營(yíng)養(yǎng)學(xué)/人體的能量平衡
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人體從食物中攝取能量以供給活動(dòng)的需要，其中包括有基礎(chǔ)代謝、勞動(dòng)代謝和食物特殊動(dòng)力作用三個(gè)面。
1.3.1 供給人體能量的營(yíng)養(yǎng)素
人體依靠糖、脂肪和蛋白質(zhì)三大營(yíng)養(yǎng)素供給能量。這三種物質(zhì)在氧化成水和CO2過(guò)程中，釋放大量的能量供機(jī)體應(yīng)用。
糖在體外充分燃燒，徹底氧化至H2O及CO2時(shí)產(chǎn)生的能量為17.22kJ.g-1，這稱為糖的粗熱價(jià)。糖的消化吸收率為98%，在生理研究中，糖的供熱量在進(jìn)行校正后以16.80kJ.g-1進(jìn)行計(jì)算，此稱糖的生理熱價(jià)。糖是體內(nèi)的主要供能物質(zhì)，它供給約70%人體所需的能量。腦組織所需能量的唯一來(lái)源是糖。這使糖在能量供給上，更具有其特殊重要性。人體雖然可以依靠其它物質(zhì)供給能量，但必須定時(shí)進(jìn)食一定量的糖，維持正常血糖水平以保障大腦的功能。另外，糖對(duì)脂肪的氧化過(guò)程也有很重要的作用。
脂肪也是人體重要的供能物質(zhì)。它在體外充分燃燒氧化的粗熱價(jià)為39kJ.g-1，生理熱價(jià)為37.8kJ.g-1。脂肪水解成脂肪酸進(jìn)入血液而運(yùn)送到肝臟和肌肉等組織氧化利用。脂肪酸經(jīng)β氧化形成乙酰輔酶A后，必須進(jìn)入三羧酸循環(huán)才能徹底氧化成水及CO2并釋放能量。乙酰輔酶A還可在肝臟形成酮體。在正常情況下，酮體進(jìn)入血液，在骨骼肌和心肌中再形成乙酰輔酶A，進(jìn)入三羧酸循環(huán)繼續(xù)氧化代謝。因此，脂肪的氧化必須依賴糖代謝。脂肪是機(jī)體儲(chǔ)存能量的重要形式，在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間勞動(dòng)時(shí)，它可被動(dòng)員經(jīng)血液源源運(yùn)送到骨骼肌，供給所需的能量。
蛋白體在體內(nèi)的功能主要是構(gòu)成體蛋白，而供給能量不是它的主要生理功能。蛋白質(zhì)分解成氨基酸，進(jìn)而再分解成非氮物質(zhì)與氨基。非氮物質(zhì)進(jìn)入三羧酸循環(huán)被氧化利用。氨基則形成氨或尿素隨尿排出。這部分尿氮在體外仍可進(jìn)一步氧化釋放出能量，其量約相當(dāng)于5.05kJ.g-1蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的粗熱價(jià)為23.73kJ.g-1。顧景范根據(jù)我國(guó)資料統(tǒng)計(jì)得出蛋白質(zhì)生理熱價(jià)為23.73×80.5%-1.25=13.86kJ.g-1。在西方一般蛋白質(zhì)的消化吸收率為92%，所以其生理熱價(jià)約為16.8kJ.g-1。
1.3.2 基礎(chǔ)代謝
為了比較個(gè)體間的代謝率，醫(yī)學(xué)上采用在不影響代謝的一些情況下，進(jìn)行代謝率的測(cè)定，其結(jié)果稱為基礎(chǔ)代謝率?；A(chǔ)代謝的意義是人體為了維持生命，各器官進(jìn)行最基本的生理機(jī)能消耗的能量，如維持正常體溫、基礎(chǔ)血流和呼吸運(yùn)動(dòng)、骨骼肌的張力及某腺體的活動(dòng)等。測(cè)定基礎(chǔ)代謝時(shí)，受試者應(yīng)處于完全安靜、清醒而舒適的狀態(tài)。周圍環(huán)境氣溫在20～25℃之間。時(shí)間應(yīng)在餐后12～14h以上。如按正常的生活規(guī)律安排，晚餐安排在下午6時(shí)左右，基礎(chǔ)代謝率的測(cè)定正好在次日晨6～8時(shí)為宜。晚餐膳食須比較清淡以免食物對(duì)代謝的影響。從前一天起，受試者即應(yīng)避免激烈運(yùn)動(dòng)，并且在測(cè)定前需要安靜休息30min以上。
