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廚房裡辦不到的加工技術:認識現代食品加工

社團法人台灣國際生命科學會_96
・2019/10/27 ・3075字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

  • 作者/朱中亮,財團法人食品工業發展研究所資深研究員

為了生產更天然、新鮮、少添加物使用的加工食品,食品科學家積極研發各種對食品品質破壞較小的非熱加工技術,希望突破熱殺菌的極限。

本期ILSI Taiwan專欄邀請財團法人食品工業發展研究所朱中亮資深研究員介紹現代食品加工技術,包括無菌加工技術、超高溫短時間滅菌技術、冷凍乾燥、欄柵技術、薄膜除菌等殺菌技術,以及製造外觀花俏食品的擠壓加工技術。

無菌加工技術:滅菌之餘美味依舊

隨著食品科技日新月異的發展,許多食品加工技術已非是在廚房中就能辦到的程度。首先要談的「無菌加工」,絕對是能被譽為20世紀食品界重大里程碑的一項技術。

無菌加工是相對於傳統的罐頭加工發展出來的先進技術。罐頭加工將食品原料殺菁後,裝至鐵罐並封口隔絕外界環境,再透過殺菌釜高溫滅菌,將鐵罐內部的微生物都殺死後,才能常溫保存。但是這樣滅菌處理的食品因經過長時間加熱殺菌,風味並不好。

因此科學家想到,在原料填充至罐頭前先滅菌處理,而包裝容器也同樣先滅菌,使食品與容器都達到無菌狀態,最後才在無菌環境中充填並封罐,如此便能降低滅菌的溫度與時間,讓產品的美味依舊,譬如果汁就是無菌加工中最成功的商品之一。

滅菌技術強調殺菌溫度與時間的權衡,提高溫度就能大幅減少加熱時間。

譬如說罐頭要在 121℃ 下殺菌數十分鐘才能達到的滅菌效果,無菌加工則是將溫度提升至 135℃,只需要數秒鐘即可達到相同的效果,且能保留更多的食品風味。現今食品工廠中製作果汁或乳品等,在全自動化的產線中只需要一兩個人力控制機器,產品全在密閉的管線中輸送滅菌,最後才在無菌環境進行包裝。常見的利樂包、部分的包特瓶裝飲料也都是應用無菌加工技術的產品。

一碗泡麵的誕生,需要運用許多現代食品加工技術,如:蔬菜的冷凍乾燥技術、速食麵條的油炸乾燥技術,以及即食調理包的殺菌軟袋技術等。

當我們飢腸轆轆卻不知該吃什麼時,只要撕開包裝、注入熱水,等待片刻就能享用的泡麵深獲許多人喜愛。別小看一碗簡單的泡麵,背後可是應用了許多現代食品加工技術,如:蔬菜的冷凍乾燥技術、速食麵條的油炸乾燥技術,以及即食調理包的殺菌軟袋技術等。

冷凍乾燥與傳統熱風乾燥相比,能保持食物乾燥前的外觀,其原理是先將食品中的水分凍結,然後控制在真空壓力下能直接將冰昇華為氣態水,因此食物形態能被完整保存,同時在食品中形成許多微孔也造就了食品具有較佳的復水性,冷凍乾燥的食品便能快速吸水沖泡開來;麵條則是煮熟後利用高溫油炸逼出水分,使原本水分存在的地方產生孔洞,同樣達到快速沖泡復水食用的目的。

經過乾燥後的食品本身水活性低,可以長久保存,因此不需要額外添加防腐劑。但速食麵會添加抗氧化劑,原因在於麵條油炸後含油,若不添加抗氧化劑,會造成油脂酸敗,反倒可能產生對人體有害的物質。另外,碗裝泡麵的容器也須經過高溫溶出測試,確定在熱水中泡一段時間後不會溶出對人體有害的物質,才能當作食品容器,消費者在選購上也可以安心。

食品擠壓加工技術:花俏食品外觀靠這招

擠壓加工或許沒那麼容易理解,它的做法與製作塑膠製品的原理─「塑膠射出成型」有些類似。首先將食品原料填充進擠壓機,接著經過揉合、必要時加熱,食品的特性會變得像泥狀。擠壓加工就是趁著食品在泥狀時,迅速將其噴出成形,常見的應用像是貝殼狀或螺旋狀的義大利麵、各種形狀的零食,或是現在正夯的植物肉等。

