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美國隊長冬眠的真相!超級士兵血清與真實世界的「酷寒戰士」

Rock Sun
・2016/05/25 ・2908字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

解凍、出任務、冷凍、解凍、出任務、冷凍……

如果你是巴奇(又名酷寒戰士),你一定會覺得你被九頭蛇控制的這段時間人生非常無聊,沒有美國隊長的陪伴,過著工具人般的生活,出任務危機自付,結束便返回你的冬眠箱中。當你躺在裡面好不容易可以睡一覺的時候,你大概並不會想知道,對於正常(活)人而言,這是一件相當於自殺的事。

目前活人的冷凍、冬眠技術還只是空談,國際上仍禁止活人試驗,現在可以進行的情況是受試者已經由醫院認定死亡或瀕臨死亡的絕症方可冷凍,提供未來進行研究或治療。

是我們科學力不夠的問題嗎?或許在 70 年前,艾思金博士(超級士兵血清發明者)與九頭蛇的科學家們已經向一種青蛙學到了活人冷凍的奧秘。

SCREENRANT
同時我們也可以看出來,巴奇的冷凍艙比隊長的冰層舒適多了(圖片來源:Screen Rant)

萬能的超級士兵血清

原作中,巴奇和美國隊長獲得能力的過程、背景故事和冷凍過程非常的不一樣,由於漫畫的設定比較天馬行空,在這裡我們以電影中的設定來作假想。隊長與巴奇兩者都經過改造,注射超級士兵血清,而獲得超人般的能力;前者因為飛機墜機被冷凍了 70 年,後者在這段時間內解凍、冷凍無數次為九頭蛇出任務。

如果這個血清正是讓隊長與巴奇能夠沒事般活過冷凍狀態的關鍵,那我們勢必要了解一下它的特性。從漫威的維基中我們可以查到超級士兵血清對人體的改變有這樣的敘述:可以舉起 850 磅的重物(差不多 385 公斤)、跑速時速 60 英里(時速 96 公里,難怪可以跑贏汽車)、可以快速分解乳酸、代謝是一般人的四倍、恢復力超群、不會被酒精毒藥影響……等,先別管這樣的運動、生理狀況下美國隊長一天要吃下幾個便當,可以發現裡面沒有對承受冷凍的能力提升,或是已經悄悄的藏在這些因子裡面。

活人從正常狀態進入冷凍狀態再解凍有幾個需要克服的困難

  • 不能讓細胞內水分形成冰晶,破壞器官
  • 解凍時需要正確的速度及溫度,要不然冰晶一樣會破壞細胞
  • 進行冷凍前,先降低氧氣量,以迫使器官進入休眠

在這麼看來最簡單的解釋,就是隊長和巴奇的恢復能力足以與冬眠造成的負面效果打平;也有可能是在血清造成的更快生理反應下,他們的身體先行將器官進入休眠,並克服了體內水分結凍的危機。

不過既然說「克服」是個怎樣的「克服」方法呢?這裡的漫威宇宙中的科學家們極有可能已經知道效法自然界的一種青蛙了。

animalspot.net
木蛙,無危,體長5~7公分,分布於北美東岸中部開始延伸到阿拉斯加(圖片來源:Animalspot.net)

美國隊長原傳:酷寒木蛙 The Winter Wood Frog

在美國內陸,北至阿拉斯加,南至東岸中部,有種俗稱木蛙(Wood Frog, Lithobates sylvaticus)的樹蛙,具備了在冬天中,零下 18 ℃全身結凍長達 7 個月,並退冰後仍生龍活虎的能力。

這種青蛙是如何辦到的呢?

