第二章 能量与营养素的生理功能

第一节 能量

人体通过摄取食物来获得能量，以维持生命活动。人体的能量主要来源于食物中的产能营养素，包括碳水化合物、脂肪和蛋白质。如果人体摄入的能量不足，人体就会动用自身的能量贮备甚至消耗自身组织以维持生命活动所需的能量。长期维持能量平衡对于维持健康体重很重要。长期饥饿将导致生长发育迟缓、消瘦、活力消失甚至死亡；相反，长期能量摄入过剩，人体就把它们转化成脂肪用以贮存，导致超重和肥胖的营养过剩。营养过剩与过早死亡相关，还与心血管疾病、糖尿病、高血压、癌症以及其他重要疾病的发病率升高相关。

一、能量单位和能量系数

国际上常用的能量单位是焦耳（joule，J）、千焦（kilojoule，kJ）和兆焦（megajoule，MJ）。营养学上常用卡（calorie，cal）和千卡（kilocalorie，kcal）作为能量单位，1kcal是指 1L纯净水从15℃升到16℃所需的能量。两种能量单位的换算关系为：

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

每克蛋白质、脂肪、碳水化合物在体内氧化产生的能量称为能量系数（energy coefficient）。食物中每克蛋白质、脂肪和碳水化合物在体外充分氧化时产生的能量分别是23.64kJ、39.54kJ和17.15kJ，但食物在人体内并不能完全消化吸收，三者的消化率一般按92%、95%和98%计算。脂肪和碳水化合物在体内可完全氧化成CO₂和H₂O，其终产物和产生的能量与在体外完全相同。但蛋白质在体内不能完全氧化，除终产物CO₂和H₂O外，还有尿素、肌酐等含氮物质从尿中排出体外，每克蛋白质产生的这些含氮物质在体外还可产生5.44kJ的能量，故三种供能营养素的净能量系数为：

蛋白质 　　（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、人体的能量消耗

成人的能量消耗用于维持基础代谢、体力活动和食物特殊动力作用。孕妇的能量消耗包括子宫、乳房、胎盘、胎儿等生长发育需要及母体体脂的储备；乳母的能量消耗包括合成和分泌乳汁的能量需要；婴幼儿和儿童的能量消耗根据不同成长周期及个性化存在差异；青少年时期的生长发育速度快，摄入能量存在较大差异，能量消耗因活动度不同其差异性更大。

（一）基础能量消耗

1.基础能量消耗（basic energy expenditure，BEE）是指维持生命基础代谢消耗的能量，即人体在安静和恒温条件下（25～30℃），禁食12小时后，静卧、放松、清醒时的能量消耗，用于维持体温、呼吸、心跳、各器官组织和细胞的基本功能等。为了确定BEE，首先必须测定基础代谢率（basal metabolism rate，BMR），BMR是指人体处于基础代谢状态下，每小时每平方米体表面积（或每公斤体重）的能量消耗。常用单位为kJ/（m2·h）或kJ/（kg·h）

2.影响基础代谢率的因素

（1）体型与体表面积：体型影响体表面积，体表面积越大，人体向外界环境散热越多，基础代谢也越高。瘦高的人较矮胖的人体表面积相对较大，故基础代谢相对也高。

（2）年龄：婴幼儿生长发育快，BMR相对较高，随年龄的增长逐渐下降。一般成人的BMR低于儿童，老年人低于成人。

（3）性别：男性的BMR比女性高，但女性因孕期和哺乳期生理状况不同，其BMR增加。

（4）内分泌激素：人体内分泌激素很多，对细胞代谢起调节作用，当腺体（如甲状腺、肾上腺等）分泌异常时，可影响人体BMR。当人体处于应激状态时，激素分泌量发生较大改变，均可使BMR升高。

（二）体力活动能量消耗

体力活动是影响人体能量消耗的重要因素，体力活动所消耗的能量约占人体总能量消耗的15%～30%，其中与活动时间、强度有一定相关。人体的体力活动种类繁多，根据营养学能量消耗水平可粗分为五个级别：①极轻体力活动指以坐姿或站立为主，如开会、开车、打字、缝纫、烹调、打牌、演奏乐器、绘画、实验室工作等；②轻体力活动指在平地上走动，速度在4～5km/h，如打扫卫生，看护小孩、供电行业、木工业、酒店业、航海、打乒乓球、打高尔夫球等；③中等体力活动指快速行走（速度在5.5～6.5km/h），锄草、负重行走、打网球、跳舞、滑雪、骑自行车等；④重体力活动指负重爬山、伐木、手工挖掘、打篮球、踢足球等；⑤极重体力活动指运动员的高强度训练或世界级比赛等。

近年来，我国营养学家参照WHO的建议和结合我国的具体情况，提出我国居民的活动强度由5级改为轻、中、重3级。

（三）食物的热效应

食物的热效应（thermic effect of food，TEF）过去称为食物特殊动力作用（specific dynamic action of food，SDAF），是指因为摄食引起的能量消耗。实验证明摄食可使能量消耗增加，不同食物增加的能量消耗各有差异，摄入碳水化合物时引起的能量消耗相当于碳水化合物本身供能的5%～6%，脂肪为4%～5%，蛋白质为30%。当成人摄入一般混合膳食时，由于TEF而额外增加的能量消耗约为600kJ（150kcal），相当于BEE的10%。

TEF形成的原因目前尚不十分清楚，可能与以下原因有关：①食物促进消化道蠕动、消化腺分泌增强、吸收增加；②食物营养素的能量部分转变成ATP，剩余能量对外做功和向外界散发；③供能营养素能使体内合成代谢增加，能量消耗增多。

