0

3
2

文字

分享

0
3
2

為什麼細胞這麼小?--《科學月刊》

科學月刊_96
・2015/09/28 ・3439字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

作者/蔡孟利(宜蘭大學生物機電工程學系,《科學月刊》總編輯)

「細胞很小」是我們對於這個構成生命體的基本單位之第一印象。細胞有多小?如果先屏除掉一些特例,像是直徑可達公分等級的蛋黃,或是長度可達十公分以上的神經細胞或肌肉細胞,普通細胞的大小只相當於直徑在 1~100 μm之間的球體而已。

2202231656_77a89290d2_o
放大四百倍的印戒細胞。 source: flickr

為什麼會這麼小?

這或許可以從「小」所造成的高效率來思考。例如,細菌是單細胞生物,因為只有一個細胞,所以能應付環境劇烈變化的招數不多。這裡所謂的「劇烈變化」不一定是那種忽然的狂風暴雨或海嘯,或許只是午後陣雨的首顆雨滴掉落在豔陽曝曬了一個上午之後的柏油路面上,讓一隻被雨打到的細菌周圍之環境溫度從攝氏 70 度瞬間驟降到 40 度,短時間內就讓這隻細菌經歷了 30 度的溫差變化。因為這種忽然降臨的危機隨時都有可能快速出現,所以細菌要時時維持住龐大的個體數目,這是延續種族生存的重要手段。所以,生得快,當然是必須的要求。而一隻細菌,例如大腸桿菌,要完成生殖的整個過程需要多少時間?在環境條件還不錯的情況下,大約 20 分鐘左右就能完成一次分裂生殖。乍看之下,20 分鐘並不算是多快的時間,但如果我們仔細考慮一下細節,大腸桿菌的基因組約有 460 萬個鹼基對,也就是說,在 20 分鐘的時間內,大腸桿菌必須要將 460 萬個鹼基對全部複製過一遍,算起來,每個新鹼基對的合成只需要約 0.00026 秒的時間。這樣的速度,感覺起來應該夠快了吧!

但是在這個過程裡面,細胞內所發生的化學及物理事件必須比 0.00026 秒快上很多才能產出這麼快速的結果。這裡所說的化學事件,包括了能量供給與消耗的反應、多種酶的活化與去活化等等;物理事件主要是分子的移動,像是因濃度差異所驅動的擴散作用。

為什麼能這麼快?

化學反應的碰撞理論告訴我們說,一個化學反應能否進行的首要條件是反應物的各粒子間必須要能相互碰撞到,但是如此還不能夠保證反應一定會發生,它必須要是「有效」的碰撞才行。有效的碰撞可以從兩個方面來考慮,一個是碰撞當下的那些反應物粒子有足夠動能,使得碰撞時的能量足以超過反應發生所需要的活化能;另一個關鍵則是,這些粒子碰撞到的方位必須夠正確,才足以完成反應。特別是生物體中的那些巨分子在進行反應時,通常只有其整體結構中的某些組成原子才是產生新鍵結的地方,如果在細胞中參與反應的分子間所碰撞到的不是這些地方,而只是碰撞到巨分子的其他角落時,那麼即便碰撞時候的動能夠大,也不會促使反應發生。

由於分子的平均動能和絕對溫度成正比。先不考慮嚴寒的日子,如果只是在攝氏 30~35 度之間變動的溫度,細胞內一般的分子就可擁有夠用的動能,而碰撞時有機會超越活化能的分子組合數目也就不虞匱乏。因此,在正常溫度下,只要有個方法能夠提高反應物分子間隨機碰撞到的頻率,那麼碰撞到正確方位的可能性也就會越高,結果就可以讓反應的速率愈快。

如何增加反應頻率?

在一根試管內,如果要增加反應物分子之間碰撞到的頻率,最直接的方式應該是增加這根試管內的各種反應物分子之數量,使得在此試管內的反應物分子顆粒數增多,這樣,反應物分子彼此能夠碰撞到的機會也就會增加,如此一來,有效碰撞的頻率增高而反應速這種縮小體積的概念,還可以用來解釋真核細胞內的有膜胞器之存在理由。真核細胞的體積一般遠比原核細胞還要大,常常可達原核細胞的一千倍以上。雖然真核細胞的體積比原核細胞大很多,但是在「快」這件事情上卻沒有比較遜色。主要原因就在於真核細胞內的有膜胞器形塑了各種很小的空間,這些小空間不只區隔了化學反應的種類,也縮小了反應物分子所處環境的體積,讓反應物仍然維持了夠高的濃度,所以還是促成了這些小空間內的化學反應能夠快速的進行,維持了整體細胞對於速度的需求。

2
有效碰撞與非有效碰撞

 

細胞小的額外優勢?

