108 年 國立臺灣大學食品科技研究所戊組《營養學》

此題主要在探討墨西哥豆子捲餅（Taco/Burrito）的組成，以及為何其能提供高品質蛋白質。高品質蛋白質的關鍵在於其胺基酸組成是否符合人體所需，特別是必需胺基酸。

墨西哥豆子捲餅通常包含以下主要成分：

1. 肉類 (如牛肉、雞肉、豬肉)：這是主要的蛋白質來源，通常富含必需胺基酸。
2. 豆類 (如黑豆、紅腰豆)：豆類是植物性蛋白質的良好來源，雖然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（例如，豆類可能缺乏甲硫胺酸，但富含離胺酸），但與其他食物組合時，可以形成互補效應。
3. 穀物 (如玉米餅、小麥餅)：穀物也提供一些蛋白質，並含有碳水化合物，提供能量。
4. 蔬菜 (如生菜、番茄、洋蔥)：提供維生素、礦物質和膳食纖維，但蛋白質含量不高。
5. 起司、酸奶油 (Dairy)：提供蛋白質和脂肪，以及鈣質。

科學說明：
高品質蛋白質的定義是指其胺基酸譜（amino acid profile）與人體需求非常接近，特別是必需胺基酸（essential amino acids）的含量足夠。許多動物性蛋白質（如肉、蛋、奶）屬於高品質蛋白質。

此題考查「生物價」（Biological Value, BV）的概念及其在臨床上的應用。

科學說明：
生物價（Biological Value, BV）是衡量蛋白質消化吸收後，身體能利用其氮（來自胺基酸）的程度。它反映了食物蛋白質的品質，即蛋白質中必需胺基酸的種類和比例是否符合人體需求。BV 的計算公式大致為：
$BV = \frac{N_{retention}}{N_{absorption}} \times 100\%$
其中，$N_{retention}$ 是留在體內的氮量，$N_{absorption}$ 是吸收的氮量。

• BV 值高的蛋白質（如雞蛋、牛奶、肉類）表示身體能有效利用其胺基酸來合成自身蛋白質，效率高。
• BV 值低的蛋白質（如某些植物性蛋白質）表示身體利用效率較差，可能因為必需胺基酸比例不佳或消化吸收不完全。

臨床應用：
在某些臨床情況下，病人需要限制蛋白質的攝取量，例如：

1. 腎臟疾病（Kidney Disease）：嚴重的腎臟疾病患者，其腎臟過濾功能受損，無法有效清除蛋白質代謝產生的含氮廢物（如尿素）。過多的蛋白質攝取會加重腎臟負擔，導致體內氮的堆積，引起尿毒症。在此情況下，醫生會建議嚴格限制總蛋白質攝取量。

此題考查碳水化合物代謝與維生素B群的關係。

科學說明：
碳水化合物（Carbohydrates, CHO）是人體主要的能量來源。其代謝過程是一個複雜的生化路徑，包括糖解作用（glycolysis）、克氏循環（Krebs cycle，又稱三羧酸循環 TCA cycle）、電子傳遞鏈（electron transport chain）等。這些代謝途徑中的許多關鍵步驟，都需要多種維生素B群作為輔酶（coenzymes）或輔因子（cofactors）才能順利進行。

主要的維生素B群成員及其在碳水化合物代謝中的作用包括：

1. 維生素B1 (Thiamine, TPP)：
   • 在丙酮酸氧化脫羧（pyruvate decarboxylation）過程中作為輔酶，將丙酮酸轉化為乙醯輔酶A（acetyl-CoA），這是進入克氏循環的關鍵步驟。
   • 在克氏循環本身（如α-酮戊二酸的氧化脫羧）也需要TPP。
2. 維生素B2 (Riboflavin, FAD/FMN)：
   • 是黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和黃素單核苷酸（FMN）的組成成分。
   • FAD 和 FMN 在碳水化合物代謝中作為氧化還原反應的輔酶，參與克氏循環（如琥珀酸脫氫酶）和電子傳遞鏈。
3. 維生素B3 (Niacin, NAD+/NADP+)：
   • 是菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）的組成成分。
   • NAD+ 在碳水化合物代謝的許多氧化反應中扮演關鍵的電子載體角色，尤其是在糖解作用（如甘油醛-3-磷酸脫氫酶反應）和克氏循環中。
4. 維生素B5 (Pantothenic acid, CoA)：
   • 是輔酶A（Coenzyme A, CoA）的組成成分。

