還記得兒時街邊的愛玉冰嗎？ 清涼解暑愛玉背後的複雜膠化物理學

低碳飲食革命在全球可地如火如荼的進行中…以植物食材為基礎取代肉食品可以減少的碳排放量。

這讓筆者憶起與祖母夏天搓洗愛玉一起共享的樂趣。夏季焰陽下街邊攤販隨處可見販售台灣特有的檸檬愛玉冰。這個涼品的主角-愛玉凍含水量超過 95%，且蘊含愛玉子的香氣、天然取材、高纖低熱量等特質。然而在健康飲食當道之下，為什麼愛玉凍卻沒有如全球馳名的珍珠奶茶跨出台灣呢？主要瓶頸是在愛玉凍的膠凝現象(Gelation)。

愛玉子的天然膠凝現象會因農業種植或烘培愛玉子的任一步驟因子就有不同的結果

不同品種、不同果實成熟度、經過不同處理過程的愛玉子、都會有不同硬度及結膠時間。還沒有端上餐桌就已經讓供應商和廚師怯步。但既然要講食材工業革命，就讓高分子與複雜流體實驗室來插手研究…把這些不同品種、不同成熟度和處理的愛玉子送到實驗室後，經由分析結果，就能提供該愛玉子的最佳化結膠處理方式，讓食材變成食物的品質良率提升。 

根據農委會統計^[1], 台灣於2020年收成了約675公頓的愛玉子。普通愛玉凍的製程為每公升水洗10至20克愛玉子。以此配方計算，每年可製作3至7億頓愛玉凍。以一杯愛玉飲料 (300 g) 售價約30元估計，愛玉凍的經濟價值在台灣食品市場就已達到約30至70億台幣。透過更加理解愛玉膠凝過程的物理、我們預期可以更好的控制愛玉凍的膠性質及品質。

膠凝(Gelation)是一個與日常生活非常相關的基礎科學問題。膠材質存在於非平衡態、有多尺度固體和液體特性、可有彈性維持型狀、也可隨著外力流動。最相關的科學領域是軟物質及流体物理、反應動力學、及高分子物理。對食品工程及製作、可控制的產品品質是非常重要的。食用上愛玉凍重要的性質為彈性與口感質地。因為愛玉凍含水量高，不同愛玉凍主要差異會是愛玉凍的彈性。


台大黃永傳教授^[2]與苗栗農改場^[3]的研究對愛玉凍的主要成分的膠凝學，測量打造了現代理解愛玉凍膠凝的基礎，過程中有3個重要的步驟 (如圖1)。

1. 愛玉果膠甲酯酶（pectin methoxylesterase enzyme: E) 將聚半乳醣醛酸（poly galacturonic acid: PGA)甲氧基（methoxyl ester : GA-COOCH₃) 轉化為羧基 (carboxyl acid : GA-COOH) 。 可寫為
   
    $$\ce {GA-COOCH3}+\ce{H2O}+\ce{E}\overset{K_E}{\longrightarrow}\ce{GA-COO-}+\ce{H+}+\ce{CH3OH}+\ce{E}$$
   
   
   
2. 水中鈣離子(Ca²⁺)與果膠聚合物(poly galacturonic acid: PGA) 形成瞬態離子鍵及連結可承重, 但屬弱硬度的膠網絡 (彈性模量 elastic modulus G’ < 100 Pa)。可寫為
   
   $$\ce {Ca^{2+}}+2\ce{GA-COO-}\stackrel{\huge\overset{\small K_1}{\leftrightarrows}}{\scriptsize K_{-1}}\ce{CaPGA}$$
   
   
3. 隨著更多Ca-PGA形成離子鍵，連續結合的離子鍵形成連接區（junction zones : JZ）^[4]，穩定膠網絡交聯且形成了貫穿空間硬膠網路 (G’>100 Pa)。

可惜的是關於愛玉研究，近年來並未在高等學界得到長期延續性的投資，只有少數國際期刊論文發表。但這也提供我們研究團隊一個契機，利用先進的測量計術及膠凝物理的新理論，深入地探討愛玉凍的膠凝物理。


