第三章 能量

第三章能量代谢
【教学目标】要求学生了解能量来源和能值，熟悉人体能量消耗的构成，能计算人体一日所需的能量。

【主要内容】能量来源和能值，每克碳水化合物、脂肪、蛋白质各可能产生多少能量。

能量消耗的构成及其特点，基础代谢和基础代谢率。

如何计算人体一日所需能量。

【重点难点】能量消耗的构成。

如何计算人体一日所需能量。

【教学方法及学生活动设计】多媒体教学，提供课程网站，指导学生阅读相关文献，在此基础上引导学生进行专题讨论。

【课时安排】1课时
能量是人类赖以生存的基础。

能量是做功的能力，包括光能、化学能、电能、热能等。

人们为了维持生命、生长、发育、繁殖后代和从事各种活动，每天必须从外界取得一定物质和能量。

体内的能量，一方面不断地释放出热量，维持体温的恒定并不断地向环境中散发，另一方面作为能源可维持各种生命活动的正常进行。

人体每时每刻都在消耗能量，没有能量就没有机体任何功能活动，甚至于维持。

一、能量的来源和能值
1．能量的来源
人体能量主要来源于碳水化合物、脂肪和蛋白质。

碳水化合物是主要来源。

脂肪次之。

蛋白质作能源物质既不经济也不科学。

此外：酒中的乙醇也能提供较高的能量。

在三大营养素的化学键中贮存着机体所需要的化学能。

在体内，化学能可以转化为热能或机械能。

三大营养素经消化吸收进入体内，在进一步的分解过程中可释放出能量。

人体摄取三大营养素，一方面重新合成自身机体的组成成分，另一方面作为能量来源提供机体所需的所有能量。

2. 能量的单位
国际营养科学协会及国际生理科学协会确认以“焦耳”作为统一使用的能量单位。

为使用方便，实践中常用单位为“千焦”。

在营养学上，食物能量基于营养素在分解过程中释放的热量来测定，并以热量单位来表
示。

传统的热量单位为“卡、千卡”。

卡和焦耳在美国均可使用。

我国传统单位为卡，现在国家规定用焦耳。

卡与焦耳可以相互换算：1 cal＝4.184J，1 J＝0.239cal。

3. 能值
（1）每克糖类、脂肪、蛋白质在体内生物氧化产生的能量值称为能量系数，又叫能值。

（2）食物能值：食物彻底燃烧（体外燃烧）所测得的能值。

这里的燃烧，不是指有火的那种燃烧。

指的是生物氧化：营养素在体内有氧参与，分解产生CO2和H2O并释放能量的过程。

（3）生理能值：又称有效能量值，指食物中人体可利用的能值。

食物中的营养素在消化道内不是被完全吸收的，一般混合膳食中碳水化合物的吸收率为98%、脂肪95%、蛋白质92%。

三种产能营养素的生理有效能量值（或称净能量系数）为：
•碳水化合物：16.8kJ(4kcal) ，
•脂肪：37.56kJ(9kcal) ，
•蛋白质：16.74 kJ(4kcal) 。

二、人体能量消耗的构成
人体的能量消耗包括基础代谢、体力活动和食物的热效应三个方面。

此外，处于生长期的婴幼儿、儿童、青少年需要额外的能量用于机体生长发育；孕妇要摄入更多的能量给子宫、乳房、胎儿、胎盘等的生长发育和母体体脂的储备；哺乳期妇女要储备能量以提供泌乳；创伤病人康复期间等也需要能量。

1.基础代谢(basal metabolism，BM)：
（1）指维持人体最基本生命活动所必需的能量消耗，即人体在安静而舒适的恒温环境中(一般18～25℃)，空腹（饭后12～14h），静卧、清醒、无任何体力活动和
紧张的思维活动、全身肌肉松驰、消化系统处于静止状态下时的能量消耗。

此
时能量仅用于维持体温、呼吸、血液循环及其他器官的最基本的生理需要。

（2）基础代谢率（basal metabolic rate, BMR）：指人体在基础代谢状态下，每小时每平方米体表面积（或每千克体重）的能量消耗。

单位为kJ/(m2.h)或kJ/(kg.h) 。

（3）基础代谢（BM）消耗能量的计算方法：
A.用体表面积进行计算：我国赵松山于1984年提出相对适合中国人的体表面
积计算公式：
体表面积（m2）=0.00659*身高（cm）+ 0.0126*体重（kg）—0.1603
根据体表面积，按年龄、性别在下表3-1中查出相应的BMR，就可计算出24小时的基础代谢水平。

表3-1 人体的基础代谢率[单位：kJ/(m2·h)(kcal/( m2·h))]]
人在熟睡时，能量消耗比基础代谢约减少10％，所以计算时，应扣除睡眠时少消耗的这部分能量。

