人類營養學基礎/營養科學
營養科學是研究食物如何從生理層面上影響人類和動物的學科。營養是維持生物體和細胞生命所必需的。它考察了食物在體內的加工、反應和利用過程。營養與食物如何遵循某些生化序列和轉化——代謝及其各種途徑密切相關。透過這些研究，研究人員也可以瞭解某些疾病和狀況是如何由個人的飲食習慣造成的。瞭解營養科學很重要，因為營養是所有生命過程的核心。研究營養的人被稱為營養學家。這有時可以與營養師互換，但需要注意的是它們並不相同。營養學是解釋和展示營養科學，使人們能夠在健康和疾病狀態下做出關於個人生活方式和食物的明智理性選擇。
營養科學解答以下問題：
- 改變飲食如何幫助患有疾病的人？
- 食物如何促進身體的日常功能和機制？
- 什麼是健康的飲食？
- 一個人每天需要攝入多少礦物質、維生素和宏量營養素？
有三個因素促成了對必需營養素的理解：疾病如何與人的飲食相關聯，動物模型如何被用來確定飲食的一部分並將其與疾病症狀聯絡起來，以及開發實驗性飲食以調查缺乏症狀。
流行病學研究的是疾病在不同人群中發生的頻率及其發生的原因。進行流行病學研究是為了制定策略，防止和管理這些疾病，並幫助已經患病的人。流行病學研究的一個重要因素是它如何衡量疾病結局與風險人群的關係。風險人群被定義為一組人，無論健康還是生病，如果他們患有正在研究的疾病，則會被考慮在內。
流行病學研究的是疾病如何在不同人群中傳播以及如何利用健康模式控制疾病。因此，流行病學研究是在選定的人群中進行的，以使研究人員能夠研究和學習如何控制疾病。這些研究通常被認為會產生假設，因為它們收集資料，但實際上並沒有測試某些物件，而是觀察它們，並且不能證明因果關係。研究人員觀察每個群體，除了詢問問題或進行簡單的實驗室測試來收集資料外，沒有其他干預（Pearce, 2012）。根據事件是回顧性還是前瞻性，它們被分為兩大類（“流行病學”，1993），這類研究中最常見的是佇列研究、病例對照研究和橫斷面研究，研究人員根據自己的目標和約束條件（如時間或成本）決定要使用哪種研究型別。佇列研究比較具有不同暴露的人群，研究人員感興趣的是觀察該疾病的可能性是否隨著暴露量的增加而增加（Spears，未註明日期）。這種研究方法的一個優點是，它是在很長一段時間內進行的，並要求人們記錄他們的日常活動，因此這些資料也可以用來研究其他型別的疾病。除此之外，還可以驗證疾病的存在。然而，一個缺點是，為了找出暴露量和患病風險之間是否存在真正的相關性，需要有大量參與者願意在很長一段時間內繼續參加研究，並且這種研究的成本將是最昂貴的。第二種常見的型別是病例對照研究。在這些研究中，研究人員正在比較有病和沒有病的人的資料。當研究罕見疾病時，這些研究很好，因為它們成本低廉，而且完成時間不長。另一方面，研究人員回憶的可靠性非常低，而且很難實際比較受試者的不同資料。橫斷面研究比較一小群人的資料，並關注在某個時間點進行的觀察（Spears，未註明日期）。這些研究相對便宜，完成時間不長，但由於資料只採集一次，因此無法揭示事件的順序。橫斷面研究的一個例子是比較兩個不同地方某一特定疾病的發生率。
在流行病學研究過程中，會詢問個人有關他們現在和過去飲食史的資訊。流行病學研究也可能測量血液或尿液中維生素或礦物質等物質的水平，並試圖將這些水平與飲食或健康聯絡起來。流行病學研究的主要優勢在於它能夠長時間觀察大批人群。可以包括來自多個地區或多個國家的人。可以研究不同年齡、性別和種族的人。流行病學研究觀察人，因此這些研究的結果可以直接應用於人類，而不必從細胞或動物身上推斷出來。另一方面，流行病學研究存在侷限性，特別是那些基於人們對飲食描述的研究。科學家可以使用各種工具來收集這些資訊，但所有工具都有一些侷限性。它們都依賴於受試者準確描述他們的飲食。從這些型別研究中找到結果可能很困難，因為受試者很難完全描述他們所吃過的所有東西以及確切的質量。在處理流行病學研究時，科學家可以使用各種型別。
病例對照研究：這類研究觀察兩組人群的特徵。將實驗組（已經患有某種健康狀況的人群）與對照組（沒有患有這種健康狀況的類似人群）進行比較。雖然病例對照研究可以快速且相對便宜地完成，但它們並不適合研究飲食，因為它們收集的是過去的資訊。患病者往往對過去的行為的回憶與未患病者不同。這使得這類研究在收集的資訊中存在潛在的不準確性和偏差。