在正常情況下，人體的基礎(chǔ)代謝率比較恒定，根據(jù)前人的研究成果，一個(gè)成年人在保持健康狀態(tài)的情況下，其基礎(chǔ)代謝率20年內(nèi)不會(huì)偏離正常平均值的±5～10%；在同年齡、同體重、同性別的正常成年人群內(nèi)，有85%的人其基礎(chǔ)代謝率在正常平均值的±10%以內(nèi)。我國(guó)人正?；A(chǔ)代謝率可見(jiàn)表1-1。
表1-1 我國(guó)人正常基礎(chǔ)代謝率平均值［5］（kJ.體表面積（m2）-1.h-1）*
| 年齡 | 11～15 | 16～17 | 18～19 | 20～30 | 31～40 | 41～50 | 51以上 |
| 男 | 195.4 ［46.7］ |
193.3 ［46.2］ |
166.1 ［39.7］ |
158.6 ［37.9］ |
157.7 ［37.7］ |
154.0 ［36.8］ |
149.0 ［35.6］ |
| 女 | 172.4 ［41.2］ |
181.6 ［43.4］ |
154.0 ［36.8］ |
146.8 ［35.1］ |
146.4 ［35.0］ |
142.2 ［34.0］ |
138.5 ［33.1］ |
＊方括號(hào)內(nèi)數(shù)值為“kcal.體表面積（m2）-1.h-1”
臨床上用測(cè)定值與正常值比較來(lái)衡量基礎(chǔ)代謝率的高低，在正常值的±10～15%以內(nèi)者認(rèn)為是正常的。計(jì)算方法，例如年齡為20歲的某男性，測(cè)得其基礎(chǔ)代謝氧耗量為15L/h。估計(jì)正常呼吸商為0.85，可以采用20.42kJ.L-1為氧的熱當(dāng)量。假設(shè)此人的體表面積為1.6m2,此人的基礎(chǔ)代謝率為15×20.42÷1.6=191.44kJ.體表面（m2）-1.h-1（表1-1）。因此，此人的基礎(chǔ)代謝率高于正常值21%。
影響基礎(chǔ)代謝率的因素如下：
（1）體表面積 身材大小不同，人體的基礎(chǔ)代謝總量的顯然不同，基礎(chǔ)代謝與人體的體表面積呈比例關(guān)系。Rubner早在1894年發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)代謝率如果以單位體表面積表示，則比較恒定。因此基礎(chǔ)代謝率.體表面積（m2）-1.h-1”表示。人體的體表面積與體重及身高顯著相關(guān)。三十年代，Stevensen曾經(jīng)得出我國(guó)人體表面積的計(jì)算公式。新中國(guó)成立以來(lái)。國(guó)人身材有很大變化，身高、體重都明顯增加。趙松山等人于1983年對(duì)我國(guó)人體表面與身高、體重的關(guān)系進(jìn)行了研究，得出我國(guó)成年人的體表面積可以按下式計(jì)算：
A=0.00659H+0.0126W-0.1603
A:體表面積（m2）
H：身高（cm）
W：體重（kg）
我國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)根據(jù)近期的調(diào)查，1981年提出我國(guó)18～40歲的成年男性平均身高為170cm，體重為69kg，女性平均身高為160cm，體重為53kg。在此平均值±10%的范圍內(nèi)，應(yīng)視為正常體重。
Kleiber從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，曾提出基礎(chǔ)代謝率的正常值若以每小時(shí)表示，則為3×體重0.75若以第24h表示，則為70×體重0.75。這一標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于任何身材大小的動(dòng)物。還有人認(rèn)為代謝率與代謝活躍的組織關(guān)系密切，提出基礎(chǔ)代謝率應(yīng)以“去脂體重”（Lean bodymass）表示。但由于“去脂體重”的測(cè)量和計(jì)算方法現(xiàn)時(shí)尚未廣泛普及，所以采用者不多。
