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誰能複製完美琴音?

科學月刊_96
・2011/09/16 ・3654字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

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文 / 葉偉文

為什麼史特拉底瓦里的小提琴動輒上百萬美元?因為它發出的琴音舉世無敵。

為什麼它的琴音這麼完美?這就是個長達200年的解謎過程了。

古人說「工欲善其事,必先利其器」,許多技藝的表現,都深受所用工具的影響。以小提琴家的演奏為例,表演的效果絕對和表演者所用的小提琴有關。但什麼才是最好的小提琴?一提到這個問題,不同的製造人依據不同的理論,往往吵得殺聲震天。我們的社會經常出現頗具爭議性的問題,如殺蟲劑、化學肥料、基因改造食物或人工甘味素,贊成與反對雙方經常提高分貝吵得面紅耳赤。但和小提琴的優劣爭執相比,前面那些爭論只像是小孩子在遊戲間鬥嘴而已,小提琴的優劣可是引發物理、化學與傳統這三個領域,長久之間互相的情緒性爭執。

在這些不同的陣營裡,至少存在有一個共識——製琴師要奪取聖杯,就必須製出能與十八世紀義大利克里蒙納(Cremona)地區的巧匠所製出來的名琴相匹的小提琴。其中最為著名的如史特拉底瓦里(Antonio Stradivari)和瓜奈里(Giuseppe Guarneri del Gesù)等大師製作的小提琴,這些名琴目前只有上百具存世,多數身價都高達數百萬美元。據小提琴家描述,演奏史特拉底瓦里琴是一種神聖的經驗,遠非演奏現代的小提琴所能比擬。

安東尼奧‧史特拉底瓦里史特拉底瓦里的小提琴,音色絕妙,至今無人能及。傳說他在製作小提琴的時候,有天使降臨助他一臂之力;有人說,他製琴的材料,取自教堂的橫樑,也有人說他的木材浸過特殊的溶液,但這些都是沒憑據的說法。史特拉底瓦里小提琴的奧祕大家都苦思不解,幾百年來,很多人都想破解其奧祕,誰將可能成功呢?

塗漆是關鍵的「化學派」

在許多學說見解中,大約可以歸納出兩方面的原因。第一派的見解認為答案在油漆上。1902 年,英國希爾(Hill)兄弟出版了一本書——《史特拉底瓦里的一生與工作》(Antonio Stradivari: His Life and Work)。書中指出,名琴的祕密是在琴身塗漆的特殊配方,因為史特拉底瓦里琴身結構與木材來源,經過分析測量之後,並沒有什麼特殊之處,後人都可以仿造。剩下的部分只有漆料,可惜史特拉底瓦里漆料的配方並未留下資料,留給後人許多探討的空間。

但後來的研究顯示,塗漆對小提琴的振動並沒有什麼助益。1968年,物理學家史歇林(John C. Schelleng)指出,上漆對小提琴面板的振動,反而有不利的影響。他認為上漆只有保護及美觀的效果,關鍵是越少越好。

然而有些史特拉底瓦里琴,表漆雖已大量脫落但音色依然脫俗,因此便有人認為表漆好像沒什麼影響,表漆下的底漆可能才是關鍵。底漆會滲入木材,有可能影響到木材的成分。史特拉底瓦里琴的權威專家薩科尼(Simone Fernando Sacconi)在《史特拉底瓦里的祕密》(The “Secrets” of Stradivari)書中表示,分析史特拉底瓦里琴面板材質之後,化學家發現面板塗有一層含矽及鈣的底漆,這些元素會滲透進琴板裡,填塞了木材組織間的空隙,具有硬化作用。木材的硬化可促進琴板的振盪,增加振盪靈敏度和音響的反應,使得史特拉底瓦里的琴板又薄又堅固,並兼具防水功能,即使外層的面漆脫落,亦無損於琴音的音質。

薩科尼進一步的探討,古義大利有在漆裡添加葡萄藤灰的作法。而灰裡含有矽及鈣,可能就是漆內含此元素的原因。薩科尼是提琴維修專家,幾乎見過所有存世的史特拉底瓦里琴,還修護過其中大部分的琴,因此他的研究應該是具有相當的可靠性。

美國德州農工大學退休教授納吉瓦里(Joseph Nagyvary)也認為史特拉底瓦里名琴的奧祕應該是在於使用的木材與塗料的化學特性,而非另一批專家所認為的音箱物理特性。當然他也承認小提琴的音箱構造有其重要性,但絕非美妙琴音的關鍵因素,因為就算可以準確地依照原古老名琴的尺寸與重量,複製出幾乎完全一樣的新琴來,但卻無法複製原琴的美妙琴音。

