令人驚奇的分子料理是這樣來的:食品科學中的晶球技術(上)
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當海藻酸鈉溶液滴入氯化鈣溶液中,鈣離子會取代海藻酸鈉羧基上的鈉離子(Na+) ,再結合另一醣醛酸分子上的羧基,形成離子架橋(圖a),這樣手拉手的結構, ...
002文字分享友善列印002化學物語活得科學環境生態令人驚奇的分子料理是這樣來的:食品科學中的晶球技術(上)Sophia・2019/08/09・2433字・閱讀時間約5分鐘・SR值555・八年級+追蹤2003年,解構主義代表費朗‧亞德里亞(FerranAdrià)使用特殊烹調法製作了一系列讓美食家與世人驚奇的分子料理,包含液態晶球橄欖、哈密瓜仿魚子醬,可說是為餐飲開啟了新世界大門。
但是你知道早在那之前就存在的「素魚子」與「素魚翅」就是用一樣技術製作出來的嗎?這到底是什麼技術呢?圖/pixabay隨著亞德里亞公開製作食譜,各式球化技術料理如雨後春筍般萌發,各種可大可小的球體、多樣色澤、具有蹦開口感的菜餚大量湧現。
填充的內餡可能是濃郁的高湯、清新的果汁、原汁原味的橄欖油、別具特色的香醋,又或是細緻的奶昔泡沫。
不管是單獨食用或是搭配其他菜餚,都可以帶來口感、味覺與視覺上的驚喜,而這些驚喜可要歸功於亞德里亞遇見了早在1980年代就出現的「人工魚卵製造技術」。
「人工魚卵製造技術」在分子料理中被稱作晶球技術(Spherification),在食品科學中則進一步稱作微膠囊化技術(Microcapsulation)。
為了達到球化效果,各式膠體、乳化劑、安定劑與鹽類等食品添加物進入餐廳與調理場中,它們主要藉由凝膠化改變液體食材的黏性以保持形狀,乳化改變製品口感。
晶球技術的核心:海藻酸鹽的化學作用其中最值得一提的添加物,莫過於海藻酸鹽(Alginate)了。
「海藻酸鹽」凝膠與成膜的特性,可保留液體狀的中心,常應用於包裹或製作特色食品,如素魚子、仿果肉、爆爆珠等;而獲得2015歐盟永續競賽獎的「食用水球」也是利用此原理所製作的。
褐藻酸鹽除了方便操作,又具有室溫下可凝膠與原料安全的性質,使其成為現今大多數分子料理、食玩與科學研究套組選用的熱門材料。
接下來就讓我們一起來了解海藻酸鹽是如何對料理產生化學作用!海帶。
圖/pixabay海藻酸鹽主要萃取自褐藻,如海帶、馬尾藻、囊葉藻或巨藻等,是細胞壁中的一種天然多醣。
海藻酸鹽的生產方式,使用乾或濕的海草(藻)經碾碎、水洗去除雜質、再經由鹼水進行萃取、藉離心去除不溶殘渣,得到粗海藻酸鹽溶液,後續再生產成不同型式。
經脫色、脫味後用酸處理,降低溶解度,除去可溶性雜質與部分水,得到海藻酸沉澱,再與碳酸鈉作用得海藻酸鈉,經乾燥、粉碎、過篩得到適當顆粒大小的海藻酸鈉粉末,外觀通常為白色到棕黃色纖維、顆粒或粉末。
海藻酸鈉是目前產量與應用較為廣泛的種類,其他還有像是海藻酸銨,海藻酸鈣,海藻酸鉀等不同的鹽類化合物,在溶解度,成膠性等特性上會有些微不同。
海藻酸鈉為一種線性不分支的高分子聚合物,單體包含有D-甘露糖醛酸(D-mannuronicacid,M)以β-(1→4)鍵結,和L-古羅糖醛酸(L-guluronicacid,G)以α-(1→4)鍵結。
M和G單元會以M-M,G-G或M-G的組合方式通過糖苷鍵相連成為嵌段共聚體。
M/G比例會隨著原料種類、季節和產區有所不同,這些不同會導致褐藻膠的產率和黏度有所差異,使用高G型海藻酸鈉製備的凝膠,較硬脆、熱穩定性好;高M型的海藻酸鈉凝膠,硬度差但是較有彈性。
