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軟硬兼施的記憶塑膠-形狀記憶高分子複合材料

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2014/01/15 ・682字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

報導 / 簡韻真

告別舊時代的石膏,現在快速又方便的醫療固定材料,是一種熱塑型塑膠,能快速成形,而且穿脫方便。熱塑型塑膠再進化,塑膠工業技術發展中心開發出形狀記憶高分子複合材料。

目前的熱塑型塑膠無法重複加熱,想要再加熱修改,只會讓材料像是黏土加水一樣越捏越爛,只得換一組新的。塑膠中心的研發團隊開發出一種形狀記憶高分子複合材料,不但和現有的熱塑型塑膠一樣,加熱後形塑出你想要的外表,再冷卻固定;更方便的是,你還可以將材料再加熱,使材料回復成原本的形狀。

形狀記憶高分子塑膠材料由兩種在同溫度下變形程度不同原料組成,在高過某個特定溫度Tg時,部分高分子結晶熔解,就能彎曲;冷卻後又回到穩定的結晶狀態,變得堅硬固定。再度加熱,結晶又熔解失去固定力,另一種高分子纖維就伸展使整體回復原本的形狀。只要調整配方比例,就能改變材料變形的臨界溫度,從兩百多度高溫到接近體溫的四十幾度都能辦到。

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這種新穎的高分子塑膠材料,具有類似記憶金屬的延展性與堅硬,卻又更輕巧、更具可塑性,成本也較低,很適合應用在客製化的醫療輔具上。因為這些醫療輔具,都必須依據每個人的身體狀況量身打造,還要服貼。除了固定四肢,像是固定脊椎的背架、輪椅、矯正鞋墊,都是可以應用的市場。此外,這種材料也通過測試,無毒、不會使皮膚過敏。

塑膠中心可以根據廠商的需求,調配出硬度不同、變形臨界溫度不同的材料。而且可以用現有的塑膠機具製成,無需投資新的設備。期待未來有更多服貼的應用。

技術專頁:智能材料‧低溫改變塑膠記憶

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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巴黎時裝週:噴霧製衣,一體成形
胡中行_96
・2022/10/03 ・2083字 ・閱讀時間約 4 分鐘

2022 年 9 月 30 日,[1]在巴黎時裝週 2023 春夏大秀上,近乎全裸的超模 Bella Hadid 緩步走上伸展台。她氣定神閒地,任由與法國時尚品牌 Coperni 合作的科學家們,用噴槍將液態布料覆蓋在她身上。[2, 3]經剪刀裁去布邊,並劃出高衩,一件服貼簡約的雪白平口洋裝,當場完成,驚豔全場。[4]

巴黎時裝週 2023 春夏大秀上,噴霧製衣的現場表演。影/參考資料 4

時裝秀的科技時刻

英國品牌 Alexander McQueen 也曾於 1999 春夏系列時裝秀中,讓超模 Shalom Harlow 在緊湊高亢的音樂襯托下,接受二支機械手臂的顏料洗禮,演繹出時尚史上經典的噴墨洋裝。[5]不過,這兩次乍看雷同的科技嘗試,其實有根本上的差異:Alexander McQueen 的做法,是把洋裝當作畫布,透過機械手臂在上頭忘情揮灑。放蕩不羈的風格,使模特兒的皮膚上沾染不少墨水,帶著一縷淒美的頹喪。[5]然而,這次巴黎時裝週的白色洋裝製作,則是宛如迪士尼動畫《睡美人》的情節。噴槍就是設計師的魔杖,妙手一揮便幻化出成品,整個過程乾淨俐落。做完馬上走秀,都不怕沿路滴水。[4]

這款神奇的噴霧布料,是 Manel Torres 博士研發的 Fabrican。[3]

Alexander McQueen 1999 春夏系列服裝秀中,Shalom Harlow 與機械手臂演繹經典的噴墨洋裝。影/參考資料 5

Fabrican 噴霧的原理

來自西班牙的 Torres 博士,[6] 2003 年於英國倫敦創立 Fabrican 有限公司。他希望用皮膚般貼身的媒材,來製作衣服,並加速生產的流程。[7]一件 Fabrican 服飾的生成,從無到有約莫只要 9 到 15 分鐘,[1, 6]而且材質和顏色都有多元的選擇。[8, 9]無論是棉、毛、亞麻、尼龍或是奈米碳纖維等原料,[6, 9]加入特製的揮發性溶劑後,噴在人體上便會快乾成形。 [6]這種液態布料能做出一年四季的服飾,差別主要在於塗層的厚度。成品噴好後,不僅可以重複穿著和洗滌,也能以溶劑即刻還原再利用,[10]十分環保。