小,還有另外一個效率上的優勢。細胞內一般物質運輸的方式是擴散,那是由粒子的熱運動所產生的遷移現象。在擴散過程中,粒子間彼此隨機碰撞並不斷的移動,每個瞬時的遷移方向不是單一性的,但是因為濃度高的區域向濃度低的區城所遷移的粒子數多於反率也就會愈快。但是,如果反應物分子的數量就只有這麼多,已經無法再增加了的話呢?那就換支體積較小的試管吧!如此一來,單位體積內的反應物分子顆粒數還是增多了,同樣的增加有效碰撞的效果還是會發生。單位體積內的反應物分子顆粒數就是濃度,就是我們一般觀念中,增加反應物的濃度可以增加反應速率之基本概念。

對一個細胞來說,靠著增加細胞內反應物分子的數量(增加濃度)來增快反應速率並不是理想的方法,因為這意味著需要消耗更多的能量以獲取更多的反應物;而更多反應物的加入也會導致更多數量的產物之產出。一旦產出的產物超過細胞所需要的數量,細胞就得再消耗額外的能量來移除這些過量的產物。從這個角度思考,同樣是增加反應物的濃度,利用縮小細胞體積的方式來達到增大濃度的目標,應該會比增加反應物分子的數量來得適當。

向所遷移的,最後會使得粒子在整體區域中呈現均勻分佈。粒子擴散所需要的時間會與擴散距離的平方成正比,如果細胞以球體來考慮,當半徑變大為原來的 5 倍時,那麼從細胞中心擴散到細胞膜所需要的時間將增加為 25 倍,這就大大的增加了細胞內化學反應的前置作業(材料的運輸供應)與善後處理(廢物的移除)之時間成本。

另外,對細胞而言,不管是從細胞外的環境取得反應所需要的材料,或是將細胞內的廢棄物排除到細胞外,都需要透過細胞最外圍的細胞膜才能完成。所以,細胞必須要保持足夠的表面積,才足以勝任物質交換的需求。而球形體積的增加幅度是半徑增加的立方倍,但表面積的增加幅度只是半徑的平方倍。若如上述細胞的半徑變大為原來的 5 倍時,體積將增加為原來的 125 倍,但表面積只變為原來的25倍,導致單位體積所能分配到的表面積只有原來的 1/5,這將大幅減少細胞交換物質的能力,這也是細胞體積受限的另一個重要因素。

細胞雖然很小,但如果我們把細胞的尺寸拿來和它內部所容納的粒子尺寸來比較,其實,細胞還是蠻大的。例如,細胞內鈣離子的濃度在平時約為10-7 M,被活化時上升到約為 10-5 M。而大腸桿菌的體積大概是 10-15 公升,拿這個數字乘以剛剛所提到的容積莫耳濃度之數值,就可以得到大腸桿菌內的鈣離子在平常的時候大約有60顆,而在有特定反應發生的時候大概會增加到6000顆。6000顆雖然看起來不少,如果繼續算下去的話:鈣離子的直徑約為 0.2 nm,大腸桿菌的長 2000 nm,圓形底部直徑 800 nm,所以大腸桿菌的長可以疊一萬個鈣離子,底部的直徑可以舖四千個鈣離子。也就是說,如果鈣離子是一個身高 170 公分、不會太胖,正面看起來大概 60 公分寬的人站著,那麼大腸桿菌的個體範圍就是底面積約 4.52 平方公里的土地垂直延伸到高 17 公里的天空。4.52 平方公里比 500 個足球場還大;通常一個足球場看台的高度不超過 20 公尺,環場滿座時可以容納超過四萬名觀眾,而我們高 17000 公尺的 500 個足球場寬廣之大腸桿菌內,只有 60~6000 個鈣離子稀疏的分散其中。

此外,也不要小看這個小空間的收納能力。人類擁有 46 條染色體,若將 46 條染色體頭尾相連拉排成直線,那麼總長度將會接近 1800000 µm。而這麼長的東西,將收納在直徑只在 10 µm的細胞核中。並且鹼基對都帶負電,負電跟負電之間是會相斥的,因此還得要有許多帶正電的蛋白質居中協調。其實,還不只這些,那些掌管複製與轉錄的酵素都還沒有算進去呢!

