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有這麼好的事?吃起來是糖,卻幾乎沒有熱量:新型甜味劑「阿洛酮糖」

羅紹桀
・2021/07/29 ・7435字 ・閱讀時間約 15 分鐘

本文首次發表於原作者的個人網站:阿洛酮糖:醫療價值、淺在功效及副作用,以及烘焙應用-別人Google了什麼。

阿洛酮糖(allulose)吃起來是糖的味道,化學式與果糖相同,用於烘焙時會跟一般蔗糖、果糖一樣焦糖化,卻幾乎沒有熱量也不會影響血糖?世界上有這麼好的事?

阿洛酮糖是市面上的一種新型甜味劑,它具有糖的味道和質地,但含有極少的的卡路里和碳水化合物,早期研究更表明它可能對健康有益。然而,與任何代糖一樣,目前現有研究可能無法預測長期食用的對安全和健康影響。本文將整理現有研究對阿洛酮糖的了解,以幫助讀者在與醫師討論之後,判斷是否該使用阿洛酮糖作為糖的替代產品。

在進入文字細節之前,可以先看一下我整理的PAA阿洛酮糖影片,快速先了解重點(直接播放就會有中文字幕):

阿洛酮糖:真的糖,嘗起來像糖,但幾乎不含卡路里? 真有這麼好的事?

看完影片了嗎?(喜歡就順便按一下訂閱吧!)接下來我們就要來談更多阿洛酮糖的細節,先從什麼是阿洛酮糖開始吧!

什麼是阿洛酮糖?

阿洛酮糖(allulose)又被稱作 D-阿洛酮糖(D-psicose)。它被歸類為“稀有糖”(rare sugar),因為在天然的情況下,極微量的阿洛酮糖存在於某些食物中。含有微量阿洛酮糖的食物包含小麥、無花果等等。

像葡萄糖和果糖一樣,阿洛酮糖是一種單醣(monosaccharide)。我們一般使用的蔗糖,則是由葡萄糖和果糖結合而成的二糖(disaccharide)。

阿洛酮糖的化學式與果糖相同,但排列方式不同。但也因為如此,這種結構上的差異會導致的身體代謝阿洛酮糖方式跟代謝果糖的方式完全不同。根據一篇 2010 年發表於《Metabolism》期刊的研究,人體攝入的的阿洛酮糖會有 70-84% 被從消化道吸收到血液之中,但它不會被作為身體所需的熱量使用,而是會直接從尿液中被排出。[1]

對於患有糖尿病或正在血糖不穩定的人來說,阿洛酮糖是很好的代糖,因為它不會提高血糖或胰島素水平。阿洛酮糖每克僅 0.2-0.4 卡路里的熱量,約為一般食用糖卡路里的 1/10。

阿洛酮糖的熱量,約為一般食用糖卡路里的 1/10。圖/pexels

此外,2015 年發表於《Pharmacology & therapeutics》期刊的研究更發現阿洛酮糖具有抗炎性(Anti-inflammatory),也有助於預防肥胖和降低其他並發患慢性病的風險。

雖然在某些食物中含有極微量的阿洛酮糖,但因為量實在太少難以量產,製造商因此開發出使用酶將玉米和其他植物中的果糖轉化為阿洛酮糖的量產發方式,終於能實現量產。 [3]

阿洛酮糖是一種稀有糖,其化學式與果糖相同。 但因為它不會被身體代謝,所以它不會升高血糖或胰島素水平,卡路里也極低。

阿洛酮糖也許能幫助血糖控管

阿洛酮糖或許有潛力成為糖尿病患者的替代糖,並幫助血糖控管。神奇的是,這裡講的可能不只是阿洛酮糖代糖功能而已,許多研究認為阿洛酮糖有能在「同樣程度的飲食狀態下」,潛在降低血糖的功能。

事實上,許多動物研究發現,它可以通過保護胰腺中產生胰島素的 β 細胞,進而降低血糖、增加胰島素敏感性並降低患 2 型糖尿病的風險。[4][5][6][7]

一項 2012 年發表於《Biochemical and biophysical research communications》期刊的研究比較給予過胖的大鼠阿洛酮糖、水或葡萄糖,發現食用阿洛酮糖的大鼠比其他兩組具有改善的 β 細胞功能、更好的血糖反應和較少的腹部脂肪增加。需注意的是以上研究結果為動物實驗,阿洛酮糖是否對人體有相似或相同的功能,還有待後續研究證實。[7]

2012 年的研究結果顯示,食用阿洛酮糖的大鼠有更好的血糖反應和較少的腹部脂肪增加。圖/pexels

人類研究的部分,一些初步研究也發現阿洛酮糖可能對人類的血糖調節能產生有益影響。[8][9] 一項2008年發表於《Journal of nutritional science and vitaminology》的研究招募了 20 名健康的年輕人並分成兩組,一組食用了了 5-7.5 克阿洛酮糖和 75 克糖麥芽糊精(maltodextrin),另一組只單獨服用麥芽糊精,結果發現與「單獨服用麥芽糊精組」相比,「同時服用阿洛酮糖組」的受試者血糖和胰島素水平有顯著的降低。[8]

