藍印術的另類實驗與探討檸檬酸根的反應

施建輝

國立新竹科學園區實驗高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  趣味化學實驗：「藍印術」

高中化學於選修化學（下）無機化學這個單元，會介紹到以下內容：「鐵離子（Fe³⁺）與黃血鹽（K₄[Fe(CN)₆], potassium ferrocyanide）混合時會生成稱為普魯士藍（Prussian blue）的深藍色沉澱」，同時也會提及：「亞鐵離子（Fe²⁺）與赤血鹽（K₃[Fe(CN)₆], potassium ferricyanide）混合時也會生成深藍色沉澱，以往稱為滕氏藍（Turnbull’s blue），後來發現它的結構與普魯士藍一樣，因此通稱為普魯士藍」，如圖1所示。

圖1：黃血鹽與Fe³⁺反應或赤血鹽與Fe²⁺反應均生成普魯士藍

（圖片取自翰林出版社）

一、傳統的「藍印術」

這個反應一般應用於建築界的設計圖，稱為藍圖，由於藍圖的呈現需要經過陽光曝晒，因此一般稱為「晒藍圖」，所得到的藍圖稱為「藍晒圖」。筆者於新竹科學園區實驗中學任教時，曾於選修課加入這個實驗，稱為「藍印術」。「藍印術」的實驗步驟如下：

1.        溶液A：30 g赤血鹽（K₃[Fe(CN)₆]，又稱鐵氰化鉀）溶於100 mL水中。
溶液B：40 g檸檬酸銨鐵（(NH₄)₃Fe(C₆H₅O₇)₂, iron(Ⅲ) ammonium citrate）溶於100 mL水中。

2.        取等量之溶液A與溶液B混合，塗在圖畫紙上，於暗處陰乾，即得感光紙。

3.        取另一張圖畫紙設計圖案並剪裁，將剪裁完成之圖案蓋在已塗有感光原料之圖畫紙上，進行曝晒，若陽光強烈，約2~3分鐘即可完成反應，得到普魯士藍之藍色沉澱，此一步驟於照相術中稱為「顯影」。

4.        移走蓋在上方之圖畫紙，以自來水小心沖洗下方之圖畫紙，將未曝光的感光原料從圖畫紙上移除，此一步驟於照相術中稱為「定影」。

5.        晾乾，即得「藍印術」作品。

6.        「藍印術」學生作品見圖2。

 

圖2：新竹科學園區實驗中學「藍印術」學生作品

二、周芳妃老師改良的「藍印術」

臺北市第一女子高級中學化學科周芳妃老師2013年於高中基礎科學教學研習會中，介紹新的「藍印術」的實驗步驟給研習老師，過程簡單，成果良好，簡介如下：

1.        溶液A：檸檬酸銨鐵25 g / 100 mL水。
溶液B：鐵氰化鉀10 g / 100 mL水。
感光液：A、B = 1：1的混合溶液。

2.        步驟

(1)     先取一個透明小塑膠袋，使用黑色油性筆在塑膠袋上畫一些圖案，作為遮光罩的圖案。

(2)     將混合溶液2mL倒入另一小塑膠袋，放入一張濾紙，使濾紙完全吸滿混合溶液，取出濾紙，放進已設計圖案的塑膠袋，曝晒約15分鐘，當濾紙呈深藍色，停止曝晒。

(3)     加少許水到塑膠袋內，小心取出濾紙，將濾紙放在塑膠袋上，用燒杯裝水，緩慢地淋洗濾紙，直到淋洗後的水呈透明澄清。

(4)     以衛生紙將水吸乾，即完成作品。

3.        北一女中學生的「藍印術」作品，如圖3所示。

 

圖3：北一女中「藍印術」學生作品

2014年高中基礎科學教學研習會中，北一女中化學科周芳妃老師又帶來另一套「藍印術」的實驗方式，名稱是「小綠綠晶體與藍印術」，除了增加綠色的草酸鐵鉀晶體的製作，與「藍印術」有關的改變是將檸檬酸銨鐵改為草酸鉀，其他步驟如上。

之後，國立大甲高中化學科團隊推出「人像藍印術」，將「藍印術」的製作發揮到極致，其實驗內容請見《科技Online – 科技部高瞻自然科學教學平台》或《臺灣化學教育》第三期（2014年9月）。以下提供交通大學應化系普通化學實驗「光化學反應與普魯士藍」實驗所使用藥品的新配方和實驗步驟，給讀者參考。

三、交通大學應化系「光化學反應與普魯士藍」

1.        實驗藥品

1.5 M檸檬酸鈉、0.25 M鐵氰化鉀、1.5 M氯化鐵

2.        實驗步驟

(1)     分別配製10 mL的0.25 M鐵氰化鉀溶液、5 mL的1.5 M檸檬酸鈉溶液、5 mL的1.5 M氯化鐵溶液於錐形瓶中。以上溶液可供4組共用。

(2)     為避免不希望的光化學反應發生，關閉抽風櫥內日光燈，並避免日光直接照射實驗。

(3)     以滴管取1.5 mL的檸檬酸鈉溶液和0.5 mL的氯化鐵溶液，加入乾淨試管中混合，若有沈澱出現可輕晃試管使其消失，觀察溶液顏色。

(4)     取1 mL的鐵氰化鉀溶液加入檸檬酸鈉–氯化鐵溶液，輕晃試管混合均勻，成為感光劑。觀察溶液顏色變化。

(5)     利用滴管吸取約0.3-0.5 mL的感光劑，滴在一張濾紙上，使整張濾紙被感光劑浸濕，之後以電磁加熱攪拌器烘乾。共準備兩張感光用濾紙。

(6)     剩餘的感光劑溶液可移至陽光下，觀察溶液顏色變化。

(7)     取一張感光用濾紙，將曝光遮蓋用圖案置於其上，移至陽光下，照光至你覺得未遮蓋區域顏色夠深為止。若日照強烈，曝光時間約2分鐘即可得不錯結果。

(8)     將濾紙置於水龍頭下，小心洗去未發生化學反應的感光劑後溫和烘乾濾紙，可得到氰版顯影圖案。

(9)     取另一張感光用濾紙，將曝光遮蓋用圖案置於其上，移至日光燈下，曝光15分鐘。之後重複步驟8。

(10) 乾淨試管中置入1 mL的鐵氰化鉀溶液，加入0.5 mL的氯化鐵溶液，輕晃試管混合，並觀察溶液顏色變化。

n  探討檸檬酸根和草酸根的反應

以上內容是介紹三種「藍印術」的製作步驟，而困擾我的是，為何檸檬酸銨鐵溶液與鐵氰化鉀溶液混合後照光，即可生成普魯士藍沉澱？筆者最早進行「藍印術」實驗的參考資料是一本化學示範的書籍—Chemical Demonstrations: A Sourcebook for Teachers, Volume 1 （見參考資料1），僅提到反應式[1]和[2]：

    [1]

    [2]

由上面兩反應式，我無法得知其為何照光後鐵離子（Fe³⁺）就可還原為亞鐵離子（Fe²⁺）？又，檸檬酸根在反應中扮演何種角色？後來查詢到各種不同的解釋，但是都無法令我完全認同。2014年我在清華大學師資培育中心向學生們介紹「藍印術」並提出我的困擾，有位學生說他看過一篇有關藉由光化學還原來合成銀納米結構的文章—Synthesis of Ag Nanostructures by Photochemical Reduction Using Citrate-Capped Pt Seeds（見參考資料2），其內容有提及檸檬酸根照光後與金屬鉑如何轉移電子的反應過程，提供我參考，我閱讀後，覺得曙光乍現，很是高興。去年有機會接觸到交通大學應化系的教授，我請問其中一位教授是否知道「藍印術」的詳細化學反應，該教授隔日即寄來一篇相關普魯士藍的文章—Prussian Blue: Artists’ Pigment and Chemists’ Sponge（見參考資料3）和該系普通化學實驗一個單元—「光化學反應與普魯士藍」的教材供我參考。有了這些資料，我覺得兩篇論文關於「藍印術」各反應物的反應敘述是正確的且可以接受的。以下就這兩篇論文中有關「藍印術」實驗和周芳妃老師的「小綠綠晶體與藍印術」實驗，介紹此三實驗使用不同反應物並且發生不同的化學反應，提供讀者參考。

一、「藍印術」各反應物的反應

1.        文章一：Synthesis of Ag Nanostructures by Photochemical Reduction Using Citrate-Capped Pt Seeds（見參考資料2）

該篇文章的內容與「藍印術」相關的資料，整理如下：

(1)    在該文章第6頁的Figure 5中，說明檸檬酸根離子（citrate）以配位基與Pt結合，於照射紫外光後，檸檬酸根離子分解並失去電子的電子轉移。詳細的電子轉移方式，請到參考資料2查閱。

(2)    在該文章在第4頁中，提及檸檬酸根離子照射紫外光分解，產生丙酮-1,3-二羧酸（acetone-1,3-dicarboxylate）和二氧化碳，並失去電子，其氧化半反應如式[3]所示：

[3]

(3)    根據上述半反應，檸檬酸銨鐵中的鐵離子（Fe³⁺）得到電子，成為亞鐵離子（Fe²⁺）。其半反應如式[4]所示：

    [4]

(4)    最後，亞鐵離子（Fe²⁺）與赤血鹽（K₃[Fe(CN)₆]）反應生成普魯士藍。

2.        文章二：Prussian Blue: Artists’ Pigment and Chemists’ Sponge（見參考資料3）

該篇文章的內容與「藍印術」相關的資料，整理如下：

(1)     在該文章的第617頁，說明檸檬酸銨鐵中的檸檬酸根離子照射紫外光分解，產生丙酮-1,3-二乙酸（CO(CH₂COOH)₂）和二氧化碳，並失去電子；鐵離子（Fe³⁺）得到電子，生成亞鐵離子（Fe²⁺），其化學反應如式[5]所示：

    [5]

(2)     說明亞鐵離子（Fe²⁺）再與赤血鹽（K₃[Fe(CN)₆]）反應生成普魯士藍，其化學反應如式[6]所示：

  [6]

3.        北一女中「小綠綠晶體與藍印術」實驗

(1)     使用草酸鉀取代檸檬酸銨鐵，草酸根離子於照射紫外光下，發生氧化反應產生二氧化碳，並失去電子而，其氧化半反應如式[7]所示：

    [7]

(2)     鐵離子（Fe³⁺）則得到電子，成為亞鐵離子（Fe²⁺），其還原半反應如式[4]所示。

(3)     最後亞鐵離子（Fe²⁺）再與赤血鹽（K₃[Fe(CN)₆]）反應生成普魯士藍，其化學反應如式[6]所示。

n  結語

1.        從 “Synthesis of Ag Nanostructures by Photochemical Reduction Using Citrate-Capped Pt Seeds”和“Prussian Blue: Artists’ Pigment and Chemists’ Sponge” 這兩篇論文與「藍印術」相關內容，可得知檸檬酸根在照射紫外光時如何失去電子，以及鐵離子（Fe³⁺）如何得到電子成為亞鐵離子（Fe²⁺）。

2.        因為鐵離子（Fe³⁺）得到電子成為亞鐵離子（Fe²⁺），才能與赤血鹽（K₃[Fe(CN)₆]）反應生成普魯士藍。

3.        檸檬酸銨鐵價格昂貴，對設備費不是很充裕的高中而言，是很沈重的負擔，若參照北一女中「小綠綠晶體與藍印術」與交通大學應化系「光化學反應與普魯士藍」的實驗藥品，將會相當程度的減輕負擔，可供各校參考。

n  參考資料

1.        Lee R. Summerlin, and James L. Ealy, Jr. Chemical Demonstrations: A Sourcebook for Teachers, Vol. 1, 144-145, Second Edition, American Chemical Society, Washington, DC, 1988.

2.        Hyeong-Ho Park, Xin Zhang, Yong-June Choi, Hyung-Ho Park, and Ross H. Hill. Synthesis of Ag Nanostructures by Photochemical Reduction Using Citrate-Capped Pt Seeds. J. Nanomater. 2011. 2011, 1–7.

3.        Mike Ware. Prussian Blue: Artists’ Pigment and Chemists’ Sponge. Journal of Chemical Education, Vol. 85, 2008, 612–621.

4.        臺北市第一女子高級中學化學科周芳妃老師：「小綠綠晶體與藍印術」，2014高中基礎科學研習會。

5.        交通大學應化系普通化學實驗：「光化學反應與普魯士藍」。

 

創意微型實驗—微型變色自來水裝置
與在化學教學演示上之應用

方金祥

創意微型科學工作室
[email protected]

本文描述微型變色自來水龍頭裝置之設計，該裝置在密閉系統之下使水位較低的儲水槽中之水往較高於儲水槽上的水龍頭流出來，並可應用於一般酸鹼指示劑或天然酸鹼指示劑與由水龍頭流出來之酸鹼溶液，經過酸鹼中和之後的指示劑顏色變化之教學演示，使化學教學更為生動活有趣。

n  微型變色自來水及其變色之原理

微型變色自來水是利用大氣壓力和虹吸現象，使在密閉系統中之水由下往上流，再經由塑膠三通活栓之水龍頭流出。流出之水之所以會變色，乃是由於在水中分別加入酸與鹼性溶液及酸鹼指示劑，當由兩個微型水龍頭流出之酸性溶液與鹼性溶液碰在一起時，會即刻起了酸鹼中和反應，進而使酸鹼指示劑之顏色發生變化。

n  材料藥品與器材

1.        藥品：稀鹽酸（1 M）、氫氧化鈉溶液（1 M）、紫色高麗菜，如相片一所示。

相片一：紫色高麗菜

2.        材料：5號塑膠罐、塑膠密封罐、塑膠三通活栓、塑膠塞、100 mL塑膠瓶、5 mL塑膠滴管、透明塑膠軟管及橡皮管，如相片二所示。

    

   

相片二：塑膠罐、塑膠密封罐、塑膠三通活栓、塑膠塞、塑膠瓶、塑膠滴管、透明塑膠軟管及橡皮管

3.        器材：熱熔膠（槍），如相片三所示。

 

相片三：熱熔膠槍

n  微型變色自來水裝置之設計與組合

一、   塑膠密封罐與其蓋子上之附件

取自市售密封塑膠罐，在蓋子的直徑上有三附件，其一為較大的孔洞（直徑約7 mm），在此孔洞上附有一個可使其密封的塑膠塞子。另在蓋子上的正中央及其後方處各有1個小孔，小孔上分別有塑膠小側管，如相片四所示。

 

相片四：市售塑膠密封罐（左）及在其蓋子有3個孔洞，有2個小孔（右上和右中）和1個孔洞（右下）

二、   自來水儲存槽之設計與組裝

1.        將1支100 mL塑膠瓶的蓋子打開，然後用剪刀將蓋子之尖端剪掉0.3 cm，如相片五所示。

 

相片五：塑膠瓶與其蓋子

2.        打開密封罐蓋子上直徑約7 mm的孔洞上之塑膠塞，然後將塑膠瓶之蓋子倒插入密封塑膠罐蓋子上的孔洞中，並用熱熔膠將其固定之，如相片六所示。

 

相片六：用熱熔膠將塑膠瓶之蓋子倒插並固定在密封塑膠罐蓋子上的孔洞中

3.        於塑膠瓶之蓋子底下，接上一條長約30 cm之透明軟管（可至密封塑膠罐之底部），如相片七所示。

相片七：塑膠蓋子底下接上一條透明軟管

4.        用剪刀將100 mL的塑膠瓶底部剪開，然後再將其與固定在密封塑膠罐上之塑膠蓋組合起來作為自來水之水槽之用，如相片八所示。

 

相片八：剪開底部之塑膠瓶（左）與原蓋子組合起來供作水槽（右）

三、   自來水儲存槽之設計與組裝

1.        用熱熔膠將2個5號塑膠罐固定在塑膠密封罐的蓋子上，並在罐子上方螺紋處用白色止滑帶緊繞4圈，使其蓋子鎖上時會更加緊密，如相片九所示。

相片九：塑膠罐固定在密封塑膠罐的蓋子上

2.        用剪刀之尖端在5號塑膠罐之蓋子上各鑽出2個小孔，並再用熱熔膠將2個單孔塑膠塞固定在此小孔中，如相片十所示。

  

相片十：塑膠罐之蓋子上各鑽出2個小孔（左），2個單孔塑膠塞（中）及2個單孔塑膠塞固定在小孔中（右）

3.        在2個塑膠蓋裡面其中一個單孔塑膠塞接上一條8 cm長之橡皮管（可至塑膠罐之底部），如相片十一所示。

相片十一：塑膠蓋裡面各接上一條橡皮管

4.        將接有橡皮管之2個塑膠蓋子分別旋緊在塑膠密封罐上之2個5號塑膠罐上，即組成自來水儲存槽，如相片十二所示。

  

相片十二：自來水儲存槽

四、   微型變色自來水裝置之設計與組裝

1.        將2支5 mL的塑膠滴管的前端1 cm處，以小火微熱之使其微微向下彎曲，如相片十三所示。

相片十三：小火微熱塑膠滴管之末端使其微微向下彎曲

2.        用剪刀將彎曲之塑膠滴管剪成約5 cm長的彎管，供作水龍頭之出水口，如相片十四所示。

相片十四：剪刀將彎曲之塑膠滴管末端5 cm處減掉

3.        然後將此一彎管接在塑膠三通活栓的側孔上，而成自來水龍頭，如相片十五所示。

  

相片十五：彎管（左），塑膠三通活栓（中）和自來水龍頭（右）

4.        將自來水龍頭之塑膠三通活栓的下方接在8號塑膠罐的蓋子上之單孔塑膠塞（其下方接有橡皮管者），然後用2條長約15 cm的橡皮管將密封罐蓋子上之塑膠小側管與塑膠罐（自來水儲存槽）蓋子上之另一單孔塑膠塞連接起來，如相片十六所示。

相片十六：2條橡皮管連接塑膠密封罐蓋子上之塑膠小側管與塑膠罐蓋子上的單孔塑膠塞

5.        將塑膠密封罐之蓋子與密封罐組合起來，即組成微型變色自來水龍頭裝置，如相片十七所示。

   

相片十七：微型變色自來水裝置

n  實驗操作

一、  一般自來之水

1.        將微型變色自來水裝置上面的水龍頭和橡皮管取下來，如相片十八所示。

相片十八：取下微型變色自來水裝置上面的水龍頭和拔掉橡皮管

2.        將微型變色自來水裝置上面兩個自來水儲存槽的蓋子打開，並分別加水於其中至約九分滿，然後再將蓋子鎖緊使其密閉，如相片十九所示。

   

相片十九：打開自來水儲存槽的蓋子（左），加九分滿的水（中），將蓋子鎖緊（右）

3.        在自來水儲存槽的蓋子上接上水龍頭及橡皮管，然後將水龍頭上的塑膠三通活栓轉至三不通的位置，如相片二十所示。

 

相片二十：接上水龍頭和橡皮管（左），塑膠三通活栓轉至三不通的位置（右）

4.        從自來水儲存槽上倒入水使其流至下面的罐子中，直至流下去之水位高達罐子中透明軟管底部0.5 cm為止，使該裝置處於密封狀態，如相片二十一所示。

 

相片二十一：瓶裝自來水（左）和由自來水儲存槽上方加水（右）

5.        繼續加水至自來水儲存槽達約八分滿時，再分別將水龍頭上之塑膠三通活栓轉至自來水儲存槽與水龍頭相通之位置，然後觀察水是否會由水龍頭流出來？如相片二十二所示。

相片二十二：塑膠三通活栓轉至自來水儲存槽與水龍頭相通之位置

二、  變色自來水裝置在化學教演示上之應用：以酸鹼中和反應為例

1.        將紫色高麗菜先撕成碎片，然後利用果汁機將其攪成汁，再利用濾網過濾之而成紫色高麗菜汁供作酸鹼指示劑用，如相片二十三所示。

 

相片二十三：紫色高麗菜（左）紫色高麗菜汁（右）

2.        紫色高麗菜汁作為酸鹼指示劑，測試在酸鹼性溶液中之顏色變化。

(1)     準備一組由7支塑膠注射筒組成的比色管，如相片二十四所示。

相片二十四：塑膠注射筒組成的比色管

(2)     將比色管下方之塑膠活栓關閉，如相片二十五所示。

相片二十五：關閉比色管下方之塑膠活栓

(3)     將比色管分別加入九分滿的蒸餾水，並用0.1 M HCl溶液和0.1 M NaOH溶液將上述比色管（由左至右）中之水調成pH 1, pH 3, pH 4, pH 7, pH 8, pH 9及pH 10 之酸鹼性溶液（用pH 0~14廣用試紙比對）來測試其pH值，如相片二十六所示。

相片二十六：調製不同酸鹼性溶液

(4)     在上述比色管中不同pH值之酸鹼性溶液中，分別滴入1 mL紫色高麗菜汁之酸鹼指示劑，然後觀察由天然指示劑在比色管中所呈現出來之顏色變化pH 1（紅色）, pH 3（桃紅色）, pH 4（粉紅色）, pH 7（淡紫色）, pH 8（綠色）, pH 9（黃綠色）及pH 10（黃色），即可作為溶液的酸鹼性與其pH值之初步判斷，如相片二十七所示。

 

相片二十七：滴入1 mL紫色高麗菜汁之酸鹼指示劑於比色管中

3.        將微型變色自來水裝置上面兩個自來水儲存槽的水龍頭和橡皮管取下來，然後再將蓋子打開。

4.        在左邊的儲存槽中，加入0.1 M NaOH水溶液於至約九分滿，然後再將蓋子鎖緊使其密閉，然後再將蓋子鎖緊使其密閉，並將水龍頭及橡皮管接回去。

5.        在右邊的儲存槽中，加入0.1 M HCl水溶液於至約九分滿，並滴入3滴的酚酞酸鹼指示劑，然後再將蓋子鎖緊使其密閉，並將水龍頭及橡皮管接回去。

6.        由自來水儲存槽上方加入100 mL的自來水，經由透明塑膠管流入於塑膠密封罐中，使流入自來水之液面高於透明塑膠管之底部約2 mm而成一密閉系統。

7.        將2個儲存槽上的水龍頭之塑膠三通栓關住，然後再由自來水儲存槽上方加入自來水至八分滿及1 mL的紫色高麗菜汁作為酸鹼指示劑。先將左邊的水龍頭上的塑膠三通活栓打開，並觀察由水龍頭流出的氫氧化鈉溶液滴到下面的水槽中後遇到預先加在自來水儲存槽中之紫色高麗菜汁酸鹼指示劑後之顏色變化？

8.        其次將左邊的水龍頭的塑膠三通活栓關掉後，再將右邊的水龍頭上之塑膠三通活栓打開，並觀察由水龍頭流出的稀鹽酸溶液滴到下面的水槽中後遇到預先加在自來水儲存槽中之紫色高麗菜汁酸鹼指示劑後之顏色變化？

9.        最後將左右兩邊的水龍頭上的塑膠三通活栓都打開後，並觀察由水龍頭流出的水和滴入水槽中以及流入塑膠密封罐中之顏色各有何變化？

n  實驗結果

一、  一般自來之水之演示結果

1.        在此裝置上方2個自來水儲存槽中，加入九分滿的水和從儲存槽上加水至約八分滿後，分別將兩個水龍頭上方之塑膠三通活栓微微打開時，會看到自來水由水龍頭出口處逐滴地慢慢地滴出來，如相片二十八所示。

相片二十八：自來水由水龍頭出口逐滴地慢慢地滴出來

2.        若將水龍頭上方之塑膠三通活栓完全打開時，會看到自來水由水龍頭出口很順暢地流出來，如相片二十九所示。

  

相片二十九：兩個水龍頭均會很順暢地流出水來

二、  變色自來之水之演示結果

1.        當左邊的水龍頭上的塑膠三通活栓打開時，由水龍頭流出的水是單存的氫氧化鈉溶液，是無色透明的跟一班自來水是一樣的。

2.        由左邊的水龍頭流出的氫氧化鈉溶液滴入自來水儲存槽中，使其顏色由淡紫色（pH 7）逐漸變成深綠色（pH 8），如相片二十九所示。

   

相片二十九：酸鹼中和反應致使其顏色由中性的淡紫色（pH 7）變成鹼性的深綠色（pH 8）

3.        將左邊的水龍頭的塑膠三通活栓關掉後，再將右邊的水龍頭上之塑膠三通活栓打開，由水龍頭流出的水也是無色透明的，此乃因在稀鹽酸溶液中是呈無色，看起來也是跟一般自來水一樣的。

4.        由右邊的水龍頭流出的稀鹽酸溶液滴入自來水儲存槽中，則會與儲存槽中之氫氧化鈉溶液進行酸鹼中和反應致使其顏色會由鹼性的深綠色（pH 8）變成中性的淡紫色（pH 7） ，乃至有過量的稀鹽酸溶液時則會逐漸變成酸性的淡粉紅色（pH 4）至更微酸性的桃紅色（pH 3），因此觀察在水槽中或流至底下收集槽中之天然指示劑的顏色變化即可初步判斷溶液的酸鹼性與其pH值，如相片三十所示。

  

相片三十：酸鹼中和反應致使其顏色由鹼性的深綠色（pH 8）變成酸性的桃紅色（pH 3）

n  微型裝置實驗時注意事項

1.        本裝置必須構成一密閉系統，因此必須設法使塑膠密封罐與2個儲水槽（5號塑膠罐）的蓋子都能緊密蓋緊。

2.        加至自來水儲存槽中之水必須與塑膠密封罐底部之水連通保持一密閉系統的狀態。

3.        自來水儲存槽中之水約達七、八分滿時，再打開水龍頭上的塑膠三通活栓，由水龍頭流出的水才會更順暢。

n  微型裝置之特點

1.        本裝置取材溶液、組裝方便、操作安全。

2.        本裝置係構成一個密閉系統。

3.        可演示由水龍頭流出一般自來水或流出變色自來水。

4.        可由天然指示劑的顏色變化，初步判斷容易之酸鹼性與其pH值。

5.        可將本裝置倒置過來，使流入塑膠密封罐中的水慢慢流回塑膠罐中重複使用。

n  結語

本裝置必須構成一個密閉系統，因此必須設法使塑膠密封罐與8號塑膠罐的蓋子都緊密蓋緊。可應用於一般酸鹼指示劑或天然酸鹼指示劑與由儲存在儲水槽內的酸性溶液與鹼性溶液分別由水龍頭流出來，經天然指示劑紫色高麗菜之與酸性溶液酸鹼或鹼性溶液相遇時或酸鹼中和之後指示劑顏色變化之教學演示，使化學教學更為生動活有趣。

 

感熱紙的熱致作畫和酸鹼多段變色實驗

廖旭茂^{1, 2,} *、黃家均¹、林群耀¹、廖心妍¹

¹國立大甲高級中學
²教育部高中化學學科中心
*[email protected]

n  影片觀賞

感熱紙的簡單測試實驗曾經出現在教育部高中化學學科中心所研發的實驗影片—感熱酸鹼試紙（註1），當觀看該影片時對其中的呈色原理不是很清楚，經過一番文獻探討，並經實驗測試後，終於釐清其中的來龍去脈。本影片是由作者在國立大甲高中化學實驗室拍攝，並提供其製作的詳細過程。

影片網址：感熱紙測試，https://youtu.be/91XnuKONm7I

n  簡介

傳真紙又稱感熱紙或熱敏紙，其變色的過程常引發高中學生的濃厚興趣，除了背後隱藏的化學原理外，加上傳真紙的塗層中所使用的化學物質—雙酚A，可能是一種環境荷爾蒙等問題，近年來也有很多中小學生把傳真紙的議題選為科展的題目，進行探究。傳真紙如何變色？經文獻探討發現傳真紙塗層結構傳真列表機內有一個小型加熱元件，當傳真紙與加熱頭接觸時，傳真紙內的熱敏染料會發生化學變化，因而變色（註2）。大部分的熱敏染料多屬於內酯類的隱型染料（leuco dye），因酸鹼改變、氧化還原、紫外線照射與否，甚至壓力改變而改變顏色（註3）。傳真紙中含有四種不同類型的成像化合物，包括：隱型染料，發展劑，敏化劑和穩定劑，最後還有一層保護層，可減少因暴露於UV光、水、油脂、塑化劑等原因而造成熱圖像的褪色（註4）。

本實驗演示利用焊錫用的烙鐵，熱風槍以及盛裝於指甲油瓶的酸與鹼溶液，活潑地將傳真紙的特性呈現出來，並說明反應發生的原理。

n  藥品與器材

熱風槍、30 W烙鐵、指甲油罐、呈色孔盤、傳真紙、6 M氫氧化鈉10毫升、12M濃鹽酸10毫升、15M濃磷酸10毫升、冰醋酸。

n  實驗步驟

一、演示規劃A：利用烙鐵在傳真紙上作畫

1.        取一張傳真紙，大小約15 Ï 15 cm，若紙張捲曲，以書本壓5分鐘後，平鋪在桌上。

2.        取一支30 W焊錫用烙鐵，插上電源，預熱3分鐘後，試以烙鐵頭接近紙面，觀察紙面上有何變化？

3.        練習以烙鐵頭輕輕劃過紙面，隨即可在傳真紙上作畫。

4.        作畫完畢後，拔掉插頭，將烙鐵至於烙鐵架中，避免誤觸燙傷。圖 1為完成的一幅畫。

圖1：傳真紙的熱致變色作畫

二、演示規劃B：利用熱風槍和酸鹼溶液在傳真紙上玩圈叉遊戲

1.        取一張傳真紙，大小約A4紙大小，若紙張捲曲，同前，以書本壓5分鐘後，平鋪在桌上。

2.        將冰醋酸及配製好的6 M氫氧化鈉溶液倒入指甲油的空玻璃瓶內，備用。

3.        先以玻璃瓶的毛刷沾取少許冰醋酸，在傳真紙上寫下「Thermal paper」，觀察紙面的顏色變化。

4.        取一預熱過的熱風槍，輕輕靠近傳真紙面（四個角落事先以膠帶固定住），觀察紙面變化。持續靠近紙面3秒鐘觀察紙面顏色的變化。

5.        利用熱風槍的熱風吹拂在紙面的空白處，讓紙面全部變色後，用指甲油的毛刷沾取少許氫氧化鈉，在紙面上畫出九宮格線，觀察紙面上顏色的變化，另一同學同樣取一個盛有氫氧化鈉的指甲油瓶，以瓶口的刷子沾取少量的氫氧化鈉溶液，接著在九宮格內開始玩起圈叉遊戲。

6.        待溶液稍乾後，沾少量冰醋酸，毛刷延著之前打叉的筆跡畫過，觀察紙面顏色的變化。

7.        演示結束後，沖洗毛刷，並將指甲油瓶中剩餘的酸鹼溶液倒回原來的塑膠試劑瓶中儲存。待下次實驗再用。圖2為演示實驗結果。

 

圖2：冰醋酸在傳真紙上留下的字跡（左），在傳真上的圈叉遊戲（右）

n  酸鹼多段變色實驗

當以熱風槍吹拂紙面時，紙面剛開始呈現暗紅棕色（見影片2分14~20秒），繼續加熱轉為暗黑色，這個現象引起我們的好奇：傳真紙的感溫變色，是否存在多段變色？決定探究塗層的性質。首先以酒精為溶劑萃取傳真紙表面的成分，當酒精與傳真紙碎片共浴10分鐘後，結果發現酒精溶劑的顏色漸漸轉為紅棕色。萃取過程如圖3所示。

 

圖3：傳真紙碎片（左），用酒精萃取的溶液呈現紅棕色（右）

接著，以萃取液進行酸鹼測試，由實驗結果發現三種酸的濃度越高，傳真紙的顏色變化越快、越深；冰醋酸直接變為深墨綠色至黑色；而濃鹽酸（12 M）與濃磷酸（15 M）則先變桃紅色，一段時間後變回深墨綠色，這一點根據文獻探討的說明相符，感熱的隱型染料會有介穩狀態（Metastable State）的存在。圖4為萃取液在不同濃度的酸中的呈色。

圖4：萃取液加入酸液後（3:1的混合）的呈色圖

n  原理與概念

一、傳真紙的構造：主要包括隱型染料、發展劑、敏化劑、穩定劑（註4）。相關介紹如下：

1.        隱型染料

直接在感熱紙中使用的隱形染料，通常是三芳基甲烷苯酞染料，如山本藍4450，或螢光黃母體染料（fluoran），例如：Pergascript黑色2C。第三個廣泛使用的隱形染料是結晶紫內酯。這些染料在結晶或在中性環境下具有無色的形式，但當熔解成熔融態或暴露於酸性環境中時，分子內的內酯環斷裂，生成了有色狀態，螢光黃母體的結構如圖5所示。

圖5：螢光黃母體結構式

2.      發展劑

無色染料，除非它們與一種或多種有機酸結合，不然在一般情況下，熔化時只會呈現淡淡顏色。傳真紙中常用的有機酸是酚類，例如：雙酚A（BPA），其結構如圖6所示。

圖6：雙酚A結構式

3.      敏化劑

當無色染料和發展劑熔化在一起，即足以產生顏色。然而發展劑和無色染料在熔融態時往往無法有效混和，所以為了控制變色溫度並促進混合，通常會在成像層添加敏化劑作為溶劑。敏化劑通常是簡單的醚分子如1,2-雙–（3-甲基苯氧基）乙烷，其結構如圖7所示。這種材料約在100℃熔化。

圖7：1,2-雙（3-甲基苯氧基）乙烷

4.      穩定劑

在感熱紙上的染料通常不穩定，而且在高溫或潮濕的時候，會變回原來的無色結晶狀態，因此稱為穩定劑的物質會被加到感熱紙中。穩定劑與發展劑相似通常是複雜多官能的酚類，用來抑制染料和顯影劑的再結晶，進而讓列印的圖像更穩定。

二、感溫也感酸鹼

根據文獻和實驗結果推論：傳真紙除最外層的防水穩定層外，內部主要的變色反應主要是由作為變色之用的隱型染料、作為溶劑的敏化劑以及作為有機酸的雙酚A所控制（前兩者被微膠囊包覆）。當烙鐵頭或熱風槍送出的熱風溫度升高至80℃時，紙內塗層中微膠囊內固態的混合物熔化，微膠囊破裂，隱型染料與雙酚A相遇，雙酚A解離出H⁺，讓隱型染料的內酯環打開，形成一個大型的共軛環系統（有色），於是熱風吹過的地方，紙面呈深墨綠色，如同酸鹼指示劑酚酞的變色一般（註5）。當以沾有氫氧化鈉的毛刷覆刷時，鹼中和了有機酸，隱型染料的內酯環因而關閉，紙面由深墨綠色恢復成白色的狀態；當以毛刷沾少許的醋酸再次覆刷原來的筆跡時，紙面立刻又由白色轉為墨綠色的狀態。因此判斷感溫染料其實是一種酸鹼指示劑，在酸性環境中墨綠色（見圖8左），而鹼性環境中則變為無色（見圖8右）。結晶紫內酯是常見的隱型染料之一，在不同酸鹼環境中，其結構的變化如圖8所示。

圖8：染料在不同的酸鹼環境中的反應式，左邊的結構式呈深墨綠色，右邊的結構式呈白色

n  雙酚A的安全顧慮

關於傳真紙，其實最受大眾關注的議題是塗層中的發展劑─雙酚A，是一種環境荷爾蒙（又稱內分泌干擾素），有BPA具有類似激素的特性。自2008年以來，一些國家的政府已經研究了它的安全性，這促使一些零售商將含聚碳酸酯的產品下架。美國食品和藥物管理局（FDA）2010年的報告中指出，雙酚A可能危害到胎兒，嬰兒和年幼的孩子因而終止了在嬰兒奶瓶和嬰兒奶粉包裝中使用雙酚A的授權（註6）。

不過根據「前林口長庚醫院臨床毒物科主任林杰樑表示，感熱紙有很多種，並非所有品項都含有雙酚A，目前財政部用於電子發票的感熱紙不含有雙酚A」（註7），因此平常如果還是很常接觸感熱紙，擔心其中是不是含有雙酚A，而影響人體健康，最好的清除方式就是勤洗手，但不要用含有酒精成分的乾洗手液，這樣反而可能會讓皮膚吸收更多的雙酚A，用肥皂洗手更好。

在未來的趨勢中，我們認為不論是傳統發票或是感熱紙發票，都可能逐步被淘汰，資訊愈發達的情形下，愈多人拿智慧型手機或是悠遊卡，在時下社會已經可以使用悠遊卡付款，在其他地區也已經能用手機付款，故發票全面邁入電子化是指日可待的事情。

n  安全注意及廢棄物處理

本實驗演示用的焊錫用的高溫烙鐵，操作時要注意安全，避免燙傷。冰醋酸、及氫氧化鈉等廢棄溶液依規定回收處理。實驗後應該用肥皂洗手。

n  參考資料

1.      【化學迷思系列】感熱酸鹼試紙（2015），https://youtu.be/yVXyPc2FKVw。

2.        袁渭康（主編）（2001）。從葉綠素到激光盤。臺北市：牛頓。

3.        廖旭茂（2013）。自製感溫和感光變色異形。科學研習，52-7，36-41。

4.        Thermal paper, Wikipedia, https://en.m.wikipedia.org/wiki/Thermal_paper.

5.        余岳川（2002）。生活化學2。臺北市：眾光文化。

6.        Bisphenol, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Bisphenol_A.

7.        梁雲芳（2012） 感熱紙有毒？小祕訣避開環境荷爾蒙危害。大家健康雜誌。2016年2月28日，http://www.jtf.org.tw/health/Show.asp?This=1533。

 

指導學生科學展覽和獨立研究的態度與方法

曾鶯芳

國立高雄師範大學附屬高級中學（退休教師）
[email protected]

其實，我比較喜歡稱「科學展覽」為「獨立研究」，因為獨立研究顧名思義就是研究者要有自己的想法，自己設計方法去解決問題，不是按照指導老師一個指令一個動作去完成研究。我更希望科展（獨立研究）不是只做一次或一屆，因為研究成果是無止境的，沒有做完之時，只有更深入發展的空間，如果能持以長期經營與持續不斷的研究態度，這對於研究者對研究主題及研究能力必定有更進步的瞭解與建立。

作者於教學之餘對化學之「探究與實作」甚感興趣，在退休之前曾指導過多位高雄師大附中學生進行校內獨立研究，並將其成果提出參加國內和國際科學展覽（詳見附錄） ，茲將本人指導學生科展與獨立研究之心得與經驗與各位化學界同好分享。

n  獨立研究流程

獨立研究有一定的流程，如圖1所示，並介紹各階段如下：

圖1：指導學生專題研究流程

一、   決定研究領域

研究主題的尋找需要先決定研究領域，不同型態的比賽所區分的領域各有不同。

(A)   全國中小學科學展覽會

●   國中組和國小組，科別有：數學科、物理科、化學科、生物科、地球科學科、生活與應用科學科。

●   高中職組，科別有：數學科、物理與天文學科、化學科、地球與行星科學科、動物與醫學學科（含微生物、生物化學、分子生物）、植物學科 （含微生物、生物化學、分子生物）、農業與食品學科、工程學科（一）（含電子、電機、機械）、工程學科（二）（含材料、化工、土木）、電腦與資訊學科、環境學科（含衛工、環工、環境管理）。

(B)    臺灣國際科學展覽會

●   展覽科別有：數學科、物理與天文學科、化學科、地球與環境科學科、動物學科、植物學科、微生物學科、生物化學科、醫學與健康科、工程學科、電腦科學與資訊工程科、環境工程科、行為與社會科學科。

二、   收集分析資料

收集資料的方法如下：

●   找書本：包含教科書（如大學用書、教師手冊…等）、科學刊物及學術論文等。

●   網際網路：由關鍵字及關鍵詞蒐尋開始；我最常請學生上「國立臺灣科學教育館」的「臺灣國際科學展覽會」及「全國中小學科學展覽會」網頁中觀摩「歷屆參展作品」，或「臺灣網路科教館」的「科展群傑廳」一樣可以找到歷屆科展的作品。甚或高階一點的尋找「國家圖書館」裡「資源查詢」中的「臺灣碩博士論文知識加值系統」。

●   找專家：學校老師 （包括校內的科老師、大學教授等）、研究機構研究員（中研院、工研院、生技中心）

這階段的優勢條件是有強的外語能力。

決定研究領域之後，開始大量閱讀有興趣的文獻資料，慢慢縮小範圍至鎖定某一研究主題，然後搜集相關文獻資料以確立研究方向；如果在此階段一直無法鎖定研究主題，則必須回到上層（決定領域）重新來過。

三、   構想階段

構想階段主要的目的是決定進行研究的目的（為什麼做？）、稍微訂定研究的方向（大致的題目）（做什麼？）以及了解相關資源。

科展主題「創意」是重點，而創意有兩類：「主題的創意」與「方法的創意」。

四、   決定研究方向與進行實驗

這階段的目的是獲得實驗數據，步驟如下：

●   按「研究計畫書」的步驟進行實驗。

●   由初步數據/結果 開始做判斷，並時時檢視實驗方法與假說是否要修正、實驗結果與目前的認知是否有出入，亦即要不斷地與實驗目的及架構做比對。同時每一實驗要有對照組且至少須三次重複，以確定結果的再現性。

●   繼續資料蒐集與分析。

五、   整理數據

這階段儘量用“數字”說話（If you want to say anything, say it in numbers!），數據的處理力求精簡、清晰、扼要；要有好的繪圖及文書能力；了解實驗重覆次數是否有統計上的意義；儘量使用圖表呈現結果，如果圖與表不能並存，那優先選擇以「圖」呈現。

六、   撰寫報告

研究報告的書寫是將研究動機、過程與結果串連成一篇引人入勝的故事，要力求簡潔並控制 “篇幅” 長短（由主辦單位/評審/編輯決定）；結果與討論的書寫技巧是構思實驗的架構，說明要具層次感；要能解讀圖中曲線（或圖形）所代表的涵義，解釋得當，不僅可讓假設獲得印證，還可讓自己的結論加分。全部內容都書寫完畢之後才寫摘要，並為整個研究主題訂定一個吸引人的題目。

在整理數據與撰寫報告階段，優勢的能力是有流暢精闢的文字表達能力。

如果整個研究流程在某一環節有疑問或矛盾，都應再從上一層次進行檢討後決定後續研究方向。

n  指導心得分享（以生活中之清潔劑去污為例）

凡事起頭難，指導科展研究最難的就是研究主題的尋找；歷屆科展作品是不錯的參考資料，或許有人會認為，那都是已經做過的題目，還有甚麼可以參考的呢？其實我們可以從中學習它的研究方法與研究架構，找出此研究主題做過甚麼還有甚麼值得深入探討的…。一件作品可以提供參考的內容其實有好多好多，當我們仔細咀嚼之後，必定有所發現與啟發。

●   確立研究方向

縱使是老掉牙的作品，其實也可以「舊瓶裝新酒」；以下舉例即是「方法的創意」：曾經有學生迫於學程需要，必須提出一件獨立研究作品，在作品截稿前二週來找我，此時我只求結構完整，因此請這位同學參考正在展出的校內科展作品，他選擇了「市售清潔劑清潔效果的比較」，以一個高中生而言，這「題目」明顯過於簡單而且是一做再做的老題目。不是做過的題目就不能再做，我先請這位同學告訴我，他看到的這件小學作品哪裡做得不好？（觀察解讀與學會批判），他告訴我：結果是定性的描述乾不乾淨，他覺得不客觀，我趕緊問：那你可以怎麼做？他回答：我想用數據說明清潔劑的清潔效力（不錯喲！有概念，這是將結果定量，可以有較客觀的說明）。

●   確立研究方法

可是怎麼取得清潔劑在布料污垢的清潔能力的數據呢？我們就在本校學長的研究說明書上找到利用影像軟體（PhotoImpact）利用色階處理的方法來處理每一個結果。他的數據取得方法詳述如下：

為了能夠更清楚的定量各種清潔劑的去污能力，遂以電腦軟體處理拍攝後的相片，取代單純的肉眼觀察。

處理方法如下：

1.        以PhotoImpact軟體開啟相片，如下圖2（左）所示。

2.        使用「臨界值」功能。本實驗取臨界值75，使用後，整張照片明度於75以上的區塊，將變為白色；反之，明度於75以下者，變為黑色，其明度值越大，顏色愈淺；反之亦然，如圖2（右）所示

圖2：處理前（左）和處理後（右）

3.        再以PhotoShop軟體的「色階分布圖」功能，即可得知黑色區塊占整張圖面積的百分比，如上圖2（右）之黑色區塊即占25.28%。

4.        以同樣的步驟，完成所有照片的處理。

取明度75的原因：墨汁本身是非常難洗的污漬，因此沒有一種清潔劑能將布恢復成原狀，縱使本次實驗已將墨汁稀釋也依然如此。在經過幾次測試後，發現採用明度75最能比較出六種清潔劑其間的差異，因此以明度75作為是否洗淨的標準。

因為每張圖（每塊布）的面積都是10公分見方，因此藉由每張圖黑色區塊的增減，即可得到黑色區塊面積v.s.時間的關係圖，再由此圖來比較各種清潔劑的去污能力、去污速率以及反應曲線。

最後，還以數學斜率的觀點來探討清潔速率（見圖3），由圖中可知，斜率的絕對值（│m│）愈大，代表方程式圖形愈陡，也就是清潔速率越快。所以清潔速率由快到慢排列為：「潔白」＞「超酵氧」＞「清水」＞「20 g / 200 mL米漿」＞「30 g / 200 mL米漿」＞「10 g /2 00 mL米漿」；更由實驗結果中，發現一匙靈超酵氧去漬靈的去污力最好且最迅速，於是將其面積百分比vs.時間所得如圖4（左）所示，尋找趨勢線得 y = x^–0.853 × 17.9，（R² = 0.903）。

圖3：以數學斜率的觀點來探討清潔速率

 

圖4：超酵氧清潔墨汁之面積%對時間關係圖（左）和速率對面積%關係圖（右）

以方程式y = x^–0.854 × 17.9代入Excel中（x為時間，y為面積百分比），推導出清潔劑之去污速率，以速率vs.面積百分比作圖，結果如圖6（右）所示；由此圖中的曲線，得方程式：y = x^2.62 × 0.0184，亦即

rate = 0.0184 × [A%]^2.62

由反應速率級數來看，可以推論一匙靈超酵氧去漬靈的去污速率約2.6級的反應，濃度愈高的污漬，其去污速率愈快。

研究報告至此已擺脫以往的窠臼，有了新的風貌而且具有新的創意！這件作品就在短短二週內完成，並獲得高雄市科展高中組第三名。由此可知，舊瓶可以裝新酒，不要怕研究主題已經有人做過，只要有新的研究方法，進階的研究結果，都是佳作！

指導學生做科展，教師必須有一個認知：這是學生的作品，不要強握主導權，得獎與否也與教師無關，只需要站在支持、解惑及引導的立場即可。研究是無止境的，因此一件好的作品需要花費許多時間在追求細節與完美，即使是一再遭遇挫折與瓶頸而毫無所獲，這時指導老師的態度是關鍵。我常認為沒有結果也是一種結果，前人的研究總是提供給後進一些指引，所以用心的作品，必定存在啟發與貢獻的種子在裡面。而參與科展的學生則必須體認，做好一件作品必須花掉你許多時間，包括睡覺、休閒、讀書等，你必須做好時間的規畫與分配。近來，臺灣的國際科展成績可以當作學生保送大學的參考，但前提是你必須是代表出國的選手，如果你沒有取得出國選手資格，縱使在國內得獎無數，仍舊沒有實質上的幫助，所以建議不要把做科展當成保送大學的階梯，而是藉著研究過程認真學習科學技能，如：搜集資料、解讀資訊、實驗技能、整理結果、繪製圖表、成果發表與口頭報告等能力，這些能力將使妳（你）一生受用不盡。

最後，分享我個人的心得。

（一）我對科展的態度

●   把指導科展當成老師的天職—做得甘願、做得開心。

●   把科展納入自然科教學中—增加教學內容的寬度與深度。

●   過程比結果更重要—態度與思考力可以決定發展的深度與廣度。

（二）科展的重要意義

●   增進師生互動，張顯教師「引導而不領導，建議而不主導」的原則。

●   引導學生對科學產生興趣，學到科學方法與精神態度（見圖5）；由做中學進而學以致用。

●   開發學生潛能與自信，提升優質的後續發展。

 

圖5：指導學生進行研究(左)與比賽前一晚的賽前練習(右)

n   致謝

退休多年後，忽然接到「創意微型實驗」的泰斗—方金祥教授的邀稿，實在受寵若驚。本人一向筆拙，指導科展過程也常常動口多於動手，因此接受邀稿的同時，一則以喜一則以憂，喜的是老師的肯定，憂的則是擔心有負老師所託。

一直以來，方金祥教授是我學習的對象，他的不斷研究、時時創新的精神令人感佩。

此篇文章就是在他循循指導與潤筆下誕生，讓我的「一科展一故事」生涯，在退休之後有了分享的舞台，謝謝老師給我學習與成長的機會。

n  參考資料

有關獨立研究流程，主要參考在2007年10月20日在國立臺灣科學教育館舉辦的「臺灣2008年國際科學展覽會宣導座談會」，座談會主題：如何撰寫研究報告，由黎耀基教授（大葉大學生物科技暨資源學院院長）和李文獻教授（國立中央大學物理學系）主講。

n  附錄

本人歷年來指導學生校內獨立研究參加國內科展與國際科展之部份成果如下所述。

一作品名稱：以彈性體模型評估心血管疾病之新方法初探（見圖A1）

●   作品作者：鄭玉希；指導教師：曾鶯芳、簡聿成

●   2007年臺灣國際科學展覽會工程學科第二名、獲選香港正選代表、赫伯特胡佛青年工程獎第一名

●   2005年獲邀前往美國洛杉磯2005 APS March Meeting發表論文「Diagnosing Aorta Stiffness by Temporal Analysis of Echocardiographic Images」

 

圖A1：2005年獲邀前往美國洛杉磯2005 APS March Meeting發表之論文（左）和鄭玉希於臺灣國際科學展覽看板前留影（右）

二、   作品名稱：為「世紀之毒」找解藥！—探討以Pseudomonas mendocina菌株降解污染土壤中戴奧辛與戴奧辛類化合物之效能（見圖A2）

●   作品作者：李雅廷；指導教師：曾鶯芳

●   高雄市第47屆科展，高中組生活與應用科學科第三名

●   2009年韓國KIWIE婦女發明獎，獲銀牌獎

●   2008年旺宏科學獎，獲銀牌獎

圖A2：李雅廷的實驗過程

三、   作品名稱：向氧說不！—談油脂的自氧化及抗氧化劑（見圖A3）

●   作品作者：袁于婷、李佳臻、賴昱融；指導教師：曾鶯芳

●   高市39屆科展高中組化學科第一名，全國科展第三名

圖A3：比賽前於看板前作最後指導

四、   作品名稱：以科學玩具氫氧槍來探討無彈殼槍枝（見圖A4）

●   作品作者：劉文豪；指導教師：曾鶯芳

●   獲2006年第五屆旺宏科學獎最高榮譽「旺宏獎」

圖A4：頒獎後合影留念（由左至右：劉文豪媽媽，指導老師曾鶯芳，劉文豪，旺宏科學獎召集人李家同教授）

五、   作品名稱：綠能新希望！—纖維酒精有效製程之研究（見圖A5）

●   作品作者：鄭丞舜、陳子雄；指導教師：曾鶯芳

●   高雄市第49屆科展高中組生活與應用科學科第一名、全國科展第三名

圖A5：比賽後於看板前師生合影

六、   作品名稱：瓦斯熱水爐一氧化碳觸媒轉化器之研究（見圖A6）

●   作品作者：蔡辰葳；指導教師：曾鶯芳

●   2006年 美國ISEF國際科展大會化學科首獎（Best of Category – Chemistry）、大會化學科一等獎、美國化學學會二等獎、美國海巡署二等獎、安捷倫科技公司暑期實習獎

●   2006年 臺灣國際科展化學科第一名、美國第五十七屆國際科技展覽會正選代表

圖A6：蔡辰葳於美國ISEF國際科展會場看板前留影，手中之分子模型為最佳形態之觸媒分子

七、   作品名稱：終結保麗龍污染！—利用保麗龍廢棄物處理重金屬廢水之研究（見圖A7）

●   作品作者：鄭玉辰；指導教師：曾鶯芳、鄭龍

●   2004年 美國ISEF國際科展大會環境科學科三等獎

●   2004年 臺灣國際科展環境科學科第一名、美國第五十五屆國際科技展覽會正選代表、英特爾環境健康與安全獎第一名

圖A7：鄭玉辰於美國ISEF國際科展會場看板前留影

八、   本文作者參與國際科展（見圖A8-1）、全國中小學科展（見圖A8-2）、旺宏科學獎（見圖A8-3）獲頒之部分獎狀、獎牌與獎座。

 

 

圖A8-1：指導國際科展獎狀

 

圖A8-2：全國中小學科展資深優秀指導教師獎牌

  

圖A8-3：旺宏科學獎指導教師獎座

 

 

飲食文化與化學

李  暉

國立東華大學課程設計與潛能開發學系
國立東華大學科學教育中心
[email protected]

n  緣起與難處

一年前就接到《臺灣化學教育》主編邱美虹教授的邀請，編輯這一期的《飲食文化與化學》專題，基於多年來對「飲食」與「化學」的愛好，心中立即浮現幾位平日就對此頗為關注也有豐富經驗的學者專家（包括本刊一位知名的顧問），於是毫不思索的就答應了。邀稿還算順利，但在過程中逐漸發現一些原先未想到的問題。首先是主題，化學是絕對必要的部分，飲食則是另一不可或缺的主角，但「飲食文化」和「飲食」是有相當差異的，「飲食」和「美食」又不盡然相同。若是定位在「飲食中的化學」，可以討論「食物中的化學」和「烹飪過程中的化學」，這也是一般人會比較有興趣的議題，但涉及「文化」就有點頭大了。

化學是近代科學的主題之一，當前的理論與內涵幾乎全部來自西方，而飲食卻是每個民族發展自始即有的要角。無論東、西方食物與烹調都可視為是自然物質與化學變化，當然也就可以從今日的化學理論來做分析和討論；但另一方面，科學的發展與生活息息相關，討論化學與西方飲食文化自是十分貼切，但是討論東方文化卻顯得有些牽強附會。此為難處之一。

美食人人皆愛，佐以知性的探討，了解何以美味而提昇烹飪之道，更是許多人喜歡追求的嗜好，即便不親自下廚，在品嚐之餘還能說說所以然亦是美事。烹飪之道不離調味（搭配、拌和）與加熱（火候），是人類最早的化學活動，然而因以往學科與生活分離，致使今日臺灣化學家或有因愛好烹飪而成為友人之間傳頌之美食家（如交通大學李大偉教授），卻未見名廚兼精化學而以之傳世者。而化學家在研究主題上，除了少數食品科學之外亦鮮少以美食為題（或許也很難因此拿到科技部計畫吧！）進行研究。目前無論在美食化學上熟知之「梅納反應（Maillard reaction）」或新興之「分子廚藝（molecular gastronomy）」皆來自國外，本人在邀稿時，幾位熱愛美食的學者即以所知多係引自國外書報，非本人親為之研究而婉拒。此為難處之二。

n  本期專題文章導讀

雖然有前述兩項困難，還是承蒙四位教授幫忙，撥冗賜稿，連同本人共五篇專文，包括元智大學化學工程與材料科學學系廖建勛教授的〈烹飪的熱化學〉；元智大學通識教學部梁家祺教授的〈從馬鈴薯看世界文明史〉；東華大學自然資源與環境學系楊悠娟教授的〈蛋的化學〉；朝陽科技大學應用化學系錢偉鈞教授的〈創意生活趣味化學〉；以及本人的〈烹飪科學資訊介紹〉。

第一篇廖建勛教授的〈烹飪的熱化學〉，從人類最早的化學活動―火的使用―引入熱、能量與溫度，再帶出烹飪方程式：烹飪 = 溫度 ´ 時間，舉出食物的關鍵反應溫度，說明烹飪技藝的科學原理，最後引述分子美食學發起人—牛津大學物理學教授柯第（Nicholas Kurti）名言：「我們對金星大氣層溫度分布的瞭解，比對舒芙蕾甜點內部的溫度與結構的瞭解還多。」，對於一再強調科學生活化的基礎教育，的確是一語中的。

第二篇梁家祺教授的〈從馬鈴薯看世界文明史〉，針對目前世界上除了穀物以外，人類最重要的糧食作物馬鈴薯，在世界文明發展上所產生的重大影響，娓娓道出它在南美、歐洲各國，從古到今對人類的貢獻。尤其引人注目的是，該文詳細說地明了直鏈澱粉和支鏈澱粉在煮蒸加熱過程中所產生的變化差異，解釋各種穀類中鏈結長度的不同對糊化的影響，說明馬鈴薯利於烹煮的原因，以及添加其它食物何以形成絕佳風味，讓人直想立即下廚試試。

第三篇楊悠娟教授撰寫的〈蛋的化學〉，詳細地說明了無論東西方都最普遍的重要食物—雞蛋―的結構、組成、以及化學變化。結構與組成分別從蛋殼、蛋白、蛋黃和薄膜加以細說，不僅列表比較，還詳述化學成份；化學變化則先述說蛋白質和胺基酸的基本反應，再分述蛋在加熱、攪打、混合乳化、和脫殼等過程中的物理和化學作用；再運用所述知識和原理，設計白煮蛋實驗及延伸實驗；最後提供簡單的魔鬼蛋料理做法，學習之餘還有美食可享。

第四篇錢偉鈞教授以「創意生活，趣味化學」為主題，彙整趣味實驗單元，針對高工化工科學生化學研習社團設計實作型課程模組，結合食物口感與食安議題，從生活體驗的趣味角度，結合時事增進參與感，讓參與同學透過實務操作，在競賽與遊戲的氣氛中，寓教於樂，不落入正規課程的拘束與框架的同時，又能達到培育專業技能的延伸效果。本文介紹了課程內容的三個主題，包括「米的滋味，顏色密碼」、「甜蜜光影，左旋右轉」、和「毒物現形，食安把關」等，並說明實施過程與活動成果，不僅發揮了延伸正規教學、豐富實作體驗、活潑學習內涵等諸多功能，並提供了實際可行的範例。

最後一篇本人執筆之〈烹飪科學資訊介紹〉則將市面譯自國外的美食科學書籍做一介紹；推薦聲譽卓著的科普網站〈泛科學〉中的相關文章；並介紹哈佛大學與麻省理工學院（MIT）的線上美食化學課程。期望在前述限制（尊重原著與文化議題）之下，仍能分享美食烹製的科學原理。特此，為專業不足有負本刊主編及讀者期望，致上深深歉意。

飲食文化與化學：烹飪的熱化學

廖建勛

元智大學化學工程與材料科學學系
[email protected]

n  前言

「民以食為天」。「吃飯皇帝大」是生活中最重要的事，也是每天進行中的事，卻一直為人所忽略，直到一連串的食安問題爆發，以及居高不下的大腸癌發生率，才讓人驚覺 “We are what we eat”。

自從二足裸猿在地球上漫步以來，人之所以為人的關鍵，即在於由生食到熟食。烹飪是以外在的能量，行使部分的咀嚼和消化功能，去除毒性和致命微生物，使人類獲得多方來源、具較高能量且易消化的食物，因此大腦得以變得更大，而消化器官則縮小，製造工具的文明於焉誕生。烹飪過程的香味吸引人們一起用餐分享，將人聚在一起的語言交談，使我們變得文明也創造了文化。只是隨著經濟與工業的發展，我們將食物交給了食品製造業，餐點不再從廚房而來，帶著走、拿著吃的速食，將人類再推回獨行的孤寂中。

本文介紹烹飪與熱化學的關係，導入能量、溫度和熱等熱力學的觀念介紹，探討烹飪的溫度與時間對食物結構、口感與味道的影響。

n  熱、能量與溫度

當普羅米修斯從奧林帕斯山盜火，帶給人類之後，在火堆旁，滋滋作響泛著油光的肉，散發出陣陣令人分泌出大量口水的香味時，人們認為這溫暖的火光會產生神奇的粒子，從熱的火中流入冷的肉中，生肉因所增加的熱質變化成熟肉，這流體叫做卡洛里（calorie）。一直到18世紀末，慕尼黑兵工廠廠長—湯姆生（Benjamin Thomson）觀察到鑽砲管時所產生的高溫，這源源不絕的熱不是來自外界的熱流，而是因為「運動」所產生。19世紀中葉，德國醫生梅耶（Julius Mayer）則觀察一匹馬拉著重物上坡，熱得大汗淋漓，他推論這匹馬並非運動跑得很快，而是很吃力作功才產生熱。19世紀中葉的英國釀酒師焦耳（James Prescott Joule） 則是以科學實驗證明熱與功可以互相轉換，他以懸垂砝碼下降帶動水缸水中的攪動，水缸的水溫隨著砝碼下降距離增加而增加。熱流質的觀念直到此時才走入歷史，取而代之的是度量作功能力的物理量—「能量」的觀念，包括運動的「動能」與位移的「位能」，而熱與功則是能量轉移的表現。至於區分物體熱或冷的物理量則為「溫度」，用來表示構成物體每個分子的平均能量值。當熱的物體（平均能量較高）與冷的物體（平均能量較低）接觸時，代表總能量的「熱」，由高溫物體傳輸至低溫物體，這可視為分子層級的動能作功 [1]。

n  烹飪與熱

人類無法行光合作用獲得能量以自行合成生物體，必須藉由攝食其他生物來獲得能量與維生材料，生物體構成的材料包括：無機的生物礦物質、有機的蛋白質、碳水化合物、脂質與核酸，還有大量的水，熱對這些物質材料的作用與影響就是「烹飪」。這過程，是溫度的高低，且必須有足夠高的平均動能，而非加熱過程所轉移熱量的多寡，才能對食物產生關鍵的化學作用—鍵結斷裂與分子結構改變。欲使食物內部也達到相同的溫度，需時間使熱量由高溫的外部傳導至低溫的內部，因此控制溫度高低和時間長短，即為烹飪的關鍵因素，由此可說烹飪方程式為 烹飪 = 溫度 ´ 時間 [2]。

當人類製作出陶器時，不僅是由火烤變為水煮的烹飪方式改變，也帶動了文明的發展。因為水是食物的主要成分也是很好的傳熱介質，在大氣壓力下，水的沸點為固定的212°F / 100°C，這提供了很方便的烹飪溫度，也足以使許多的食物在這溫度下進行各種反應並改變，如表一所示，除了梅納反應與焦糖化反應之外，其他的食物反應溫度均在100°C以下，水煮提供了夠高的溫度進行食物反應 [3]。再來即為烹煮時間長短的控制，以使整體食材均達所需反應溫度的熱傳導時間。以不同口感熟度的水煮蛋而言，蛋從室溫水煮至沸騰後，由經驗法則續煮3分鐘，即為3分熟，續煮7分鐘為7分熟，全熟水煮蛋煮10分鐘，半熟的溏心蛋則煮4-6分鐘。

表一：食物的關鍵反應溫度 [2]

n  烹飪技藝的科學原理

然而水煮蛋不僅僅是水煮蛋，正如「分子美食學」（Molecular Gastonomy）倡導者—艾維×提斯（Hervé This）（法國國家食品及農業局高級研究員）透過精準的實驗控制，研究烹飪過程中的物理和化學性質變化對食物結構、口感和味道的影響，他所建議的完美水煮蛋水溫是65°C （62°C < T < 70°C）。當以精確的溫度與時間控制進行水煮蛋實驗，結果顯示即使很小的水溫差就能對水煮蛋產生口感和結構上的顯著差異，在52°C時，即使經過很長時間的加熱，蛋白和蛋黃仍然保持流動的液體狀態，少部分的蛋白已轉變成白色；58°C時，蛋黃仍保持流動狀態，蛋白則已變成白色不透明；63°C時，蛋白凝固定形，蛋黃仍能流動；一直到67°C時，蛋黃才凝固成形[4]。這些細微的結構差異，賦予水煮蛋不同的口感，而有溫泉蛋、水波蛋、溏心蛋、全熟沙拉蛋…等等不同的風味。

蛋主要由蛋白和蛋黃所組成，蛋白中90%是水，10%為蛋白質；蛋黃則有16%的蛋白質及31%的脂肪。分布在蛋白和蛋黃的蛋白質種類眾多且不同，一維的蛋白質分子鏈經氫鍵鍵結，摺疊成複雜的糾結線團的三維結構，如圖一所示。當溫度升高時，水分子獲得能量而激烈振動，並將能量傳遞給糾結的蛋白質分子鏈，使其氫鍵斷裂，造成蛋白質變性，分子鏈線團鬆解並重新鍵結組合成網狀的凝結固體結構，如圖二所示。表一的結果顯示蛋白中的蛋白質在62-65°C開始變性凝結，而蛋黃中的蛋白質因為與油脂分子複合成蛋黃顆粒，需在較高溫度65-70°C才能伸展重組凝結。因此，若能將溫度控制在蛋白開始凝結的62°C以上，但避免蛋黃凝結的70°C以下，其中最佳溫度為65°C，所煮的蛋將是蛋白凝結、蛋黃流動的完美黃金蛋。

圖一：透過物理過程的折疊，蛋白質由一級結構變成三級結構（上圖）；最下面是蛋白質的一級（Primary）結構，由右而左展現二級（Secondary）、三級（Tertiary）及四級（Quaternary）結構（下圖）

（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_folding）

圖二：蛋白質的變性（Desnaturalització）和復性（Renaturalització），左方為正常的蛋白質，右方為變性的蛋白質

（圖片來源：https://ca.wikipedia.org/wiki/Proteïna）

魚和肉中的蛋白質主要由肌球蛋白（myosin）和肌動蛋白（actin）所構成，肌球蛋白在40-50°C開始變性而凝固，但肌動蛋白仍保持未變性的柔軟狀態。當溫度升高至65.5°C時，肌動蛋白的氫鍵鍵結斷裂，肌肉失去彈性使肉質變老。因此要吃肉質軟嫩的優質菲力或沙朗牛排，肉體中心的溫度須保持在50-65.5°C之間。另一方面，價位較低的肉，通常有較高比例的結締組織（如筋或膜等），其蛋白質成分為膠原蛋白（collagen），是由三股蛋白質分子鏈如麻花辮般緊緊纏繞成一束，使得肉質又韌又硬，要破壞此結構，溫度須達到68°C以上，且須在有水的環境下長時間加熱，將三股緊纏的膠原蛋白，破壞變性成較軟且容易消化的單股動物凝膠。越是老硬多筋的便宜肉—如腱子、肋條、牛尾、老母雞、老公雞…等，越適合烹煮時間長的細火慢燉。

n  結語

人類藉由烹飪發展文明也形塑文化，而科學工藝所推動的烹飪技術進步，不脫熱能的掌握及溫度與時間的控制，如：壓力鍋、微波爐、氣炸鍋、微波蒸氣烤箱…等等，這些發明的應用往往是來自於科學實驗室。另一分子美食學發起人—牛津大學物理學教授柯第（Nicholas Kurti）名言：「我們對金星大氣層溫度分布的瞭解，比對舒芙蕾甜點內部的溫度與結構的瞭解還多。」也隨著分子料理的興起而改觀，實驗室使用的恆溫水槽廣泛應用於真空烹調法，而迴轉濃縮機則用來萃取特殊的風味添加於料理中。美國哈佛大學廣受歡迎的線上開放課程 “Science and Cooking” 將諸多實驗器材搬到大講堂上，由所延攬的米其林三星主廚們演示烹飪技藝的精髓與奧秘，也將人們帶入烹飪的科學世界中。只是在家裡的廚房，烹飪仍然回歸到最質樸的樣式，艾維×提斯在家就是簡單地用洗碗機煮出完美黃金蛋，其秘密就是：烹飪 = 溫度 ´ 時間。

n  參考文獻

[1]    “搞笑學物理”，費雪 著，天下遠見，2005。

[2]    “廚藝好好玩”，傑夫×波特 著，謬思出版，2013。

[3]    “The chemistry of cookies” in TED Ed, Stephanie W., http://ed.ted.com/lessons/the-chemistry-of-cookies-stephanie-warren.

[4]    “Modernist Cuisine: The Art and Science of Cooking”, Myhrvold, N., Young, C., Bilet, M., and Smith, R.M., Cooking Lab., 2011.

 

飲食文化與化學：從馬鈴薯看世界文明史

梁家祺

元智大學通識教學部
[email protected]

n  馬鈴薯原產於南美

馬鈴薯原產於南美安地斯山脈的高原上，在嚴酷的氣候下仍旺盛生長，由於糧食充足和食物供應系統無虞，才孕育出蒂亞瓦納科文明與印加文明。在安地斯山脈保持馬鈴薯最常用的方法之一是在室外凍結晾乾，目前馬鈴薯的栽培種已經出現各種不同的顏色、形狀和大小，如圖一所示。早期的馬鈴薯多含較高量的有毒物質—龍葵鹼（solanine），是一種有毒的甾族生物鹼苷類化合物，由β-D-葡萄糖（D-Glc）、D-半乳糖（D-Gal）和L-鼠李糖（L-Rha）組成的茄三糖與茄啶相連組成，如圖二所示。這是野生芋薯類的保命機制，可自然的避免病蟲害，經過居住在安地斯山脈的原住民不斷改良品種，才讓現代人能較方便的食用馬鈴薯，然而對於表皮變綠或長芽的馬鈴薯，還是會有發生龍葵鹼中毒的可能，因此馬鈴薯的儲存必須相對注意。馬鈴薯最適合的儲藏溫度為7-10^oC，溫度若偏高易發芽或腐敗，溫度若太低則會使塊莖內的部分澱粉分解為醣類（McGee, 2009），所以馬鈴薯不適合放在冰箱冷藏。一年多前就曾有知名速食店提供帶皮馬鈴薯（黃金薯），消費者因吃到綠皮的馬鈴薯而嘴巴發麻、噁心想吐，新聞公布後此種品項即下架，至今都未再販售，主因即是綠皮或發芽的馬鈴薯龍葵鹼的含量會增加，且煮熟或高溫油炸也無法降低其毒性。

 

圖一：在高安第斯山脈在室外凍結晾乾的馬鈴薯（左），和目前馬鈴薯栽培出現各種的顏色、形狀及大小（右）

（圖片來源：由左而右，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chu%C3%B1o.jpg和https://en.wikipedia.org/wiki/Potato）

圖二：龍葵鹼的化學結構式

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/茄碱）

由於氣候環境的嚴酷，安地斯山脈的原住民利用冷凍乾燥法研發出馬鈴薯乾—丘紐（chuno），冬天的安地斯山脈日夜溫差可高達30度以上，馬鈴薯透過重複結凍、解凍的過程而多汁鬆軟，接著再利用雙腳踩踏使其出水，一併將毒素排出而完成去澀的工作，之後再讓太陽完全曬乾即為丘紐（Sakai, 2013），丘紐在不透水的密閉空間裡可長期存放達數年之久。丘紐對於南美印度安人的意義就好比麵包之於歐洲人，甚至丘紐可當作商品來換取其他來自深谷或海岸的產品（玉米、木薯、陶器等），時至今日，丘紐仍是玻利維亞和祕魯山區印地安人很重要的食物來源之一。

n  馬鈴薯成為歐洲和北美常用食材

西元1531年，西班牙侵略者法蘭西斯克·皮薩羅（Francisco Pizarro）奇襲印加帝國後，馬鈴薯偶然地隨著軍隊首次橫渡大西洋，返回歐洲。在初登陸歐洲大陸時，其食用性未受青睞，民間傳說吃馬鈴薯會得痲瘋病，甚至連貧窮家庭也不太願意吃馬鈴薯，再加上西班牙人比較喜愛同樣也來自新大陸的番薯，為推銷番薯使其價格高漲，西班牙人大力煽動馬鈴薯是只有窮光蛋才吃的食物，時至今日，仍有些負面語詞影射此偏見，如：懶臥在沙發上看電視的人被稱作沙發馬鈴薯（couch potato）、描述走路沒有保持優雅體態的人為馬鈴薯麻袋（Erdapfelsack）（Haslinger, 2014）。歐洲第一個真正將馬鈴薯當成主食的國家是德國（當時的普魯士），當時的歐洲大國爾虞我詐，小國在烽火連綿中求生不易，普魯士的腓特烈大帝特別舉辦馬鈴薯試吃會，並強迫民眾種植馬鈴薯，在寒害下仍能穩定豐收的馬鈴薯使得其人口穩定成長，13年之間（西元1740-1753年），普魯士的軍力從8萬人增加至13萬人（Sakai, 2013）。

然而，真正讓馬鈴薯料理發揚光大的則是法國的藥學家帕門提爾（Antoine-Augustin Parmentier），一場由歐洲列強發動的七年戰爭（西元1756-1763年），主因是來自殖民地與貿易的競爭，當時在法國軍隊擔任藥劑師的帕門提爾被普魯士軍隊擄獲，在收容所裡待了三年，收容所的主食就是馬鈴薯燉肉湯，他發現馬鈴薯是可讓人飽餐一頓且富含營養的食物，回到家鄉後傾力鼓吹農民種植馬鈴薯，在路易十六的幫助下，當時實驗農場採收時，帕門提爾做了許多馬鈴薯料理款待名流，包括拉瓦節、富蘭克林等名人，至此上流社會與農民開始推動馬鈴薯普及運動，大幅改善糧食的穩定狀況。帕門提爾後來幾乎變成了馬鈴薯的代稱，許多以馬鈴薯為主的菜餚都以他的名字命名，如：碎牛肉燉馬鈴薯泥（hachis parmentier）、鹽鱈魚佐馬鈴薯湯（brandade de morue parmentier）等（Laws, 2014）。

雖然馬鈴薯開始被部分人士認可，但仍沒有被廣泛的接納，在歐洲不少地方，馬鈴薯仍只被用來當做動物飼料和饑民的食物，這一點可從文森·威廉·梵谷（Vincent Willem van Gogh）創作的油畫《吃馬鈴薯的人》（The potato eaters, 1885）中看出，畫中描繪了貧困農家晚上在油燈的光線下吃馬鈴薯的景象，抓起馬鈴薯的手還彷彿沾著泥土的味道（見圖三），真實的透露人們辛勤地在土地上耕作，從畫裡很容易了解當時貧窮與馬鈴薯的關係。愛爾蘭是最早廣泛接受馬鈴薯，也是一個深受馬鈴薯影響的國家，在正式獨立之前，愛爾蘭土地大都為英國地主所有，有些愛爾蘭人還要跟地主承租土地來種植食用作物，經常要面對糧食不足的情形，自從馬鈴薯普及後，缺糧問題大幅改善，短短90年（1754-1845年），人口暴增2.5倍。愛爾蘭人在最肥沃的土地上生產英國所需的糧食，而在最貧脊的土地上種馬鈴薯維生，透過這樣的供養關係，可說是馬鈴薯助長了最初十年的英國工業革命（Standage, 2009）。西元1845年，歐洲各地出現馬鈴薯病害，生病的馬鈴薯整顆腐爛，此病害長達近5年的時間無法控制，貧窮的愛爾蘭人陷入生存的困境，這段時間裡餓死了約150萬的愛爾蘭人，另外的150萬愛爾蘭人離開故鄉前往英國的殖民地（新大陸美國），當時移民的後裔中出現了好幾位美國總統（甘迺迪總統、雷根總統、柯林頓總統），馬鈴薯雖發源自南美的安地斯山脈，卻是由愛爾蘭人逆向帶回到北美大陸（Sakai, 2013）。

圖三：梵谷的《吃馬鈴薯的人》（The potato eaters）

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/吃馬鈴薯的人）

n  馬鈴薯的熱量和養分

自從馬鈴薯擠身歐洲料理常用食材後，人們不再只靠麥類作物提供熱量，馬鈴薯不只養活眾多人口，也有剩餘存糧，亦可當家畜飼料，讓歐洲人擺脫飢餓的恐懼，也有機會整年都吃得到新鮮的豬肉，也就是說歐洲國力蓬勃發展全拜馬鈴薯之賜。馬鈴薯3個月即可收成，生長在地底不易受氣候的影響，其所供應的熱量是麥類的4倍以上，除此之外，馬鈴薯含有維他命C，由於馬鈴薯中的澱粉，一加熱就化成糊狀，進而避免維他命C溶解於水中，所以馬鈴薯所含的維他命C較耐熱且不容易流失。馬鈴薯的法文是「pomme de terre」，德文是「Erdapfel」，意思都是地底的蘋果（土蘋果），歐洲冬季中部到北部的農田會覆蓋白雪，人們無法獲得新鮮蔬果，還好有馬鈴薯可長期保存又富含維他命C，這富含維他命C的土蘋果可避免歐洲人得到壞血病（Haslinger, 2014）。

n  馬鈴薯澱粉分子和澱粉顆粒結構

馬鈴薯是含高澱粉質的蔬菜，澱粉是由葡萄糖組成的醣類聚合分子，是植物用來儲存能量的分子，主要形式有二：一種是會形成雙螺旋形的直鏈澱粉（amylose），又稱可溶性澱粉，其分子結構如圖四左所示；另一種是有很多分叉像樹枝狀的支鏈澱粉（amylopectin），又稱膠體澱粉，其不溶於水，在熱水中形成糊狀且有很強的黏性，其分子結構如圖四右所示。每一個澱粉粒裡含此兩種分子都是以結晶的形式存在，而這兩種分子以一圈一圈的方式堆成一個澱粉顆粒，相似於樹木年輪的結構。

 

圖四：直鏈澱粉（左）和支鏈澱粉（右）的分子結構

（圖片來源：由左而右，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Amylose_3Dprojection.corrected.png
，https://en.wikipedia.org/wiki/Amylopectin）

n  馬鈴薯的澱粉糊化與烹調

澱粉分子必須加熱使其溶於水後，才能被人體酵素分解，因此食用澱粉類食物與火的發明息息相關。含澱粉質的食物烹煮後澱粉會糊化（膨脹變濃），因此澱粉經常被用作增稠劑，最常見的有玉米澱粉、麵粉、樹薯粉和馬鈴薯粉等，由於澱粉顆粒的大小、分子結構的長度，以及結晶構造的變化差異，會使得其糊化溫度也不同，如：玉米澱粉的糊化溫度約在100^oC，馬鈴薯粉的糊化溫度則介於70-80^oC，但其用法幾乎類似，都在加水、加熱、冷卻後，就會變得黏稠。烹煮之前澱粉粒是體積極小且密實凝聚在一起的澱粉分子，當加熱至細胞膜蛋白質變性的溫度（58-66^oC）後，澱粉粒開始吸收水分子，澱粉粒即膨脹軟化而形成柔軟的膠質（Jeff Potter, 2013），煮過的直鏈澱粉分子放置一段時間溫度下降後，會相互作用形成大型的類結晶結構，因此以直鏈澱粉分子含量較高的米（如：長型米），口感具彈性且粒粒分明，而幾乎全是支鏈澱粉分子的糯米，炊煮後則柔軟且黏性高。

由於馬鈴薯澱粉糊化的溫度（約75^oC）遠低於水的沸點，再加上馬鈴薯中水分充足，因此不須花很多功夫就可使馬鈴薯糊化，只要把馬鈴薯放入微波爐幾分鐘即可，實在是快速、簡單、環保又健康。將微波後的馬鈴薯切成小塊，用湯匙背面將其壓碎成泥，並加入一些牛奶、奶油、原味優格、現切迷迭香、少許鹽和胡椒粉，就成了美味的迷迭香馬鈴薯泥。牛奶會使得馬鈴薯泥味道更加濃郁綿密，主要的原因是牛奶中的酪蛋白會限制澱粉粒膨脹的體積，馬鈴薯泥較不會黏而糊糊的，口感會比較好。酪蛋白會降低直鏈澱粉分子從澱粉粒中漏出來的程度，並將液體分成兩部分，一部分是含有較多蛋白質的小水滴；另一部分是含有較多直鏈澱粉分子的澱粉液，隔開成兩部分形同增加了澱粉的濃度，也讓澱粉的糊化更易進行（Herve This, 2012）。

若想燉肉裡的馬鈴薯禁得起長期的烹煮，可先低溫（55-60^oC）預煮，維持20-30分鐘，此步驟能減輕烹調時出現的軟化現象，在後來慢煮中較能保持其外形。一般講的新馬鈴薯（如：圓形紅皮）是指採自新綠藤蔓的未成熟的塊莖，水分含量多且甜，澱粉含量則較低（16-18%），烹煮後相鄰的細胞會黏合的更牢，而產生結實緻密的質地，所有的烹調方式都能保有原有的形狀，因此適合用在焗烤、沙拉或清蒸等；成熟的馬鈴薯則是在收成時先把藤蔓切斷讓植株枯死，塊莖留在土裡儲放數週好讓表皮硬化，褐皮馬鈴薯為美國市場上最廣泛使用的成熟馬鈴薯，澱粉含量特別高（22-23%），烹調後會有濃郁的粉狀口感，非常適合搗泥，食用時經常會搭配奶油或醬汁增添濃郁的風味。以上兩類馬鈴薯都適合做炸薯條，高澱粉質的褐皮品種會有鬆綿的口感，低澱粉質的品種則會質地結實滑順。若想要做出好吃的炸薯條，第一步得先讓薯條以低溫（120-163^oC）油炸8-10分鐘，讓表皮細胞的澱粉從澱粉粒中溶出，黏合強化外側的細胞壁，外層會較強韌，接著才提高溫度至175-190^oC，油炸3-4分鐘，直到外層酥脆變成金黃色，若第一次油炸溫度過高會讓外皮焦掉，但若溫度太低則會使薯條外殼形成太慢，薯條會較容易吸油（McGee, 2009）。

目前，馬鈴薯產量佔全球所有蔬菜之首，美國人每人每天約食150公克，為了強調馬鈴薯對糧食安全與對抗飢荒的重大價值，聯合國還曾將2008年訂為國際馬鈴薯年，其彰顯馬鈴薯對過去人類的歷史具有特殊影響，也將對人類的未來意義重大。

n  參考文獻

1.      徐明達（2010）。《廚房裡的秘密：飲食的科學及文化》，臺北：二魚文化。

2.      Bill Laws著；王建鎧譯（2014）。《改變歷史的50種植物》，臺北：積木文化。

3.      Harold McGee著；蔡承志譯（2009）。《食物與廚藝：蔬·果·香料·穀物》，臺北：遠足文化。

4.      Herve This著；孫正明譯（2012）。《分子廚藝：用科學實驗揭開美食奧秘的權威經典》，臺北：貓頭鷹書房。

5.      Ingrid Haslinger著；薛文瑜譯（2014）。《諸神的禮物》，臺北：遠足文化。

6.      Jeff Potter著；潘昱均譯（2013）。《廚藝好好玩》，臺北：遠足文化。

7.      Nobuo Sakai著；游韻馨譯（2013）。《扭轉近代文明的六種植物》，臺北：馬可孛羅文化。

8.      Tom Standage著；楊雅婷譯（2010）。《歷史大口吃：食物如何推動世界文明發展》，臺北：行人。

 

飲食文化與化學：蛋的化學（上）

楊悠娟

國立東華大學自然資源與環境學系
[email protected]

每個人都看過或吃過雞蛋吧？專業廚師（Gardiner, Wilson & Exploratorium, 1998）說它：低調卻非凡（unassuming but extraordinary）的大自然傑出創作，是握在手中的巧思；仙女下凡長相好、個性親和、特色足，能夠創造出親切可人的國民美食（蔡穎卿，2015）。中國人吃荷包蛋和糖心蛋，西方人吃太陽蛋和炒蛋，日本人則愛泡溫泉也愛吃溫泉蛋。最簡單的白煮蛋好像灰姑娘，一身樸素但是可以細細品嘗，只要神仙教母一揮魔杖，也可以搖身一變成為公主般風情萬種的魔鬼蛋。

蛋是料理的主角也是配角，蛋餅、蛋捲、蛋包飯、玉子燒、鮭魚卵、茶碗蒸、烤布丁等，可甜可鹹，可以搭配各式食材。蛋連結到不同年齡層的記憶，小嬰兒第一口副食品，最普遍的國民早餐，以及節慶喜宴的歡樂甜點；若沒有蛋，飲食史少了很多精彩，而甜點史也得改寫了！

為何蛋如此滋味豐富又多變呢？食物是複雜的系統，我們常說蛋「由蛋殼、蛋白和中間的蛋黃組成」，卻不知每部分還有更複雜的微結構；透過連續的觀察、操作和研究，才能了解其現象、結構、組成，並得以一窺全貌。

n  蛋的結構與組成

蛋的主要結構分為四部分：蛋殼、蛋白、蛋黃及薄膜，如圖一所示。

圖一：雞蛋剖面圖。數字含義：1.蛋殼；2.蛋殼外膜；3.蛋殼內膜；4.繫帶；5.外蛋白（薄蛋白）；6.中蛋白（厚蛋白）；7.蛋黃膜；8.潘德爾核；9.胚盤；10.黃蛋黃；11.白蛋黃；12.內蛋白；13.繫帶；14.氣室；15.蛋殼膠護膜。

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/雞蛋）

(一) 蛋殼（Shell）（見圖一之1、15）母雞下蛋20小時前形成的，由角質層、毛孔及其他部分組成的結構，可保護胚胎完整或避免雞蛋損壞。主要成分為碳酸鈣（95％）、次要為蛋白基質（3%）、以及碳酸鎂（1％）、磷酸鈣（1％）等。蛋白基質可以協助鈣質沉積及礦化，能增加蛋殼硬度，避免過脆。17000個毛孔組成半滲透薄膜，可讓空氣與水分通過。最外層的角質層可防止細菌和灰塵入侵（HealthTips202.Com, 2015）。

(二) 蛋白（Albumen）（見圖一之4-6、12-13）發育中的蛋通過母雞輸卵管時形成的，包含薄蛋白、厚蛋白、繫帶等結構；主要成分約10%的蛋白質水溶液，包含40種以上的蛋白質；其他物質1%，包含核黃素、尼克酸、生物素、鈣、磷、鐵等物質。

薄蛋白（見圖一之5）較靠近蛋殼，環繞厚蛋白；厚蛋白（見圖一之6）是核黃素和蛋白質的主要來源。繫帶（見圖一之4、13）是不透明的加厚蛋白質，形似扭轉的錨，可將蛋黃固定在蛋中央；繫帶越突出代表蛋越新鮮，因為煮熟後繫帶的蛋白緊貼蛋殼薄膜，所以不容易剝殼。蛋白的凝結溫度大約60-65℃（Science of Cooking, 2015）。

(三) 蛋黃（Yolk）（見圖一之7-11）

母雞卵巢表面的數百個卵母細胞組成的，也是雞蛋最早形成的部分；包含蛋黃膜、黃蛋黃（深色）、白蛋黃（淺色）、胚盤等結構。蛋黃是主要的營養來源，富含維生素、礦物質、脂肪、全蛋將近一半的蛋白質，估計水分48%、蛋白質17%、脂肪13%、無機質1%。礦物質包含鐵、鈣、磷酸、硫胺素（維生素Ｂ1）、核黃素（維生素Ｂ12）、卵磷脂（乳化劑）等，維生素包含Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ、Ｋ，除了維生素C之外都有（Paul Singh, 2015）。

蛋黃膜（見圖一之7）是包覆蛋黃表面的透明薄膜，可防止蛋黃混入其他部分，能夠保持蛋黃的完整性。若改變母雞品種與飼料，蛋黃顏色可能由黃至橘黃，但不影響其營養成分。蛋黃的凝結溫度大約65-70℃。

(四) 薄膜（Membrance）

薄膜位於蛋殻與蛋白之間，包含外膜、內膜、氣室等結構。外膜（見圖一之2）和內膜（見圖一之3）都是透明蛋白質薄膜，外膜（見圖一之7）比較靠近蛋殼；二者都相當強韌，成分為α-角蛋白（人頭髮成分），空氣和水可以通過，但能防止細菌進入。

氣室（見圖一之14）位於雞蛋較大端或較圓端，介於內、外膜間，深度約2-8 mm。氣室是母雞下蛋後降溫過程中形成的，也是白煮蛋的凹陷部位。新鮮雞蛋的二氧化碳含量較高，但時間越久，二氧化碳微量釋出並伴隨水分蒸發，外面空氣進入造成氣室逐漸變大。氣室愈小，代表雞蛋愈新鮮。

雞蛋成分與母雞品種、年齡、營養及生長環境有關。1顆蛋重量約35-80公克，粗估蛋白60%、蛋黃30%、蛋殼10%。全蛋的成分約水分74%、蛋白質13%、脂肪11%、無機質1%。常見的蛋殼顏色有白、黃、棕、甚至綠色，但是嚐起來都一樣。

平均而言，1顆重60公克的雞蛋，熱量78大卡（kcal），提供蛋白質6.7公克、脂肪6公克、多元不飽和脂肪酸1.17公克、單元不飽和脂肪酸2.46公克、飽和脂肪酸2公克、所有維生素（維生素C除外）及微量礦物質。蛋不僅富含營養，也有優異的抗菌性質，可結合化學物質；例如：溶菌酶，可抗菌及當防腐劑，用於製作起司、酒等。卵白素可鍵結生物素，卵黃高磷蛋白、卵轉鐵蛋白都可鍵結鐵，並能抗菌。卵磷脂可作為乳化劑，用於製作蛋黃醬（美乃滋）等。蛋白可作為凝膠，亦可結合其他物質，在不同溫度下有不同的變性，衍生不同風味的食物（ISA, 2015）。

表一：蛋的結構分析表

主結構	次結構	成分	性質與功能	結構圖
蛋殼	角質層 毛孔 其他	碳酸鈣（95％）、蛋白基質（3%）、碳酸鎂（1%）、磷酸鈣（1%）。	母雞下蛋前1天內形成的。 可保護胚胎完整，避免雞蛋損壞。 蛋白基質能協助鈣質沉積，增加蛋殼硬度。 17000個毛孔組成半滲透的薄膜，可讓空氣與水分通過。 角質層能防止細菌和灰塵入侵。	註1 註3
蛋白	繫帶 厚蛋白 薄蛋白	水分88%、蛋白11%、其他1%	發育中的蛋通過母雞輸卵管時形成的。 凝結溫度大約60-65℃。 薄蛋白較靠近蛋殼，環繞厚蛋白。 厚蛋白是核黃素和蛋白質的主要來源。 繫帶是不透明的加厚蛋白質，可固定蛋黃， 繫帶越突出代表蛋越新鮮。 煮熟後的蛋白與蛋殼的薄膜緊貼而不容易剝殼。	註1 註3
蛋黃	蛋黃膜 黃蛋黃 白蛋黃 胚盤	水分48%、蛋白質17%、脂肪13%、無機質1%	雞蛋最早形成的部分，由母雞卵巢表面的數百個卵母細胞組成。 凝結溫度大約65-70℃。 蛋黃膜可防止其他部分混入。 主要營養來源，富含維生素、礦物質、脂肪、蛋白質，以及全部脂溶性維生素。 顏色因母雞品種與飼料不同，可能由黃至橘黃。	註1 註3
薄膜	外膜 內膜 氣室	蛋殻與蛋白之間的透明蛋白質薄膜。 氣室位於雞蛋較大端或較圓端，深度約2-8 mm。	成分為α-角蛋白（人頭髮成分），可讓空氣與水分通過，能防止細菌進入。 氣室為母雞下蛋後降溫過程中形成的，氣室愈小，代表雞蛋愈新鮮。	註2 註3

註1：Paul Singh, R. (2015). Encyclopædia Britannica: Egg. Retrieved from http://global.britannica.com/topic/egg-food.

註2：Wikimedia. (2015). Anatomy of an eff labeled. Retrieved from https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fb/Anatomy_of_an_egg_labeled.jpg.

註3：ISA. (2015). Structure and compositions of eggs. Retrieved from http://www.isapoultry.com/en/support/publications/at-isa-our-business-is-eggs/structure-and-composition/.

n  蛋的化學變化

蛋最主要的化學變化是凝結（coagulation），蛋白凝結溫度大約60-65℃，蛋黃凝結溫度大約65-70℃。

蛋白又稱為球形蛋白。蛋白質為多個氨基酸失水形成醯胺鍵的鏈狀高分子化合物，依照特定順序排列，來決定蛋白質的特性和生物功能。胺基酸之間透過氫鍵、離子鍵、雙硫鍵、疏水性交互作用、親水性交互作用等作用力，相互盤繞、捲曲、摺疊成球狀物，漂浮於水中。疏水性交互作用代表蛋白質內部非極性基之間的交互作用，親水性交互作用代表蛋白質內部極性基或游離基與結構表面的水之交互作用（Seeling, 1996; Science of Cooking, 2015; Herve This, 2015）。

常用方法包含加熱、攪打、乳化、脫殼等：

(一) 加熱

因為加熱引起的攪動、碰撞和彈跳，所有分子開始振動，打斷原先鍵結，鬆綁球形蛋白，破壞原來的立體結構，稱為變性（denaturation）。若變性後的蛋白質分子碰撞後會再結合，並且抓住水分子使其減少滑動，進一步形成連接的網狀物並反射更多光線，逐漸讓蛋白變硬且不透明，稱為凝結。如果加熱溫度越高，時間越久，提供能量越多，形成的網狀物越堅固，蛋白的口感就會變得像橡膠般堅韌。除了溫度之外，鹽、檸檬汁、酒精也可以凝固蛋白，造成變性，失去原有的生物活性。

可能的變性劑包含熱、酸、鹼、紫外線、有機化合物、重金屬離子和機械式攪動。代表食物：白煮蛋、凝乳等。

 

〔續《飲食文化與化學：蛋的化學（下）》〕