高中化學都有教過,當水中有了其他的溶質的時候,這些溶質會引響水結冰的冰點,使的原本應該結冰的溫度下降,水更不容易結冰,木蛙主要便是利用這點,讓自己的細胞、器官不被破壞。

當外界的溫度一下降,木蛙的皮膚表層一開始結冰,牠體內的基因便會啟動血液中的冰晶核蛋白(Nucleating Protein),這些核蛋白在血液中充當冰晶凝結的核心,使的血液中的水分比細胞內先產生結冰現象,這時由於細胞外的液體濃度增加(因為水都變冰),細胞內的水分被往外抽;同一時間,木蛙的肝會快速分泌兩種物質:由肝醣分解而成的葡萄糖、以及從蛋白質分解的尿素,這兩種物質進入血液,降低冰點,使的結冰速度變慢,減少對細胞的傷害,細胞內也在安全的情況下漸漸脫水,僅剩高濃度的葡萄糖,這時一切的準備都做好了,血液緩慢的結凍,細胞脫水但無損,心臟暫停跳動,木蛙進入了休眠。

NATURE NORTH
冷凍的木蛙,聽說整隻都是硬的而且容易碎掉。(圖片來源:Nature North)

而當天氣一變暖和,冰溶解並流入細胞內,血液開始流動,使心臟也開始運作,青蛙便活過來了。有趣的是,這個循環可以短時間內重複進行,像阿拉斯加這種地方,木蛙會在一年中很早經歷低溫,這時整個機制便啟動;有時候當隔天溫度稍微回暖,冬眠解除,但殘餘的葡萄糖、尿素和運作的蛋白仍存在於血液中,如果短時間內又發生第二次溫度驟降,木蛙可以更快的進入狀況,之後再發生第三次、第四次……,木蛙便習慣了這種形式,可以更快的冬眠,並可以撐更久,由俄亥俄州,邁阿密大學科學家發現,在居住美國東部的木蛙和阿拉斯加的木蛙相比,腦內及全身的葡萄糖濃度的可變化量更小,冬眠準備速度也較慢,把兩個不同地區的青蛙放在同樣的低溫下,前者存活率較低,可見這個冬眠機制是可以進化的。

美國隊長是個意外?

由此我們發現,人類要能夠像木蛙活過冷凍過程,有幾個必要的元素

  • 冰晶核蛋白
  • 尿素、葡萄糖等抗凍劑
  • 運作整個機制的基因

而正常人類天生就是少了冰晶核蛋白,也不可能擁有木蛙的基因,所以科學上,美國隊長和酷寒戰士是做了什麼改變來應對冷凍的呢?

在這裡假設超級士兵血清除了有增強人體的激素外,其實是一個雞尾酒式的蛋白質大補帖,把外來可能會用到的蛋白質都加進去了,而冰晶核蛋白便是其中一個(研究人員:博士我們該加些什麼呢? 艾斯金博士:恩……把這個加進去好了,德國很冷,他可能需要);另一個可能是,原作中美國隊長除了注射血清外,也經過虛構的輻射線Vita-Ray的照射,來使血清真的有作用,而可能就是這個 Vita-Ray 使得他們體內基因或是植入的蛋白質發生變異,有辦法像木蛙般運作這個循環。

MARVEL WIKI
根據漫威維基,一定要有 Vita Ray 的照射,超級士兵血清才能發揮它的功用,而當初使用在美國隊長身上的 Vita Ray 機器在之後的衝突中被摧毀了,所以巴奇要怎麼辦呢?(圖片來源:Marvel Wiki)

這時可以也探討一下巴奇和美國隊長被冷凍方式的差異。隊長在二戰期間一次意外後就被冰封了 70 年,但他之前毫無被冷凍過的經驗;相反的,巴奇是被九頭蛇特別設計來達成「出任務完後即冷凍,之後再解凍」的人體兵器,而且由於實驗過程並沒有公開,我們可以合理假設巴奇本身已有被冷凍的機制存在,再加上邁阿密大學科學家的研究的作證,他重複被冷凍了很多次,身體應該是已經處於一個可以隨時進入高血糖、高血氮(尿素)的狀態來應對,對巴奇而言,冷凍過程比隊長安全多了。

所以美國隊長身為第一個超級士兵完成品,催生者已不再世上,無從給予說明或幫助的情況下,他還真是命大啊。

DISNEY WIKI
或許我們差一點就沒有美國隊長了,但至少我們還有鋼鐵人(圖片來源:Disney Wiki)

參考資料:

文章難易度
Rock Sun
63 篇文章 ・ 619 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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高原鼠兔的過冬絕招——吃大便!?
羅夏_96
・2021/08/04 ・3016字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

冬季,自古以來就被認為是萬物休眠的季節,因動植物的活動在此時會大幅降低。面對寒冷的天氣和食物的短缺,不少動物的因應策略便是「冬眠」。但對於無法冬眠的動物,牠們又該如何應對冬季呢?近期發表在 PNAS 上的研究就顯示,生活在青藏高原上的高原鼠兔發展出一種讓人不敢恭維的過冬絕招(Speakman et al., 2021)!