另一項發表於 2010 年發表於《Bioscience, biotechnology, and biochemistry》期刊的雙盲安慰劑對照試驗研究則招募了26 名成年人,這項研究中部分受試者為糖尿病前期患者(prediabetes)。研究者使用把受試者分為兩組,一組直接用餐,另一組則同時食用 5 克阿洛酮糖。飯後兩個小時,受試者每 30 分鐘測量一次血糖。研究人員發現,服用阿洛酮糖的參與者在 30 和 60 分鐘時血糖水平顯著降低。

要注意的是,以上皆為小樣本小規模的研究,因此阿洛酮糖潛在治療糖尿病和糖尿病前期患者的功能還有待後續研究才能確保是否能作為長期治療的應用,但迄今為止的科學證據都偏向正面。

在動物和人類研究中,已發現阿洛酮糖可能可以降低血糖水平、增加胰島素敏感性並有助於保護產生胰島素的胰腺 β 細胞。但長期使用的效果和副作用尚未明朗,還有待後續研究追蹤。

阿洛酮糖或許能幫助脂肪燃燒!

許多大鼠進行的動物實驗發現,阿洛酮糖也可能有助於促進脂肪燃燒。

在一項於 2012 年發表於《Journal of food science》期刊的研究中,過胖的大鼠被餵食含有阿洛酮糖、蔗糖或赤蘚糖醇(Erythritol ,為另一種市面上常見的代糖)的高脂肪飲食八週。結果發現,與餵食赤蘚糖醇或蔗糖的大鼠相比,餵食阿洛酮糖的大鼠八週內增加的腹部脂肪比較少。

很有趣的地方是,與阿洛酮糖一樣,赤蘚糖醇也幾乎沒有卡路里,也不會升高血糖或胰島素水平。儘管如此,此研究發現阿洛酮糖除了可以和赤蘚糖醇一樣作為代糖,還有減少脂肪形成的額外功能。[11]

另一項 2014 年發表於《International journal of food sciences and nutrition》期刊的研究中,食用高糖飲食的大鼠被同時餵食含有 5% 的纖維素(cellulose)或 5% 的阿洛酮糖。與纖維素組的大鼠相比,阿洛酮糖組夜間燃燒了更多的卡路里和脂肪,進而因高糖飲食而導致的脂肪增加少很多。

阿洛酮糖的燃脂以及防止體脂肪形成功能也受到目前一些小規模人體實驗的支持,一項於 2018 年發表於《Nutrients》期刊的雙盲安慰劑對照試驗研究探討阿洛酮糖是否有助於減少體脂、影響血液膽固醇和影響糖尿病標誌物。結果表明,與服用安慰劑的人相比,飲用高劑量阿洛酮糖飲料的人的體脂百分比、體脂量和 BMI 指數都顯著降低。[14] 這項研究招募了 121 名 20-40 歲不等的南韓受試者,將其分為三組,一組服用蔗糖(0.012 g × 2 次/每日)、一組服用少量阿洛酮糖(4 g × 2 次/每日)、一組服用高劑量阿洛酮糖(7 g × 2 次/每日)。

研究人員接著使用 CT 掃描來檢查參與者腹部脂肪區域的變化。在研究結束時,與服用安慰劑的人相比,飲用高劑量阿洛酮糖組的人的總脂肪面積顯著減少。

這項研究的結果表明,用阿洛酮糖作為代糖可能可以為超重的人帶來潛在的額外好處。然而這項研究為小樣本研究,因此研究人員在未來需要在更多樣化的樣本中進行進一步研究以證實這些結果。

研究的結果表明,用阿洛酮糖作為代糖可能可以為超重的人帶來潛在的額外好處。圖/pexels

動物實驗與小樣本人體實驗表明,阿洛酮糖可能會增加脂肪燃燒並有助於預防肥胖。然而,研究人員在未來需要在更多樣化的樣本中進行進一步研究以證實這些結果。

阿洛酮糖或許能助於預防脂肪肝

一些對大鼠和小鼠的動物研究發現,除了防止體重增加外,阿洛酮糖似乎還可以減少肝臟中的脂肪儲存。[15][16] 一項 2010 年發表於《Journal of food science》期刊的研究中,患有遺傳性糖尿病的小鼠被給予阿洛酮糖、葡萄糖、果糖或無糖飲食,結果發現與無糖飲食的小鼠相比,阿洛酮糖組小鼠的肝臟脂肪減少了 38%。同時與其他組相比,阿洛酮糖組小鼠的體重增加較少,血糖水平也較低。

阿洛酮糖或許能幫助減少脂肪同時保留肌肉

很多人在減脂的過程中最害怕的就是同時流失肌肉,一項以小鼠為樣本的研究發現,阿洛酮糖除了能潛在促進肝臟和身體脂肪減少,它很有可能還可以同時防止肌肉流失。[17]這項 2015 年發表於《Journal of food science》期刊的研究發現小鼠攝入阿洛酮糖十五週後顯著降低了體重和肝臟的重量,並且體重的減輕與包括腹部內臟脂肪在內的總脂肪量的減少有關,而不是非脂肪包括肌肉等的體重。這些結果表明,在沒有運動療法或飲食限制的情況下,補充阿洛酮糖可能可以改善餐後高血糖和肥胖相關的肝脂肪指數。因此,阿洛酮糖可作為潛在預防和改善肥胖和肥胖相關疾病的補充劑。

