昨天的烹飪結尾約定過,Pinotti 與 Gómez 的數字若再被擋就不硬追,今天照辦,改寫另一條有一手文獻、也能在廚房直接驗證的線:切洋蔥會流淚、蒜要切好放十分鐘,背後是同一組酵素反應。切開細胞才會啟動的反應,洋蔥走兩條分支、蒜走一條,而一個 2002 年的發現(洋蔥多了一個蒜沒有的酵素)同時解釋了流淚、「去淚洋蔥」的兩種做法,以及為什麼蒜要等。2025 年 Cornell 團隊又用高速攝影把「淚從哪裡來」改寫了一半,所以今天的帳分三本:化學(誰變成誰)、時間(多久變成什麼氣味)、物理(淚怎麼飛到眼睛)。每個數字標出處;查不到的、兩個來源互相矛盾的,明說不採用。
📖 學
一、反應圖:兩個隔間,一把刀打通
完整的細胞區室定位(前驅物在細胞質、酵素在液泡)是教科書說法,今天沒有逐篇去查原文,所以這一句只當背景。能確認的是反應鏈本身。Imai 等人 2002 年的 Nature 論文(419 卷 685 頁,「An onion enzyme that makes the eyes water」)的結論是:洋蔥的催淚成分 propanethial S-oxide(丙硫醛 S-氧化物,下稱 LF)不是自發生成,在蒜胺酸酶(alliinase)之後還要一個專用的酵素,他們命名為 lachrymatory factor synthase(LFS)。把反應寫成鏈:
| 步驟 | 洋蔥 | 蒜 |
|---|---|---|
| 前驅物(完整細胞裡穩定) | trans-S-1-propenyl-L-cysteine sulfoxide(PRENCSO) | alliin |
| 酵素一(切開後接觸) | alliinase | alliinase |
| 中間物(極不穩定) | 1-propenyl sulfenic acid | 2-propenyl sulfenic acid(推論,見下) |
| 分支 | 有 LFS:轉成 LF(催淚);沒有 LFS:兩個 sulfenic acid 縮合成 thiosulfinate | 縮合成 diallyl thiosulfinate,即 allicin |
洋蔥那一欄來自 Imai 2002 與 2016 年 Kato 等人論文(下面會用到)的描述。蒜那一欄中,「alliin → allicin 靠 alliinase」是文獻明說的(Stoll 與 Seebeck 1948 年確立 alliin 是穩定前驅物、alliinase 把它轉成 allicin,Cavallito 與 Bailey 1944 年最早分離出 allicin 並發現抑菌),而中間物寫成 2-propenyl sulfenic acid,是我依洋蔥對應步驟與「allicin 是 diallyl thiosulfinate」類推,今天沒有查到直接寫出這個中間物的原文,屬推論。
SciAm 部落格對這項發現的轉述有一句好用的話:蒜也有 alliinase,但切蒜不會讓人流淚,這個線索正是促使他們去找缺少的那個酵素。換句話說,蒜與洋蔥共用上游,差在 LFS 有沒有;洋蔥用 LFS 把中間物「分流」去做 LF,蒜沒有,所以全部走向 thiosulfinate。
二、兩種去淚洋蔥:拆掉不同的環節,得到不同的洋蔥
這兩個工作剛好是對照組,而且數字都查得到:
Eady 等人 2008 年(Plant Physiology 147(4):2096–2106)用基因沉默壓低 LFS,球莖組織的 LFS 活性降低最多 1,544 倍(各株系 18 到 1,168 倍)。他們的重點是:LFS 少了,原本被分流走的中間物改走縮合,結果 1-propenyl 型 thiosulfinate 增加,並出現過去只有微量的二丙烯基二硫化物、zwiebelane 異構物等新硫化合物;把壓碎的組織貼近眼睫毛,對照組刺痛流淚,低 LF 組沒有。
