圣保禄学校两中六女生 为乳糖不耐症患者带来佳音 (张绮霞)

喝牛奶会肚子痛,是困扰许多亚洲人的问题,有此反应是当中的乳糖在作怪。乳糖由葡萄糖及半乳糖组成,婴儿一出生就有乳糖酶,将乳糖分解成葡萄糖及半乳糖,因此能吸收奶中养分而不会造成不适。但随着年纪增长和基因差异,一些人製造乳糖酶的能力会大大减弱,喝牛奶后会因为乳糖酶分泌不足,令细菌借乳糖大量滋生,造成不适。在东亚地区,有接近九成人患乳糖不耐症。

圣保禄学校两个中六学生陆艺明及姚懿育看到这个问题,製作出一种能缓解乳糖不耐症的乳糖酶水凝胶,能透过浸泡方式分解牛奶中的乳糖,虽然成品未被大量製造,但却为乳糖不耐症患者带来好消息。

圣保禄学校两中六女生 为乳糖不耐症患者带来佳音 (张绮霞)

圣保禄学校中六学生陆艺明(左)及姚懿育(右)共同製作出一种能缓解乳糖不耐症的乳糖酶水凝胶。(吴楚勤摄)

有这个发明,是因为这两个理科女生身边都有乳糖不耐症患者。从两年前开始,她们就着手研究,主要是因为学校鼓励她们尝试发明作品参与STEM比赛,于是她们思考有什幺日常生活上的问题,可以透过发明去解决?就想到身边的乳糖不耐症患者。

姚懿育认真地说:「我们认识很多患有乳糖不耐症的人,饮食上很不方便。」陆艺明认同,她爸爸正是其一:「爸爸平时饮完牛奶或咖啡奶茶后都会肚痛,虽然不是太严重,但仍带来许多不便。」姚懿育附和:「我认识一些严重些的,可能会呕吐、肚屙,甚至要进医院,因此都会很小心不要吃进任何有乳糖的製品。生活很不方便,经常要看清楚成分标籤。」

于是两人想到,会否有方便快捷的方法,让人可以分解牛奶、咖啡等饮品内的乳糖?陆艺明带笑说:「我们希望这工具可以带出街,让人可随时用。」姚懿育补充:「虽然现在也有无乳糖牛奶推出,但比较少见,通常都只是自己买回家享用,外面也没有太多无乳糖的奶类饮品,所以我们希望设计浸泡式的水凝胶,解决这个问题。」

减少喝奶所致肠胃不适

乳糖酶是常见的健康补充品,乳糖不耐症的患者可定期进食,增加肠道中的乳糖酶,减少因为喝牛奶而引致的肠胃不适。于是两个女生想到,将乳糖酶粉製成水凝胶,放进牛奶裏面,就能将当中的乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。

陆艺明解释:「我们把它造成茶包,就能重複使用,不是只能吃一次的补充品,更方便环保。」她们将乳糖酶粉与海藻酸钠与氯化钙结合,凝固成凝胶状,再切成一粒粒颗粒。每1克的乳糖酶水凝胶,都有0.1克的乳糖酶粉。为了让其可重複使用,她们特别在上面加了一层抗菌外膜,由甲壳素和百里香油组成。

起初她们是想造一条饮管,内壁黏上一粒粒的乳糖酶水凝胶,用来喝牛奶或其他饮品,这样就能方便分解牛奶中的乳糖。陆艺明解释这概念:「当初看到市面上有调味牛奶饮管,裏面有一粒粒的味粒,用它来喝牛奶时,就能将牛奶转化成不同味道。」但她们发现,用这个方法,牛奶接触到乳糖酶的时间太短,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,室温的牛奶要浸泡12分钟,如果刚从雪柜拿出来,大约摄氏4度的牛奶,就需要浸泡大概20分钟,乳糖酶水凝胶才能将牛奶的乳糖完全分解。

水凝胶可以重複使用至少20次,只是成效会随着使用次数而逐渐减低,到使用第二十次时,初始酶活性将跌至约原本的七成,分解速度因此减慢。乳糖酶水凝胶可以在pH3至pH8、摄氏4至75度之间有效使用,冷热饮品都能应用。每100毫升的牛奶需要用上10克的水凝胶,才能达到效果。

圣保禄学校两中六女生 为乳糖不耐症患者带来佳音 (张绮霞)

乳糖酶水凝胶部分製作原料。(吴楚勤摄)

被质疑后加上抗菌外膜

整个研究最花时间是合成水凝胶的过程,找出最有效保存和释出乳醣酶的方法。使用海藻酸钠与氯化钙是因为市面许多「爆珠」饮品都是用这两个原料去做。海藻酸钙的交联机制能将乳糖酶固定在水凝胶中,在浸泡中,牛奶会渗进水凝胶,让凝胶的乳糖酶分解乳糖,释出分解物。