海藻酸鈉分子鏈上,含有大量的羧基(-COO-),溶於水後具有一定的黏附性,因此有較高的黏度海藻酸鈉水溶液,常作為食品中的增稠劑、穩定劑、乳化劑等。
此外,在酸性條件下,展開的-COO-因轉變成-COOH,導致電離度降低、分子鏈收縮,使得海藻酸鈉的親水性降低;在pH值增加時,-COOH基團會不斷地解離,讓分子鏈可以自由伸展開,親水性得以上升。
這樣對酸鹼值敏感、影響溶解度特性,讓海藻酸鈉在料理中的應用,有一定的侷限性,黏性最安定的範圍落在pH值6-9之間。
海藻酸鹽與鈣離子的相遇 圖/pixabay黏稠的膠體要轉變成透明,堅韌、具有彈性的「熱不可逆膠體」,需要與二價以上金屬離子(即鎂、鈣、鍶、鋇)產生交聯作用(Cross-linking)。
這個不可逆膠體的特性受海藻酸鈉類型、鹽類種類、價數、離子半徑、是否存在離子螯合劑、溫度和pH值的影響。
海藻酸鈉中連續的G-G組合,溶於水中形成長鏈聚合物,與鎂離子反應後會增加膠體的黏稠度,而鈣離子則最常被使用於食品中。
當海藻酸鈉溶液滴入氯化鈣溶液中,鈣離子會取代海藻酸鈉羧基上的鈉離子(Na+),再結合另一醣醛酸分子上的羧基,形成離子架橋(圖a),這樣手拉手的結構,使海藻酸鈉分子間的聯結性更強,形成一個三度空間的網狀組織結構,像蛋盒一樣(圖b),也就是凝膠的形成,並可將內容物包裹於凝膠結構中,形成半透膜,於特定環境下將內容物釋出。
a.海藻酸鈉與鈣離子的交連作用。
b.連續G-G組合與鈣離子形成的蛋盒模式與M-M組合形成的平滑聚合物鏈之示意圖。
圖/Ahirraoandothers(2014)不過由於對酸鹼值敏感的特性,比較酸的液體像是蘋果汁就會受到影響。
當pH值低於3.5時,海藻酸膠體溶液溶解度降低,阻礙晶球膠膜產生,則需藉由添加螯合劑、調整pH值,或是改變流程作法解決這個問題。
讀到這裡,我們知道了褐藻酸鹽的基本資料與晶球技術的操作模式,但這種食品添加物到底是如何應用在食品料理,乃至於日常生活中呢?讓我們繼續看下去〈海藻酸鹽從食品加工的「假食品」添加物,搖身一變開啟分子料理的新世界(下)〉。
參考文獻黃玉鈴,蔡豐富,張修銘,王文良,&江伯源.(2012).海藻酸-“鈣鹽”-微膠囊成型性及粒子品質比較.農林學報,61(2),185-202.詹現璞,&吳廣輝.(2011).海藻酸鈉的特性及其在食品中的應用.食品工程,1(7).Ahirrao,S.P.,Gide,P.S.,Shrivastav,B.,&Sharma,P.(2014).Ionotropicgelation:apromisingcrosslinkingtechniqueforhydrogels.ResRevJPharmNanotechnol,2,1-6.Fu,S.,Thacker,A.,Sperger,D.M.,Boni,R.L.,Buckner,I.S.,Velankar,S.,…&Block,L.H.(2011).Relevanceofrheologicalpropertiesofsodiumalginateinsolutiontocalciumalginategelproperties.AapsPharmscitech,12(2),453-460.Lee,P.,&Rogers,M.A.