欄柵技術:多管齊下保持品質

欄柵技術的原理如同治療愛滋病的雞尾酒療法,如果給予一種藥物無法控制病毒,那就給予多種藥物進行治療,將病毒量控制到最低。罐頭食品是以高溫滅菌,讓食品中的微生物一槍斃命無法存活,但缺點是可能會使食品風味變差,並非適合所有的食品;而欄柵技術則是多管齊下的策略,結合各種控制微生物的因子,如:降低水活性、pH值、添加防腐劑、真空包裝去除氧氣或填充惰性氣體、以及冷藏等,藉由調控多種因子,以維持產品品質並延長保存期限。這項技術可謂知易行難,需要十分良好的製程管控才能辦到,在食品科技中稱為 HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points,危害分析重要管制點),這項技術多年來已廣為食品工廠應用。

薄膜除菌技術:讓飲料好喝又能保存

薄膜除菌技術顧名思義就是使用一種能讓食品中的水與各種成分(如香氣、維生素、蛋白質等)可以通過,但細菌無法通過的薄膜,以達到除菌效果。一般現打的西瓜汁大概放置一天就腐壞不能飲用,但使用薄膜除菌技術包裝的西瓜汁,存放時間能延長到將近兩星期。而為了確定薄膜的有效性,食品科學家用已知最小的細菌測量通過薄膜的量,能減少99.999% 才能稱為有效薄膜,這也是此技術最困難之處。

薄膜除菌技術示意圖,資料來源:作者提供。

高壓加工技術:超高壓殺死細菌

前述如製作罐頭的熱滅菌技術、利用膜過濾的薄膜除菌技術等都是常見的殺菌方法。但如果不希望食品被過度加熱,也無法通過薄膜時,譬如魚肉這樣的食品該如何殺菌呢?科學家發現可以對食品施以高壓將微生物殺死。

高壓加工技術的原理是藉由施以高壓,改變細胞膜的通透性,導致細胞內物質流出,或是破壞細胞的繁殖功能使細胞死亡。此項技術是將食品包裝在至容器中放入可以耐高壓很厚的鋼管中,我們稱為高壓腔,在高壓腔注滿水後用高壓泵對管內注水加壓,使腔室內部的水壓到達將近 6000 大氣壓(世界上最深的海溝壓力也「只有」2000大氣壓),就可殺死微生物。由於容器內的食物是受到來自四面八方均勻的壓力,因此並不會造成食物形狀的改變,而且加壓是在室溫甚至低溫之下進行,食物的風味也不會被破壞。這是一項可以良好保持食品色香味的技術,但相對的製造成本也比加熱殺菌高出許多。

食品高壓加工技術從發展到成熟歷時將近百年的時間,除了設備的造價高昂之外,科學家們也必須證實這種方法確實能夠殺滅食品中的細菌,並且不會造成食品品質改變,目前在加拿大、美國、英國、歐盟都已經有研究證實。

高壓加工技術示意圖,資料來源:作者提供。

加工食品的美麗與哀愁

食品加工的目的有很多,如:提高食品的食用性、保存性、便利性、嗜好性、衛生安全、營養價值、運輸性、商業價值等,看似都立意良善,那為什麼社會上存有「加工食品就是不好的」、「加工食品就是沒營養」、「加工食品是造成文明病主因」等印象,原因出在哪裡呢?

身為一位食品研究者,當社會大眾對健康的需求日益增加時,我們的挑戰是製作出健康、少鹽、少油、少糖、無反式脂肪的食品,且無農藥殘留或毒素。然而過去的確有少數廠商並未花費足夠心力去達到這些目的,反而是為了在市場上取得競爭優勢,使用不正當手段製作產品,這毫無疑問是必須被檢討的。

本文目的是希望能讓讀者了解,市面上還存在許多並非單從字面上的名稱或感覺就能對它做出正確判斷的加工食品,也有許多運用適當的加工技術、用心實在的加工食品供民眾選擇,希望民眾能夠正確分辨出這些加工食品。

延伸閱讀

 

