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以後月底不吃土,吃蟲?——以蟲為食(上)

Sophia
・2020/01/06 ・4530字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

世界糧食存量拉警報,畜牧產品價格漸漸上漲,同時你的錢包君仍然過瘦的現在……農作物大敵秋行軍蟲還來「trick and treat」!

該怎麼辦呢?

何不試試吃蟲?順便消滅秋行軍蟲?!

能吃的東西這麼多,吃蟲是個好選擇嗎?

聯合國糧食及農業組織(FAO)報告指出,地球需要再增加目前糧食產量的 70%,才能供給 2050 年全球的 90 億人口。其中肉類年產量需增長 億噸以上,糧食安全存量才能達標。但是全球碳排過量的現在,我們已沒有餘力承受畜牧產生的碳足跡與環境影響了。
(2006 年出版的《畜牧業的巨大陰影》刊物提及,光西半球的養殖業就要消耗全球 85% 的大豆來製作飼料(Stamer 2015)。)

人越來越多,肉可能會因此而不夠吃,所以我們開始找尋其他蛋白質來源。圖/libreshot

為了提供未來十年預計增長的 2~3 百萬人口足量的蛋白質,科學家早已開始找尋不同蛋白質的來源:

  1. 黃豆、豌豆與花生等植物性蛋白:市面常見,發展成熟,但營養價值稍遜動物性蛋白。
  2. 微藻、螺旋藻:近幾年替代蛋白不錯的選擇。這兩種藻類除了成長快速;養殖方式對環境友善,還含有機能性成分。不過細胞壁較難消化,且種植過程容易受到重金屬汙染。
  3. 蕈類:方便種植、收成,消費者接受度高,但是蛋白質含量相對較低。
  4. 人造肉:近年興起,來自培養皿的人造肉則是訴求乾淨無汙染,不用施打抗生素,且沒有動物因此死亡,但是目前生產成本高,外觀與口感也因沒有脂肪散佈而與真肉有差異,影響消費者觀感與接受度。

那麼食用昆蟲呢?

昆蟲蛋白屬於動物性蛋白,含有完整的人類必需胺基酸,2013 年 FAO 的《可食用昆蟲》報告指出全球有約 28% 人口以各生長階段的昆蟲為食,其中有些地區將之當作飢荒食物(famine foods)——在糧食短缺的時候或雨季及時提供蛋白質,熱量,微量元素與維生素等營養。

常見的食用昆蟲種類與比例如圖。昆蟲種類多,可供食用的就超過1900種,來源豐富;應用廣泛,並且人類食蟲歷史早在聖經文獻中便可找到紀錄,因此部分蟲類被認為是傳統食品原料,甚至作為傳統醫學藥材。(Laura, R.. 2016)

再從養殖面來看,由於冷血動物需要的熱量較少,昆蟲「飼料換肉」的效益很高。養成一公斤雞肉需要 2.5 公斤飼料;豬肉要 5 公斤;牛肉則要 10 公斤,而一公斤的可食活蟋蟀,只要 1.7 公斤飼料,更甚者,部分昆蟲可以農產品廢棄物為食,不僅成本低,還可以減少剩食問題。此外,飼養過程中養殖場使用面積;水與殺蟲劑用量都較現行畜牧業少。

吃蟲可是好處多多,要不要來點蟲蟲啊。圖/wiki

綜上所述,食蟲符合了環境可持續性(sustainable),健康營養(healthy),經濟實惠(affordable),供應穩定(reliable),美味(palatable)五個要點(SHARP),因此,昆蟲被認為是傳統畜牧業的良好未來替代品。(Laura, R.. 2016)

你我都聽過的都市傳說:「吃到蟲就當作補充蛋白質!」所以昆蟲真的營養嗎?

圖 / 作者整理自食品營養成分資料庫與 Attila et al, 2017

上圖比較了常見的食用昆蟲與傳統肉品中的營養素。傳統肉品營養素比例相近,無論豬、牛、雞、魚肉,蛋白質都約占 20%,脂肪也都在 7 至 15% 之間。但是昆蟲的營養素比例變異卻相當大。若以營養價值指標(Nutrient Value Score)3比較蟋蟀、棕櫚幼蟲、黃粉蟲與常見肉類牛、雞肉,結果發現前三者更為健康,其他昆蟲則沒有顯著差異(Payne, et. al., 2016)。

德國科學家 Rumpold 與 Schlüter 曾在 2013 年整理了 236 種昆蟲的營養分析,並比較了各種昆蟲之間及昆蟲與傳統肉類的蛋白質、脂肪、纖維、碳水化合物與灰分含量佔比。以下根據是次研究成果分為蛋白質、脂肪與熱量、纖維三大類討論:

圖 / 作者整理自Rumpold, B. A., & Schlüter, O. K. (2013)