(2012).Effectofcalciumsourceandexposure-timeonbasiccaviarspherificationusingsodiumalginate.InternationalJournalofGastronomyandFoodScience,1(2),96-100.Tsai,F.H.,Chiang,P.Y.,Kitamura,Y.,Kokawa,M.,&Islam,M.Z.(2017).Producingliquid-corehydrogelbeadsbyreversespherification:Effectofsecondarygelationonphysicalpropertiesandreleasecharacteristics.FoodHydrocolloids,62,140-148.TheMakingofSodiumAlginateandItsSurprisingUses,AlginicAcidSpherification利用微流道操控技術生成褐藻酸鈣微粒子作為奈米金載體之研究Notpla數感宇宙探索課程,現正募資中!相關標籤:乳化人工魚卵製造技術凝膠劑凝膠化分子料理天然多醣微膠囊化技術晶球技術海藻酸鈉海藻酸鹽熱不可逆膠體鈣離子食品添加物食用水球熱門標籤:大麻量子力學CT值女科學家後遺症快篩時間文章難易度剛好太難所有討論
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採訪撰文/寒波美術設計/林洵安為何新冠病毒突變之後傳染力更強?COVID-19至今仍深深影響全人類,新冠病毒持續演化,例如曾經造成臺灣大規模社區感染的Alpha變異株、傳染力更強的Delta變異株,近期出現的Omicron變異株等,它們逃避免疫系統的能力都不一樣,關鍵就在不同的棘蛋白(spikeprotein)結構。
「研之有物」專訪中央研究院生物化學研究所徐尚德副研究員,他的團隊陸續解析各種新冠病毒變異株的棘蛋白結構,不但能釐清新的突變帶來的威脅,後續也可作為研發人造抗體的指引。
徐尚德手上拿著新冠病毒的棘蛋白模型,顯示棘蛋白與兩種不同抗體結合的情況。
圖/研之有物解析新型冠狀病毒棘蛋白COVID-19的病原體是一種冠狀病毒,和SARS病毒是近親,正式命名為SARS-CoV-2,中文常稱作新型冠狀病毒。
為了知道病毒如何感染人體細胞,以及如何逃避免疫系統的辨識,我們需要進一步瞭解冠狀病毒表面的棘蛋白結構。
結構為什麼重要?因為結構會影響蛋白質功能。
蛋白質是由不同的氨基酸所組成的長鏈,實際作用時會摺疊形成特別立體結構,而冠狀病毒的蛋白質中,又以棘蛋白最為關鍵。
徐尚德強調,棘蛋白是冠狀病毒暴露在表面的蛋白質之一,絕大多數被感染者的免疫系統所產生的抗體都是辨識棘蛋白。
因此現今臨床使用的蛋白質次單元疫苗、腺病毒疫苗以及mRNA疫苗,都是以棘蛋白為基礎來研發。
Cryo-EM讓蛋白質結構無所遁形工欲善其事,必先利其器。
解析蛋白質結構的方法很多,早期的X光晶體繞射(X-raydiffraction),就像將影片定格截圖,但不一定為蛋白質實際作用的狀態。
再來是核磁共振(NuclearMagneticResonanc,簡稱NMR),這是徐尚德留學深造時的專業,可以重現蛋白質在水溶液中的結構及動態,更接近實際作用的形態,可惜不適合分子量較大的分子。
目前結構生物學最具潛力的新技術是:冷凍電子顯微鏡(CryogenicElectronMicroscopy,簡稱Cryo-EM),Cryo-EM可以拍出原子尺度下高解析度的三維結構,此技術於2017年獲得諾貝爾化學獎。