高原鼠兔。圖/維基百科

動物因應冬季的策略

對於要保持穩定體溫的恆溫動物來說,冬季可說是非常頭疼的。因外在環境的溫度降低,動物的身體必須產生更多的熱量來維持體溫的恆定,而這就需要靠攝取大量的食物來達成。但冬季除了寒冷外,通常也伴隨著食物的匱乏。因此恆溫動物最常見的兩個過冬策略,就是「遷徙」和「冬眠」。

遷徙的思路非常簡單,既然冬季這個生活環境不好,那我就直接搬到較溫暖且食物充足的地方。這個方法主要由鳥類使用,例如每年冬季來台灣的候鳥們,就是遷徙來過冬的。雖然遷徙是個好方法,但對於無法長距離移動的動物來說,這個方法就不實際了。因此一些動物就會採取另一個策略——冬眠。

Black faced spoonbill at Niigata.JPG
來台過冬的黑面琵鷺。圖/維基百科

冬眠是指動物會通過降低體溫,讓身體進入類似昏睡的生理狀態。在冬眠的狀態下,動物的身體機能會大幅下降,這樣就能降低能量的耗損。不過即使身體進入低耗能狀態,光靠這樣就想渡過冬季仍有難度。因此會冬眠的動物通常在秋季會大量進食,將熱量以脂肪的形式預先儲存下來。另外牠們也會尋覓理想的冬眠場所,並事先鋪好草和葉子,以此增加冬眠處的安全性和保暖性。這樣動物就能在溫暖的冬眠處,讓身體在低耗能情況下,緩慢的消耗預先儲備的脂肪來度過冬季了。

bear_curled_up_in_den.jpg
冬眠中的黑熊。圖/Do Black Bears Hibernate?

上面兩種因應冬天的策略是最為人所知的。然而,一些動物在冬季既不遷徙也不冬眠,那牠們又是如何過冬呢?

以北美紅松鼠(Tamiasciurus hudsonicus)為例,牠們會在秋季先修好一個溫暖的庇護所,並在庇護所內囤放大量的食物。到了冬季,如非必要,牠們幾乎都待在溫暖的庇護所中,以儲備的食物來過冬。

和北美紅松鼠不同,白靴兔 (Lepus americanus)既不會建立庇護所,也不會預先儲備食物。但牠們可以透過主動調控自身的體溫和代謝率,讓自身在寒冷的環境中活動。但究竟白靴兔是通過怎樣的生理機制作調控,仍需更多研究。

事實上,科學家投注在研究遷徙和冬眠的興趣上,遠比這些非冬眠策略高。因此過往對於非冬眠動物的過冬策略,並沒有太多研究。不過隨著氣候變遷,一些本會遷徙和冬眠的動物也開始改變牠們的過冬策略,因此近年來對於非冬眠策略的研究正逐年增加。而近期發表在 PNAS 上的研究,就揭示了高原鼠兔這種非冬眠動物的過冬策略(Speakman et al., 2021)。

高原鼠兔的生活環境

高原鼠兔 (Ochotona curzoniae)是生活在青藏高原及附近地區的草食性動物。牠們可愛的外表被不少人認為是精靈寶可夢中 – 皮卡丘的原型。不過根據寶可夢設計師的說法,皮卡丘的原型是松鼠〜

Plateau pika of the Tibetan Plateau.jpg
高原鼠兔。圖/維基百科

雖然高原鼠兔很可愛,但牠們生活的環境卻不可愛。青藏高原世界上最高的高原,平均海拔高度 4,500 m。青藏高原有著空氣稀薄、降雨少、氣溫低、太陽輻射強等嚴峻的環境條件,這讓生活於此的動物受到不少考驗。而要想生活在冬季的青藏高原又更艱難了,乾燥少雨又低氧的環境,加上動輒 -30℃ 的低溫,讓植物的生長受到極大的限制,而這對高原鼠兔這種草食性動物來說,無疑是壞消息。然而在這種嚴峻的冬季環境下,高原鼠兔不僅不會遷徙到溫暖的區域,也不會冬眠,牠們究竟如何在寒冬裡生存,一直是個謎。而來自蘇格蘭亞伯丁大學和中國國家科學院的聯合團隊,就對這個問題進行深入研究。

