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如何靠溫度控制做出完美的料理?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2766字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。圖/截取自泛科學 YT 頻道

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

焦糖畫反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 54 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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為什麼咖啡、焙茶、烤吐司都很香?關鍵在於烘烤過程產生的「梅納反應」!——《飲食的香氣科學》
麥浩斯
・2022/10/07 ・2486字 ・閱讀時間約 5 分鐘

為何加熱後會産生香氣?

透過加熱會產生梅納反應和焦糖化反應。

加熱烹調如炒、烤、煮可產生香氣,而且可能產生新的風味。這個現象和透過梅納反應或焦糖化反應(見本書 P107)去生成香氣息息相關。

  • 梅納反應

梅納反應是糖和胺基化合物的化學反應,1912 年時由法國科學家 Maillard(梅納)所提出故得名。當用平底鍋煎烤肉或魚,或者用烤麵包機烤吐司時,食材會變成褐色並散發出好聞的焦香味,這些現象都與梅納反應有關。

因梅納反應作用,烤過的吐司會變成褐色,並散發出焦香味。圖/Pixabay
  • 因原料和温度不同,會產生各種香氣

雖然統稱為梅納反應,但因食材中所含的胺基酸和糖的種類以及加熱時的溫度不同,所產生的香氣分子類型也會不同。例如,胺基酸的一種「白胺酸」和糖所產生的化學反應裡,用 100°C 加熱時會產生香甜如巧克力般的香味,而用 180°C 加熱時則會產生烤起司般的香味。

而另外一種胺基酸「纈胺酸」在 100°C 時會產生如裸麥麵包的香味,而在 180°C 時則會產生高刺激性的巧克力般香氣。實際上食物中不僅僅含有一種胺基酸,而有各式各樣的種類,因此加熱時產生的香氣範圍相當廣泛。其複雜的香氣造就了食物新鮮出爐時的美味。

  • 醬油和味噌

梅納反應雖然較容易在高溫下發生,但其實也可在長時間的低溫下發生。例如日本料理的經典調味料醬油和味噌便是很好的例子。這兩者的褐變及香氣的生成與熟成過程中的梅納反應有關。此外,使用醬油和味噌去烹調可更容易引起梅納反應。

在烹調時加入味噌,更容易引起梅納反應。圖/維基百科
  • 香氣的原理

一些研究顯示,梅納反應所產生的氣味甚至與食物的美味及濃郁度有關。此外,近年來有一些非常有意思的研究也顯示梅納反應產生的香氣會影響人體的自律神經系統,活化副交感神經,具有緩解焦慮或緊張的情緒和使人放鬆心情的可能性。

圍繞著火爐烤肉之所以會讓參加者感到放鬆和和諧的氣氛,說不定就是受到了加熱香氣的影響呢。

咖啡豆、焙茶為何聞起來那麼香?

烘烤會使成分產生變化,產生造就美味的關鍵香氣。

  • 什麼是烘烤

「烘烤(Roast)」是不使用油脂等介質,用乾煎去加熱的方法,除了減少水分改變口感外,運用此手法的目的多為希望藉著加熱去產生新風味。例如,烘烤過程中產生的香氣在創造咖啡和焙茶的美味上就扮演了重要的角色。

  • 咖啡香氣的變化

咖啡是世界三大飮品之一,在世界各地擁有合適氣候和地理條件的許多地方都有栽種。咖啡的魅力來自於其複雜的香氣和風味,目前已在咖啡中發現了超過 800 種的香氣分子。

咖啡豆在未經烘烤前,並不會有「咖啡香」圖/Pexels

各種咖啡生豆品種和不同產地間的成分差異顯而易見,但在烘烤前,就算是再知名產區的生豆也不會有 「咖啡香」 。親身嘗試過實戰體驗 4(見本書 P41)的讀者應該能體會到。通過烘烤,生豆中所含的脂質、碳水化合物、蛋白質、綠原酸、咖啡因、葫蘆巴鹼等成分會產生變化並確立香氣的特徵。

在淺焙階段會產生醋酸等淸爽的風味,但隨著烘烤程度加重,經過前頁所提到的梅納反應所產生的呋喃類的甜香會隨之增加,同時會產生酚類的煙燻香氣以及吡類的烘烤香氣(芳香偏焦的香氣),創造出濃厚的風味。即便是使用相同條件的生豆,因烘烤程度不同,香氣也可能大不相同。

  • 棒茶香氣的變化

焙茶也是可品嘗到烘烤香氣的飮品。與咖啡一樣,焙茶中含有吡類和呋喃類等香氣成分。

焙茶當中,發源自石川縣金澤市的「棒茶」香氣濃郁,以石川縣為中心廣受歡迎。其最大特點是,它不像普通的焙茶用茶葉來製作,而是烘烤茶莖所製成。

棒茶(bōchaKukicha)最大特點為烘烤茶莖製成。圖/維基百科

棒茶香氣的分析報告顯示,其香氣濃烈的秘密就來自於莖。比較葉和莖的胺基酸含量後發現,莖的含量是葉子的 1.5 倍。因此,梅納反應較旺盛,可產生很多吡類的分子。讓「棒茶」香氣逼人的秘密就在於胺基酸。此外,棒茶還含有香葉醇和芳樟醇等花香調的香氣。厚實的烘烤香氣搭配花香造就了棒茶迷人的香味。

