化學的過去與未來

講師|中研院化學研究員  許昭萍老師
撰文|卓芷伶

物理學家費曼說:「 假如人類所有的知識,都在一場大災難中毀於一旦,只有一句話能傳達給後代子孫,哪句話可以用最少的字但包含最大量的訊息呢?」費曼認為那是原子假說。原子說不僅是化學的基礎,也開啟人類探討自然的一扇門。如同原子組成所有物質,化學也幾乎構成日常生活中的一切,本講一一從食物、衣服、環境等方面來探討化學的過去與未來。

●烹煮的化學變化

縱觀古今,原始人使用火烹煮食物 ,利用化學變化殺死生食中的細菌 ,降低人體受到感染的機率,提升生存率,可知用火是人類進化的一大步。

舉例來說「生米煮成熟飯」這句話有兩個層面的意思:第一是當溫度升高,米粒在加熱過程中,會加速水解酶的反應速率,幫助米粒變成更小的分子,更易於人體吸收。第二件事是澱粉加熱後糊化,澱粉中的纖維於高溫水中被撐開,與糖水結合,產生化學變化。

當糖跟蛋白質一起加熱,會出現咖啡色的物質,稱之為「梅納反應」,滷味、麵包、咖啡豆、牛排等食物都是因為梅納反應而色香味俱全。

●人工香料

唐朝的楊貴妃愛吃荔枝,快馬加鞭將南方的荔枝送往北方。但在現代,除了農業進步使荔枝多產,我們也不必是貴妃。人工香料的出現,讓荔枝的氣味不再稀奇,更使荔枝平民化,人人皆吃得起。在資源稀少的情況下,化學能使這些事物平民化,帶給人類更多福利。

化學香料雖然在現代被視為洪水猛獸,但不管是我們所熟悉的鳳梨酥,或各式水果風味的加工食品,都添加了化學香料。從化學物質方面來看,酯類常具有香味,是由有機酸加上醇類脫水而來,有複雜的化學組成。食品化學工業會製造出許多不同的酯類,也是各式各樣香氣的化學香料來源。

●食物的激增

哈柏在1860年代出生,在當時人們就已經擔心地球供養不起人類,因為自然界中的氮肥,來自於豆類植物、根瘤菌的固氮作用或是動物的排泄物,但這樣的肥料不足以供給正在增加的人口。於是哈柏設法製造出氨,在高溫高壓環境下,讓氫氣跟氮氣合成氨,再換成含氮化合物,成功將氮肥工業化,讓糧食產量大增,是人類得以繼續生存的關鍵。

●比黃金還貴的紫色染料

在衣料方面有兩個部分,分別為染料與布料。

在過去有個古城名為泰爾,位於現今的黎巴嫩,那裡盛產著紫色染料,是利用螺、海蝸牛身上提煉出的色素浸染衣服,價格非常昂貴,甚至比黃金還貴。因此在古代,紫色是帝王權貴的象徵。

同樣是紫色染料的製造者,柏金博士(perkin)出生於1838年,18歲那年perkin正嘗試使用化學方法製造出能醫治瘧疾的「奎寧」但沒有成功,卻意外製造出一種淡紫色的物質,後來被稱為「苯胺紫」,而且不易褪色,適合當衣服染料,在當時引發一股時尚風潮。到了現代,化學染料十分普遍,顏色多樣且便宜,更消除了舊時的階級觀念,人民可以平等地穿著各色服裝。

●石化纖維的出現

過去布料的來源有:棉花、羊毛、麻、絲織品。在石化產業興起後,衣物標籤上面常見:聚酯纖維、人造絲、尼龍等等,這些衣料是石油化學工業產生出來的新一代產物。在過去,還沒有出石化纖維的時候,衣服的價格相當昂貴,普通人家為求溫飽都來不及,很少能買到材質好、保暖的衣物,而有閺子騫單衣順母的故事。以現在的物價來說:一件350元的聚酯纖維衣服,僅需7個50元便當就能換得,這就是化學從「過去」到「現在」的變化與進步。

再來談談其他種類的布料,機能性布料可以適應極端氣候,保持體溫以及乾燥度。 例如在衣服表面塗上一層「鐵芙蓉」既可以防水也能透氣,此材質有非常好的疏水性,或是蓮花效應、奈米結構可以用於防水一途。舉一個關於防水材質的有趣實例:在德國漢堡與美國舊金山常發生有人喝醉在街上圍牆上隨意小便,於是有人在牆角處塗上一層防水塗料,那些人只要隨意小便,尿液便會反彈回自己的褲管、鞋子,算是給這些人小小的警惕。

●判斷加工物好壞的標準

無論是過去還是現在,人工的化學產物越來越多,該如何判斷好壞非常重要。 舉例來說,麻油的油是如何萃取出來的?熱炸?冷壓?溶劑?若我們使用溶劑去萃取,過程中會有「溶劑是否安全乾淨的疑慮」?裡面是否含有微量的有毒物質?「天然」意義已不在於是否為石化製品或是否有人為加工,而是在製造過程中,原料是否乾淨?製程中是否對地球或人類造成汙染?是否對環境友善 ?這才是產品真正重要的精神。

近年來登革熱肆虐南臺灣, 防蚊液成了家庭必備產品。目前台灣防蚊液有四種不同成分,其中之一是含「待乙妥」(又稱:DEET、敵避)成分,坊間相傳對人體有害,但其實DEET在台灣使用已經超過50年,現在的你我可能早已不是第一批使用DEET驅蟲的人。只要劑量適當,老牌的東西往往能使人信服。反觀市面上許多防蚊液標示含有植物精油,大自然中的植物精油含有複雜的化學成分,不但持續時間不長,還可能造成人體過敏的危險。

●我們面對的「未來」?

未來,地球會出現許多環境問題,需要更多人才去處理這些問題。聯合國發表了全球永續發展目標(SDGs),期望在15年內達到8項目標,包含:消滅貧窮飢餓、普及基礎教育、促進兩性平等、降低兒童死亡率、提升產婦保健、對抗病毒、確保環境永續與全球夥伴關係。

人口爆炸,全球人口大約70多億。哈柏法製氨也帶來負面影響,大量的化肥流入河川湖泊中,造成優養化,出現生態浩劫。人類面臨糧食、水、資源的缺乏,預計將在未來100年內用完部分重要的礦產資源,到時化學週期表上的許多元素將會消失。環境也日益惡化:生物多樣性銳減、空氣品質、海洋酸化、氣候變遷、化學汙染、土地利用、臭氧層破洞等問題,仍需要人類刻不容緩的搶救。

我們需要培養系統性思考的能力,不僅兼顧原料來源的乾淨與否,也要思考如何回收廢棄物?

我們會挑選原料、會製造,但卻缺乏將廢棄物變成資源的能力,這將是化學很重要的一環,而且需要每一代的人去努力。

 

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