不過要注意的是,小,雖然有上述的諸多好處,但也不是沒有下限的小,畢竟細胞內的空間還是要能容納得下足量的物質,以及反應進行時所需要的作業空間。所以像是病毒那樣小的尺寸,便不足以在其個體內獨力完成完整的生命現象。

200

 

〈本文選自《科學月刊》2015年9月號〉

延伸閱讀:
2013諾貝爾生醫獎—細胞的貨運系統
噬菌體基因也能表現細胞骨架蛋白

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們46歲囉!
入不惑之年還是可以當個科青

文章難易度
科學月刊_96
231 篇文章 ・ 2293 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

0

4
1

文字

分享

0
4
1
【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

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

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 ・ 543 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。

0

4
0

文字

分享

0
4
0
SmartReading 科普閱讀力大賽——打造新世代自主閱讀指標,培養學子適性成長!第三屆頒獎典禮暨第四屆賽事啟動!
PanSci_96
・2022/09/26 ・3811字 ・閱讀時間約 7 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

108 課綱開啟全新閱讀素養時代。

科學素養不再侷限於考試的解題方法,學生閱讀科學讀物時,如何在氾濫資訊中找到高品質、適合學習程度的科學素材,是教育現場至關重要的課題。

臺灣師範大學 SmartReading 團隊將 AI 讀物難度分級技術,透過測驗、選書、閱讀、讀後回饋四大功能,完整記錄孩子的學習歷程,提升中小學生科普閱讀動機,成為自律自主的科普學習者。

臺灣師範大學於 110 年至 111 年間,與國科會、新北市、臺中市等單位合作,連續辦理三屆「SmartReading 科普閱讀力大賽」,每屆競賽歷時半年。競賽組別以國小三年級至高中一年級共分七個組別。參賽學校涵蓋臺北市、新北市、臺中市、臺南市、高雄市、花東等十九縣市,報名參賽人數累計八千餘人。

國立臺灣師範大學第四屆科普賽將擴大辦理,邀請PanMedia泛科學馮瑞麒總經理、數感實驗室賴以威教授、臺大科教中心賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章。圖/國立臺灣師範大學

由系統建置適合學生閱讀的兩千多本科普讀物

競賽期間,參賽學生使用「SmartReading 適性閱讀」系統,透過精準快速的中文閱讀能力診斷,將閱讀程度與讀物難度適配。藉由系統已建置,適合國小三年級至高中一年級的 2,180 餘本科普讀物,不僅能激勵其學習動機,更可有效提升選擇的效率,降低科學閱讀恐懼。第三屆科普閱讀力大賽不受疫情波擾,採實體與線上兩種施測方式,於 111 年 5 月份圓滿完成賽事。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。圖/國立臺灣師範大學

臺師大宋曜廷副校長表示,數位閱讀邁向新時代,團隊使用「SmartReading 適性閱讀」系統作為科普賽競賽平台,期望在知識爆炸的時代,藉由測驗、選書、規劃的「智慧閱讀三步驟」,培養學子的跨領域閱讀力與閱讀習慣,讓學生們手握知識大門的鑰匙,成為自律自主的「SmartReader」。

科普閱讀競賽的三大特色

一、適配閱讀能力與圖書難度,擴增多元書籍與文章素材

參賽學生首先須參加中文適性閱讀能力診斷(DACC),依據診斷結果,配合其當前閱讀能力的科普推薦書單,讓學生選書有依據、個人化。本競賽目前共有「推薦書單」、「推薦文章」等 2 種閱讀素材,主題包含植物/動物、數學、天文地科、物理/化學等 8 大類別。「推薦文章」功能,則與「PanSci 泛科學」及「數感實驗室 Numeracy Lab」合作評選,當前提供 600 餘篇線上科普短文,競賽期間提供已超過 4,000 人次的瀏覽次數。

二、綜合性閱讀五力分數,開啟學生全方位閱讀力

本競賽賽程為期半年,學生透過「前測、閱讀任務挑戰、後測」三個階段。競賽期間,系統詳細記錄每週閱讀歷程,並產出線上「閱讀五力分數」報表。自主規劃閱讀期間計算為「規劃力」;讀後評量填答結果計算為「執行力」;閱讀多元書籍類別的結果計算為「博學力」;閱讀單一書籍類別的深化成果則計算為「精進力」;前後測成長結果計算為「成長力」。將閱讀能力數據化、可視化。

三、閱讀任務徽章,深化學生文化素養與科普閱讀興趣

本競賽內建徽章蒐集系統,參賽者於指定時間依據提示完成閱讀任務,即可獲得期間限定的特色科普徽章。任務內容包含閱讀指定的書單及文章類別、世界性科普節日、科學家生辰、台灣重要節慶與其他隱藏任務。本屆各年級累計獲得徽章達 20423 枚,因設計活潑及任務類型多樣,大受參賽者好評。