Torres 博士示範用 Fabrican 噴出T恤,女模表示會冷。影/參考資料 10

Fabrican 服飾的量產

Copern i 的二位品牌創辦人 Sébastien Meyer 與 Arnaud Vaillant ,在這次的巴黎時裝週開始前 6 個月,就已經緊鑼密鼓地和 Torres 博士,一起研究如何呈現這件白色洋裝。「我們不會因此賺錢」,回想秀場上的那一刻 Meyer 如是說:「但那是段美麗的時光 ── 一個創造情感的體驗。」[3]

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以人工一件一件地噴出衣服,並不符合經濟效益,所以除了上述量身訂做的方法,Torres 教授還開發出適合工業化量產的模式。這個概念有點類似 Alexander McQueen 1999 春夏系列服裝秀的演出,不過要把那位面目驚恐,非常入戲的模特兒,換成冰冷的人體模型。如此一來,裝有噴槍的機械手臂以及負責運算的可程式邏輯控制器(programmable logic controller,簡稱PLC),便能以每秒 9 公尺的速度噴出原料,不眠不休無休地將已經設計好的服飾,精準地製作出來。由於針對不同產品,只要依照個別需求,微調程式或液態布料的成份,Fabrican 官網宣稱,這比起仰賴為數龐大的傳統機器,更適合剛起步的事業和開發程度較低的國家。[11]

Fabrican 的其他用途

此外,同樣的技術也能運用在汽車內裝,[11]以及醫療器材上。比方說,口罩、繃帶、藥物貼片、創傷敷料,[12]還有取代石膏的骨折固定器等。[13]比較出乎意料的是,據說 Fabrican 也有清除海洋汙染,例如:原油外洩等的功能,可惜相關的資訊不多。[14]看到如此萬用的布料科技,只能期望它無論如何都要打入一般市場,造福大眾。別像伸展台上的高級服飾,永遠那麼遙不可及。

Fabrican 可望取代醫療石膏。影/參考資料 13

延伸閱讀

蠶繭電池是綠能的未來?!

參考資料

  1. Testa J. (02 OCT 2022) ‘The Best Moment of Bella Hadid’s Life’. The New York Times.
  2. Yang R, Chen L, Chiang R, Tseng R.(01 OCT 2022)〈巴黎時裝周2023春夏秀場盤點!Coperni現場噴墨製衣、Balmain邀請傳奇巨星Cher壓軸走秀〉Harpers Bazaar.
  3. Maguire L. (01 OCT 2022) ‘A spray-on dress and a solid gold bag: Coperni goes after Gen Z with novelty and fun’. Vogue Business.
  4. iDest. (01 OCT 2022) ‘Bella Hadid Closing Coperni Spring 2023 Collection’. YouTube.
  5. Couture Daily. (13 JAN 2013) ‘Alexander McQueen spring/summer 1999’. YouTube.
  6. Sample I. (17 SEP 2010) ‘Spray-on clothing becomes a reality’. The Guardian.
  7. Fabrican History’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022)
  8. FannVideo Best. ‘New Spray-on Clothing Future Technology’. (28 MAY 2013) YouTube.
  9. Fabrican Technology’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
  10. New Scientist. ‘Spray-on clothing could be the future of fashion’. (17 SEP 2010) YouTube.
  11. Industrial – Industrial Application’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
  12. Healthcare – Innovation, choice and flexibility in healthcare’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
  13. fabricanltd. (15 MAY 2012) ‘Spray-on arm cast. Fabrican Ltd’. YouTube.
  14. Environmental – Protecting our environment from seaborne spills’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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・2014/01/15 ・682字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

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告別舊時代的石膏,現在快速又方便的醫療固定材料,是一種熱塑型塑膠,能快速成形,而且穿脫方便。熱塑型塑膠再進化,塑膠工業技術發展中心開發出形狀記憶高分子複合材料。

