为什么翡翠籽料洗完会“冻”起来？3354从民族美食到生物医学材料

本文转载自中研院研究，泛科学为宣传推广实施单位。

采访黄品伟美术设计林云安

爱玉结胶过程的黏弹性变化

香玉其实是一种很有意思的生物材料，不需要加热，也不需要额外的添加剂，就可以在常温下胶凝成果冻。中科院物理所研究员陈岩龙分析了艾雨在凝胶化过程中粘度和弹性的变化，最终建立了预测艾雨凝胶化现象的数学模型。在未来，艾雨将有望取代海藻酸盐用于人造植物肉的口味调节或作为药物传递的微粒成分。现在让我们一起来看看关于艾雨的有趣研究吧！

你知道为什么玉籽洗完会变成玉果冻吗？图片/Wikipedia

爱玉：从街头到实验室

艾雨是台湾省人的流行美食，柠檬艾雨，艾雨粉圆，艾雨芒果冰.艾雨，搭配……QQ子弹很好吃，是很多人喝手摇的时候最爱的食材，也是炎炎夏日消暑的圣品。

从零食到大爱玉，学名是薜荔。Awkeotsang，与国外的蔬菜冻、石花冻等胶体食品有很大区别。在制作爱玉的过程中，不需要蒸煮，不需要添加其他添加剂，就可以在常温下发生糊化反应，形成爱玉果冻。

遗憾的是，艾雨并没有进行太多深入的学术讨论。陈岩龙，中国科学院物理研究所研究员，主要从事高分子流体和非线性流体的研究。他一直对胶体很感兴趣。这一次，他锁定了艾雨，与美国麻省理工学院(MIT)合作，希望从流变学的角度探索艾雨糊化的秘密！

爱玉如何胶化变成爱玉冻？

首先让我们简单了解一下为什么艾雨可以在室温下凝胶。

如果你曾经制作过爱玉，你应该记得第一步：首先，我们应该把爱玉种子放入纱布袋中，不断地在水中摩擦，让它们静置一段时间，爱玉才能慢慢形成。这种“洗艾雨”的动作，实际上是将艾雨种子中的聚合物、酶、金属离子等物质沉淀到水溶液中，形成艾雨提取液。

在提取物中，最重要的成分之一是聚半乳糖醛酸(PGA)。PGA是一种长链聚合物，也是制造艾雨凝胶的重要成分。它在水溶液中会经历三个阶段的化学反应：

图/研究：艾雨提取物中的物质(来源：陈岩龙)，钙离子会与长链PGA形成交联，多个交联紧密排列成为更稳定的连接区域。随着越来越多的连接区域，艾雨变成了爱语果冻！详情如下：

在第一阶段(I)中，PGA分子的R-COOCH3(甲氧基)将被艾雨特有的果胶甲基酯酶激活，变成R-COOH(羧基)，两个R-首席运营官-和钙离子将形成暂时的交联。

在第二阶段(II)，当提取物中的钙离子一个接一个地建立桥时，连续的交联将两个PGA连接在一起，并开始形成点状交联(PC)或短连接区(SJZ)。

在第三阶段(III)，随着越来越多的钙离子与PGA结合，交联键一个接一个地排列，形成一长串的结合区(JZ)。连接区是一个非常稳定的结构，就像一个拉链，把两个PGA片牢牢的嵌在一起。这时，艾雨也慢慢显示出坚实的特点，成为“爱育果冻”。

00-1010作为一名物理学家，陈岩龙也想知道：艾雨的物理性质在凝胶化过程中是如何变化的？为了弄清楚这个问题，课题组从流变学的角度分析了爱玉的凝胶化现象。

所谓“流变学”是一种探索材料物理性质的方法，通常是测量材料的粘弹性，非常适用于同时具有固体和液体特性的软物质。

对于固体来说，如果对材料施加力，它的形状就会发生变化；当外力撤除后，它会恢复原状。这就是固体的“弹性”，会吸收能量改变形状，就像我们用勺子碰布丁时，布丁会反弹一样。

另一方面，如果我们对液体施加力，物质就会开始流动。在同样的力下，不同的流体会有自己的流量。比如搅拌玉米汤和奶茶的粘度是不一样的，也就是说不同的流体有不同的粘度。

>有些物质同时具备「弹性」与「黏性」两种特性，而爱玉就是其中一种。爱玉从萃取液变成爱玉冻的过程中，虽然「弹性」变得越来越明显，但仍然保有流体的「黏性」。这样的爱玉，不是单纯的固体、也不是单纯的流体，所以需要透过流变学，探讨爱玉的物理性质。

如何量测爱玉的黏弹性？

为了研究爱玉的黏弹性，研究团队将爱玉萃取液装进流变仪（rheometer）的杯状容器内，再把圆筒状量具（下图）放入爱玉之中。这个量具由马达驱动，会像陀螺一样在爱玉里面来回转动，向爱玉施力。从爱玉反馈给仪器的力矩，我们就可以了解结胶过程中，爱玉的黏弹性变化。

一般来说，流变仪会使用固定的频率（例如正弦波）旋转量具，来蒐集物质对特定频率的反应。不过，由于爱玉结胶的变化很快，这样的量测方式追不上爱玉质变的速度。陈彦龙说道：「测量的过程中，爱玉材料性质就已经变了。」

为了解决这个问题，美国麻省理工学院 Gareth McKinley 教授与学生 Michela Geri 发明了Optimally-Windowed Chirps（OWCh）量测方式。OWCh 可以叠加不同频率、不同振幅的形变波，再使用这个叠加波，对爱玉进行测试，最后从实验结果，回推爱玉对不同频率形变的力学反应。

