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未來的生物科技發展方向—合成生物學

活躍星系核_96
・2015/09/01 ・1599字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

文 / 李根濤、李金燁 (2015年 長庚大學 國際基因工程機械競賽團隊。)

隨著DNA被發現、分子生物學的掘起後,人類開始懂得如何透過改造生物的基因讓社會變成更為美好,但目前要理解生物的原理和應用方法也是有一定的困難,所以科學家就思考如何把生物的技術變成SOP (standard operationg procedure),由此產生了一個新的科學領域——「合成生物學」(synthetic biology)。

什麼是「合成生物學」?

我們看到深海中的水母發出柔和的螢光,那是它產生的螢光蛋白質在發揮作用;玫瑰花散發花香,那是它產生芳香類有機化合物……生物因其DNA序列不同、DNA表現程度不同,形成大自然多樣多姿的美態。

在這些具有特定功能與表現的DNA片段的研究和發現過程中,科學家們開始試圖用另一種角度看待它,將DNA視為由大大小小的「零件」組成,各司其職執行著特殊的「任務」,也能像小時候我們玩的積木一樣,想要做什麼就可以做什麼,也是因為這個概念而發展出「生物積木」(biobrick),讓大家不再覺得生物的改造是件難事。

source:bioon
source:bioon

合成生物學是一個跨領域的科目,它結合了數學、化學、電腦軟體、工程、生物等技術範疇,因此人才需求不斷提升。目前發展的情況其實和過去的電腦科技頗為相似:在今天,電腦科技影響著每一個人,而在未來合成生物學也勢必會領導著不同領域的發展,包括醫學、製藥、化工、能源、材料、農業等。

source:igem
source:igem

 

國際基因工程機械競賽(iGEM)

國際基因工程機械競賽(International Genetically Engineered Machine Competition, iGEM),期望通過競賽的形式,回答合成生物學中的核心問題 —— 能否在活細胞中使用可互換的標準化「生物積木」(biobrick)構建簡單的生物系統,並且加以操縱。

所謂「積木」,就是上述提到的含有特定DNA的「生物元件」,可以被自由「剪輯」(digestion)、「修飾」(modification)、「拼接」(ligation),構建新的系統。

每支參賽隊伍都會由大會提供和使用標準化後的「生物積木」,利用標準化的基因工程方法,組裝成不同功能的人工生物系統,並進行操縱和測量。比賽裡會要求學生們自己選擇題目,利用課餘時間合作完成相應的實驗、電腦模擬計算,和工程應用等工作,充分鍛煉了學生的獨立工​​作能力和團隊協作能力,同時也培養了學生對於科學的熱情。

參賽學生可將研究所取得的有用成果提交給iGEM的競賽委員會,供全球的科學家共享參賽隊伍的研究成果。此外這項競賽也為不同國家、不同專業的大學生提供了一個相互交流的國際舞台。

iGEM

關於我們——長庚大學學生研究團隊

2015年的冬天,一群不同專業背景的學生走在一起(包括生醫系、生技系、化材系、電子系、資管系),共17名同學。透過在課堂上和專題研究所學到的知識應用到我們的社會。而我們主要研究的主題是口腔癌的檢測。

在台灣致死率排名前五的癌症有肺癌、乳癌等,但是大眾對於口腔癌相對而言比較陌生。因此今年長庚大學的研究團隊希望透過設計口腔癌的篩檢方法,而且讓大眾了解口腔癌防治的重要性。目前團隊已鎖定了口腔癌患者口水裡的一種蛋白質—IL-8 (Interleukin 8),透過這蛋白質能告訴我們到底有沒有患癌,也稱為「生物標記」(biomarker)。透過使用酵母菌(Yeast)和大腸桿菌(E.coli)為工程菌,把「生物積木」送進細菌裡。當細菌們遇到IL-8蛋白的時候,會激發細菌產生綠螢光蛋白(GFP),再利用光學儀器測量綠螢光蛋白的亮度,從而初步判斷是否患有口腔癌。

今年的9月中,我們研究團隊會把成果帶到美國波士頓參加國際基因工程機械競賽(iGEM),希望把這個成果與其他國家的人分享以及交流意見。

iGEM1

參考來源:

  • 合成生物學
  • Cultivation of Synthetic Biology with the iGEM Competition
  • [JOURNAL OF ADVANCED COMPUTATIONAL INTELLIGENCE, v. 17, (2), 2013, p. 161-166}]

文章難易度
活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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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
・2021/10/26 ・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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