高原鼠兔的過冬策略

研究團隊透過測量高原鼠兔的體溫和活動紀錄發現,冬季的高原鼠兔其體溫和活動量都比夏季低。研究團隊認為,這是高原鼠兔的降低能量消耗的策略。而後續的檢測證實了他們的想法,冬季的高原鼠兔其身體代謝率比夏季低 30%。研究團隊也測量了高原鼠兔血液中的甲狀腺素含量,發現其甲狀腺素的含量會在冬季大幅下降。因此他們推測,高原鼠兔降低代謝率的能力是通過控制甲狀腺素的量來調控的。

降低身體代謝率是動物過冬的常見策略,因此這個發現沒讓研究團隊太意外,但光靠這個策略是不足以撐過冬天的。要對抗寒冷,必須要攝取食物來產生熱量,但冬季的青藏高原並沒有足夠的食物讓高原鼠兔食用。正當研究團隊困惑這些小傢伙到底靠食用甚麼來維生時,當地的西藏人給他們一個驚人的觀察報告:高原鼠兔會吃氂牛的糞便。起初研究團隊對這個觀察沒放在心上,但隨著越來越多西藏人都表明有看到這樣的景象,讓他們覺得有必要進行深入研究。

研究團隊通過在多個氂牛的群居地設置狩獵用攝影機,成功拍攝到高原鼠兔在大啖氂牛糞便的景象,而且頻率頗高!

影片來源/PNAS

研究團隊進一步分析高原鼠兔的胃部殘留物和腸道菌組成,發現牠們的胃內確實有大量氂牛的 DNA ,而且其腸道菌組成也和氂牛幾乎一致,顯示了高原鼠兔確實會將氂牛糞便當作食物來源。不過根據研究顯示,高原鼠兔的吃屎行為一年四季都有,只是在食物匱乏的冬季頻率較高。這個結果解釋了過往科學家們的疑惑:為何氂牛數量較多的地方,高原鼠兔的數量也較多?這兩個物種會互相競爭食物,理論上同一地區不該都有高數量。但這個結果告訴我們,因為氂牛糞便也是高原鼠兔的食物來源,因此氂牛多的地方,高原鼠兔自然也多~

那高原鼠兔怎麼會發展出這種讓過冬策略呢?研究團隊推測有以下原因:

  1. 氂牛糞便作為食物來源,非常容易取得,這讓高原鼠兔不用花太多能量就能找到。而這也體現在,居住在氂牛數量高地區的高原鼠兔,其活動量也較少。
  2. 這些糞便因經過氂牛的消化,更容易被高原鼠兔吸收,而這減少了高原鼠兔消化食物所需消耗的能量。
  3. 糞便能提供水分和稀缺的營養成分。

雖然糞便做為食物有不少好處,但同樣也有不少風險,例如攝取到寄生蟲的問題,因此關於高原鼠兔食用糞便背後的好處/壞處,還需要更多的研究。

相信隨著對非冬眠動物的研究增加,未來一定能揭示更多的非冬眠策略。或許未來地球的氣候突然來個大轉變,再次進入冰河期,這些策略就能作為人類存活下去的重要參考依據。不過希望這方面的研究能揭示更多策略,畢竟吃大便的策略,還真讓人不敢恭維啊……

參考資料

  1. Speakman JR, Chi Q, Ołdakowski Ł, Fu H, Fletcher QE, Hambly C, Togo J, Liu X, Piertney SB, Wang X, Zhang L, Redman P, Wang L, Tang G, Li Y, Cui J, Thomson PJ, Wang Z, Glover P, Robertson OC, Zhang Y, Wang D. Surviving winter on the Qinghai-Tibetan Plateau: Pikas suppress energy demands and exploit yak feces to survive winter. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Jul 27;118(30):e2100707118
  2. 冬眠
羅夏_96
52 篇文章 ・ 530 位粉絲
同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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廚房與食品工廠如何確保食品安全?認識傳統食品加工
社團法人台灣國際生命科學會_96
・2019/10/26 ・2957字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

