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從銅板美食到生物材料，你所不知道的愛玉凍科學！採訪撰文│黃品維美術設計│林洵安 2022-01-28 愛玉結膠過程的黏彈性變化甜品中常見的愛玉，其實是非常有趣的生物材料，它並不需要加熱、也不需要額外的添加物，就可以在室溫底下凝結成膠，變成愛玉凍。中央研究院「研之有物」專訪院內物理研究所陳彥龍研究員，他與團隊分析愛玉在凝膠過程黏性與彈性的改變，最後建立數學模型，預測愛玉結膠現象。未來，愛玉將有望取代藻膠（alginate），用於人造植物肉的口感調整，或是作為輸送藥物的微顆粒成分。現在先讓我們一起來看有趣的愛玉研究吧！ https://i.imgur.com/CbcLO9f.jpg (你知道為什麼愛玉籽洗一洗就會變成愛玉凍嗎？圖│iStock) 愛玉：從街頭到實驗室愛玉為臺灣人的平民美食，檸檬愛玉、愛玉粉圓、愛玉芒果冰……QQ 彈彈好吃到咩噗的愛玉，是許多人喝手搖時最愛的配料，也是炎熱夏天的消暑聖品。我們從小吃到大的愛玉，學名叫 Ficus Pumila var. Awkeotsang，它跟洋菜凍、石花凍等膠體食物很不一樣，在製作過程中，愛玉並不需要經過烹煮、也不需要加入其他添加物，就能在室溫下產生膠化反應，形成愛玉凍。可惜的是，愛玉在學術上並未有太多深入的探討。中研院物理所陳彥龍研究員，主要從事高分子流體與非線性流體的研究，他一直以來對膠體非常有興趣。這一次他鎖定了愛玉，與美國麻省理工學院（MIT）合作，希望從流變學的角度切入，探究愛玉膠化的秘密！愛玉如何膠化變成愛玉凍？首先，我們要先簡單了解一下，愛玉為什麼可以在室溫下結膠？大家如果有製作過愛玉的話，應該都會記得一開始的步驟：我們要先把愛玉籽裝進紗布袋裡面，並在水中不斷地搓揉，靜置一段時間後，才能讓愛玉慢慢形成。這個「洗愛玉」的動作，其實就是將愛玉籽中的高分子、酵素、金屬離子等物質，析出到水溶液裡面，形成愛玉萃取液。而在萃取液中，最主要的成分之一，就是聚半乳醣醛酸（poly galacturonic acid，簡稱 PGA）。PGA 是一種長鏈的高分子，也是讓愛玉凝結成膠的重要成分，它在水溶液中會發生三階段的化學反應： https://i.imgur.com/dH1azFT.jpg (圖│研之有物（資料來源│陳彥龍）) 愛玉萃取液中，鈣離子會與長鏈的 PGA 形成交聯，而多個交聯會緊密排列，成為更穩定的連結區。隨著連結區愈來愈多，愛玉也就變成愛玉凍了！詳細如下：第一階段（I），PGA 分子的 R-COOCH3（甲氧基），會被愛玉獨有的愛玉果膠酶（pectin methylesterase enzyme）活化變成 R-COOH（羧基），兩個 R-COO– 和鈣離子會形成暫時性的交聯（crosslink）。第二階段（II），當萃取液中的鈣離子搭起一座又一座橋樑，連續的交聯將兩段 PGA 鏈結在一起，開始形成點狀交聯（point-like crosslinks，PC）或較短的連結區（Short Junction Zones，SJZ）。第三階段（III），隨著越來越多鈣離子與 PGA 鍵結，交聯一個接著一個排列，形成長串的連結區（Junction Zone，JZ）。連結區是非常穩定的結構，它就像拉鍊一樣，把兩段 PGA 牢牢地嵌在一起，此時愛玉也慢慢出現固體特性，變成了「愛玉凍」。從流變學分析愛玉膠化的過程身為物理學家，陳彥龍還想知道：愛玉在結膠過程中，物理性質又是怎麼改變呢？為了釐清這個問題，研究團隊從流變學（Rheology）的角度，分析愛玉結膠的現象。所謂的「流變學」，是探討材料物理性質的一種方法，通常會測量材料的黏彈性（Viscoelasticity），很適合兼具固體與液體特性的軟物質（Soft matter）。對固體來說，如果對材料施力的話，它的形狀會改變；當外力移除，它就會回復原本形狀。