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讓你買菜不再苦惱:Nutrition Profiling 食物選擇科學化

社團法人台灣國際生命科學會_96
・2022/07/06 ・3344字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 專欄作家— 許珊菁 博士

國立臺灣大學微生物與生物化學研究所博士。實踐大學食品營養與保健生技學系助理教授。曾任康善基金會營養顧問、開南大學觀光與餐飲旅館學系助理教授。專長領域:營養管理、公衛營養、營養教育、國人適用之食品份量及營養密度指標建立及其應用。 

您有沒有在大賣場、超市或雜貨店選購食品時感到無所適從,雖然您知道選擇健康的食物對家人與自已的健康很重要,但有時正確的選擇卻似乎無從著手,尤其是匆忙之下,無法詳細閱讀食品標示。

科學家們嘗試幫食物的「營養健康特性」下些定義,試著引領食品製造業者提供更具健康概念的產品,以方便消費者做出選擇。

跳脫卡洛里迷思:熱量密度 ≠ 營養素密度

從營養的角度來說,食物可以依據熱量密度或營養素密度來加以分類。

熱量密度指的是,單位重量食物中所含的卡路里,而密度高的食物也就是我們常說的高熱量食物,每公克食物約含大於4大卡熱量,如餅乾、蛋糕等。密度低的食物則是我們常說的低熱量食物,每公克食物約含小於 1.5 大卡熱量,如青花菜、雞蛋等。

另外,還有一類食物被稱為空熱量食物,顧名思義,為空有熱量的食物,食物中僅僅含有糖、油脂、或酒精等提供熱量,但其他人體必需的營養素,像維生素、蛋白質、必需脂肪酸等含量很少或沒有提供,例如:碳酸飲料。

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然而,有一些熱量相對較高的食物也可能具有很高的營養價值,如堅果、種子、橄欖油或菜籽油。所以,如果我們只將卡路里視為食物評分的數字,那麼我們可能會避免選擇這些食物,但這些食物應該也可以作為健康飲食模式中的一部分。

另外,有些卡路里含量相似的食物在營養質量方面也可能不同,例如,加工過的肉類比未經加工的瘦肉含有更多鹽分,即使它們卡路里含量相似,不利作為健康飲食。

卡路里不該只是衡量食物營養的唯一標準。 圖/ envato

什麼是「營養密集」食物?

營養素密度是指以食物每 100 公克、每 100 大卡或每份為基本單位來計算營養素,其中「每份」的份量是由食品廠商根據其產品自定,通常採一次食用量為準,如包子以一粒為一份等等。

1974 年時,美國聯邦貿易委員會(Federal Trade Commission)將營養密集食物定義為:「每 100 大卡食物至少能提供蛋白質和其他三種營養素達建議攝取量(Recommended Dietary Allowance, RDA)之 10% 以上」。

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隔年進一步提出,只要能提供一種營養素達 RDA之 50% 以上、提供二種營養素分別達 RDA 之 20% 以上、提供三種營養素分別達 RDA 之 15% 以上、提供四種營養素分別達 RDA 之 10% 以上、或提供五種營養素分別達 RDA 之 6% 以上,亦可以稱為營養密集食物 1

為了幫助民眾在不超過每日能量所需的情況下,做出更健康的食物選擇來達成營養需求目標, 2005 美國飲食指南(Dietary Guidelines for Americans, DGA)第一次提出,如果能夠提供大量維生素、礦物質及相對較少卡路里的食物就可成為營養密集食物。

在 2015 年補充說明,營養密集食物為蔬菜、水果、全穀物、海鮮、雞蛋、豆類和豌豆、無鹽堅果和種子、無脂和低脂牛奶和乳製品,以及瘦肉等。

2020 年更強調營養密集食物為提供維生素、礦物質及其他促進健康的成分,並且不添加或幾乎不添加糖、飽和脂肪和鈉。

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經由正確選擇每一種食物或飲料都是一個邁向健康飲食模式的機會。下面圖例為從日常選購上可以採取的微小改變之一,幫助選擇相對營養密度較高的產品。

NRF 指數帶你辨識營養好食物

研究發現消費者在購買時往往只閱讀營養標示的前五個組成部分(份量、卡路里、總脂肪、飽和脂肪和反式脂肪)。但如果要識別營養豐富的食物,我們需要確保能夠更進一步閱讀其他有益營養素的標示,如鈣、鉀或纖維 3

Nutrition Profiling 是一種科學化的方法,根據食物中的營養成分對食物進行分析,可以讓消費者更輕鬆地識別「營養豐富」的食物,也能幫助人們做出更健康的食物選擇。

在眾多 Nutrition Profiling 方法中, NRF 指數(nutrient-rich food index)已與其他方法進行了廣泛的比較,並在健康飲食方面得到了驗證。 NRF 指數為計算九種鼓勵攝取的營養素(蛋白質、纖維、維生素 A、 C 和 E、鈣、鐵、鉀和鎂)和三種需要限制攝取的營養素(飽和脂肪、添加的糖和鈉)的關係式。

