編按：愛玉低熱量，又能夠增加飽足感， 果膠及酵素都有助於促進腸道蠕動。愛玉更成為臺灣人的平民美食，愛玉是怎麼被發現的？而愛玉如何靠「搓洗」膠化變成愛玉凍？本文摘選愛玉的製作原理，帶讀者一探究竟！
從銅板美食到生物材料，你所不知道的愛玉凍科學！是什麼讓愛玉緊緊相依？
愛玉結膠過程的黏彈性變化
甜品中常見的愛玉，其實是非常有趣的生物材料，它並不需要加熱，也不需要額外的添加物，就可以在室溫底下凝結成膠，變成愛玉凍。曾任中央研究院物理研究所研究員的陳彥龍，他與團隊分析愛玉在凝膠過程黏性與彈性的改變，最後建立數學模型，預測愛玉結膠現象。未來，愛玉將有望取代藻膠（alginate），用於人造植物肉的口感調整，或是作為輸送藥物的微顆粒成分。現在先讓我們一起來看有趣的愛玉研究吧！
你知道為什麼愛玉籽洗一洗就會變成愛玉凍嗎？
愛玉：從街頭到實驗室
愛玉為臺灣人的平民美食，檸檬愛玉、愛玉粉圓、愛玉芒果冰……QQ彈彈好吃到咩噗的愛玉，是許多人喝手搖時最愛的配料，也是炎熱夏天的消暑聖品。
我們從小吃到大的愛玉，學名叫Ficus Pumila var. Awkeotsang，它跟洋菜凍、石花凍等膠體食物很不一樣，在製作過程中，愛玉並不需要經過烹煮，也不需要加入其他添加物，就能在室溫下產生膠化反應，形成愛玉凍。
可惜的是，愛玉在學術上並未有太多深入的探討。陳彥龍在中研院物理所時，主要從事高分子流體與非線性流體的研究，他一直以來對膠體非常有興趣。這一次他鎖定了愛玉，與美國麻省理工學院合作，希望從流變學的角度切入，探究愛玉膠化的祕密！
愛玉如何膠化變成愛玉凍？
首先，我們要先簡單了解一下，愛玉為什麼可以在室溫下結膠？
大家如果有製作過愛玉的話，應該都會記得一開始的步驟：我們要先把愛玉籽裝進紗布袋裡面，並在水中不斷地搓揉，靜置一段時間後，才能讓愛玉慢慢形成。這個「洗愛玉」的動作，其實就是將愛玉籽中的高分子、酵素、金屬離子等物質，析出到水溶液裡面，形成愛玉萃取液。
而在萃取液中，最主要的成分之一，就是聚半乳醣醛酸（poly galacturonic acid, PGA）。PGA是一種長鏈的高分子，也是讓愛玉凝結成膠的重要成分，它在水溶液中會發生三階段的化學反應：
從流變學分析愛玉膠化的過程
身為物理學家，陳彥龍還想知道：愛玉在結膠過程中，物理性質又是怎麼改變呢？為了釐清這個問題，研究團隊從流變學（Rheology）的角度，分析愛玉結膠的現象。
所謂的「流變學」，是探討材料物理性質的一種方法，通常會測量材料的黏彈性（Viscoelasticity），很適合兼具固體與液體特性的軟物質（Soft matter）。
另一方面，如果我們對液體施力，材料就會開始流動，在相同的施力下，不同流體會有各自的流速，例如攪動玉米濃湯和奶茶的黏稠度就不一樣，這代表不同流體有不一樣的「黏性」（Viscosity）。
有些物質同時具備「彈性」與「黏性」兩種特性，而愛玉就是其中一種。愛玉從萃取液變成愛玉凍的過程中，雖然「彈性」變得越來越明顯，但仍然保有流體的「黏性」。這樣的愛玉，不是單純的固體，也不是單純的流體，所以需要透過流變學，探討愛玉的物理性質。
如何量測愛玉的黏彈性？
為了研究愛玉的黏彈性，研究團隊將愛玉萃取液裝進流變儀（rheometer）的杯狀容器內，再把圓筒狀量具（下圖）放入愛玉之中。這個量具由馬達驅動，會像陀螺一樣在愛玉裡面來回轉動，向愛玉施力。從愛玉反饋給儀器的力矩，我們就可以了解結膠過程中，愛玉的黏彈性變化。
為了解決這個問題，美國麻省理工學院加雷斯．麥金利（Gareth McKinley）教授與學生米凱拉．傑里（Michela Geri）發明了最佳化窗口頻率變動法（Optimally－Windowed Chirps, OWCh）量測方式。OWCh可以疊加不同頻率、不同振幅的形變波，再使用這個疊加波，對愛玉進行測試，最後從實驗結果，回推愛玉對不同頻率形變的力學反應。
陳彥龍表示：「OWCh測量物質對頻率反應的時間非常短，在愛玉演化的過程中，每一個時間點我都可以得到它對頻率的反應，擴充了之前實驗上做不到的量測。」
愛玉膠化過程的神祕轉折！
從流變儀的實驗結果，我們得知愛玉在結膠時的黏彈性變化，下圖黑線G’代表愛玉的固體性質（彈性模數部分，storage modulus）、紅線G”代表愛玉的液體性質（黏性模數部分，loss modulus）。