1. 蛋白質

如前文所述,昆蟲有高品質蛋白,不過含量變異大。以囊括各種甲蟲的鞘翅目為例,平均蛋白質含量在 41%,範圍在 8.85~71.10% 之間。而昆蟲蛋白質與植物蛋白的品質相比,昆蟲蛋白質包含所有種類的必須氨基酸,且胺基酸組成完整,符合人體需求。此外,它的消化率約在 76~96% 之間,比植物性來源蛋白高,更只比牛肉(98%)、雞蛋(95%)低一些。

除了食用價值,以昆蟲飼養動物研究結果顯示,昆蟲蛋白質不存在限制生長的抗營養因子,且昆蟲蛋白可提高礦物質的生物利用率。而昆蟲蛋白衍生的機能性胜肽展現的抗高血壓、免疫調節、抗菌與抗氧化效果也開始受到注目,期望後續能應用在人體與動物營養、食品保存等領域。

2. 脂肪與熱量

昆蟲的熱量與傳統肉品相比,有過之而無不及,其中幼蟲與蛹的階段熱量又比成蟲高,範圍約在 217~777 kcal / 100g。脂肪含量範圍則從 7~77% 不等,並含有豐富的單元與多元不飽和脂肪酸。其中包含的亞麻油酸與次亞麻油酸,為人體合成 DHA 之前驅物質。1有一些昆蟲脂肪還有功能特性,例如黑水虻幼蟲含有的月桂酸和月桂三甘油酯具有的抗菌,病毒效果,也有機會應用於食品保鮮或製作機能性成分。

3. 纖維

昆蟲纖維含量在 0.1~29% 不等,最常見的形式是存在於昆蟲外骨骼中的不溶性幾丁質,在人體腸道中難以消化,可當作膳食纖維。鐵、鋅與鈣的含量較牛、豬或雞肉多,也含有維生素 B 群,A、D、E、K 與維生素 C,很適合當作日常營養補給的營養來源(Kouřimská, et. al.,2016)。2

現今昆蟲食品所面臨的障礙:食蟲百利,法律規範、大眾知識卻還沒跟上

許多國家現在仍有食蟲習慣,但是不少已開發國家並不樂見昆蟲出現在食物裡,且將蟲類視為病菌傳染媒介,立法限制食物中昆蟲殘骸和蟲卵汙染量。如美國食品藥物管理局規定每 100 公克巧克力中不得含有超過 60 片昆蟲碎片;咖啡豆所含的昆蟲量不得超過 10%;果汁飲料中不得含有超過 5 顆蒼蠅卵等,讓昆蟲食品上市面臨限制。

也有國家認為昆蟲是新穎性食品或食品添加物,要進一步變成能上市販售的普遍食品材料,要配合微生物,化學與環境等多方面研究,進行風險評估核可與制定相關的法規作規範管理。

想嘗試食用昆蟲?蜜蜂相關產品可以是你的第一步。圖/pxfuel

近期美國已准許販售整隻昆蟲,但是新型昆蟲衍生產品則被視為食品添加劑,需進行成分安全評估。歐盟雖較嚴苛地將食用昆蟲視為新穎性食品規範,但是盟內各國步調不一,不少接受度高的國家皆放寬處理,如比利時、德國與荷蘭已有昆蟲食品於市面上販售。台灣雖然批准 11 項昆蟲及其來源製取之原料可做食品原料使用(包括花粉、紅蚯蚓、蜂王乳、蜂王漿、蜂蛹、蜂蜜、蜂膠、蜂膠樹脂、蜂蠟、擬黑多刺蟻及蠶絲蛋白)但對昆蟲蟲體相關產品尚無法規規範,未來也不排除歸類於新穎性食品。

除了分類管理問題,產業經營也有許多要注意的地方:

  1. 昆蟲來源:若是採野外捕捉方式,就必須考慮永續經營;人工飼養則要有相關技術與配套的隔離方法,避免以昆蟲為媒介的傳染病,並控制蟲子熟成步調一致,穩定品質,才能形成大規模產業。而且無論以哪種方式取得昆蟲,都得注意環境中可能產生的重金屬污染與藥劑殘留。此外,來源與產地都將牽動全球的昆蟲貿易與產業鏈發展,不可輕忽。
  2. 飼料:應避免同種加工蛋白質餵養的風險,以免類似普利昂蛋白引發狂牛症,或是儲存不當的有機廢棄物產生質變等問題。
  3. 加工製造:得了解食用昆蟲的鑑定與食用方法等知識,預防攝入部分昆蟲含有的天然毒素;未去除足部的蚱蜢或蝗蟲引起的腸胃不適等風險。不同蟲體的物化特性直接影響到加工方式,還有萃取與濃縮後須了解食用安全性。
    另外,昆蟲蛋白可能還摻假問題,如額外使用皮革粉、羽毛粉等,蛋白含量高不等於動物源蛋白含量高。
  4. 產品推廣與食用注意事項:畢竟多數人沒有食蟲習慣,甚至對昆蟲充滿陌生與恐懼,因此上市前的感官品評與營養價值分析很重要,食品規範、包裝規範也需建立準則。尤其要注意昆蟲與許多其他節肢動物(如蟎蟲、甲殼類動物及軟體動物等)為類似過敏原,應標示可能產生過敏的訊息。才能減少風險並博得消費者信賴。
    近年生命福祉意識抬頭,收成前讓蟲子挨餓的清腸步驟,或密集飼養等道德福祉議題,也都可能影響消費者對昆蟲食品的接受度。

