慢地消化,經過腸道運動往下運送,也要一到兩天才會排出糞便,不可能像削鉛筆機那樣,把積存在腸道內的糞便推出去。

如前所述,食物會在胃裡稍作停留,然後才徐徐進入十二指腸。也就是說進食後感到便意而去上廁所的時間點,食物大部分還在胃裡。

那麼為什麼進食後會有便意?事實上是因為「食物進入胃部會促進大腸蠕動」,這稱為「胃結腸反射」,也就是吃東西的時候,大腸內積留的糞便就會反射性地往下運送,所以會感到便意。

當然,這還是會有個體差。平常便祕的人可能會想,如果能這麼容易有便意就好了。每個人對胃結腸反射的反應不盡相同。

——本文摘自《了不起的人體:如此精妙,如此有趣,說不定還能救你一命》,2022 年 7 月,如何出版,未經同意請勿轉載。

如何出版
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烘焙系動畫利用米做麵包——淺談米的科學與應用
Evelyn 食品技師_96
・2022/05/24 ・2985字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

「英國麵包、德國麵包、法國麵包通通都有,就是沒有屬於日本的麵包,既然這樣,今後只好自己創造」,這句熟悉的旁白有沒有令你想起日本動畫《烘焙王》呢?

擁有太陽之手的主角東和馬,在摩納哥盃決賽中遇上一位強勁對手夏多,在這場決賽中,夏多製作出的 Gopan 米貝果讓評審小丑讚嘆,是實現了人類前所未見的頂級口感麵包[1],到底用米做的麵包口感會是如何呢?米還能怎麼應用?

秈米、梗米和糯米特性、用途大不同

動畫中,夏多使用夢幻的「女鶴糯米」做米貝果,是日本山形縣的特產,雖然柔軟卻很有嚼勁,非常適合做紅豆飯或麻糬。

但除了糯米,改用秈米或粳米製作又是如何?首先需要瞭解這些米特性的差異。

稻米依照直鏈澱粉(amylose)及支鏈澱粉(amylopectin)比例不同,而有不同的特性,應用的加工用途也就不同,主要概分成秈米、粳米及糯米,如下表。

秈米、粳米及糯米直/支鏈澱粉含量、外觀特性及用途比較。表 / 彙整自參考資料 23
秈米、粳米及糯米(秈糯與粳糯)之外觀。圖 / 參考資料 2

糯米因支鏈澱粉含量愈高,產品黏性愈強,愈不容易消化;直鏈澱粉含量較高的秈米則反之,因此不同的米所製作出來之產品特性就有所差異。

支/直鏈澱粉含量差異是造成米種特性不同的主因

動畫中,夏多是用蒸熟的糯米去製作貝果,而不是生米,這牽涉到澱粉的糊化與老化特性:

  1. 糊化(gelatinization):生澱粉顆粒經過加水、加熱後,澱粉結晶型態發生改變,澱粉顆粒體積及黏度增加形成膨潤狀態(swelling),此過程即稱之為糊化,一般剛煮好的熟飯即是這種狀態。
  2. 老化(retrogradation):經過糊化完全的澱粉,於室溫緩慢冷卻時,會形成半固體狀之膠體物質,隨著時間逐漸乾燥脫水,最終形成無法再復水的固體物質,即為老化,或稱回凝。如剛蒸好的飯經長時間放置,飯會變硬、外表龜裂並呈半透明狀。

通常支鏈澱粉含量愈高,澱粉顆粒愈容易糊化,老化速度愈慢,而直鏈澱粉含量愈高則反之。

而現在市面上有一種預糊化(pre-gelatinization)米穀粉,即是利用高溫使生米糊化,並直接將「糊化狀態的米」乾燥,如此便不會發生老化。

預糊化米穀粉的優點在於易溶解於水,可增加米穀粉跟水分的結合力,讓烤出來的米麵包更濕潤,表面不易有裂紋[4]