  • 作者/朱中亮,財團法人食品工業發展研究所資深研究員

蔬菜與生鮮魚肉等食物,從採收或屠宰一直到送到廚房或餐桌之前,會經過各種生化反應,同時微生物也會在其中繁殖,當菌數過多或產生毒素時,就會對人體產生危害。為了確保食品安全,必須進行適度加工以便保存,許多食品加工技術都是因此發展出來的。

食品加工對食品的重要性不容忽略,本期的 ILSI Taiwan 專欄邀請財團法人食品工業發展研究所朱中亮資深研究員為您介紹這些基礎且重要的傳統食品加工技術。

食品加工的初衷:為人類生活帶來便利

美國知名的商業雜誌《彭博商業周刊》(Bloomberg Businessweek) 2014 年慶祝創刊 85 周年時,列舉 85 項為人類生活帶來便利的發明及創造,其中與食品有關的包括:麥當勞的誕生、冰箱(製冷技術)的發明、高果糖糖漿的問世、瓶裝水的製造、嬰兒奶粉配方的發明、星巴克的誕生。

美國《彭博商業周刊》列舉 85 項帶來人民生活便利的發明及創造,其中與食品有關的包括六項。

這些發明中,高果糖糖漿被認為是造成肥胖、人體危害的元兇而備受批評。

其實高果糖糖漿的發明是為了避免自然資源的浪費,由於許多食品製造時都需要糖,但糖從原料甘蔗或甜菜的種植到採收、再加工變成蔗糖所需的程序非常繁複與漫長,科學家便想到利用澱粉含量極高的玉米,透過酵素直接轉換成糖,不僅簡化製程,也能避免自然資源的浪費。

掌握美味與安全的秘訣:火候

不少人認為食品工廠就是放大版的廚房,其實並不然,如果只是將廚房的一個灶擴增為十個灶來生產,勢必無法對食品品質進行嚴格的控管,更將導致食品品質參差不齊的狀況發生。

廚師製作料理時經常談到火候,所謂「小火慢燉、大火快炒」,食品工廠進行調理生產時,也必須精確掌握溫度與時間,否則將無法維持食品的品質。

火候掌握得宜不僅是美味的秘訣,更是食品安全的重要關鍵。因為加熱殺死微生物是一種很有效保存食品的技術。若兩者無法同時兼顧時,食品業者絕對是要犧牲美味,做到足夠的殺菌或滅菌,以確保食品的安全。

在此必須與讀者們介紹兩個名詞:「滅菌 (sterilization)」與「殺菌 (pasteurization)」,在食品科技上有非常明確的定義,可惜卻時常被大眾所混用。

兩者最大的差別在於:滅菌後的產品能夠室溫保存,而殺菌後的產品必須冷藏保存

延長保存時間大招:冷凍冷藏技術

談完「熱」接著提到「冷」的技術。將溫度降低的冷凍冷藏技術能減緩食品腐壞的速度、延長食品保存時間。

如果要問冷凍與冷藏孰優孰劣?其實各有優缺點,兩者最主要的區別在於溫度差異,將食品冷凍所產生的冰晶容易破壞其質地,解凍復熱時也較為不便;將食品冷藏保存雖然復熱較快速,但保存期限較短。

食品業者也會針對產品的特性,而選擇使用冷凍或是冷藏來保存食品。便利商店的三角飯糰大多擺放在 18℃ 的冷藏櫃,目的是兼具食品安全與美味。

因為米飯在 12℃ 以下口感會開始變硬,更別提一般的 4℃ 冷藏,食品業者必須在美味與食品保存的綜合考量下做出妥協,以至於飯糰的保存期就變得很短。在此也呼籲消費者購買飯糰後應儘速食用,切勿放置在室溫下一陣子才吃。

便利商店的三角飯糰大多擺放在18℃的冷藏櫃,目的是兼具食品安全與美味。

提到冷凍就不得不提「急速冷凍技術」。急速冷凍能維持較良好的食品品質,蔬菜與肉品都是細胞組成,緩慢冷凍容易使食品中的冰晶聚集形成大冰晶穿破這些細胞使裡面的細胞質流出,所以在解凍時會有「湯汁」滲出,食物中的美味與營養也容易就這樣「付諸流水」。