「我们都是在网上搜寻学者发表的论文,才明白当中原理,其实可以合成凝胶状的原料很多,我们试过很多方法,最后发现这两种原料合成的效果最好。」姚懿育一口气说。而水凝胶的形状,她们也做过长时间尝试,颗粒状、小珠状、微球状,不同乳糖酶浓度都做过测试,最后确定颗粒状最好。

陆艺明看一看面前的茶包说:「微球状就是肉眼看不到的颗粒,虽然它与牛奶触碰的面积大为增加,但能包裹的乳糖酶也很有限,不像颗粒状包裹到10%的乳糖酶粉,(微球状)只能做到2%至3%,效果不太好。」经多次实验,她们才做出如今的作品,姚懿育解释:「最初的成品要约6小时才能将牛奶的乳糖完全分解,做过很多改良后变成如今的12分钟。」

她们带着作品参加过不少比赛,有次被评审质疑:如果将水凝胶反覆使用,不是会滋生病菌吗?于是她们决定为水凝胶加上抗菌外膜。甲壳素抗菌功效很好,但如何可以提高杀菌力?她们起初想到加上麦芽糖,后来又尝试加上百里香油,最后发现甲壳素加百里香油功效最佳。

如今的抗菌外膜效能,与一般的抗生素效果无异,让水凝胶维持在无菌状态,功效可以维持多个月或更长。而加入外膜后,水凝胶的功效反而更好,能更防止乳糖酶自水凝胶中流失,可以重複使用多次。在研究和实验过程中,她们也经过很多次失败,例如一些搞乱原料、做错步骤的虾碌情况,姚懿育回忆说:「我们用的物料很多,起初做过很多不同尝试,因此很容易混淆。」有次更发生意外,导致小型爆炸。当时她们打算加热麦芽糖为水凝胶加上外膜,要在焗炉以100度焗5小时,但由于焗炉温度未达标,她们放了另一个更容易受热的容器,谁料就因为太热而整个爆开,把她们吓一跳。

圣保禄学校两中六女生 为乳糖不耐症患者带来佳音 (张绮霞)

姚懿育在假期做实验时经常会很晚才回家,但家人也很体谅及支持。(受访者图片)

两人今年就读中六,即将要应考英国A-level的公开试,平时上学功课繁忙,除了平时下课时间,她们主要都是在假期做研究和实验,她们笑言都能应付。在学校无法种菌和做某些实验,她们到城大或港大借用实验室去做,确定抗菌外膜的功效。不断改良下,最近她们才做出最满意的成品,并会在本周六出发到美国参加英特尔国际科学与工程大奖赛。陆艺明期待地说:「到那边再听听别人的建议,可能仍会改良下去也不一定。」

邀家人同学担任「试用员」

作品完成后,家人和同学也被邀请担任「试用员」,测试作品成效,陆艺明满意地说:「他们的意见都正面,乳糖不耐症患者喝了浸泡过的牛奶之后,也没有不良的反应。」

姚懿育接口说:「我们找的都是徵状不太严重的人,他们都没有不适。」她们自己也曾尝试使用。

陆艺明表示:「我们只是想尝试味道有无改变,因为乳糖酶会将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖,不知道会否变得更甜,但发现因为牛奶中乳糖含量不太多,变化其实不明显。」

虽然水凝胶带有百里香油的气味,但香油不会溶解到奶中,所以不影响牛奶的味道。陆艺明解释:「百里香油其实已经黏附在水凝胶的表面,不会溶掉。用完后,沖走表面的牛奶,就可再次使用,也不会将表面的外膜沖走。如果泡在咖啡中,颜色会变得比较深,可能要沖长一点时间让其变浅色。」

她们这个作品多次获奖,在罗氏少年科学家大奖获得第二名;在香港青少年科技创新大赛则获一等奖及最优秀项目大奖,去年暑假到重庆参加全国青少年科技创新大赛也得到二等奖。

得奖都在她们意料之外,陆艺明在初中时曾与其他同学组队,参加香港青少年科技创新大赛,以菊花製作的消毒剂等参赛,但只取得优异奖。后来同组的同学到外国升学,中四那年,她找来小学就认识的好朋友姚懿育组队,本身没有很大期望,谁知道在不断改良后,作品也能获得评审赏识。

撰文 : 张绮霞

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圣保禄学校两中六女生 为乳糖不耐症患者带来佳音 (张绮霞)

早前陆艺明(中)和姚懿育(右)在香港青少年科技创新大赛获一等奖及最优秀项目大奖,由特首林郑月娥颁奖。 (香港新一代文化协会科学创意中心图片)

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