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知識大圖解:食物背後的科學

知識大圖解_96
・2014/11/17 ・2048字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 528 ・七年級
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我們在廚房烘培時,可以觀察到一些相當有趣的化學現象。只要微妙地改變四種基本材料──麵粉、油脂、糖和蛋──料理時的化學特性,就能變出蓬鬆的蛋糕、有嚼勁的餅乾或千層派。

膨鬆劑會產生氣泡,加熱時氣泡中的空氣會膨脹,讓蛋糕、麵包和舒芙蕾變得蓬鬆。這些氣泡可以藉由兩種物質產生,一是化學膨鬆劑(如發粉),二是蘇打粉。此兩種物質與水作用會形成二氧化碳氣體。這種反應速度很快,因此膨鬆劑的用量必須小心調整。放太多的話,氣泡會變得太大而脹破;太少的話,蛋糕混合材料的密度又會讓氣泡完全無法形成。

麵包酵母(又稱啤酒酵母菌)常用於製造慢發、增添風味的糕餅。酵母是一種真菌類的單細胞生物。首先,酵母菌會利用氧氣進行有氧呼吸,製造出二氧化碳氣泡。當氧氣耗盡,酵母菌便像釀啤酒的過程般,開始發酵並製造出酒精,不過在麵團裡形成的酒精都會在烤箱中蒸發。

製造氣泡很簡單,但要讓氣泡保持完整,就得在化學上多花心思了。做麵包最常用的材料是麵粉,麵粉內含澱粉顆粒,顆粒周遭則包圍著兩種重要的蛋白質:麥榖蛋白和榖膠蛋白。麥榖蛋白與水混合、揉捏後,會與榖膠蛋白交叉並連結成網絡,製造出有彈性的新蛋白質──「麩質」。麩質是一種「超級蛋白質」(或稱蛋白質複合物),特性很像橡皮筋,會形成有彈性的橋接物,能將澱粉分子相連。想做出蓬鬆的麵包,關鍵就在於製造出很多小型的彈性氣泡;麵團揉得越久、伸展得越多,麩質網絡就會越強韌。在麵粉中加蛋時,蛋扮演的角色類似麩質,也會提供蛋白質連結,幫助氣泡形成,並且讓蛋糕成形。

酥餅類糕點與麵包不同,需要酥脆的口感,所以麵包師傅會試著減少麩質的量,因為麩質會導致膠黏性。作法是先將奶油揉進麵粉裡,讓澱粉分子包覆一層油脂,避免麥榖蛋白和榖膠蛋白接觸到水分而產生作用。

烘焙食品的質地也可用糖改變。將糖與奶油一起攪拌,糖晶體銳利的邊緣就會讓小氣泡有機會形成,混合物於是呈現淡奶黃色。這些氣泡膨脹的作用就跟用膨鬆劑產生的氣泡一樣,可以使蛋糕口感鬆軟。融化的油脂則常用於製作質感較細緻的餅乾,因為油脂可減少氣泡在糖晶體旁形成的機會。

糖也會吸收空氣中的濕氣,大大影響糕餅的含水量。黑糖比白糖更容易吸水;細糖又比粗糖容易吸水。在食譜中嘗試不同種類的糖,成品的含水量與質地也會因此改變。

然而化學反應不只影響烘焙,也會決定肉類的味道。肉類約有70%的成份是水,其他組成大多為蛋白質和脂肪。不同部位的肉含有不同程度的膠原──一種表皮、肌腱和結締組織中的纖維蛋白。膠原含量越高,肉質就越韌。

較昂貴的部位以及幼年動物的肉含有的膠原比較少,短時間內可煮熟。肌肉的肌凝蛋白在低溫(如50℃)時會變性(分解),開始交叉連結,並支撐肉類的結構,此時,蛋白質之間的水分子會開始減少,但肉仍柔軟多汁。到了60℃,肌肉裡的紅色素肌紅蛋白會變性,形成半血色質,讓熟紅肉顯現灰褐色。

若繼續加熱,膠原會皺縮,逼出水分,把原本多汁柔軟的肉變得乾澀嚼口。若持續升溫,例如至70℃,肉會變得更韌,且膠原會溶解成動物膠。肉的纖維雖然比較易碎,動物膠卻可充當潤滑劑,讓慢燉的肉質變軟,製造出「入口即化」的口感。