在新冠肺炎疫情散佈全球前夕，主導麻省理工學院（MIT）非牛頓流體實驗室 (Non-Newtonian Fluid Dynamics Laboratory：以下簡稱NNF實驗室) 的教授 Gareth McKinley教授剛好來我的實驗室訪問。我們聊到天然膠凝的理論研究，於是這個台灣特有的原生植物 -愛玉子就出現了！為了讓Gareth McKinley教授能夠親身體驗這個”天然植物”的口感。我們還驅車至我岳母口中在基隆夜市經營60年以上的手洗愛玉攤販，實地品嘗這個已經被遺忘多年的盛夏良品。開啟我的實驗室與麻省理工學院NNF實驗室合作主題- 系統性測量愛玉凍的膠凝物理。


我引用 McKinley教授與學生Michela Geri與Bavand Keshavarz 於 2018年發表的 Optimally-windowed Chirps (OwCh) 測量方法^[5]，在愛玉膠凝過程中以振盪變形調頻 (frequency modulated oscillatory strain）同時測量膠黏彈性模量 (elastic modulus G’ ; loss modulus G”) 及其對振盪頻率依賴性。測量所得數據不但有膠凝過程高分子網絡彈性，也讓我們得到網絡多尺度微結構的連結性及分形維數 (fractal dimension) ^[6]。同時，我與研究助理王凡偉一起發展了結合反應動力學、高分子物理及膠凝網絡動力學的數學模型，用於分析及預測愛玉凍膠凝的過程。


返國後，我與所內新進研究技師黃仲仁博士的軟物質流體性質測量實驗室合作。使我們在過去兩年，雖受到新冠防疫影響曾經短暫關閉實驗室，仍能夠在幾乎零確診的台灣繼續後續的實驗與測量*。在黃仲仁博士、王凡偉、陳韻如及朱敬庭助理們的協助下，完成初步的愛玉樣品測量及模型。我們發現了幾點有趣的現象：


第一：即便是同一樣品的愛玉子，在一樣的實驗環境下膠凝的時間 (gelation time: tgel) 也可有將近一倍的差別。這主要是因為我們採用的是未經純化天然樣品，所淬取的膠凝物、果膠酶、及離子量都會有差異。此外，因為這些淬取物的濃度不高, 其化學反應受分子擴散及分子間碰撞反應機率的機制控制，故測量數據分布會擴大。


第二：利用高分子物理及膠凝網絡動力學，將粘彈性演變的時間過程以tgel標準化，我們可將演變數據同步化（如圖2) 。從這個過程，我們推論愛玉果膠酶活化果膠聚合物需要一段時間 (tp) 才能達到網絡膠凝的條件，也是所謂的滲透閾值（percolation threshold)，果膠聚合物網絡連結貫穿了整體空間。隨著果膠聚合物網絡連結數量增加、連結間的線性高分子片段也增加、使得整体網絡熵彈性**也增加了。我們使用反應動力學估算連結的數量，即可以預測膠彈性的演變。


第三：我們也從文獻^{[2, 3]}發現，果膠酶活性受溫度，pH值，鹽份濃度及鈣濃度影響甚多。果膠酶活性在20^oC至40^oC, pH4至6及鹽濃度 50至 100 mM (每公升水約1至3克) 最佳。愛玉子用純水洗淬取液中會有少許鈣 ^[7]、愛玉也會結膠、如水中加入少許鈣離子(約 2至4 mM)，愛玉膠硬度就會提升。但過多的鈣離子反而會與PGA 產生較軟的膠。要控制愛玉凍性質, 就要先控制愛玉淬取液成分及環境。

圖2 (左圖)愛玉淬取液黏性(紅線)及彈性(黑線)模量隨網絡連結增加而成長，空心點為每100ml加入2.0克愛玉子，實心點為每100ml加入2.5克愛玉子。(右圖) 以理論模型預測與實驗數據比較

