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行動超音波掃描

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/09 ・1856字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 608 ・十年級

文/劉珈均

提到超音波,腦海中率先浮現的印象大概是醫院的婦產科裡,醫生為孕婦產檢的畫面:醫生拿著「探頭(transducer)」貼在孕婦腹部,身旁一台PC般笨重的機器螢幕上即時顯示出扇形的黑白畫面。工研院生醫與醫材研究所試圖開啟不同的想像,團隊開發出體積如蛋捲禮盒大小的輕便超音波設備,團隊也設計友善介面,探頭與顯像裝置可無線傳輸,直接以平板或手機作為顯像裝置,解讀超音波影像。

超音波技術源於潛水艇的聲納,後者誕生於第二次世界大戰,潛水艇利用聲納探測地形、測定物體距離與運動速度。1950年代後,開始嘗試將技術原理移至醫療領域,以不侵入的方式探看人體組織。聲波在不同物質中傳遞時,會產生不同能量的回波訊號,經後端軟體分析處理便形成人體組織的結構影像。一個標準的醫用超音波系統大致分為發射與接收聲波訊號的「探頭」(依探測部位與發射頻率不同,一般有三種)、類比前端電路、將音訊「轉譯」為影像的後端成像運算技術。

「要跟『GPS』(指奇異、菲利浦、西門子公司)交鋒很難,不過台灣可以切進正在興起的趨勢!」生醫所超音波影像技術部經理吳國瑞博士說,超音波的應用有兩個趨勢,一是超音波機器小型化帶來普及的可能,目前配備超音波機器的單位多為中大型醫院,近年攜帶型的超音波設備問世,超音波技術可望從中大型醫院走出來,進入小型診所、救護車、居家照護、緊急醫療等。西門子和奇異公司自2007年起,已陸續推出多款手持式超音波機器,有無線傳輸款式,也有樣子精巧如貝殼手機。

另一個趨勢則是超音波技術的角色由「診斷」漸漸轉為「治療」,超音波適合觀察軟體組織,細節比X光片更清楚,國外已有將超音波與X光並行檢測乳癌,超音波沒有輻射,未來可能於某些檢測項目取代X光;醫美領域可用於消脂和塑身,超音波拉皮的效果甚至比電波拉皮好;治療癌細胞的標靶藥物大多有副作用,或破壞正常細胞,超音波藥物釋放系統則是將藥物包覆如膠囊,注射進人體後,等藥物循環至癌細胞附近,再以超音波激發、釋放,多餘的藥物則排出人體,如此可將副作用減至最小。動物檢驗也有相關需求,例如美國畜牧協會制定標準,以超音波確認牲畜肉質。

換言之,超音波系統的用途和使用場域持續延展中,吳國瑞說,超音波系統的核心技術在於晶片和軟體,這正好是台灣的強項:「台灣有很好的資通訊產業,但高階醫材產業還屬於起步階段。」吳國瑞認為,現在正是台灣藉資通訊產業的基礎發展高階醫療器材的時機,而超音波系統是最適合台灣著手的醫材產業,其他生醫影像儀器如X光、磁振造影等,對台灣而言技術門檻較高。

右上角寫有ITRI字樣的黑色晶片工研院開發之專用晶片。
右上角寫有ITRI字樣的黑色晶片工研院開發之專用晶片。

超音波小型化的關鍵在於晶片,但目前可攜式超音波設備的晶片技術掌握於歐美醫療大廠如奇異、西門子等廠商,只提供自有產品使用,不對外販售;晶片商的產品只能提供部分功能,無法提供多通道、多功能整合的專用晶片。工研院團隊自行開發專用晶片,以ARM+FPGA建構可做小型化超音波的多波束成型(Beam Former)與顯像平台,可支援32與64通道(超音波的通道愈多,成像愈清晰)

團隊約莫20人,有來自資通訊背景與醫工系,先前研究題目是消費性電子產品、影音播放機的編解碼器。自三年起團隊切入研究超音波技術,今年已跟醫院合作,進入臨床實驗階段。吳國瑞笑著說:「處理的東西差不多,超音波也是聲音和影像。」最大的困難在於以前處理五到十通道的東西,現在要變成幾十個通道。

醫院裡基本款式的超音波機重量約6至10公斤,價格約150萬台幣,若要多加探頭或是功能則不只。而目前簡便的超音波設備雖已問世,價格仍相當昂貴,例如2013年西門子開發的無線超音波,三個探頭加總約150萬台幣。工研院團隊的超音波機器重量約950g,吳國瑞說:「超音波要普及大概只差cost down,以台灣的技術,有希望壓到美金一千以下。」超音波可探測心跳、血壓與血流資訊,或是打針時定位血管,集許多儀器功能於一身,若成本壓得夠低,超音波或許能成為健康照護的穿戴式設備主流。

