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老窖釀的酒為什麼會有獨特的風味?

陳俊堯
・2014/03/16 ・2282字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

本文由民視《科學再發現》贊助,泛科學獨立製作

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瀘州老窖公司網站上說明他們使用的釀酒古法。照片取自這裡

今天在網上閱讀時碰到一個名詞,Chinese Strong-Flavored Liquor。字面上只是氣味濃厚的中國烈酒,認不出是誰。花了點時間細查,知道它又叫 Luzhou flavor liquor,原來指的是四川瀘州產的濃香型白酒。我不懂酒,下面借香港百科裡的文字解釋一下:

“濃香型,又稱瀘香型,以瀘州老窖特曲為代表。濃香型的酒具有芳香濃郁、綿柔甘洌、香味協調、入口甜、落口綿、尾淨餘長等特點,這也是判斷濃香型白酒酒質優劣的主要依據。構成濃香型酒典型風格的主體是己酸乙酯,這種成分含香量較高且香氣突出。”

瀘州老窖酒好像很有名。劍南春、五糧液也都是在老酒窖裡產生的。雖然我沒機會喝過,但從網路上的資料看起來,在這些老酒窖裡釀出來酒的風味,似乎不是年輕酒窖裡有辦法做得到的。

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釀酒要靠微生物。產生酒精要靠酵母菌(它跟香菇一樣是真菌)。但是酒的風味則要靠所有參與酒精發酵過程的各種微生物,特別是細菌。它們利用了植物裡主要是醣類的各種成份,代謝後留下了什麼,這酒就會出現什麼味道。而酒窖裡有什麼微生物,以及酒窖環境的溫濕度等等條件,就成了影響酒裡微生物組成及酒的風味的決定性因素。同樣的原料放在不同酒窖裡會釀出不同味道的酒,那酒窖裡有沒有什麼特殊的細菌,就是個最值得懷疑的地方。如果能取得這些特殊的微生物,或許可能在金屬發酵槽裡重現老窖風味囉(美好夢境)。

先來說明了這酒的釀法:先挖個方型的土坑,土坑內側周圍塗上一層窖泥,再把酒放進去釀。這窖泥是拿老窖泥加新土混合,放在地窖裡擺個一年,等菌相養成了以後才能使用。釀酒的原料是混合麥,高梁和玉米,加大麴酒當微生物種源。接著整個酒窖用泥封存 60 天,再取出蒸餾,就成了白酒。瀘州老窖第 22 代繼承人沈才洪先生說了,“這些窖泥是有生命的,而且活了四百多年,為什麼它們能夠活這麼久,是因為我們幾百年來一直連續使用, 從未間斷”。過去的一篇研究也曾這樣推測,這裡特別的細菌是長期處在酸性低氧氣高酒精濃度下篩選出來的優勝者。因為一直在釀酒,所以細菌一直在這樣的環境下被篩選而留存下來。

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沈才洪先生站在鋪滿窖泥的土坑裡,可以看出土坑的大小。取自瀘州老窖廣告影片

這次讀到的這篇研究刊載於 2014 年 4 月出刊的《應用與環境微生物》(Applied and Environmental Microbiology)期刊。作者選擇了 1 年,10 年,25 年和 50 年共 20 個酒窖,採集 60 個窖泥樣本,用大量平行定序的技術來檢驗窖泥裡面的細菌組成。 過去雖然也有不少人研究過這個主題,但是當時技術上的限制而一直沒有一個全面性的結論。究竟在這些窖泥樣本裡,是不是能看出歲月留下的痕跡,找出特別的細菌社會呢?

