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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

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  • 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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伺服器過熱危機!液冷與 3D VC 技術如何拯救高效運算?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/11 ・3194字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 高柏科技 合作,泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達(NVIDIA)、Google、微軟,甚至是 Meta 的存在,究竟是什麼?答案或許並非更強大的 AI,也不是更高速的晶片,而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初,搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機,傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題,但這場「科技 vs. 熱」的對決,才剛剛開始。 

不僅僅是輝達,微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中,希望藉由洋流降溫;而更激進的做法,則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中,來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

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但這些方法真的有效嗎?安全嗎?從大型數據中心到你手上的手機,散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技,一同看看如何用科學破解這場高溫危機!

運算=發熱?為何電腦必然會發熱?

為什麼電腦在運算時溫度會升高呢? 圖/unsplash

這並非新問題,1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時,就提出了「蘭道爾原理」(Landauer Principle),他根據熱力學提出,當進行計算或訊息處理時,即便是理論上最有效率的電腦,還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失,系統的熵就會上升,而隨著熵的增加,也會產生熱能。

換句話說,當計算是不可逆的時候,就像產品無法回收再利用,而是進到垃圾場燒掉一樣,會產生許多廢熱。

要解決問題,得用科學方法。在一個系統中,我們通常以「熱設計功耗」(TDP,Thermal Design Power)來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說,TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量,通常以瓦特(W)為單位。也就是說,TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP,例如AMD的CPU 9950X,TDP是170W,GeForce RTX 5090則高達575W,伺服器用的晶片,則可能動輒千瓦以上。

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散熱不僅是AI伺服器的問題,電動車、儲能設備、甚至低軌衛星,都需要高效散熱技術,這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料(TIM)」:提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡,散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料,而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中,晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合,表面多少會有細微間隙,而這些縫隙如果藏了空氣,就會變成「隔熱層」,阻礙熱傳導。

為了解決這個問題,需要一種關鍵材料,導熱介面材料(TIM,Thermal Interface Material)。它的任務就是填補這些縫隙,讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」,即使主線有再多車道,如果匝道堵住了,車流還是無法順利進入高速公路。同樣地,如果 TIM 的導熱效果不好,熱量就會卡在晶片與散熱片之間,導致散熱效率下降。

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那麼,要怎麼提升 TIM 的效能呢?很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁,若要更高效的散熱材料,則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成:高導熱粉末(如金屬或陶瓷粉末)與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好,盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了,受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸,高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後,會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題,高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」,說是凝膠,但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄,比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK,到這裡,「匝道」的問題解決了,接下來的問題是:這條散熱高速公路該怎麼設計?你會選擇氣冷、水冷,還是更先進的浸沒式散熱呢?

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液冷與 3D VC 散熱技術:未來高效散熱方案解析

除了風扇之外,目前還有哪些方法可以幫助電腦快速散熱呢?圖/unsplash

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量,也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限,因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷,熱量在經過 TIM 後進入水冷頭,水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好,且增加的體積不大。唯一需要注意的是,萬一元件損壞,可能會因為漏液而損害其他元件,且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮,可以考慮另一種方案,「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義,就是把均溫板層層疊起來,變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板,原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」,直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中,會放入容易汽化的工作流體,當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化,當熱量被帶走,汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法,最大的特點是:導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻,不會有熱都聚集在入口(熱源處)的情況,能更有效降溫。

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整個 3DVC 的設計,是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯,能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC,就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是,工作流體移動的過程經過設計,因此不用插電,成本僅有水冷的十分之一。但相對的,因為是被動式散熱,其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC,高柏科技一直致力於不斷創新,並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積,高柏科技開發了6項專利技術,涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後,均溫板不僅保有高導熱性,還增強了結構強度,顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步,有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術,將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中,許多冷卻液會選擇沸點較低的物質,因此就像均溫板一樣,可以透過汽化來吸收掉大量的熱,形成泡泡向上浮,達到快速散熱的效果。

然而,因為水會導電,因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些,但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時,很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS,這是一種永久污染物,會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液,例如礦物油、其他油品,又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

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另外,把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等,都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證,相信很快就能推出更強大的散熱模組。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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