阿洛酮糖或許能幫助減少脂肪同時保留肌肉。圖/pexels

當然啦,由於以上皆為動物實驗,還要再觀望後續的人體研究才得以證實相同功效能也能在人體產生。

對小鼠和大鼠的研究發現,阿洛酮糖也許可以降低患脂肪肝的風險,也可能在促進脂肪減少的同時幫助保留肌肉。但由於目前研究數量有限且多為動物實驗,我們可能要繼續觀望將來對人體進行的研究才能下結論。

阿洛酮糖安全嗎?有什麼副作用嗎?

很多人看到這裡一定覺得「天底下哪有這麼好的事!」,竟然有一種糖不但吃了不會變胖、不會升高血糖、不會引響胰島素分泌,還能減脂預防脂肪肝?不可能!阿洛酮糖一定跟其他的代糖一樣有不為人知的副作用!本段就來討論目前對於阿洛酮糖的研究中,對於阿洛酮糖副作用的已知資訊,以及美國食藥署與歐盟對阿洛酮糖目前的管制狀態。

2012 年 6 月,美國食品藥品監督管理局 (FDA) 首次接受了南韓食品公司 CJ CheilJedang, Inc. 的通報,准許將阿洛酮糖作為各種特定食品類別中的代糖,並被 FDA 認可為「普遍認為安全」 (generally recognized as safe,GRAS),不過在當時,食品公司還是必須在產品包裝上將阿洛酮糖視為一般糖類,標注在食品標示上的總糖分和添加糖的糖分。2019 年 10 月,FDA 宣布阿洛酮糖可以不用算在營養標籤上的總糖量和添加糖量中,但必須把每公克 0.4 卡路里的碳水化合物標示上去。目前為止,歐盟則尚未允許阿洛酮糖的使用。

就目前研究結果而言,阿洛酮糖「似乎是」安全的。兩項以大鼠作為樣本的動物實驗,持續餵食大鼠 3 至 18 個月的阿洛酮糖,研究結果均沒有發現阿洛酮糖對大鼠產生毒性或其他健康相關問題。[18][19]在一項研究中,大鼠被餵食每磅(0.45 公斤)體重約 1/2 克的阿洛酮糖,持續 18 個月。 到研究結束時,阿洛酮糖組的大鼠沒有發現明顯的副作用,也沒有與肝腎肥大相關的現象發生。 值得一提的是,此研究使用的阿洛酮糖劑量相當大, 換算成體重 150 磅(68 公斤)的成年人,等同於約為每天服用超過 1/3 杯的阿洛酮糖。但即使如此還是沒有發現顯著的負面副作用。

一項 2010 年發表於《Bioscience, biotechnology, and biochemistry》期刊的研究招攬 17 名受試者,一天三餐服用 5 克阿洛酮糖,共一日 15 克持續 12 週,也未發現任何的負面副作用。[20]

要注意的是,一項2018年發表於《Nutrients》期刊的研究發現有些人食用過量的阿洛酮糖可能會腹痛和腹瀉等腸胃不適的問題,根據其研究結果,較為安全的阿洛酮糖食用量為單次食用體重每公斤0.4克以下,以及單日食用量體重每公斤0.9克以下。也就是根據此研究,說如果您體重為50公斤,建議單次食用量最好不要超過20公克、每日食用量也最好控制在45公克以下。

從現有研究判斷,阿洛酮糖可能是安全的,適量食用不太可能導致健康問題。 然而,上述研究多為動物研究或小樣本人體試驗,長期食用阿洛酮糖是否會對降康造成負面影響,還有待進一步研究才能下定論。

使用極高劑量的阿洛酮糖進行長達 18 個月的動物研究後,沒有發現任何毒性或副作用的跡象。小規模人體實驗中,食用適量阿洛酮糖也未發現任何負面副作用。然而若單日大量食用,則可能造成腹痛和腹瀉等腸胃不適的問題。

針對長期服用阿洛酮糖對人體的影響的研究目前還很有限,但現有研究尚未發現任何嚴重的健康風險。然而,目前已發表相關研究多為動物研究或小樣本人體試驗,長期食用阿洛酮糖是否會對降康造成負面影響,還有待進一步研究才能下定論。

阿洛酮糖適不適合用來做烘焙點心呢?