果然不出所料,時間的影響很大。這些窖泥裡的細菌社會組成,可以根據相似程度區分成三大群,而這三大群的區分剛好跟酒窖的年紀有關。第一大群包括 1 年酒窖的樣本,和一個10年的樣本。大部份的 10 年樣本自成第二群,而 25 年和 50 年的樣本加一個 10 年樣本成第三群。在這些細菌社會裡總共找到了 796 種細菌(嚴謹點說是 OTU),多樣性則是從最低的 1 年酒窖樣本隨時間逐漸上升,在 25 及 50 年的樣本裡達到最高。在主要細菌菌群上 1 年酒窖樣本裡有大量乳酸菌(Lactobacillus,62%),10 年後下降到只有一成左右。取而代之的是厭氧型的細菌和古菌(包括 Clostridium,Bacteroidetes 和 Euryarchaeota)。

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原研究中酒窖窖泥細菌組成隨著時間的變動狀況。可以看到25 年後趨於穩定。

整理一下這個研究裡的發現,在 1 年的新酒窖裡,窖泥菌相以乳酸菌為主,泥裡測得的乳酸濃度也很高,環境偏酸。這段時間是馴化期(domestication phase)。接下來進入轉型期(transition phase),乳酸菌隨著時間數量變少,換成厭氧菌。這個過程到了 25 年後才穩定下來,進入菌相成熟期(maturation phase)。在這個時期泥裡測得高量的己酸(caproic acid),剛好可以讓細菌轉化成己酸乙酯(ethyl caproate),而這個分子正是這酒獨特風味的來源。或許窖泥裡的細菌跑進酒桶裡進行相同的反應,或許窖泥裡的己酸乙酯可以經由揮發從空氣進入酒裡。

如果這些細菌的代謝會影響酒的風味,那一個新建的酒窖少說得要先等待個 25 年,才會在自然篩選下擁有適當的菌相,然後在釀出來的酒裡展現歲月的智慧了。釀酒是一項需要大量經驗的藝術,藉由研究的力量,科學家們終於可以慢慢瞭解傳統釀酒法和神秘禁忌背後的生物及化學機制了。

研究原文:

Tao Y, Li J, Rui J, Xu Z, Zhou Y, Hu X, Wang X, Liu M, Li D, Li X. Prokaryotic communities in pit mud from different-aged cellars used for the production of chinese strong-flavored liquor. Appl Environ Microbiol. 2014 Apr;80(7):2254-60.

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延伸科學再發現@科技大觀園


更多內容也可以上科技大觀園搜尋「細菌」,或每週六上午8點收看民視53台科學再發現

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陳俊堯
109 篇文章 ・ 22 位粉絲
慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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從一片荒蕪到綠色星球:細菌與光合作用如何重塑地球——《你的身體怎麼來的?》
商周出版_96
・2025/01/27 ・3861字 ・閱讀時間約 8 分鐘

喜出望外

海中糟粕化為盎然綠意

這個星球現在仰仗光合作用運轉。

──史緹耶可.戈盧比奇(Stjepko Golubic)

四十億年前,地球的陸塊相當單調,黑色、褐色、灰色的岩石上一片荒蕪,火山朝著無氧的大氣噴發毒素,人類乘坐時光機回到那時間點會立刻窒息。當時地球上僅有的生命形態是細菌,以及比英文句號還小得多的單細胞生物。然而若往前快轉幾十億年,來到距今僅三億五千萬年前後,會發現大氣中氧含量接近人類已經習慣了的百分之二十一,這是個很奢華的數字。

那個年代,海洋中滿是巨大生物四處洄游,植物入侵陸地並為人類的演化鋪路。地球從無法居住的荒土蛻變為藍綠色的生命樂園,這麼戲劇性的轉折是什麼力量在背後推動?

種種因素之中有一項特別醒目:直到一九六〇年代人類才開始意識到光合作用的力量不下於各種地質學事件,改造這顆星球的手段神祕且驚奇,非常難以想像。

地球從荒土到生命樂園的蛻變,歸功於光合作用的出現。圖 / unsplash

改造過程中,光合作用或許曾經引發大規模生物滅絕。科學家一度認為其威力能夠與核戰浩劫相提並論,使這顆行星被寒冰覆蓋化作巨型雪球。但同時光合作用又輔助、甚至促成「不可能」的演化捷徑,進而提高生命多樣性,最終使植物甚至人類得以存在。科學家如何研究太古時代的自然變動?而光合作用又如何將地球鬧得天翻地覆?