  • 本文轉載自 ILSI Taiwan-2019 年第 7 期《廚房裡辦不到的加工技術─認識現代食品加工》,歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 ILSI Taiwan 喔!
  • 作者/朱中亮│資深研究員
    德國Hohenheim大學食品科技研究所博士,現任財團法人食品工業發展研究所資深研究員。專長為食品加工與製程,目前研究技術領域為食品非熱加工技術、冷藏食品保存期限預測及溫度管理技術等。
文章難易度
社團法人台灣國際生命科學會_96
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創會於2013年,這是一個同時能讓產業界、學術界和公領域積極交流合作及凝聚共識的平台。期望基於科學實證,探討營養、食品安全、毒理學、風險評估以及環境的議題,尋求最佳的科學解決方法,以共創全民安心的飲食環境。欲進一步了解,請至:ww.ilsitaiwan.org

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壓力,讓綿羊更親密
胡中行_96
・2023/02/23 ・1934字 ・閱讀時間約 4 分鐘

生活中,無處不是壓力:上下班通勤、陌生互動、遭狗追逐、天災人禍,以及定期電動除毛。起伏跌宕都在汗水與喘息間完成,日復一日。承擔澳大利亞牧業重擔的主角,向來行程滿檔,抗壓性要夠強。參與國家級科學研究的成年雌性美麗諾綿羊(Merino ewes),更是於 2021 年秋冬,展現成熟堅韌的心理素質。[1]

澳洲的非當事綿羊。圖/Christopher Burns on Unsplash

親疏遠近

澳洲聯邦科學暨工業研究組織(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation,簡稱CSIRO)的學者,從 5 個羊群中,各揀 14 隻,也就是總共 70 隻的雌性美麗諾綿羊,並額外預留幾隻備用。牠們的年紀介於 3 到 6 歲之間,健康且無身孕。在飲水充足的牧場上,依照所屬的羊群分開放養,避免牠們跨越藩籬,廣結新友。[1]

成群的綿羊,放眼望去彷若白雪皚皚。旁人見了,不免覺得每隻都一個模樣。然而就像日本青春女團 AKB48,多如過江之鯽的成員即使化成了灰,忠實歌迷仍喊得出個別的全名。綿羊認得人,也記得彼此。[2]互動上有親疏遠近之分,並非生張熟魏,皆能依偎。牠們透過視覺和嗅覺,辨別自己同誰照過面,放牧時自然找熟識者相陪。[1]

2021 年 5 月 24 日到 6 月 18 日期間,CSIRO 團隊每回進行測試前,會從上述 5 個羊群的代表中,再分別隨機挑出 2 隻,即一共 10 隻綿羊:5 隻實驗;5 隻對照。集合不同羊群的實驗組,一起接受壓力考驗,然後觀察所有綿羊的行為。挑選出來的個體,皆不再送回。[1]

按表操課

綿羊受到壓力刺激的 10 至 15 分鐘後,血漿中皮質醇(cortisol,又稱「皮質酮」或「可體松」)的濃度會達到高峰,並於接下來的 60 分鐘內逐漸消退。CSIRO 團隊根據此現象,決定施壓的時間長度,設計出以下行程,讓實驗組的綿羊按表操課。[1]

起始時間壓力來源過程長度
10:00聯結車運送羊群全程 15 分鐘
10:45徒手束縛羊隻每隻 2 分鐘
11:30牧羊犬追趕羊群全程 5 分鐘
12:15以電動刀去除後腿與尾巴周圍的羊毛每隻 2 分鐘
13:00聯結車運送羊群全程 15 分鐘
13:45徒手束縛羊隻每隻 2 分鐘
14:30牧羊犬追趕羊群全程 5 分鐘

社交距離

對比人類勾心鬥角,互動往來盤根錯節;綿羊的個性直白,交際單純。CSIRO 團隊得以仰賴科技,測量個體間距,比較誰的友誼親密。每隻綿羊都穿著犬用背帶,上頭安裝定位儀(rover),記錄即時動態(real-time kinematic,簡寫 RTK)與衛星導航系統(Global Navigation Satellite System,縮寫 GNSS)的綜合數據。身上還用澳洲國產的羊毛專用顏料,畫上與各台機器相應的標記,方便研究人員觀測牠們的社交距離。[1]

