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翡冷萃咖啡的祕密(下):手機也能測咖啡濃度!

活躍星系核_96
・2020/01/14 ・3453字 ・閱讀時間約 7 分鐘
圖/Pexels by Ylanite Koppens

上集,我們利用輸送現象,並建立模型,解釋了市售冷萃咖啡為什麼可能不是冷萃的原因。理論與模型終究是紙上談兵,複雜的現實情況必然無法用我們的簡單理論完美描述。

「一個好的模型,是帶來出乎意料成功的非現實簡化。1

本集,我們就要透過實驗,來檢視簡化模型預測的咖啡濃度差是否跟實驗結果相似。這個實驗不需要任何實驗室儀器,只需要手機鏡頭跟圖片編輯軟體就能辦到!

利用「比色法」辨別濃度

若要辨認咖啡的濃度,在使用同一種咖啡豆的情況下,我們一般會很直觀的認為顏色深的咖啡比較濃,顏色淺的咖啡比較淡吧2!如果我們知道什麼濃度的咖啡會有什麼樣的顏色,當我們沖出一杯咖啡時,就能以顏色判別濃度,這就是「比色法」的概念。咖啡濃度與顏色之間的關係,從「檢量線」可看出來 。可想而知,檢量線如果準確,實驗結果就會比較準。因此,如何建立檢量線就很重要了!

要建立檢量線,我們可以透過「連續稀釋法」,先取得數個已知濃度的咖啡樣品。首先,我們以正常方式用 80℃ 熱水沖一杯咖啡,設定這個濃度為 1.0,也就是標準濃度。接著,取出一部分的咖啡與等量的水混合,稀釋後的咖啡濃度就是原本的一半,也就是 0.5。再將稀釋後的咖啡取出一部分與等量水混合,得到 0.25 濃度的咖啡,依此類推。

圖一、利用連續稀釋法製作咖啡樣品,用來建立檢量線。圖/作者

小畫家就能量化顏色

有了咖啡樣品,接著需要找到量化咖啡顏色的方式。相信大家都有使用小畫家的經驗吧!若用小畫家開啟一張照片,使用「顏色滴管(color picker)」就可以知道某個特定顏色的 RGB 值,也就將顏色量化了。

所以,我們可以將咖啡樣品用相同規格的透明容器裝起來,在相同的光源、背景、角度下用手機拍照,傳到電腦再用小畫家開啟,就能知道這些咖啡顏色的 RGB 值了。

不過,再仔細想想,你會發現幾個問題:

  1. RGB 值有三個數字,哪一個數字或什麼樣的組合才代表濃度呢?
  2. 用小畫家一次只能得到一個點的數值,也就是滑鼠鼠標對應位置的 RGB 值,不利統計。
圖二、用小畫家擷取照片中咖啡的 RGB 值。圖/作者

為了解決第一個問題,我們可以使用灰階照片。假設顏色深淺是濃度對應的指標,那麼將彩色照片轉為灰階就可以讓 RGB 三個數字一致,又不失顏色深淺的特徵。

至於第二個問題,我們可以使用數學界四大軟體之一的「Matlab」。軟體中的 Image Viewer 可以一次獲得指定範圍內每一像素的 RGB 值,對這些數字取眾數,就可以獲得比較具代表性的 RGB 數值了。

圖三、用手機鏡頭與 Matlab 數值軟體估算咖啡濃度的方法:先拍照、調成灰階,用軟體取得指定範圍內的 RGB 值,最後再取眾數。圖/作者

將樣本濃度與灰階後的 RGB 值3 繪於一張圖上,就得到了檢量線。

圖四、以 80℃ 熱水沖泡咖啡得到的檢量線。繪圖/作者

簡化模型真的能成功嗎?

既然我們已經有了估測咖啡濃度的方法,現在就可以用不同溫度的水沖泡咖啡,來驗證實驗結果是否與模型相同。

首先,用 87.5℃4、80℃、25℃ 的水沖泡咖啡,並分別將咖啡拍照,轉灰階。接著用 Matlab 取得 RGB 值後,利用檢量線對應出相對濃度。最後,跟模型計算的數值比對。

圖五、以不同水溫沖泡的咖啡 RGB 值與對應濃度。繪圖/作者
T(℃)模型預測實驗值
87.51.6761.780
801.0001.000
250.1190.196

表一、模型能合理預測不同水溫下的咖啡濃度。製表/作者

由表一可見,模型可以合理估算出實際沖泡的咖啡濃度,也再次強調,一個好的模型:是帶來出乎意料成功的非現實簡化!

