113 年 國立臺灣大學食品科技研究所丁組《營養學》

食物熱效應（Thermic Effect of Food, TEF），又稱為食物的特定動力作用（Specific Dynamic Action, SDA），是指人體在消化、吸收、代謝食物過程中，所消耗的額外能量。這個過程包括了咀嚼、吞嚥、食物在腸道的運輸、營養素的吸收與轉運，以及在肝臟、肌肉等組織中進行的代謝作用。

食物熱效應的強度會因食物的種類而異，其中蛋白質的食物熱效應最高，約佔其能量的 20-30%；碳水化合物次之，約佔 5-10%；脂肪最低，約佔 0-3%。

ATP（三磷酸腺苷）是細胞內主要的能量貨幣，其濃度的變化是調控能量代謝的關鍵因素。能量代謝主要透過 ATP 的水解（分解）與合成（再生）來平衡細胞對能量的需求。

ATP 的水解會釋放能量，供應細胞進行各種生理活動，例如肌肉收縮、離子運輸、生化反應的合成等。當細胞活動旺盛，ATP 被大量消耗時，ATP 濃度會下降。

ATP 濃度的下降會觸發一系列的代謝反應，以增加 ATP 的生成。這包括：

1. 醣解作用（Glycolysis）：葡萄糖在細胞質中分解為丙酮酸，產生少量 ATP。
2. 檸檬酸循環（Citric Acid Cycle）：丙酮酸進入粒線體，經過一系列反應產生更多 ATP 的前驅物。

酮體（Ketone bodies）是由脂肪酸在肝臟中分解產生的代謝產物，主要包括乙醯乙酸（acetoacetate）、β-羥丁酸（β-hydroxybutyrate）和丙酮（acetone）。人體在以下情況下，會促使酮體的形成：

1. 長期飢餓或禁食：當身體長時間缺乏碳水化合物的供應時，肝臟會將脂肪分解為脂肪酸，並在粒線體中進行 β-氧化，產生乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）。正常情況下，乙醯輔酶 A 會進入檸檬酸循環，但當碳水化合物攝取不足，草醋酸（oxaloacetate）的供應不足時，乙醯輔酶 A 便會累積，進而轉化為酮體。酮體可以作為腦部和其他組織的替代能源，以節省蛋白質的分解。

2. 極低碳水化合物飲食（如生酮飲食）：類似於飢餓狀態，極低碳水化合物的飲食會導致身體無法獲得足夠的葡萄糖作為主要能量來源，迫使身體大量燃燒脂肪，產生酮體。生酮飲食的目的是誘導身體進入酮症狀態。

適合使用碳水化合物增補法（Carbohydrate Loading）的運動是馬拉松。

原因如下：

1. 運動類型與能量供應：
   • 馬拉松：是一種長時間（通常超過 90 分鐘）、中低強度的耐力型運動。在這類運動中，身體主要依賴有氧代謝來產生能量，而肝醣（儲存在肝臟和肌肉中的葡萄糖聚合物）是主要的能量儲備。當運動時間延長，肝醣會逐漸耗盡，導致疲勞和運動表現下降（即「撞牆期」）。碳水化合物增補法旨在最大化身體的肝醣儲備，提供更持久的能量供應，延緩疲勞。
   • 美式足球：是一種高強度、間歇性運動，包含衝刺、跳躍、對抗等爆發性動作，以及短暫的休息和恢復。雖然美式足球運動員也需要能量，但其能量需求更側重於短時間內的爆發力，這部分能量主要來自磷酸肌酸系統和無氧醣解。長時間的肝醣耗竭並非其主要的能量限制因素，反而過多的碳水化合物攝取可能導致腹脹不適，影響場上表現。

**糖尿病（Diabetes Mellitus, DM）**是一種慢性代謝性疾病，其特徵是血糖（血液中的葡萄糖）長期處於偏高的狀態。這是由於身體無法產生足夠的胰島素（Insulin），或是細胞對胰島素產生抵抗，導致葡萄糖無法有效地進入細胞被利用，進而堆積在血液中。長期高血糖會對身體的多種器官造成損害，包括心臟、血管、腎臟、眼睛和神經。

糖尿病主要分為幾種類型：

• 第一型糖尿病（Type 1 Diabetes）：是一種自體免疫疾病，免疫系統攻擊並破壞胰臟中負責分泌胰島素的 β 細胞，導致胰島素絕對缺乏。通常在兒童或青少年時期發病。
• 第二型糖尿病（Type 2 Diabetes）：是最常見的類型，佔糖尿病患者的 90% 以上。其特點是身體對胰島素產生抵抗，同時胰臟分泌胰島素的能力也可能逐漸下降。通常與肥胖、缺乏運動、遺傳等因素有關，多在中年以後發病，但近年來有年輕化趨勢。
• 妊娠糖尿病（Gestational Diabetes Mellitus, GDM）：發生在懷孕期間的糖尿病，通常在產後會恢復正常，但有較高風險在未來發展為第二型糖尿病。
• 其他特殊類型糖尿病：如基因突變、胰臟疾病、藥物或化學品引起等。