葡萄糖與各種胺基酸以 100°C 加熱時所產生的香氣:

胺基酸種類香氣類型
麩醯胺酸巧克力般的香氣
甘胺酸焦糖般的香氣
丙胺酸啤酒般的香氣
絲胺酸楓糖糖漿般的香氣
甲硫胺酸馬鈴薯般的香氣
脯胺酸玉米般的香氣
將葡萄糖與各種胺基酸以 100°C 時加熱,產生出不同的香氣。由於食材中含有多種胺基酸,故會產生複雜的香氣。表/作者參考〈梅納反應及風味的生成〉之內容所製成。

——本文摘自《飲食的香氣科學:從香味產生的原理、萃取到食譜應用,認識讓料理更美味的關鍵香氣與風味搭配》,2022 年 8 月,麥浩斯,未經同意請勿轉載。

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丙烯醯胺是如何生成的?哪些食物含量最多?——丙烯醯胺大揭密(上)
社團法人台灣國際生命科學會_96
・2018/07/12 ・2818字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 587 ・九年級

  • 文/葉安義│台灣大學食品科技研究所特聘教授

食物加熱處理有很多優點,除了能降低有害的微生物,也能增添食物的色香味並改善質地。然而,高溫加熱的過程中也可能產生一些危害健康的物質,「丙烯醯胺」就是時下最熱門的例子之一。歐盟 2017 年 11 月已正式立法,強制要求降低食品中丙烯醯胺含量至最新基準值或更低,並於 2018 年 4 月開始執行。

本期 ILSI Taiwan 專欄邀請台灣大學食品科技研究所葉安義特聘教授撰文,從丙烯醯胺的毒性與其暴露風險談起,探討影響丙烯醯胺於食品中含量高低的三大因素與形成機制,並以國內調查資料為依據,整理出丙烯醯胺含量較高的食品類別,對於高丙烯醯胺含量的食品類別,消費者應如何看待?

丙烯醯胺──留校察看的 2A 級致癌物

歐盟自 2003-2007 年進行「加熱後食品毒性物質計畫(Heatox Project)」,針對丙烯醯胺等關注物質進行鑑定、評估風險,與探討降低風險的可行方法。除了本文欲探討的丙烯醯胺(Acrylamide)之外,還有呋喃、羥甲基糠醛、脂質氧化產生的自由基等約 52 種關注物質。

世界衛生組織國際癌症研究中心(IARC)1994 年將丙烯醯胺列為 2A 級致癌物,代表此類物質於動物實驗中被證實具致癌性,但流行病學上尚未被證實對人體有致癌性,只能說它對人體「可能」有致癌風險。丙烯醯胺的神經毒性是目前唯一比較明確且具有人類流行病學數據基礎的研究,但依現有數據看來,一般消費者的暴露量尚不足以致病。關於丙烯醯胺的代謝過程與毒性,國家衛生研究院國家環境毒物研究中心已摘錄丙烯醯胺毒性資料供大眾參閱。

來自聚合物「聚丙烯醯胺」的丙烯醯胺

丙烯醯胺在工業上的應用大部分是它的高分子聚合物「聚丙烯醯胺(Polyacrylamide)」,其黏稠的特性使它常被用於特定工業,包括水處理、鑽油、造紙與礦冶業,其他的應用還有水泥漿、染料、化妝品、塑膠(含食品包裝)、滲透膜、隱形眼鏡和紡織品等。雖然聚丙烯醯胺本身不具健康風險,但其所含非常微量的丙烯醯胺小分子會經由皮膚接觸或空氣吸入,可能對健康造成危害。因此,對於工廠人員與附近居民而言,丙烯醯胺成為上述工業與環境安全需要監測的指標之一。

由於聚丙烯醯胺會與水中固體物質結合,使飲水中不需要的物質容易被過濾或移除,也常被當作飲用水的水質處理藥劑使用,因此飲用水中也有微量的丙烯醯胺。世界衛生組織在飲用水水質準則中,對丙烯醯胺的標準值訂為 0.5 微克/公升,此濃度表示消費者終生飲用均可接受的風險。

歐盟則規定飲用水中的濃度為 0.1 微克/公升。我國行政院環境保護署則是採用與美國、日本相同的源頭管理,將聚丙烯醯胺列為飲用水可使用水質處理藥劑之一,其最高添加劑量為 1 毫克/公升,而所含丙烯醯胺的最高限量則規定為 500 ppm。

