第二章 能量與營(yíng)養(yǎng)素的生理功能

第一節(jié) 能量

人體通過(guò)攝取食物來(lái)獲得能量，以維持生命活動(dòng)。人體的能量主要來(lái)源于食物中的產(chǎn)能營(yíng)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(huì)動(dòng)用自身的能量貯備甚至消耗自身組織以維持生命活動(dòng)所需的能量。長(zhǎng)期維持能量平衡對(duì)于維持健康體重很重要。長(zhǎng)期饑餓將導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、消瘦、活力消失甚至死亡；相反，長(zhǎng)期能量攝入過(guò)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(yíng)養(yǎng)過(guò)剩。營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩與過(guò)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(guó)際上常用的能量單位是焦耳（joule，J）、千焦（kilojoule，kJ）和兆焦（megajoule，MJ）。營(yíng)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(shí)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(jì)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(yíng)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(dòng)和食物特殊動(dòng)力作用。孕婦的能量消耗包括子宮、乳房、胎盤(pán)、胎兒等生長(zhǎng)發(fā)育需要及母體體脂的儲(chǔ)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(zhǎng)周期及個(gè)性化存在差異；青少年時(shí)期的生長(zhǎng)發(fā)育速度快，攝入能量存在較大差異，能量消耗因活動(dòng)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(shí)后，靜臥、放松、清醒時(shí)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(cè)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(shí)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(duì)較大，故基礎(chǔ)代謝相對(duì)也高。

（2）年齡：嬰幼兒生長(zhǎng)發(fā)育快，BMR相對(duì)較高，隨年齡的增長(zhǎng)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(duì)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(shí)，可影響人體BMR。當(dāng)人體處于應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，激素分泌量發(fā)生較大改變，均可使BMR升高。

（二）體力活動(dòng)能量消耗

體力活動(dòng)是影響人體能量消耗的重要因素，體力活動(dòng)所消耗的能量約占人體總能量消耗的15%～30%，其中與活動(dòng)時(shí)間、強(qiáng)度有一定相關(guān)。人體的體力活動(dòng)種類繁多，根據(jù)營(yíng)養(yǎng)學(xué)能量消耗水平可粗分為五個(gè)級(jí)別：①極輕體力活動(dòng)指以坐姿或站立為主，如開(kāi)會(huì)、開(kāi)車(chē)、打字、縫紉、烹調(diào)、打牌、演奏樂(lè)器、繪畫(huà)、實(shí)驗(yàn)室工作等；②輕體力活動(dòng)指在平地上走動(dòng)，速度在4～5km/h，如打掃衛(wèi)生，看護(hù)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(dòng)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(chē)等；④重體力活動(dòng)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(dòng)指運(yùn)動(dòng)員的高強(qiáng)度訓(xùn)練或世界級(jí)比賽等。

近年來(lái)，我國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)家參照WHO的建議和結(jié)合我國(guó)的具體情況，提出我國(guó)居民的活動(dòng)強(qiáng)度由5級(jí)改為輕、中、重3級(jí)。

（三）食物的熱效應(yīng)

食物的熱效應(yīng)（thermic effect of food，TEF）過(guò)去稱為食物特殊動(dòng)力作用（specific dynamic action of food，SDAF），是指因?yàn)閿z食引起的能量消耗。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)，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(jìn)消化道蠕動(dòng)、消化腺分泌增強(qiáng)、吸收增加；②食物營(yíng)養(yǎng)素的能量部分轉(zhuǎn)變成ATP，剩余能量對(duì)外做功和向外界散發(fā)；③供能營(yíng)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(gè)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(dòng)能量消耗和食物特殊動(dòng)力作用能量消耗的總和。此外，嬰幼兒、兒童還應(yīng)增加生長(zhǎng)發(fā)育需要的能量，孕婦的子宮、乳房、胎盤(pán)和胎兒的生長(zhǎng)發(fā)育和體脂的儲(chǔ)備均需要能量，乳母合成和分泌乳汁也需要額外的能量補(bǔ)充。確定人體能量消耗量的主要有：

1.直接測(cè)熱法

直接測(cè)熱法是測(cè)量總能量消耗（total energy expenditure，TEE）最準(zhǔn)確的方法。其原理是通過(guò)將受試者置于特殊的封閉隔熱裝置，直接收集測(cè)量人體一定時(shí)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(shí)際應(yīng)用受限。