Kato 等人 2016 年(Scientific Reports 6:23779,House Foods 團隊)走另一條路,不是轉基因,而是對 Super-Kitamomiji 品種的種子做 20 Gy 的氖離子束照射,從 1,500 顆種子到 457 個 M1 球莖,最後在第三代挑出兩個穩定品系。他們的突變壓低的是上游的 alliinase:alliinase 的 mRNA 表現不到正常洋蔥的 1%,LF 比正常低約 7.5 倍,丙酮酸(洋蔥辛辣度的常用指標)低 5.5 倍,而前驅物 PRENCSO 加熱後仍在 2.5 到 4.6 μmol/g 的正常範圍,代表前驅物沒少,只是沒人把它切開。
把「剩下多少」換算成百分比(我的計算):Kato 的 LF 剩 1/7.5=13.3%,丙酮酸剩 1/5.5=18.2%;Eady 的 LFS 剩 1/1,544=0.065%,範圍 1/18=5.6% 到 1/1,168=0.086%。對照看,Kato 的 7.5 倍與 5.5 倍數字接近,兩者一起降;而 Eady 是下游單點被壓到近零、LF 沒了但 thiosulfinate 反而多。這支持一個清楚的圖像(部分是推論):辛辣刺激與淚是兩個不同的輸出,共用同一個上游,拆上游兩者一起少,拆下游只少淚、不少味。Kato 的標題裡 non-pungent 就是這件事。至於哪一種更適合入菜,論文沒有做烹調比較,不能說。
三、時間帳:切完之後的氣味不是一個,是一串
一篇用即時質子轉移反應質譜(PTR-MS)追蹤切碎黃洋蔥 120 分鐘的研究(標題「Investigation of Volatiles Emitted from Freshly Cut Onions」,PMC3571771),給了一張時間表:
| 化合物 | 峰值時間 | 行為 |
|---|---|---|
| LF(催淚) | 0 到 10 分鐘 | 很快出現,很快消失 |
| 丙醛 | 10 到 20 分鐘 | 此時最高 |
| 二丙基二硫 | 約 30 分鐘 | 峰值後緩降 |
| 丙硫醇 | 約 60 分鐘 | ppm 等級,他們判斷為主要氣味物質 |
| 硫化氫 | 持續上升到 120 分鐘 | 未見峰值 |
摘要還說丙硫醇的氣味活性值(odor activity value)比二丙基二硫高 20 倍。限制要標清楚:只用一種黃洋蔥、三重複、食物處理機打成 2 到 10 mm 的碎塊,打得這麼碎等於把所有細胞都切開,和刀切的實況不同。我從這張表推出的廚房含意(推論):切好放著的洋蔥,辛味會在十幾分鐘內退場,換成越來越「硫味」的氣味,所以切好立刻炒與切好等一小時再炒,嘗起來不會一樣,而且不是「變不新鮮」,是在釋出另一批分子。
四、淚的物理:2025 年更正了「氣體」那個直覺
直覺的解釋一直是 LF 是揮發性氣體,飄到眼睛。Cornell 的 Wu、Hooshanginejad、Wang、Hui、Jung 在 2025 年發表於 PNAS(122(42):e2512779122,預印本 arXiv 2505.06016)的「Droplet outbursts from onion cutting」用高速攝影看到另一半:刀尖穿過洋蔥外皮時,內層組織被外皮壓住而加壓,先有一波高速細霧爆出,隨後較慢的液柱碎成液滴。摘要說刀越鈍、越快,液滴越多、能量越大。
幾個我拿得到的數字:液滴初速 1.0 到 40 m/s(搜尋回傳的摘要轉述);專業廚師切菜約 1 m/s,高速影片分析用 2.0 m/s;文中提到的刀鋒銳度數字 13 μm。這些都是二手轉述,PNAS 頁面與 PMC 都回 403 或驗證碼,我沒讀到原文。
