第二章 能量與營養(yǎng)素的生理功能

第一節(jié) 能量

人體通過攝取食物來獲得能量，以維持生命活動。人體的能量主要來源于食物中的產(chǎn)能營養(yǎng)素，包括碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)。如果人體攝入的能量不足，人體就會動用自身的能量貯備甚至消耗自身組織以維持生命活動所需的能量。長期維持能量平衡對于維持健康體重很重要。長期饑餓將導(dǎo)致生長發(fā)育遲緩、消瘦、活力消失甚至死亡；相反，長期能量攝入過剩，人體就把它們轉(zhuǎn)化成脂肪用以貯存，導(dǎo)致超重和肥胖的營養(yǎng)過剩。營養(yǎng)過剩與過早死亡相關(guān)，還與心血管疾病、糖尿病、高血壓、癌癥以及其他重要疾病的發(fā)病率升高相關(guān)。

一、能量單位和能量系數(shù)

國際上常用的能量單位是焦耳（joule，J）、千焦（kilojoule，kJ）和兆焦（megajoule，MJ）。營養(yǎng)學(xué)上常用卡（calorie，cal）和千卡（kilocalorie，kcal）作為能量單位，1kcal是指 1L純凈水從15℃升到16℃所需的能量。兩種能量單位的換算關(guān)系為：

1kcal=4.184kJ 1kJ=0.239kcal 1MJ=1 000kJ=239kcal

每克蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物在體內(nèi)氧化產(chǎn)生的能量稱為能量系數(shù)（energy coefficient）。食物中每克蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物在體外充分氧化時產(chǎn)生的能量分別是23.64kJ、39.54kJ和17.15kJ，但食物在人體內(nèi)并不能完全消化吸收，三者的消化率一般按92%、95%和98%計算。脂肪和碳水化合物在體內(nèi)可完全氧化成CO₂和H₂O，其終產(chǎn)物和產(chǎn)生的能量與在體外完全相同。但蛋白質(zhì)在體內(nèi)不能完全氧化，除終產(chǎn)物CO₂和H₂O外，還有尿素、肌酐等含氮物質(zhì)從尿中排出體外，每克蛋白質(zhì)產(chǎn)生的這些含氮物質(zhì)在體外還可產(chǎn)生5.44kJ的能量，故三種供能營養(yǎng)素的凈能量系數(shù)為：

蛋白質(zhì) 　　（23.64kJ-5.44kJ）×92%=16.74kJ（4kcal）/g

脂肪 　39.54kJ×95%=37.56kJ（9kcal）/g

碳水化合物 　17.15×98%=16.81kJ（4kcal）/g

二、人體的能量消耗

成人的能量消耗用于維持基礎(chǔ)代謝、體力活動和食物特殊動力作用。孕婦的能量消耗包括子宮、乳房、胎盤、胎兒等生長發(fā)育需要及母體體脂的儲備；乳母的能量消耗包括合成和分泌乳汁的能量需要；嬰幼兒和兒童的能量消耗根據(jù)不同成長周期及個性化存在差異；青少年時期的生長發(fā)育速度快，攝入能量存在較大差異，能量消耗因活動度不同其差異性更大。

（一）基礎(chǔ)能量消耗

1.基礎(chǔ)能量消耗（basic energy expenditure，BEE）是指維持生命基礎(chǔ)代謝消耗的能量，即人體在安靜和恒溫條件下（25～30℃），禁食12小時后，靜臥、放松、清醒時的能量消耗，用于維持體溫、呼吸、心跳、各器官組織和細(xì)胞的基本功能等。為了確定BEE，首先必須測定基礎(chǔ)代謝率（basal metabolism rate，BMR），BMR是指人體處于基礎(chǔ)代謝狀態(tài)下，每小時每平方米體表面積（或每公斤體重）的能量消耗。常用單位為kJ/（m2·h）或kJ/（kg·h）

2.影響基礎(chǔ)代謝率的因素

（1）體型與體表面積：體型影響體表面積，體表面積越大，人體向外界環(huán)境散熱越多，基礎(chǔ)代謝也越高。瘦高的人較矮胖的人體表面積相對較大，故基礎(chǔ)代謝相對也高。

（2）年齡：嬰幼兒生長發(fā)育快，BMR相對較高，隨年齡的增長逐漸下降。一般成人的BMR低于兒童，老年人低于成人。

（3）性別：男性的BMR比女性高，但女性因孕期和哺乳期生理狀況不同，其BMR增加。

（4）內(nèi)分泌激素：人體內(nèi)分泌激素很多，對細(xì)胞代謝起調(diào)節(jié)作用，當(dāng)腺體（如甲狀腺、腎上腺等）分泌異常時，可影響人體BMR。當(dāng)人體處于應(yīng)激狀態(tài)時，激素分泌量發(fā)生較大改變，均可使BMR升高。