(右)一般醫院的超音波設備機型;(左上)工研院機型(左下)以平板顯示的超音波圖,圖中黃框區域為血流資訊。
(右)一般醫院的超音波設備機型;(左上)工研院機型(左下)以平板顯示的超音波圖,圖中黃框區域為血流資訊。
小型的超音波設備適合居家照護,量測與講解十分簡便。
小型的超音波設備適合居家照護,量測與講解十分簡便。

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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
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糖漿加了小蘇打粉就膨漲?解析《魷魚遊戲》中的椪糖製作原理

Evelyn 食品技師_96
・2021/10/27 ・2842字 ・閱讀時間約 5 分鐘

超夯韓劇《魷魚遊戲》近期成為熱門討論話題,尤其椪糖關卡使南韓童年美食遊戲「戳椪糖」爆紅,劇情中玩家必須使用牙籤將椪糖上的圖案取下來,若失敗可是會直接被開槍爆頭,不過在臺灣其實也有很相似的古早味的零食椪糖喔!

韓式椪糖。圖/WIKIPEDIA by 도자놀자

臺南人的童年零食——古早味椪糖

椪糖,又名膨糖、發財糖、泡糖,是四、五年級生臺南人的童年零食。那個年代生活單純,還沒有太多的娛樂、精緻美食可供選擇,在廟口歌仔戲、布袋戲戲棚下煮椪糖的攤販,是當時孩童的娛樂及零食來源。

剛煮好的椪糖長得就像胖嘟嘟的核桃酥餅,吃起來焦香酥脆、入口即化,雖然只是純粹的甜味,在物質稀缺的當時,已經十分幸福了。

而椪糖的製作流程很簡單,將砂糖或二砂與水倒入大湯勺中,置於爐火上加熱並攪拌,至糖漿變成紅褐色時,加一點小蘇打粉至大湯勺中拌勻,糖漿便會迅速膨脹鼓起,待其冷卻定型後即完成。

而韓國的椪糖與臺灣的椪糖作法及原理大同小異,只是塑形的方式不太一樣,韓版的會壓扁再壓上圖案,弄成扁扁的薄餅狀;臺版的就讓他自然膨脹成球狀,表面帶點裂痕,模樣也是十分討喜可愛。

台式椪糖。圖/WIKIPEDIA

影響椪糖質地最關鍵的因素——溫度

若有做過椪糖就會知道,小蘇打粉加進去的時機點很重要,太早或太晚皆會導致成型失敗,這是為什麼呢?因為加熱溫度是影響糖的結晶、軟硬度和焦糖化的主要因素,不同的加熱溫度,糖的結晶狀態、質地和色澤都會不同。

糖液在加熱時,會有兩種情況發生:

  • 一、水分不斷蒸發,使溶液濃度增加。
  • 二、隨著溶解的糖增加,沸點會不斷上升,因此糖液的溫度要小心控制。

「糖液的濃度」與最後成品的「軟硬度」有直接關係,濃度不夠會過軟,椪糖表面無法形成保護殼而無法膨脹成型;濃度過高會過硬,椪糖膨脹不易,容易縮小或塌陷。

而當糖液加熱至攝氏 130 度左右時滴入冷水中,會形成能保持形狀且具可塑性的硬球,這時候糖液的質地是能讓椪糖膨發效果最佳的狀態,因此不會用肉眼判斷添加小蘇打粉至糖漿的好時機沒關係,可以在加熱的同時,使用專門測糖液的溫度計測量糖溫就可以了!

東京淺草的街頭小販手工製作椪糖。圖/WIKIPEDIA

糖怎麼轉變成令人誘惑的焦糖色呢?

說到糖的加熱,就不得不提到焦糖化反應(caramelization)了,它是自催化的非酵素性褐變(non-enzymatic brownin)反應,指的是蔗糖這類的小分子醣類於高溫環境發生脫水、聚合的反應,顏色逐漸轉變成金黃、淺褐至深褐色的產物 (通稱為焦糖) 的過程。

這個過程非常複雜,反應溫度通常在攝氏 120 度以上,在酸性與鹼性環境下均會發生。在食品工業上可製造成焦糖色素,作為食品添加物使用,常添加於醬油、糖漿、可樂或酒類等食品中。