更有研究發現,以熟飯(糊化狀態)取代配方中部分麵粉所製作的米麵包,比使用生米穀粉所做的米麵包膨發效果更佳[5],這或許是夏多的米貝果長得特別巨大的原因吧。

小丑評審準備要試吃米貝果。圖 / 參考資料 1

糯米特性適合加進麵糰裡做軟 Q 的貝果

我國臺南區農業改良場(以下簡稱臺南場)即利用上述特性,開發出使用多種米種調配之米穀粉,一般直鏈澱粉含量為 16~23% 米適合做鬆軟的麵包,具半糯性的粳米(直鏈澱粉含量 5~15%)則適合做快速麵包類產品,如英式鬆餅及瑪芬[6]

亦有研究探討添加糯米、粳米以及秈米的米穀粉於生麵糰中,對麵包品質的影響,結果添加「糯性」米穀粉所做的麵包不但硬度較低,且麵包切面有較多細緻的孔洞,具有彈性與嚼勁,且因支鏈澱粉含量高,還可以延緩麵包的老化(變硬)發生[7]

聽起來加「糯米」去做麵包的質地,是不是非常適合同樣擁有多細緻孔洞,口感軟 Q 帶勁的貝果呢!

然而米麵包的保濕性不佳,烤焙時水分更容易散失,所以夏多為了改善米貝果烘烤後會整個硬梆梆的缺點,就改用油炸的方式。

「油炸」使米麵團表面溫度迅速上升,水分亦快速汽化蒸發,使其表面形成金黃酥脆的硬殼,水分保留在內部組織。且由於高溫烹調產生梅納反應[註 1],增添米貝果誘人的色澤與香味,替美味程度大大加分。

如此可推論,夏多的米貝果表面金黃酥脆,內部組織鬆軟又具嚼勁,保濕性好,而且還不容易硬掉,形成小丑評審所說的「頂級口感」。

米的應用多元,還可做米糆包、蛋糕或植物米奶

除了米貝果之外,臺南場出版《米糆包製作技術》一書,介紹如何使用米穀粉,製作各種發酵類糆包及點心,如美國貝果、德國布雷結、法國長棍、義大利巧巴達、瑞典肉桂捲、比利時鬆餅、法國瑪德蓮、墨西哥捲餅和鳳梨米蛋糕等,充分發揮米產品的特色。

另外,財團法人食品工業發展研究所也開發植物米奶、沖泡穀粉及穀物棒,以及低過敏性的米蛋白機能飲品,不但容易消化吸收,更可作為高蛋白營養補充劑原料,解決乳糖不耐問題[8]

之所以要鼓勵國產米的應用,主要是為了為提升稻米消費量。據農委會統計,1980 年代時,國人每年平均食米量有 90 公斤,糧食自給率至少還有 55%;但到了 2020 年,每年平均食米量已經跌到 44.1 公斤,是史上最低,糧食自給率更是下滑至 31.4%,已衝擊稻米產業發展[9]

食工所開發植物米奶、沖泡穀粉及穀物棒。圖 / 參考資料 8

尤其近期國際小麥價格大漲,而國產米供給充裕、價格穩定、食物里程短、營養價值高、應用層面廣泛,優點如此之多,鼓勵大家可以多吃國產米食喔!

註解

  1. 梅納反應(maillard reaction):在烹調過程中,食物中的碳水化合物與胺基酸、蛋白質在烹調加熱時發生的一連串複雜的反應,生成了棕黑褐色的大分子物質,即是梅納反應。反應過程中會產生不同氣味的分子,包括還原酮、醛和雜環化合物,這些物質提供了誘人的色澤與風味。