（二）體力活動能量消耗

體力活動是影響人體能量消耗的重要因素，體力活動所消耗的能量約占人體總能量消耗的15%～30%，其中與活動時間、強度有一定相關(guān)。人體的體力活動種類繁多，根據(jù)營養(yǎng)學(xué)能量消耗水平可粗分為五個級別：①極輕體力活動指以坐姿或站立為主，如開會、開車、打字、縫紉、烹調(diào)、打牌、演奏樂器、繪畫、實驗室工作等；②輕體力活動指在平地上走動，速度在4～5km/h，如打掃衛(wèi)生，看護小孩、供電行業(yè)、木工業(yè)、酒店業(yè)、航海、打乒乓球、打高爾夫球等；③中等體力活動指快速行走（速度在5.5～6.5km/h），鋤草、負(fù)重行走、打網(wǎng)球、跳舞、滑雪、騎自行車等；④重體力活動指負(fù)重爬山、伐木、手工挖掘、打籃球、踢足球等；⑤極重體力活動指運動員的高強度訓(xùn)練或世界級比賽等。

近年來，我國營養(yǎng)學(xué)家參照WHO的建議和結(jié)合我國的具體情況，提出我國居民的活動強度由5級改為輕、中、重3級。

（三）食物的熱效應(yīng)

食物的熱效應(yīng)（thermic effect of food，TEF）過去稱為食物特殊動力作用（specific dynamic action of food，SDAF），是指因為攝食引起的能量消耗。實驗證明攝食可使能量消耗增加，不同食物增加的能量消耗各有差異，攝入碳水化合物時引起的能量消耗相當(dāng)于碳水化合物本身供能的5%～6%，脂肪為4%～5%，蛋白質(zhì)為30%。當(dāng)成人攝入一般混合膳食時，由于TEF而額外增加的能量消耗約為600kJ（150kcal），相當(dāng)于BEE的10%。

TEF形成的原因目前尚不十分清楚，可能與以下原因有關(guān)：①食物促進消化道蠕動、消化腺分泌增強、吸收增加；②食物營養(yǎng)素的能量部分轉(zhuǎn)變成ATP，剩余能量對外做功和向外界散發(fā)；③供能營養(yǎng)素能使體內(nèi)合成代謝增加，能量消耗增多。

（四）人體能量需要的確定

各類人群或個人的能量需要量與膳食結(jié)構(gòu)、能量平衡、健康水平是直接相關(guān)的。成人每日能量需要量為基礎(chǔ)代謝、體力活動能量消耗和食物特殊動力作用能量消耗的總和。此外，嬰幼兒、兒童還應(yīng)增加生長發(fā)育需要的能量，孕婦的子宮、乳房、胎盤和胎兒的生長發(fā)育和體脂的儲備均需要能量，乳母合成和分泌乳汁也需要額外的能量補充。確定人體能量消耗量的主要有：

1.直接測熱法

直接測熱法是測量總能量消耗（total energy expenditure，TEE）最準(zhǔn)確的方法。其原理是通過將受試者置于特殊的封閉隔熱裝置，直接收集測量人體一定時間內(nèi)向環(huán)境散發(fā)的所有熱量，由于裝置復(fù)雜昂貴，主要用于代謝性疾病研究，實際應(yīng)用受限。

2.要因加算法

基礎(chǔ)代謝和體力活動是影響人體能量消耗的主要因素。要因加算法根據(jù)某一人群組的BMR和該人群組的體力活動水平（physical activity level，PAL），可估量出該人群組的能量消耗量或需要量。

能量的消耗量或需要量=BEE×PAL

舉例：大學(xué)生，男，20歲，體重60kg，中體力活動，見表2-1、表2-2、表2-3，其全天的能量消耗量或需要量為：

BEE=15.057×60+692.2=1 595.6kcal/d

全天能量消耗量=BEE×PAL=1 595.6kcal/d×1.70=2 712.5kcal/d

3.能量平衡觀察法

又稱膳食觀察法。健康成人有維持能量平衡的調(diào)節(jié)機制，使能量攝取與消耗相適應(yīng)，這樣體重就保持相對穩(wěn)定。因此，準(zhǔn)確地計算一定時期內(nèi)（不少于15天）攝取的食物能量，并觀察在此時間內(nèi)體重的變化，可確定其能量消耗。當(dāng)體重保持恒定時，表示能量消耗量與攝入量相等。如體重有變化，則可按每公斤體重加減28MJ（6.7kcal）進行校正。

體重恒定：能量消耗量（MJ）=能量攝取量（MJ）

體重增加：能量消耗量（MJ）=能量攝取量（MJ）-體重增加量（kg）×28MJ/觀察天數(shù)

