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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。

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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。

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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。

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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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知識大圖解_96
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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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「科學」能有價值觀嗎?堅持「客觀」反而讓民眾失去信任?——《為何信任科學》
貓頭鷹出版社_96
・2024/05/26 ・3357字 ・閱讀時間約 6 分鐘

科學這門事業並非價值中立,個別科學家也不是。沒有任何人可以真正做到價值中立,當科學家這樣講自己,人們會覺得他們虛偽,因為那是不可能的。除非他們是白痴學者或超級天真,不然就是不誠實。然而誠實、開放和透明又被認為是科學研究的核心價值。科學家怎麼可能同時做到誠實,又說他們沒有自己的價值觀?如果科學家要堅守誠信,同時卻讓大眾誤解他們的角色(就算不是故意的),這會讓他們的事業出現根本的矛盾。

可能有人會反駁,科學家並不是說他們沒有自己的價值觀,只是不會允許這些價值觀影響到科學工作。這種論述不可能證明對或錯,但社會科學研究和一般常識都顯示這不太可能。這就把我們帶到下一個問題,不知為何長久以來都沒有人認真討論一件事,但它卻是許多美國人不信任科學的核心因素:要說科學是價值中立的,多少是在說它沒有價值,至少除了創造知識以外沒有其他價值,而這很容易就變成在說科學家沒有價值信念。當然不是這樣,但如果科學家不願意討論他們的價值觀,就會給人一種印象,認為他們的價值觀有問題,所以才需要遮遮掩掩,或認為他們根本就沒有價值信念。你會相信一個沒有價值信念的人嗎?

我在第二章提出了一個問題:忽視科學主張但最終發現它是對的,風險是什麼?相比之下,相信一個錯誤的科學主張,風險又是什麼?回答這個問題必須仰賴價值。我和康威合著的《販賣懷疑的人》提到,氣候科學所引起的爭辯,幾乎都是價值上的爭辯。很多有影響力的人物在一九八○和一九九○年代相信,政府干預市場的政治風險是如此之大,超越了氣候變遷的風險,因此他們懷疑、蔑視,甚至否認後者的科學證據。這些立場由自由主義智庫繼承,得到共和黨支持,演變成共和黨支持者很多都否認氣候變遷,只是有些積極、有些消極;然後再演變成很多質疑「大政府」的人都懷疑氣候變遷,包括商人、長者、福音派基督徒、住在美國鄉下的人。

即使氣候變遷的證據不斷累積,懷疑論者還是堅稱,就算氣候真的有在變遷,情況也不會太嚴重,或者不是「我們造成的」。因為如果事情真的很嚴重而且是我們造成的,那我們就應該採取行動,可能需要政府以某種方式管制。如此一來,否認氣候變遷逐漸變成美式生活的常態,先是否認證據,最終否認事實。這個問題非常嚴重,但是對於氣候變遷否認者秉持的價值,不能一網打盡說是錯的。

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共和黨支持者很多都否認氣候變遷。圖/giphy

我們可以討論大政府和小政府的優缺、市場管制不足或過度管制的風險,但任何這類討論都(至少在某種程度上)是從價值出發。如果要開誠布公討論這個話題,就必須討論我們的價值觀。不同的人面對同樣的風險,可能有不同的想法,不代表他們就是愚笨或腐敗。人為氣候變遷的科學證據很清楚,疫苗不會導致自閉症很清楚,使用牙線有益健康也很清楚。但價值觀導致許多人拒絕接受證據指出的事情。

回到剛才的問題:你會相信一個沒有價值信念的人嗎?答案當然是不會,這種人是反社會人格。你也不會相信那些擁抱你所厭惡的價值的人。但如果你認為,某個人的價值觀起碼部分與你相似,就算不盡相同,你可能就比較願意聽聽他的想法,接受他說法的一部分。因此,無論價值中立是否能讓一個主張在知識論上比較站得住腳,可以確定的是它在現實中沒有用,不能以此確保溝通、建立信任的連結

科學寫作的主流寫法不只試圖隱藏作者的價值觀,也把他們的人性一同抹煞了。價值觀隱藏、情緒不得伸張、避免使用形容詞,甚至連「我」這個字都無形中禁止了,即便論文只有單一作者也一樣。理想的科學論文寫得好像作者沒有價值觀或感覺,甚至好像作者根本不是人,這都是為了表現出客觀。

圖/envato

科學家可能覺得根本沒辦法讓否認氣候變遷和相信地球年紀是 6000 年的人相信他們。或許這是真的。我曾經公開表示對於要如何跟千禧世代交流感到非常絕望,他們之中有些人聽信末世論,認為世界就要毀滅了,幹麻還擔心氣候變遷?但當我陷入絕望,隔天幾位記者就告訴我怎樣才能透過基督教價值和教導打動這些人。他們建議我從價值觀下手,社會科學研究也支持這種想法。

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結論

科學家壓抑自己的價值觀,堅持科學是價值中立的,這是一條歧路。他們認為人們如果相信科學沒有價值觀,就會相信他們,但這是錯的。

墨頓顯然這樣想,但他可能是錯的,或許反過來才是對的。原因如下:

政治與社會觀念保守的基督徒、自由主義者、共和黨人拒絕相信演化論和人為氣候變遷,大部分分析都聚焦在科學家與這些人之間的價值衝突。但我相信,驅動大多數科學家的價值觀,還是和大多數美國人的價值觀有重疊之處,包括多數的保守派和宗教信徒。近來有一些科學家開始公開聲明他們的價值觀,我認為部分原因是,他們深信這些價值觀確實得到廣泛接納,可以作為信任連結的基礎。 我認為他們是對的。