陈彦龙表示「OWCh 测量物质对频率反应的时间非常短，在爱玉演化的过程中，每一个时间点我都可以得到它对频率的反应，扩充了之前实验上做不到的量测。」

爱玉胶化过程的神秘转折！

从流变仪的实验结果，我们得知爱玉在结胶时的黏弹性变化，下图黑线 G^’代表爱玉的固体性质（弹性模数部分，storage modulus）、红线 G^”代表爱玉的液体性质（黏性模数部分，loss modulus）。

可以看到，一开始液状的爱玉几乎没有弹性，但过了一段时间后，弹性模数开始快速增加，甚至超过了黏性模数。两条线交会的点为胶化点（gelation point），此刻为胶化时间（gelation time，t_gel），代表爱玉的固体与液体特性相同。

在胶化点之后，爱玉的固体性质越来越明显。最终，爱玉变成了爱玉冻，黏弹性的变化也渐渐趋于稳定。

不过，如果看仔细一点，会发现一个有趣的现象：胶化点之后，爱玉的黏性与弹性会先经历小幅度趋缓，甚至下降，再转折成稳定上升的趋势，出现了拐点（inflection point）（上图箭头处）。

这就奇怪了！在陈彦龙一开始的理论预测中，钙离子与 PGA 交联的浓度（[Ca-PGA]），会随着时间增加而稳定上升。照理说，爱玉应该也要稳定的固化才对。然而，不论是弹性还是黏性，都同时出现拐点，代表爱玉在胶化时，还有一些状况没被考虑到。

经过一番研究，陈彦龙推测，拐点的出现，可能是因为某些交联「分离了」。我们前面有提到，成串的交联会形成连结区（JZ），而 JZ 非常稳定，是爱玉胶体重要的结构支撑。但是，单独的交联、或是较短的连结区（SJZ），键结其实是很弱的。在形成 JZ 之前，这一些不稳定的交联可能会先分离，导致交联网路形成的速度变慢，才会在实验中看到黏性与弹性出现拐点的现象。

显微镜下的爱玉长什么样子？

另一方面，为了观察凝胶过程的微观结构，研究团队使用冷冻电子显微镜 （Cryo-EM） ，观察爱玉结胶时的变化。陈彦龙主要选定了三个时间点来观测，分别是胶化点（A）、拐点（B），以及爱玉冻趋于稳定的时间点（C）。

从下图可以看到，在接近胶化点前，图片中间有一些白色细纤维（A），看起来是爱玉冻刚开始形成的状态。至于周围的其它孔洞，则可能是因为样本急速冷冻，导致水结成冰晶所造成的空隙。

接着，拐点左右的时间点，我们看到爱玉开始形成网路结构（B）。随着时间增加，结构变得越来越緻密，等到胶体进入稳定阶段时，就形成了稳固的纤维网路（C），而爱玉也变成緻密的爱玉冻了！

破解爱玉的胶化密码

陈彦龙团队不仅从实验了解爱玉物理特性，还发展理论预测爱玉胶化程度。简单来说，只需要知道爱玉籽一开始的重量，以及环境的基本条件，就可以推算爱玉在不同时间点的弹性、黏性会如何变化。

首先团队从化学反应动力学出发，算出爱玉萃取液中钙离子和 PGA 交联的浓度 [Ca-PGA]，也就是钙离子搭了几座桥。有了 [Ca-PGA]，就可以知道某个时间的爱玉弹性。原则上交联越多，爱玉越有弹性。

不过，因为实验发现爱玉黏弹性有转折点，团队进一步考虑短连结区（SJZ）和连结区（JZ）的数量密度，修正理论模型，贴近真实的胶化情况。

最后，研究团队终于研拟出一个能够预测爱玉胶化行为的数学模型。陈彦龙总结道：「这次主要的研究成果，就是探讨爱玉结胶过程中黏弹性的改变，还有透过反应动力学的理论基础，来预测爱玉胶化的过程。」

有了理论模型可以做什么？平民美食大变身！

有了理论模型后，未来製作爱玉时，我们就不用依赖那双洗爱玉籽的神之手，而是能更精準的掌握和控制爱玉的结胶品质。让爱玉不仅可以单吃，还能成为食品业和生医材料的帮手！

在食品科学方面，近年厂商开始尝试用人造植物肉取代动物肉食材, 辅助环境永续与减少碳排放。这些植物肉，通常都会利用胶状食材来调整口感，如果我们能够精準地调整爱玉的硬度，或许也能让爱玉成为植物肉的一部分。

在生医材料的应用上，爱玉也可以参一脚。近几年，很多研究讨论藻胶在药物输送上的应用，将药品包在含有藻胶的微胶囊内，控制药物在体内释放的时间。

藻胶的成分，与爱玉有很多类似的地方，陈彦龙期待地说：「如果用爱玉来做的话，是不是能够达成类似的性质呢？」

另外，由于爱玉本身的果胶分子属于弱电解质，有机会取代其他高分子液体的应用。目前，陈彦龙团队正在跟其他实验室合作，探讨爱玉做为锂电池的电解液，是否具有未来发展性。

下次当你吃着喜欢的爱玉时，大可不必思考背后複杂的流变学；不过要记得，爱玉不只是手摇杯的配料、也不只是台湾美食，更是极具发展潜力的生物材料！

爱玉不只是爱玉，更是极具发展潜力的生物材料！

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