HIW201411_p48-49
(點擊看大圖)

但加熱不是分解膠原的唯一方法,還有其他物理或化學方法可以軟化肉質。滷汁內常見的化學物質會干擾膠原纖維之間的連結,這些化學物質包括檸檬汁等酸性物質,或萃取自鳳梨的鳳梨酶等酵素。

廚房化學還有另一個很好的例子,就是「乳化」的過程。油和水不相容,但若要製造美乃滋和白醬,我們必須想辦法讓兩者可以融合。當油和水混合,油會浮在水上,而油水界面的表面張力很高。我們可以用機械力打破此張力,也就是搖動容器,讓油分解成越來越小的泡泡,散布在水中。然而這種乳化的成品(例如沙拉醬)只是暫時的,油和水不久又會分離。

美乃滋含有水樣蛋黃和脂狀奶油,兩者必須混合成均勻、白色的糊狀物,保持永久乳化。蛋黃裡有一種乳化劑稱為卵磷脂,可溶於脂肪和水。卵磷脂可在蛋黃和奶油之間形成橋接,讓美乃滋保持穩定的乳化狀態。白醬裡的麵粉也有類似功能,其細緻的粉末有助於結合奶油與液體。

食物的味道取決於揮發性成份的組合飄到空氣中與鼻腔感覺神經元的互動。每種食物可能含有數百種這類分子,但研究味道組合的科學家注意到,其中只要有一種分子相配,味道就可能很搭。他們利用這種方法設想許多全新、令人意外的食物組合(請見「奇怪的味道組合」)。

分子料理將烹調的科學提升到更高的境界。一群廚師和科學家純粹從物理與化學的角度看待食材,基於科學原理,一起尋找新的味道組合和烹調技巧。我們可以利用液態氮、注射器、離心機和超音波儀重新發明烹調方式。這個科學領域的始祖尼可拉斯.克提(Nicholas Kurti)說:「想到我們的文明就傷感,因為我們有能力(也已經)去測量金星上大氣的溫度,卻對舒芙蕾裡的狀況一無所知。」

HIW201411_p50-51
(點擊看大圖)

 

 

本文選自《HOW IT WORKS知識大圖解 中文版》第02期(2014年11月號)

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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國家好現代,人民瘋狂愛──國家發展與愛情的關係
胡中行_96
・2023/02/06 ・2044字 ・閱讀時間約 4 分鐘

影集《年輕教宗》(The Young Pope)裡,裘德洛飾演的庇護十三世曾經開示:「愛無法用人數統計,只能以強度衡量。」[1][註]2023年元月的《科學報告》(Scientific Reports)期刊上,來自全球45個國家的學者,向世人宣告:他們不僅量化了愛情強度,還比較出各地差異。[2]

參與的國家及城市

該論文的第一兼通訊作者 Piotr Sorokowski 博士,任職於波蘭的弗羅茨瓦夫大學(Uniwersytet Wrocławski);而團隊的研究人員橫跨各洲,從所在地的幾個大城市,招募總共 11,422 名交往中、訂婚或已婚成人,匯集統整其中 9,474 人的資料。【圖 1】橙色圓點標出受測者居住的城市,藍色的區域則為涵蓋的國家,臺灣不在其中。[2]

參與研究的國家(藍色)與城市(橙色)。圖1/參考資料2,Figure 3(CC BY 4.0)

量化愛情

參與研究的美國心理學教授Robert J. Sternberg,曾指出愛情是由親密(intimacy)、激情(passion)和承諾(decision/commitment)所組成,即「愛情三元論」(Triangular Theory of Love)。[2, 3]相關的量表羅列了對應的陳述,例如:表示親密的「我與__分享我個人極為私密的資訊」;透露激情的「看到__令我興奮」;以及展現承諾的「我對和__關係的穩定性有自信」。受測者得從「0 完全沒有」至「9 非常強烈」中,選擇評分。除了該理論符合此研究的目的,因此問卷獲得採用,分析時也加入其他項目:[2]