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舉例:以食物每 100 大卡或每份為基本單位, NRF 指數 =(加權總和九種鼓勵攝取的營養素含量佔每日建議量的百分比值)減去(加權總和三種需限制攝取的營養素含量佔最大建議量的百分比值)。

當 NRF 指數越高,代表此食物有較高的營養密度 4

NRF 指數特點為,除了著重於需鼓勵增加攝取的營養素外,同時也兼顧要限制的三個關鍵營養素。

以台灣食品成分資料庫中部分肉類食材進行 NRF 指數計算,如下圖。以每種食材 100 大卡為計算單位,發現油脂含量較高的豬蹄膀,計算後 NRF 指數為 0.7 ,五花肉為 -4.5 。

相對的,豬後腿瘦肉 NRF 指數為 63.4 ,雞胸肉為 65.6 。豆魚蛋肉類的每份食物定義為提供 7 公克蛋白質為一份。以每種食材一份為計算單位來看,豬梅花肉、牛腩等高脂肪部位的肉類 NRF 指數為負數。

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因此,從 NRF 指數科學計算,可以間接得知食物中營養素比例,或許可以幫助消費者在日常生活中選擇適當的食物。

Nutrition Profiling 應用在生活中

Nutrition Profiling 應用在生活層面的範例,就是提供消費者辨識食品的營養性質與健康效益。舉例來說:植物奶成分大多來自大豆、堅果、穀物和種子,有改善動物福利與改變對環境的影響等優點,在美國通常以植物「牛奶」的形式銷售。

2021 年研究應用 Nutrition Profiling 於植物奶是否可用作牛奶替代品的評估上,結果顯示只有經營養強化的豆奶含有與牛奶相當的蛋白質、鈣、鉀、維生素  A  和維生素 D  含量。故強化豆奶為目前美國農業部唯一認可作為奶類替用品之飲品,而其他植物性飲品則否 5

透過 Nutrition Profiling 評估,強化豆奶是唯一營養素與牛奶接近的植物奶。 圖/ envato

全球肥胖率上升的潛在原因包括過度含糖飲料和高能量食物的攝取。 Nutrition Profiling 的目的是根據食物的營養含量對食物進行分析,進而幫助消費者分辨營養豐富且未過度加工的食品。但是,擔憂的是,如果消費者知道必須付出較多的膳食成本來獲取營養豐富的食物,則並非所有人都能接受這種建議。

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因此,針對低收入族群的 Nutrition Profiling 可能無法與富裕社會中所觀察到的相提並論 6,7。未來開發消費者負擔得起的營養分析建議是相當重要的,其中需考量食物價格和實際食物供應的狀況。

對於食品製造業者,建議可經由改變配方,加入全穀類、水果、蔬菜泥或植物性原料增加食品營養密度,提供特殊風味產品使食品中鹽分降低,而不影響人們對食物的喜好。應用 Nutrition Profiling 來確定那些營養豐富且價格合理的食物是幫助實踐健康飲食的第一步。

除此之外,如果可以在食品販售包裝上同時考量適當份量的設計,讓消費者在選擇健康營養食物的同時,不知不覺兼顧到減少卡路里總量的攝取,將會是未來最合宜的做法。

參考資料:

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  1. Drewnowski, A., & Fulgoni III, V. (2008). Nutrient profiling of foods: creating a nutrient-rich food index. Nutrition reviews, 66(1), 23-39.
  2. U.S. Department of Health and Human Services and U.S. Department of Agriculture. (2020). Dietary Guidelines for Americans, 2020-2025. Retrieved from https://www.dietaryguidelines.gov/sites/default/files/2021-03/Dietary_Guidelines_for_Americans-2020-2025.pdf
  3. Graham, D. J., & Jeffery, R. W. (2011). Location, location, location: eye-tracking evidence that consumers preferentially view prominently positioned nutrition information. Journal of the American Dietetic Association, 111(11), 1704-1711. 
  4. Drewnowski, A. (2009). Defining nutrient density: development and validation of the nutrient rich foods index. Journal of the American college of nutrition, 28(4), 421S-426S.
  5. Drewnowski, A. (2021). Perspective: Identifying Ultra-Processed Plant-Based Milk Alternatives in the USDA Branded Food Products Database. Advances in Nutrition. 12(6), 2068–2075ㄡ
  6. Drewnowski, A. (2018). Nutrient density: Addressing the challenge of obesity. British Journal of Nutrition, 120(S1), S8-S14.
  7. Drewnowski, A., Smith, J., & Fulgoni, VL. (2021).The New Hybrid Nutrient Density Score NRFh 4:3:3 Tested in Relation to Affordable Nutrient Density and Healthy Eating Index 2015: Analyses of NHANES Data 2013-16. Nutrients 13, 1734.
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社團法人台灣國際生命科學會_96
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創會於2013年,這是一個同時能讓產業界、學術界和公領域積極交流合作及凝聚共識的平台。期望基於科學實證,探討營養、食品安全、毒理學、風險評估以及環境的議題,尋求最佳的科學解決方法,以共創全民安心的飲食環境。欲進一步了解,請至:ww.ilsitaiwan.org

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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