互动科普

生物体的生命活动是通过新陈代谢和能量转化完成的，具体来说，就是通过食物的摄入和排泄，这些过程都伴随着能量的获取和释放，利用这些原材料和能量去完成生物体的生存、活动、功能及协调。若能量代谢失去平衡，机体的正常生理活动将会被打乱或受到阻碍，如机体有富余能量时，能量就会以脂肪形式储存于体内，使人体变得肥胖，反之，当能量不足时，机体逐渐消瘦，最终引发疾病。能量的平衡是维持机体正常活动的基础。

提供能量的营养素

根据中华人民共和国国务院1984年3月3日颁布的法令，能量以焦耳(joule，J)为单位，为了方便，日常用单位以千焦耳(kJ)或兆焦耳(MJ)计。1焦耳的定义为用1牛顿的力使1kg物质移动1m所消耗的能量，1焦耳的1000倍称1千焦耳，1焦耳的10⁶倍称1兆焦耳。此外，营养学中亦常用卡路里(cal)来计算能量，1cal=4.187J，1千卡(kcal)的定义为使1000g纯水从15oC上升至 16oC所需的能量。

能量来源

能量主要来源于三大营养素：糖类、脂肪和蛋白质。它们在体内被氧化消耗过程中，可释放出大量的能量供机体利用。

糖类在体外充分燃烧，彻底氧化成水和二氧化碳时，产生能量为17.22kJ/g(4.1kcal)。称之为糖类的粗热价，曾称粗卡价。糖类消化吸收率为98%。在生理研究中，糖类供给能量在进行校正后为17.22kJ×98%=16.88kJ/g(4.0kcal)。进行校正后的糖类供给的能量称之为生理热价。糖类是体内的主要供能物质，可以供给人体所需能量的70%。尤其是脑组织，其正常功能运行所需的能量主要来源就是糖类。人体虽然可以依靠其他物质供给能量，但通过进食一定数量的糖获取能量是不可取代的。糖类也是维持正常血糖水平的重要因素。

脂肪是机体储存能量的重要形式。只在特定的条件下，脂肪才会被动员，并为机体供给所需能量。脂肪在体外充分燃烧时的粗热价为39.5kJ/g(9.45kcal)，其消化吸收率为95%，其生理热价为39.5kJ×95%=37.5kJ/g(9.0kcal)。脂肪水解成脂肪酸进入血液，被运送到肝脏和肌肉组织，脂肪酸经β氧化形成乙酰辅酶 A 后，一部分进入三羧酸循环，最终彻底氧化生成水及二氧化碳，同时释放出能量；一部分还可在氧化过程中可转化成酮体，酮体随血液传送到骨骼肌和心肌中，重新形成乙酰辅酶 A，进入三羧酸循环继续氧化代谢，为其他器官组织提供能量。因此，脂肪氧化也依赖糖代谢。

蛋白质是构成机体组织的重要组成和功能基础，也可为机体提供能量。蛋白质在体内可分解成氨基酸，氨基酸再分解成非氮物质和氨基。非氮物质进入三羧酸循环被氧化利用，氨基则形成氨或尿素随尿液排出。蛋白质的粗热价为 23.65kJ/g(5.65kcal/g)，其代谢产物，如尿素、尿酸、肌酐随尿液排出。因为蛋白质的消化吸收率为 92%，所以其生理热价是23.65kJ×92%=16.75kJ/g(4.0 kcal/g)。

除此三大能量物质外，人们的膳食中，乙醇和膳食纤维也能提供能量。

人体能量消耗

人体在体内通过代谢产热而消耗能量，主要包括以下四方面。

1.基础和静息代谢的能量消耗

基础代谢是指人体晚餐后禁食至少 12h，直到第二天清醒即刻测定的能量消耗。单位时间内的基础代谢称为基础代谢率(basal metabolic rate，BMR)，它是维持细胞、组织代谢活动、血液循环和呼吸所需的能量消耗。静息代谢能量消耗(resting energy expenditure，REE)是维持身体正常活动和稳态的能量消耗，占总能量消耗的 60%～75%。REE 测得的能量消耗比基础代谢消耗稍大，这是因为 REE 是在温度适宜和安静休息状态下的能量消耗，并非在基础状态，故可能包括了前餐残余产热效应在内。美国第10版推荐的膳食中营养素供给量(recommended dietary allowances，RDA)提出，在实际工作中，BMR与REE两者之值相差小于 10%。