我認識的大部分科學家都想要預防疾病、促進人類健康、透過創新和發現來強化經濟、保護美國與全世界美麗的大自然。前共和黨議員殷格利斯講得很有說服力,他談到他和海洋生物學家一同造訪大堡礁,他們肩並肩站著,欣賞珊瑚礁周邊生物撼人的美麗。殷格利斯了解到一件事:他看到「創造」,科學家看到「生物多樣性」,但他們實際上看到的、在意的、珍惜的,是同一件事。

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我好喜歡這個故事,因為多數人至少都在某方面珍愛自然。不同背景的美國人都曾造訪國家公園和森林,去健行、釣魚、露營、開車、攝影、漫遊、抱怨,雖然從事不同活動,但美景與體驗帶來了共同的喜悅。儘管如此,我們對人類與自然世界的關係,確實有不一樣的想法。有些人想要在冬日的黃石公園騎雪上摩托車,有些人想要安靜休養。幾乎所有美國人都說他們相信自由,然而我們對這個詞的理解卻嚴重分歧,也很難同意該把哪一類自由看得最重要。柏林有句名言:狼的自由可能代表羊的死亡。同意「自由」這個詞意義並不大。

宗教歷史學家普羅特勞指出,猶太人、天主教徒和新教教徒都相信十誡,但是版本差距之大,令人吃驚。例如天主教放棄了不可崇拜偶像,而猶太教與新教徒堅守此道。天主教因此少了一條戒律,只剩九條很奇怪,於是他們把最後一條一分為二,變成第九條是不可貪圖鄰人之妻,第十條是不可貪圖其他東西。儘管如此,美國人中超過 70% 都信奉這三個宗教,他們都還是認同不可殺人、偷竊、通姦或做偽證,也相信我們應該崇拜唯一真神、不可妄稱神的名、守安息日、孝敬父母。伊斯蘭教也同意這些,只是比這三個宗教更加強調慈善:課(zakat),也就是施捨,是五大支柱之一。不過,看看 zakat 這個字和希伯來文中的 tzedakah 多麼相似,tzedakah 代表慈善施予,是猶太生活的道德義務。慈善也是基督教的核心價值,虔誠的摩門教徒會繳納什一奉獻。

在很多政治議題上我們意見相左,但我們的核心價值大部分都重疊。釐清這些我們都同意的部分,並解釋它們和科學研究的關聯,我們就有機會克服盛行的懷疑論與對科學的不信任,尤其是因價值受到衝擊而產生的不信任。

We have been authorized by Princeton University Press to use this conten. 該內容由普林斯頓大學出版社授權使用

——本文摘自《為何信任科學:科學的歷史、哲學、政治與社會學觀點》,2024 年 04 月,貓頭鷹出版,未經同意請勿轉載。

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貓頭鷹出版社_96
65 篇文章 ・ 26 位粉絲
貓頭鷹自 1992 年創立,初期以單卷式主題工具書為出版重心,逐步成為各類知識的展演舞台,尤其著力於科學科技、歷史人文與整理台灣物種等非虛構主題。以下分四項簡介:一、引介國際知名經典作品如西蒙.德.波娃《第二性》(法文譯家邱瑞鑾全文翻譯)、達爾文傳世經典《物種源始》、國際科技趨勢大師KK凱文.凱利《科技想要什麼》《必然》與《釋控》、法國史學大師巴森《從黎明到衰頹》、瑞典漢學家林西莉《漢字的故事》等。二、開發優秀中文創作品如腦科學家謝伯讓《大腦簡史》、羅一鈞《心之谷》、張隆志組織新生代未來史家撰寫《跨越世紀的信號》大系、婦運先驅顧燕翎《女性主義經典選讀》、翁佳音暨曹銘宗合著《吃的台灣史》等。三、也售出版權及翻譯稿至全世界。四、同時長期投入資源整理台灣物種,並以圖鑑形式陸續出版,如《台灣原生植物全圖鑑》計八卷九巨冊、《台灣蛇類圖鑑》、《台灣行道樹圖鑑》等,叫好又叫座。冀望讀者在愉悅中閱讀並感受知識的美好是貓頭鷹永續經營的宗旨。

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連結世界的革命性發明:山謬.摩斯(Samuel Morse)與電報
數感實驗室_96
・2024/05/26 ・648字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

每個人都有自己的特長,有些人擅長理工科,有些人則有著藝術天份。但擅長一件事並不僅僅取決於天賦,還可能與個性、興趣或生活經歷有關。今天我們要介紹的主角就是一個很好的例子。他不僅是電報的發明家,消除了空間的隔閡,讓遠方的人們能瞬間被拉近,從這個角度來看,他是一位科學家、工程師。但其實他還有另一個身分,是一位偉大的畫家。沒錯,他就是山謬.摩斯(Samuel Morse)。

摩斯發明了電報,徹底改變了通信的速度,將全世界緊緊地拉在一起。不只如此,就像現在流行短影音,大家就會想辦法把內容擠在很短的時間內說出來。電報發明後,為了要讓訊息能有效被傳遞出去,人們的溝通方式也因此轉變。史學家 Garry Will 就認為電報因為不能傳太多字,這種強制性的簡潔,影響了林肯的演說風格,他著名的《蓋茲堡演說》簡潔有力,就是一個最好的例子。

一個偉大的發明,連副作用都這麼強大,改變了人們的溝通習慣。摩斯的成就不僅是在科技領域,更是在影響人們的文化和溝通方式上留下了深遠的影響。

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數感實驗室_96
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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/