本文討論了食蟲的各種優點;分析了昆蟲的營養價值;也提出了目前推動食用昆蟲面臨的問題,下篇〈吃蟲進行式:昆蟲食品的新奇之路——昆蟲會成為未來糧食革命的主力嗎?(下)〉將正式帶你了解為了讓昆蟲好吃,世界各地做了多少努力,現在世界各國又有哪些已上市的「含蟲食品」,也許你也曾吃過喔!

注解:

  1. 熱量多寡取決於脂肪的比例,脂肪酸組成的比例則受到種類、生長階段、飲食、環境溫度、休眠或遷徙有關。
  2. 除了測定方法與品種會影響到各項數值外,由於昆蟲的生命週期短,不同發育階段的同種昆蟲的營養組成都可能不一樣,飼料與產地造成的差異也較顯著。
  3. 營養價值指標(Nutrient Value Score):聯合國世界糧食計劃署開發,根據各種食物含有的營養素組成與微量元素含量為依據,以互相比較何種食用起來比較有益健康的一種評分工具(請參考附表,不同國家也會使用不同的評比標準)。

參考資料:

論文:

  1. Elhassan, M., Wendin, K., Olsson, V., & Langton, M. (2019). Quality aspects of insects as food—Nutritional, sensory, and related concepts. Foods, 8(3), 95.
  2. Kouřimská, L., & Adámková, A. (2016). Nutritional and sensory quality of edible insects. NFS journal, 4, 22-26.
  3. Laura, R.. (2016). Taste: The infographic book of food. Great Britain: Aurum Press.
  4. Jansson, A., & Berggren, Å. (2015). Insects as food-something for the future?.
  5. Musundire, R. (2014). Bio-active compounds composition in edible stinkbugs consumed in South-Eastern districts of Zimbabwe.
  6. Payne, C. L. R., Scarborough, P., Rayner, M., & Nonaka, K. (2016). Are edible insects more or less ‘healthy’than commonly consumed meats? A comparison using two nutrient profiling models developed to combat over-and undernutrition. European journal of clinical nutrition, 70(3), 285.
  7. Rumpold, B. A., & Schlüter, O. K. (2013). Nutritional composition and safety aspects of edible insects. Molecular nutrition & food research, 57(5), 802-823.
  8. Stamer, A. (2015). Insect proteins—a new source for animal feed: The use of insect larvae to recycle food waste in high‐quality protein for livestock and aquaculture feeds is held back largely owing to regulatory hurdles. EMBO reports, 16(6), 676-680.

報導:

  1. 吃蟲救地球?歐盟從食安、飼料管理、戴奧辛殘留到動物福利,都需規範〉,上下游
  2. The connoisseur’s guide to edible insects,Western
  3. Cricket Protein: the New Food Frontier Is Here Already, CRICKSTER
  4. 未來新食機——食用昆蟲發展的 4 項觀察〉,經濟部技術處
  5. 全世界有 20 億人口把昆蟲當食物的一種,他們會是未來食物新趨勢嗎?〉,關鍵評論網
  6. 蠶蛹作為動物性蛋白質飼料原料之安全性評估〉,苗栗區農業專訊第 83 期
  7. 251 萬噸的豬料市場空間,昆蟲蛋白為何難以進入?〉,南方農村報
  8. Insects as a more sustainable protein source, By
  • 文字編輯/翁郁涵

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你是國中生或家有國中生或正在教國中生?
科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。來科學生陪你一起唸科學!

文章難易度
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6 篇文章 ・ 2 位粉絲
與許多食品人一樣誤打誤撞,只因為愛吃進入了這個領域,一腳踏入後發現這坑太大,不多拉些人進來那怎麼可以!

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越南車廠將撼動特斯拉電動車地位!?誰能在電池戰中獲勝?
PanSci_96
・2023/02/26 ・2723字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2022 年 12 月,來自越南的 999 台 VinFast VF 8 City 型智慧電動車乘坐貨輪抵達抵舊金山貝尼西亞港,敲開特斯拉的電動車帝國大門。

除了吹響這次的電動車戰爭號角的 VinFast,眾多車廠像是通用汽車(General Motors)或是來自中國的比亞迪等,都拿起籌碼坐上桌,準備要搶攻這塊市場。而大家手上握的籌碼,就是自家生產的電池。

氫與鋰,都幾?