中研院則於2018年開始添購Cryo-EM設備,而Cryo-EM正是徐尚德用來解析棘蛋白結構的主要利器!在COVID-19疫情爆發初期(2020年1月),徐尚德就率先啟動新冠病毒的結構分析,當時他的研究團隊剛好已分析過感染貓科動物的冠狀病毒,對於解析棘蛋白結構有一定經驗,可說是贏得先機。
具體來說,如何用Cryo-EM解析新冠病毒的棘蛋白結構?首先要大量培養新冠病毒、再分離、純化得到棘蛋白。
接下來,將大量蛋白質樣本鋪成薄薄一層液體,之後以-190℃急速冷凍,讓蛋白質分子保持凍結前的形態,最後用程式重建棘蛋白的三維影像。
徐尚德譬喻,就像一匹馬在高速移動時,連續拍攝許多照片,再將照片疊加起來,重建馬的形狀。
棘蛋白的體積已經算大,假如又與其他蛋白質結合,體積將會更大。
能解析如此龐大結構為Cryo-EM一大優點,但是也會創造很大的資料量。
徐尚德強調,用Cryo-EM分析蛋白質結構不只做實驗,也要協調資料處理等疑難雜症。
冷凍電子顯微鏡可以紀錄同一時間下、不同狀態的蛋白質三維立體結構。
圖/研之有物關鍵D614G突變,讓新冠病毒棘蛋白穩定性大增儘管已有貓冠狀病毒的經驗,徐尚德研究團隊初期仍經歷一陣摸索,一大困難在於,做實驗時發現不少棘蛋白壞掉,不再保持原本的結構。
這是因為一般取得蛋白質樣本後會置於4°C冷藏,但4°C其實不適合保存棘蛋白。
接著徐尚德細心觀察到,具備D614G突變的棘蛋白,保存期限竟然比沒突變的棘蛋白要長,可以從1天增加到至少1週。
什麼是D614G突變呢?武漢爆發COVID-19疫情的初版新冠病毒,其棘蛋白全長超過1200個胺基酸,D614G突變的意思就是:第614號氨基酸由天門冬胺酸(asparticacid,縮寫為D)變成甘胺酸(glycine,縮寫為G)。
D614G突變誕生後,存在感持續上升,2020年6月時已經成為全世界的主流,隨後新冠病毒Alpha、Delta等變異株,皆建立於D614G的基礎上。
儘管序列僅有微小差異,許多證據指出D614G突變會增加新冠病毒的傳染力。
有趣的是,它也能大幅增加棘蛋白在體外的穩定性。
因此在研究用途上,變種病毒的棘蛋白反而容易保存,徐尚德更指出,對抗變種病毒的蛋白質次單元疫苗(subunitvaccine)穩定性也會增加。
圖片為徐尚德實驗室提供的新冠病毒模型與三種不同的棘蛋白模型,棘蛋白的主體為白色,棘蛋白的受器結合區域(receptorbindingdomain,RBD)為藍綠色。
圖/研之有物新冠病毒棘蛋白的「三隻爪子」:受器結合區域徐尚德參與的一系列新冠病毒結構研究,除了棘蛋白本身,還包含棘蛋白與細胞受器ACE2的結合、棘蛋白和人造抗體的結合。
既然要解析結構,儀器「解析度」能看清楚多小的尺度就很重要!蛋白質結構學的常見單位是Å(10-10 公尺),原子與原子間的距離約為2Å,Cryo-EM的極限將近1Å,不過棘蛋白大約到3Å便足以重建立體結構。
冠狀病毒如何感染宿主細胞,和結構又有什麼關係?棘蛋白位於冠狀病毒的表面,直接接觸宿主細胞受器ACE2的部分,稱為受器結合區域(receptorbindingdomain,簡稱RBD),結構可能展現「向上」(RBD-up)或是「向下」(RBD-down)的狀態。
向下,RBD便不會接觸宿主細胞的受器,缺乏感染能力,;向上,RBD方能結合受器,引發後續入侵。
徐尚德團隊透過冷凍電子顯微鏡,拍攝新冠病毒Alpha株的棘蛋白結構,其中有三類棘蛋白的RBD為1個向上(佔73%),有一類(類別3)的棘蛋白RBD則是2個向上(佔27%)。