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疊層石背後的生命故事

十九世紀末期,有人找到能夠追溯光合作用悠久歷史的第一條線索。那時候沒有任何證據指向距今大約五億五千萬年的寒武紀之前有生命存在,然而一八八二年冬天美國大峽谷深處名叫查爾斯.沃爾科特(Charles Walcott)的岩石收藏家改變了一切,後來還當上史密森尼學會的主席。

沃爾科特的故鄉是化石天堂紐約州由提卡市(Utica)。小時候他生得瘦瘦高高,喜歡在父母的農場以及附近未來岳父擁有的採石場內找化石,十八歲離開校園之後先去五金行當店員,卻自己閱讀教科書、研究化石並撰寫論文、與著名地質學家通信來維繫心中熱情。他曾經蒐集古代海洋生物三葉蟲的化石標本,品質在全世界而言也是數一數二,後來慷慨出售給了哈佛大學。

沃爾科特的勘探技巧十分高明,也藉此就職於新成立的美國地質調查局。一八八二年十一月,地質調查局局長、同時自己也是探險家的約翰.威斯利.鮑威爾(John Wesley Powell)要求沃爾科特勘測迄今為止無法進入的大峽谷深處。

鮑威爾之前嘗試過,但只能乘坐小木舟趁漂流時稍微觀察最底層岩石,後來他就在偶爾有「刺骨寒霧、雪花飛旋」的地方紮營監督,帶人修建一條從峽谷邊緣延伸到下方三千英尺(約九百一十四公尺)處溫暖地帶的陡峭馬徑,並且讓時年三十三歲的沃爾科特帶著三名工人和足夠支撐三個月的食物、九匹上鞍的騾子沿著那條臨時小徑進入谷底。

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「高原之後就會積滿雪,」鮑威爾告訴他:「春天之前你和搬運工無法離開峽谷。希望這段時間裡,你能好好研究地層序列,盡量收集化石。祝好運!」

對沃爾科特而言,這是千載難逢的機會。他已經發現一些已知的最古老化石,例如神似甲殼類但奇形怪狀的三葉蟲。此外,達爾文發表《物種起源》不過四十年前,但因為缺乏最原始的動植物或細菌化石而遭到很多抨擊。批評者仗著沒有化石這點堅稱所有物種都是神造,懷疑論者也要求達爾文證明古代有過更單純的生物,可惜他只能委婉表示若生物體很小就不容易留下化石,希望有朝一日會出現。

充滿驚喜的山谷

沃爾科特深知達爾文的窘境。他沿著陡峭原始小徑下降到幾乎沒有生命跡象的大峽谷谷底,然後用心觀察周遭環境。山谷、懸崖,除了石頭還是石頭,但這一隅紅色天地很得他喜愛,不過同行的化石收集家、廚師和馱獸管理員就未必能夠分享那份悸動了。

他們沿著八百英尺(約兩百四十四公尺)峭壁吃力前行,其中一段就是現在的南科維山徑(NankoweapTrail),一般認為是大峽谷裡最危險的路線,河流地形坡陡水急即使沿岸也難以行走,有時候不得不自己開路以求深入。後來一頭騾子死亡、另外兩頭受傷。旅程中至少一次,沃爾科特筆中的墨水結凍了,但又必須在篝火邊融冰為水給騾子飲用。但最可怕的其實是死寂與孤獨,才三個星期就導致那位化石收集家夥伴憂鬱求去。但沃爾科特不同,能來到谷底他太興奮了,堅持了七十二天才踏上歸途。