參考資料

  1. Muse木棉花,2021。烘焙王 第51話【網羅頂級食材!!史上最大的決戰! 】
  2. 教育部食品加工科學習加油站。米食加工
  3. 陳凱詩,2019。長糯米、圓糯米哪裡不同?紫米原來也是其中一種!。自由時報
  4. 陳盈方,2012。米食加工產品之開發-稻米預糊化技術。行政院農業委員會臺東區農業改良場
  5. 張舒涵,2014。米穀粉或糊化米混合麵粉製備米包之特性探討。國立宜蘭大學食品科學所碩士學位論文。宜蘭
  6. 陳曉菁、王仕賢,2012。米穀粉品質對烘焙產品之影響。行政院農業委員會臺南區農業改良場
  7. 林玫欣、蔡明原。2004。米穀粉對於烘焙類產品性質之影響。烘焙工業 118: 27-33
  8. 行政院農業委員會,2021。植物蛋白新選擇 成功開發國產米蛋白休閒食品。農業科技專案計畫服務網
  9. 林怡均,2021。2020統計》糧食自給率和食米量雙下跌!肉類攝取量超過米麵總和,成台灣人「主食」。上下游 News&Market
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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

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有批蛋白質好便宜的?想說這句話你需要一座「蟲蟲生物工廠」——《科學月刊》
科學月刊_96
・2021/09/15 ・4496字 ・閱讀時間約 9 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 作者/林家揚|臺大昆蟲學系碩士生。
  • 作者/林鈺淳|臺大昆蟲學系博士生。
  • 作者/吳岳隆|臺大昆蟲學系副教授。
  • 作者/黃榮南|臺大昆蟲學系教授。

Take Home Message

為了大規模生產出我們想要的蛋白質,以製造出疫苗、蛋白質藥物、保養品等產品,目前已有許多方式能進行蛋白質表現。而昆蟲表現系統在細胞培養的成本低,且其蛋白質轉譯後修飾系統和真核生物比較接近,使其具有生產上的優勢,但它還是難以供應大量市場需求。

若能直接把昆蟲當作生產蛋白質的工廠,利用病毒感染蟲體後,再從蟲體的體液中回收蛋白質,便能提高產量、降低生產成本,而這也是所謂「生物工廠」的概念。

嚴寒的冬季往往是許多病毒歡樂肆虐的嘉年華,狡猾的它們趁著天氣寒冷、人們免疫力下降時趁虛而入,並在人體內引起如發燒、咳嗽、流鼻水等症狀。為了避免這樣的情況發生,許多人選擇施打疫苗以抵抗這些病毒,但是我們該如何快速生產這麼多疫苗來供應所有需求? 

傳統疫苗大多由蛋白質組成,而且需求量極高。因此需要一個能夠大規模生產、效率夠高,同時成本較低的蛋白質生產模式,而此生產模式也可以應用在其他和蛋白質相關的產品上,例如蛋白質藥物或保養品等,不過有哪種生產模式能符合這麼多要求呢?

哪些方法能製造出想要的蛋白質?

你第一個想到的也許是基因改造生物(genetically modified organism, GMO,簡稱基改生物),只要靠著修改生物的基因序列,便能替我們生產出需要的蛋白質。雖然這是一種可行的方式,不過以大規模生產的角度來說卻不可行,因為創造基改生物並非一朝一夕就能達成,從完整的生物個體層級來看也是非常困難的事情,更牽涉到生物體內各式各樣的生物系統。

也許我們修改的基因會對生物造成負面影響;又或是修改的基因序列表現量不佳,無法工業化大規模生產,這些潛在因素都可能使得修改基因序列難以成功且無法預測。此外,創造基改生物的成本高昂,以表現特定蛋白質來說,投資基改生物所需的時間和成本並不符合效益。

隨著科技進步,我們目前已經有更多選擇能進行蛋白質表現,包括大腸桿菌表現系統、酵母菌表現系統、昆蟲表現系統、哺乳動物表現系統等(圖一)。由於真核生物(eukaryote)和原核生物(prokaryote)的蛋白質轉譯後修飾(post-translational modification)有所差異,因此大部分會將大腸桿菌和酵母菌的表現系統,應用在原核生物的蛋白質表現;而昆蟲和哺乳動物的表現系統,則應用在真核生物的蛋白質表現。雖然酵母菌是真核生物,但因為其蛋白質轉譯後修飾系統和原核生物比較接近,所以大多還是使用在原核生物的蛋白質表現,那麼我們要如何選擇這幾個表現系統? 