位於義大利北方的克里蒙納,在十七至十八世紀是製造小提琴的重鎮。

納吉瓦里從史特拉底瓦里名琴上,取了一些碎片去做電子顯微鏡攝影和X 射線光譜分析,發現在木材裡有些真菌類的痕跡,而且似乎這些材料曾經浸泡在海水裡一段很長的時間。推測可能在史特拉底瓦里時代,原木都是利用河道順流而下抵達亞德里亞海,木材在泡水的過程當中,吸收了水裡的微量礦物質,改變了特性。納吉瓦里也在木材裡發現了硼和鋁,因此他假設可能是當年使用硼砂與明礬來為木材作防腐處理的結果。此外,他還發現史特拉底瓦里使用了某種植物成分來作表面塗料,可能是瓜爾膠再摻了玻璃與其他礦物質的粉末。因此,根據納吉瓦里的說法,史特拉底瓦里名琴的美妙聲音,關鍵在於為木材作防腐處理與上漆的無名化學家。

納吉瓦里教授花了30 年,實驗了各種不同的配方,終於得到滿意的成果,聲稱可以將美妙的琴音再現。他製作了一些高價的小提琴,價位在1 萬5000 美元左右。但是納吉瓦里受到很多小提琴製造商及代理商的攻擊,這些人一方面認為受到威脅,另一方面是生氣居然有人認為偉大的琴藝家史特拉底瓦里不了解自己做的琴為什麼會那麼好。

結構最重要的「物理派」

另一派則從小提琴的發聲原理入手。小提琴的聲音是這樣產生的:琴弓摩擦琴弦,使琴弦產生振動,這股振動會透過琴橋與音柱,使小提琴的腹板與背板一起震動而發出聲音。

哈金斯(Carleen Maley Hutchins)本來是一位中學的科學教師,退休後她決定獻身於製造小提琴這門古老的工藝技術。其實她最想要的還是發掘這門工藝背後隱藏的科學原理,她和哈佛大學的物理學家桑德斯(Frederick Saunders)合作了近20年,研究小提琴音箱產生的振動。

哈金斯把聖誕節裝飾用的亮粉,灑在預備做小提琴音箱的表板和背板上,然後用電子發生器來使木板產生振動,研究亮粉的振動模式。她的結論是,悅耳琴音的關鍵在於音箱木板的質量與厚度,以及音箱內部「低音樑」與「音柱」的位置。不僅如此,根據哈金斯的研究,小提琴拉的次數越多,發出來的聲音越好聽。她認為經過數十年的振動後,音箱木頭的結構會改變,改善共振品質,因此她嘗試把做好的小提琴先放在音樂室裡,暴露在古典音樂的樂音裡約1500 小時後才銷售。她認為這些小提琴使用百年左右,音色應該會接近史特拉底瓦里名琴。哈金斯做的小提琴價位與納吉瓦里琴在伯仲之間,但她也常受傳統派人士的冷嘲熱諷,認為科學家不應把手伸進傳統的藝術領域裡。

說到木材的材質,還有一段插曲。美國哥倫比亞大學的古生物學家柏克爾(Lioyd Burckle),和田納西大學的樹木年輪學家桂西諾梅耶(Henri Grissino Mayer),2003年在《樹齡學期刊》(Dendrochronologia)上發表論文。他們發現史特拉底瓦里生於歐洲「小冰河期」的前一年,因此認為小冰河期與史特拉底瓦里的琴音可能大有關係。

歐洲這段小冰河期是從1645 年到1715年,在這70 年間,太陽上幾乎沒有出現黑子。由於太陽的活動力減弱,使得歐陸出現明顯的低溫,微弱的日照減緩了暖空氣從大西洋上空飄移至西歐的速度,導致往後數十年的潮溼氣候,也使阿爾卑斯山上的樹木生長緩慢;再加上當地土壤的特質、溼度與坡地等環境,致使樹木長出更強韌、更堅固的材質。高密度木材的細胞壁較厚,共鳴能力比細胞壁薄的木材好很多,音質也較佳。而這段小冰河期,正是義大利克里蒙納地區製琴技術的黃金時期,此時的大師如史特拉底瓦里、瓜奈里、瓜達尼尼等人,從阿爾卑斯山區精選雲杉來製作小提琴的面板,所製作的小提琴音色優美,迄今無人能及,可能就是小冰河期的功勞。

