聖保祿學校兩中六女生 為乳糖不耐症患者帶來佳音 (張綺霞)

By on May 9, 2019

本文作者張綺霞,為《信報》撰寫專欄「STEM尖子

喝牛奶會肚子痛,是困擾許多亞洲人的問題,有此反應是當中的乳糖在作怪。乳糖由葡萄糖及半乳糖組成,嬰兒一出生就有乳糖酶,將乳糖分解成葡萄糖及半乳糖,因此能吸收奶中養分而不會造成不適。但隨着年紀增長和基因差異,一些人製造乳糖酶的能力會大大減弱,喝牛奶後會因為乳糖酶分泌不足,令細菌借乳糖大量滋生,造成不適。在東亞地區,有接近九成人患乳糖不耐症。

聖保祿學校兩個中六學生陸藝明及姚懿育看到這個問題,製作出一種能緩解乳糖不耐症的乳糖酶水凝膠,能透過浸泡方式分解牛奶中的乳糖,雖然成品未被大量製造,但卻為乳糖不耐症患者帶來好消息。

聖保祿學校中六學生陸藝明(左)及姚懿育(右)共同製作出一種能緩解乳糖不耐症的乳糖酶水凝膠。(吳楚勤攝)

聖保祿學校中六學生陸藝明(左)及姚懿育(右)共同製作出一種能緩解乳糖不耐症的乳糖酶水凝膠。(吳楚勤攝)

有這個發明,是因為這兩個理科女生身邊都有乳糖不耐症患者。從兩年前開始,她們就着手研究,主要是因為學校鼓勵她們嘗試發明作品參與STEM比賽,於是她們思考有什麼日常生活上的問題,可以透過發明去解決?就想到身邊的乳糖不耐症患者。

姚懿育認真地說:「我們認識很多患有乳糖不耐症的人,飲食上很不方便。」陸藝明認同,她爸爸正是其一:「爸爸平時飲完牛奶或咖啡奶茶後都會肚痛,雖然不是太嚴重,但仍帶來許多不便。」姚懿育附和:「我認識一些嚴重些的,可能會嘔吐、肚屙,甚至要進醫院,因此都會很小心不要吃進任何有乳糖的製品。生活很不方便,經常要看清楚成分標籤。」

於是兩人想到,會否有方便快捷的方法,讓人可以分解牛奶、咖啡等飲品內的乳糖?陸藝明帶笑說:「我們希望這工具可以帶出街,讓人可隨時用。」姚懿育補充:「雖然現在也有無乳糖牛奶推出,但比較少見,通常都只是自己買回家享用,外面也沒有太多無乳糖的奶類飲品,所以我們希望設計浸泡式的水凝膠,解決這個問題。」

減少喝奶所致腸胃不適

乳糖酶是常見的健康補充品,乳糖不耐症的患者可定期進食,增加腸道中的乳糖酶,減少因為喝牛奶而引致的腸胃不適。於是兩個女生想到,將乳糖酶粉製成水凝膠,放進牛奶裏面,就能將當中的乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。

陸藝明解釋:「我們把它造成茶包,就能重複使用,不是只能吃一次的補充品,更方便環保。」她們將乳糖酶粉與海藻酸鈉與氯化鈣結合,凝固成凝膠狀,再切成一粒粒顆粒。每1克的乳糖酶水凝膠,都有0.1克的乳糖酶粉。為了讓其可重複使用,她們特別在上面加了一層抗菌外膜,由甲殼素和百里香油組成。

起初她們是想造一條飲管,內壁黏上一粒粒的乳糖酶水凝膠,用來喝牛奶或其他飲品,這樣就能方便分解牛奶中的乳糖。陸藝明解釋這概念:「當初看到市面上有調味牛奶飲管,裏面有一粒粒的味粒,用它來喝牛奶時,就能將牛奶轉化成不同味道。」但她們發現,用這個方法,牛奶接觸到乳糖酶的時間太短,分解乳糖的效果不佳,因此改成可浸泡更久的茶包形式。她表示,室溫的牛奶要浸泡12分鐘,如果剛從雪櫃拿出來,大約攝氏4度的牛奶,就需要浸泡大概20分鐘,乳糖酶水凝膠才能將牛奶的乳糖完全分解。

水凝膠可以重複使用至少20次,只是成效會隨着使用次數而逐漸減低,到使用第二十次時,初始酶活性將跌至約原本的七成,分解速度因此減慢。乳糖酶水凝膠可以在pH3至pH8、攝氏4至75度之間有效使用,冷熱飲品都能應用。每100毫升的牛奶需要用上10克的水凝膠,才能達到效果。

乳糖酶水凝膠部分製作原料。(吳楚勤攝)

乳糖酶水凝膠部分製作原料。(吳楚勤攝)

被質疑後加上抗菌外膜

整個研究最花時間是合成水凝膠的過程,找出最有效保存和釋出乳醣酶的方法。使用海藻酸鈉與氯化鈣是因為市面許多「爆珠」飲品都是用這兩個原料去做。海藻酸鈣的交聯機制能將乳糖酶固定在水凝膠中,在浸泡中,牛奶會滲進水凝膠,讓凝膠的乳糖酶分解乳糖,釋出分解物。