（2）年齡性別 女性的基礎(chǔ)代謝率略低于男性。嬰兒時(shí)期，因?yàn)樯眢w組織生長(zhǎng)旺盛，基礎(chǔ)代謝率最高，以后隨著年齡的增長(zhǎng)而逐漸降低，參看圖1-1。
圖1-1 不同性別與不同年齡的正?；A(chǔ)代謝率
（引自Guyton,AC:Textbook of MedicalPhysiology.p.883.Philadelphia W.B.Saunders Co,Lodon,1981）
(3)環(huán)境溫度與氣候 環(huán)境溫度對(duì)基礎(chǔ)代謝有明顯影響，在舒適環(huán)境（20～25℃）中，代謝最低；在低溫和高溫環(huán)境中，代謝都會(huì)升高。環(huán)境溫度過(guò)低可能引起不同程度的顫抖而影響代謝升高；當(dāng)環(huán)境溫度較高，因?yàn)樯岫枰龊梗?a href="/w/%E5%91%BC%E5%90%B8" title="呼吸">呼吸及心跳加快。因而影響代謝升高。
（4）甲狀腺功能 甲狀腺素可以增強(qiáng)所有細(xì)胞全部生化反應(yīng)的速率。因此，甲狀腺素的增多即可引起基礎(chǔ)代謝率的升高?；A(chǔ)代謝率的測(cè)定是臨床上甲狀腺機(jī)能亢進(jìn)的重要診斷指征之一。甲狀腺機(jī)能亢進(jìn)者，基礎(chǔ)代謝率可比正常平均值增加40～80%，甲狀腺機(jī)能低下者，可比正常值低40～50%。
（5）其它因素 影響人體基礎(chǔ)代謝率的還有藥物及交感神經(jīng)活動(dòng)等一些因素。食物對(duì)基礎(chǔ)代謝的影響，將在食物特殊動(dòng)力作用一節(jié)中詳述。
1.3.3 勞動(dòng)代謝
勞動(dòng)代謝包括在生產(chǎn)與生活中全部體力活動(dòng)的熱能消耗。體力活動(dòng)是影響機(jī)體能量消耗的主要部分。常見(jiàn)的中等強(qiáng)度勞動(dòng)，其氧耗量的大約是基礎(chǔ)代謝的4～5倍，較強(qiáng)勞動(dòng)是基礎(chǔ)代謝的7～8倍，有的極強(qiáng)勞動(dòng)可達(dá)基礎(chǔ)代謝的14～15倍。
糖在體內(nèi)的分解代謝有兩種形式。如果勞動(dòng)強(qiáng)度適宜，人體的循環(huán)和呼吸系統(tǒng)能夠供給骨骼以充分的氧，糖的代謝則為有氧氧化。1mol葡萄糖徹底氧化，可以凈合成38mol的ATP，釋放2881.20kJ能量。人體進(jìn)行很強(qiáng)的勞動(dòng)時(shí)，一時(shí)取的氧量不足，骨骼肌所需的能量則從糖的無(wú)氧酵解代謝獲得，此時(shí)糖酵解為乳酸。1mol葡萄糖經(jīng)酵解凈合成2molATP，釋放218.40kJ能量。人體進(jìn)行勞動(dòng)時(shí)，骨骼肌能否得到足夠的氧，取決于肺通氣量、血流輸送的氧量及肌細(xì)胞對(duì)氧的利用。開始勞動(dòng)時(shí)，機(jī)體的氧攝取量不能即時(shí)達(dá)到骨骼肌需氧量的水平，機(jī)體先動(dòng)用肌細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存的高能磷酸化合物（如ATP和磷酸肌酸）及（或）糖的無(wú)氧酵解以供給即時(shí)所需之能量。這時(shí)人體的氧耗量急劇增加，經(jīng)一段時(shí)間后，氧耗量才達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)（steady state）,這段時(shí)間大約為2min。2min內(nèi)機(jī)體的供氧量小于需氧量，不足的氧量稱之為氧缺乏（oxygen deficit）。