可以看到，一開始液狀的愛玉幾乎沒有彈性，但過了一段時間後，彈性模數開始快速增加，甚至超過了黏性模數。兩條線交會的點為膠化點（gelation point），此刻為膠化時間（gelation time，tgel），代表愛玉的固體與液體特性相同。
在膠化點之後，愛玉的固體性質越來越明顯。最終，愛玉變成了愛玉凍，黏彈性的變化也漸漸趨於穩定。
不過，如果看仔細一點，會發現一個有趣的現象：膠化點之後，愛玉的黏性與彈性會先經歷小幅度趨緩，甚至下降，再轉折成穩定上升的趨勢，出現了拐點（inflection point）。
這就奇怪了！在陳彥龍一開始的理論預測中，鈣離子與PGA交聯的濃度（[Ca－PGA]），會隨著時間增加而穩定上升。照理說，愛玉應該也要穩定地固化才對。然而，不論是彈性還是黏性，都同時出現拐點，代表愛玉在膠化時，還有一些狀況沒被考慮到。
顯微鏡下的愛玉長什麼樣子？
另一方面，為了觀察凝膠過程的微觀結構，研究團隊使用冷凍電子顯微鏡（Cryo－EM），觀察愛玉結膠時的變化。陳彥龍主要選定了三個時間點來觀測，分別是膠化點（A）、拐點（B），以及愛玉凍趨於穩定的時間點（C）。
從下圖可以看到，在接近膠化點前，圖片中間有一些白色細纖維（A），看起來是愛玉凍剛開始形成的狀態。至於周圍的其他孔洞，則可能是因為樣本急速冷凍，導致水結成冰晶所造成的空隙。
接著，拐點左右的時間點，我們看到愛玉開始形成網絡結構（B）。隨著時間增加，結構變得越來越緻密，等到膠體進入穩定階段時，就形成了穩固的纖維網絡（C），而愛玉也變成緻密的愛玉凍了！
破解愛玉的膠化密碼
陳彥龍團隊不僅透過實驗了解愛玉物理特性，還發展理論預測愛玉膠化程度。簡單來說，只需要知道愛玉籽一開始的重量，以及環境的基本條件，就可以推算愛玉在不同時間點的彈性、黏性會如何變化。
首先團隊從化學反應動力學出發，算出愛玉萃取液中鈣離子和PGA交聯的濃度[Ca－PGA]，也就是鈣離子搭了幾座橋。有了[Ca－PGA]，就可以知道某個時間的愛玉彈性。原則上交聯越多，愛玉越有彈性。
不過，因為實驗發現愛玉黏彈性有轉折點，團隊進一步考慮短連結區（SJZ）和連結區（JZ）的數量密度，修正理論模型，貼近真實的膠化情況。
最後，研究團隊終於研擬出一個能夠預測愛玉膠化行為的數學模型。陳彥龍總結道：「這次主要的研究成果，就是探討愛玉結膠過程中黏彈性的改變，還有透過反應動力學的理論基礎，來預測愛玉膠化的過程。」
有了理論模型可以做什麼？平民美食大變身！
有了理論模型後，未來製作愛玉時，我們就不用依賴那雙洗愛玉籽的神之手，而是能更精準地掌握和控制愛玉的結膠品質。讓愛玉不僅可以單吃，還能成為食品業和生醫材料的幫手！
在食品科學方面，近年廠商開始嘗試用人造植物肉取代動物肉食材，輔助環境永續與減少碳排放。這些植物肉，通常都會利用膠狀食材來調整口感，如果我們能夠精準地調整愛玉的硬度，或許也能讓愛玉成為植物肉的一部分。
在生醫材料的應用上，愛玉也可以參一腳。近幾年，很多研究討論藻膠在藥物輸送上的應用，將藥品包在含有藻膠的微膠囊內，控制藥物在體內釋放的時間。
藻膠的成分，與愛玉有很多類似的地方，陳彥龍期待地說：「如果用愛玉來做的話，是不是能夠達成類似的性質呢？」
另外，由於愛玉本身的果膠分子屬於弱電解質，有機會取代其他高分子液體的應用。目前，陳彥龍團隊正在跟其他實驗室合作，探討愛玉作為鋰電池的電解液，是否具有未來發展性。
下次當你吃著喜歡的愛玉時，大可不必思考背後複雜的流變學；不過要記得，愛玉不只是手搖杯的配料，也不只是臺灣美食，更是極具發展潛力的生物材料！
作者簡介｜中央研究院｜研之有物編輯群
研之有物，取諧音自「言之有物」，出處為《周易•家人》：「君子以言有物而行有恆。」盼以具體的研究案例、真實的研究員生活，揭開中央研究院神祕的面紗，讓人們了解研究成果如何應用到生活中，繼而體會研究的價值與重要性。中央研究院以理論結合實作、專業結合想像力，探索生活中各種問題的答案。每個研究成果，都不只是一篇論文，而是推進生活邁向永續的動力。惟鑑於論文的專業嚴肅性，難以令社會大眾親近、了解研究的意義與樂趣。因此中央研究院於2017年推出「研之有物」科普網站，期待成為中央研究院與社會大眾的橋梁，將論文轉化為親民易讀的報導，讓知識走入人群，邀請大家一起永保好奇心，探索這世界！曾出版《研之有物：穿越古今！中研院的25堂人文公開課》、《研之有物：見微知著！中研院的21堂生命科學課》。