圖/NatureStructural&MolecularBiology新冠病毒表面的棘蛋白有「三隻爪子」(3RBD),RBD有可能同時向上(3RBD-up),也可能只有1~2個向上,結構會影響病毒的感染能力。
更詳細地說,棘蛋白某些胺基酸位置的差異,會影響結構的開放與封閉程度。
棘蛋白向上或向下是動態的,假如能保持穩定性,延長向上的時間,也有助於新冠病毒的感染。
這正是徐尚德一系列研究下來,實際觀察到不同品系的變化。
截至2022年01月18日的新冠病毒品系發展歷史,其中Delta變異株擁有最多品系,而Omicron變異株則開始興起。
雖然Omicron的品系並不多,但已逐漸成為主流。
圖/Nextstrain;GISAID一網打盡所有高關注變異株的結構變化和武漢最初的新冠病毒相比,D614G突變帶來什麼改變呢?簡單說:棘蛋白向上的比例增加了,導致整個結構變得更加開放,增加新冠病毒對宿主受器的親合力(affinity)。
以D614G為基礎,接下來又獨立衍生出數款品系,皆具備多個突變,傳染力、抵抗力更強。
影響最大的是首先於英國現身的Alpha(B.1.1.7)、南非的Beta(B.1.351)、巴西的Gamma(P.1),以及更晚幾個月後,於印度誕生的Kappa(B.167.1)與Delta(B.167.2)。
Alpha一度於世界廣傳,導致包括臺灣在內的嚴重疫情,不過隨後不敵優勢更大的Delta。
對於上述品系,徐尚德率隊一網打盡。
Alpha的棘蛋白結構解析已經發表於《自然-結構與分子生物學》(NatureStructural&MolecularBiology)期刊,其餘新冠病毒變異株的論文仍在等待審查,目前能在預印網站bioRxiv看到,該研究一次報告38個Cryo-EM結構,刷新紀錄。
圖a顯示新冠病毒Alpha變異株棘蛋白的突變氨基酸序列,一共有9處突變,D614G突變以紫色表示。
圖b顯示突變的氨基酸在立體結構中的位置。
圖/NatureStructural&MolecularBiologyAlpha變異株的RBD向上結構穩定一度入侵台灣造成社區大規模感染的Alpha株有何優勢?其棘蛋白除了D614G,還多出8處胺基酸突變,徐尚德發現N501Y(天門冬酰胺變成酪胺酸)、A570D(丙胺酸變成天門冬胺酸)的影響相當關鍵。
直覺地想,棘蛋白的外層結構才會與受器接觸影響傳染力,立體結構中第570號胺基酸的位置比較裡面,乍看並不要緊。
但是徐尚德敏銳地捕捉到,A570D突變會改變局部的空間關係,令「RBD向上」的結構更加穩定。
徐尚德形容為「腳踏板」(pedal-bin)──A570D突變的效果就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋(也就是RBD)穩定保持開啟。
事實上,棘蛋白總體向上的比例,Alpha還比單純的D614G突變株更少,不過A570D增進的穩定性似乎優勢更大。
研究團隊製作缺乏A570D突變的人造模擬病毒,嘗試體外感染人類細胞,發現感染力明顯減少,證實A570D突變頗有貢獻。
新冠病毒Alpha株棘蛋白的「A570D突變」,會改變棘蛋白內部的空間,讓「RBD向上」的結構更加穩定,就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋保持開啟。
圖/研之有物(資料來源/徐尚德、NatureStructural&MolecularBiology)Alpha變異株的棘蛋白親近宿主細胞,干擾抗體作用另一個重要突變是N501Y,不只Alpha有,Beta等許多品系也有,Delta則無。