在電動車產業中,要掌握電動車,就得先掌握好電池。光是電池就佔了整台車 35~40% 的成本,選擇不同種類的電池,更會影響到續行里程、充電效率和安全性。而目前電動車所使用的均為「鋰離子電池」。

大家是否還記得,在十幾年前,與電動車角逐未來「環保車」位置的,還有氫能車。

氫與鋰的競爭勢必發生,它們排在元素週期表最前面,原子序最小的一、三名。鋰的密度甚至僅有每立方公分 0.534 克,比水還要輕,代表在相同的重量下,可以放入更多的原子,攜帶更多的電量,這正是我們最需要的。由於氫氣的分子量小,在燃料電池中的能量轉換效率也不錯,因此「理論上」氫燃料電池的能量密度是鋰離子電池的 150 倍。

只是,就現在技術成熟度來說,明顯是鋰離子電池獲勝,不論是手機、電動車還是大型儲電設備,到處都見得到鋰離子電池的身影。

手機也是使用鋰離子電池。圖/Envato Elements

鋰離子電池

1970 年代,英國化學家惠廷翰(M. Stanley Whittingham)發明了第一個可以充放電的鋰離子電池,其單位重量的儲電效率遠超過當時的鉛蓄電池與鎳鎘電池。在電池中,金屬鋰會在負極丟下電子,以鋰離子的狀態移動到正極,並被特殊設計的二硫化鈦夾層捕捉,電路中的電子則會從負極流往正極,完成電路循環。

不過當時負極所使用的是純金屬鋰,因此,在電池充電、鋰離子會回到負極再結晶成金屬鋰的過程中,會容易形成如同鐘乳石般的晶鬚(Lithium Dendrite),當晶鬚因為反覆充放電變的更長,甚至會戳破電池的保護層,導致短路爆炸。

好在後來美國的古迪納夫(John B. Goodenough)與日本的吉野彰(Akira Yoshino),分別將正極材料換成了鋰鈷氧化物,負極換成可以捕捉鋰離子的碳材料;整顆電池不再有純金屬鋰,只有鋰離子在電解液中移動,確保了安全性,讓鋰離子電池得以商業化。

而這孕育出鋰離子電池的這三位科學家惠廷翰、古迪納夫以及吉野彰,在 2019 年抱回諾貝爾化學獎,實至名歸。

2019 年諾貝爾化學獎,頒給了孕育出鋰離子電池的三位科學家。圖/The Nobel Prize

電池的負極在吉野彰將負極換成石墨烯等碳材料後,至今沒有太大的變化,鋰離子電池最主要的改良還是圍繞在正極材料的改變上,我們習慣將不同的鋰離子電池依照它的正極材料來命名,例如:將鋰離子電池的正極改為鋰鈷氧化物,則稱為鈷酸鋰電池。電池發展到現在,陸續登上舞台的還有磷酸鐵鋰電池、磷酸鋰錳鐵電池、鋰鎳鈷鋁電池、鋰鎳錳鈷電池等。

哪個才是最強的電池

「三元電池」是目前市面上可量產的產品中、能量密度最高的電池,也是現在電動車的電池首選。「三元」指的是正極材料中除了鋰以外,加進了鎳、鈷、錳三種元素,具有高容量、低成本的巨大優勢。

除此之外,材料學家發現,如果提高鎳含量,可再進一步提升單位體積的電容量。許多車廠推出的高鎳電池,其鎳含量甚至高達 80 至 90%。這種高鎳三元電池的電容量可以高達每公斤 280~300瓦時(280~300 Wh/kg),相較之下,馬斯克最愛的「磷酸鐵鋰電池」每公斤只有 140~150 瓦時(140~150 Wh/kg),僅三元電池電容量的一半。

那為什麼電動車龍頭特斯拉反而選擇了磷酸鐵鋰電池呢?就是成本考量。

磷酸鐵鋰的成分除了鋰以外,只需要常見的鐵跟磷,完全移除了昂貴的稀有金屬鎳跟鈷,在俄烏戰爭爆發之初,由於俄羅斯是鎳的生產大國,導致鎳的價格在一個月內暴漲了 250%,大大增加了高鎳三元電池的成本負擔。

另外,相對三元電池,磷酸鐵鋰電池不僅成本低,安全性也較高。

除了特斯拉,在 2022 年電動車銷售數量超越特斯拉的中國車廠比亞迪也很愛!比亞迪自行研發的「刀片電池」用的就是磷酸鐵鋰電池,並且透過物理結構的改良,在不過多改變材料的情況下,增加相同體積中的電容量。

特斯拉電動車用的是磷酸鐵鋰電池。圖/Wikipedia

次世代電池,Taiwan can help?