升糖指數（Glycemic Index, GI）和升糖負荷（Glycemic Load, GL）在糖尿病患者的飲食控制中的應用：

升糖指數（GI）：

• 定義：指某種含碳水化合物的食物，在攝取後 2 小時內，引起血糖反應的數值，以攝取 50 克葡萄糖（GI=100）為標準。
• 分類：
  • 低 GI 食物 (GI ≤ 55)：消化吸收慢，血糖升高平緩。
  • 中 GI 食物 (55 < GI ≤ 70)：血糖升高速度中等。
  • 高 GI 食物 (GI > 70)：消化吸收快，血糖升高迅速。
• 應用：糖尿病患者應優先選擇低 GI 食物，因為它們能使餐後血糖升高較慢且幅度較小，有助於穩定血糖，減少血糖波動，並可能增加飽足感，有助於體重管理。

植物肉（Plant-based Meat）和紅肉（Red Meat）在營養價值上各有優劣，評估時需綜合考量多項指標。

植物肉的優勢：

1. 飽和脂肪和膽固醇含量低：大多數植物肉的飽和脂肪和膽固醇含量遠低於紅肉，有助於降低心血管疾病的風險。
2. 膳食纖維：植物肉通常含有膳食纖維，這對腸道健康有益，且有助於穩定血糖和血脂。紅肉則不含膳食纖維。
3. 特定微量營養素：某些植物肉可能添加了特定維生素和礦物質，如鐵、維生素 B12 等，以模擬紅肉的營養成分。
4. 環保與動物福利：雖然這不是直接的營養價值，但其生產過程對環境的影響較小，且符合動物福利的考量，是其日益普及的重要原因。

植物肉的劣勢：

1. 蛋白質品質與吸收率：雖然植物肉的蛋白質含量可能與紅肉相當，但植物性蛋白質的必需胺基酸組成可能不如動物性蛋白質完整，吸收率也可能較低（取決於植物來源）。
2. 生物利用率較低的鐵：植物肉中的鐵主要是非血基質鐵（non-heme iron），其生物利用率比紅肉中的血基質鐵（heme iron）低，較不易被人體吸收。
3. 維生素 B12 缺乏：除非特別添加，否則植物肉本身不含維生素 B12，而維生素 B12 對神經系統功能和紅血球生成至關重要。長期僅食用未添加 B12 的植物肉可能導致缺乏。
4. 加工與添加物：部分植物肉屬於加工食品，可能含有較多的鈉、添加劑（如香料、色素、增稠劑等），長期攝取過多可能對健康不利。

紅肉的優勢：

1. 優質蛋白質：紅肉提供完整的必需胺基酸，是優質蛋白質的來源，吸收率高。
2. 豐富的血基質鐵：紅肉富含血基質鐵，易於人體吸收，能有效預防缺鐵性貧血。
3. 維生素 B12 和其他 B 群維生素：紅肉是維生素 B12 的豐富來源，同時也提供其他重要的 B 群維生素，如菸鹼酸、維生素 B6 等。
4. 鋅和硒：紅肉也是鋅和硒等礦物質的良好來源。

紅肉的劣勢：

1. 飽和脂肪和膽固醇含量高：過量攝取紅肉（尤其是加工紅肉）與心血管疾病、某些癌症（如大腸癌）的風險增加有關。
2. 無膳食纖維。
3. 加工紅肉的健康風險：如培根、香腸等加工紅肉，已被世界衛生組織（WHO）列為第一類致癌物，與多種癌症風險增加有關。

評估營養價值的分析方法：

1. 營養成分分析（Nutritional Composition Analysis）：
   • 宏量營養素：測定蛋白質、碳水化合物（包含糖、纖維）、脂肪（包含飽和脂肪、單元不飽和脂肪、多元不飽和脂肪、反式脂肪）及總熱量的含量

橄欖油，尤其是特級初榨橄欖油（Extra Virgin Olive Oil, EVOO），因其豐富的單元不飽和脂肪酸（Monounsaturated Fatty Acids, MUFAs），特別是油酸（Oleic acid），以及多酚類抗氧化物質，被廣泛認為是一種對心血管健康非常有益的食用油。將橄欖油作為日常使用的油脂，對脂質代謝具有多方面的積極影響：