此題考查飽足感（satiety）的生理機制。

科學說明：
「飽了就不想再吃東西」是人體進食調節（eating regulation）的正常生理反應，稱為飽足感。飽足感是一個複雜的生理和心理過程，涉及多種信號傳遞，主要包括：

1. 胃腸道信號 (Gastrointestinal signals)：
   • 胃的膨脹 (Gastric distension)：當食物進入胃部，胃壁會被撐開。胃壁的機械感受器會發送信號到大腦，指示「飽」。
   • 激素分泌 (Hormonal signals)：
     • 膽囊收縮素 (Cholecystokinin, CCK)：在小腸（十二指腸）接收到脂肪和蛋白質時分泌，它能減緩胃排空，並向大腦發送信號，產生飽足感。
     • 胜肽YY (Peptide YY, PYY)：在小腸末端和結腸接收到食物時分泌，也抑制食慾，增加飽足感。
     • 胰高血糖素樣胜肽-1 (Glucagon-like peptide-1, GLP-1)：在腸道細胞接收到葡萄糖和脂肪時分泌，能促進胰島素分泌，並向大腦發送信號產生飽足感。
     • 瘦素 (Leptin)：主要由脂肪細胞分泌，長期作用，調節能量平衡，長期飽足感。
     • 飢餓素 (Ghrelin)：主要由胃分泌，在空腹時分泌，刺激食慾；進食後分泌減少，抑制食慾。

此題考查家庭用體脂肪計的原理及其準確性。

科學說明：
家庭用的體脂肪計，最常見的是「生物電阻抗分析法」（Bioelectrical Impedance Analysis, BIA）。

原理：

1. 導電性差異：人體組織的導電性不同。脂肪組織（fat tissue）的含水量較低，因此電阻較高（導電性較差）。而肌肉、骨骼、器官等瘦組織（lean body mass, LBM）則含水量較高，電阻較低（導電性較好）。
2. 測量電阻：體脂肪計會發送一個微弱、無害的交流電信號，通過身體傳導。通常是通過腳底接觸電極（家用體重計式）或手握電極（手腳皆有電極的機種）來完成。儀器測量這個電信號在身體中通過時的電阻值（impedance, Z）。
3. 計算公式：儀器內建的數學模型或公式，會將測量到的電阻值（Z）、身高、體重、年齡、性別等參數，輸入計算，估算出體脂肪百分比。
   • 一般而言，電阻值越高，表示體脂肪比例可能越高（因為脂肪導電差）。
   • 身高越高，體內總電阻也可能較高。
   • 男性與女性的身體組成不同，公式會有所區別。

準確性與限制：
雖然 BIA 是一種方便、非侵入性且相對便宜的體脂肪測量方法，但其準確性受到許多因素影響：

1. 身體水分含量：BIA 的準確性高度依賴身體的水分含量。

此題考查過量飲水可能導致的「水中毒」。

科學說明：
「水喝太多也會中毒」是指「水中毒」（Water Intoxication），醫學上稱為「低血鈉症」（Hyponatremia）。雖然水本身無毒，但當短時間內攝取過量的水，超過腎臟的排出能力時，就會引發嚴重的水中毒。