科學家預估,鋰離子電池的物理極限大約就在每公斤 300 瓦時,三元電池也差不多摸到這條線了。而這個結果離「完美」絕對還有很大一段距離,因為汽油的能量密度可是每公斤一萬兩千瓦時,鋰離子電池的 40 倍!

先別失望!隨著科技進步,鋰離子電池也將進入次世代。2022 年 3 月,Gogoro 與台灣電池廠商輝能科技共同發表,將在 2024 年導入固態鋰電池,用固態電解質來取代傳統鋰電池中的液態電解液。藉此不僅重量僅有鋰電池的一半,去掉液態成分後更大幅減少漏液、燃燒的風險;更重要的是,固態電池的能量密度上看每公斤 500 瓦時,是三元鋰電池的兩倍,車主們就可以少換幾次電池。

想開電動車的車迷也可以期待,除了 Gogoro 以外,輝能科技也宣布結盟 VinFast,可望在電動車市場上掀起一波固態電池車風潮。

這邊有個更好的消息,超越固態電池,能量密度可以逼近汽油的「空氣鋰電池」已經在研發路上。空氣電池的負極使用鋰金屬,正極則替換為氧氣或二氧化碳,成為鋰氧氣電池(Li–O2 Battery),或是鋰二氧化碳電池(Li–CO2 Battery);用氣體取代了原先沉重的金屬正極,大大提高了相同重量的電容量。

雖然空氣電池仍在研發,一樣需面對負極沉積時產生的晶鬚、安全等問題;但至少在過去 20 年,鋰電池遇到的困難已經多次被解決,電化學儲能的方式大有可為。

電動車的發展持續受到關注。圖/Envato Elements

不論是市場上電動車的銷量年年攀升,還是各國政府、車廠的全力投入,電動車主導汽車市場的未來已經清楚可見。未來會不會出現顛覆市場的電池、電動車,甚至是全新型態的交通工具,都令人期待。而在工業製程與材料改革中,「電動車是否真的有比較環保」這個問題,也希望能有個解答。

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世上最貴的藥——血友病基因療法
PanSci_96
・2023/02/25 ・3182字 ・閱讀時間約 6 分鐘

對有些人來說,凝固止血是辦不到的事。凝血功能異常的大魔王就是血友病,患者生活不輕鬆,治療用的藥物更是天價。

美國食品藥物管理局在 2022 年 11 月批准的血友病新藥 Hemgenix 。每次治療的藥價高達 350 萬美元,一躍成了世界上最昂貴的藥品。

血友病的藥怎麼會貴成這樣?為何那麼難治癒?在討論這些問題之前,首先我們要面對一個很複雜但意想不到的身體現象——凝血。

血是怎麼凝固的

當血管出血時,會先收縮血管,降低血流量。血小板接著形成臨時的血小板栓堵住血管,然後啟動凝血機轉,形成更加穩固的纖維蛋白,使血管完全堵塞,形成凝塊堵住傷口。整個過程要跟時間賽跑,凝血太慢,臨時的血栓就會被血流沖垮;因此在血友病等疾病影響下,凝血因子數量不足或失去正常功能,就會造成異常的出血症狀。

其中「凝血機轉」(Coagulation cascade)是關鍵的一步,Cascade 指的是眾多凝血因子(coagulation factors)瀑布式的級聯機制,在一連串繁複的生化反應下,在血流中快速建立起穩固的纖維蛋白來堵住傷口。這些凝血因子都是絲氨酸蛋白酶,能加速另一種蛋白質分解,每一個被啟動的凝血因子,會啟動下一個凝血因子,最終形成血塊。

凝血因子的命名是依照歷史上發現的先後順序,訂下編號 1 到 13。當我們需要凝血因子開始工作時,就會將其活化;被活化的凝血因子,會在各自的羅馬數字後面加上 active 的“a”來表示,例如,因子 V 活化之後就變成因子 Va。

凝血因子的命名為編號 1 到 13; “a” 則為被活化的。圖/維基百科

凝血機轉的關鍵在於:不斷讓因子活化成因子 a,因子 a 再去活化下一個因子,直到形成血塊。

在整個過程中,有個因子 IIa 特別重要,又稱為凝血酶 Thrombin,它不僅能活化血小板,讓原本圓圓小小的血小板長出觸手,跟其他血小板勾勾纏在一起。此外,它還能活化內源途徑中的因子 VIII、將共同途徑中的 XIII 活化成 XIIIa、以及將纖維蛋白原因子 I 聚合成不溶於水的纖維蛋白 Ia。