體重減少：能量消耗量（MJ）=能量攝取量（MJ）+體重減少量（kg）×28MJ/觀察天數(shù)

此法簡單易行，但比較粗糙，需對所得結(jié)果作具體分析。

4.身體活動記錄法

身體活動記錄法又稱生活觀察法。它是通過詳細(xì)記錄測量對象一天中各種活動的時間，然后按每種活動的能量消耗率計算出全天的能量消耗量。各種活動的能量消耗率可參考國內(nèi)外的測量資料。

三、能量與膳食營養(yǎng)素參考攝入量

人體的能量來自三大產(chǎn)能營養(yǎng)素，其在總能量供給中應(yīng)有恰當(dāng)?shù)谋壤８鶕?jù)中國居民的飲食習(xí)慣和不同年齡人群合理營養(yǎng)的要求，原則上碳水化合物應(yīng)占總能量攝入量的55%～65%，脂肪占20%～30%，蛋白質(zhì)占12%～15%。能量和其他營養(yǎng)素不同，目前人類沒有一個安全的攝入范圍。人群能量的推薦攝入量等于人群的平均需要量。不同人群的能量推薦攝入量可參考中國營養(yǎng)學(xué)會制定的《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量》。

1955年，中國開始制定每日膳食中營養(yǎng)素供給量（RDA）來表示建議的營養(yǎng)素攝入水平，作為人類膳食的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計以及評價群體膳食的依據(jù)，同時也是制訂食物發(fā)展計劃和指導(dǎo)食品加工的重要參考。

隨著社會發(fā)展和科學(xué)研究的深入，自20世紀(jì)90年代以來，國際上逐漸開展了關(guān)于RDA的特性和應(yīng)用性的討論與研究。國外營養(yǎng)學(xué)界發(fā)展RDA應(yīng)用范圍，從而形成了系列的膳食營養(yǎng)素參考攝入量（dietary reference intakes，DRIs）。

能量與蛋白質(zhì)和其他營養(yǎng)素不同，目前人類沒有一個安全的攝入范圍。人群能量的推薦攝入量等于人群的平均需要量。膳食營養(yǎng)素參考攝入量在健康人群中的應(yīng)用見表2-4。

膳食營養(yǎng)素參考攝入量（DRIs）是在建議每日食物補充（RDAs）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一組每日平均膳食營養(yǎng)素攝入量的參考值。它包括了四項內(nèi)容：平均攝入量、推薦攝入量、適宜攝入量和可耐受最高攝入量。

1.平均攝入量（estimated average requirement, EAR）

EAR 是某一特定性別、年齡及生理狀況群體中對某營養(yǎng)素需要量的平均值。攝入量達到EAR水平時可以滿足群體中半數(shù)個體的需要，而不能滿足另外半數(shù)個體對該營養(yǎng)素的需要。

2.推薦攝入量（recommended nutrient intake, RNI）

RNI相當(dāng)于傳統(tǒng)使用的 RDA，是可以滿足某一特定性別、年齡及生理狀況群體中絕大多數(shù)（97%～98%）個體的需要。長期攝入RNI水平，可以維持組織中有適當(dāng)?shù)膬洹?/p>

3.適宜攝入量（adequate intake, AI）

AI是通過觀察或?qū)嶒灚@得的健康人群某種營養(yǎng)素的攝入量。例如純母乳喂養(yǎng)的足月產(chǎn)健康嬰兒，從出生到4～6個月，他們的營養(yǎng)素全部來自母乳，故母乳中的營養(yǎng)素含量就是嬰兒的AI。

AI和RNI的相似之處：兩者都能滿足目標(biāo)人群中幾乎所有個體的需要。AI和RNI的區(qū)別在于AI的準(zhǔn)確性遠不如RNI，可能高于RNI。

4.可耐受最高攝入量（tolerable upper intake level, UL）

UL是平均每日可以攝入某營養(yǎng)素的最高量。這個量對一般人群中的幾乎所有個體都不至于損害健康。如果某營養(yǎng)素的毒副反應(yīng)與攝入總量有關(guān)，則該營養(yǎng)素的UL是依據(jù)食物、飲水及補充劑提供的總量而定。如果毒副反應(yīng)僅與強化食物和補充劑有關(guān)，則UL依據(jù)這些來源來制定。

膳食營養(yǎng)素參考攝入量是營養(yǎng)學(xué)專業(yè)應(yīng)用廣泛的基本知識。上述介紹的內(nèi)容僅是最基礎(chǔ)的概念，但是，它可以應(yīng)用于人類的各種人群，如兒童、青少年、成人、中年人及老年人，特殊生理條件的人群，如孕婦、乳母的健康教育，社區(qū)人群研究及臨床疾病的研究。

（張宇律）