氧缺乏的大小隨勞動(dòng)強(qiáng)度而異。勞動(dòng)強(qiáng)度適宜時(shí)，氧的攝取量可滿足需要，體內(nèi)儲(chǔ)存的高能磷酸化合物在勞動(dòng)中可得到補(bǔ)償，產(chǎn)生的乳酸也可以部分繼續(xù)氧化，體內(nèi)不再進(jìn)一步蓄積。因此，氧耗量表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)。勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，氧的攝取量始終小于需要量，機(jī)體進(jìn)行這種勞動(dòng)主要依靠糖的無(wú)氧酵解供給能量，乳酸在體內(nèi)蓄積，氧耗量不能呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。勞動(dòng)停止后，需要一段較長(zhǎng)的時(shí)間，氧耗才能回到安靜水平。這部分勞動(dòng)后超過(guò)安靜水平的氧耗量即是氧債（oxygen debt）。次極量（submaximum）以下的勞動(dòng)，穩(wěn)態(tài)的氧耗水平的高低與勞動(dòng)強(qiáng)度呈比例關(guān)系，對(duì)這種勞動(dòng)只須測(cè)定勞動(dòng)時(shí)的氧耗量，即可測(cè)知該項(xiàng)勞動(dòng)的熱能消耗量。對(duì)于過(guò)強(qiáng)的勞動(dòng)。除測(cè)定勞動(dòng)時(shí)的氧耗量以外，還必須測(cè)定勞動(dòng)后的氧債。勞動(dòng)代謝的供能特點(diǎn)見(jiàn)圖1-2。
圖1-2 不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的氧耗量變化過(guò)程圖解
（a）運(yùn)動(dòng)的第一分鐘氧耗量逐漸增加；以后，當(dāng)氧攝取量能滿足需要時(shí)則趨于平穩(wěn)。運(yùn)動(dòng)停止后，氧攝取量逐漸減少，以償還“氧債”
（b）自行車功率計(jì)上，在5～6分鐘之內(nèi)完成不同負(fù)荷的運(yùn)動(dòng)量時(shí)，氧攝取量變化的圖解。
（c）b圖實(shí)驗(yàn)中氧攝取量與運(yùn)動(dòng)功率的關(guān)系。250Watts已達(dá)到此一受試者的氧攝取能力的最大值，以300watts繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，未能引起氧攝取量的進(jìn)一步增加，所增加的功率依靠無(wú)氧代謝完成。此人的最大有氧代謝能力為3.5L/分（可寫成VO2max）。各種功率運(yùn)動(dòng)時(shí)血乳酸濃度也列于圖中。
（引自Astand,P.O.et al:,Textbook of WorkPhysiology.MeGraw-Hill Book Company,New,York,1977.p.296）
在前面的討論中，人體基礎(chǔ)代謝率以每平方米體表面積每分鐘的能量消耗表示。在勞動(dòng)代謝中，因?yàn)轶w力活動(dòng)總是移動(dòng)身體，所以勞動(dòng)代謝率以每公斤體重每分鐘能量消耗表示為佳。勞動(dòng)代謝的強(qiáng)度可以用氧耗率表示，如“L.min-1或ml.kg-1.min-1”，也可以用能量的單位表示。有的學(xué)者為了使勞動(dòng)強(qiáng)度與安靜代謝之間的關(guān)系有一較明了的概念，主張用“梅脫”（met）表示。其含意是安靜代謝的倍數(shù)。1met相當(dāng)于安靜代謝的氧耗量；所謂2met即指需要2倍于安靜代謝的氧耗才能完成的勞動(dòng)。成年男性的安靜代謝率約為250ml.min-1女性約為200ml.min-1。沼尻章吉建議用相對(duì)代謝率（relative metabolicrate,RMR）其意義與met近似，計(jì)算方法如下，表示凈勞動(dòng)氧耗量是基礎(chǔ)代謝的多少倍。