揹著定位儀,又畫上標記的綿羊。圖/參考資料 1,Figure S1(CC BY 4.0)

群居動物

群居動物除了交配繁殖,也會有其他社交關係。前者目的直接;而後者的機制則較不明確。延長的接觸、同步的行為,或社交連結的動作,在情勢使然的共處後產生。一塊兒被捕的吸血蝙蝠(vampire bats),勤奮地幫彼此梳毛(allogrooming);而抽籤同寢的大學室友,也可能於畢業後保持聯絡。同甘共苦會強化感情:一起面對的威脅,鞏固了孔雀魚(guppies)之間的情誼;共同觀賞影片的猩猩(great apes),關係亦顯得加倍緊密。[1]

那綿羊呢?

緩衝壓力

飽受折騰的實驗組綿羊,理所當然在跑完行程後,貼近來自同個羊群的夥伴。然而CSIRO團隊透過監控,發現牠們竟也逐漸與原先不認識的綿羊交好。想必是實驗過程中的患難與共,使陌生的綿羊培養出革命情感。於是,彼此的陪伴促進催產素(oxytocin)分泌,進而降低皮質醇的濃度,調節了下視丘-腦垂腺-腎上腺軸(hypothalamic–pituitary–adrenal axis)的反應,最後達到緩衝壓力(stress buffering的效果,也鼓勵生存導向的群體合作。[1]

短暫壓力

從此以後,牧羊人只要別隨意拆散羊群,就不必為了造成人家的生活壓力,而感到罪孽深重。畢竟研究證實綿羊會在下班後,自行尋求朋友陪伴,從而獲得心靈慰藉。牠們絕對有辦法承受短暫的壓力。如果有非執行不可的任務,切記「動作愈快愈好」,CSIRO 的研究人員溫馨提醒。[2]

  

參考資料

  1. Keshavarzi H, Lee C, Dyall TR, Johnson M, Campbell DLM. (2023) ‘Shared stressful experiences affect social proximity in Merino sheep’. Biology Letters,19 (2): 20220396.
  2. Claughton D, Williams L. (08 FEB 2023) ‘Sheep and humans have more in common when it comes to sharing stress, study finds’. ABC News.
胡中行_96
98 篇文章 ・ 33 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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賽道上高溫與摩擦的平衡!賽車最重要的配件「剎車」——《黏黏滑滑》
晨星出版
・2023/01/06 ・3272字 ・閱讀時間約 6 分鐘

度影響剎車的抓力

雖然似乎有點違背直覺,但是煞車是高速駕駛不可或缺的一環。不管是在哪個賽車場,駕駛的目標之一就是保持在賽道的最佳路徑(racingline)—繞行賽道的最短路徑。所以駕駛過彎時不會沿著急轉彎處長長的外彎道前進,而是「夾著」彎道的內側,稱為彎頂點(apex,即過彎路線中最接近彎道內側的點)的地方,以將他們必須行駛的距離縮到最短。

這麼做需要非常精準的煞車:要在剛剛好的時間對煞車踏板施予剛剛好的壓力。當他們辦到時,駕駛就會出現在賽道轉彎處的絕佳位置,且依然帶有征服下一段賽程所需的速度。但是這樣的開車方式會耗損煞車;而且有些賽道沒什麼機會可以讓煞車冷卻。

以世界知名的摩納哥街賽道來說。雖然僅長3.34 公里(2 哩多),是F1 賽程中最短的賽道,但是卻必須不斷踩煞車和加速。煞車製造商布雷博(Brembo)指出,2019 年賽季中,駕駛們每一圈使用煞車 18.5 秒,多過總賽程的四分之一。

在需求最高的轉彎處,汽車要在不到 2.5 秒的時間內將時速從 297 公里(185 哩)減至 89 公里(55 哩);這會將大量動能快速轉換成熱能,難怪煞車碟盤會冒出火花。為了要負荷這樣龐大的熱負載,製造商在每個煞車碟盤的邊緣鑽入細小的徑向孔—數量超過 1000 個。

這樣的小孔可以增加煞車碟盤的表面積,比較容易散熱。但是也具有通氣孔的功能。與安裝在各個輪框上的大型冷卻管相結合時,可以把冷空氣拉入煞車碟盤中心,把熱空氣從邊緣帶走。還有個額外優點,這些F1 煞車碟盤相當輕,重量約各為1 公斤(2.2 磅),相較之下,差不多大小的鑄鐵煞車碟盤則為 15 公斤(33 磅) 。

