切洋蔥為什麼會流淚？
― 那股刺激，是被切開之後才產生的
把整顆洋蔥拿到鼻子前面，並不會流淚。那是因為那個成分，原本並不存在洋蔥裡面。刀子切下去的瞬間，洋蔥會用自己的細胞當材料，開始組裝化學物質。這是植物精巧的機制。
把剛剝好皮的洋蔥拿到臉旁邊試試看。不會流淚。雖然有味道,但眼睛不會刺痛。
可是刀子一切下去,幾秒到十幾秒內,眼睛就會開始刺痛。切之前和切之後,有某個東西發生了決定性的變化。
更奇妙的是,加熱過的洋蔥不會讓人流淚。把炒過的洋蔥切碎也沒事,而且會變得又甜又好吃。
也就是說,那個成分只在「生洋蔥被切開的那一刻」才會出現。條件相當有限。
在洋蔥的細胞裡,作為材料的物質,和加工用的工具（酵素）,被收在不同的地方。因為放在一起會直接發生反應。
刀子破壞細胞的瞬間,材料和工具相遇了。反應在幾秒內進行,產生刺激眼睛的氣體並飄散開來。
也就是說,洋蔥擁有只在被破壞時才啟動的機制。讓我們依序來看。
為什麼要「分開保存」？
對洋蔥來說,這個機制有它的好處。
如果事先就製造好刺激眼睛的成分帶在身上,會傷到自己的細胞。而且這是容易揮發的物質,存起來也會逐漸散失。
所以洋蔥以無害的材料狀態保存,只把工具另外放在別處。只有在被蟲子或動物咬破細胞時,材料和工具才會相遇,製造出武器。平時能安全儲存,需要時又能立刻啟動,是相當巧妙的設計。
同樣的思路,在植物界相當普遍。
- 山葵、芥末、蘿蔔 ― 磨得越細越辣,是因為破壞後才會開始反應。整條的山葵並不辣
- 大蒜 ― 切碎會產生強烈氣味。機制和洋蔥類似,但生成的物質不同,所以不會讓人流淚
- 剛割過的草的氣味 ― 割草時那股青草味,也是植物受傷後製造出來的物質
換句話說,「一切開就飄出香氣」這個料理常識,其實是在利用植物的防禦反應。
你正站在那個反應的過程之中。
為什麼會以「流淚」的形式出現？
生成的氣體很輕,會馬上擴散到空氣中,到達眼睛。眼睛表面,密布著感受疼痛與刺激的神經。
這些神經受到刺激時,大腦會判斷「有異物進來了」。於是引發用眼淚沖洗的反射動作。眨眼次數增加,也是同樣的原因。
也就是說,流淚與其說是洋蔥的成分「讓人流淚」,更準確地說是身體為了保護自己而分泌出來的。不能揉眼睛。因為手上也沾有那個成分,揉了反而會更嚴重。
那麼,該怎麼切才不會流淚?