REE 与体内瘦组织群(leanbody mass，LBM)的测定密切相关。各机体之间由于年龄、体重、性别等差异性，REE 测定值之间会存在差异，80%系由 LBM 的差异导致。REE 通常可根据经典公式进行计算。美国第 10 版 RDA 中所采用的 REE 值均根据 WHO 发表的公式(1985)计算而得，见表 3-1。这些计算值并非十分精确，但可供膳食计划指导之用。

表3-1 根据体重推算REE的公式^a

BMR 值的测定根据仪器不同方法也有所不同，具体依据仪器说明书操作。但一般都要在测定前进行一定的准备：测定 BMR 前一夜，受检者应饮食清淡、食易消化的食物，并保证充分的睡眠，保持心情愉悦；禁止使用交感神经或中枢神经兴奋剂或抑制剂及影响甲状腺功能的药物或新陈代谢药物；测验当天尽量不做身心劳动、不洗漱、不进食、平卧，等待检测。目前，WHO 推荐采纳从体重推算 BMR 的 Schofield 简化公式(表 3-2)。

表3-2 按体重计算BMR的公式

由于种族差别，亚洲人的 BMR 比欧洲人低 10%。我国学者用 Douglas 袋法测定儿童及成人的 BMR 较 Schofield 公式推算的低，因此在推算时建议将以上表推算的结果减低5%。在 1894 年，Rubner 发现 BMR 值以体表面积计算时较恒定。

我国正常人 BMR 值，以单位体表面积表示的数值见表 3-3。

表3-3 我国人正常基础代谢率平均值

基础代谢易受到很多个体因素差异的影响，具体如下所述。

（1）体表面积：因身材大小和体表面积的不同，人体的基础代谢总量也会不同。基础代谢主要受到体重(W)及身高(H)的影响。Stevenson 曾得出我国人体表面积(A)的计算公式，但随着国人身材的变化，赵松山、胡永梅等对该公式进行了修正：

赵松山：

男性 A=0.00607H+0.0127W-0.0698；

女性 A=0.00586H+0.0126W-0.0461。

胡咏梅：

男性 A=0.0057H+0.0121W-0.0882

女性 A=0.0073H+0.0127W-0.2106；

合并 A=0.0061H+0.0124W-0.0099。

(2)年龄和性别：通常女性身体肌肉少、脂肪多，孕期或哺乳期因新组织和泌乳的生成，BMR 还会增加。婴儿时期的 BMR 最高，之后随年龄的增长而降低。

(3)甲状腺功能：甲状腺素可以增加所有细胞全部生化反应的速率，从而增加 BMR。

(4)环境温度与气候：在适宜的环境中的 BMR 最低，在过高或过低温度时BMR 都会有所增加。

(5)其他：药物导致交感神经活动的变化，最终也会影响 BMR。

2.体力活动能量消耗

体力活动消耗的能量是总能量消耗中仅次于基础代谢的一大部分。体力活动能量消耗主要是肌肉活动所需的能量消耗。目前，用“体力活动比”或“体力活动水平”来表示体力活动的能量消耗。体力活动比是每分钟测定每一种体力活动的能量消耗，按每分钟 BMR的倍数表示，或按 REE 的倍数表示。体力活动水平是 24h 总能量消耗量，按 24h BMR 的倍数表示。按体力活动比值将劳动强度分为三个程度：轻度(1.0～2.5)、中度(2.6～3.9)和重度(＞4.0)。

3.食物热效应

食物热效应(thermogenesis)指食物特殊动力作用(specific dynamic action)。食物热效应包括两个部分：一部分是必需性的，如营养素消化、吸收、代谢、储存过程中的能量消耗；另一部分是调节性的，非生理过程必需，由交感神经系统调节。例如，血浆中葡萄糖下降会抑制交感神经，进食糖类后，细胞对葡萄糖的利用直接影响交感神经系统功能；而进食脂肪会增加交感神经系统功能，脂肪代谢产物游离脂肪酸介导细胞对正肾上腺素的反应。此外，脂肪还可通过高血糖素或缩胆囊肽刺激交感神经系统的功能；食用蛋白可刺激蛋白质的合成，有效提高代谢率。