高溫、低水分、澱粉原料,丙烯醯胺在食物中生成的三大要素

2002 年瑞典科學家 Tareke 等人首次發現,澱粉類食品經高溫加熱後會產生丙烯醯胺,故呼籲國際間將其列為重要議題並進行追蹤與合作。經過許多國家不同科學家們的重複試驗發現,雖然在低溫或高水分的蔬果食品也曾檢測出丙烯醯胺,但目前公認 120℃ 以上的調理(包括油炸、烘焙、炙烤、煎炒、工廠加工)與低水分含量,是食品中產生丙烯醯胺的其中兩個重要因素。

一般認為食品中丙烯醯胺的生成機制主要是透過「梅納反應(Maillard reaction)」,簡單地說就是澱粉分解後產生糖類與胺基酸的化學反應,主要反應物為天門冬醯胺(Asparagine)這個特別的胺基酸與還原糖(如:葡萄糖、果糖、半乳糖)或其含有羰基的類似物。

研究顯示,常見的含澱粉類原料搭配上述易產生丙烯醯胺的兩個重要因素之下,馬鈴薯的丙烯醯胺生成量最多,而若將米、小麥、玉米三種穀類原料進行比較時,在相同的加熱環境下,米的丙烯醯胺生成量最低。因此,食品中產生丙烯醯胺的第三個重要因素就是食品中原料的組成。

高溫、低水分、澱粉原料,是食物中會出現丙烯醯胺的三大要素。圖/wow_pho@pixabay

高丙烯醯胺含量的食品有哪些?

目前國際間普遍認為,除了香菸煙霧外,食品是一般大眾暴露丙烯醯胺的最大來源。先進國家多年來已針對各類食品進行丙烯醯胺含量的監測,並依其國人的膳食攝取量進行風險評估,以供消費者改善飲食習慣降低暴露丙烯醯胺的參考。

我國於 2003 年起,以食物分類逐步調查市售產品的丙烯醯胺含量。調查結果顯示,禽肉、家畜與水產類等主成分為蛋白質的食品以及蔬果類食品,在偵測極限為 10 ppb 的條件下,幾乎都偵測不到丙烯醯胺;以清蒸、水煮等方式製備的食品,如:白米飯、白麵條(經過烘烤過程的麵條不在此類之中)與真空油炸的薯條也未偵測出丙烯醯胺。有檢測出丙烯醯胺的食品類別為:油炸或烘烤的澱粉類產品,如:五穀根莖類(馬鈴薯產品為最)、點心零食類及堅果類(杏仁果為最)。

將上述結果與西方國家的調查數據相比後發現,在西方國家中,洋芋片、薯條(無論是炸或烤的)、馬鈴薯可樂餅、咖啡與咖啡代用品(來自穀物或菊苣根)皆屬高含量丙烯醯胺食品(≧ 300 微克/公斤),在國內洋芋片與薯條亦屬於高含量的食品。

西方國家點心零食類中,以餅乾(biscuit)、脆餅(cracker)、脆麵包(crisp bread)與軟式麵包(soft bread)等丙烯醯胺的含量較高,國內除了軟式麵包丙烯醯胺含量較低以外,其他數據趨勢皆與之類似,推測軟式麵包的差異可能是烘焙溫度或配方的差異所造成。

另外國內特有的食品如:油條、麵茶、黑糖與其調味產品,以及紅糖、冬瓜糖等黑糖類似產品的丙烯醯胺含量皆屬於較高的類別。黑糖雖然不是澱粉類,但其原料通常含有醣類與游離胺基酸,在熬煮過程中,有機會增加還原糖的生成,這是黑糖製成後其丙烯醯胺含量也較高的原因。

對丙烯醯胺含量高的食品需留意 ,但不必過度恐慌

過去曾有國內媒體熱烈報導黑糖中丙烯醯胺含量較高的議題,部分偏頗內容引起軒然大波,造成國人的恐慌與相關產業莫大的損失。作為理性的消費者,對於高丙烯醯胺含量的食品類別固然需提高警覺,但若不是當作主食類,或非經常吃的食品,由於攝取量並不高,就無需擔心。

看待「食安問題」,誠如這篇文章中提到的,除了需取得食品中丙烯醯胺的含量(濃度或毒性)之外,還需知道該食品的攝取量(劑量),兩者相乘後才是丙烯醯胺的攝入總量(膳食暴露量),兩者缺一不可。

雖然食品類別與變化繁多,只要我們把握前段所敘述的三個重要因素,就是我們辨識高含量丙烯醯胺產品的最佳線索。此外,關於國內部分高丙烯醯胺含量的食品,近年來降低其丙烯醯胺含量的努力已收到效果,將為消費者帶來新的選擇,實是消費者的一大福音!

  • 未完待續,關於國人丙烯醯胺膳食暴露情形以及降低丙烯醯胺膳食暴露對策,將於下篇分曉!

本文轉載自 ILSI Taiwan 專欄 2018 年 1 月號,原標題為「你知道食品高溫加熱暗藏的危機嗎?認識丙烯醯胺(上)」。

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