了解機制之後,對策也能靠理論來挑選。有效的方法有以下4種。
切之前30分鐘左右先放進冰箱冷藏。低溫下酵素的作用會變遲鈍,生成的成分也不容易揮發。反應和揮發兩方面都能被抑制。
不鋒利的刀刃會把細胞壓碎。被破壞的細胞越多,反應也越多。切得乾淨利落的刀,產生的量會比較少。
氣體並不比空氣重,所以會擴散並被稀釋。開抽風機、用電風扇送風、不要低頭湊近去看。光是這樣,到達眼睛的量就會減少。
這個成分容易溶於水,所以水會把它接住。不過會變得比較難切,味道也容易變淡,請視情況適度採用。
相反地,也有一些效果不大的方法。像「口中咬一根免洗筷」「憋氣」這類方法很有名,但受到刺激的並不是鼻子或嘴巴,而是眼睛,所以很難期待有直接效果。像護目鏡那樣直接遮住眼睛本身,反而更說得通。
酵素是蛋白質,所以一加熱,形狀就會改變而失去作用。加熱過的洋蔥不會讓人流淚,就是因為工具已經被破壞了。
而炒過的洋蔥會變甜,則是好幾個原因重疊在一起。造成刺激的含硫物質分解後轉變成讓人感覺甜味的物質、水分蒸發使味道變濃,以及產生焦香色澤與香氣的反應正在進行。糖心洋蔥的甜味,並不是加了糖進去。
在廚房裡可以確認的事
- 準備2顆洋蔥,只把1顆放進冰箱冷藏30分鐘左右
- 用常溫的那顆,照平常方式切。數一下眼睛開始刺痛的時間
- 洗手、通風,等眼睛恢復平靜
- 再切冰過的那顆,用同樣的切法。比較一下刺痛所需的時間
- 如果還有餘力,也可以用不鋒利的刀和鋒利的刀來比較看看
冰過的那顆應該明顯輕鬆許多。「溫度下降,酵素作用就會變遲鈍」這件事,可以親眼確認。因為要用刀,請小心手部安全。若眼睛感到刺痛,請不要揉眼,用流水沖洗,若症狀持續請就醫眼科。
總結
切洋蔥會流淚,是因為刺激眼睛的成分,是在被切開的那一刻,在細胞內組裝出來的。把材料和工具分別收好,只在被破壞時才啟動。這是植物具備的一套精巧防禦機制。
整顆洋蔥,還什麼都沒有。
菜刀,才是引發反應的扳機。
植物用化學物質保護自己的例子,還有其他。辣椒的辣味如何成為「只驅趕哺乳類的篩選裝置」,在這篇文章裡有說明。同樣是洋蔥,人吃了只是流淚,但狗和貓卻會傷及身體,原因則在「為什麼不能給狗吃巧克力」這篇文章裡有提到。
想知道更多的人請看 ― 用語、化學式、與教科書的連結從國中理科到研究中的議題,都會標明是哪個層級的內容
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「生物基礎」「化學基礎」課程範圍
- 高中＋高中「生物」「化學」,或教科書中的進階、專欄內容
- 大學高中不會學到、屬於大學專門科目（生物化學、食品化學）的內容
- 研究連大學也還沒當作「定論」教授、研究人員目前仍在探討中的話題
國中用語：描述這個機制的詞彙
- 酵素：在生物體內負責促進化學反應的蛋白質。就是本文中的「工具」。不耐熱,加熱後就會失去作用。
- 液胞：植物細胞內的一個大袋子。作為材料的物質,主要就儲存在這裡。
- 蒜胺酸酶（alliinase）：洋蔥和大蒜擁有的酵素名稱。負責最初把材料切開的角色。
- 催淚因子：刺激眼睛的氣體的名稱。正式名稱是 syn-丙硫醛-S-氧化物（syn-propanethial-S-oxide）這種物質。
- 揮發性：常溫下容易變成氣體的性質。所以才能到達眼睛。
高中用算式來確認：把減少流淚的方法排出優先順序
關於洋蔥的對策,眾說紛紜。冰過再切、鋒利的菜刀、臉離遠一點、保持通風。用計算把這些方法的效果排列出來。