2.要因加算法

基礎(chǔ)代謝和體力活動(dòng)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(dòng)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(dòng)，見(jiàn)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(jī)制，使能量攝取與消耗相適應(yīng)，這樣體重就保持相對(duì)穩(wěn)定。因此，準(zhǔn)確地計(jì)算一定時(shí)期內(nèi)（不少于15天）攝取的食物能量，并觀察在此時(shí)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(shí)，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(jìn)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(jiǎn)單易行，但比較粗糙，需對(duì)所得結(jié)果作具體分析。

4.身體活動(dòng)記錄法

身體活動(dòng)記錄法又稱生活觀察法。它是通過(guò)詳細(xì)記錄測(cè)量對(duì)象一天中各種活動(dòng)的時(shí)間，然后按每種活動(dòng)的能量消耗率計(jì)算出全天的能量消耗量。各種活動(dòng)的能量消耗率可參考國(guó)內(nèi)外的測(cè)量資料。

三、能量與膳食營(yíng)養(yǎng)素參考攝入量

人體的能量來(lái)自三大產(chǎn)能營(yíng)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(guó)居民的飲食習(xí)慣和不同年齡人群合理營(yíng)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(yíng)養(yǎng)素不同，目前人類沒(méi)有一個(gè)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(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)制定的《中國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)素參考攝入量》。

1955年，中國(guó)開(kāi)始制定每日膳食中營(yíng)養(yǎng)素供給量（RDA）來(lái)表示建議的營(yíng)養(yǎng)素?cái)z入水平，作為人類膳食的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)以及評(píng)價(jià)群體膳食的依據(jù)，同時(shí)也是制訂食物發(fā)展計(jì)劃和指導(dǎo)食品加工的重要參考。

隨著社會(huì)發(fā)展和科學(xué)研究的深入，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)際上逐漸開(kāi)展了關(guān)于RDA的特性和應(yīng)用性的討論與研究。國(guó)外營(yíng)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(yíng)養(yǎng)素參考攝入量（dietary reference intakes，DRIs）。

能量與蛋白質(zhì)和其他營(yíng)養(yǎng)素不同，目前人類沒(méi)有一個(gè)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(yíng)養(yǎng)素參考攝入量在健康人群中的應(yīng)用見(jiàn)表2-4。

膳食營(yíng)養(yǎng)素參考攝入量（DRIs）是在建議每日食物補(bǔ)充（RDAs）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一組每日平均膳食營(yíng)養(yǎng)素?cái)z入量的參考值。它包括了四項(xiàng)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(duì)某營(yíng)養(yǎng)素需要量的平均值。攝入量達(dá)到EAR水平時(shí)可以滿足群體中半數(shù)個(gè)體的需要，而不能滿足另外半數(shù)個(gè)體對(duì)該營(yíng)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(gè)體的需要。長(zhǎng)期攝入RNI水平，可以維持組織中有適當(dāng)?shù)膬?chǔ)備。

3.適宜攝入量（adequate intake, AI）

AI是通過(guò)觀察或?qū)嶒?yàn)獲得的健康人群某種營(yíng)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(gè)月，他們的營(yíng)養(yǎng)素全部來(lái)自母乳，故母乳中的營(yíng)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(gè)體的需要。AI和RNI的區(qū)別在于AI的準(zhǔn)確性遠(yuǎn)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(yíng)養(yǎng)素的最高量。這個(gè)量對(duì)一般人群中的幾乎所有個(gè)體都不至于損害健康。如果某營(yíng)養(yǎng)素的毒副反應(yīng)與攝入總量有關(guān)，則該營(yíng)養(yǎng)素的UL是依據(jù)食物、飲水及補(bǔ)充劑提供的總量而定。如果毒副反應(yīng)僅與強(qiáng)化食物和補(bǔ)充劑有關(guān)，則UL依據(jù)這些來(lái)源來(lái)制定。

膳食營(yíng)養(yǎng)素參考攝入量是營(yíng)養(yǎng)學(xué)專業(yè)應(yīng)用廣泛的基本知識(shí)。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?xiàng)l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）