N501Y在眾多品系獨立誕生,似乎為趨同演化所致。
N501Y能為病毒帶來哪些優勢?第501號胺基酸位於棘蛋白表面,會直接與宿主受器ACE2結合。
此一位置變成酪胺酸(tyrosine,縮寫為Y)後,和受器的Y41兩個酪胺酸之間,容易形成苯環和苯環的「π–πstacking」鍵結,從而大幅提升棘蛋白對細胞的親合力。
新冠病毒Alpha株棘蛋白的「N501Y突變」,讓RBD的胺基酸與宿主細胞受器ACE2形成「π–πstacking」鍵結,大幅提升棘蛋白對宿主細胞的親合力。
圖/NatureStructural&MolecularBiology另一方面,N501Y突變也會干擾抗體的作用。
中研院細胞與個體生物學研究所的吳漢忠特聘研究員,率隊研發一批針對棘蛋白的人造抗體,測試發現有一款抗體chAb25對D614G突變株相當有效,但是對Alpha株無能為力。
徐尚德由結構分析發現:N501Y改變了棘蛋白表面的形狀,讓抗體chAb25無法附著。
好消息是,另外有兩款抗體chAb15、chAb45,依然能有效對抗Alpha病毒,不受N501Y影響。
這兩款抗體會附著在棘蛋白RBD的邊緣,避免棘蛋白和宿主細胞接觸。
而且抗體chAb15、chAb45會各占一方,可以同時使用,多面協同打擊病毒。
雖然新冠病毒Alpha株的棘蛋白表面讓某些抗體難以附著,還好仍有兩款抗體chAb15(綠色)、chAb45(黃色)能有效「卡住」棘蛋白,干擾棘蛋白與宿主細胞結合。
抗體chAb15、chAb45附著的位置,正好就是棘蛋白與宿主細胞結合的地方。
圖/NatureStructural&MolecularBiology棘蛋白結構不只胺基酸,還要注意表面的醣有了Alpha的經驗,接下來分析Beta、Gamma、Kappa、Delta便順手很多。
這批新冠病毒的棘蛋白變化多端,但是「RBD向上」的整體比例皆超過Alpha和D614G突變株,可見適應上各有巧妙。
徐尚德也發現,要釐清棘蛋白的結構,不能只關心蛋白質,還要考慮棘蛋白表面的醣基化(glycosylation)修飾。
蛋白質在完工後,某些胺基酸還能加上各種醣基。
病毒蛋白質表面的醣基可以作為防護罩,干擾抗體和免疫系統的辨識。
醣基化修飾就像替病毒訂作一套迷彩外衣,不同變異株的情況都不一樣,假如醣基化的位置和數量,由於突變而改變,便有可能影響立體結構,有助於它們閃躲抗體。
例如和武漢原版新冠病毒相比,Delta株棘蛋白少了一個醣化修飾,Gamma株棘蛋白則多了兩處醣化。
還好從結構看來,並沒有任何突變組合能完美逃避抗體。
例如由美國的雷傑納榮製藥公司(Regeneron)製作並通過緊急使用授權的抗體;以及中研院吳漢忠率隊研發,有望投入實用的多款人造抗體,對變異品系依然有效。
這場人類與病毒的長期抗戰中,同時使用多款抗體的「雞尾酒」療法,仍然是可行的醫療方案。
回顧將近兩年來的研究之路,徐尚德表示:時間壓力真的非常大!COVID-19疫情爆發後,全世界投入相關研究的專家眾多,只要稍有遲疑,便會落在競爭者後頭。
但是即使跑在最前端的研究者,也只能苦苦追趕病毒演化的速度,一篇論文還在審查時,現實世界的疫情已經邁向全新局面。
人類要贏得勝利,必需全方面認識病毒,而結構無疑是相當重要的一環。
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