阿洛酮糖和其他代糖最大的不同就是他其實技術上來說是「真的糖」,而且在烘焙的過程中,許多人都覺得阿洛酮糖和一般使用的蔗糖的化學反應很相似。美國一家專賣低碳烘焙產品的公司 Sweet Logic 就寫了一篇文章比較赤蘚糖醇與阿洛酮糖在烘焙過程上的差別,他們發現赤蘚糖醇的成品容易有結晶,也不會像真的糖一樣焦糖化,還有由於赤蘚糖醇是種糖醇(Sugar alcohol)所以吃的時候會有一種酒精蒸發時的奇怪冰涼感,阿洛酮糖就完全沒有上述問題,所以他們比較喜歡阿洛酮糖。但注意阿洛酮糖的甜度只有蔗糖的 70%,所以要達到相同的甜度需要增加更多的阿洛酮糖,同時也可能增加成品的體積。

阿洛酮糖的甜度只有蔗糖的 70%,所以要達到相同的甜度需要增加更多的阿洛酮糖。圖/pexels

如果搜尋了有關於利用阿洛酮糖作為烘焙用糖的食品科學論文,會找到一些滿有趣的研究。一項 2020 年發表於《Journal of Food Processing and Preservation》期刊的研究,烤了25%、50%、75% 和 100% 的阿洛酮糖磅蛋糕,還有一個 100% 蔗糖的磅蛋糕當控制組,比較了五種蛋糕烘烤的狀態和成品,發現隨著阿洛酮糖的比例增加,磅蛋糕外層焦糖化的速度就越快 (就像烘焙師說的阿洛酮糖跟蔗糖比比較容易烤焦),但五種磅蛋糕的質地沒有顯著差異。[21]

另一項 2021 年發表於《LWT》期刊的研究則比較阿洛酮糖和蔗糖做的杯子蛋糕,也得到相似的結果,有趣的是,這項研究另外發現由於阿洛酮糖蛋糕在烘烤過程中水分流失的速度比蔗糖蛋糕慢,而且通常需要比較久的時間烘烤才能達到跟蔗糖蛋糕一樣的質地,但是同時阿洛酮糖蛋糕的表皮也更容易烤焦,所以對烘焙師來說,拿捏阿洛酮糖蛋糕的烘烤溫度和時間是相當大的考驗,但若拿捏得好,成品的口感、質地和味道可以和一般蛋糕十分相似。[22]

阿洛酮糖在烘焙的過程中與蔗糖相當相似,但甜度只有蔗糖的 70%,所以要達到相同的甜度需要增加更多的阿洛酮糖,同時也可能增加成品的體積。阿洛酮糖焦糖化的速度可能比蔗糖快也更容易烤焦,但實驗發現阿洛酮糖蛋糕通常需要比較久的時間烘烤才能達到跟蔗糖蛋糕一樣的質地,所以對烘焙師來說,拿捏阿洛酮糖蛋糕的烘烤溫度和時間是相當大的考驗,但若拿捏得好,成品的口感、質地和味道可以和一般蛋糕十分相似。

所以真的可以放心吃阿洛酮糖嗎?

簡單的答案就是:還是要跟你的醫師討論啦!

雖然我們目前為止,並沒有發現阿洛酮糖有嚴重的副作用,但就如其他代糖一樣,由於現有研究證據還是相當有限,所以到目前為止,並不清楚長期食用是否會對人體健康有任何負面的影響。

所以如果你想嘗試以阿洛酮糖取代一般的糖,還是跟醫生和營養師討論之後,再決定要直接使用,或是觀望後續研究吧!