1. 改善血脂譜（Lipid Profile）

• 降低總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）：橄欖油中的 MUFAs 有助於降低血液中的總膽固醇和 LDL-C。LDL-C 被稱為「壞膽固醇」，其過高是動脈粥狀硬化的主要危險因子。MUFAs 通過減少肝臟合成膽固醇，以及促進 LDL 的清除，來達到此效果。
• 維持或升高高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）：HDL-C 被稱為「好膽固醇」，它能將外周組織的膽固醇運回肝臟代謝。橄欖油的攝取有助於維持甚至適度升高 HDL-C 水平，這對心血管健康有保護作用。
• 降低三酸甘油酯（Triglycerides, TG）：雖然 MUFAs 對 TG 的影響不如對膽固醇那麼顯著，但研究顯示，用橄欖油替代飽和脂肪，有助於降低 TG 水平，尤其是在與低碳水化合物飲食結合時。

2. 抗氧化作用與減少氧化壓力

• 橄欖油富含多酚類化合物（如羥基酪醇、橄欖苦苷等），這些物質具有強大的抗氧化能力，能清除體內的自由基。
• LDL-C 容易被氧化，形成氧化型 LDL（Oxidized LDL, ox-LDL），這是動脈粥狀硬化發展的重要環節。橄欖油的抗氧化成分有助於阻止 LDL 的氧化，減少 ox-LDL 的生成，從而保護血管內皮細胞，延緩動脈粥狀硬化的進程。

3. 改善血管功能

• 橄欖油有助於改善血管內皮細胞的功能，促進一氧化氮（Nitric Oxide, NO）的生成。NO 是一種血管舒張因子，能幫助血管放鬆，維持正常的血壓。

老年人缺乏維生素 D 的風險較高，這是一個普遍存在的健康問題，其原因涉及生理、生活習慣和環境等多方面因素：

1. 皮膚合成維生素 D 能力下降

• 皮膚變薄且維生素 D 前驅物減少：隨著年齡增長，老年人的皮膚結構發生變化，表皮變薄，角質層水分減少，這可能影響維生素 D 前驅物（7-脫氫膽固醇）的含量。
• 皮膚對紫外線 B（UVB）的敏感性降低：即使暴露在陽光下，老年人的皮膚合成維生素 D 的效率也比年輕人低。UVB 是啟動皮膚中 7-脫氫膽固醇轉化為前維生素 D3 的關鍵。

2. 日照時間與強度不足

• 戶外活動減少：許多老年人因為健康狀況（如行動不便、慢性疾病）、害怕跌倒、天氣寒冷、社會隔離等原因，減少了戶外活動的時間。
• 室內生活為主：居住在護理之家或長期臥病在床的老年人，幾乎沒有機會接觸到足夠的陽光。
• 季節性影響：在緯度較高的地區，冬季陽光強度不足，難以合成足夠的維生素 D。

3. 飲食攝取不足

• 食慾下降與飲食單調：老年人常有食慾不振、味覺改變的問題，導致飲食攝取量減少，且飲食內容可能較為單調，不易攝取到富含維生素 D 的食物（如深海魚、蛋黃、強化乳製品）。
• 吸收不良：雖然不是主要原因，但某些老年人可能存在消化吸收功能輕微下降的問題。
• 經濟因素：部分經濟困難的老年人，可能無法負擔富含維生素 D 的食物。

鈣在人體骨骼健康中的作用

鈣是人體內最豐富的礦物質，約 99% 的鈣質儲存在骨骼和牙齒中，作為骨骼的結構性成分。其在骨骼健康中的作用主要有：

1. 骨骼結構的基石：鈣離子（$Ca^{2+}$）與磷酸根離子（$PO_4^{3-}$）結合，形成羥基磷灰石晶體（hydroxyapatite, $Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$），這是骨骼硬度和強度的主要來源。骨骼不僅是支撐身體的結構，也是鈣的巨大儲備庫。
2. 骨骼的動態平衡：骨骼並非靜態組織，而是在不斷地進行骨骼的形成（由成骨細胞 Osteoblasts 完成）和骨骼的再吸收（由蝕骨細胞 Osteoclasts 完成）的動態過程中。這個過程受到荷爾蒙（如副甲狀腺素 PTH、維生素 D、雌激素等）的調控，以維持血液鈣濃度的穩定。當血液鈣濃度偏低時，PTH 會刺激蝕骨細胞釋放骨骼中的鈣，以提高血鈣水平；當血鈣充足時，則促進骨骼鈣的沉積。
3. 維持骨密度：充足的鈣攝取，配合適當的維生素 D，是維持骨骼峰值質量（Peak Bone Mass）和延緩骨密度下降的關鍵。