（四）人体能量需要的确定

各类人群或个人的能量需要量与膳食结构、能量平衡、健康水平是直接相关的。成人每日能量需要量为基础代谢、体力活动能量消耗和食物特殊动力作用能量消耗的总和。此外，婴幼儿、儿童还应增加生长发育需要的能量，孕妇的子宫、乳房、胎盘和胎儿的生长发育和体脂的储备均需要能量，乳母合成和分泌乳汁也需要额外的能量补充。确定人体能量消耗量的主要有：

1.直接测热法

直接测热法是测量总能量消耗（total energy expenditure，TEE）最准确的方法。其原理是通过将受试者置于特殊的封闭隔热装置，直接收集测量人体一定时间内向环境散发的所有热量，由于装置复杂昂贵，主要用于代谢性疾病研究，实际应用受限。

2.要因加算法

基础代谢和体力活动是影响人体能量消耗的主要因素。要因加算法根据某一人群组的BMR和该人群组的体力活动水平（physical activity level，PAL），可估量出该人群组的能量消耗量或需要量。

能量的消耗量或需要量=BEE×PAL

举例：大学生，男，20岁，体重60kg，中体力活动，见表2-1、表2-2、表2-3，其全天的能量消耗量或需要量为：

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.能量平衡观察法

又称膳食观察法。健康成人有维持能量平衡的调节机制，使能量摄取与消耗相适应，这样体重就保持相对稳定。因此，准确地计算一定时期内（不少于15天）摄取的食物能量，并观察在此时间内体重的变化，可确定其能量消耗。当体重保持恒定时，表示能量消耗量与摄入量相等。如体重有变化，则可按每公斤体重加减28MJ（6.7kcal）进行校正。

体重恒定：能量消耗量（MJ）=能量摄取量（MJ）

体重增加：能量消耗量（MJ）=能量摄取量（MJ）-体重增加量（kg）×28MJ/观察天数

体重减少：能量消耗量（MJ）=能量摄取量（MJ）+体重减少量（kg）×28MJ/观察天数

此法简单易行，但比较粗糙，需对所得结果作具体分析。

4.身体活动记录法

身体活动记录法又称生活观察法。它是通过详细记录测量对象一天中各种活动的时间，然后按每种活动的能量消耗率计算出全天的能量消耗量。各种活动的能量消耗率可参考国内外的测量资料。

三、能量与膳食营养素参考摄入量

人体的能量来自三大产能营养素，其在总能量供给中应有恰当的比例。根据中国居民的饮食习惯和不同年龄人群合理营养的要求，原则上碳水化合物应占总能量摄入量的55%～65%，脂肪占20%～30%，蛋白质占12%～15%。能量和其他营养素不同，目前人类没有一个安全的摄入范围。人群能量的推荐摄入量等于人群的平均需要量。不同人群的能量推荐摄入量可参考中国营养学会制定的《中国居民膳食营养素参考摄入量》。

1955年，中国开始制定每日膳食中营养素供给量（RDA）来表示建议的营养素摄入水平，作为人类膳食的质量标准和设计以及评价群体膳食的依据，同时也是制订食物发展计划和指导食品加工的重要参考。

随着社会发展和科学研究的深入，自20世纪90年代以来，国际上逐渐开展了关于RDA的特性和应用性的讨论与研究。国外营养学界发展RDA应用范围，从而形成了系列的膳食营养素参考摄入量（dietary reference intakes，DRIs）。

能量与蛋白质和其他营养素不同，目前人类没有一个安全的摄入范围。人群能量的推荐摄入量等于人群的平均需要量。膳食营养素参考摄入量在健康人群中的应用见表2-4。

膳食营养素参考摄入量（DRIs）是在建议每日食物补充（RDAs）基础上发展起来的一组每日平均膳食营养素摄入量的参考值。它包括了四项内容：平均摄入量、推荐摄入量、适宜摄入量和可耐受最高摄入量。

1.平均摄入量（estimated average requirement, EAR）

EAR 是某一特定性别、年龄及生理状况群体中对某营养素需要量的平均值。摄入量达到EAR水平时可以满足群体中半数个体的需要，而不能满足另外半数个体对该营养素的需要。

2.推荐摄入量（recommended nutrient intake, RNI）

RNI相当于传统使用的 RDA，是可以满足某一特定性别、年龄及生理状况群体中绝大多数（97%～98%）个体的需要。长期摄入RNI水平，可以维持组织中有适当的储备。

3.适宜摄入量（adequate intake, AI）

AI是通过观察或实验获得的健康人群某种营养素的摄入量。例如纯母乳喂养的足月产健康婴儿，从出生到4～6个月，他们的营养素全部来自母乳，故母乳中的营养素含量就是婴儿的AI。

AI和RNI的相似之处：两者都能满足目标人群中几乎所有个体的需要。AI和RNI的区别在于AI的准确性远不如RNI，可能高于RNI。

4.可耐受最高摄入量（tolerable upper intake level, UL）

UL是平均每日可以摄入某营养素的最高量。这个量对一般人群中的几乎所有个体都不至于损害健康。如果某营养素的毒副反应与摄入总量有关，则该营养素的UL是依据食物、饮水及补充剂提供的总量而定。如果毒副反应仅与强化食物和补充剂有关，则UL依据这些来源来制定。

膳食营养素参考摄入量是营养学专业应用广泛的基本知识。上述介绍的内容仅是最基础的概念，但是，它可以应用于人类的各种人群，如儿童、青少年、成人、中年人及老年人，特殊生理条件的人群，如孕妇、乳母的健康教育，社区人群研究及临床疾病的研究。

（张宇律）