被活化的 Ia、XIIIa 就是凝血機轉關鍵的最後一步,它們會和鈣離子形成互相交聯的纖維蛋白網,讓血塊穩定下來。

血友病成因

既然凝血過程那麼複雜,而我們又要追求凝血速度,那麼要是在哪個環節出了差錯,不就止不了血了嗎?沒錯,這就是血友病的成因。

血友病是一種遺傳性的凝血障礙,通常是由於基因缺陷所導致;然而,儘管是遺傳疾病,但仍有 1/3 左右的病例沒有家族史,代表可能是自己身上產生了突變。血友病分成兩種類型:A 型與 B 型,A 型則是由於凝血因子 VIII 缺乏或缺陷造成的,B 型是凝血因子 IX;兩種血友病的臨床表現很相似,需經過檢驗才能區分。

依用患者血液中特定凝血因子與正常人平均值的比較,來分為重度(1% 以下)、中度(1%~5%)、跟輕度(6%~40%)。成年 B 型血友病患者在 40,000 人當中就有 1 人,其中大多數為男性,台灣約有 200 多位患者。

患者的關節內特別容易出血,造成腫脹、疼痛、無法活動,長期會造成軟骨磨損、關節滑膜充血增生、硬骨骨質流失及骨刺,若是發生不可逆的損傷,就算注射凝血因子也無法恢復;因此,若是罹患重度血友病,最好從小開始預防性定期施打凝血因子,維持濃度,讓關節出血的機會盡量降低。

此外,在正常的初級止血過程中,活化的血小板和內皮細胞會釋放一種叫做 Von Willebrand 因子的蛋白質,如果因子 VIII 沒辦法與其結合,就會在血液中被迅速降解;因此,若 Von Willebrand 因子缺乏或出問題,也會有類似血友病的症狀,在台灣稱為「類血友病」或「溫韋伯氏疾病」(von Willebrand disease, VWD)。

血友病的成因為,在凝血過程中出了差錯。圖/Envato Elements

血友病為何無法徹底治癒

在治療血友病的歷史中,從石灰、明膠、骨髓到蛇毒都曾被用上,不過最主要還是透過輸入大量血漿。

自 1965 年史丹佛大學 Judith Pool 博士發現解凍血漿留下的沈澱物富含因子 VIII,到 1990 年代基因工程培養細胞產生凝血因子;補充因子的治療方法雖可大幅改善患者生活品質,但還是有一些關鍵問題。除了終身都要持續、頻繁地從靜脈注射凝血因子外,療法非常昂貴,且只有不到一半的患者可達到零關節出血的目標。

另外,由於病患沒有因子 VIII 或 IX,他們的免疫系統就有可能把補充進來的凝血因子當成外來的病原,因而產生抗體;儘管這種現象通常只出現在重度患者身上且比例不高,但要是遇上這種情況就非常棘手,病患出血頻率會較高、也更容易關節損壞。通常醫生會使用繞徑藥物(bypassing agent),繞過需要 VIII 跟 IX 因子的凝血路徑來止血,但效果並不如直接補充凝血因子。

在治療血友病的歷史中,最主要還是透過輸入大量血漿。圖/Envato Elements

既然抗體是問題,那把抗體消除不就行了?這的確有可能,曾有醫師發現,若刻意頻繁且大量地給予凝血因子,可以讓病患體內因外來凝血因子而產生的抗體消失,但這起碼要執行超過一年,而且注射劑量得是一般劑量的兩倍以上,才能有較高的成功率。

這種療法稱為免疫耐受引導治療(immune tolerance induction, ITI),執行起來非常辛苦、藥物耗費也多,而且要在很小,大概兩三歲的時候就盡快開始執行,要是長大了才做,成功率就會大幅降低,實在很不划算。

350萬美元其實並不貴?

現有的療法昂貴、耗時、效果有限、而且還得忍受一輩子。於是新療法出現了!

美國食品藥物管理局(US Food and Drug Administration)在 2022 年 11 月批准了一種治療血友病的新藥——Hemgenix:為一種基因療法,透過改造過的腺相關病毒 AAV,將基因運送到患者的肝臟細胞後,就能靠自己製造出凝血因子 IX,讓中重度 B 型血友病患者恢復凝血功能,同時兼顧安全性跟有效性。

基於對 54 名患者的臨床實驗資料,在一次性的靜脈注射後,7~8 個月左右,幾乎所有病患體內的因子 IX 水平都穩定了,預估效果起碼能維持八年以上,甚至更長。即使臨床實驗裡,有患者製造的因子 IX 比較低,但都達到足以避免自發性出血的程度。注射後的副作用很輕微,例如常見的頭痛或輕微的感冒症狀,而追蹤 24 個月之後,跟治療有關的不良反應則是零。

生產商 CSL Behring 將藥價定為每次治療 350 萬美元,對患者來說,若有機會接受新療法,當然是好消息,但是這價格實在驚人。不過,以美國的情況來說,CSL Behring 認為每一位接受新療法的患者,可以替美國健保系統省下 500 至 580 萬美元的費用,患者能夠獲得確實有效而且再也不用頻繁地注射因子 IX,省下每年大約 60 萬到 80 萬美元的治療開支。

