改變歷史的元素之王─碳:十一種碳化合物,帶你解構人類文明史

作者:佐藤健太郎
出版社:臉譜出版社
出版日期:2015年2月6日

 

文/白榮銓

近來報章媒體,常出現「低碳生活」的報導;「全球暖化、節能減碳」,更是朗朗上口、處處可見的標語;產品須有碳足跡標籤(carbon footprint label),即將成為未來的趨勢,碳似乎成為「乏善」可陳的壞東西。但是,回溯人類過去使用碳化合物的歷史,了解碳化合物對於物質及精神文明,所扮演的關鍵角色,對於探討「低碳經濟時代」的未來走向,應具有重大的意義。
本書以「碳」的微觀視角,拼湊出的世界史,比我們想像的更深遠;以「碳化合物」建構的生命世界,比我們想像的更奧妙;作者藉著十一種與我們息息相關的碳化合物,解構人類文明史,讓我們對於「碳」改變歷史的奧秘,得以一窺堂奧。

難以抗拒的糖
添加糖的食物,除了提供人體能量來源,具有的甜味,更是讓人身心滿足及獲得愉悅感,砂糖的主要成份是蔗糖,而甘蔗是最早用來製造蔗糖的植物,甘蔗原產於熱帶、亞熱帶地區,無法在寒冷地區成功栽種,而且甘蔗栽培與蔗糖的製造,需要大量的勞動人力,故早期的蔗糖是昂貴的食品。基於上述特性,與蔗糖相關的歷史、地理、經濟和科學有那些?
西元前幾百年,印度和中國就有蔗糖的生產記錄。隨著11 世紀時十字軍東征的興起,東西方貨物商貿的交流變得更加頻繁,於是東方的砂糖走入歐洲人的物質生活。但是東西方的貿易不但路途遙遠,又掌握在阿拉伯商人手上,經過層層剝削,導致商品售價居高不下,歐洲人遂興起直接與東方貿易的念頭。15 ~ 17 世紀,隨著航海及造船技術的進步,歐洲一些國家的航海家和探險家,在尋找從西歐前往亞洲的海路航線中,發現了許多當時在歐洲不為人知的地區與國家,造就了歐洲歷史上的地理「大發現時代」(age of discovery)。
15 世紀晚期及16 世紀早期,由於美洲大陸正好擁有適合栽種甘蔗的環境,葡萄牙和西班牙的殖民者,為了經濟上的利益,將甘蔗的種植和煉糖技術,傳入美洲大陸,為了補充當地印地安人勞力的不足,非洲的黑人奴隸也被大量的引進。像這樣,由於歐洲的資本主義和舊帝國主義,將酒、武器和棉布製品,從歐洲運至非洲;再用這些武器擄來的奴隸,從非洲運至美洲;再將他們生產的農產品煙草、棉花、咖啡和砂糖,由美洲運至歐洲,造就了歷史上最著名的「三角貿易」(triangle trade)。
糖的甜蜜陷阱, 不僅造成黑奴的苦難,貪食糖的人也深受威脅,糖份攝取過量的壞處,易造成體重過重及引發慢性病,但要將來自甜味的強烈誘惑,斬草除根,似乎非常困難,是否有具甜味,卻不含熱量的含碳化合物?
1879 年,霍普金斯大學(Johns Hopkins University)的研究生法博格(Constantine Fahlberg, 1850~1910), 在雷姆生(Ira Remsen, 1846~1927)教授的指導下,研究某種煤焦油衍生物的氧化作用。有一天,法博格忘了洗手就離開實驗室,晚餐時,他發現用手剝的一片麵包,吃起來特別甜,詢問妻子麵包是否有添加糖份,答案卻是沒有,他心想這應是在實驗室接觸到的物質。1880 年,師生將共同研究結果發表在《美國化學期刊》(American Chemical Journal)。四年後,法博格私自申請了專利,將此化學物質命名為糖精(saccharin)。
1965 年, 瑟爾藥廠(G.D. Searle & Company) 的研究員謝拉特(James Schlatter, 1942~),在實驗室合成製作抑制胃潰瘍藥物時,燒瓶內的溶液不小心灑到手上,因為這材料沒有毒,所以沒有立即洗手。當他為了取出一張稱量紙(weighing paper),先舔了一下手指,突然感到一股甜味,他推測是那個反應產物帶來的甜味,進一步嘗試,果然不出所料,他將這種物質命名為阿斯巴甜(aspartame)。
1976 年,英國的泰萊(Tate & Lyle)公司與倫敦大學研究人員,研究利用蔗糖及其合成衍生物在工業上的用途,研究人員把教授說的「測試(test)這化合物」,誤解成「嚐一嚐(taste)這化合物」,不料一舔,就發現甜得驚人,這種化學合成的甜味劑稱為蔗糖素(sucralose)。
由上述可知:從科學的觀點,蔗糖是發現並採集存在於自然界的植物(甘蔗或甜菜),再萃取出可應用的碳化合物;歷史上,有些軍事戰爭、經濟流向和三角貿易等大規模的人類活動,都與這些碳化合物息息相關。由於天然資源有限,於是藉由人為方式,製造出可應用的碳化合物-糖精、阿斯巴甜和蔗糖素,這些標榜「只吃甜, 不吃糖」的人工甜味料(artificial sweetener),常被添加於低熱量飲料,做為甜味來源,或作為食品添加劑,供給想要或須要限制攝取糖份的人食用。