有一個必須挑出來的矛盾:好幾則新聞稿寫成「液滴噴到 40 公尺高」,另一則(Science News Explores)寫「近 40 m/s」。這兩個單位不是同一件事,速度才是原文量,而且我自己算一下就能排除「40 公尺高」是直接換算:不計空氣阻力,垂直上拋最高 h=v²/(2g),v=40 m/s 時 h=1600/19.6=81.6 m;v=20 m/s 時 20.4 m;v=5 m/s 時 1.28 m;v=1 m/s 時 0.051 m,約 5 cm。真實液滴只有微米到毫米,空氣阻力極大,不可能飛到 81.6 m,「40 m 高」只能是新聞稿誤把速度寫成高度,不應採信;更該採信的是量級:要到達站著切菜的眼睛(估計離砧板 0.6 到 0.7 m,我的估計),不計阻力的話約需 3.5 到 3.7 m/s 以上(√(2×9.8×0.65)=3.57),所以 5 到 40 m/s 的初速在「無阻力」的世界裡綽綽有餘,而阻力才是決定性的。這部分是我的粗估,不是論文結論。
還有一個限制:這篇論文測的是液滴,而 PTR-MS 測的是氣相 LF,兩者是不同的傳遞路徑。LF 是氣體,也溶在水裡,所以液滴與氣相各貢獻多少淚,我沒查到任何同時量兩者的實驗,不能說誰是主因。可以說的只有:銳利的刀與慢的切,按這篇的結果,至少少噴一條路。Phys.org 轉述的另一項建議「切前先在洋蔥表面抹油」,機制是否成立我沒查到,不採用。
五、蒜:為什麼要等十分鐘,以及加熱為什麼要排在後面
Song 與 Milner 2001 年(J. Nutr. 131(3s):1054S–1057S)的摘要說:短到 60 秒的微波加熱,就能讓蒜失去抑制致癌物代謝物與大鼠乳腺上皮 DNA 結合的能力,與 alliinase 被失活一致;把壓碎的蒜先放置 10 分鐘再微波 60 秒,則能防止抗致癌活性完全喪失。注意這是大鼠活體實驗,以 DNA 結合量為終點,不是人類研究,「放十分鐘」是否對人體有益,這份摘要沒有回答;但作為「alliinase 需要時間作用、之後再加熱才保得住產物」的機制證據,是直接的。
酵素本身的性質,取兩篇資料對照:
酸:搜尋回傳的綜述指出 alliinase 在 pH 3.5 以下失活,pH 4.0 有一點活性,pH 4.5 到 6.5 活性最高,而且在 pH 3 以下培養過的混合物,事後再中和也不會生成 thiosulfinate,所以失活是不可逆的。Janská 等人 2021 年(PLoS ONE 16(3):e0248878)的酵素學研究則說 alliinase 的 pH 最適範圍很窄,在 7.0,低於 5.0 或高於 8.0 活性就明顯下降。兩篇差異(6.5 與 7.0)可能來自受質、緩衝液與純化條件不同,我無法判斷誰對,只能並列;共同點是:偏酸的環境會殺掉它。
溫度:同篇 Janská 報告的最適溫度在 35 到 40℃,到 42℃ 活性迅速下降,25℃ 的溶液在儲存一天後只剩 10.4±1.5%、兩天後 3.6±2.6%(那是純化酵素的儲存穩定性,不是蒜瓣裡的,別拿來當蒜的保質期)。
所以「切好蒜立刻丟進熱油」發生什麼事?熱要先傳進蒜的內部才能殺光酵素,一個粗估:用特徵時間 t≈L²/α,α 取過去(08-26)筆記裡食物熱擴散率 0.12 到 0.16 mm²/s(不是蒜的實測值,是借用),碎蒜塊的半尺寸 L=1 mm 約需 6 到 8 秒(1/0.14=7.1 s),切成 5 mm 厚片的半厚度 L=2.5 mm 約需 39 到 52 秒(6.25/0.14=44.6 s)。碎蒜入 160℃ 以上的熱油,表面幾乎立即越過 42℃,內部也在數秒之內越過,代表可以生成 allicin 的窗口大概只有幾秒;先放十分鐘,等於在加熱之前就讓酵素把前驅物轉完。這個推算是量級估計,沒有考慮油溫降、蒜瓣含水與蒸發冷卻。