這就是固體的「彈性」（Elasticity），它會吸收讓形狀改變的能量，就像我們用湯匙碰一下布丁，布丁會回彈一樣。另一方面，如果我們對液體施力，材料就會開始流動，在相同的施力下，不同流體會有各自的流速，例如攪動玉米濃湯和奶茶的黏稠度就不一樣，這代表不同流體有不一樣的「黏性」（Viscosity）。有些物質同時具備「彈性」與「黏性」兩種特性，而愛玉就是其中一種。愛玉從萃取液變成愛玉凍的過程中，雖然「彈性」變得越來越明顯，但仍然保有流體的「黏性」。這樣的愛玉，不是單純的固體、也不是單純的流體，所以需要透過流變學，探討愛玉的物理性質。 https://i.imgur.com/efXmdaV.jpg (材料有彈性，也有黏性，愛玉同時具備兩個特性。愛玉從萃取液變成愛玉凍的過程中，雖然固體的「彈性」變得越來越明顯，但仍然保有流體的「黏性」。圖│研之有物) 如何量測愛玉的黏彈性？為了研究愛玉的黏彈性，研究團隊將愛玉萃取液裝進流變儀（rheometer）的杯狀容器內，再把圓筒狀量具（下圖）放入愛玉之中。這個量具由馬達驅動，會像陀螺一樣在愛玉裡面來回轉動，向愛玉施力。從愛玉反饋給儀器的力矩，我們就可以了解結膠過程中，愛玉的黏彈性變化。 https://i.imgur.com/546eKWg.jpg (左為杯狀容器與量具；右為 OWCh 的模擬疊加波，此形變訊號 γ 將輸入儀器中進行量測。圖│研之有物（資料來源│陳彥龍）) 一般來說，流變儀會使用固定的頻率（例如正弦波）旋轉量具，來蒐集物質對特定頻率的反應。不過，由於愛玉結膠的變化很快，這樣的量測方式追不上愛玉質變的速度。陳彥龍說道：「測量的過程中，愛玉材料性質就已經變了。」為了解決這個問題，美國麻省理工學院 Gareth McKinley 教授與學生 Michela Geri 發明了Optimally-Windowed Chirps（OWCh）量測方式。OWCh 可以疊加不同頻率、不同振幅的形變波，再使用這個疊加波，對愛玉進行測試，最後從實驗結果，回推愛玉對不同頻率形變的力學反應。陳彥龍表示「OWCh 測量物質對頻率反應的時間非常短，在愛玉演化的過程中，每一個時間點我都可以得到它對頻率的反應，擴充了之前實驗上做不到的量測。」愛玉膠化過程的神秘轉折！從流變儀的實驗結果，我們得知愛玉在結膠時的黏彈性變化，下圖黑線 G’ 代表愛玉的固體性質（彈性模數部分，storage modulus）、紅線 G” 代表愛玉的液體性質（黏性模數部分，loss modulus）。可以看到，一開始液狀的愛玉幾乎沒有彈性，但過了一段時間後，彈性模數開始快速增加，甚至超過了黏性模數。兩條線交會的點為膠化點（gelation point），此刻為膠化時間（gelation time，tgel），代表愛玉的固體與液體特性相同。在膠化點之後，愛玉的固體性質越來越明顯。最終，愛玉變成了愛玉凍，黏彈性的變化也漸漸趨於穩定。 https://i.imgur.com/Nsn5zo5.jpg (上圖為愛玉在結膠時的黏彈性變化，黑線 G’ 和紅線 G” 交會的點為膠化點，此刻為膠化時間（tgel），代表愛玉的固體與液體特性相同。圖│研之有物（資料來源│陳彥龍）) 不過，如果看仔細一點，會發現一個有趣的現象：膠化點之後，愛玉的黏性與彈性會先經歷小幅度趨緩，甚至下降，再轉折成穩定上升的趨勢，出現了拐點（inflection point）（上圖箭頭處）。這就奇怪了！在陳彥龍一開始的理論預測中，鈣離子與 PGA 交聯的濃度（[Ca-PGA]），會隨著時間增加而穩定上升。照理說，愛玉應該也要穩定的固化才對。然而，不論是彈性還是黏性，都同時出現拐點，代表愛玉在膠化時，還有一些狀況沒被考慮到。 https://i.imgur.com/4sJ03li.jpg (在原本的理論預測中，鈣離子與 PGA 交聯的濃度 [Ca-PGA] 會隨著時間穩定上升。但實際上，愛玉卻沒有穩定的固化。圖│研之有物（資料來源│陳彥龍）) 經過一番研究，陳彥龍推測，拐點的出現，可能是因為某些交聯「分離了」。