比色法的缺點

看到這裡,或許你會覺得比色法實在太好用啦!是不是以後都不需要高階實驗儀器與方法,只要用比色法就能替所有化學物質定量了呢?當然不!

其實在這個簡易咖啡實驗中,我們能發現幾個顯而易見的問題:

1. 若要講究比色法的嚴謹定量,就只能使用在內插的範圍,絕不可用來解釋外插才能得到的數據5。舉例來說,圖五中 25℃ 水沖泡的咖啡落在檢量線的兩個數值之間,能夠對應出相對的濃度,這樣稱為內插。但是,87.5℃ 熱水沖泡的咖啡濃度定量,是由最後一段檢量線向外延伸到 87.5℃ 咖啡對應的 RGB 值,再向左對應出相對濃度。這樣的對應稱為外插。

這是相當不嚴謹的估算,因為我們無法確保 RGB 值與相對濃度的關係在這段範圍裡依舊會跟相對濃度 1.0 與 0.5 的直線相同。

圖六、比色法不宜外插,因為外插假設檢量線為橘色虛線,但實際情況可能偏離甚遠(例如圖中兩條紫色虛線),對應出來的濃度會有極大差異。繪圖/作者

2. 雖說上集介紹的模型可以套用在每一種化學物質,但我們的計算都是以咖啡因為基準(詳見上集的註解1)。但是,咖啡因溶於水是無色透明的,所以用比色法討論咖啡因或其他沒有顏色的物質並不合適。

不過,儘管有這些問題,若僅是要簡易估算各物質平均在咖啡中擴散的模型與實驗,從表一的結果來看依舊是可行的。

工程思維:效率與品質可以兼顧

合理簡化一個複雜問題,不一定會失去正確性。

在這次的實驗中, 質量傳遞模型有許多簡化跟假設,實驗用到的比色法也有許多假設,甚至還有小範圍的外插。我們當然可針對這些簡化,用更高深困難的理論與數學,例如考慮熱水在沖泡過程中冷卻、濾袋的幾何結構、捨棄等效水道長的概念而用顆粒床的公式計算等,結合程式編碼,模擬出更符合真實情況的計算。

可是,模型的建立會因此更困難,計算難度也高出許多,結果卻可能沒有顯著差異。相對的,簡化模型與比色法實驗的相符,替「出乎意料成功的非現實簡化」提供了最好的例子。總而言之,一個模型怎樣才算過度簡化,往往還是需要與實驗、經驗比對,才會知道。

雖然如此,這也不代表工程師不注重基礎理論。近年的化工研究發展大多高度要求物理、化學、生物理論的應用,諸如材料開發(分子設計)、藥物研究(像是標靶治療、奈米反應器、輸送治療蛋白質等)、能源工程(例如天然氣水合物性質研究、生質能轉換效率如何提高)、奈米製程(觸媒開發、晶圓製造等)。

對我來說,討論化工與化學、物理的差異,也不應停留在理論的複雜程度,而是著眼的系統跟尺度不同。舉例來說,化工藉物理、化學觀念來描述工廠的管線輸送、反應爐、蒸餾塔等設計,並用相同方法描述人體內的血液輸送以研究標靶治療與中風解方等;相對的,有些物理與化學領域專門研究分子、原子或更小層級7,意在關注物質與能量如何組成。

因此,區分化工與物理、化學領域的並不是使用理論的難易度,而是關注的應用不同,可別搞錯了喔!

註解

  1. 節自 Dill and Bromberg 在《Molecular Driving Force》一書中對統計力學的描述 “To borrow a quote, statistical thermodynamics has a history of what might be called the unreasonable effectiveness of unrealistic simplifications.”
  2. 通常淺焙咖啡的顏色比深焙淡,然而,這不必然表示淺焙咖啡中每一種化學物質的濃度都比深焙咖啡的還要低。所以此處強調要使用同一種咖啡豆才能比較。
  3. 因為黑色的 RGB 值是(0, 0, 0),白色為(255, 255, 255),如果直接使用,高濃度咖啡的 RGB 值較小,低濃度咖啡的 RGB 值較高,數值較不直觀。因此,我們使用經過轉換的 RGB 值來建立檢量線:Adopted RGB = 255 – Measured RGB。
  4. 熱水壺中的水溫原本是 95℃,但在沖咖啡的過程中,熱水會顯著的降溫。因此,模型預測時的參數是用熱水的初溫與末溫平均值來帶入計算,也就是 87.5℃。
  5. 內插的範圍是檢量線的最低與最高數值之間:RGB 值 77 到 211 之間。226.6 的 RGB 值不在此範圍間,屬於外插。
  6. 顆粒床(granular bed):在化工通常指布滿用以吸收、萃取之顆粒的長管。流體會由上而下或由下而上的在管中流動,以讓流體與顆粒可以盡量充分反應。但是要注意,顆粒床通常用來描述管內顆粒沒有被流體沖散而流動的情況,與之相對的是流體化床(fluidized bed)。
  7. 化工涉足這種微小尺度也行之有年,例如運用分子模擬開發材料、量化計算探討分子結構等。此部分的研究確實與化學、物理關心的領域重疊,但最終研究目的總會與工程應用連結。
  • 責任編輯/竹蜻蜓