機制：

1. 水分稀釋：腎臟每天的最大排水量約為 0.8-1.0 公升（每小時）。當一個人短時間內飲用遠超過此量的水（例如，幾小時內喝下數公升水），體內的水分會迅速增加，血液中的溶質（包括鈉離子 Na+）會被大量稀釋。
2. 血鈉濃度下降：血液中的鈉離子濃度（血鈉，Normal range ~135-145 mmol/L）是維持細胞內外滲透壓平衡的重要因素。當血鈉濃度因水分稀釋而顯著下降時，細胞內外的滲透壓梯度改變。
3. 細胞水腫：為了維持滲透壓平衡，水分會從滲透壓較低的細胞外液（血液）進入滲透壓相對較高的細胞內液。這導致全身細胞（包括腦細胞）發生水腫。
4. 腦水腫的危險：腦細胞對滲透壓變化特別敏感。腦細胞水腫會導致顱內壓升高，可能引起嚴重的神經系統症狀，甚至危及生命。

此題考查影響礦物質生體可用率（Bioavailability）的因素。生體可用率是指攝取的礦物質有多少比例能被身體吸收並利用。

核心觀念：
礦物質的吸收並非線性，其生體可用率會受到許多內在（生理狀態）和外在（食物組成）因素的影響。

影響生體可用率的四種因素：

1. 食物基質本身的特性 (Food Matrix Properties)：

   • 礦物質的化學型態 (Chemical form)：同一種礦物質，在不同化學狀態下的吸收率差異很大。例如：
     • 鐵 (Fe)：血基質鐵（heme iron，來自動物性食物）比非血基質鐵（non-heme iron，來自植物性食物）更容易吸收。
     • 鈣 (Ca)：離子化的鈣（如 $Ca^{2+}$）比與其他分子結合的鈣更容易吸收。
     • 鋅 (Zn)：有機態鋅比無機態鋅吸收率可能較高。
   • 食物的物理狀態：如食物的精緻程度、加工方式等，可能影響礦物質的釋放和吸收。

2. 促進吸收的物質 (Enhancers)：

   • 維生素C (Vitamin C)：能顯著促進非血基質鐵的吸收，將三價鐵 ($Fe^{3+}$) 還原成較易吸收的二價鐵 ($Fe^{2+}$)。
   • 維生素D (Vitamin D)：是鈣和磷吸收最重要的促進因子，能增加腸道對這兩種礦物質的主動運輸。
   • 有機酸：如乳酸、檸檬酸等，可能與礦物質形成可溶性複合物，有利於吸收。
   • 胜肽 (Peptides)：某些蛋白質水解後產生的胜肽，可能幫助某些礦物質（如鋅、鐵）的吸收。

3. 抑制吸收的物質 (Inhibitors)：

   • 植酸鹽 (Phytates)：存在於全穀物、豆類、堅果種子中，能與鈣、鐵、鋅、鎂等二價陽離子礦物質結合，形成不溶性複合物，顯著降低其吸收率。

此題考查五種重要礦物質（鈉、鉀、鈣、磷、鎂）的主要生理功能。

核心觀念：
這些礦物質是必需的巨量礦物質（macrominerals），在體內扮演多樣且關鍵的角色，包括維持體液平衡、神經傳導、肌肉收縮、骨骼健康、能量代謝等。

各礦物質的主要生理功能：

1. 鈉 (Sodium, Na+)

   • 維持體液平衡與滲透壓：鈉是細胞外液（血漿、組織液）中最重要的陽離子，對維持體液總量和滲透壓至關重要。
   • 神經衝動傳導：鈉離子通過鈉離子通道的進出，是神經細胞產生動作電位（action potential）和傳遞神經衝動的關鍵。
   • 肌肉收縮：鈉離子參與肌肉細胞的興奮-收縮耦合過程。
   • 營養素運輸：鈉參與某些營養素（如葡萄糖、胺基酸）在腸道和腎臟的共同運輸（co-transport）。

2. 鉀 (Potassium, K+)

