小當家的國士無雙麵真有這麼神奇？其實就是加了鹼水而已——《麵的科學》

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

• 作者／山田昌治；譯者／吳佩俞

加點小蘇打，讓素麵更美味

在夏天的時候，素麵是一種能夠快速取得的碳水化合物來源，所以非常受到大家的歡迎。不過，素麵都只是拌上沾醬食用，久了就會感到膩了，所以偶爾也會想要試試看其他的料理方式吧！

這個時候大家不妨試試沖繩的家庭料理——雜炒素麵。這是先將苦瓜、胡蘿蔔、韭菜、豆芽菜、豬肉等食材炒過，然後再拌進素麵當中。

苦瓜的苦味對於在夏天疲倦不堪的胃來說，可是一道非常舒暢的料理。不過，遺憾的是這道料理的麵條太細，所以口感常會變得破碎又鬆軟。如果站在素麵的立場，先是被熱水煮過，接著用火炒過，歷經好幾道烹調手續後，變成這樣的口感也是會大嘆無奈吧！

不過，我們還是有對策的。首先，在水煮麵條的階段就要改用可讓麵體組織構造更加紮實的材料，好讓麵條口感更加彈牙有勁，而且還要能夠承受兩個烹調階段的壓力。因此，這裡登場的就是前面提到的「小蘇打」。

• 為了慎重起見，我們要特別說明不可以使用清潔用的小蘇打，大家務必要用食品專用的小蘇打。

每 1 公升的水加入 1 大匙小蘇打（大約 15 公克）後就開始煮素麵。至於煮麵時間可以參考標籤記載的標準時間即可。小蘇打粉放得太少是無法顯現出效果的，太多則是會有鹼性帶來的獨特滑溜感，所以分量要拿捏適當。

• 另外，請大家記得在溫度尚低時就放入小蘇打粉。

如果煮麵水已經沸騰，放入小蘇打可是會有引起劇烈碳酸氣體散發的危險性。在還是生水時就放入的話，氣體會一點一點地冒出來，就不會有什麼問題了。

模擬牙齒測試口感

像這樣使用小蘇打水煮好的素麵顏色會呈現淡淡黃色，而且也會有中華麵特有的香氣。這與使用鹼水的效果都是一樣的。

在這裡，我們將利用材料測試裝置來確認看看麵條的口感到底會有多少改變。

進行量測時，先將麵條置放在橢圓形的平台上，並讓模擬人類牙齒的鋁製刀片（厚度為 3 公釐，前端加工為圓形）緩慢下降。這個刀片的驅動軸上裝有荷重元（load cell，用來測試力量的感測器），所以下降至碰到麵條的一瞬間就能量測出到底有多少力量。

另外，刀片的移動量也會同時被記錄下來，所以也可以將力與移動距離的關係製作為資料，並以 1 組的方式取得。因為 1 條素麵是非常細的，實在很難測出強度，所以實驗時是以 4 條素麵的粗細進行量測。

將 4 條煮好的素麵麵條放在平坦基座上平行排好，然後使用刀片切斷麵條。這時產生的力與變形量的關係就會如下圖所顯示。縱軸標示的應力指的是每 1 單位面積的力，而橫軸變形量則是意味著刀片碰到基座時的變形量為 1 時的比例。

當刀片碰到麵條時，應力仍會持續增加，等到達峰值後就會先下降 1 次，然後最後會在刀片碰到基座時結束測試。大家可以把這個峰值當作是勁道口感的對應數字。在本書中，我們會將這個對應應力稱為降伏應力（yield stress）。

從實驗結果我們可以看到，使用小蘇打水煮出來的素麵其應力峰值會比一般水煮出來的麵條大上 1.5 倍左右。而且使用小蘇打水煮的麵條的變形量從零到峰值所畫出來的曲線傾斜度會比一般水煮的麵來得大一些。這也表示若要造成相同變形量，就必須要有較大的應力。

這個傾斜的曲線被稱為「彈性率」，就是一種用來顯示量測物質軟硬程度的尺度。換言之，當傾斜度較大時，就表示量測物質比較硬。如果將這個傾斜度與峰值合起來，就意味著小蘇打水煮出的素麵更硬、口感也更加彈牙有勁。

在麵的世界裡，經常可以看到「既彈牙又有嚼勁」、「強韌」等形容詞，但這種麵條較硬且勁道十足的狀態似乎還是用「既彈牙又有嚼勁」來形容比較適合。

小蘇打如何增加麵的口感、香氣與色澤？

在這裡，我們將針對小蘇打的運作機制稍加解說。所謂的小蘇打（NaHCO3，碳酸氫鈉），因為同時擁有酸性與鹽基性兩種性質，所以也被稱為兩性化合物 （amphoteric compound） 。

當小蘇打溶於室溫水時，氫離子濃度指數（pH值）大約是 8 左右。如果將溶有小蘇打的水加熱至 65℃ 左右，就會產生碳酸氣體而形成碳酸鈉（ Na2CO3）。碳酸鈉是氫氧化鈉（NaOH）這種強鹼與碳酸（H2CO2）這種弱酸的鹽，所以水溶液會呈現強鹼性。這次的條件是將 pH值設為 11。