圖一:四種不同的蛋白質表現系統

真核生物和原核生物的蛋白質轉譯後修飾不同,因此大部分會將大腸桿菌和酵母菌的表現系統,應用在原核生物的蛋白質表現;而昆蟲和哺乳動物的表現系統,則應用在真核生物的蛋白質表現。雖然酵母菌是真核生物,但因為其蛋白質轉譯後修飾系統和原核生物比較接近,所以大多還是使用於原核生物的蛋白質表現。圖/Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH, Public Domain, Wikimedia Commons; 123RF; Photo by Andrew Claypool on Unsplash; 123RF)

若是從人類的角度來看,由於人類屬於真核生物,我們該選擇的不是昆蟲表現系統,就是哺乳動物表現系統。而這兩個表現系統又以昆蟲更勝一籌,在大規模生產的考量之下,昆蟲的表現系統在細胞培養的成本遠低於哺乳動物。哺乳動物的細胞培養需要非常多精密又昂貴的儀器和消耗品,例如能控制溫度和二氧化碳濃度的恆溫箱及細胞培養液,使得培養哺乳動物細胞的條件變得非常嚴苛。

由於生產過程的高成本,若想利用哺乳動物的表現系統大量生產蛋白質,便會有一定的困難度,更不用說哺乳動物系統不管是在細胞層級,還是生物個體等,大多都有法規上的問題,這些因素造就昆蟲表現系統在生產上的優勢。

用「病毒」製造出我們要的蛋白質吧!

既然如此,究竟要如何利用昆蟲來大量製造特定的蛋白質呢?答案其實很簡單,就是「病毒」。

病毒在感染寄主細胞後,能夠用寄主細胞內的資源來表現自己的基因,因此只要將病毒基因中的一部分序列,修改成我們想要的目標蛋白質序列,就能藉由病毒製造出特定蛋白質。也因此,「選擇何種病毒」是昆蟲表現系統中的關鍵,這個病毒必須具備能大量表現特定基因的能力,而且其宿主細胞也必須容易培養,這樣才能將產量提升到最高。而在這麼多種的病毒中,能滿足這麼多條件的就只有「桿狀病毒」(baculovirus)了。

目前在昆蟲表現系統上,最被廣泛使用的桿狀病毒是加州苜蓿夜蛾核多角體病毒(Autographa californica multiple nucleopolyhedrovirus, AcMNPV),屬於桿狀病毒科的一員,是一種雙股 DNA 病毒。核多角體病毒(nucleopolyhedrovirus, NPV)能感染多種鱗翅目(Lepidoptera)幼蟲,例如蝴蝶、飛蛾類幼蟲,而且在病毒感染蟲體後,會產生一種由「多角體蛋白」組成的結構,稱為「包涵體」(inclusion body)。

我們可把包涵體想像為一個用來包裹病毒的堅硬外殼,不只能保護病毒不受到外界傷害,甚至還可以讓病毒在自然環境中存續一年以上。這些能力讓它成為一種具有防治潛力的生物農藥,能以不使用化學農藥的方式控制蟲害。核多角體病毒的感染途徑從鱗翅目幼蟲的口器開始,當幼蟲取食到含有包涵體病毒的葉片後,包涵體就會順著幼蟲的食道進入其體內,到達中腸後,包涵體的多角體蛋白結構會被幼蟲中腸裡的鹼性腸液分解,並釋放出病毒粒子。

由於病毒粒子非常細小,直徑只有 250~300 奈米(nm),寬度也只有 30~60 奈米,可以直接穿過幼蟲中腸的圍食膜(peritrophic membrane)〔註〕;當病毒粒子穿過圍食膜後,會和中腸的上皮細胞接觸並發生膜融合。此時,病毒的蛋白質外殼會在細胞內被分解,而病毒 DNA 則會被送入細胞核中,開始製造出芽型態的病毒(budded virus),這些出芽型態的病毒會在細胞裂解後進入血體腔(hemocoel)內,進一步感染其他組織和細胞,造成二次感染(圖二)。在感染階段的晚期,病毒會大量表現多角體蛋白並組裝成包涵體,在蟲體死亡後釋出到環境中,因此多角體蛋白結構正是昆蟲表現系統中的關鍵。

圖二:核多角體病毒的感染機制

圖/科學月刊提供

該怎麼做出目標蛋白質?