   • 維持體液平衡與滲透壓：鉀是細胞內液中最重要的陽離子，與鈉協同作用維持體液平衡和滲透壓。
   • 神經衝動傳導：鉀離子進出細胞是神經細胞恢復極化狀態（repolarization）的關鍵，對神經傳導同樣重要。
   • 肌肉收縮：鉀離子在維持肌肉細胞膜電位和參與肌肉收縮中扮演重要角色，特別是心肌的正常收縮。
   • 維持正常血壓：足夠的鉀攝取有助於平衡鈉的作用，降低血壓。

3. 鈣 (Calcium, Ca2+)

   • 骨骼與牙齒的組成：超過 99% 的鈣存在於骨骼和牙齒中，是構成骨骼和牙齒的主要礦物質成分，提供結構支持和強度。
   • 肌肉收縮：鈣離子是肌肉細胞（包括骨骼肌、平滑肌、心肌）收縮過程中的關鍵信號分子，觸發肌動蛋白和肌凝蛋白的交互作用。
   • 神經傳導：鈣離子參與神經遞質（neurotransmitters）的釋放，是神經訊號傳遞的重要環節。
   • 血液凝固：鈣是血液凝固過程中必需的輔因子。

此題考查硒（Se）和碘（I）這兩種微量元素的生理功能、食物來源及缺乏症狀。

核心觀念：
硒和碘是人體必需的微量礦物質，雖然需求量小，但在特定的生理功能中扮演極為重要的角色。

一、硒 (Selenium, Se)

1. 主要生理功能：

   • 抗氧化作用：硒是許多抗氧化酵素（如穀胱甘肽過氧化酶 glutathione peroxidase, GPx）的組成成分。這些酵素能清除體內的自由基，保護細胞免受氧化損傷，有助於延緩衰老，預防慢性疾病（如心血管疾病、某些癌症）。
   • 甲狀腺素代謝：硒參與甲狀腺素（thyroid hormone）的代謝。體內的甲狀腺素需要經過脫碘過程才能轉化為活性形式（T3），硒依賴的脫碘酶（deiodinase）在此過程中起關鍵作用。因此，硒對維持正常的甲狀腺功能至關重要。
   • 免疫功能調節：硒對免疫系統的正常運作有重要影響，能調節免疫細胞的活性。

2. 食物來源：

   • 海產品：魚類、貝類（如蝦、牡蠣）。
   • 肉類：肝臟、腎臟、瘦肉（如牛肉、雞肉）。
   • 穀物：小麥、玉米、大米（含量受土壤硒含量影響）。
   • 堅果：巴西堅果（Brazil nuts）是含量極高的來源。
   • 蛋類、乳製品。

3. 缺乏症狀：

   • 凱山病 (Keshan disease)：一種嚴重的硒缺乏性心肌病，常見於土壤硒含量極低的地區（如中國東北部）。
   • 卡欽貝克病 (Kashin-Beck disease)：一種地方性骨關節病，與硒和碘缺乏有關，影響兒童和青少年。
   • 免疫功能下降：易感染疾病。
   • 甲狀腺功能異常：可能導致甲狀腺功能低下（hypothyroidism）。
   • 氧化應激增加：加速衰老，增加慢性病風險。
   • 生殖功能受損。

二、碘 (Iodine, I)

1. 主要生理功能：
   • 甲狀腺激素合成：碘是合成甲狀腺激素（thyroxine, T4；三碘甲狀腺原氨酸, T3）的必需原料。

此題考查具有預防肥胖功效的食品成分及其作用機制。肥胖的發生與能量攝取過多、能量消耗不足、遺傳、環境等多種因素有關。預防肥胖的食品成分通常從幾個方面著手：增加飽足感、減少能量吸收、促進能量消耗、調節代謝等方面。

核心觀念：
預防肥胖的食品成分，通常是指那些能夠幫助控制體重，減少體脂肪堆積的物質。它們的作用機制多樣，可能影響食慾、消化吸收、能量代謝或脂肪儲存。

具有預防肥胖功效的食品成分及其作用機制：

1. 膳食纖維 (Dietary Fiber)