接著，讓我們複習一下第一章的小麥麵粉蛋白質的相關內容。

在這種強鹼性的條件下，構成小麥麵粉蛋白質的麩醯胺酸與天門冬醯胺會與氨分離，並各自成為麩胺酸與天門冬胺酸。這個氨在低濃度時，會給人好的感覺，也是中華麵特有氣味的來源。另外，如果在鹽基性的條件下，則是會產生黃色物質（查耳酮），所以小蘇打水煮好的麵條也會變成淡黃色。

如果將鹽基性條件下產生的麩胺酸與天門冬胺酸與精胺酸、離胺酸、組胺酸等鹽基性胺基酸結合，麩質的組織構造就會更加強韌，而這部分在前面章節已經說明過了。最後，麵條也就變得更有彈性且嚼勁十足了。

那麼，讓我們把話題轉回雜炒素麵的烹調方式。如果只是加強口感，就會讓人覺得像是較細的中華麵，但是這種烹調方法的真正價值就在這裡。大家可以試看看使用小蘇打水煮過的麵條來製作這道雜炒素麵。

如果是一般水煮的素麵，常常炒完後麵條就會變得碎碎的，或是整個糊掉，但先用小蘇打水煮過，麵條不但會變硬，還可以製作出一道維持長條形狀的雜炒素麵，甚至連口感都非常良好。

筆者是注重健康的人，所以點綴了一些青花菜芽與紅椒粉，雖然照片看不太清楚，但的確完成了一道色彩豐富，麵條扎實細長的美味料理。

像這樣藉由小蘇打讓麵條更加美味的現象，就是因為小麥麵粉含有很多麩醯胺酸這種麩質蛋白質的構成胺基酸，而這也是小麥麵粉既有的特性。雖然速食麵原本就是中華麵，但如果使用小蘇打水來煮麵，麵條的嚼勁也會明顯提升，甚至能讓速食麵更加接近高級中華料理店的口味。

我們這裡介紹的是能夠承受煮過再炒的烹飪手法，而且口感更加彈牙有勁的雜炒素麵實驗，各位也請務必使用其他的麵條試試看！

——本文摘自《麵的科學：麵粉如何創造豐富的口感、香氣和美味》，2020 年 3 月，晨星出版

• 作者／山田昌治；譯者／吳佩俞

小麥蛋白質在麵粉的狀態下是堅硬且不易變形的，不過一旦加水搓揉就會產生變化，成為具有獨特彈性與黏性的物質。這種同時具備彈性與黏性的性質稱為「黏彈性（Viscoelasticity）」。如先前所提到的，因為室溫的水不會造成澱粉糊化，所以可以說這種黏彈性是因為小麥蛋白質才得以出現。

接下來，我們就針對小麥當中的蛋白質種類及性質加以解說。

小麥蛋白質的水合物稱為「麩質（ gluten）」。蛋白質是一種由許多胺基酸聚集構成的串珠狀天然高分子（macromolecule），構造相當複雜。在這裡，我們先省略蛋白質構造的相關說明，把重點放在麩質的物理特性解析，並試著以湯馬斯．奧斯本（Thomas Osborne）的分餾（fractionation）分析法來進行說明。

奧斯本的分餾法是將麩質加入極性（溶解蛋白質的性質）較弱的溶劑當中，接著對溶出的蛋白質性質進行測試檢查，而無法溶出的物質會再繼續浸入極性較弱的溶劑裡，然後再繼續檢查溶出蛋白質的性質，換言之，分餾是一種依序不斷重複進行的手法。使用這種方法可以得知構成小麥蛋白質的蛋白質。也就是表 1-1 的內容。

至於這份表格的閱讀方法，則是若為白蛋白（albumin），可溶在水中，不溶於水的球蛋白（globulin）則是溶入鹽水裡，然後這樣就能由上而下依序看出各種蛋白質能夠溶解和不能溶解的溶劑了。

• 白蛋白

白蛋白的主要成分為澱粉酶抑制劑，不過其特性是只會抑制動物性澱粉酶，並不會對植物性澱粉酶產生抑制。許多研究學者都認為這可能是小麥種子為了避免被動物和昆蟲吃掉，才會發展出此種防禦特性。這也是大家說生吃小麥麵粉會讓胃腸不適的原因之一。

• 球蛋白

所謂的「球蛋白」，就是無法溶入水中、但卻能以「食鹽水」萃取出的「餾分」。目前已經知道這是一種可溶於鹽水的蛋白質。雖然佔比極低，僅有 3 ％，不過球蛋白擁有 α-澱粉酶、β-澱粉酶、蛋白酶（protease）等許多對於植物維持生命活動極為重要的酵素。