另類塑膠小提琴

最後還有一項令傳統小提琴眾聽了幾乎要發狂,離經叛道的小提琴製作法。馬加法利(Mario Maccaferri)本來是個傳統的樂器製造商,製造吉他和小提琴。1939 年馬加法利到紐約去看世界博覽會,被會中出現的新穎塑膠材質迷住了,因此在第二次世界大戰之後,便設法弄來一套聚苯乙烯的射出成型設備。他先靠製作塑膠衣夾賺了些錢,接著製作夏威夷的四弦琴「尤克蕾里」,正式進入塑膠樂器行業。這種塑膠製的四弦琴後來經由藝人戈弗雷(Arthur Godfrey)在電視節目裡介紹,開始聲名大噪,賣出好幾百萬把。

接下來,馬加法利就開始製作塑膠吉他和塑膠小提琴。由於這種合成材料的小提琴,音質比不上傳統小提琴,因此一流的演奏家很少使用。但這種全新材料已經進入小提琴的製造領域了,目前最新使用的為碳纖維材質。有些專家預言,由於合成材料能精密鑄造,最後一定能做出非常傑出的樂器。

截至目前為止,在這場小提琴的製造競賽中,似乎是由化學派的納吉瓦里暫時取得領先。德州農工大學辦過一場琴藝評選,邀請一位世界級的小提琴演奏家,分別用納吉瓦里琴和史特拉底瓦里琴演奏,並把聽眾及演奏家用簾子隔開,而受邀的專家和聽眾,都覺得納吉瓦里琴的樂音略勝一籌。所以看起來化學分析琴漆可能的確是名琴優美音色的關鍵,但兩、三百年後,是否會有更多其他的學說,就不得而知了。

葉偉文:任職台灣電力公司

[科學月刊 第四十一卷第八期]

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科學月刊_96
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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【2022 年搞笑諾貝爾工程學獎】旋鈕大小與手指數之間的完美關係:轉動音量鈕需要用到幾根手指?
linjunJR_96
・2022/09/29 ・1644字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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旋鈕多大才好轉?誰知道啊!

有些問題是生活中不斷遇到,卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度,還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時,指尖所操控的旋鈕該做多大,才是最好轉的呢?

「誰知道啊!」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道,但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點,甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎!

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦,表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎,頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授,以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量,松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時,如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

圖/Pexels

當我們看見一顆旋鈕,我們會透過目測其大小,來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕,我們會選擇只用拇指和食指來操作,更多的手指只會徒增不便;但如果是快十公分的大旋鈕,就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好,而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

此外,通常看到旋鈕就直接給它轉下去了,不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說,這個決策過程從小多次練習後,已經完全變成下意識的過程,只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇,只有做實驗才知道

在實驗室中,松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕,並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕,並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分,總共 45 種。結果顯示,當旋鈕越大,動用的手指數量越多(一如預期)。只要旋鈕直徑超過五公分,大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果,松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線,所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線,以利進行比較。上方的四條曲線,由左到右分別是食指到小指的位置,虛線則是統計標準差(當然,實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點,這裡簡單地用二次曲線進行擬合,比較好看)。

圖/參考資料 3

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下,人們手指位置如何變化。有趣的是,隨著旋鈕變大,四根手指的位置並非簡單地輻射向外,而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

不是為了搞笑,每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表,時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎,但是包括松崎教授在內的所有獲獎者,可是從來沒有要搞笑,而是以非常專業的態度在做他們的工作,這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後,松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把,可說是精通抓握之道的男人。

雖然得到搞笑諾貝爾獎,但研究內容都是超認真。 圖/GIPHY

松崎教授表示,他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係,並藉此創造最舒適的使用體驗,打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

參考資料

  1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
  2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
  3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.
linjunJR_96
31 篇文章 ・ 539 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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燕麥奶為什麼這麼好喝?如牛奶般微甜、絲滑的口感是怎麼來的?——解析燕麥奶的加工原理
Evelyn 食品技師_96
・2022/09/25 ・3649字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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你喝過燕麥奶了嗎?相信很多人第一時間都會想到 Oatly,它原先流行於歐美咖啡界,後來因全球興起植物性飲食,加上具有健康、永續等訴求,使得燕麥奶的風潮也迅速吹進臺灣來。

燕麥奶背後代表的健康與永續等訴求,讓風潮在這幾年間快速傳開。 圖/GIPHY

現在知名連鎖咖啡店星巴克與 Cama 的燕麥奶拿鐵皆使用 Oatly 製作;路易莎與 85 度 c 則採用愛之味研發的咖啡師燕麥奶;後來連鎖超商的現煮咖啡也紛紛跟進,如今「燕麥奶拿鐵」已成為咖啡廳菜單上必喝的飲品之一。

但是你有沒有想過,充滿膳食纖維的燕麥,做成飲料感覺應該是口感稠厚,並且有顆粒和渣渣感,然而這個新型態的植物飲品燕麥奶,喝起來卻有如牛奶一般,具有微甜、絲滑的口感,到底是如何辦到的呢?