所以為什麼不全面使用這種煞車碟盤呢?有個原因是價格—每片煞車碟盤可能要價高達 2000 美元(約 1500 英鎊) ,而且要六個月的時間才能製成。它們也不太耐久,通常每次比賽後就得更換。最後,它們受限於一定的工作溫度,只能處於 350 ∼ 1000℃。

低於溫度下限時,它們幾乎不具有停止能力—煞車片與煞車碟盤無法產生足夠的抓力。但是如果煞車的溫度高於上限值太久,則會災難性地失靈。如馬歇爾對我描述的,「彷彿在踩縫紉機。當這種狀況發生時,煞車碟盤耗盡『材料』的速度有多快,簡直難以置信。」

科技有助於車隊和駕駛控制他們的煞車,但是就跟 F1 的大部分狀況一樣,沒那麼簡單。冷卻管的大小與形狀可控制流經煞車碟盤的空氣量,所以你可以想像管子愈粗愈好。

但是如 F1 傳奇工程師帕特.西蒙茲(PatSymonds)告訴《賽車工程》(Racecar Engineering)雜誌的,冷卻有其後果:「遇到像蒙特羅這樣需要一直踩煞車的賽道,我們被迫使用一些該賽季最粗的管子。從最細的冷卻管換到最粗的冷卻管,會犧牲 1.5%的空氣動力學效率,這代表最高速度時速會減少 1 公里。」

我可以想像這會引發車隊的煞車工程師與他們的空氣動力學家爭辯。就連測量煞車配件的溫度都不容易。馬歇爾告訴我,在奧斯頓馬丁 F1 車隊中,他們會在煞車片的安裝托架中埋入高溫的熱電偶,和一系列直接朝向煞車碟盤的遠紅外線感測器。電視轉播賽事時偶爾會出現的彩色熱影像,主要是為了給我們這些觀眾看—顯示出他們建議的最高溫度。

剎車片的抓力在彎道時高速剎車時至關重要。圖/envatoelements

摩擦介面與溫度控制

煞車片與煞車碟盤之間還有另一個重要的過程是磨耗。所有滑動與摩擦都會對兩個表面造成實質傷害;每次煞車作動,兩者都會有微粒破裂。在煞車系統的使用期間,這會逐漸降低材料的摩擦係數—換句話說,會失去它們的抓力。

但這不只是因為彼此的表面被「磨光」,或是失去黏性。磨耗也會形成摩擦膜(tribofilm)這種東西—煞車片與煞車碟盤相接觸時壓碎的一層非常薄的細粒狀材料。「談到磨耗與摩擦力,摩擦膜非常有影響力,」英國里茲大學(University of Leeds)的沙赫里爾.柯沙利(Shahriar Kosarieh)說。

「我們把這層膜視為『第三體』,因為儘管它是由互相滑動的那兩種材料製成,其化學與機械性質還是與那兩種材料不同。」關注各式各樣市售鑄鐵煞車片的德國研究人員發現,無論煞車片是什麼材質,形成的摩擦膜總是會受到氧化鐵(Fe3O4)控制,其他成分的影響力則相當微弱。

「摩擦膜會控制散熱,且能減少摩擦力—它會主導性能,」柯沙利繼續說道。「煞車製造商很清楚這一點,調配自己的煞車片配方時會考量這一點。煞車片與煞車碟盤要互相搭配,才能產生最佳性能。只要你更動了任一個材料,就會改變界面產生的結果。」

柯沙利最近的研究關注鑄鐵煞車碟盤輕量替代物的摩擦表現,這些輕量煞車碟盤主要都是鋁製。不只有他這麼做—整個汽車產業都對減輕重量很執著,主要是因為汽車的重量愈輕,消耗的燃料就愈少,環境影響也愈少。目前是以鋁為主流。

「那是一種低密度金屬,約比灰鑄鐵(grey cast iron)還低 2.5 倍,所以減輕重量的可能性很高,」他跟我在電話中閒聊。「鋁的導熱性也很高,在表面形成的氧化物也具有一些防蝕效果。」把鋁合金與碳化矽等硬質陶瓷材料結合也能提升其強度。