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活躍星系核_96
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保養品內的保濕成分恐讓失智症找上門?——淺談「神經醯胺」的功效與副作用

艾晞娜_96
・2021/09/24 ・3891字 ・閱讀時間約 8 分鐘

不經意在網路上撞見有關 ceramide(神經醯胺,又稱賽洛美。本文統一稱呼神經醯胺)的廣告,內容約莫是:神經醯胺為人體皮膚角質細胞間脂質的一種,由脂肪酸和神經鞘胺醇基構成,既親水又親油,能夠增加角質細胞的保水功能。然其會隨年紀增長大幅流失,藉由服用神經醯胺,可幫助肌膚維持潤澤,並會形成保護屏障,使其免受紫外線、化學物質等的外來侵害。

當年齡逼近梅艷芳自人生謝幕的歲數,於此過分崇尚年輕的社會,再怎麼努力,仍免不了對肌膚年齡感到焦慮。於是進一步查詢了 ceramide,卻查到「神經醯胺有助於肌膚保養,卻會增加失智症風險」[1]的報導。更有文章[2]直接挑明,在補充神經醯胺增進年輕美麗的同時,會增加失智症風險。(不由得好奇揣想:是否失智症患者的肌膚便格外年輕美麗?)

神經醯胺化學式。圖/維基百科

神經醯胺是什麼?為何它有護膚效果

皮膚的結構可粗略分為表皮、真皮,以及皮下組織。表皮最外層的角質層是人體與外界環境間的重要屏障。以蓋房子來比喻,角質層的結構就像磚塊與砂漿,磚塊部分主要由角質細胞分化成的角蛋白纖維(keratin filaments)及聚絲蛋白(filaggrin)所構成;砂漿則由一層層的細胞間脂質所構成。一層層的細胞間脂質成分包括神經醯胺、游離脂肪酸,以及膽固醇。

其中神經醯胺佔了這些脂質質量的 50%。這些角質層中的脂質在維護皮膚屏障,以及防止水份流失上,扮演了重要角色。因此,近年許多外用的美容保養品中,常會添加神經醯胺,期能修復肌膚的屏障功能、增加肌膚保水度。(事實上,神經醯胺亦分為許多類型,不同保養品分別用了哪些種類的神經醯胺,又是另一個複雜的議題了。)[3]

圖/參考文獻 4

神經醯胺的外用效果

神經醯胺添加在乳液、乳霜等保養品,塗抹於皮膚的效果如何?

有研究者模擬皮膚天然保濕系統,調製了含有神經醯胺的乳液,將其塗抹於受測者的前臂內測進行測試[5]。發現與其他不含神經醯胺的乳液、保濕液相比,神經醯胺乳液明顯增加了皮膚的保水度。

塗抹後 2 小時量測,各類乳液皆可明顯增加皮膚保水度。隨著時光流逝,保水度逐漸下降。到塗抹後 24 小時,神經醯胺乳液所增強的保水度仍顯著優於其他乳液。

經皮水分散失量也比未塗乳液前減少約 25%。(量測經皮水分散失量是因為:水分散失量少,自然保留於皮膚內的水分便較多。)

塗抹乳液、乳霜。圖/Pexels

神經醯胺的內服效果

看來神經醯胺外用的效果還不錯。近來,商人們進一步提倡「吃的保養品」——「讓你的美麗由內而外」。那麼,內服神經醯胺對皮膚美容究竟有多少效用?