由於多角體蛋白會在病毒感染晚期大量表現,所以只要將多角體蛋白序列換成目標蛋白質序列,就能靠著核多角體病毒大量製造出我們想要的蛋白質。這個概念聽起來非常簡單,不過步驟卻有些複雜。

首先,需要準備一個複製載體(cloning vector)和一個轉移載體(transfer vector),複製載體裡含有我們要插入的蛋白質基因序列,並藉由聚合酶鏈鎖反應(polymerase chain reaction, PCR)或是大腸桿菌培養的方式來大量複製;轉移載體則含有多角體蛋白的啟動子(polyhedrin promoter)和一個外來基因的插入位置(multi-cloning site)。之後再利用限制酶(restriction enzyme)和連接酶(ligase),我們便可以將目標基因序列插入轉移載體中,形成重組轉移載體(recombinant transfer vector)。

第二步要準備切除處理過,呈現線狀的桿狀病毒 DNA。由於切除處理過的病毒 DNA 不具活性,因此不會影響接下來轉染(transfection)細胞的步驟;此外,因為它們可能也會被細胞攝入,感染與生成不含有目標序列的野生型病毒,因此先行去除病毒活性對實驗成功率來說相當重要。

最後一個步驟是轉染,將桿狀病毒 DNA 和重組轉移載體一同加進培養好的細胞中。由於重組轉移載體上有桿狀病毒的同源基因(homologous genes),所以當細胞攝入重組轉移載體和桿狀病毒 DNA 後,兩者會發生同源重組(homologous recombination),使得轉移載體上含有目標序列的同源片段,與桿狀病毒 DNA 上同源的位置互換,形成含有目標序列的桿狀病毒,也就是重組桿狀病毒(recombinant baculovirus)。這些重組桿狀病毒便會開始感染細胞,並表現出我們想要的蛋白質(圖三)。

圖三:桿狀病毒表現蛋白質的步驟

圖/科學月刊提供

❶準備複製載體和轉移載體,複製載體裡含有要插入的目標基因序列,再以聚合酶鏈鎖反應或大腸桿菌培養大量複製;轉移載體含有多角體蛋白的啟動子,和外來基因的插入位置。之後利用限制酶和連接酶,將目標基因序列插入轉移載體中,形成重組轉移載體。

❷準備切除處理過線狀的桿狀病毒 DNA。

❸將桿狀病毒 DNA 和重組轉移載體一同加進培養好的細胞中。由於重組轉移載體上有桿狀病毒的同源基因,當細胞攝入重組轉移載體和桿狀病毒 DNA 後,兩者會發生同源重組,使得轉移載體上含有目標序列的同源片段,與桿狀病毒 DNA 上同源的位置互換,形成含有目標序列的桿狀病毒,也就是重組桿狀病毒。這些重組桿狀病毒便會開始感染細胞,並表現出我們想要的蛋白質。

將昆蟲當做「生物工廠」?

以目前桿狀病毒的發展來說,不論生產成本、速度還是生產線建立的難易度,都比哺乳動物的表現系統優勢很多,然而它還是難以供應大量的市場需求。利用昆蟲細胞生產蛋白質依然有一定的成本,若想擴大細胞培養系統也不容易,那如果我們使用整隻昆蟲進行蛋白質生產呢?利用病毒感染蟲體後,再從蟲體的體液中回收這些蛋白質,這樣是否能提高產量、同時降低生產成本呢?

