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太空科技和巧克力慕斯蛋糕有啥關係?

臺北天文館_96
・2012/07/20 ・988字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

所有甜點主廚都知道:完美的巧克力慕斯,得靠部分科學和部分藝術才能完成。歐洲太空總署(ESA)微重力(microgravity)研究的課題之一,是協助食品工業瞭解藏在多種泡沫狀食物或飲料中的科學,例如:法式蛋白酥皮(meringue)和咖啡等,以達到客戶的期望與需求。

食品製作過程中產生的泡沫並非都相同。顧客期望他們從賣場購買的巧克力慕斯蛋糕到回家進冰箱之前都能保持原來的形狀和風味;但某些飲料上泡沫如果沒有在幾分鐘內消失的話,則會覺得很奇怪。所以,能製造出需要的泡沫型態,可就是製造商或主廚們的功力問題了。在地球上,液態流體會因重力而自然向下流,泡沫則會被作用在泡泡上的重力拉扯而被破壞掉。

在無重力環境中研究泡沫 比較容易,這是因為氣泡會均勻散佈,而不會像在地表上,比較大的氣泡會浮在小氣泡之上。ESA從1980年代開始研究泡沫,研究成果約在10年前引起雀巢食品公司(Nestlé)的注意。

雀巢研究中心科學家Cécile Gehin-Delval表示:如果能對泡沫多瞭解一點,或許能協助改善產品質地。巧克力慕斯裡穩定的泡沫可讓人嚐起來有乳脂般的感受。而好的咖啡泡沫,則需要製造不那麼穩定的泡泡,這樣才會讓泡泡比較輕而類似乳脂的口感。

在微重力環境中製造泡沫可不簡單,科學家現在只對地球上泡沫如何產生比較瞭解。在經過數次實驗之後,科學家終於能在太空中,藉由電磁動力活塞不斷拍打液體的方式來產生泡沫。

雀巢食品公司利用ESA拋物線飛機飛行(parabolic flight)的方式來進行研究,在飛機從上升過渡為下降的轉折點這接近20秒幾近無重力狀態的短瞬間,測試這套儀器,並藉此觀察牛奶中的蛋白質。

拋物線飛行只是科學家研究「零重力(zero-gravity)」環境下各種現象的方式之一;探空火箭(sounding rocket)可以提供約6分鐘左右的無重力狀態;而一直繞地球飛行的國際太空站(International Space Station,ISS)則是目前唯一的微重力常設實驗室。

透過拋物線飛行測試並改善泡沫產生裝置,並分析其所產生的泡沫後,這些科學家計畫下一步就是登上ISS去繼續他們的泡沫研究大計。

ESA的Olivier Minster解釋:一般人家裡冰箱內的食品,約有半數左右是泡沫狀或乳狀。如果我們可以無須增加原料就能製造出更穩定的泡沫,將可改善這些食品的保存期限。

不幸的是,科學家只需要少量食品就能進行實驗,所以太空站裡的太空人根本沒機會品嚐成果。

資料來源:Space for dessert?[2012.07.09]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》