目前的熱塑型塑膠無法重複加熱,想要再加熱修改,只會讓材料像是黏土加水一樣越捏越爛,只得換一組新的。塑膠中心的研發團隊開發出一種形狀記憶高分子複合材料,不但和現有的熱塑型塑膠一樣,加熱後形塑出你想要的外表,再冷卻固定;更方便的是,你還可以將材料再加熱,使材料回復成原本的形狀。

形狀記憶高分子塑膠材料由兩種在同溫度下變形程度不同原料組成,在高過某個特定溫度Tg時,部分高分子結晶熔解,就能彎曲;冷卻後又回到穩定的結晶狀態,變得堅硬固定。再度加熱,結晶又熔解失去固定力,另一種高分子纖維就伸展使整體回復原本的形狀。只要調整配方比例,就能改變材料變形的臨界溫度,從兩百多度高溫到接近體溫的四十幾度都能辦到。

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這種新穎的高分子塑膠材料,具有類似記憶金屬的延展性與堅硬,卻又更輕巧、更具可塑性,成本也較低,很適合應用在客製化的醫療輔具上。因為這些醫療輔具,都必須依據每個人的身體狀況量身打造,還要服貼。除了固定四肢,像是固定脊椎的背架、輪椅、矯正鞋墊,都是可以應用的市場。此外,這種材料也通過測試,無毒、不會使皮膚過敏。

塑膠中心可以根據廠商的需求,調配出硬度不同、變形臨界溫度不同的材料。而且可以用現有的塑膠機具製成,無需投資新的設備。期待未來有更多服貼的應用。

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我們吃下去的各種「豆腐」到底怎麼來的?——解開豆腐的身世之謎
阿咏_96
・2021/03/11 ・2665字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

豆腐、豆花都是餐桌上常見的食物,雖然它們登場的方式有時不太一樣,豆腐有時在火鍋裡出現,有時也會做成麻婆豆腐、涼拌豆腐、油豆腐⋯⋯(再列下去都餓了XD)。日常中豆腐的種類這麼多,到底豆腐是怎麼被發明的?製作的原理是什麼?各種豆腐的差異又在哪裡?

今天,就一起來揭開豆腐的「身世之謎」吧!

豆腐。圖/Wikipedia

豆腐的歷史

豆腐是怎麼被發明的呢?相傳漢朝年間,淮南王劉安為侍奉病母,每天將黃豆磨成豆漿供母親飲用,劉安在八公山煉丹時,不小心將石膏倒入豆漿,使之凝結成為豆腐,從此中國淮南被稱作豆腐之鄉。然而豆腐的詳細做法直到李時珍的本草綱目6中才被首次記載。

凡黑豆、黃豆及白豆、泥豆、豌豆、綠豆之類,皆可為之。水浸,磑碎。濾去渣,煎成。以鹽滷汁或山礬葉或酸漿醋淀,就釜收之。」——《本草綱目》卷二十五 谷部 豆腐

後來豆腐傳入日本,流傳於亞洲各國,因此豆腐在東亞算是歷史悠久的食品,目前豆腐的產品發展多元化,許多業者仍不斷改良豆腐,以供應市場需求,也因此我們能夠吃到各式各樣的豆腐。

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淮南王劉安不小心將石膏倒入豆漿製成豆腐。圖/Pexels

從豆漿怎麼變出豆腐?

那豆腐是怎麼製成的呢?我們需要先從豆漿開始。將黃豆及水打碎後,濾去殘渣,接著煮沸而成為豆漿,但為什麼需要煮沸呢?

首先,我們人體腸道裡有胰臟分泌的「胰蛋白酶」,而黃豆裡含有「胰蛋白酶抑制劑 (trypsin inhibitor) 」,會抑制胰蛋白酶的作用,影響蛋白質分解,無法吸收,導致消化不良。因此,煮沸便是利用「蛋白質遇熱會變性」的原理,使胰蛋白酶抑制劑受熱變性、失去原本的作用。

有了豆漿之後,下一步驟稱為「點鹵」,也就是加入凝固劑,例如鹽滷或是石膏,將蛋白質凝聚起來。豆漿跟咖啡、牛奶一樣,都屬於「膠體溶液」。

所謂「膠體溶液」,跟其他溶液相比粒子比較大,並帶相同電荷而互相排斥,能夠克服本身的重量,懸浮在溶液中,不產生沈澱。加入電解質後,電性相異的離子將膠體粒子包覆,電性中和失去排斥力的粒子無法懸浮在溶液中,自然沈澱。