焦糖的色澤會隨加熱溫度及時間的增加,由金黃、琥珀、淺褐、褐、深褐色至焦黑碳化;味覺的變化則是先為甜味,隨著顏色加深逐漸轉至苦味,最後甚至可能出現辛辣味。 

攝氏 130 度的糖液大概是呈現淡淡的金黃色,不過這是單純以細砂糖製作來看,若使用二砂製作椪糖的話,那糖液一開始就會是呈現金黃色了。

糖漿色澤與溫度的變化。圖/參考資料 4

椪糖膨脹的關鍵——碳酸氫鈉遇熱分解

在加熱攪拌過程中,糖液已經拌入許多空氣,隨著加熱空氣持續在膨脹,水氣也一直持續蒸發,直到糖液加熱到攝氏 130 度的糖漿時,須離開熱源並加入小蘇打粉。

小蘇打粉即是碳酸氫鈉(sodium bicarbonate),受到高溫直接分解產生大量二氧化碳氣體。最外層接觸到空氣的糖液最先冷卻,變硬形成保護殼,椪糖膨脹隆起,待膨脹停止後,內部的構造就形成具有許多小氣孔的蓬鬆質地。

椪糖會不會致癌?

就從焦糖化反應可製造出焦糖色素的標準來看,聯合國農糧醫藥食品添加物專家聯席委員會(Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives, JECFA)將焦糖色素分成四類:

第一類:普通焦糖 (plain caramel)

第二類:亞硫酸鹽焦糖 (sulfite caramel)

第三類:銨鹽焦糖 (ammonia caramel)

第四類:亞硫酸-銨鹽焦糖 (sulfite ammonia caramel)

不同類別的焦糖色素,具有不同的焦體電荷、安定性與色度,用途亦各不相同。我國針對這四類焦糖色素有明確訂定,規範細節可見衛福部食藥署公告的食品添加物使用範圍及限量暨規格標準[8]

數十年來眾多針對焦糖色素所進行的毒理學研究,特別是安全疑慮比較高的第三類及第四類焦糖色素,都發現焦糖色素不具基因毒性、遺傳毒性與致癌性,確認焦糖色素是安全的食品添加物。

加上椪糖才加熱到攝氏 130 度,焦糖化反應影響因素很少,所以吃椪糖其實不必太過擔心致癌風險。

可樂、醬油經常添加焦糖色素。圖/WIKIPEDIA

跟致癌比起來,你比較需要擔心熱量

比起擔憂致癌疑慮,椪糖的熱量才是比較需要注意的地方,畢竟它幾乎都是由精製糖所製成。

我國衛福部國民健康署建議「精製糖建議攝取上限為 10% 以內,例如:總攝取熱量若為 2000 大卡,精製糖攝取量就不宜超過 200 大卡,每日精製糖攝取量最好能控制在 50 克以內。」最佳的情況,是每日不超過 25 克,其實就相當於一個椪糖 (20 克上下) 的重量了。

所以當你開心吃著好吃又好玩的椪糖時,還是要記得別吃太多,以避免攝取過多的精製糖及熱量,而賠上健康喔!

參考資料

  1. 國立台中教育大學科學教育與應用學系 科學遊戲實驗室,膨糖:http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-005.html
  2. 施明智 (2021)。食物學原理 (第三版)。新北市:藝軒圖書出版社。
  3. Mcdowell, E. J. (2015) Everything You Need to Know to Make Caramel Candies at Home. Retrieved from https://food52.com/blog/12212-everything-you-need-to-know-to-make-caramel-candies-at-home (Oct 10, 2021)
  4. 徐若瑄 (2017)。利用科學方法研究古早味椪糖。中華民國第 57 屆中小學科學展覽會。新北市。
  5. 戴士傑,2006。焦糖化產物的特性及其與酚類物質交聯程度之探討。國立屏東科技大學食品科學系碩士學位論文。屏東。
  6. 張月櫻,焦糖色素與 4-MEI (4-甲基咪唑) 說明稿 (2013)。檢自https://www.food.org.tw/TW/DisquisitionDetail.aspx?DisquisitionID=iZcsl/uRyXg= (Oct 10, 2021)
  7. 衛生福利部食品藥物管理署,食品添加物使用範圍及限量暨規格標準 焦糖色素 (2013)。檢自https://consumer.fda.gov.tw/Law/FoodAdditivesListDetail.aspx?nodeID=521&id=854 (Oct 10, 2021)
  8. 灃食公益飲食文化教育基金會,精製糖與非精製糖的差別為何? (2019)。檢自https://www.foodnext.net/science/machining/paper/5470279180 (Oct 10, 2021)

Evelyn 食品技師_96
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國立大學食品科學研究所畢業,現為一名食品技師兼食品研發專員,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資訊!想獲得更多食品營養資訊可追蹤作者的粉絲專頁 https://www.facebook.com/profile.php?id=100066016756421
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