骨質疏鬆症（Osteoporosis）的發病機制

骨質疏鬆症是一種以骨組織微結構退化、骨量減少、骨強度下降為特徵的全身性骨骼疾病，其主要特點是骨骼變得脆弱，容易發生骨折。其發病機制是骨骼形成與骨骼再吸收之間的平衡被打破，導致骨骼流失的速度大於骨骼形成的速率。

主要原因包括：

• 骨量減少：
  • 未達峰值骨量：青春期及成年早期鈣攝取不足，未能建立足夠的骨量，導致峰值骨量較低。
  • 骨質流失加速：隨著年齡增長，骨骼再吸收的速度超過骨骼形成的速度。
• 骨骼微結構破壞：骨骼的結構變得稀疏、脆弱，骨小樑網絡斷裂，骨骼的支撐能力下降。
• 影響因素：
  • 生理性衰老：絕經後女性雌激素水平下降，會顯著加速骨質流失。男性隨著年齡增長，睾酮水平下降，也會影響骨骼健康。
  • 營養不良：鈣、維生素 D、蛋白質等攝取不足。
  • 生活方式：缺乏運動、吸煙、過量飲酒、咖啡因攝取過多。
  • 疾病與藥物：內分泌疾病（如甲狀腺功能亢進）、類風濕性關節炎、長期使用類固醇、抗癲癇藥等。

鈣攝取不足如何影響骨質疏鬆症

鈣攝取不足是導致骨質疏鬆症的重要營養因素之一。其影響機制如下：

1. 降低峰值骨量：在骨骼發育的關鍵時期（青春期至成年早期），鈣攝取不足會導致無法建立理想的峰值骨量。峰值骨量越高，未來骨質流失對骨骼強度的影響就越小。
2. 加速骨質流失：當飲食中鈣攝取不足時，身體會優先維持血液鈣濃度的穩定。

益生菌（Probiotics）預防人類腸道疾病的機制

益生菌是指活的微生物，當攝取足夠量時，能對宿主產生健康益處。它們主要通過以下機制來預防人類腸道疾病：

1. 維持腸道菌群平衡：

   • 腸道內存在著數以兆計的微生物，形成複雜的生態系統。當致病菌過度生長或益生菌減少時，菌群失衡（Dysbiosis）可能導致各種腸道問題，如腹瀉、便秘、發炎性腸道疾病（IBD）。
   • 益生菌可以通過與共生菌競爭營養物質和附著位點，抑制致病菌的生長。它們還能分泌抗菌物質（如細菌素、有機酸），直接殺死或抑制有害細菌。

2. 增強腸道屏障功能：

   • 腸道上皮細胞之間有緊密連接（Tight Junctions），形成一道物理屏障，防止有害物質進入血液。
   • 益生菌可以促進腸道上皮細胞分泌黏蛋白（mucin），增加黏膜層厚度，從而加強腸道屏障。
   • 它們還能刺激上皮細胞產生緊密連接蛋白，減少腸道滲透性（Leaky Gut），防止腸道通透性增加。

3. 調節免疫系統：

   • 腸道是人體最大的免疫器官，約 70-80% 的免疫細胞集中於此。
   • 益生菌可以與腸道內的免疫細胞（如樹突狀細胞、巨噬細胞、淋巴細胞）相互作用，調節免疫反應。
   • 它們能促進免疫細胞產生細胞激素（cytokines），例如，促進產生抗發炎的細胞激素（如 IL-10）或調節促發炎細胞激素（如 TNF-α, IL-6）的水平，從而平衡免疫反應，減少不必要的發炎。
   • 益生菌還能促進腸道免疫球蛋白 A（sIgA）的分泌，sIgA 是黏膜免疫的重要組成部分，能結合病原體，阻止其附著和入侵。

4. 改善消化與營養吸收：

   • 某些益生菌能產生消化酶，輔助分解食物中的複雜碳水化合物、蛋白質和脂肪，促進營養物質的吸收。
   • 它們還能合成一些維生素，如維生素 K 和某些 B 群維生素。

5. 代謝產物的益處：

   • 益生菌在發酵食物殘渣時，會產生短鏈脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids, SCFAs），如丁酸鹽（butyrate）、丙酸鹽（propionate）和乙酸鹽（acetate）。
   • 丁酸鹽是腸道上皮細胞的主要能量來源，能促進其生長和修復，維持腸道屏障的完整性，並具有抗發炎作用。

含有益生菌的機能性食品及其促進消化道健康的分子機轉

1. 優格（Yogurt）：
   • 益生菌來源：傳統優格通常使用嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）和保加利亞乳桿菌（Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus）進行發酵。許多市售優格還會額外添加其他益生菌株，如嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）、雙歧桿菌（Bifidobacterium spp.）等。
   • 促進消化道健康：