參考資料

  1. Iida, T., Hayashi, N., Yamada, T., Yoshikawa, Y., Miyazato, S., Kishimoto, Y., … & Izumori, K. (2010). Failure of d-psicose absorbed in the small intestine to metabolize into energy and its low large intestinal fermentability in humans. Metabolism, 59(2), 206-214.
  2. Hossain, A., Yamaguchi, F., Matsuo, T., Tsukamoto, I., Toyoda, Y., Ogawa, M., … & Tokuda, M. (2015). Rare sugar D-allulose: Potential role and therapeutic monitoring in maintaining obesity and type 2 diabetes mellitus. Pharmacology & therapeutics, 155, 49-59.
  3.  A new way to make allulose may not sweeten the sugar’s appeal. Food Dive. Retrieved 2021-07-08.
  4. Shintani, T., Yamada, T., Hayashi, N., Iida, T., Nagata, Y., Ozaki, N., & Toyoda, Y. (2017). Rare Sugar Syrup Containing d-Allulose but Not High-Fructose Corn Syrup Maintains Glucose Tolerance and Insulin Sensitivity Partly via Hepatic Glucokinase Translocation in Wistar Rats. Journal of agricultural and food chemistry, 65(13), 2888–2894. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.6b05627
  5. Hossain, M. A., Kitagaki, S., Nakano, D., Nishiyama, A., Funamoto, Y., Matsunaga, T., Tsukamoto, I., Yamaguchi, F., Kamitori, K., Dong, Y., Hirata, Y., Murao, K., Toyoda, Y., & Tokuda, M. (2011). Rare sugar D-psicose improves insulin sensitivity and glucose tolerance in type 2 diabetes Otsuka Long-Evans Tokushima Fatty (OLETF) rats. Biochemical and biophysical research communications, 405(1), 7–12. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2010.12.091
  6. Hossain, A., Yamaguchi, F., Hirose, K., Matsunaga, T., Sui, L., Hirata, Y., Noguchi, C., Katagi, A., Kamitori, K., Dong, Y., Tsukamoto, I., & Tokuda, M. (2015). Rare sugar D-psicose prevents progression and development of diabetes in T2DM model Otsuka Long-Evans Tokushima Fatty rats. Drug design, development and therapy, 9, 525–535. https://doi.org/10.2147/DDDT.S71289
  7. Hossain, A., Yamaguchi, F., Matsunaga, T., Hirata, Y., Kamitori, K., Dong, Y., Sui, L., Tsukamoto, I., Ueno, M., & Tokuda, M. (2012). Rare sugar D-psicose protects pancreas β-islets and thus improves insulin resistance in OLETF rats. Biochemical and biophysical research communications, 425(4), 717–723. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2012.07.135
  8. Iida, T., Kishimoto, Y., Yoshikawa, Y., Hayashi, N., Okuma, K., Tohi, M., Yagi, K., Matsuo, T., & Izumori, K. (2008). Acute D-psicose administration decreases the glycemic responses to an oral maltodextrin tolerance test in normal adults. Journal of nutritional science and vitaminology, 54(6), 511–514. https://doi.org/10.3177/jnsv.54.511
  9. Hayashi, N., Iida, T., Yamada, T., Okuma, K., Takehara, I., Yamamoto, T., Yamada, K., & Tokuda, M. (2010). Study on the postprandial blood glucose suppression effect of D-psicose in borderline diabetes and the safety of long-term ingestion by normal human subjects. Bioscience, biotechnology, and biochemistry, 74(3), 510–519. https://doi.org/10.1271/bbb.90707
  10. Ochiai, M., Nakanishi, Y., Yamada, T., Iida, T., & Matsuo, T. (2013). Inhibition by dietary D-psicose of body fat accumulation in adult rats fed a high-sucrose diet. Bioscience, biotechnology, and biochemistry, 77(5), 1123–1126. https://doi.org/10.1271/bbb.130019
  11. Chung, Y. M., Hyun Lee, J., Youl Kim, D., Hwang, S. H., Hong, Y. H., Kim, S. B., Jin Lee, S., & Hye Park, C. (2012). Dietary D-psicose reduced visceral fat mass in high-fat diet-induced obese rats. Journal of food science, 77(2), H53–H58. https://doi.org/10.1111/j.1750-3841.2011.02571.x
  12. Ochiai, M., Onishi, K., Yamada, T., Iida, T., & Matsuo, T. (2014). D-psicose increases energy expenditure and decreases body fat accumulation in rats fed a high-sucrose diet. International journal of food sciences and nutrition, 65(2), 245–250. https://doi.org/10.3109/09637486.2013.845653
  13. Nagata, Y., Kanasaki, A., Tamaru, S., & Tanaka, K. (2015). D-psicose, an epimer of D-fructose, favorably alters lipid metabolism in Sprague-Dawley rats. Journal of agricultural and food chemistry, 63(12), 3168–3176. https://doi.org/10.1021/jf502535p
  14. Han, Y., Kwon, E. Y., Yu, M. K., Lee, S. J., Kim, H. J., Kim, S. B., Kim, Y. H., & Choi, M. S. (2018). A Preliminary Study for Evaluating the Dose-Dependent Effect of d-Allulose for Fat Mass Reduction in Adult Humans: A Randomized, Double-Blind, Placebo-Controlled Trial. Nutrients, 10(2), 160. https://doi.org/10.3390/nu10020160
  15. Nagata, Y., Kanasaki, A., Tamaru, S., & Tanaka, K. (2015). D-psicose, an epimer of D-fructose, favorably alters lipid metabolism in Sprague-Dawley rats. Journal of agricultural and food chemistry, 63(12), 3168–3176. https://doi.org/10.1021/jf502535p
  16. Baek, S. H., Park, S. J., & Lee, H. G. (2010). D-psicose, a sweet monosaccharide, ameliorate hyperglycemia, and dyslipidemia in C57BL/6J db/db mice. Journal of food science, 75(2), H49–H53. https://doi.org/10.1111/j.1750-3841.2009.01434.x
  17. Itoh, K., Mizuno, S., Hama, S., Oshima, W., Kawamata, M., Hossain, A., Ishihara, Y., & Tokuda, M. (2015). Beneficial Effects of Supplementation of the Rare Sugar “D-allulose” Against Hepatic Steatosis and Severe Obesity in Lep(ob)/Lep(ob) Mice. Journal of food science, 80(7), H1619–H1626. https://doi.org/10.1111/1750-3841.12908
  18. Matsuo, T., Ishii, R., & Shirai, Y. (2012). The 90-day oral toxicity of d-psicose in male Wistar rats. Journal of clinical biochemistry and nutrition, 50(2), 158–161. https://doi.org/10.3164/jcbn.11-66
  19. Yagi, K., & Matsuo, T. (2009). The study on long-term toxicity of d-psicose in rats. Journal of clinical biochemistry and nutrition, 45(3), 271–277. https://doi.org/10.3164/jcbn.08-191
  20. Han, Y., Choi, B. R., Kim, S. Y., Kim, S. B., Kim, Y. H., Kwon, E. Y., & Choi, M. S. (2018). Gastrointestinal tolerance of D-allulose in healthy and young adults. A non-randomized controlled trial. Nutrients, 10(12), 2010.
  21. Lee, P., Oh, H., Kim, S. Y., & Kim, Y. S. (2020). Effects of d‐allulose as a sucrose substitute on the physicochemical, textural, and sensorial properties of pound cakes. Journal of Food Processing and Preservation, 44(6), e14472.
  22. Bolger, A. M., Rastall, R. A., Oruna-Concha, M. J., & Garcia, J. R. (2021). Effect of d-allulose, in comparison to sucrose and d-fructose, on the physical properties of cupcakes. LWT, 111989.