佇列研究：這類研究對一大群人進行長期追蹤。研究人員定期收集研究人群中各種膳食變數的資訊。當經過一定時間後，記錄該組人群的特徵，以檢驗實驗假設的有效性。雖然佇列研究耗時且昂貴，但它們通常比病例對照研究提供更可靠的資訊，因為它們不依賴於過去的資訊。佇列研究在任何人患上正在研究的疾病之前，一直收集資訊。總體而言，這類研究為闡明生活方式因素與疾病之間的關係提供了寶貴的資訊。
隨機試驗：這類研究類似於佇列研究，因為它們都會對一群人進行長期追蹤。然而，在隨機試驗中，研究人員會進行干預，以觀察特定的行為改變或治療（例如）對健康結果的影響。之所以被稱為“隨機試驗”，是因為研究人群被隨機分配到接受或不接受干預的組別。這種隨機化有助於研究人員確定干預對健康結果的真實影響。然而，隨機試驗也有缺點，特別是在飲食方面。雖然它們很適合研究維生素補充劑和癌症等主題，但當飲食改變比服用維生素藥片更復雜時，參與者就難以堅持規定的飲食。這種複雜的干預也可能變得非常昂貴。
細胞是生命的基本單位，是人體內最小的組成部分。這些人體細胞不斷地相互交流，對環境以及從人體五官接收到的訊號做出反應。如果細胞無法有效地運作，細胞組成的組織和器官的功能將會受損。結果，一個人可能會經歷身體機能下降以及一系列健康狀況和疾病。透過保持人體細胞的充足營養，個人也將獲得充足的營養。
在實驗室中分析細胞，以檢測疾病的存在並瞭解疾病如何積極地影響細胞。可以透過尿液、血液以及從器官表面刮取樣本的方式收集細胞。進行細胞研究是為了根據細胞的外觀和特徵觀察細胞型別。對細胞的研究，包括它們的起源、功能和結構，被稱為細胞學。對細胞的分析被稱為細胞病理學。
動物研究透過對人類以外物種的實驗，極大地促進了我們目前對代謝和營養的認識；這些實驗預測了人類生理可能發生的情況。動物研究已被用來解決營養 x 營養素相互作用、營養素及其前體的生物利用度以及營養素耐受性和毒性水平等問題。
在動物實驗之前，人們已經開始瞭解某些食物及其成分如何影響健康。例如，19 世紀的海員中出現了壞血病，人們發現壞血病是由缺乏含有柑橘類水果（如酸橙）的食物引起的（Baker 2008）。營養學家更進一步，透過動物研究來了解礦物質、維生素和宏量營養素如何導致疾病、缺乏症和毒性。David H. Baker 的期刊解釋並舉例說明了營養學家如何利用動物來了解營養元素。
這些研究中使用的動物型別通常是老鼠、豬、狗、貓、農場動物、兔子和靈長類動物。動物實驗被視為在不傷害人類的情況下取得醫學進步的一種方式。狗被用於動物模型，幫助理解胰腺和胰島素的作用，以及如何透過缺乏特定食物而導致糙皮病。然而，這些實驗可能會產生錯誤的資料，因為實驗的影響會導致特定物種產生不同的結果（Baker 2008）。在一個實驗中，使用老鼠、小雞、狗、貓和豬來觀察氨基酸如何相互產生負面影響（Baker, 2008）。在該實驗中，賴氨酸影響了小雞和狗的精氨酸，但沒有影響豬和貓，這就引出一個問題，人類是否也會出現同樣的情況（Baker 2008）？
動物福利法 動物研究經常是一個有爭議的話題；人們總是擔心動物的福利。在美國，可以放心的是，政府已經考慮到了這一點；有法律和法規來保護動物的福利。動物福利法是一項法律，旨在保護動物免受虐待，併為動物的住房和照顧制定最低要求（動物福利法，2015）。動物不僅用於人類的利益，也用於改善它們未來的生活。在動物研究中，科學家們更多地瞭解了該物種，這導致了動物照護方面的進步。
益處和優勢 動物研究有很多益處，其中一些包括在大多數國家消除營養缺乏症。隨著科技的進步以及動物研究的實用性，這將有助於我們瞭解飲食對疾病、繁殖、腦功能，甚至壽命的影響。動物研究在一般意義上也有益處：對更大規模的群體研究更經濟、易於控制和監測膳食消費和生活條件、較短的壽命提高了發育、壽命或多代研究的實用性和效率、受控繁殖減少了生物變異性。當然，最明顯的優勢是這對人類更安全，但由於動物福利法，這也要求對動物採取合乎道德的做法。
程式 科學家不會隨便選擇任何動物進行研究。特別是對於營養研究，科學家會投入大量精力來戰略性地選擇動物模型（Baker, 2003）。科學家需要他們的動物模型的飲食、營養素代謝和需求與人類相似，以便研究結果適用於人類營養。例如，人類對維生素 C 有著罕見的需要。對於維生素 C 的研究，科學家通常選擇也具有這種罕見需求的豚鼠。在大多數情況下，老鼠是人類營養研究的首選動物模型。老鼠與人類一樣是雜食性動物，這使得它們更適合營養研究（Macrae, 1993）。