「我們都是在網上搜尋學者發表的論文,才明白當中原理,其實可以合成凝膠狀的原料很多,我們試過很多方法,最後發現這兩種原料合成的效果最好。」姚懿育一口氣說。而水凝膠的形狀,她們也做過長時間嘗試,顆粒狀、小珠狀、微球狀,不同乳糖酶濃度都做過測試,最後確定顆粒狀最好。

陸藝明看一看面前的茶包說:「微球狀就是肉眼看不到的顆粒,雖然它與牛奶觸碰的面積大為增加,但能包裹的乳糖酶也很有限,不像顆粒狀包裹到10%的乳糖酶粉,(微球狀)只能做到2%至3%,效果不太好。」經多次實驗,她們才做出如今的作品,姚懿育解釋:「最初的成品要約6小時才能將牛奶的乳糖完全分解,做過很多改良後變成如今的12分鐘。」

她們帶着作品參加過不少比賽,有次被評審質疑:如果將水凝膠反覆使用,不是會滋生病菌嗎?於是她們決定為水凝膠加上抗菌外膜。甲殼素抗菌功效很好,但如何可以提高殺菌力?她們起初想到加上麥芽糖,後來又嘗試加上百里香油,最後發現甲殼素加百里香油功效最佳。

如今的抗菌外膜效能,與一般的抗生素效果無異,讓水凝膠維持在無菌狀態,功效可以維持多個月或更長。而加入外膜後,水凝膠的功效反而更好,能更防止乳糖酶自水凝膠中流失,可以重複使用多次。在研究和實驗過程中,她們也經過很多次失敗,例如一些搞亂原料、做錯步驟的蝦碌情況,姚懿育回憶說:「我們用的物料很多,起初做過很多不同嘗試,因此很容易混淆。」有次更發生意外,導致小型爆炸。當時她們打算加熱麥芽糖為水凝膠加上外膜,要在焗爐以100度焗5小時,但由於焗爐溫度未達標,她們放了另一個更容易受熱的容器,誰料就因為太熱而整個爆開,把她們嚇一跳。

姚懿育在假期做實驗時經常會很晚才回家,但家人也很體諒及支持。(受訪者圖片)

姚懿育在假期做實驗時經常會很晚才回家,但家人也很體諒及支持。(受訪者圖片)

兩人今年就讀中六,即將要應考英國A-level的公開試,平時上學功課繁忙,除了平時下課時間,她們主要都是在假期做研究和實驗,她們笑言都能應付。在學校無法種菌和做某些實驗,她們到城大或港大借用實驗室去做,確定抗菌外膜的功效。不斷改良下,最近她們才做出最滿意的成品,並會在本周六出發到美國參加英特爾國際科學與工程大獎賽。陸藝明期待地說:「到那邊再聽聽別人的建議,可能仍會改良下去也不一定。」

邀家人同學擔任「試用員」

作品完成後,家人和同學也被邀請擔任「試用員」,測試作品成效,陸藝明滿意地說:「他們的意見都正面,乳糖不耐症患者喝了浸泡過的牛奶之後,也沒有不良的反應。」

姚懿育接口說:「我們找的都是徵狀不太嚴重的人,他們都沒有不適。」她們自己也曾嘗試使用。

陸藝明表示:「我們只是想嘗試味道有無改變,因為乳糖酶會將乳糖分解成葡萄糖和半乳糖,不知道會否變得更甜,但發現因為牛奶中乳糖含量不太多,變化其實不明顯。」

雖然水凝膠帶有百里香油的氣味,但香油不會溶解到奶中,所以不影響牛奶的味道。陸藝明解釋:「百里香油其實已經黏附在水凝膠的表面,不會溶掉。用完後,沖走表面的牛奶,就可再次使用,也不會將表面的外膜沖走。如果泡在咖啡中,顏色會變得比較深,可能要沖長一點時間讓其變淺色。」

她們這個作品多次獲獎,在羅氏少年科學家大獎獲得第二名;在香港青少年科技創新大賽則獲一等獎及最優秀項目大獎,去年暑假到重慶參加全國青少年科技創新大賽也得到二等獎。

得獎都在她們意料之外,陸藝明在初中時曾與其他同學組隊,參加香港青少年科技創新大賽,以菊花製作的消毒劑等參賽,但只取得優異獎。後來同組的同學到外國升學,中四那年,她找來小學就認識的好朋友姚懿育組隊,本身沒有很大期望,誰知道在不斷改良後,作品也能獲得評審賞識。

撰文 : 張綺霞

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早前陸藝明(中)和姚懿育(右)在香港青少年科技創新大賽獲一等獎及最優秀項目大獎,由特首林鄭月娥頒獎。 (香港新一代文化協會科學創意中心圖片)

早前陸藝明(中)和姚懿育(右)在香港青少年科技創新大賽獲一等獎及最優秀項目大獎,由特首林鄭月娥頒獎。 (香港新一代文化協會科學創意中心圖片)

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