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既是科學家,也是樂團鼓手!──專訪數學物理學家程之寧

研之有物│中央研究院_96
・2022/03/11 ・5978字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣、簡克志
  • 美術設計|林洵安、蔡宛潔

在學術與搖滾的多重維度上行走

還記得美劇《The Big Bang Theory》嗎?劇中常常出現的物理名詞「弦論」,是描述物理世界基本結構的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內數學研究所程之寧研究員,她正是研究弦論的科學家,也是熱愛音樂的搖滾樂團鼓手,這種跨領域身份並不衝突,兩邊都需要創造力與紀律。由於天生斜槓的性格,讓程之寧在數學和物理領域大展身手,透過數學的深入探討,她試圖將弦論更往前推進。最近程之寧更跨足到人工智慧領域,為學界提供理論物理上的貢獻。

中研院數學所程之寧研究員,主要研究 K3 曲面(特殊的四維空間)的弦論,她發現模函數和有限對稱群之間有 23 個新的數學關聯,稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。圖/研之有物

萬有理論和難以捉摸的「月光」

世界從那裡來呢?物理世界的本質是什麼呢?回答這樣的大哉問,一直是理論物理學家所追求的目標。從牛頓力學(日常應用)、廣義相對論(探討很重的物質)到量子力學(探討很小的物質),隨著物理學不斷發展,我們似乎一步步接近答案,但至今卻還未走到終點。

舉例來說,如果有個東西很重又很小,就像「黑洞」,或是大爆炸時的宇宙,我們要怎麼用數學描述?於是科學家試圖整合廣義相對論和量子力學,找出所謂的「萬有理論」(Theory of Everything)──能完全解釋物理世界基本結構的核心理論。

程之寧研究的「弦論」就企圖發展成這樣一個萬有理論。弦論一如其名的「玄妙」,它設定宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。

「人類一直以來的夢想之一就是,如果能用一句話解釋所有事情,那該有多麼美好。」中研院數學所研究員程之寧說道。

程之寧的研究牽涉到數學上的「月光猜想」(Moonshine)與弦論中 K3 曲面的連結。月光猜想是存在於模函數係數與特殊群之間的數學關聯,程之寧與其研究夥伴共發現了 23 個新的關連,並稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。

基於弦論的假設,我們的世界是十維的,除了人們在日常生活中可以感知到的 3+1 維(空間+時間),還有六維是因為尺寸太小而無法用肉眼觀察的,這些看不到的維度影響著物理世界,最終也產生了我們這個物理世界所需的各種條件與特性。

綜觀程之寧的研究,橫跨了物理與數學兩個領域,她笑稱自己「天生斜槓」。在學術上,程之寧原先喜歡文學,之後卻走上數理研究的道路;在音樂上,程之寧喜愛搖滾樂,至今仍在自己的樂團裡擔任鼓手。

她如何看待自己一路走來的各種轉折?游徜在數學與物理之間,她又對這兩個領域的連結有怎樣的體會?在與「研之有物」的訪談中,程之寧侃侃而談她的經歷、想法,以及對學術研究的熱忱所在。

在弦論的設定中,宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。圖/iStock
  • 請問您是如何對數學及物理產生興趣?從何時開始?

一開始考大學時,其實我想去念中文系(笑)。不過,因為我高中是選理組,而且只念了一兩年,對文科考試比較沒把握,加上對工程科系沒興趣,最後就選擇臺大物理系就讀。

後來發生兩個轉折,第一個是我很認真的去修了大學中文系的課,結果發現真的沒有想像中容易。第二個就是我發現物理系的課還蠻有趣的,像量子力學和相對論,讓我覺得還想再多學一點、多知道一點。

我開始覺得如果念完臺大物理系就停下來,好像有一種小說沒讀完的感覺,所以就想繼續讀碩士班。那時還沒有覺得自己會走上學術研究的路,單純抱著想把故事看完的想法。

  • 後來是如何接觸到弦論?弦論是如何引起您的興趣?

後來我去荷蘭念碩士,指導教授是諾貝爾物理獎得主 Gerard ’t Hooft。他其實蠻不認同弦論,但他對於如何處理量子力學與相對論很有興趣。

當時 ’t Hooft 教授在建議我碩士題目時就說:「你也知道我不太認為弦論是一條正確的道路,不過聽說弦論最近真的在量子重力這一塊有一些成果。不如妳去讀一讀,看看是不是真的有一些東西在那裡,也可以比較一下其他量子重力理論。」

在我很認真的比較各個量子重力理論之後,就變成弦論派了(笑)。’t Hooft 教授對此也保持開放態度,他有幾個不錯的博士生後來也變成弦論學家,之後我在 Erik Verlinde 的指導下念博士時,就完全以弦論為研究主題了。

  • 研究理論物理會影響您對現實世界的理解嗎?