燕麥有多營養?內含 β-葡聚醣幫助保健

那麼就先從「燕麥」這個原料開始談起。

燕麥(Avena sativa L.),因其果實外穎先端芒尖分叉如燕尾狀而得名,為溫帶地區一年生的作物[1]

燕麥果實外穎先端芒尖分叉如燕尾狀。圖 / 參考資料 1

燕麥穀粒結構一般可簡單分成胚芽(germ)、胚乳(endosperm)及麩皮(bran)三個部分,胚乳主要成分是碳水化合物與蛋白質,也是製造成燕麥奶最主要的來源;纖維主要存在於麩皮;而礦物質及維生素多存在於胚芽及麩皮中[2]

燕麥營養價值高,為蛋白質和膳食纖維的良好來源,其蛋白質含量約為 15-20%,燕麥球蛋白(avenalin)是最主要的蛋白質(約佔 70-80%),在穀類中被視為優良蛋白質的來源之一[3]

而 β-葡聚醣( β-glucan)是燕麥最具保健功效的水溶性膳食纖維,在遇水後會膨脹,形成人體無法吸收的膠狀體。故可延緩食物消化吸收的速度,延長飽足感,也具有降低血液中的低密度脂蛋白膽固醇(low density lipoprotein-cholesterol ; LDL-C)與血糖含量等益處[4]

燕麥穀粒結構。 圖 / 參考資料 3

改善燕麥糊化後變稠的關鍵——酵素水解

燕麥的主要由澱粉組成,具有高溶脹(high-swelling)的特性,在加熱過程中會快速吸水膨潤,於攝氏 44.7-73.7 度間(糊化溫度)糊化產生高黏稠性米白色漿體,甚至可達到如凝膠狀態的稠度[2]

這樣不但限制燕麥的添加比例,也增加製造過程中的操作與清洗難度。為了讓它保持流動性,有一道「酵素水解」的程序(酵素又稱為酶),可將澱粉分解成小分子以提升流動性,在加工過程中就能夠順利流動[2]

延伸閱讀:烘焙系動畫利用米做麵包——淺談米的科學與應用

而燕麥因澱粉含量高,需使用澱粉酶(amylase)進行水解,一般廣泛應用於澱粉水解的酵素有兩種,為 α-澱粉酶與 β-澱粉酶。

α-澱粉酶(α-amylase)是一種內切型葡萄糖苷酶,可任意切斷 α-1,4 糖苷鍵(glycosidic bond),生成大小不一的分子,包括直鏈和支鏈寡糖、麥芽糖、葡萄糖及糊精等產物,因反應完後產物黏度會急劇下降,故又稱「澱粉液化酶」。

β-澱粉酶(β-amylase為外切型葡萄糖苷酶,從澱粉的非還原端逐次以一分子麥芽糖為單位,切斷 α-1,4 糖苷鍵,產物為麥芽糖、少量糊精或葡萄糖,因此又稱「澱粉糖化酶」[5]

另外有研究指出,燕麥在水解過程中若單一使用 α-澱粉酶或 β-澱粉酶,無法使燕麥水解液兼具黏度降低與產生麥芽糖的優點,兩者混合使用的效果最佳[2]

微甜又絲滑的燕麥奶是怎麼來的?

既然澱粉酶是製造燕麥奶的關鍵,那到底是如何加工的?

首先,將燕麥加水浸泡軟化,研磨成燕麥漿,接著升溫至澱粉酶適合的作用溫度,加入澱粉酶進行水解。燕麥漿會從濃稠狀逐漸轉變為流動狀,並產生許多麥芽糖或少量葡萄糖等,甜度也會因此而提高。

水解結束後,將燕麥漿加熱至攝氏 90 度以上使澱粉酶失去活性(即蛋白質變性),然後進行過濾,去除無法水解的纖維和殘渣,獲得澄清的米白色液體,為燕麥水解液[2]

再將燕麥水解液與水、植物油、食鹽、磷酸鹽類或是其他營養成分混合,例如:可添加碳酸鈣,彌補燕麥奶缺乏鈣質的缺點;添加膠體以提升飲品穩定性;或是添加香料來增添風味。

將上述原料混合後進行均質(homogenization)[注 1],形成質地穩定的飲品,這樣就完成微甜(來自麥芽糖或葡萄糖等)又絲滑(來自植物油)的燕麥奶,即可進行殺菌、包裝來販售囉!