鹽滷是製鹽過程中的副產物,成分主要是氯化鎂 MgCl2。豆漿的蛋白質大多帶負電,鹽滷加入溶液後,氯化鎂解離為氯離子和鎂離子,鎂離子的正電中和蛋白質的負電,產生沈澱,將沈澱以外的液體濾出後,壓實晾乾製成的便為豆腐。而使用石膏 CaSO4 作為凝固劑也是相同的原理。

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鎂離子的正電中和蛋白質的負電,產生沉澱後,以重物壓實曬乾製成豆腐。圖/Wikipedia

隨著現代食品工業的發展,含水量高、口感細膩的盒裝豆腐誕生,和傳統製程不同在於,添加葡萄糖酸內酯,利用的是蛋白質在達到等電點時會凝固,原因是隨溶液 pH 值不同,蛋白質帶的電荷會因失去或獲得 H+ 而改變,當電荷平衡時,斥力消失,溶液中的膠體粒子較容易凝集,此時溶液的 pH 值即為等電點10

葡萄糖酸內酯經加熱後水解出葡萄糖酸,降低溶液 pH 值,達到大豆蛋白溶液等電點時,蛋白質分子不互相排斥而凝聚,達到凝固的效果。因製程中不會除去水分,因此較為滑嫩、入口即化。

這些豆腐你認識嗎?

在加工的過程中,使用不同濃度的豆漿或是凝固劑,或調整時間、溫度等,都能夠創造出更多樣的口感及品質,讓我們有在飲食上有更多選擇。譬如鹽滷製成的豆腐質地較脆,反之,以石膏作為凝固劑製成的豆腐,口感會比較細緻4

在點鹵後,去除多餘的溶液,定型後便是我們常吃的點心豆花。傳統豆腐則是在定型前,倒入墊著紗布的木框模,加壓擠出水分後,至冷卻形成,放置時間越久、壓的重量越重,含水量便越低,則口感越扎實,例如「板豆腐」是用石膏點鹵,放置較長時間後製成的,吃起來就比較硬,含鈣量也較高。再來,若將硬豆腐冷凍,使豆腐內部分子結凍,解凍之後水分流失,就變成了充滿孔隙的凍豆腐。

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而嫩豆腐則少了傳統豆腐的加壓過程,因此營養成分都保留在豆腐中,外觀沒有布紋且細緻,又稱營養豆腐或涓豆腐4

另外,之前網路上流傳的一篇文章——「百頁豆腐不是豆腐?!」又是怎麼回事呢?

其實百頁豆腐的製作過程的確與傳統豆腐不同,是由大豆分離蛋白、沙拉油、澱粉、水為成分,以硫酸鈣為凝固劑,再經過蒸煮而成,也因此油脂含量較高。

最後,有趣的是,有些豆腐不一定含有大豆成份,卻也被稱為豆腐。例如芙蓉豆腐,是以雞蛋為主要原料,經過過濾及蒸煮,質地像豆腐一樣軟嫩,因此稱作芙蓉豆腐。還有,魚豆腐主要也是以魚漿做成,並非所有魚豆腐在加工過程中都會添加大豆,但由於外觀及口感跟豆腐相似,所以叫做魚豆腐2

總之,豆腐除了在口感及風味上,帶給我們美食的饗宴外,其中豆類也是很重要的蛋白質來源,了解豆腐的前世今生後,在享受美味的同時,希望大家也能也注意到營養攝取的均衡,在餐桌上選擇最適合的豆腐。

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參考資料

  1. 百頁豆腐不是豆腐?台大化工博士揭密「成分」
  2. 嫩豆腐、板豆腐、芙蓉豆腐怎麼分?
  3. 【圖解】豆腐種類多,嫩豆腐、魚豆腐…你分得清嗎?
  4. 加工條件對豆漿蛋白質結構與豆腐品質的影響
  5. 百變蛋白質
  6. 【台灣綠食堂】一塊「乾淨」豆腐的想望 平民美食背後的成本學
  7. 食物的科學魔法!如何把豆漿變成豆花呢?
  8. 不直接吃黃豆的理由:關於豆類加工品的二三事
  9. 豆腐 – 維基百科,自由的百科全書
  10. 國家教育研究院雙語詞彙、學術名詞暨辭書資訊網
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阿咏_96
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