蠻多人會問我說,妳學了量子力學,是不是就會比較了解這個世界不是非黑即白?或問我量子力學跟宗教是不是有關?可是我覺得我分得很開,我不會去做這樣的連結,我還是活在現實裡,走路時大部分都在專注於自己不要跌倒之類的。

如果真的要講,我蠻感激我們的存在,因為我所學的東西讓我知道這是沒有必然性的。我們能這樣以一種人形的很奇怪的生物的形式存在,然後在這樣一個環境過一輩子,是機率很低的事情,而且我還蠻開心我是當人,而不是奇怪的阿米巴蟲或外星生物!有些人會從這裡連結到宗教或轉世,但我不會,我就停在這裡。

  • 來談談您的研究,伴影月光猜想與 K3 曲面弦論之間是什麼關係?

弦論中有很多的可能性,我們可以挑選特定的四維,然後假設這四維空間是個 K3 曲面。例如說,我們可以把兩個甜甜圈乘起來,在上面做特殊的奇異點,來製造出一個 K3 曲面。這個曲面有一些很有趣的對稱性。從弦論的角度來講,我們可以透過這個過程,找出一個解釋為何有伴影月光猜想的框架。

「把維度乘起來」這個概念很難想像,但這在數學上是成立的。我舉例一個我們能想像的「乘起來」:如果有一個空間是一條線,另一個空間是一個圓,乘起來就變成一個圓柱形,從一個方向剖面可以切出圓,另一個方向則切出線。而在數學上,不管幾維,能不能在紙上畫的出來,都可以這樣操作。

程之寧向「研之有物」採訪團隊解釋「把維度乘起來」的概念。圖/研之有物
  • 如何透過計算,發現捉摸不定的「月光」?

有時候這看似湊巧,一個數學上的函數正好就是弦論某個問題的答案。但其實並不是真的那麼巧,弦論看起來很有彈性,好像什麼都可以解釋,但它其實有非常多結構及限制。

當我在計算一個弦論理論時,它的內部結構可能原本就具有某些特定的性質,然後我再去觀察數學中,有這樣性質的函數可能就只有一兩個,只要再初步算一下,就能知道哪一個是答案。弦論學家日常的計算常常是這樣的,所以這是巧合嗎?是也不是。

  • 您曾經發現 23 個新的伴影月光猜想,您對這類題目特別有興趣嗎?

我覺得數學有兩種,有些數學家喜歡系統性的事情,就像蓋房子一樣,在數學裡建造一個很美麗、非常有系統性的結構,可以把很多事情都放入這個結構來理解。

另一種比較少數的,就是喜歡獵奇,去收集分類奇奇怪怪的特殊東西,例如有這些性質的函數在哪裡?可能你算出來就是 5 個,你也不知道為什麼。月光猜想很明顯就屬於這一類。

兩種的樂趣感覺是不一樣的,我覺得應該都很棒,但我可能是屬於偏好獵奇的這種。

  • 您的研究連結了物理上的弦論與數學上的月光猜想,您怎麼看待這兩個知識體系的互動?

弦論是一個需要很多數學理論配合的物理理論,它是一個有點繁複的框架,我們什麼都要會一些,才能看懂這個理論。當你把許多不一樣的學門的知識加起來,有時候就會在某一個學門──例如幾何──有意想不到的收穫。

弦論在數學上也扮演探索與找尋新方向的角色,讓數學家有新的發現。雖然最後數學定理的證明還是得仰賴傳統數學方法,但在這二三十年間,我們一直從弦論身上找尋數學研究的新方向或有趣的猜想,看到了弦論與數學之間的互動。

數學家有兩種,一種人喜歡建立美麗又有系統性的結構,另一種人喜歡尋找和收集奇怪特殊的數學物件(比如函數),程之寧表示自己屬於後者。圖/研之有物
  • 剛才一開始提到,您高中只念了一兩年,是因為對學校沒有興趣嗎?

其實我一直都覺得上學很無聊。我小時候臺灣教育和現在很不一樣,一班 50 幾個人,老師必須盡量軍事化管理,大家最好都一模一樣,比較好管理。我和學校一直處於互相磨合的狀況,我自認已經努力配合學校,但學校一直覺得我在反抗,這可能是一個認知上的差別。

舉例來說,我小學的時候不想睡午覺,可是老師說大家都一定要睡午覺,不睡午覺的人要罰抄課文,所以我早上到學校時就會把已經抄好的課文交給老師。我覺得我這樣做是在配合老師的規定,可是以老師的立場會覺得我在反抗,學校教育中我遇到了很多類似的情況。

還有就是不喜歡高中的升學氛圍,同學和老師好像都只有一個活著的目標,就是「考大學」。我當時無法習慣升學氛圍,感覺好像活在平行宇宙一樣。

  • 高中休學後,您去唱片行工作,可否談談當時的想法?

我國中開始聽音樂,這是我除了看書之外的重要興趣,我也很快就喜歡上了搖滾樂。高中休學的時候,我唯一的謀生技能可能就是我對音樂的各類知識吧!所以我就去了唱片行,這是唯一一個我會做又有興趣的工作,還好那時候還有很多唱片行(笑)。

  • 對音樂的熱忱,讓您與朋友共組了樂團,並擔任鼓手。您是否比較過樂團生活和學術研究之間的異同之處?