應用 大多數維生素實際上都是透過動物研究發現的，僅僅是透過改變動物的飲食。營養學中的動物研究預防了由於缺乏症引起的疾病，甚至消除了某些食物製備方法。例如，氮三氯化物漂白劑曾被用於漂白麵粉，但在無意中發現它會導致狗、貓、雪貂和兔子出現歇斯底里後，就被禁止用於人類消費。動物模型導致了胃液、必需氨基酸的發現，並使缺乏症疾病和症狀與缺乏的維生素相匹配（Macrae, 1993）。
人類研究是為了測試特定治療方法的安全性
分析研究資料使研究人員能夠回答有關特定疾病或狀況的問題 - 例如其分佈、可能的病因和相關性以及相關問題。這使得建立和監控可能改善這種情況的特定程式成為可能。
資料分析的動機
利用為人類科學發展而來的統計方法進行資料分析，是得出關於人類營養試驗和其他營養研究活動結論的關鍵步驟。只要實驗和資料收集以相同的方式進行，經過適當進行的統計分析就能以有意義且無偏見的方式總結收集到的資料。
在營養科學領域，資料分析的最終產物被用來定量地理解營養素及其與人體的相互作用。這些資訊被用來為重要的營養指南、建議和安全食用量制定公共衛生政策。在釋出2015年美國膳食指南時，美國衛生與公眾服務部 (HHS) 和美國農業部 (USDA) 收到了膳食指南諮詢委員會的建議，該委員會利用統計分析整理了許多科學期刊 (USDOH, 2015)。
資料分析的基本類別
任何學科（經濟學、流行病學、社會學等）中的資料分析都屬於兩個基本類別：描述性統計和推論統計。
描述性統計
描述性統計旨在以有意義的方式總結收集到的資料。描述性分析揭示了關於收集資料的某些屬性和特徵，但不會推斷或預測如果在不同環境和不同條件下進行實驗的趨勢。諸如集中趨勢（平均值和中位數）、資料模式（眾數）、離散度量（方差、標準差）、分佈特性（正態、均勻、伽馬）等屬性，為研究人員提供了對資料重要特性的初步見解。這也為研究人員提供了一個機會，可以發現數據收集過程中的錯誤或用於收集資料的研究方法中的偏差。
推論統計
推論統計也被稱為預測統計，它利用從樣本（一小部分人）中收集的資料來對整個相關人群進行預測或推斷。推論統計也用於確定事件是純粹隨機發生的，還是可能由先前的事件引起（相關）。
假設檢驗、引數估計和置信區間估計都是推論統計方法的例子。在假設檢驗中，營養研究人員可能會使用統計檢驗來確定對A組（稱為治療組）進行的治療是否與對另一組（對照組）B組進行的安慰劑有顯著差異。顯著差異或統計顯著意味著假設檢驗排除了治療對A組的影響與安慰劑對B組的影響相同的概念。通俗地說，治療在統計學上是有效的。重要的是要理解，統計顯著的結果並不一定意味著治療對任何人群的實際影響有所不同。請參閱資料分析的弊端。
資料分析的弊端和挑戰
實驗和流行病學分析從來都不完美。在營養科學領域，對研究和資料收集施加了許多內在的道德、法律和後勤限制。當統計資料被用來證明有問題的或不道德的原因時，會出現其他問題，例如證明一種藥物或治療方法是有效的，而實際上並非如此。當使用錯誤的統計工具，或這些工具被缺乏統計分析經驗的人使用時，還會出現其他問題。還有許多其他問題和挑戰出現，因此這份清單並非詳盡無遺。
有偏樣本
如果用來進行描述和推斷的樣本不能代表相關人群，那麼嚴格和正確的使用統計工具將是徒勞的。這種偏差可能是有意或無意的。有時，法律或道德方面的考慮會阻止研究人員正確地組成樣本。
錯誤使用統計工具，或使用錯誤的工具
統計學中有很多工具，根據不同的情況，它們有更有效的對應工具。有一些工具用於糾正對通常比平時小的樣本量進行推斷的問題，還有一些工具用於對不符合正態分佈的資料進行推斷等等。缺乏經驗或謹慎通常會導致錯誤的，往往是誤導性的預測。
缺失資料和資料替換
在流行病學和實驗研究中，幾乎可以肯定的是，有些資料不適合收集或測量。有時，代理變數將被用作缺失資料的替代品。例如，考試成績可能被用來代替智商分數。但是，如果研究人員在代理變數的選擇上不夠謹慎，他們可能會扭曲資料 (Hall, 2004)。
參考文獻
膳食指南。（2015 年）。檢索於 2015 年 12 月 2 日，來自 http://health.gov/dietaryguidelines/
Hall, B. (2004 年 5 月 11 日)。關於測量誤差和代理變數的說明。檢索於 2015 年 12 月 2 日，來自 https://eml.berkeley.edu/~bhhall/papers/BHH04_measerr.pdf