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有一天他爬上爬下,對部分岩石中層層線條感到好奇,乍看很像切開的包心菜。這些圖案極不尋常,所以沃爾科特認定是生物,後來將其命名為藍綠菌(最初曾視為藻類)。他還聯想到自己在紐約州看過來自寒武紀時期的類似化石,取「隱含生命」的含義命名為隱藻化石(Cryptozoön)。然而大峽谷的情況有點不同,這些化石明顯可見,卻又位於更古老的岩層內,因此歷史比任何其他已發現的化石都久遠。

沃爾科特在大峽谷的古老岩層中發現了類似藍綠菌的化石,命名為隱藻化石,揭示比已知更古老的生命存在。圖 / unsplash

沃爾科特後來在蒙大拿州等地持續發現同樣古老的隱藻化石,接著其他古生物學家也在前寒武紀岩石內察覺到疑似化石的特殊圖案,種種線索指向最原始生命形式的證據可能保存在寒武紀前的石頭裡。即便如此懷疑論調不斷,尤其某個長期存在爭議的標本被證明了並非化石,而是火山石灰岩經過壓力和高溫形成獨特的礦物沉積。

隱藻化石的爭議:解鎖前寒武紀生命的證據

一九三〇年代,沃爾科特去世的四年後,劍橋大學最具影響力的古植物學家蘇厄德(Albert Charles Seward)決定加入辯論,卻在後來被古生物學家肖普夫(William Schopf)形容是「讓煮熟的鴨子飛了」。蘇厄德在史稱「隱藻化石爭議」的事件中嚴格審視前寒武紀化石證據,得出結論認為這完全是一廂情願,所謂的化石與現存物種之間沒有明顯關係,大型結構並未顯示出由較小細胞組成的特徵。

他主張沃爾科特在隱藻化石找到的環狀圖案可能是海底富含鈣質的淤泥沉積,人類本來就不該期望細菌這樣微小的生物會被保存在化石,最後又語重心長告誡科學家:有些尋找化石的人太過一頭熱,他們宣稱找到特別古老的標本時不能輕信。

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地位如此卓著的人物提出警告,導致地質學家不願再從岩石尋找距今約五億年以上的化石,畢竟找到的機率幾乎等於零。久而久之許多人認定了生命在地球上的歷史很短,這顆星球的前面四十億年、其歷史的九成之中根本沒有生命存在。微生物學家史緹耶可.戈盧比奇指出許多科學家以「前寒武紀」一詞指稱生命尚未問世的太古時期,其實這是陷入「現有工具檢測不到就代表不存在」的思考偏誤,將缺乏證據直接視為否定證據了。

時間來到二十年後的一九五〇年代中期,澳洲年輕研究生布萊恩.洛根(Brian Logan)隨地質學教授菲利普.普萊福德(Philip Playford)探索了位置偏遠的鯊魚灣,也就是澳洲西北海岸一片孤立的鹹水潟湖。站在這兒的海灘,淺藍色海水退潮時會露出如夢似幻的奇景:數百顆三英尺(約九十一公分)高的圓柱狀岩石林立,彼此間距很小,彷彿堅硬粗糙如石塊的蘑菇聚集叢生。

兩人詳細調查了這片怪異石陣,然後意識到理解沃爾科特隱藻化石的關鍵。眼前這些不僅是活化石,還能回答一個經典謎語:什麼東西既死又活?石頭表面曾經活著,是藍綠菌累積起來形成網罩般的構造。海水進出時,這層菌網會捕捉沉積物。而藍綠菌死亡後,沉積物固定在原位如海綿狀的石塔,於是又有新的細菌附著其上、形成新的一層網罩。

細菌以同樣方式在太古海洋中創造出沃爾科特的隱藻化石,現在稱為疊層石,語源是希臘文stroma(層)和lithos(岩)。目前只有鯊魚灣等少數幾個地方能找到疊層石,環境對其他多數生物過於鹹澀無法生存。但另一方面,已經化石化的古老疊層石則在世界各地皆有發現。