而急速冷凍技術的可貴之處就是讓細胞中的水份結凍時維持小冰晶,在解凍時較能保持質地完整,使食品風味保存更佳。

食品品質的關鍵:掌握「水活性」

影響食品安定性的因子可以分為物理性、生物性及化學性,物理性如同冷凍結晶、乾燥收縮或受壓破損等會影響食品品質;生物性因子最常見的如麵包上的黑黴、橘皮上的青黴、酵素分解食品產生異味等;化學性如氧化、褐變等造成食品外觀改變,這些因子都會影響食品的安定性與消費者對食品的接受度。

影響食品安定性的因子。

無論是物理、化學或是生物性因子,控制水份都是重要的手段,因此在食品中,便出現水活性的概念。水活性是由澳洲學者 William James Scott 所提出,他雖然不是第一位研究水份對食品品質影響的人,但卻是第一位把這些變化因素,用科學方法歸納成水活性這個指標,且發現控制該指標就能確實掌握食品品質。

Scott 提出一個聰明又簡單的方法:將食品盛裝在容器中量測食品能產生多少水蒸氣,如果產生的水蒸氣越多,就代表水越容易被微生物利用。

如果食品中含有某些成分比微生物或者其他化學物質更能抓住水,那水就不會被微生物或化學反應使用,也就不會發生食品劣變反應,因此我們定義取得水的容易程度為水活性。

許多糕點師傅知道降低含水率能避免發霉,但也容易使產品過乾,導入水活性的概念後,師傅們了解即使含水率高,仍能藉由降低水活性阻止糕點發霉。

降低水活性的方法有很多,如醬油加鹽、水果乾加糖、榨菜及德式酸菜除了鹽漬降低水活性之外,還會透過發酵來增加酸度降低 pH值,這些步驟都能增加食品的保存期限。

食品保存期限的意義到底是什麼呢?

我曾經在報導上看到日本研發出 20 年不會變質的防災食品,以現在食品加工技術來說,製造 20 年不會發霉的食品並不困難,難的是除了不發霉之外,還要兼具美味。

請試著思考一下,20 年不會發霉的防災食品是否代表產品標示上的保存期限就該寫 20 年?我們該如何看待食品的保存期限呢?

灰姑娘的故事相信讀者們都耳熟能詳,「……灰姑娘飛快地奔出皇宮大門時,12 點的鐘聲剛好響完。剎那間,所有的東西都恢復原樣……」,如果食品標示上寫的保存期限是 7 月 1 日,是不是代表一旦到了 7 月 2 日的 0 時 1 分,食品剎那間就會對食用者造成嚴重後果呢?絕對不是如此。又如同梅干菜、酒這類的食品都是越陳越香,它們的保存期限又該是多久呢?

保存期限的概念非常複雜,對食品業者而言,決定保存期限的指標包含兩種:微生物產生的腐敗成分變化帶來的感官品質劣變。

大多數生鮮產品的保存期限到期是因微生物生長而造成產品腐敗,但有些產品如罐頭、冷凍食品,所謂的過期並非因為微生物生長,而是產品的風味變差。

我曾經做過一個實驗針對超過保存期限的罐頭果汁進行感官測試,發現真正產生風味變化的產品的百分率並不高,但對食品企業而言無法接受這樣的不良率,因此在訂定保存期限時會採取較保守的作法,也往往出現有些食品即使到達保存期限仍然還可食用的現象。

然而這已非單純的科學議題,如何在減少食物浪費的情況下,同時確保食品品質與安全,使食物資源能更有效地被運用?這是一個值得大家思考與重視的議題。

  • 本文轉載自 ILSI Taiwan-2019 年第 6 期《走進廚房與食品工廠,認識傳統食品加工》,歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 ILSI Taiwan 喔!
  • 作者/朱中亮│資深研究員
    德國Hohenheim大學食品科技研究所博士,現任財團法人食品工業發展研究所資深研究員。專長為食品加工與製程,目前研究技術領域為食品非熱加工技術、冷藏食品保存期限預測及溫度管理技術等。
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