   • 食物來源：全穀物、蔬菜、水果、豆類、堅果種子。
   • 作用機制：
     • 增加飽足感：膳食纖維（尤其是水溶性纖維）在胃中吸水膨脹，延緩胃排空，增加飽足感，減少總能量攝取。
     • 延緩葡萄糖吸收：水溶性纖維能減緩碳水化合物的消化吸收，降低餐後血糖升高速度，避免血糖劇烈波動，減少脂肪合成的機會。
     • 改變腸道菌群：促進益生菌生長，產生短鏈脂肪酸（SCFA），可能影響能量代謝和脂肪儲存。
     • 結合膽酸：水溶性纖維能結合膽酸，促進膽固醇排泄，間接影響脂肪代謝。

2. 某些植物化學物質 (Phytochemicals)

   • 兒茶素 (Catechins)：主要存在於綠茶中。
     • 作用機制：可能促進脂肪氧化（脂肪燃燒），增加產熱效應（thermogenesis），抑制脂肪細胞分化，調節能量代謝。
   • 辣椒素 (Capsaicin)：存在於辣椒中。
     • 作用機制：可能增加產熱，促進脂肪氧化，增加飽足感，減少能量攝取。
   • 花青素 (Anthocyanins)：存在於藍莓、紫薯等深色蔬果中。
     • 作用機制：可能抑制脂肪細胞分化，改善胰島素敏感性，抗氧化，調節脂質代謝。
   • 白藜蘆醇 (Resveratrol)：存在於葡萄皮、紅酒中。
     • 作用機制：可能激活Sirtuin 1 (SIRT1)，影響脂肪和葡萄糖代謝，增加能量消耗。

3. 共軛亞麻油酸 (Conjugated Linoleic Acid, CLA)

   • 食物來源：反芻動物的肉類（如牛、羊肉）和乳製品。
   • 作用機制：研究顯示CLA可能透過減少脂肪組織的增生、增加脂肪氧化、促進脂肪分解來減少體脂肪。

此題考查膽鹼（Choline）在體內的各種存在形式及其重要的生理功能。膽鹼是一個必需營養素，對人體健康至關重要。

核心觀念：
膽鹼是水溶性營養素，在體內以多種形式存在，並參與多項關鍵的生化反應和生理過程。

一、膽鹼在體內的存在形式：

膽鹼本身是一個陽離子（$Choline^+$），但它通常不是獨立存在的，而是作為更大分子的組成部分，或以磷酸化的形式存在。常見的存在形式包括：

1. 磷脂醯膽鹼 (Phosphatidylcholine, PC)：

   • 這是體內最主要的膽鹼形式，也是細胞膜的主要磷脂成分。
   • 它由膽鹼、磷酸、甘油和脂肪酸組成。
   • 在肝臟中合成，或通過飲食攝取。

2. 鞘磷脂 (Sphingomyelin)：

   • 另一種重要的細胞膜磷脂，在神經細胞的髓鞘（myelin sheath）中含量豐富。
   • 它含有膽鹼基團。

3. 乙醯膽鹼 (Acetylcholine, ACh)：

   • 這是一種重要的神經傳導物質（neurotransmitter），存在於神經肌肉接頭和自主神經系統中。
   • 由膽鹼與乙醯輔酶A（acetyl-CoA）在神經末梢合成。