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澳洲地質學家偶然發現還活著的疊層石,同時美國兩位地質學家史坦利.泰勒(Stanley Tyler)和埃爾索.巴洪(Elso Barghoorn)也宣布找到了蘇厄德口中不存在的化石標本,其中微生物有單細胞也有多細胞,藍綠菌絲也包括在內,而且這些化石都有大約二十億年歷史。「許多人很震驚的,」戈盧比奇表示:「原本以為生命在寒武紀才爆發,之前什麼都沒有。寒武紀應該是起點才對。」但現在普遍接受最古老的疊層石化石上微生物活在三十五億年前,依舊是地球誕生的十億年之後。達爾文和沃爾科特應該很欣慰。

哪種細菌造出最古老的疊層石?無法確定是已經會行光合作用的藍綠菌,抑或是它們的祖先。不過藍綠菌至少二十四億年前已經存在於海洋。

——本文摘自《你的身體怎麼來的?從大霹靂到昨日晚餐,解密人體原子的故事》,2025 年 01 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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微酸與麥香兼具 透視酸種麵包的小世界
顯微觀點_96
・2024/12/19 ・2726字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文轉載自顯微觀點

sourdough
圖/顯微觀點

오늘도 아침엔 입에 빵을 물고 똑같이 하루를 시작하고(今天早上,我又嘴裡含著麵包,一如往常地開始了一天)

南韓女子偶像團體 (G)I-DLE 的《Fate》,唱出了麵包是不少忙碌上班族的早餐選擇。但有營養師指出,「酸種麵包」(sourdough)成分單純,較容易被消化不易脹氣,升糖指數也更低,適合減重者或是需要控制血糖的人。

酸種麵包是使用野生乳酸菌和酵母發酵麵團製成的麵包。用料通常非常單純,只採用天然酵母、麵粉、水跟鹽,經過長時間發酵而成,因此天然酵母發酵產生的乳酸會賦予麵包酸味並提高保存品質。

而 2020 年開始席捲全球三年多的新冠肺炎疫情,意外讓烘焙成了全球許多因封城、疫情警戒而坐困在家者的紓壓管道。由於人們對家庭烘焙的興趣增加,導致商店麵包酵母短缺,可在家培養麵團的酸種麵包更是因此風靡全球。

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酸種麵包
酸種麵包是使用野生乳酸菌和酵母發酵麵團製成的麵包,用料通常非常單純。圖/unsplash

酸種麵團可說是歷史悠久,最早可追溯到西元前3000多年的古埃及文明,直到中世紀歐洲使用酸種麵團仍是發酵常用方式。

除了歐洲,其實世界各地都有使用酸種麵團製作麵包的文化,「酸種麵包」的風味也和不同地區的歷史人文息息相關。

例如,義大利普利亞區的經典麵包「阿爾塔穆拉麵包(Pane di Altamura)」;墨西哥將啤酒和雞蛋加入酸種麵團,製作墨西哥傳統麵包「比羅特麵包(Birote)」;日本木村屋( Kimuraya bakery)用酸麵種麵包來製作紅豆麵包,再將八重櫻花瓣醃製後放進麵包中心,提供給日本天皇享用。至於中式「老麵」饅頭,也是所謂的「酸種麵團」。

而在加州淘金熱期間(1848–1855),法國麵包師將酵母技術帶到了北加州,出現了著名的舊金山酸麵包(Sourdough bread):一種白麵包,特徵是具有明顯的酸味。這至今仍然是舊金山文化的一部分,當地美式足球隊-舊金山 49 人隊的吉祥物就是牛仔造型的「Sourdough Sam」(酸麵團山姆)。

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一般市售麵包常使用 19 世紀末巴斯德(Louis Pasteur)發現的麵包酵母(或稱商業用酵母),以高產氣的單一菌種酵母來醒發麵團,通常可在不到兩小時內發酵,醒發時間短而促進量產。