我們前面有提到，成串的交聯會形成連結區（JZ），而 JZ 非常穩定，是愛玉膠體重要的結構支撐。但是，單獨的交聯、或是較短的連結區（SJZ），鍵結其實是很弱的。在形成 JZ 之前，這一些不穩定的交聯可能會先分離，導致交聯網路形成的速度變慢，才會在實驗中看到黏性與彈性出現拐點的現象。顯微鏡下的愛玉長什麼樣子？另一方面，為了觀察凝膠過程的微觀結構，研究團隊使用冷凍電子顯微鏡（Cryo-EM），觀察愛玉結膠時的變化。陳彥龍主要選定了三個時間點來觀測，分別是膠化點（A）、拐點（B），以及愛玉凍趨於穩定的時間點（C）。 https://i.imgur.com/ndn4w6B.jpg (縱向的虛線即為選定的時間點，分別為膠化點（A）、拐點（B），以及愛玉膠體趨於穩定的時間點（C）。圖│研之有物（資料來源│陳彥龍）) 從下圖可以看到，在接近膠化點前，圖片中間有一些白色細纖維（A），看起來是愛玉凍剛開始形成的狀態。至於周圍的其它孔洞，則可能是因為樣本急速冷凍，導致水結成冰晶所造成的空隙。接著，拐點左右的時間點，我們看到愛玉開始形成網路結構（B）。隨著時間增加，結構變得越來越緻密，等到膠體進入穩定階段時，就形成了穩固的纖維網路（C），而愛玉也變成緻密的愛玉凍了！ https://i.imgur.com/lkN55ZD.jpg (樣品是在選定時間點之前冷凍製備，顯微鏡下的觀測結果，可以看到愛玉高分子網絡隨著膠凝化越來越緻密。圖│研之有物（資料來源│陳彥龍）) 破解愛玉的膠化密碼陳彥龍團隊不僅從實驗了解愛玉物理特性，還發展理論預測愛玉膠化程度。簡單來說，只需要知道愛玉籽一開始的重量，以及環境的基本條件，就可以推算愛玉在不同時間點的彈性、黏性會如何變化。首先團隊從化學反應動力學出發，算出愛玉萃取液中鈣離子和 PGA 交聯的濃度 [Ca-PGA]，也就是鈣離子搭了幾座橋。有了 [Ca-PGA]，就可以知道某個時間的愛玉彈性。原則上交聯越多，愛玉越有彈性。不過，因為實驗發現愛玉黏彈性有轉折點，團隊進一步考慮短連結區（SJZ）和連結區（JZ）的數量密度，修正理論模型，貼近真實的膠化情況。最後，研究團隊終於研擬出一個能夠預測愛玉膠化行為的數學模型。陳彥龍總結道：「這次主要的研究成果，就是探討愛玉結膠過程中黏彈性的改變，還有透過反應動力學的理論基礎，來預測愛玉膠化的過程。」有了理論模型可以做什麼？平民美食大變身！有了理論模型後，未來製作愛玉時，我們就不用依賴那雙洗愛玉籽的神之手，而是能更精準的掌握和控制愛玉的結膠品質。讓愛玉不僅可以單吃，還能成為食品業和生醫材料的幫手！在食品科學方面，近年廠商開始嘗試用人造植物肉取代動物肉食材, 輔助環境永續與減少碳排放。這些植物肉，通常都會利用膠狀食材來調整口感，如果我們能夠精準地調整愛玉的硬度，或許也能讓愛玉成為植物肉的一部分。在生醫材料的應用上，愛玉也可以參一腳。近幾年，很多研究討論藻膠在藥物輸送上的應用，將藥品包在含有藻膠的微膠囊內，控制藥物在體內釋放的時間。藻膠的成分，與愛玉有很多類似的地方，陳彥龍期待地說：「如果用愛玉來做的話，是不是能夠達成類似的性質呢？」另外，由於愛玉本身的果膠分子屬於弱電解質，有機會取代其他高分子液體的應用。目前，陳彥龍團隊正在跟其他實驗室合作，探討愛玉做為鋰電池的電解液，是否具有未來發展性。下次當你吃著喜歡的愛玉時，大可不必思考背後複雜的流變學；不過要記得，愛玉不只是手搖杯的配料、也不只是臺灣美食，更是極具發展潛力的生物材料！『愛玉不只是愛玉，更是極具發展潛力的生物材料！』 #化學 #愛玉 #材料力學 #流變學 #物理所 #軟物質出處：研之有物網址： https://research.sinica.edu.tw/rheology-aiyu-jelly-yeng-long-chen/ 愛玉是很神奇的食物! 搓著搓著居然就能膠化小時候我也跟著大人們製作過愛玉當時的我只顧著吃卻沒想過為什麼...