對比 Imai 的洋蔥:洋蔥的 LF 在 0 到 10 分鐘的窗口內產生並消失,蒜的 allicin 更不穩定,Fujisawa 等人 2008 年的研究(摘要轉述,原文頁面被擋)說水溶液中 allicin 的半衰期在 4℃ 約一年、15℃ 約 32 天、37℃ 約 1 天,但那是萃取液,不是碎蒜在鍋裡的實況。
🧠 記
反應鏈:前驅物(PRENCSO、alliin)在完整細胞中穩定,切開後 alliinase 先做出不穩定的 sulfenic acid。洋蔥還有 LFS 把它轉成 LF(催淚),蒜沒有 LFS,縮合成 allicin。去淚洋蔥有兩種:Eady 2008 壓下游 LFS(最多 1,544 倍,淚沒了、thiosulfinate 增加),Kato 2016 壓上游 alliinase(mRNA 不到 1%、LF 低 7.5 倍、丙酮酸低 5.5 倍,連辛辣一起少)。
時間:切碎洋蔥的 LF 在 0 到 10 分鐘出現又消失,丙硫醇約 60 分鐘最高,硫化氫 120 分鐘還在升。蒜:alliinase 在 pH 3.5 以下不可逆失活,最適約 35 到 40℃,42℃ 起快速下降;先放 10 分鐘再微波 60 秒,能防止抗致癌活性完全喪失(大鼠、單一終點)。
我不採信的:新聞稿的「噴 40 公尺高」(單位誤用,v=40 m/s 不計阻力也有 81.6 m,不是 40 m);Alibaba 部落格的「泡水降低 60 到 75%」(商業網站、無原始出處);「冷藏洋蔥反而增加液滴」(只看到搜尋摘要提及一項研究,沒找到原文)。alliinase 最適 pH 6.5 與 7.0 兩個來源互相衝突,並列不選邊。
✍️ 實踐
用蒜做一組三杯的感官對照,只用三瓣蒜、三種處理、全程約 20 分鐘,不涉及任何食品保存。
材料:蒜 3 瓣(大小接近)、中性油 2 大匙、白醋 1 大匙、三個小碗、湯匙、計時器、一支小炒鍋(用小火)。步驟:①三瓣蒜用同一把刀剁成同樣大小的碎末(約 1 到 2 mm),分成三碗,秤重讓三碗約等重;②第一碗立刻下鍋:小火 1 大匙油,碎蒜入鍋,數 30 秒,關火,倒回碗;③第二碗放在流理台,計時 10 分鐘,再用同樣的鍋、同樣的油量、同樣的 30 秒與火力下鍋;④第三碗在剁好的第一時間立刻拌入 1 大匙白醋(酸會讓 alliinase 失活,預期這一碗幾乎沒有蒜的辛辣刺激),放 10 分鐘後,瀝掉醋再下鍋炒 30 秒(油量與前兩次相同);⑤三碗放涼到溫熱,輪流聞、再各嚐一小撮,用 1 到 5 分記錄「辛辣衝」「蒜香」「炒蒜甜味」三項。
預期(預測,不是已知):第二碗最香、辛味與蒜味最完整;第一碗蒜味最淡;第三碗辛辣最低,風味偏平。如果你的結果相反,多半是下鍋油溫差異,或第一碗炒得更久、蒜味被煎焦蓋過去,所以請用溫度計或固定火力。安全:這個實驗是現做現吃,不要把碎蒜泡在油裡放置儲存(蒜油在室溫存放有肉毒桿菌風險,pH 與水活性的帳見 pH 4.6 這條線);白醋的 pH 約 2.4 是常見數字,這篇沒有查出處,但我預期 1 湯匙醋蓋過 1 瓣蒜的 pH 仍低於 3.5(推論)。
洋蔥另一組:同一顆洋蔥對切,一半用鈍刀快切、一半用銳利的刀慢切,計時 60 秒,站在 30 cm 外,看哪一邊先讓你的眼睛刺痛,各切兩次、交換先後順序。這能測的是「液滴那一條路」的相對效果,不是氣相的。
🔗 延伸學習
- An onion enzyme that makes the eyes water — Nature 419:685(Imai et al., 2002) — 提出 LFS 的原始論文,今天頁面被要求登入,只讀到摘要層級轉述。