和一般市售麵包不同,酸種麵包是利用原料或空氣中存在的天然微生物群來發酵麵粉,因此需要很長的醒發時間,通常麵團發酵並形成風味需要長達 24 小時。

酸種麵包的靈魂-微生物聚落

酸麵團是麵團和麵包製備的中間產品,含許多代謝活性微生物。發酵中 1 公克的麵團通常超過 108 個單位(CFU)的菌落形成,通常含有乳酸菌(LAB)和酵母,乳酸菌:酵母比例常為 100:1;依據麵包師傅處理方式和不同地區的風土,而有多種乳酸菌和酵母菌株來源。

但傳統酸麵團製程通常不依賴偶然的菌群,而是依賴母麵團的使用。這些母麵團保存很長一段時間,甚至可能持續數十年,為後續麵團做天然微生物接種。

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母麵團的微生物生態取決於內在和外在因素。內在因素主要由麵團的化學和微生物組成決定,外在因素則是溫度和氧化還原電位決定。諸如麵團產量(水活性)、鹽的添加、繁殖步驟的數量以及發酵時間等,都會對酸種麵包風味產生很大的影響。

微生物為酸種麵包帶來個性,但你有想過這些微生物在顯微鏡下的樣子嗎?俄亥俄州立大學電子顯微鏡與分析中心資深研究副工程師丹尼爾‧維蒂(Daniel Veghte)就透過電子顯微鏡觀察酸種麵團微生物群像。

酸種麵包的電子顯微圖像
酸種麵包的電子顯微圖像。圖/The Conversation/Daniel Veghte, CC BY-SA

影像中呈現綠色顆粒、相對較大球狀結構的是麵粉中的澱粉粒,直徑約 8 微米(µm)。

紅色是作為起發氣劑的酵母菌,隨酵母生長會發酵澱粉粒中的糖,並產生二氧化碳和酒精作為副產品,使麵團發酵,大小通常在 2 至 10 微米。這張圖像中的酸種麵團,可以看到兩種不同酵母類型,一種接近圓形,一種則是細長型。

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科學家在酸種麵團中發現了 20 多種酵母。而在不同的麵團中所發現的酵母數量和類型差異,取決於幾個因素,包括麵團水合程度、所用穀物類型、發酵溫度和酸麵團維持溫度。 例如,義大利酸麵團通常使用杜蘭麥粉製作,95% 以上的酵母屬於 C. humilis,且其優勢地位隨時間拉長而穩定。

圖像中藍色的則是細菌,通常是乳酸菌,酸種麵包獨特的風味便是由此而來。影像中細菌呈藥丸狀,大小約為2微米。

乳酸菌(lactic acid bacteria, LAB)是指能利用碳水化合物進行發酵生產大量乳酸的細菌總稱,酸種麵團中常見的 LAB 為乳酸桿菌,特別是在發酵時間較長或溫度較高的麵糊中。

乳酸桿菌占主導地位有幾個因素。首先,它們對碳水化合物的代謝機制非常適合將麵團、麥芽糖和果糖作為主要能量來源。其次,有些乳酸桿菌(如舊金山乳桿菌,L. sanfransiscensis)對溫度和 pH 值的生長需求與酸麵團發酵過程的條件相符。

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第三則是存在於酸種麵團的乳酸桿菌具有多種壓力反應機制來克服酸、高(低)溫、高滲透壓(脫水)、氧化和飢餓。第四是會產生乳酸、醋酸鹽等有機酸和細菌素等抗菌胜肽,可作為防腐劑、提高生存競爭力,並有助於發酵的穩定持久。

基於這些機制,乳酸菌和酸種麵包的風味、質地、陳化和保存期等息息相關,例如 L. sanfransiscensis 和 L. pontis 菌株被證明可以改善麵包的口感和氣味。

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。