  1. 環境溫度:與親近程度、人際距離、肢體接觸,以及情感表達有關。→參考各國年均溫。[2]
  2. 關係長度:關係的持久與否,會影響愛情的強度。→調查受測者和伴侶在一起多久,並計算出各國的平均值。[2]
  3. 性別:不同性別的人,對愛情的感受相異。→招募受測者時,性別比例必須均衡。[2](原文沒有說明性少數等變因,推測是以順性別異性戀為主。)

同時,為認識現代化與社會類型之於愛情的關係,每個國家的人類發展指數(Human Development Index)、性別不平等指數(Gender Inequality Index)、集體主義(collectivism)的程度,以及綜合世界銀行之世界發展指標(World Development Indicators)與聯合國統計年鑑(Statistical Yearbook)的世界現代化指數(World Modernization Index)等,都納入考量。[2]

現代化及愛情

研究結果顯示,國家現代化會促進愛情,而且相較於激情,此效果在親密層面更是突出(見【圖 2】);但是現代化超過一定程度時,竟然會造成反效果。[2]比方說,聯合國認為人類發展指數大於 0.8,算是很高度的發展。[4]在此研究中,達到 0.85 以上時,該國的愛情平均值反而從高峰下降(見【圖 3】)。這種自己過得太好,於是不需要伴侶的情形,在動物實驗中也曾得到證實:當必要資源長時間無限制地供應,小鼠就會不想交配和繁殖。[2]

顏色愈深,愛意愈濃。臺灣沒有參加研究。圖2/參考資料2,Figure 1(CC BY 4.0)
縱軸為預測的愛情分數;橫軸則是人類發展指數。藍線-愛情三元論量表;黃線-親密;橙線-激情;灰線-承諾。圖3/參考資料2,Figure 2(CC BY 4.0)

集體主義和愛情

研究得到的另一個重點,是親密與承諾的程度,和一個國家的集體主義傾向,呈現正相關。媒妁婚姻容易出現在集體主義的社會;相對地,個人主義則鼓勵自由戀愛。雖然前者聽起來較難產生愛意,但因為集體社會推崇利他(altruistic)的無私奉獻,而強化了與伴侶的連結。不過,在斟酌受訪者年紀對結果的影響後,這個現象便沒有那麼明顯。[2]

年均溫、關係長度與愛情

各地激情的差異,無法由國家發展或社會類型看出趨勢。在這方面,年均溫倒是扮演了舉足輕重的角色:高年均溫能催出炙熱的激情,卻也使得親密與承諾的程度相對低落。論文的作者群表示,需要未來的研究深入瞭解,氣候如何干預人類的行為和感受。另外,長久在一起的伴侶,激情與親密的程度較低;但承諾則更為堅定。[2]

不代表國家的愛情

閱讀這份難得的大型愛情研究時,大概多少會引起各國人的比較心態。可是採樣的範圍,其實僅限於大城市,並不能代表國家整體。[2]舉例來說,中華人民共和國的數據,源自北京和香港的受測者。這些人填寫愛情量表的答案,基於文化背景迥異,應該會與內蒙、新疆或苗寨人民的想法,有天壤之別。此外,千萬別忘了,感情談到最後,面對其中酸甜苦辣的,還是只有自己和伴侶。互動時的火花或摩擦,主要仍依個體特質而定。就算身處於任何一個參與此研究的城市,也不保證能體驗相同的愛情。

  

備註

《年輕教宗》原臺詞,含前後文:「The public squares have been jam-packed, but the hearts have been emptied of God. You can’t measure love with numbers, you can only measure it in terms of intensity. In terms of blind loyalty to the imperative.」。[1]

參考資料

  1. The Young Pope – Episode 1.5, Quotes. (2016) IMDB.
  2. Sorokowski P, Kowal M, Sternberg RJ, et al. (2023) ‘Modernization, collectivism, and gender equality predict love experiences in 45 countries’. Scientific Reports, 13, 773.
  3. Sternberg RJ. (1997) ‘Construct validation of a triangular love scale’. European Journal of Social Psychology, 27 (3): 313-335.
  4. Sustainable Development’. Global Footprint Network. (Accessed on 19 JAN 2023)
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胡中行_96
84 篇文章 ・ 30 位粉絲
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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別再誤會鳥類沒有嗅覺了!被錯誤實驗誤導的那些「鳥」事——《你聞到了嗎?》
臉譜出版_96
・2023/02/06 ・1485字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