- Production and characterization of tearless and non-pungent onion — Sci Rep 6:23779(Kato et al., 2016) — 氖離子束突變、alliinase 表現不到 1% 的來源;PMC 全文(PMC4822150)今天讀到,數字出自此。
- Droplet Outbursts from Onion Cutting — arXiv 2505.06016(Wu et al., 2025,後刊於 PNAS 122(42)) — 液滴初速、刀鋒銳度與切速的原始論文;今天只讀到摘要與新聞稿轉述。
- Effect of physicochemical parameters on the stability and activity of garlic alliinase — PLoS ONE 16(3):e0248878(Janská et al., 2021) — alliinase 的 pH、溫度與儲存穩定性數字;免費全文。
💬 問 AI
我在寫一份洋蔥與蒜的切開反應筆記,想請你協助檢查,並明確區分「文章說的」「你查證的」「你推論的」。食安相關的部分僅供學習,不是配方或醫療建議;不確定就直接說不確定,不要補數字。
文章說的:
1. Imai et al. 2002(Nature 419:685)指出洋蔥的催淚成分 propanethial S-oxide 由 alliinase 之後的 lachrymatory factor synthase(LFS)催化生成;缺 LFS 時 1-propenyl sulfenic acid 縮合成 thiosulfinate。
2. Eady et al. 2008(Plant Physiol 147(4):2096)壓低 LFS 最多 1,544 倍,thiosulfinate 增加;Kato et al. 2016(Sci Rep 6:23779)用 20 Gy 氖離子束,alliinase mRNA 不到 1%、LF 低約 7.5 倍、丙酮酸低 5.5 倍。
3. PTR-MS 研究:切碎黃洋蔥的 LF 在 0 到 10 分鐘出現又消失,丙硫醇約 60 分鐘最高、ppm 等級,硫化氫到 120 分鐘仍上升。
4. Wu et al. 2025(PNAS 122(42):e2512779122)液滴初速 1.0 到 40 m/s;我算 v=40 m/s 不計阻力的最大高度是 81.6 m,所以新聞稿的「噴 40 公尺高」應是單位誤用。
5. Song & Milner 2001(J Nutr 131(3s):1054S)大鼠實驗:微波 60 秒使蒜失去抑制 DNA 結合的能力,壓碎後先放 10 分鐘再微波可防止完全喪失。
6. alliinase 最適 pH 在不同來源分別是 6.5 與 7.0,pH 3.5 以下不可逆失活;最適溫度 35 到 40℃,42℃ 起快速下降。
請你:
(a) 驗算我的數字:1/7.5、1/5.5、1/1,544 各等於幾%;v²/(2g) 在 1、5、20、40 m/s 的高度;用 t≈L²/α、α=0.14 mm²/s 估 L=1 mm 與 2.5 mm 的特徵時間。
(b) 查證第 1 到 6 點,尤其 PNAS 論文的初速範圍與「刀鋒銳度 13 μm」的出處,以及 alliinase 最適 pH 的差異來自什麼條件;查不到就說查不到。
(c) 有沒有任何實驗同時量化「液滴」與「氣相 LF」各佔催淚多少比例?請區分有出處的與你推論的。
(d) 蒜的中間物是否確實是 2-propenyl sulfenic acid?請給原始文獻。