競賽結果發現學生的閱讀偏好

一、科普閱讀參與,國小男性最踴躍

活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。以不同學習階段來看;國小參賽者整體閱讀平均本數為 24 本,男生平均閱讀本數為 28 本,女生平均閱讀本數為 20 本。國、高中參賽者因科普讀本難度較高,需要較長的閱讀時間及一定的科學基礎知識,國中參賽者整體平均閱讀書籍數為 10 本;高中參賽者中女性平均閱讀本數多於男性,整體平均閱讀書籍數為 7 本。

總閱讀量/本人數平均閱讀量/本
全體學生21,1531,10019
8,05150516
13,10259522
國小學生17,47971624
6,47432520
11,00539128
國中學生3,45935510
1,4611669
1,99818911
高中學生215297
116148
99157
活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。表/國立臺灣師範大學

二、學生偏好閱讀動物/寵物類與地球生態/天文類書籍

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類(男生 28.19%、女生 27.91%)最能引起學生的閱讀興趣(如:《昆蟲老師上課了!:吳沁婕的超級生物課》、《小島上的貓頭鷹》、《神奇樹屋》等系列)。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍(男生 15.20%、女生 16.87%)。

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類最能引起學生的閱讀興趣。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍。圖/國立臺灣師範大學

三、參賽學生閱讀歷程的質與量均佳,表現令人驚豔

本次參賽學生皆積極參與競賽。

以三年級組第一名得主,臺北市立大同國小的林靖軒同學為例,競賽期間閱讀書籍本數高達 383 本,書籍讀後評量的通過率更高達 95%,書籍不僅讀得多,更是能讀得要領。

四年級組第一名為第二次參賽的新北市信義國小謝秉言同學,本次競賽期間共閱讀 427 本書。

其中五年級組為本次競爭最激烈的一組,臺北市立長春國小的黃葦川同學以及高雄市立集美國小的吳勁毅同學,兩者僅以極小的分數差距位居第一及第二名。

此外,第一次參與競賽的高雄市立正義國小的孫政遠,競賽期間閱讀 281 本書籍,通過率達到 97%。

四、教育主管機關、學校師長及家長支持鼓勵,帶動學生優異表現

新北市教育局致力於推動智慧閱讀教育,不遺餘力,成果豐碩。本屆競賽全台共 2,104 人報名參與,全國賽獎項獲獎學生共計 36 人,其中新北市得獎學生便囊括 14 位,表現相當亮眼。

家長與學校師長共同陪伴,使得學生能專注於本次競賽,並有相當卓越的成果,例如新北市康橋國際學校、臺中市明道中學、臺中市葳格國際學校、臺北市東山中學等校,皆因全力推廣閱讀活動,才能有優異的競賽成果。以新北市康橋國際學校國中部為例,此次七年級組參賽者,全國賽前5名得主中,康橋中學就獲有 3 名的佳績。

臺師大華語文與科技研究中心洪嘉馡教授說明第三屆科普閱讀力大賽成果。圖/國立臺灣師範大學

第四屆科普閱讀力大賽即將開跑

延續前三屆廣受好評之科普賽事,第四屆科普賽將擴大辦理,邀請「PanMedia 泛科知識股份有限公司」馮瑞麒總經理、「數感實驗室 Numeracy Lab」賴以威教授、「國立臺灣大學科學教育發展中心」賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章,預期第四屆科普閱讀力大賽將能讓全球讀者有更高品質的閱讀體驗和更充實的閱讀收穫。

活動詳情請參閱官方網站
新聞聯絡人:高等教育深耕計畫辦公室——鄭德蓉 02-2366-0916 #111

2

3
2

文字

分享

2
3
2
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

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

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。

2. 陳愉婷,2020。燕麥應用於植物性飲品之研究開發。食品工業 52:07,49-54。

3. Chu, Y. and Blatner, D. J. 2016. The Whole Grain Picture: Sharing the Science Behind Oats. International Journal of Food Science and Nutrition 1: 6 1-10.

4. Deswal, A., Deora, N. S. and Mishra, H. N. 2013. Optimization of Enzymatic Production Process of Oat Milk Using Response Surface Methodology. Food and Bioprocess Technology 10.1007/s11947-013-1144-2

5. 顏國欽,2020。最新食品化學。臺中市:華格那出版有限公司。

6. 食品藥物管理署,2022。食品添加物使用範圍及限量暨規格標準。衛生福利部。

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。

所有討論 2
Evelyn 食品技師_96
16 篇文章 ・ 13 位粉絲
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