 

耐人尋味的酒
酒含有酒精(乙醇),人類飲用釀造酒的歷史,可追溯到史前時代;而酒精含量較高的蒸餾酒,在歷史上出現較晚。酒的釀造原理是將含澱粉或醣的物質,經過發酵,轉化為乙醇,以啤酒、紅酒、白蘭地、蘭姆酒(rum)和波本威士忌(bourbon whisky)為例,它們是以何種材料製成?歷史背景為何?酒精作為生質燃料(biofuel)的發展前景為何?
遠在文明誕生前,猴子在水果成熟的季節,在樹洞裡貯藏大量水果,堆積的水果受到自然環境中酵母菌的作用而發酵,猴子吃下後,呈現搖晃醉醺的模樣,就這樣,猴子在不自覺中造出「酒」來。
西元前4000 年左右,美索不達米亞地區(現今的伊拉克)的人們,將小麥的麥芽煮熟,放置一段時間,落入其中的酵母菌使其發酵,進一步產生乙醇和二氧化碳,這應是最早的啤酒釀造。西元前6000年左右,波斯地區(現今的伊朗)的人們,以深色品種的葡萄釀造葡萄酒,由於葡萄的果皮帶有色素及酵母菌,葡萄榨出的汁液,含有豐富的糖,因此可發酵製成紅酒。紅酒在基督教佔有重要的象徵性地位,聖經記載《最後的晚餐》事件中,耶穌將紅酒比喻為自己的血,現在的某些基督教儀式,紅酒仍是不可或缺,這對於後世紅酒文化的發展,產生了難以計量的影響。
12 世紀,法國西南部干邑(Cognac)地區種植的白葡萄,所釀造的葡萄酒,已經銷往歐洲各國;16 世紀,由於葡萄酒產量大增,聰明的商人為了便於葡萄酒的出口,減少海運時船艙的佔用空間,節省出口稅金,並避免因長途運輸造成葡萄酒變質,於是把葡萄酒蒸餾濃縮後出口,即為早期的法國白蘭地。1701 年,法國捲入「西班牙王位繼承戰爭」,白蘭地遭到禁運,為了儲藏大量滯銷的白蘭地,酒商們將白蘭地貯藏於橡木桶內;1704 年,戰爭結束,酒商們意外發現,原本無色的白蘭地,竟然變成美麗的琥珀色,酒不但沒有變質,反而更加香醇可口,芳香濃郁,從此奠定了白蘭地發展的良好基礎。
前面提及「15 ~ 16 世紀,殖民者為了經濟上的利益,把甘蔗的種植和煉糖技術,帶入美洲大陸」,當時以甘蔗為主要原料,榨汁熬煮,分離出蔗糖的結晶,再將剩下的糖蜜(molases)加水稀釋,經過發酵蒸餾得到的酒,即為蘭姆酒。隨著殖民地的開拓,農民開始種植玉米,釀造後,放在內側燒焦的木桶中熟成,由於酒吸收木桶的物質,故呈現出獨特的金黃色,即為波本威士忌。蘭姆酒和波本威士忌,在當年美洲殖民時代,非常受到原住民和拓荒者的喜愛。
酒除了當作飲料,內含的酒精是否可作為汽車的能量來源? 1908 年,福特汽車發表的T 型車(Model T)就是以酒精燃料產生動力,但由於能量密度(energy density)和價格都輸給汽油,後來被汽油取而代之。1973 年, 為了報復美國支持以色列進行「第四次以阿戰爭」,阿拉伯的石油輸出國家聯合實施禁運,造成「第一次能源危機」;1975 年,巴西開始以甘蔗發展燃料酒精,並與汽油混和,供「可變燃料車」(flexible fuel vehicle,FFV)使用,三十多年來,成功改變巴西能源使用結構。美國是世界最大的玉米生產及出口國,2005 年, 美國頒布能源政策法案(Energy Policy Act),積極推動生質能源,鼓勵利用玉米提煉生質酒精。
當全球汽油價格高漲時,燃料酒精具有成本優勢;但是大規模使用燃料酒精,將導致玉米、甘蔗等農作物供不應求,食品價格上揚。為了避免發生「與人爭糧」,於是衍生以「第二代生質燃料」的開發研究,改以非糧食的稻桿、麥桿、玉米桿、甘蔗渣和林木廢棄物為原料,但這些原料的纖維素很難分解,因此如何突破技術瓶頸、降低製造成本,仍有待努力。
由上述可知:從科學的觀點,因為酒的原料來自小麥、玉米、葡萄和甘蔗等農作物,故酒是藉由農耕和發酵等手段,以人為的方式製造出可應用的碳化合物。除此之外,為了平衡全球經濟,兼顧人類食用和生質燃料的需求,將農業廢棄物的纖維轉化為酒精,已成為目前各國主要的發展方向。