溫度下降10℃,反應速度大約減半
| 下降的溫度 | 單位為 ℃ |
| 速度的倍率 | 每10℃除以 2 |
流淚的元凶,是切開瞬間靠酵素作用生成的。酵素反應也是化學反應,溫度下降就會變慢。
| 室溫 | 20 ℃ |
| 充分冷藏時 | 設為 0 ℃ |
| 溫差 | 20 − 0 ＝ 20 ℃ |
| 相當於幾個10℃ | 20 ÷ 10 ＝ 2 次 |
| 速度倍率 | 2 × 2 ＝ 4分之1 |
只有4分之1。而且冰過之後,生成的成分揮發到空氣中的量也會減少。雙重效果。
從砧板擴散出來的成分,離得越遠就越稀薄。因為會朝四面八方擴散到空氣中,濃度會隨距離的平方而變稀。
| 平常的距離 | 設為 20 cm |
| 抬高臉部後的距離 | 40 cm |
| 距離變為幾倍 | 40 ÷ 20 ＝ 2 倍 |
| 濃度變為幾分之一 | 2 × 2 ＝ 4分之1 |
光是把臉抬高20 cm,就和①一樣是4分之1。比放進冰箱冷藏簡單得多,而且馬上就能做到。
再拉遠到 60 cm,就是 3 × 3 ＝ 9分之1。「不要把臉靠近砧板」,可以說是成本效益最高的對策。
流淚的元凶,只有在細胞被破壞後才會生成。也就是說破壞了多少細胞,就會產生多少。切法會改變的,就是這一點。
| 邊長 10 mm 的塊狀 | 每一塊的表面積設為 1 |
| 邊長 2 mm 的細末 | 10 ÷ 2 ＝ 細5倍 |
| 切口總面積 | 變為5倍 |
切得越細越容易流淚,並不是心理作用。因為切口的面積直接隨之增加。
鋒利的菜刀有效,也是同樣的道理。不鋒利的刀刃,不是在「切開」細胞,而是在「壓碎」它,連切口以外的細胞也會被破壞。磨刀,就是在減少被破壞的細胞數量。
| 把臉抬高20 cm | 4分之1。免費,而且馬上就能做 |
| 拉遠 60 cm | 9分之1。但手邊比較看不清楚 |
| 冰過再切（接近0℃） | 4分之1。需要花時間 |
| 不切得太細 | 視切法而定。若料理已固定,則無法選擇 |
| 開抽風機 | 把成分帶走。可以疊加在上述效果之上 |
常聽到的「冰過再切」確實有效,但論成本效益,輸給「臉離遠一點」。因為同樣是4分之1,卻不需要任何事前準備。
而且這些效果是相乘的。臉離遠一點（4分之1）,再加上冰過（再4分之1）,就是4 × 4 ＝ 16分之1。對策不是相加,而是相乘,這點值得記住。
※「10℃減半」只是大致的參考值,依酵素種類效果會有差異。擴散也會因房間的風向而有很大變化,實際效果不會完全照這個計算走。這只是用來掌握大致順序的概算。
高中反應分兩個階段進行
洋蔥體內發生的,是以下的流程。
| ① 細胞被破壞 | 液胞裡的材料,與外面的酵素相遇 |
| ② 蒜胺酸酶開始作用 | 分解材料,生成不穩定的中間產物 |
| ③ 另一種酵素開始作用 | 把中間產物重組成催淚因子 |
| ④ 揮發到達眼睛 | 數秒到十幾秒內到達眼睛,產生刺激 |
重點是③需要專用的酵素。長久以來,人們以為②生成的中間產物會自然轉變成催淚因子。然而在2002年,日本的研究團隊發現這裡也有另一種酵素在作用。這項發現,後來也開啟了通往「不流淚洋蔥」的道路。
大蒜沒有③這種酵素,所以中間產物會走上不同路徑,變成蒜素（allicin）這種物質。雖然氣味強烈,但並非催淚成分。洋蔥和大蒜的差別,就在於是否多一種酵素。
高中＋為什麼加熱後就會失去作用?