相對(duì)代謝率=（勞動(dòng)代謝-安靜代謝）/基礎(chǔ)代謝
1.3.4 食物特殊動(dòng)力作用（specificdynamic action,SDA）
人體的代謝因進(jìn)食而稍有增加。譬如，某人基礎(chǔ)代謝率為168.80kJ.h-1，當(dāng)攝取相當(dāng)于168.80kJ的食物，并處于基礎(chǔ)代謝條件下，經(jīng)測(cè)定，這時(shí)的代謝率不是168.80kJ.h-1而是176.40kJ.h-1。顯然，這部分增加的代謝值是因進(jìn)食引起的。這一現(xiàn)象最早為Rubner發(fā)現(xiàn)，他稱之為“食物特殊動(dòng)力作用”。食物特殊動(dòng)力作用與進(jìn)食的總熱量無(wú)關(guān)，而與食物的種類有關(guān)。進(jìn)食糖與脂肪對(duì)代謝的影響較小，大約只是基礎(chǔ)代謝的4%，持續(xù)時(shí)間亦只1h左右。但進(jìn)食蛋白質(zhì)對(duì)代謝的影響則較大，可達(dá)基礎(chǔ)代謝的30%。持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，有的可達(dá)10～12h。食物特殊動(dòng)力作用的機(jī)理，是食物在消化、吸收和代謝過(guò)程中的耗能現(xiàn)象。例如，某些酶的活力增加，代謝過(guò)程中某些物質(zhì)在細(xì)胞與間質(zhì)間的主動(dòng)轉(zhuǎn)移等，氨基酸的脫氨基作用的耗能現(xiàn)象更加明顯。Krebs曾經(jīng)報(bào)道蛋白質(zhì)的特殊動(dòng)力作用引起的能量消耗增加與體內(nèi)尿素的產(chǎn)生有關(guān)；Cairnie等人在股骨骨折的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，也觀察到產(chǎn)熱量與氮排出量平行地增加，并且認(rèn)為這是因組織蛋白分解而增加氨基酸代謝所致。但Garrow等人的實(shí)驗(yàn)又不能說(shuō)明進(jìn)餐后代謝率的升高與尿素的產(chǎn)量有任何關(guān)系［11］。對(duì)于人體勞動(dòng)時(shí)的食物特殊動(dòng)力作用，有人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)幾乎是安靜時(shí)的2倍。由于這樣，人體進(jìn)行勞動(dòng)或運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體不僅要供氧給運(yùn)動(dòng)的骨骼肌，而且要耗氧于食物影響的產(chǎn)熱過(guò)程，輸氧系統(tǒng)負(fù)擔(dān)加重，影響人體的耐力。如何使人體避免這種額外的負(fù)擔(dān)，而又處于供能充分的最佳狀態(tài)，所以，食物特殊動(dòng)力作用仍然是需要進(jìn)一步研究的課題。食物特殊動(dòng)力作用在熱能需要量的計(jì)算中，仍然不甚明確，也不統(tǒng)一。首先是食物的種類，食物引起的耗能增加，在熱能需要量應(yīng)占多少比例？其次是在勞動(dòng)條件下應(yīng)如何計(jì)算？一般認(rèn)為對(duì)高蛋白飲食習(xí)慣者，食物特殊動(dòng)力作用約占總熱量的10%。我國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)者主張一般膳食的食物特殊動(dòng)力作用約占總熱能需要量的6%。計(jì)算方法：
設(shè) A為一日熱能需要量；
C為生活觀察一日熱能消耗量；
6A/100為食物特殊動(dòng)力作用。
計(jì)算式為：A=C+6A/100
簡(jiǎn)化之則得： A=10C/9.4
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