「但是鋁的問題在於當溫度高於400℃時會開始熔化。就煞車而言,這代表摩擦力突然銳減,也是你能想像最糟的狀況。所以更加促使工程師更努力找出方法,既能讓表面有比較好的熱穩定性,使用壽命又能更持久。」

工程師致力於找出剎車在溫度與磨損上的平衡。圖/envatoelements

對柯沙利而言,最有意思的其中一種方法是電漿電解氧化(plasmaelectrolytic oxidation, PEO),這是用一個電場在鋁的表面形成一層複雜又高度耐磨的薄層。當他測試各種不同以電漿電解氧化處理過的鋁盤性能時,發現有些可以撐過約 550℃。不過,許多案例的摩擦係數太低—低於實際煞車系統所需的最低閾值。

柯沙利並不洩氣。「煞車是整個系統一起作動。如果你拿到一個新的煞車碟盤,那你也需要把對位碟盤調整到最佳狀態。製造商設計出專供電漿電解氧化塗層煞車碟盤使用的新煞車片配方。」我只找到幾篇已發表的研究,結合了電漿電解氧化煞車碟盤與這些新的摩擦片,但是結果看起來大有希望。輕量的鋁製煞車在未來的道路車輛上可能有機會亮相。

F1 在 1970 年代晚期為它們的煞車碟盤和煞車片找到了不同的解決方法,從那時候起就沿用至今:一種稱為碳-碳(carbon-carbon)的材料,在石墨基質裡包埋高度有序的碳纖維。其散熱效果非常好,所以也用在太空梭上。雖然它聽起來可能跟F1 賽車底盤用的碳纖維很類似,但其實是非常不一樣的猛獸。

製造碳-碳很緩慢且複雜,此材料是由原子薄層堆疊成層。它在摩擦力方面勝出,提供的抓力比傳統煞車配件高 2 倍(在其理想工作溫度範圍內)。但是那並非魔法。在競速的壓力之下,這種材料終究會磨耗殆盡,部分是由於摩擦,但也有化學方面的因素。溫度上升時,碳-碳會與空氣中的氧氣產生反應,而氧氣會提高其劣化程度。你有時候會看到F1 駕駛大力踩煞車時冒出黑塵,這就是原因。

藉由感測器數據調整剎車系統

這個過程代表車隊需要監測的煞車項目不只是溫度。馬歇爾跟我說,他們會使用壓力感測器留意流經管子的氣流。他們也有針對磨耗的電子感測器,可以測量胎側的活動。

「我們使用這些儀器測量煞車片還能接觸煞車碟盤多久。由此可以推論總磨耗程度—也就是煞車片與煞車碟盤的磨耗總和。」為了推算總磨耗比例與煞車片的關係,以及對煞車碟盤的磨耗程度,車隊會把感測器數據對照以往試駕和賽事所蒐集的煞車數據。

「我們可以從所有資料中追溯比賽時的磨耗速率。如果太快,我們可以調整煞車平衡,以免磨耗最高的車輛壽終正寢,或可以請駕駛找一些乾淨的空氣冷卻煞車。」不管怎麼做,目標都是確保駕駛在需要的時間和地點擁有阻擋能力。任一賽季都會面臨數以千計的彎道,這些系統,當然還有駕駛,都表現卓越。

——本文摘自《黏黏滑滑》,2022 年 11 月,晨星出版,未經同意請勿轉載

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什麼是焦慮?是威脅引發的反應——《改造焦慮大腦》
聯經出版_96
・2022/12/19 ・3537字 ・閱讀時間約 7 分鐘

日常生活的壓力經常會令我們覺得喘不過氣來,這不只是比喻,也是真實的感受,每一天都彷彿像登山一樣辛苦;經常夜晚睡不著,白天很容易分心,而且把注意力集中在壞事上。生活中充滿了責任、憂慮、不確定性和懷疑。

我們被很多東西過度刺激,包括害怕錯過(FOMO,fear of missing out,中文為錯失恐懼症),不論這種感受是否是因為使用 IG、推特或臉書,還是看網路新聞所造成的。對很多人來說,面對現今的世界,焦慮似乎是唯一適當的反應。