推動世界的石油
19 世紀中葉,煤和水力是工業的動力來源。1853 年,美國鑽油先驅和企業家比塞爾(George Bissel, 1821~1884)在賓夕法尼亞州的泰特斯唯爾(Titusville)小鎮,注意到地面滲出的油,他取了少量樣本,寄給耶魯大學化學系教授西利曼(Benjamin Silliman, 1816~1885) 分析研究, 西利曼建議提煉這種原油,可以得到煤油及石蠟等副產品,商業獲利可期,因此比塞爾開始尋求投資夥伴,1854 年, 成立了美國第一家石油公司-賓夕法尼亞石油公司(Pennsylvania Rock Oil Company)。
1858 年,賓夕法尼亞石油公司雇用德雷克(Edwin Drake, 1819~1890), 在泰特斯唯爾小鎮附近,進行鑽探原油。德雷克建造了機房和井架,將纜繩繞過滑輪,利用蒸汽機的動力,往上拉起鑽頭,再使其自由落下,藉著鑽頭的重量,反覆衝擊地層來鑽井。為了防止井壁坍塌及地下水不斷的湧進井裡,他靈機一動,改以數根長10 英尺的空心生鐵管,上下接在一起,鑽頭置於鐵管下方,即使鑿至較深的井底,也不易發生坍塌及滲水。1859 年8 月27日,德雷克終於成功地自69.5 英尺深的井底鑽出石油,這是世界上第一口以機器開鑿及抽取的油井。
石油不但促進了經濟、工業和交通運輸的發展,也改變了戰爭的形態。第一次世界大戰時,英國軍隊初次將砲台,搭載在以石油為燃料的戰車上,為了保密,對外宣稱製造的是大水缸,這是戰車被稱為坦克車(tank)的由來;英國更率先改變戰艦的設計與建造,將原有的燃煤動力改為石油,使英國艦隊具有更快速度、更大航程以及更方便補給的優勢。1940 年7 月,第二次世界大戰期間,美國通過《出口控制法案》(Export Control Act),禁運鐵及石油給日本,企圖遏制日本的軍事擴張,當時日本國內有80%的石油用量,皆自美國進口,雙方談判陷入僵局,日本最終選擇了主動對美國開戰。
「石油是否即將枯竭?」,是全球關注的能源議題之一。1949 年, 美國德州殼牌石油公司(Shell Oil Company)研究實驗室的地質學家哈柏特(Marion Hubbert,  1903 ~ 1989),提出石油峰值(peak oil)理論,內容是指某一區域(油區、國家、地區或全球等)石油的開採量,達到峰值之後,該區域的石油產量將不可避免地開始下降。這個假說, 隨著頁岩氣(shale gas)的出現,面臨極大的挑戰,原因是頁岩氣的蘊藏量,據稱可供全球使用約300年。雖然頁岩氣使用高水壓裂岩開採時,所用的化學藥劑會污染地下水,但是頁岩氣的發現,可能是石油發現以來,又一次的能源革命。
由上述可知:德雷克利用蒸汽機驅動鑽頭及幫浦,鑽出了石油,開啟了石油工業的先端;第一、二次世界大戰中,石油更成為兵家必爭的戰略性資源。時至今日,頁岩氣和頁岩油的開採技術及生產量,將對全球的經濟及產業,產生重大的影響。
綜合上述,人類在糖、酒和石油的活動足跡,建構了豐富的文明史,至於還有那些碳化合物,可以維持人類生命、撼動人心或驅動世界;那些碳化合物,可以掌握人類的未來;如何解構這些碳化合物相關的文明史,有待您進一步的閱讀與思考!

白榮銓 臺中市立居仁國中退休教師

 

08/16/2016 14:56

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