其實這就是所謂「生物工廠」的概念,也就是直接把昆蟲當作我們生產蛋白質的工廠(圖四)。和細胞相比,昆蟲在培養上更加簡單,操作也更為容易,不像細胞需要特別注意有無汙染的情況,也不需要無菌操作台、細胞培養液、恆溫箱,以及提供細胞生長因子的胎牛血清(fetal bovine sera, FBS)等昂貴設備和耗材。以鱗翅目幼蟲的寄主來說,只需要透氣的塑膠容器和人工飼料就可以培養,而這些東西的成本都遠低於細胞所需,加上一隻幼蟲個體所含有的細胞數量也遠超過一個細胞培養皿,使得生物工廠這個概念成為昆蟲表現系統的一個新方向。

以真核生物或是人類需要的蛋白質來說,昆蟲表現系統具有許多哺乳動物的表現系統所沒有的優勢。以桿狀病毒感染昆蟲寄主、從而表現特定蛋白質的方式,不僅成本低、產量高、不受法規上的限制,也更容易設計出產業上的供應鏈,若是有真核生物蛋白質的需求,不妨考慮看看昆蟲表現系統吧!

圖四:利用蟲體作為生物工廠

圖/科學月刊提供

註解

  • 〔註1〕圍食膜是一種在昆蟲中腸裡,用來保護腸壁細胞的膜狀結構,有如人類腸胃中的黏膜。
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世上最容易讓人放屁的食物是哪些?——《一顆屁的科學》
時報出版_96
・2019/09/02 ・2152字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

編按:吃什麼食物容易放屁?這些增加「屁產量」的訣竅是本書作者收集自胃腸醫學專家與科學研究者的建議,還有數百名接受訪問與問卷調查的可愛民眾。一起來看看哪些食物是讓人容易排氣的元兇?

豆子與其他富含棉子糖的食物

聖傑洛姆(St Jerome,AD 347-420)曾建議修女們要避免食用豆子,因為 “partibus genitalibus titillations producunt”(拉丁文原意:它們讓人陰部發癢)。大家很好奇聖傑洛姆為何這麼懂陰部,但我想他原本要講的是放屁,只不過搞錯了。像是黃豆、斑豆、菜豆這些豆類,還有青花菜與蘆筍,都含有許多纖維,特別是像棉子糖以及水蘇糖、毛蕊花糖這樣精巧的寡糖。我們的小腸內沒有分解它們所需的酶(一種稱為 α-GAL 的酶),所以寡糖完完整整地保持原樣進到結腸,還好,結腸裡的細菌擁有這種酶,它們爭先踴躍地使寡糖發酵,進而產生大量氣體,一部分是因為它們喜愛纖維,一部分是因為寡糖發酵的同時會使細菌更賣力運作,有效地為這過程灌飽動力(寡糖類物質有益菌生的功用,提供體內益生菌動力)。

洋蔥、大蒜與韭蔥

這些食物含有聚果糖,聚果糖是種果糖聚合物,是另一種需要由腸道細菌而非小腸消化酶來分解的複雜碳水化合物。不同種類的洋蔥產生的屁量也不同。

十字花科蔬菜

又稱為蕓薹科蔬菜,高麗菜、花椰菜、青花菜以及抱子甘藍。這些蔬菜含有許多可溶性纖維(與大量維生素 C),可供細菌飽餐一頓,不過也帶有不少硫代葡萄糖苷─來自葡萄糖與胺基酸的有機化合物,內含硫與氮─這種物質讓蕓薹科蔬菜帶輕微苦味,並且會分解為氣味強烈的帶硫化合物。

十字花科蔬菜、香菇和全穀物食材都是容易讓人放屁的食物。圖/時報出版提供

全穀物食材

包括全穀物麵包、麩皮、燕麥等。它們滿載著可溶性纖維,直接送達結腸,你彷彿能看見自己的腸道細菌興奮搓手、流著口水的樣子。這些食物可以製造大量的屁,但是不太可能為屁臭味做出什麼貢獻。