有些人覺得我這樣很跳 tone,但我自己覺得還好。音樂和學術都是我發自內心覺得好玩的東西,兩者也有相同之處,例如它們都需要創造性,也都有需要了解的框架。數學需要嚴謹的證明,音樂演奏也需要遵循結構,例如不能掉拍。

音樂領域還有一點和數學類似──玩樂團的圈子也是以男性為主。我們樂團則是只有一個男生,其他都是女生,可能我真的天生對框架有點遲鈍,玩團之後才發現:「怎麼大家都是男生?」

程之寧表示,學術界仍有許多性別不平等問題未受重視。圖/研之有物
  • 也就是說,目前數學學術圈仍是男性主導,在研究路上,您有因為性別而感受到一些衝擊或眼光嗎?您怎麼面對?

有。那感覺很明顯,日復一日地要去面對,尤其是年紀還比較輕、還必須每一天去證明自己的能力的時候,特別有感。

我遇到時的反應就是,在心裡暗罵一句髒話,然後繼續做我要做的事。我不會想改變別人的想法,感覺那是浪費時間,就算環境給我的阻礙是這樣,我還是繼續去做該做的事。

可是有些事情沒那麼簡單,現在我也當過老師,有時候會看到年輕女生在學術界因為性別而被欺負,或遭到不公平待遇、甚至騷擾。

對此我感到心痛,覺得為何我們學術領域還是這樣的狀況?甚至為什麼性騷擾至今還是一個議題?可以確定的是,學術界許多性別不平等問題未受到重視。

  • 您現在已經有傑出的研究成果,還會因為性別而遭受質疑嗎?

我現在比較會遇到一個狀況反而是來自學生的質疑。我在荷蘭阿姆斯特丹大學教書時,有時候學生會因為我是女教授,而且我的外表在許多歐洲人眼中看起來就像小妹妹,所以比較容易去挑我的毛病。

在課堂上,下面坐的可能都是男學生,只有一兩個女學生,那個氣氛就會變得很奇怪。例如說偶爾會聽到學生評論我的身材或樣貌。

我有和其他一些在歐洲或美國的女性教授聊過這樣的問題,似乎不少人都有類似的不太愉快的經驗。感覺不是很好。

  • 看到您最近的研究和人工智慧(AI)有關,為何會想往這個方向發展?

我有兩個動機。一個就是我真的想深入了解人工智慧。我也可以像普羅大眾,看看 AI 下圍棋,讚嘆「哇!好厲害!」這樣就好,可是我覺得我一定可以真的去理解它,這可能就是數學家的自大吧!

另一方面,我知道對科學研究來說,未來 AI 將會是一個非常重要的工具。這是「在職訓練」的概念,我可能會用到這個新工具,或以後我可能會需要教這樣的課,因為學生是下一代的科學家。因為這些原因,我覺得我需要去訓練自己使用新的工具。在我的領域裡,也有一些有趣的、還沒被解答的科學問題,是 AI 有可能幫得上忙的,我看到了一些潛力。

  • 弦論和 AI 感覺差距很大,AI 也可以應用到弦論的研究嗎?

乍看之下,弦論的確比較抽象,也不像其他許多實驗會產生大量數據。但其實弦論有大量的可能性,我認為使用 AI 來在這些巨量的可能性當中搜尋特別有趣的理論,是一個有潛力能夠加深我們對弦論理解的新的研究方法。

而且 AI 的應用絕不僅限於巨量資料。如果是面對一些比較新的挑戰,在沒有現成的演算法可以用的情形之下,可以自己做出需要的功能嗎?這過程我覺得也非常很有趣,而且應該是會有成果的一條路。這種不是那麼顯而易見的事情,我覺得很有挑戰性,也蠻好玩的。

除了用 AI 來幫助物理跟數學的研究之外,我也試著物理研究當做靈感來源,找出新的 AI 的可能性,我覺得這也是一個很有趣的研究方向。我現在有和 AI 的學者合作,嘗試做出一些創新的演算法,真的還蠻有趣的。

  • AI 對您而言是全新的領域,您如何面對跨領域遇到的門檻?

一開始會覺得真的要去碰這個新的領域嗎?其實現在也還是偶爾會有這樣的懷疑。我在弦論領域可能已經是專家,但去了一個新的領域,我學得不會比二十歲的人快,要怎麼去跟人家競爭?是不是在浪費時間?

但也會想,與其想這麼多,不如先做再說。到目前為止我做了兩年多,感覺還蠻好的,我有學到東西,也有做出小小的貢獻。

其實我還蠻感激有這樣的學習機會。對我來說當科學家最大的好處就是,去搞懂一個新的東西就是工作的一部分。當科學家雖然蠻辛苦,但就結果論來說,我還蠻開心能當一位科學家!

延伸閱讀

  1. Moonshine Master Toys With String Theory | Quanta Magazine
  2. Mathematicians Chase Moonshine’s Shadow | Quanta Magazine
  3. 林正洪教授演講 一 怪物與月光(Monster and Moonshine),《數學傳播》

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook