臺灣化學教育

創意化學實驗：
嵌入式平台的氣體感測器對不同酵母菌
在麵糰發酵過程中二氧化碳變化之研究

郭家瑀、林震煌*

國立臺灣師範大學化學系
*[email protected]

 

n  摘要

利用本研究自行設計並組裝的二氧化碳感測器搭配NI LabVIEW撰寫程式碼設計嵌入式平台的系統NI myRIO (National Instrument myRIO)，再以自製密封罐放置待與不同的市售酵母菌一起發酵的麵團，以觀察酵母菌在不同溫度環境下的二氧化碳濃度變化，藉此得知市售酵母菌在麵粉發酵時適合的溫度條件並從開始到酵母菌活性下降時的這段時間內共產生多少克的二氧化碳，以研究適合市售酵母菌的發酵環境溫度。

n  實驗原理

揉製好的麵團於發酵時，酵母菌利用水和麵粉所供給的養分（單醣）進行發酵作用產生大量的二氧化碳。麵包作為要好吃的一個關鍵是要有好的口感，其關鍵為麵包內部要產生多孔洞。而內部產生的孔洞乃酵母菌在靜置發酵過程中產生的二氧化碳氣體撐開麵團的麵筋造成的現象；部分多餘的二氧化碳則從麵團溢散而出。被麵筋包覆住的二氧化碳會在烘焙麵包的時候因升溫而撐大麵包，使麵包鬆軟好吃。本實驗則依據麵團溢散而出的二氧化碳的總量來判定麵團內部被麵筋包含的二氧化碳的多寡。若由麵團溢散而出的二氧化碳越多，其內部所產生的二氧化碳孔洞也越多，做出來的麵包也越有好的口感。

本實驗依固定比例的配方，在麵團配置好後並放入自製密封罐，並藉由水浴密封罐控制其發酵環境的溫度，持續觀察其二氧化碳濃度變化直至達到最大濃度、酵母菌活性開始下降為止。以此段過程作為實驗反應的時間，利用嵌入式平台上的系統記錄此段時間每一秒的濃度數值，即可推算出從實驗反應的時間之內，酵母菌利用麵團供給的養分共產生並溢散出的二氧化碳重。並且比較出在何種溫度參數下酵母菌能夠有良好的表現，在反應時間內可以產生最多的二氧化碳，做出鬆軟好吃的麵包。

n  使用材料及器材

1.      市售酵母菌：滿點牌速發乾酵母、白玫瑰牌即溶速發乾酵母，如圖一所示。成分：天然酵母（Saccharomyces cerevisiae）、乳化劑。麵粉：日清牌山茶花（高筋）、紫羅蘭（低筋）麵粉，如圖二所示。

 

圖一：滿點牌速發乾酵母（左）和白玫瑰牌即溶快發乾酵母（右）

 

圖二：日清牌山茶花高筋麵粉（左）和日清牌紫羅蘭低筋麵粉（右）

材料：輸送氣體用的管路以及改裝密封罐等等。

2.      器材：電磁加熱攪拌器、2000 mL玻璃燒杯、自組裝搭載嵌入式平台系統二氧化碳感測器、電腦攝像頭、空氣鋼瓶。實驗裝置示意圖，如圖三所示；實驗裝置圖，如圖四所示。

圖三：實驗裝置示意圖

 

圖四：裝置實際圖

n  NI myRIO嵌入式平台系統

所謂的嵌入式系統為控制、監視或輔助設備、機器甚至工廠運作的裝置所使用的系統。換句話說是一種嵌入機械內部且具有專一功能和實時計算效能的處理系統。其上述許多應用內容都可採用NI myRIO技術達成。不過有時候為了某堂課或是某個專案而學習新技術，對學生可說是非常困難，而myRIO的優點即可克服這些困難。

NI myRIO的最大特色為其可以搭配簡單易上手的LabVIEW圖形化程式設計來構寫執行程式碼。圖形化程式設計讓學生能夠像工程師一樣，只要以直覺觀察並處理圖像的方式來撰寫執行程式碼，直接以滑鼠連結各種功能物件，取代繁雜的程式語言。針對大多數的程式設計語言，學生均需耗時了解特定語法，再對應為該語言的架構，才能解決問題。而NI LabVIEW圖形化程式設計，對學生而言是一種更直覺、簡單易上手的處理方法。

RIO代表「可重設I/O」(Reconfigurable I/O)，RIO採用FPGA架構也就是「現場可重設閘陣列」（Field Programmable Gate Array），是一種可以重新設定的晶片，可供使用者自行設定電路程式。因此，藉由LabVIEW圖形化程式設計，學生就會知道該如何設計自己的電路程式。FPGA是一種可以設定的電路，所以運作速度快，而且非常穩定，就像在麵包板上運作的電路一樣。上述提及這是一種可以重設的I/O。也就是說，如果想要修改FPGA可以隨時清空原有的內容，設定其他不一樣的功能。

NI myRIO其中除了FPGA之外，還有一個搭配Real-Time作業系統的處理器，我們可以把程式碼部屬至Real-Time作業系統，接著就能夠在FPGA來回讀寫資料。Real-Time作業系統的特別之處在於其出色的穩定性。比如說，Windows必須平均分配處理器時間給各項電腦作業像是執行程式碼、更新和防毒軟體，對於基本資料擷取應用來說非常實用。但是Real-Time作業系統會優先並專心執行程式碼，提高系統持續工作的穩定性，這對控制應用的產品來說非常重要，比如汽車、航太、控制機器人多種應用領域。此外，如果我們把程式碼部署至Real-Time作業系統，不需要電腦也可以運作產品。

本實驗利用本實驗室自行使用LabVIEW撰寫持續監測二氧化碳並記錄的執行碼，並把該執行碼放入myRIO的FPGA晶片當中，使該系統能夠配合二氧化碳感測器持續觀察感測器周遭二氧化碳的濃度變化，有助於觀察酵母菌在麵團發酵時二氧化碳的變化情形。嵌入式系統平台架構，如圖五所示。

圖五：嵌入式系統平台架構

n  二氧化碳感測器

傳統的紅外二氧化碳感測器中僅有1個感光元件，一般都是將無人存在的環境中的二氧化碳濃度假定為300 ppm作為背景值，採用通過檢測與背景值之間的差異來確定二氧化碳濃度。該種〝相對值檢測〞方法。如果環境中經常有人活動，其二氧化碳濃度不會下降到300 ppm的水平，如此一來背景值與實際濃度的誤差將會被放大，從而無法檢測到準確的濃度。本實驗採用的二氧化碳感測器中有2個感光元件，其前端搭载各不相同的光學濾鏡，一個感光元件對二氧化碳吸收紅外線波長範圍（二氧化碳的吸收波長）的紅外線通量進行檢測，而另一個感光元件則對二氧化碳不吸收的波長範圍（背景波長）的紅外線通量進行檢測，如此即可随時檢測到不受背景影響的紅外線水平。二氧化碳感測器內部構造及原理，如圖六所示。

    

圖六：二氧化碳感測器內部構造及原理

n  實驗方法

一、  組裝儀器裝置

1.      接上空氣氣瓶到氣體流量計，以便達到穩定流量空氣流入，流速設置1：15 mL/min，如圖七所示。

圖七：在氣瓶出氣口加裝氣體流量計控制氣體出氣流速

2.      利用管線，連接氣體流量計‒密封罐‒乾燥管‒氣體感測器，並確保空氣鋼瓶的氣體會將酵母菌產生的二氧化碳往感測器輸送。

3.      於水浴裝置前架設電腦攝像頭，並設定定時拍照記錄麵團在試管中的高度生長情形。

二、  進行二氧化碳監測

1.      以微量天秤秤取3.5 g麵粉、2.5 g水、5%麵粉重的市售速發酵母菌（0.175 g）以適當容器混和後均勻攪拌。

2.      攪拌完成後將麵團放入試管當中，並以玻棒適當壓平麵團頂端表面。再把試管放入密封罐中固定。

3.      放入密封罐到燒杯中水浴，並且以電磁加熱攪拌器控制溫度為25℃。

4.      利用壓縮空氣鋼瓶，持續供給空氣當作背景值至密封罐內，氣體再由密封罐頂端輸送到嵌入式平台感測器之中進行二氧化碳檢測。

5.      重複步驟1-4，每次提昇溫度5℃，重複三次至40℃。

6.      從電腦讀取配合嵌入式系統平台所記錄的濃度值變化，並用攝像頭記錄的麵團高度生長情形進行數據分析。

n  結果討論

一、  葡萄糖發酵

葡萄糖發酵的總體化學反應，如式[1]所示：

C₆H₁₂O₆  2C₂H₅OH + 2CO₂    [1]

葡萄糖發酵會導致麵包麵團發起，乃酵母菌利用麵團裡所提供的單醣產生二氧化碳和乙醇做為副產物。麵團內部的泡狀孔洞為二氧化碳撐開麵筋所造成的，這也是麵團在發酵當中會變高的原因。過多的二氧化碳則會從麵團溢散出去被感測器偵測。至於乙醇則是在烘培的過程中蒸散。

二、  二氧化碳監測

以35℃下進行發酵的二氧化碳濃度觀察情形，以下列舉四個例子：滿點牌酵母搭配高筋麵粉、滿點牌酵母搭配低筋麵粉、白玫瑰牌酵母搭配高筋麵粉以及白玫瑰牌酵母搭配低筋麵粉。

(一)滿點牌酵母搭配高筋麵粉

滿點牌酵母在高筋麵粉為材料的麵團中其發酵產生的二氧化碳濃度變化，如圖八所示。可發現麵團在試管中的高度會持續生長到二氧化碳的濃度達到最高的時間點為止，二氧化碳濃度開始下降，即表示酵母菌的活性亦開始下降。本實驗均以從開始觀察直到濃度最高點這段時間作為實驗觀察時間。

圖八：滿點牌酵母菌於高筋麵粉中發酵產生二氧化碳濃度與時間的關係圖

(二)滿點牌酵母搭配低筋麵粉

滿點牌酵母菌在低筋麵粉為材料的麵團中其發酵產生的二氧化碳濃度變化，如圖九所示。與在高筋麵粉麵團中的發酵情形相同，其生長高度也會持續生長到二氧化碳的濃度達到最高的時間點為止。

圖九：滿點牌酵母菌於低筋麵粉中發酵產生二氧化碳濃度與時間的關係圖

(三)白玫瑰牌酵母搭配高筋麵粉

白玫瑰牌酵母在高筋麵粉為材料的麵團中其發酵產生的二氧化碳濃度變化，如圖十所示。結果與滿點牌酵母菌於高筋麵粉麵團中的發酵情形相同，其生長高度也會持續生長到二氧化碳的濃度達到最高的時間點為止。

圖十：白玫瑰牌酵母菌於高筋麵粉中發酵產生二氧化碳濃度與時間的關係圖

(四)白玫瑰牌酵母搭配低筋麵粉

白玫瑰牌酵母在低筋麵粉為材料的麵團中期發酵產生的二氧化碳濃度變化，如圖十一所示。結果與在高筋麵粉的情形相同，其生長高度也會持續生長到二氧化碳的濃度達到最高的時間點為止。

圖十一：白玫瑰牌酵母菌於低筋麵粉中發酵產生二氧化碳濃度與時間的關係圖

麵粉有高筋與低筋之分，其差別在於蛋白質的含量。蛋白質和水進行混合後會形成麵筋，因此以此作為高筋與低筋麵粉的區分，高筋麵團有好的柔軟度，適合做麵包等較柔軟的食品，而低筋麵團則相反，適合做蛋糕、餅乾類的食品。

兩種不同筋度的麵團最終高度之所以有差異，在缺少麵筋的情況下，麵團的柔軟度會下降，二氧化碳就不容易撐開麵筋造成麵團高度的上升，因此低筋麵團的最終高度均會低於高筋麵粉。

三、  二氧化碳產量推算方式

本實驗利用加壓氣體鋼瓶持續以定量流速灌輸空氣到放置發酵麵團的密封罐內，利用嵌入式平台系統記錄二氧化碳濃度數值（ppm），並扣掉空氣鋼瓶內的二氧化碳背景值300 ppm，積分後可得濃度的積分值，乘上流速以及時間後，即可推算出反應時間內酵母菌產生了多少公升的二氧化碳。利用理想氣體方程式pV = nRT，得出每公升的二氧化碳在不同溫度下為多少克，以此換算出每次實驗由酵母菌產生了多少克的二氧化碳。

表一：每公升的二氧化碳在不同溫度下為多少克重

四、  數據分析：不同溫度下的酵母菌發酵時產生的二氧化碳重量

嵌入式平台系統經自行設計後，可以設定每經過多少毫秒（Polling Time）記錄一次濃度值，並且以Excel檔案的型式匯出，如圖十二所示。

圖十二：嵌入式平台系統電腦端使用介面

記錄的濃度值扣除空氣鋼瓶內的二氧化碳濃度值300 ppm後，積分濃度值後在乘以上述定義的觀察時間與流量計固定的流速1.15 mL/min，便可求得在這段時間內酵母菌產生的二氧化碳共有多少公升從麵團中溢散出來。經表一換算後便可得出在每個溫度下，酵母菌在麵團中產生並且溢散出來的二氧化碳總重，如式[2]所示。

表二：不同溫度參數下，滿點牌酵母菌在高筋麵團中發酵產生並溢散而出的二氧化碳重

表三：不同溫度參數下，滿點牌酵母菌在低筋麵團中發酵產生並溢散而出的二氧化碳重

表四：不同溫度參數下，白玫瑰牌酵母菌在高筋麵團中發酵產生並溢散而出的二氧化碳重

表五：不同溫度參數下，白玫瑰牌酵母菌在低筋麵團中發酵產生並溢散而出的二氧化碳重

n  結論

l  本實驗觀察出麵團發酵開始直到酵母活性開始下降的這段時間內，兩種廠牌市售酵母菌產生並且從麵團溢散出的二氧化碳氣體總量會隨著發酵環境的溫度上升而下降。符合溫度越高，酵母越不能有良好的活性，因此在麵團成長到最高度前溫度越高酵母菌越不利產生二氧化碳。

l  相同溫度參數下，高筋麵粉內的酵母菌產生的二氧化碳重量均高於低筋麵粉，推測是因為這兩種麵粉內含有對於酵母菌進行酒精發酵所需要的養分—葡萄糖等單醣的含量不同有關。依實驗結果來看，高筋麵粉所含的單醣養分較低筋麵粉為多。

l  生長高度可以準確的在酵母產二氧化碳量開始減少時一起達最高，此項特性也許可實際應用於生活中的麵團發酵。

l  麵包評價的標準其一是內部是否鬆軟，而鬆軟的條件則是看氣體產生的多寡，而實驗的發酵在較接近室溫（25℃左右）時有較高的二氧化碳產量，也符合麵包在室溫度下適合發酵的常理。

n  參考資料

1.        什麼是RIO技術？National Instrument, http://www.ni.com/f/academic/12/7071/zht/.

2.        C/C++嵌入式系統設計工具，National Instrument, http://www.ni.com/white-paper/14623/zht/.