酵素由蛋白質構成,其作用依賴立體形狀。只有特定形狀的部位,才能讓固定的對象嵌入,進而推動反應（基質特異性）。
加熱時,維持這個立體結構的弱鍵結會鬆脫,形狀因而崩塌（變性）。一旦崩塌的形狀,即使再冷卻也無法恢復。就像水煮蛋不會變回生蛋一樣。
低溫下作用變遲鈍,原因不同。這是因為分子的運動變慢,相遇的次數減少所致,加溫後就會恢復。「冰過」和「加熱」,在效果的性質上是不同的。
大學「雙成分系統」這種防禦設計
把材料和酵素分別保存在不同區塊,只有在組織被破壞時才混合的方式,稱為雙成分系統化學防禦。在植物界是很普遍的策略。
- 十字花科（山葵、芥末、高麗菜等）：芥子油苷（glucosinolate）與芥子酶（myrosinase）。混合後生成異硫氰酸酯類,就是那股辣味
- 蔥屬（洋蔥、大蒜）：本文介紹的機制。材料是含硫胺基酸的衍生物
- 綠葉的氣味：脂質經酵素分解,產生所謂的青葉醇、青葉醛
這種設計相當合理。不需要一直持有具攻擊性的物質,可避免自我中毒。保存中也不會揮發。而且只在受到攻擊的那一刻,才能在局部達到高濃度啟動。可以說是「火藥和雷管分開存放」的做法。
接收刺激的一方,也有相應的機制。催淚因子被認為會活化感覺神經上感知刺激的通道（如 TRPA1）。這與山葵的辣味成分、催淚噴霧的成分共通的路徑,會被認知為「疼痛」,因此引發的是防禦反射,而非味覺。
研究「不流淚洋蔥」尚未完成
- 抑制催淚因子生成酵素的洋蔥,實際上已經被製造出來。2002年那項發現之後,利用抑制基因作用的技術,已經試作出切開也不太會流淚的洋蔥。不過還沒有廣泛流通。
- 要兼顧風味,並不容易。一旦讓催淚因子無法生成,中間產物就會流向其他路徑。這樣一來,洋蔥特有的香氣,以及加熱時甜味的呈現方式,都可能因此改變。「不流淚,卻沒有洋蔥味」就沒有意義了。要抑制到什麼程度才能只減少流淚,調整仍在進行中。
- 與健康相關成分之間的關係,也還沒整理清楚。洋蔥的含硫化合物中,有些被報告對血液和血管有作用。減少催淚成分的操作,會如何影響這些成分,目前還不完全清楚。
- 究竟為什麼只有洋蔥演化出「讓人流淚」這一招,也還是謎。近緣的大蒜只是少了一種酵素,就不會生成催淚因子。刺激眼睛對防禦草食動物究竟有多大效果,還是只是其他功能的副產物,目前都無法確定。
順帶一提,發現這種生成催淚因子的酵素,在2013年獲選為搞笑諾貝爾獎（化學獎）。這是頒給「讓人發笑,又讓人思考的研究」的獎項。
與教科書的連結（依層級）
| 層級 | 科目・單元 | 本文對應段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・細胞的構造／刺激與反應／狀態變化 | 細胞的分區、流淚反射、揮發 |
| 高中 | 生物基礎・酵素的作用／細胞的結構 | 兩階段反應、液胞與細胞質 |
| 高中＋ | 生物・酵素的性質（變性與最適溫度） | 加熱失去作用的原因、與低溫的差異 |
| 大學 | 生物化學・食品化學・植物生理學 | 雙成分系統防禦、TRP通道、含硫化合物 |
| 研究 | 育種・食品科學（尚未解決） | 不流淚洋蔥、與風味的兼顧、演化上的意義 |
| ― | 家政課 | 冰過再切、鋒利菜刀、保持通風等對策 |
- Imai, S. et al., An onion enzyme that makes the eyes water, Nature 419, 685, 2002（發現生成催淚因子的酵素）。
- Eady, C. C. et al., Silencing onion lachrymatory factor synthase causes a significant change in the sulfur secondary metabolite profile, Plant Physiology 147, 2096–2106, 2008（不流淚洋蔥與風味的變化）。
- Block, E., Garlic and Other Alliums: The Lore and the Science（關於蔥屬化學的解說書）。
- Halkier, B. A. & Gershenzon, J., Biology and biochemistry of glucosinolates, Annual Review of Plant Biology 57, 303–333, 2006（十字花科的雙成分系統防禦）。
- 日本農林水產省及各研究機構（農林水産省）關於洋蔥成分與品種改良的資料。
※ 反應所需時間與效果大小,會因品種、新鮮度、條件而有差異。本文呈現的是一般性的趨勢。
※本文為大眾科普解說。若眼睛感到強烈刺激,請不要揉眼,以流水沖洗,若症狀持續請就醫眼科。使用調理器具時請務必小心。文中內容,是為了理解機制所做的整理。