如此一來,我們熟悉的好喝燕麥奶就完成了。 圖/envato.elements

β-葡聚醣不見後,燕麥奶又為什麼能打成奶泡?

然而這樣的加工方式有個遺憾的缺點,那就是在後段進行過濾去除殘渣時,容易造成 β-葡聚醣損失。

因 β-葡聚醣大部分存在於大粒徑的殘渣中(麩皮),這些殘渣多為不溶性膳食纖維,故不會被澱粉酶水解[2],所以若想要補充 β-葡聚醣,建議直接沖泡燕麥片來食用會較容易達到保健的效果。

此外,燕麥奶之所以能打成綿密的奶泡,是因為燕麥含有的「蛋白質」具有起泡性。

燕麥奶打入空氣後,蛋白質展開,吸附到氣體與液體之界面處包住氣泡,蛋白質的疏水端隨之移動到氣泡內,親水端則移到氣泡外,與液體相互作用形成液體膜層,氣泡就被這個膜保留住,形成綿密的奶泡。

而起泡性會受到 pH 值、離子強度和糖質種類的影響,一般而言,添加鹼性材料可增加泡沫體積;添加糖質可增加泡沫安定性[5]

故一般市售燕麥奶均會添加磷酸鹽類(鹼性材料);糖質來自燕麥水解液本身的產物,即麥芽糖或葡萄糖等,就不需再額外添加。

燕麥奶本身含有的蛋白質,與添加磷酸鹽類,都可以幫助燕麥奶打出綿密的奶泡。(本圖僅供示範,請勿浪費食物!) 圖/GIPHY

為什麼燕麥奶的成份表沒有標出「酵素」?

不過,仔細看市面上燕麥奶的成份標示,似乎都沒有標出「酵素」或「澱粉酶」等字樣,依《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》,酵素屬於食品添加物[注 2],不是應該要標示出來嗎?

因為法規特別規定,食品添加物若在食品加工製造使用,在終產品完成前,經過中和、去除或以其他方法使其失去活性,對終產品無功能者,得免予標示[注 3]

上述分享了這麼多燕麥奶的小知識,是因為隨著友善環境與健康意識的抬頭,植物基產品已成為現代人的食尚新選擇,而「燕麥奶」便是新型態植物基飲品的最佳代表。

燕麥奶不但能打發出綿密細緻的奶泡,適合搭配咖啡或茶,最近還發展出更多元的料理方式,像是製作成燕麥奶吐司、燕麥奶甜點,甚至還能入菜,做成燉飯或是燕麥奶火鍋等,提供素食者更多友善低負擔的美味餐點[8]

相信未來會有愈來愈多人來一同響應這股蔬食趨勢,甚至成為新的飲食型態。

相信未來會有愈來愈多人喜歡上這股新形態的飲食風潮。  圖/GIPHY

註解

1. 均質(homogenization),利用高壓所產生的剪切力,將大小不一的脂肪球撞碎成大小均一且細小的脂肪球,使脂肪球能均勻散佈在水中,形成穩定且均勻飲品,才不會產生油水分離的現象。

2. 酵素在《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》中,被歸於第 (十七) 其他類別的食品添加物[6]

3. 食品安全衛生管理法施行細則第九條第二項指出,食品添加物若對終產品無功能者,得免標示之[7]

參考資料

1. 莊溪,2000。燕麥。認識植物。

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7. 食品藥物管理署,2017。食品安全衛生管理法施行細則。衛生福利部。
8. 經濟日報 新聞部編輯中心,2021。台灣首發「燕麥奶入菜」 美味復「蔬」計劃正式啟動。聯合報系。

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Evelyn 食品技師_96
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一名食品技師兼研發專員,對食品科學充滿熱忱。有鑒於近年發生許多食安風暴,大眾對於食品安全的關注越來越高,網路上卻充斥著不實資訊或謠言。希望能貢獻微薄之力寫些文章,讓更多人有機會認識食品科學的正確知識!想獲得更多食品營養資訊可追蹤作者的粉絲專頁喔!https://www.facebook.com/profile.php?id=100066016756421