4. 甜菜鹼 (Betaine)：

   • 也稱為三甲基甘胺酸（trimethylglycine）。
   • 它是一個膽鹼的衍生物，在體內作為甲基供體（methyl donor），參與一碳單位代謝。

5. 游離膽鹼 (Free Choline)：

   • 雖然較少，但血液中也存在游離的膽鹼離子，作為運輸形式。

二、膽鹼的生理功能：

膽鹼在體內扮演多重角色，對維持健康至關重要：

1. 細胞膜結構完整性：

   • 磷脂醯膽鹼（PC）和鞘磷脂是構成所有細胞膜的關鍵成分，維持細胞膜的流動性、結構完整性，並參與細胞訊號傳遞。

2. 神經傳導：

   • 乙醯膽鹼（ACh）是主要的興奮性神經傳導物質，負責傳遞神經訊號，包括：
     • 骨骼肌收縮：在神經肌肉接頭處，ACh 釋放引起肌肉收縮。

此題考查人體脂肪組織的型態、功能及分布。脂肪組織是人體重要的結締組織，不僅儲存能量，還具有內分泌功能。

核心觀念：
人體脂肪組織主要有兩種類型：白色脂肪組織（WAT）和棕色脂肪組織（BAT），以及近年來發現的介於兩者之間的米色脂肪組織（Beige fat）。它們在結構、功能和分布上有所差異。

一、脂肪組織的型態與功能：

1. 白色脂肪組織 (White Adipose Tissue, WAT)

   • 型態：
     • 由稱為脂肪細胞（adipocytes）的大細胞組成，每個細胞有一個巨大的脂滴（lipid droplet），佔據細胞絕大部分體積。
     • 細胞核和細胞質被擠壓到細胞邊緣。
     • 細胞質內含有少量細胞器。
     • 血管化程度相對較低。
   • 主要功能：
     • 能量儲存：最主要功能是將多餘的能量（以三酸甘油酯 Triglycerides, TG 的形式）儲存起來，作為備用能量來源。
     • 緩衝與保護：脂肪層對身體器官提供物理性的緩衝和保護，防止外力衝擊。
     • 保溫：皮下脂肪層有助於隔絕熱量，維持體溫。
     • 內分泌功能：WAT 也是一個活躍的內分泌器官，分泌多種激素（稱為「脂聯素」adipokines），包括：
       • 瘦素 (Leptin)：調節食慾、能量消耗和體重。
       • 脂肪因子 (Adiponectin)：提高胰島素敏感性，抗發炎，促進脂肪氧化。
       • 趨化因子 (Chemokines)：如 MCP-1，參與發炎反應。
       • 腫瘤壞死因子-α (TNF-α) 和介白素-6 (IL-6)：在肥胖時分泌增加，參與慢性發炎。
       • 抵抗素 (Resistin)：可能引起胰島素抵抗。

2. 棕色脂肪組織 (Brown Adipose Tissue, BAT)

   • 型態：
     • 脂肪細胞較小，細胞核位於中央。
     • 細胞質內含有大量小的脂滴，而不是一個大的脂滴。
     • 細胞內富含線粒體（mitochondria），線粒體含有細胞色素，使組織呈現棕色。
     • 線粒體內含有特殊的解偶聯蛋白 1（Uncoupling protein 1, UCP1），這是其產熱功能的核心。
     • 血管化程度高，神經支配豐富（交感神經）。
   • 主要功能：
     • 產熱 (Thermogenesis)：BAT 的主要功能是在寒冷或飢餓時，通過 UCP1 解偶聯氧化磷酸化過程，將儲存的能量（脂肪）轉化為熱能，而非 ATP。這有助於維持體溫，尤其是在新生兒和冬眠動物中。
     • 能量消耗：BAT 的活躍能消耗身體的能量，對體重控制有潛在益處。

3. 米色脂肪組織 (Beige Adipose Tissue)

   • 型態：
     • 也被稱為「磚紅脂肪」（brite fat）。
     • 這些細胞存在於白色脂肪組織中，但可以被某些信號（如寒冷暴露、β-腎上腺素能激動劑）誘導，表現出類似 BAT 的特性。
     • 也表達 UCP1，能夠產熱。
   • 功能：被認為是 WAT 對環境刺激的一種適應性反應，能夠增加能量消耗，有助於對抗肥胖。