日常生活中的壓力經常使我們覺得喘不過氣。圖/Envato Elements

人們會以不同的方式稱呼焦慮,但其實就是心理與生理對壓力的反應;我們的身體無法分辨造成壓力的情境究竟是真的,還是自己想像或假設的。但是了解觸發焦慮的神經生物學,以及焦慮發生時,我們的大腦和身體內發生的情況,就有可能學會將自己的感覺分成較小的片段,然後移動和管理這些感覺。

我們也可以運用焦慮的能量來達到好的結果。焦慮的確就像能量一樣。你可以把焦慮想像成你對事件或情境的化學反應:如果沒有值得信任的資源、訓練和適當的時機,這樣的化學反應可能會失控——但焦慮也可以被控制並運用,以達成好的結果。

當威脅出現時,便會產生焦慮

想像妳是生活在更新世時期(Pleistocene Epoch,是一個地質年代,至今約二五○萬至一八○萬年前,人類就是在此時出現)的女人,妳居住在一個狩獵採集的部落。妳的工作是在淺河床附近採集食物,距離妳的游牧帳篷營地約五百碼。妳把十二個月大的寶寶揹在背上,並且在河岸邊的矮樹叢中彎下腰去尋找可食用的植物。

忽然間,妳聽到附近傳來窸窣聲。妳馬上就僵住,停止所有的動作,妳不動聲色地蹲下來,以免驚動到寶寶,同時也是在躲避可能的攻擊者;妳聽到更多窸窣聲,然後就開始估算這聲音是從多遠的地方傳過來的。妳的心跳開始加快、腎上腺素快速流竄全身、呼吸變得短而淺,雙腿肌肉緊繃準備奔跑或是反抗。

聽到樹叢傳出窸窣聲,會是什麼呢……?圖/Envato Elements

妳現在所做的就是威脅反應:即是對可能的危險,會產生的自動反應。如果妳站起來看到的是一頭正在潛行覓食的大貓,那麼焦慮反應就是正確的,而且腎上腺素會強化妳對於最佳生存機會的評估能力,妳可能會僵住不動、逃跑或戰鬥。如果妳站起來,看到剛才的窸窣聲原來是一隻低飛的鳥兒造成的,妳的心跳就會慢下來,逐漸恢復正常速率。腎上腺素和恐懼的感覺很快就會消退,妳的大腦和身體就會回到正常狀態。

這是焦慮的第一級:對威脅的自動化處理方式。大腦中這塊古老的部分運作得非常快,而且是自動的反應,我們幾乎不會察覺它的運作;大腦生來就是如此,這是為了確保我們的生存。大腦會傳送訊號給身體,而身體的反應就是心跳加速、手心流汗、腎上腺素和皮質醇飆升,而且消化和生殖系統會停止運作,這樣妳就能更快逃跑,或是集中力氣保護自己和後代。

現在再來想像一下另一個情境,這次的時間是二○二○年,妳獨居住在郊區小鎮只有一間臥房的平房裡,房子的後面是一條小巷子。現在的時間是晚上,妳正在泡茶,準備享受最喜歡的最新一集電視節目。妳把電熱水壺插電,然後尋找櫥櫃裡的餅乾時,聽到從後門傳來東西傾倒的聲音。妳的心跳加速、靜止不動並恐懼地盯著門:「有人闖進來嗎?有人會傷害自己嗎?」一開始妳不敢動,然後決定看看廚房窗外,結果瞥見在附近生活的浣熊。然後妳想起來,上個星期才收拾散落滿車道的垃圾。

住得太靠近街道,會不會不安全?圖/Envato Elements

然後妳就繼續泡茶、看電視,但不知怎麼的就是無法安下心來。妳覺得焦慮,開始擔心社區是否安全、是否該找個室友、是否該搬家,或是住在較高的樓層,才不會這麼接近街道。然後妳想起最近闖空門的案件激增,妳在想也許該買一把槍保護自己;妳發現自己對於拿槍這件事,忽然感覺害怕又困惑。妳無法好好欣賞節目,於是關掉電視並決定吃一顆非處方箋安眠藥讓自己睡著。妳只想用睡覺來甩掉所有可怕的感覺。