Hemgenix 每次治療為 350 萬美元,對多數患者來說,這價格實在驚人。圖/Envato Elements

臺大醫院血液科主治醫師周聖傑表示,台灣成年 B 型血友病患者,每年大約要花台幣 400~500 萬注射因子 IX;不過目前還不知道新的基因療法在台灣價格會是多少。

周聖傑醫師對新療法審慎樂觀,但也提醒,肝臟未發育成熟的兒童、或是肝功能不好的的血友病患者,仍無法使用基因療法;此外也得看患者是否對腺相關病毒已經有抗體,因此療法的適用性仍要視個別狀況考慮。

然而,不論是新的基因療法或是新型長效因子注射療法,對在發展中國家、全球 80% 的血友病患者來說,都是無法負擔的天價。未來若要讓更多患者能受惠,需要各方面共同努力。

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臺灣發展地熱發電到底可不可行?(上)
PanSci_96
・2023/01/29 ・3490字 ・閱讀時間約 7 分鐘

2022 年 3 月臺灣政府正式公布了「台灣 2050 年淨零排放路徑藍圖」,我們在先前的影片也有聊到,2050 淨零排放就是要讓台灣的總碳排放量,再扣掉人為捕捉移除的量之後歸零。

直觀來說,極低碳排放的再生能源電業,在淨零排放上勢必扮演重要角色。這次我們要來聊聊除了太陽光電和離岸風電之外,大家也非常期待的綠色能源——地熱發電,談談地熱發電究竟是什麼?有發展的可能嗎?

什麼是地熱發電?

大家學過地科都知道,地球內部處於極高溫狀態,而這股地熱能,會隨著地函對流和熔岩,被帶至地表附近。

地函對流。 圖/wikimedia

人類很早就懂得利用地熱資源,例如你我曾經泡過的溫泉,就源自於被地熱加熱的地下水。換言之,地熱能是地球自然產生、乾淨的再生能源。若拿來發電,就是所謂的地熱發電。

地熱發電擁有不少優點,包括使用腹地小、碳排放低、低污染、抗天災等,更沒有目前太陽能發電和風力發電最為人詬病的不穩定問題,可以 24 小時全天候提供電力。若能妥善開發和利用,不失為未來全球再生能源供給的重要選項。

臺灣地熱潛力為何?

說得再理想,還是要先回答一個關鍵:臺灣的地熱潛能到底有多少?這邊要介紹一個名詞:地溫梯度(geothermal gradient),它指的是地球內部隨深度增加而使得溫度升高的變化率。

地球內部的溫度曲線示意圖。 圖/wikimedia

一般來說,在地表附近,每往下一公里,溫度就上升約攝氏 25 到 30 度;但是,在靠近地球構造板塊邊界處,溫度梯度較高;也就是說,往下同樣的深度,會得到比較高的溫度。在這些地區,要進行地熱發電明顯比較有利。

而臺灣正好位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊的交界,因為兩個板塊的互相擠壓,使得地殼隆起而形成。

因此,臺灣不但多地震,就先天條件來說,似乎也是地熱潛力值得期待的區域。

可惜的是,根據上個世紀的地熱評估文獻,臺灣的地熱發電潛能最多不會超過 1000MW,這個數字是多少?我們作個對照,核四兩部機組的總裝置容量是 2700MW。

若再考慮這些地熱的位置和環境,不見得都適合開發,所以可實際運用的地熱就又更少了。對此,工研院甚至曾推估,其中真正能拿來發電的地熱,只有 150MW。

這麼說來,我們大概不用指望地熱發電,只能洗洗溫泉睡了,或頂多只能有小型的發電規模。

不過,代誌(tāi-tsì)不是那麼簡單。當談到地熱資源多寡的時候,就跟為人處世一樣,我們至少必需要留意兩個要素:溫度和深度。很顯然地,當溫度不夠高,地熱發電就沒效率;另一方面,既然地底越深處溫度越高,我們只要一直挖、一直挖、挖得夠深,總是可以得到足以發電的高溫。

前面說到臺灣地熱發電潛能最多不到 1000MW,事實上考慮的是溫泉地區中,離地表比較近、最容易開發的地熱。若往更深的地方探勘,又是另一番風景。

地熱發電,除了考慮溫度還要考慮深度。 圖/envato.elements

在習慣上,國際常分別用淺層地熱(shallow geothermal)和深層地熱(deep geothermal)的稱呼來區別深度不同的地熱能。但要值得留意的是,要多淺才叫淺層、多深才叫深層,並沒有全球一致的定義,反而依各國情況而定。

近年來,在國科會的能源國家型科技計畫支持下,臺灣大學的研究團隊分析了大屯火山群、宜蘭地區、廬山地區和花東地區共四個區域的資料,發現海拔高度 1000 公尺以下、地底深度 4000 公尺以內,且地溫高於攝氏 175 度的地熱蘊藏發電容量,可達 33640MW。換句話說,約等於 12 座核四。

既然臺灣蘊藏了這麼高的發電容量,那我們還不趕快開發開個爆嗎?