水果

這一項大概出乎你意料之外,但是包含李子、杏子、乾果李、桃子在內的很多水果(特別是果乾),都含有天然糖醇,這會讓細菌們在大腸裡開心發酵,樂在其中。

未成熟的香蕉

和熟透的香蕉比起來,未成熟香蕉有較多澱粉(屬於聚合醣類)與較少的單醣,這些抗性澱粉直接通行至結腸進行消化。這類香蕉無害,只是我不懂為什麼有人想吃還沒熟的香蕉。

想不到吧!很多水果都容易使人放屁。圖/時報出版提供

柳橙襯皮

有豐富果膠,是另一種澱粉(屬於聚合醣)。就像未成熟香蕉一樣,這類食物會直接向下運行,送到結腸發酵。

肉類與乳製品

高蛋白食物不一定會增加我們的排氣量(通常產生的量還較少),但對於臭味卻是大大的加分。蛋白質的基礎是胺基酸,有兩種胺基酸會分解成很臭的硫化物。有研究顯示,半胱氨酸這種胺基酸能增加腸胃裡的硫化氫排放量高達 700 %。

* 含有硫的兩種胺基酸分別是:甲硫胺酸 NH2CH(CH2CH2SCH2)CO2H 與半胱氨酸 NH2CH(CH2SH)CO2H。半胱氨酸氧化以後會產生「雙硫鍵」CH2-S-S-CH2,這可以讓蛋白質維持在正確的型態。

高脂肪食物

油脂是很迷人的,可在小腸被分解為 pH 值低的脂肪酸,因此我們會釋出高 pH 值、鹼性的碳酸氫鈉來中和它,讓 pH 值回到接近 7 的程度(不覺得人體很聰明嗎?)。碳酸氫鈉與脂肪酸的中和反應會產生二氧化碳氣體,使人感覺脹氣不舒服(若想看那是什麼情況,你可以試著將一茶匙小蘇打加入兩茶匙的檸檬汁裡)。這些二氧化碳有些被吸收進入血液,有些則流向結腸。

馬鈴薯與穀物

這些食物含有可製造屁的聚果糖,會在結腸中分解。有個意想不到的變化很有趣:它們其實會減少臭味。研究顯示,食用馬鈴薯與穀物會使硫化氫產量減少 75%。

義大利冷麵與涼拌馬鈴薯

這項有點奇特,煮過的澱粉類食物冷卻後(特別是在冰箱中),會形成大型碳水化合物,稱為第三型抗性澱粉,是另一種腸道細菌特愛的多醣物質。

乳糖

牛奶微甜是因為含有這種糖,它會讓人更容易放屁,尤其是有乳糖不耐的人。如果你有這種情況,那麼你的小腸缺乏能分解乳糖的消化酶,乳糖會轉而由結腸裡的細菌來分解。細菌吃下沒消化過的乳糖會製造出氫氣,這也是乳糖不耐症的診斷依據之一。

香菇

香菇含有一種稱為甘露醇的多元醇(糖醇),會被腸胃細菌消化,有輕微通便助瀉的作用。糖醇被專門用做糖尿病飲食裡的糖精,因為不易被小腸吸收,必須等到之後的腸道才分解。

健身用高蛋白粉

大家都知道練重訓健身者放的屁特別臭,一般認為是因為他們額外攝取了會產生硫的蛋白質,導致胃腸細菌製造的硫化氫排放量增加。

山梨醇無糖口香糖

做為代糖的山梨醇通常是以玉米糖漿製成,熱量比一般蔗糖(餐用砂糖)低,常常是口香糖的甜味劑。山梨醇無法被消化,可能導致胃腸不適,可作通便瀉藥之用,將水分引入大腸,刺激腸道運動。它的分子質量大,使它在小腸中難以分解,只好來到結腸。到了結腸,山梨醇會增進腸道細菌的發酵能力,促進氣體產生。

所以到底吃什麼才不會放屁啦(崩潰)。圖/時報出版提供

本文摘自《一顆屁的科學》,2019 年 7 月,時報出版

 

 

 

 

 

 

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