動物實驗顯示口服葡萄糖神經醯胺(glucosylceramides)可改善小鼠的皮膚屏障功能(根據為促進皮膚發炎的細胞激素 IL-1α 分泌量被抑制了),並可減少人類臉頰的經皮水分散失量 [6]

另外有研究[7]找了介於 20 至 60 歲間的男、女性,使其服用含有自發酵乳品分離,含神經醯胺的醋酸菌(Acetobacter malorum),服用 4 週後,檢測參與者臉頰、上臂內側、頸部、上背、足背的含水率。發現臉頰含水率顯著增加。經皮水分散失量及皮膚黏彈性質則試驗組與安慰劑組間無差異。

研究也利用血液生化檢驗、血液檢查、尿液檢查、血壓/脈搏、體重/體脂率/BMI值等數據檢測安全性。結果顯示:服用神經醯胺沒有造成任何生理傷害的跡象。

簡單說起來:神經醯胺可增進臉頰含水率,且不會對健康造成傷害。

神經醯胺與阿茲海默間關聯的機轉

而「神經醯胺會增加失智風險」的說法究竟從何而來?一般提及神經醯胺與失智的關係,多半是指其與阿茲海默症的關係。故事開始於有研究發現「血脂異常可能為造成阿茲海默症的因子」。

阿茲海默症可視為一種與周邊胰島素阻抗相關的代謝失調。胰島素阻抗與血脂異常有關,而血脂異常會造成肝臟產生的神經醯胺加多。此神經醯胺產量增加的現象,亦與肝臟脂肪變性引發的促發炎細胞激素之活化有關。

神經鞘脂(sphingolipid)代謝情形的變化,以及與神經醯胺合成相關之酵素的增加,造成細胞內神經醯胺增多。肝臟中生成,具有細胞毒殺性的神經醯胺及相關分子會促進胰島素阻抗的發生。

局部肝臟的發炎造成的損傷或細胞死亡使得神經醯胺及相關分子進入體內循環。由於這些分子為疏水性,它們能通過血腦障壁,導致包括減少胰島素訊息傳遞、增加促發炎細胞激素等神經毒殺效果。

這些異常會導致與氧化壓力、神經醯胺生成有關的一系列神經退化,可能導致腦部胰島素阻抗、細胞凋亡、神經髓鞘退化以及神經發炎。[8]

簡而言之,科學家在探討血脂異常與阿茲海默症間之關聯性時,發現了神經醯胺所扮演的角色。

神經醯胺恐導致阿茲海默?修但幾勒!

2012 年,《神經學》期刊上一篇研究[9]大膽宣示「血清中的神經醯胺增加阿茲海默症的風險」(Serum ceramides increase the risk of Alzheimer disease)。然就其結果數據看來,此昭示似乎證據尚嫌不足。

研究者於 1994~1995 年間在馬里蘭州找了 100 名介於 70 至 79 歲之間之婦女,歷經 9 年的追蹤後,99 名參與者(其中 1 名在研究開始時即因罹患失智而排除)中,27 名罹患失智。其中 18 名經診斷可能有阿茲海默症。

圖/Pexels

結果顯示,罹患阿茲海默症的參與者血清中脂質含量,9 種神經醯胺中,有 3 種[註1]與阿茲海默的罹病風險比有關。研究者特別強調血清中含有中量 d18:1-C16:0 型神經醯胺者,風險比是少量者的 10 倍。(指稱『補充神經醯胺會增加失智症風險』的媒體敘述『血液中神經醯胺含量最高的女性,罹患阿茲海默症的機率是含量最低組的 10 倍。』十倍之說,來源即為此處。)該型神經醯胺含量最高的,風險比為最低者的 7.6 倍(此值未達統計上的顯著差異。當風險比已達到 7.6 倍還未見顯著差異,則 7.6 倍難以理解為普遍現象,恐僅為抽樣誤差等因素造成)。

該篇文獻也非毫無建樹,其指出,神經元細胞若曝露於 β 類澱粉蛋白(amyloid-β)1-42(Aβ1-42)下,會活化神經磷脂酶(sphingomyelinase),增加神經醯胺的量。且 Aβ1-42 會增加氧化壓力,間接促使更多神經醯胺生成。增加的神經醯胺會加速 β 和 γ 裂解酶水解類澱粉蛋白前體蛋白(APP)而生成病理型態類澱粉。這些病理型態的類澱粉,即為目前認定造成阿茲海默症的主要原因之一。

除了從研究結果看,神經醯胺的量未必與阿茲海默症風險成正比,此篇文獻的疑慮尚有:

1. 納入的 100 名參與者中,有 28 名罹患失智,其比例遠高於台灣[註2]、美國[註3]及 WHO 的統計數據[註4]。究竟是馬里蘭州的婦女失智率特別高,或研究者為了數據做了什麼未載明的篩選?