地熱發電原理與技術

這就會牽涉到現實中,地熱發電技術的發展。

理想狀況下,地熱資源的構造,大致可以用這張圖來表示。最下方是熱源,熱源之上稱為儲集層(reservoir),再上方則是由緻密岩石組成的蓋層(caprock)。

地下水會經由地層裂縫進入儲集層而受到加熱。因為蓋層的阻擋,大部分熱水或水蒸氣會在儲集層進行熱對流,而少部分的水或蒸氣則可能會透過蓋層的裂縫,從地表竄出,成為溫泉或是噴氣孔。

就傳統的地熱發電來說,地底需要三個條件,豐富的熱源、充足的地下水,和良好的滲透率,讓水可以在其中流動,這三者缺一不可。在具備這些條件的地方,汲取地熱能量相對容易。

如果從地底出來的水是蒸汽型態,我們可以直接利用,讓蒸汽通過渦輪機,產生電力,稱為乾蒸汽(Dry Steam)發電,這也是最古老的地熱發電方式。只不過,這麼好的條件可遇不可求。

若存在地底的是攝氏 180 度以上的高溫熱水,當這些熱水從高壓環境抵達地表的低壓貯存槽,因為壓力降低,會迅速轉變成氣體,推動渦輪發電機,這稱為閃發蒸汽(Flash Steam)發電,同時也是目前最普遍的地熱發電方式。

要是地熱資源的條件沒那麼好,比如說,世界上大部分地方,地溫梯度並不高,就算挖得很深,地下水溫就是不熱,怎麼辦呢?就像教授在課堂上講笑話,大學生托著腮毫無反應一樣,那就找批笑點很低、又很有精神的小學生來吧!

近來,許多的新建地熱發電廠採用所謂雙循環(Binary-Cycle)發電方式,當溫度沒那麼高的地下水到達地表後,會在熱交換器(heat exchanger)與另一種流體交換熱能,像是正戊烷(Pentane)或丁烷(Butane);它們因為沸點很低,所以在接收到地下水的熱能後,會轉變成氣態並推動渦輪,產生電力。雙循環系統的好處是適用更廣大的區域,而且對溫度的要求不高,甚至有攝氏 57 度就成功發電的紀錄,但缺點就是發電效率較低。

目前世界上的地熱發電廠,主要都是用以上三種方式進行發電,深度約在 1.5 公里到 2.5 公里左右。然而,正是地熱發電技術的瓶頸,成為臺灣大規模開發地熱資源的難處之一。但這些難處,其實也有技術可以破解!

臺灣地熱的先天條件、侷限、破解之道

上述的地熱發電方式,至少都需要有充足的地下水或地下流體,和良好的滲透率;就算溫度不夠高,也還可以用雙循環系統來彌補。

但在臺灣,深度較淺、容易探勘與利用的地熱資源,發電潛能最多也不過前面提及的 1000MW,而且還得再扣除不適合開發的地區。如果想大規模進行地熱發電,就勢必要往更深處的地熱資源著手。

然而,我們卻沒辦法保證潛在的地熱資源,都具備充足的地下水跟良好的滲透率。有很大可能是,地底深處儘管溫度夠高,卻沒有水也沒有適當的裂隙。這也是全球地熱發電發展腳步緩慢的原因之一。

為了克服此一問題,這些年來陸續有不同的提案出現。而國際上最常被提及的解方,就是所謂的增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System),簡稱 EGS。

EGS 在嚴謹控制的環境下,以高壓朝地下深處注入冷水,迫使岩石原本既有的裂隙擴大,人為創造良好的滲透率。

這些冷水在吸收地底的高溫之後,又會回到地表作為發電之用。一旦發電完畢,這些冷卻下來的水又會被注入地底,如此往復循環。有如開了二檔的魯夫。

整套方法在 1:05 有動畫呈現。

這樣聽起來,增強型地熱系統似乎很不錯,降低了地熱發電的環境限制門檻。但是,它也存在一些問題。

首先,往地下注入的水,其流動取決於人為擴大的裂縫,但我們並沒有辦法保證裂縫方向符合需求,所以會有很多水是沒辦法回收的;二來,它也有引發地震活動的可能性。這些都是使用 EGS 進行地熱發電時,要實際考慮的問題。

這集,我們討論了地熱發電的原理,以及臺灣是否適合地熱發電,下一集將討論地熱發電的成本,與開發上需要考量的細節,並回顧台灣地熱發電的發展歷史。