4.适应性生热作用

适应性生热作用对于能量平衡和长期体重有重要的影响。它是对环境的应激而引起的安静代谢率增加或减少，其变化范围不大，一般不超过每天总能消耗的 10%～15%。这种变化的产生与自主神经系统有关，还与一些激素如儿茶酚胺、甲状腺素和胰岛素有关。在应激状态下，机体会对代谢活动起到抑制或激活作用，如磷酸化、氧化作用，对蛋白质的利用和消耗以及离子间的运输转化也有影响。代谢适应，简言之是在能量摄入和消耗变化时，机体通过对能量传导效率的调控使体内的能量维持在稳定状态的过程。这是生物体对于营养素摄入量变化的反应，最终以达到一种稳定的平衡状态。

能量平衡、能量需要量与膳食参考摄入量

人体只有保持能量平衡才能健康正常的运行身体的各项功能，因此人体需要保持能量摄入和消耗的平衡，从而达到体内能量消长的平衡。

能量平衡的调节

能量平衡的调节是能量摄入和能量消耗两个方面的动态作用的过程。食物进入体内后一部分消化吸收供能，完成机体的一系列生命活动；另一部分不被吸收，随粪便排出体外。吸收的能量小部分从尿中排出，其余的部分通过代谢途径参与生命活动，还可合成组织，成为身体构成的重要部分和能量来源。体内能量多以脂肪形式储存，一般地，身体内以脂肪形式储存的能量相当于一天需要的 60 倍。当摄取不足时，机体会自发地将储存的能量释放，供日常活动的需要。

能量供给量及推荐摄入量

世界卫生组织(WHO)专家工作委员会对个体能量需要量(energy requirement)定义确定为：在一定的体格大小、身体组成及体力活动下，从食物中摄入的足以保持该个体能量消耗平衡，并保持长期健康，以及进行必要的社会活动所需的能量。对于特殊人群所需能量会有所变化，如儿童、孕妇及哺乳期妇女，能量需要量除基础需要量外还应补充新组织的生长和泌乳产生的需要。因此，能量需要量是针对个人而言，是以满足人体能量消耗为目的，以维持能量平衡为最理想的理论值。故作为营养学领域的能量平衡课题，需要不断根据人们的生活方式和身体状况进行调整和修订。

推荐的能量供给量(energy allowance，RDA)指群体中个体的能量需要量的平均值。1993年，美国国家研究院(National Research Council，NRC)食物与营养委员会讨论认为：膳食的能量推荐供给量应该包括平均需要量、推荐摄入量、适宜摄入量和可耐受最高摄入量。科学的推荐能量供给量可以帮助人们更好地管理身体。我国营养学会于 2000 年 4 月修订的膳食中能量推荐摄入量，见表 3-4。

表3-4 我国能量推荐摄入量

影响能量需要量的因素

影响能量消耗的因素很多，包括身材大小、年龄、机体生理状态等，但最主要是劳动强度。根据能量消耗的多少，把体力活动强度分为轻体力活动、中体力活动和重体力活动。轻体力活动人员多指实验员、老师、售货员等；中体力活动人员包括机动车驾驶员、技工、学生等；重体力活动人员如民工、装卸工、舞蹈、体育运动员等。身材大小及年龄等因素对能量消耗的影响较小，各国也有根据各自的情况设计出符合本国民众身体的每天能量供给量表。需要注意的是特殊人群，例如，孕妇及乳母，通常妊娠期间需要的能量远远高于正常人，在整个妊娠期估算大约需要 8000kcal。妊娠早期大部分能量以脂肪形式储存，为之后的哺乳合成乳汁做准备。我国建议孕妇 4～9 个月时，每天增加 200kcal，哺乳期每天增加 800kcal。

能量的食物来源

人类的能量来源于食物，食物的能量来源各有不同，合理正确的能量结构需要正确的食物搭配，才能在保证足够的能量供给的同时满足身体的健康需求。膳食中糖、脂类和蛋白质占总能量来源的比例应恰当才能保持健康，建议能量来源分别为糖类 55%～65%、脂类＜30%和蛋白质 12%～15%。

能量的摄入和消耗保持平衡才能保持人体的健康，长期过多或过少，会引起肥胖、退行性疾病、消瘦、免疫功能不全等。因此对于患者而言，适当的营养补充，对疾病的恢复是相当重要的。