2. 研究表列的結果中,不同脂質的人數加總結果彼此相異,卻未說明原因。易引發「為使結果符合研究假說,移除了不利於驗證假說之數據」的猜疑。

吃進來的神經醯胺跑哪去了?

當然也不能完全排除外加神經醯胺加速阿茲海默形成的風險。我們也來看看「吃進體內的神經醯胺往哪裡去」。

以動物試驗來探討[10]:給予大鼠口服神經醯胺,結果發現服下 12 小時以後,神經醯胺在皮膚與血漿中的濃度比為 0.7;120 小時後,神經醯胺在皮膚中的含量是血漿中的 4 倍;168 小時後,血液和血漿中已偵測不到神經醯胺。在皮膚的神經醯胺在動物口服神經醯胺 168 小時以後,約有 8% 在表皮層,92% 在真皮層。可知:口服的神經醯胺進入生物體後,最後大多會分佈於真皮層,且會轉移至表皮層。

結論

口服(或外用)神經醯胺是否會增加失智風險?暫時還未找到相關研究報導。然而,神經醯胺有許多種,看起來與神經退化有關的神經醯胺,與一般外用於皮膚及內服之神經醯胺並不相同此外,目前證據看來,無論外服或內用,當不至對血液中或血清中的神經醯胺濃度有影響,自然也難以聲稱會造成失智了。

然而,我也沒有勇氣可以大膽宣告「服用神經醯胺沒有任何風險」。長期影響方面,還是要等時間來告訴我們答案了。

註解

  1. 該篇研究中,此3種神經醯胺為:d18:1-C16:0 型神經醯胺、d18:1-C24:0 型神經醯胺與乳糖神經醯胺
  2. 台灣失智症協會的數據顯示:台灣的失智症盛行率在 70~74 歲為 3.46%、75~79 歲則為 7.19%。
  3. 美國的數據,在雙月刊《神經流行病學》(Neuroepidemiology. 2007; 29(1-2): 125–132.)中提及美國 71~79 歲的人群中,失智症的盛行率為 5.0%。
  4. WHO 的資料顯示全世界 60 歲以上罹患失智症的比例約為 5~8%。

參考資料

  1. 神經醯胺保濕又能補強皮膚結構,但會增加失智症風險?(https://www.commonhealth.com.tw/article/83733)
  2. 小心生活陷阱 可能讓人失智(https://www.ttv.com.tw/lohas/view/16959/554)
  3. Meckfessel MH, Brandt S. The structure, function, and importance of ceramides in skin and their use as therapeutic agents in skin-care products. J Am Acad Dermatol. 2014;71(1):177-84.
  4. Kahraman E, Kaykın M, Bektay HS, et al. Recent Advances on Topical Application of Ceramides to Restore Barrier Function of Skin. Cosmetics 2019, 6(3), 52; https://doi.org/10.3390/cosmetics6030052
  5. Spada F, Barnes TM, Greive KA. Skin hydration is significantly increased by a cream formulated to mimic the skin’s own natural moisturizing systems. Clin Cosmet Investig Dermatol. 2018;11:491-497. 
  6. Uchiyama T, Nakano Y, Ueda O, et al. Oral Intake of Glucosylceramide Improves Relatively Higher Level of Transepidermal Water Loss in Mice and Healthy Human Subjects. J Health Sci. 2008; 54:559-566
  7. Tsuchiya Y, Ban M, Kishi M, et al. Safety and Efficacy of Oral Intake of Ceramide-Containing Acetic Acid Bacteria for Improving the Stratum Corneum Hydration: A Randomized, Double-Blind, Placebo-Controlled Study over 12 Weeks. J Oleo Sci. 2020;69(11):1497-1508.
  8. Le Stunff H, Véret J, Kassis N, et al. Deciphering the Link Between Hyperhomocysteinemia and Ceramide Metabolism in Alzheimer-Type Neurodegeneration. Front Neurol. 2019;10:807.
  9. Mielke MM, Bandaru VV, Haughey NJ, et al. Serum ceramides increase the risk of Alzheimer disease: the Women’s Health and Aging Study II. Neurology. 2012;79(7):633-41.
  10. Ueda O, Hasegawa M, Kitamura S. Distribution in skin of ceramide after oral administration to rats. Drug Metab Pharmacokinet. 2009;24(2):180-4.

艾晞娜_96
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高雄醫學大學生理學研究所畢業。對日常接觸到的所有事物具有濃厚的好奇心,總希冀更多理解、持續探討。有個部落格Miraculous Normality (http://minormality.blogspot.com/)
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