第四：在愛玉粘彈性演變上觀察到了G’ 與G” 在tgel 後隨著網絡連結增加、但成長過程中有一轉折點 (如圖2)。我們所測量的巨觀粘彈性轉折點代表的膠微結構改變是JZ 連結形成的力學訊號。低溫電子顯微鏡所得到的影像也顯示了奈米纖維網絡的形成（如圖3）。這與許多奈米材料的相似性也讓我們期盼愛玉具備的簡易製作過程、無毒、可自然分解等特性能夠於未來應用於生物材料技術。

我們觀察到愛玉凍看似相當簡易的製程， 但其分子膠凝的過程卻很複雜。這也讓我們找到一些可以控制愛玉凍性質的關鍵條件。舉例來說，愛玉凍的主要成分之一 Pectin，與同是多醣聚合物但已有多種應用的藻膠 (alginate) 非常類似。藻膠不但用於改變食品（如冰淇淋, 果凍）的黏彈性，也用於製作輸送藥物的微顆粒及其他生物材料。但是，藻膠的粹取及製膠過程中會經過加入強酸來活化alginate 使與鈣分子成膠。相對的愛玉凍膠凝的過程，處理上是非常簡易的 – 只需要加水礳洗即可。愛玉凍膠凝基礎研究的投資對理解愛玉膠凝機制及膠性質控制會有突破， 可以在不久後能將愛玉的應用更加推廣 ^[8]。  如對愛玉有更深入的理解及控制愛玉凍膠凝性質，就可以擴展探討愛玉在生醫材料及去動物肉類食品的其他應用， 進而提升愛玉的經濟價值。


Notes
*物理所流變儀未能執行NNF 流變儀（TA Ares G2）可執行的OwCh測量 但仍可取得部分固定振盪頻率變形數據。
** 熵彈性 (entropic elasticity) 來自於線型高分子在水分子環境內熵最高（也就是最常有的構像）是隨機遊走構像（random walk: RW) 受外力拉伸後，會受熱擾動而收縮回到RW，因此有彈性。

References
[1] Taiwan Agricultural Council https://agrstat.coa.gov.tw/sdweb/public/inquiry/InquireAdvance.aspx, 2021.
[2] Y.C. Huang, W.B. Chen, Y.P. Shao, A Study on the Mechanism of Gelatinization of Awkeo-Jelly, J. Taiwan Soc. Horticultural Sci. 26 (1980) 117-126.
[3] H.H. Wu, D.C. Wu, C.Y. Chia, Studies on the Factors Influencing the Quality and Gelation of Jelly Fig (Ficus awkeotsang Makino), Bullet. Miaoli Dist. Agri. Res. Ext. 1 (2007) 59.
[4] D. Durand, C. Bertrand, A. Clark, A. Lips, Calcium-induced gelation of low methoxy pectin solutions—Thermodynamic and rheological considerations, Int J Biol Macromol 12 (1990) 14-18.
[5] M. Geri, B. Keshavarz, T. Divoux, C. Clasen, G.H. McKinley, Time-resolved Mechanical Spectroscopy of Soft Materials via Optimally Windowed Chirps, Phys. Rev. X 8 (2018) 041042.
[6] M. Muthukumar, H.H. Winter, Fractal Dimension of a Cross-Linking Polymer at the Gel Point, Macromolecules 19 (1986) 1284.
[7] H. Suzuno, S. Kinugasa, H. Nakahara, A. Kawabata, Molecular Characteristics of water-soluble polysaccharide extracted from jelly fig (ficus awkeotsang Makino) seeds, Bioscience, biotechnology, and biochemistry 61 (1997) 1491-1494.
[8] S.Y. Chan, W.S. Choo, D.J. Young, X.J. Loh, Pectin as a rheology modifier: Origin, structure, commercial production and rheology, Carbohydrate Polymers 161 (2017) 118.

文獻 : FW Wang, M Geri, YR Chen, JR Huang, GH McKinley, YL Chen, Rheo-chemistry of gelation in aiyu (fig) jelly, Food Hydrocolloids 2021 (https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.107001)