鳥類生存仰賴的感官

就在不久以前,如果有一本書裡專闢一個章節談鳥類嗅覺,根本不會有人想看,甚至還會淪為科學界的笑柄。大家都相信鳥類是天生嗅覺缺失的動物——也就是沒有嗅覺;大家普遍認為,鳥類生存仰賴的是視覺與聽覺能力。

各位如果有一大清早被鳥叫聲吵醒的經驗,應該都不會質疑鳥鳴聲對於鳥類生存及繁衍的重要性;最能提醒我們春日到來的,也大概就是那無處不在的鳥聲啁啾了。

而任何人只要目睹過(甚至是只在 YouTube 上看過)遊隼(Peregrine falcon)運用牠銳利的鷹眼精準定位,從高處高速俯衝捕捉獵物,應該都不會質疑視覺精準度對於鳥類的重要性。

大家普遍認為,鳥類生存仰賴的是視覺與聽覺能力。圖/elements

鳥類身上色彩斑斕的明亮鳥羽,顯然就是鳥類擁有絕佳視覺的證明;複雜的鳥叫聲及特別的舞蹈,正是鳥類結合視覺與聽覺來保衛地盤、追求配偶的證據。

許多人都不相信嗅覺是鳥類提升存活機率的關鍵,但如果鳥類真的沒有嗅覺,似乎又不太符合牠們擁有豐富感官系統的特性。大家為什麼會認為鳥類沒有嗅覺呢?

人類試圖用「錯誤」實驗證明鳥類沒有嗅覺!

這種對鳥類的誤解來自一八五一年逝世的藝術家兼知名鳥類學家約翰.詹姆斯.奧杜邦(John James Audubon),他聲稱有確切證據可以證明,美洲最常見的禿鷹——紅頭美洲鷲(Turkey vultures,學名:Cathartes aura,美國俚語中的Buzzard)完全沒有嗅覺。

飛行中的 turkey vulture (加拿大)。圖/wikipedia

他在這些禿鷹最喜愛的進食地點藏匿豬屍,藉此實驗禿鷹是否有嗅覺。經觀察後發現,如果屍體被濃密的樹叢擋住,禿鷹就無法發現豬屍的存在,忽略藏在樹叢間的美味佳餚;而如果屍體直接擺在沒有視覺遮蔽物的地方,牠們就能順利瞄準食物俯衝而下。奧杜邦根據這些觀察結果認定禿鷹是單靠視覺覓食的動物,這似乎是合理的判斷,不然呢?

大家原本都認定禿鷹這種食腐動物是循著動物死屍的腐臭味覓食,因此奧杜邦發表的研究結果在當時引起許多爭議。許多科學家質疑奧杜邦的研究結果,並開始自己做實驗。

其中有個很有創意的實驗方法:研究人員在帆布畫上羊屍,並且用亮紅色塗抹當作血汙,讓禿鷹能夠直接看見這片帆布。滑稽的是,禿鷹竟然真的深深著迷於帆布上畫出來的羊屍,不斷啄食直到氣力用盡。即便周遭還藏了真正的動物內臟,禿鷹依然直接衝向帆布,似乎完全只受視覺引導。

研究人員在帆布畫上羊屍,禿鷹直接衝向帆布,似乎完全只受視覺引導。圖/elements

這些實驗由美國查爾斯頓的路德教派(Lutheran)教士兼自然主義者約翰.巴赫曼(John Bachman)主導進行,研究結果似乎支持了奧杜邦的說法。有了這兩項證據,科學家們也就相信了鳥類的確沒有嗅覺、單靠視覺來覓食的結論,導致後來關於鳥類嗅覺的研究少得可憐。直到一個世紀後,才有其他鳥類學家認真質疑奧杜邦的說法,再次展開對鳥類嗅覺的研究。

——本文摘自《你聞到了嗎?:從人類、動植物到機器,看嗅覺與氣味如何影響生物的愛恨、生死與演化》,2023 年 1 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

臉譜出版_96
71 篇文章 ・ 245 位粉絲
臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。