雖然這兩個只是假設的情境,而且相距數百萬年,但都與焦慮的觸發和體驗有關,但是結果卻不相同。

威脅觸發生理反應

我們先來看看兩個情境的共同點。在妳的意識察覺之前,大腦就已經偵測到可能的威脅或危險,並傳送訊號給身體,以做好準備,採取行動。這個反應有部分是生理性的,呈現的方式是心跳加速、腎上腺素激增,以及呼吸短促——這些都是要讓妳能夠快速行動,不是逃跑就是防衛。這也是由皮質醇所觸發所的情緒性反應,在兩個情境中呈現的方式是立即感到恐懼。

這個威脅反應通常被稱為「戰鬥、逃跑或僵住」(fight, flight, or freeze),這個反應會在百萬分之幾秒內發生,此時妳的大腦試著釐清某個刺激是否是真的威脅,應該盡快逃跑、對抗潛在的威脅,還是要僵住不動、原地裝死。

這個反應是由我們的中樞神經系統特定的部分所控制,稱為交感神經系統(sympathetic nervous system)。交感神經主要的通訊管道位於脊椎外側,是一個自動運作的系統,不由我們的意識所控制。它會造成一連串的反應,包括心跳加速、瞳孔放大,以便聚焦威脅的來源、胃部不適(這顯示血液正快速湧出消化系統,流入肌肉以便快速行動),讓肌肉做好準備以便逃跑或作戰。

自動運作的交感神經系統,會造成一連串反應。圖/Envato Elements

在危險的情況下,生理系統一旦被啟動,會對我們有幫助。對於恐懼的生理反應以及情緒感受,都必須是自動發生的,以便讓我們將注意力集中於立即的危險。這是我們對威脅與生俱來的反應,是腦—身體用來保護我們的方式,正如感到恐懼而強化生理機能,是在保護我們一樣。

在第一個情境中,當女子判斷自己沒有立即的危機時,她的腦—身體就重新設定。在第二個情境中,女子即使是看到浣熊,焦慮反應也沒有解除;她的腦—身體陷在害怕的感覺中,她的感覺失控了。

全球頂尖的神經科學家,也是我在紐約大學(NYU)的同僚約瑟夫.勒杜教授(Professor Joseph LeDoux)解釋:「當立即的威脅出現,就會發生恐懼的狀態;而當威脅有可能發生,但不確定會發生時,則會造成焦慮狀態。」

勒杜區分恐懼(真實威脅出現時的體驗),以及感受到或想像的危險(焦慮的情緒感受)之間的差異。更新世時期的女子感受到強烈的恐懼,同時身體也產生變化;而住在小房子裡的女子感受到的焦慮,則是拖了比較久、持續的情緒感受,而且她無法停止這樣的感受。

感受到的焦慮是持續的情緒感受,且無法停止。圖/Envato Elements

早期的焦慮研究著重於將這個潛意識、與生俱來的恐懼反應,視為演化的適應機制,這是天生的自然反應而且對我們有幫助。這是大腦給我們訊息,要我們注意可能的危險,而且是受到生存直覺所驅動。

但是當人類隨著時間演進,我們的世界變得更複雜、更有結構、更想要社交,但大腦並沒有跟上環境中愈來愈多的社交、智力和情緒的需求,所以我們會覺得無法控制焦慮。這個系統深植於原始大腦中,但它並不善於評估威脅的微小差異。

雖然前額葉皮質(prefrontal cortex,也就是所謂的大腦上部負責做決策的[執行]區域)透過理解能力,可以幫助我們無視這些和恐懼有關的自動反應,但我們的原始大腦,尤其是和自動威脅反應有關的區域,運作的方式仍和數百萬年前一樣。

這個機制解釋了為什麼在非洲大草原的更新世女子,和在小鎮裡的現代女子,一開始對於噪音的反應非常類似。但卻只有較進化的女子才感覺到揮之不去的焦慮,並且想出許多「萬一」發生的事。當更新世女子一評估沒有立即的威脅要恐懼時,她就繼續過日子,但郊區的現代女子卻是深陷於壞焦慮中。

——本文摘自《改造焦慮大腦:善用腦科學避開焦慮迴路,提升專注力、生產力及創意力》,2022 年 12 月,聯經出版公司,未經同意請勿轉載。

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