• 麥膠蛋白

使用比食鹽水極性更強的「酒精溶液」萃取出的餾分，稱為麥膠蛋白（gliadin）。這種蛋白質具有黏性，置於斜面上會如泥流般滑動。麥膠蛋白與下面提到的麥穀蛋白（glutenin）都與小麥麵粉麵團展現的黏彈性有著密切的關聯。

• 麥穀蛋白

麥穀蛋白是一種無法溶解於酒精溶液的蛋白質，不過卻可以溶在比酒精溶液更強烈的「醋酸溶液」當中。這種蛋白質與極富彈力的性質有著密切的關聯。所謂的極富彈性，就是意味著施加力道後，只要不再使力就會恢復原狀的性質。

小麥麵團黏彈性的祕密

在小麥蛋白質中，佔有關鍵地位的就是極具彈性的麥穀蛋白和富有黏性的麥膠蛋白。那麼，麥穀蛋白又為何會富有彈性呢？

我們在前面曾提過，小麥是生長在沙漠高原地帶並持續進化的植物。在這樣的環境中，與水同為小麥所必須的氮應該會出現常態性缺乏的情況。不過，即使在如此嚴苛的環境，有時還是會因為降雨而以銨離子（ammonium ion）與硝酸鹽離子（nitrate ion）的形式來取得氮的供給。

雖然無法獲得大量的補充，但小麥還是會盡其所能地留下這些氮的養分並加以儲存。銨離子雖然會保持原狀，但硝酸鹽離子一旦轉換成銨離子，就會改以麩胺酸（glutamic acid）及麩醯胺酸（glutamine）這類胺基酸的形式儲存在種子當中。

小麥麩質的胺基酸組成

麩胺酸與麩醯胺酸都是蛋白質的原料，利用這些原料所合成的蛋白質即被稱為儲藏蛋白（storage protein）。因此，小麥種子當中的蛋白質就是由麩胺酸、麩醯胺酸，以及作為誘導體的脯胺酸（proline）以極高比率所構成的。

麥穀蛋白加水揉和，結構開始變化

如同圖① 所顯示的，麥穀蛋白的構造是兩條帶子於末端互相連結。因為麥殼蛋白也是一種蛋白質，所以這種「帶子」其實是由胺基酸連結成為一長串而形成的。

我們在前面提過，麥殼蛋白的構成胺基酸因含有較多麩醯胺酸，所以乾燥狀態下會因麩醯胺酸彼此結合而變成兩條軌道般的形狀。此時加水揉和的話，水分就會進入這兩條軌道之間，成為圖② 那樣的小圓圈。

如果再繼續加入大量水分，即會出現如同圖③ 的大圓圈。看到這張圖，大家應該就能夠感受到小麥麵粉具有的彈性了。

擁有泥土般黏性的小麥麵團

另一方面，若從分子等級來觀察，可以發現麥膠蛋白呈現微小球狀，直覺上就給人似彈珠滾來滾去那種滑動的感覺，所以在目視程度時，就會有如泥土般地溢流移動。這種泥土般流動的性質稱為「黏性」。

因此，麥穀蛋白的彈性與麥膠蛋白的黏性彼此混合在一起後，就形成了小麥麵粉麵團的性質。從這層意義來看，小麥麵粉麵團的物理性質也可以稱為黏彈性質。

麥殼蛋白、麥膠蛋白的每一個單位（domain，結構域）大小約僅有數奈米（奈米：10億分之1公尺），不過，這些結構域會因各種相互作用而連結起來，並且聚合（polymerization）成為目視程度尺寸的薄膜般構造。

上圖就是將小麥麵粉與水混合並充分搓揉後的麵團狀態。這點從麵團延展性極佳，且呈現為可透光至對側的薄膜就能看得出來。

掌控空間、溫度與時間，做出專屬口感

麵團之所以延展良好，其實是來自於結構域彼此結合的相互作用，但其中原因為何正是長年研究小麥學者們的課題。目前知道的是這與名為交聯（cross-link）的結合作用有著密切的關係。

因為交聯的形成屬於一種化學反應，所以也會依循化學反應的一般規則。換言之，只要充分混合拌勻，就能提高與反應相關部分的促發機率，進而開展交聯作用。這種情況就稱之為「空間效果」。

另外，我們也可以說溫度較高時亦較容易進行化學反應。這種情況被稱為溫度效果。還有，花費較多時間也能使化學反應持續進展。這個情況則稱之為時間效果。

空間效果、溫度效果，以及時間效果這三大原則，對於思考麩質的形成與控制是很有幫助的。

舉例來說，烤點心時，如果充分揉和麵團，就會做出脆硬口感的餅乾，但若只是稍加搓揉，就會成為鬆軟口感的點心。不同揉製方法帶來不同口感，應該就是交聯作用的空間效果。此外，製作烏龍麵時，也是有個充分揉和後放上一晚靜置醒麵的作業，這個程序的重點應該就是交聯作用的時間效果了。

——本文摘自《麵的科學：麵粉如何創造豐富的口感、香氣和美味》，2020 年 3 月，晨星出版