B.直接用公式计算：Harris和Benedict提出了下列公式，可根据年龄、身高和
体重直接计算基础代谢能量消耗。

男：BM（kcal）= 66 + 13.7×体重（kg）+ 5.0×身高（cm）- 6.8×年龄（y）
女：BM（kcal）= 655 + 9.5×体重（kg）+ 1.8×身高（cm）- 4.7×年龄（y）影响基础代谢率的因素：体型与机体构成、性别、年龄及不同生理、病理状态、环境条件。

2. 体力活动
体力活动的能量消耗也称运动的生热效应，是构成人体总能量消耗的重要部分。

一般情
况下各种简单体力活动所消耗的能量约占人体总能量消耗的15%～30%，随着人体活动量的增加，其能量消耗也将大幅度增加。

这是人体能量消耗变化最大，也是人体控制能量消耗、保持能量平衡、维持健康最要的部分。

影响体力活动能量消耗的因素有：劳动强度、持续时间、熟练程度。

我国的劳动强度：中国营养学会2001年已建议将我国人群的劳动强度由5级调整为3级，即轻、中、重3级，如表3-2所示.根据不同级的体力活动水平PAL（physical activity level）值可推算出能量消耗量。

表3-2 中国成人活动水平分级
目前应用BMR乘以体力活动水平（physical activity level, PAL）来计算人体的能量消耗量或需要量。

3. 食物的热效应（TEF ）
细心的人会发现，吃完饭后体温会略有升高，这止是食物热效应的外在表现。

一般来讲，体温的升高在进食后不久就会出现，这也是吃饭时和饭后会觉得热的原因之一，在寒冷的冬天，这一点会更加明显。

食物热效应(thermic effect of food,TEF)是指由于进食而引起能量消耗增加的现象。

人体在摄食过程中，除了夹菜、咀嚼等动作消耗的热量外，因为要对食物中的营养素进行消化、吸收、运送、储存及代谢转化，还需要额外消耗能量。

同时，食物在体内氧化分解时，除了本身释放出热能以外，还会增加人体的基础代谢率，刺激人体产生额外的热量消牦，同时使体温升高。

营养学家把这种因为摄食而引起的热能的额外消耗称为食物热效应，又叫食物的特殊动力作用(specific dynamic action,SDA)。

（1）影响食物热效应能量消耗的因素
那么，吃一顿饭会消耗多少热量呢?这与食物的成分、进食量和进食的频率等多种因素
有关。

首先，不同食物或营养素的热效应不同，蛋白质的食物热效应最大，约相当于本身产热能的30%，碳水化合物为5%～6%，脂肪为4%～5%。

成年人食用普通混合膳食，每日TEF 约600kJ(150kcal)左右，相当于基础代谢能量的10%。

一般还认为它的消耗量约为食物摄取热量的10%。

另外，食物热效应与进食量也有关，吃得越多，热能的消耗就越多。

吃得快比吃得慢者消耗的热量高。

吃得快时，中枢神经系统更加活跃，激素和酶的分泌速度快、量更多，吸收和贮存的速率更高，其能量消耗也相对较多。

（2）食物热效应能量消耗的计算
食物热效应的一般计算方式为：食物热效应≈BM * 10% ≈食物摄取热量* 10%。

即如果有500大卡的热量需求，需要吃550大卡的食物；或者进食500大卡，通过食物热效应还剩余450大卡。

食物热效应只能增加体热的外散，而不能增加可利用的能。

换言之∶食物热效应对于人体是一种损耗而不是一种收益。

因此，为了保存体内的营养贮备，进食时必须考虑食物热效应额外消耗的能量，使摄入的能量与消耗的能量保持平衡。

有些朋友为了减轻体重，严格控制每餐的热量摄入，使其保持在低于基本代谢的范围之内。

然而，长此以往容易导致营养不良。

食物热效应也会消耗能量，减肥的朋友们在计算热量时，切不可忽略这一点。

4. 生长发育
正在生长发育的机体还要额外消耗能量维持机体的生长发育。

（1）婴幼儿、儿童、青少年：生长发育所需的能量主要用于形成新的组织及新组织的新陈代谢。

3-6 个月婴儿：生长发育消耗能量占总消耗能量的15%-30%。

儿童：每增加1g体重约需4.8kcal(20kJ)能量。

（2）孕妇：孕妇生长发育能量消耗主要用于子宫、乳房、胎盘、胎儿的生长发育及体脂储备。

（3）乳母：乳母生长发育的能量消耗除自身的需要外，也用于乳汁合成与分泌。

三、人体一日能量需要的确定
确定各类人群或个体的能量需要量，对于指导人们改善自身的膳食结构、膳食规律，维持能量平衡，提高健康水平是非常重要的，也是营养学工作和研究中经常进行的工作。

（一）计算法
1. 体力活动水平（PAL）计算法
基础代谢约占总能量消耗的60%～70%，习惯上将其作为估计成人能量需要的重要基础。

先计算基础代谢能量消耗（BM）和基础代谢率（BMR），再用BMR乘以体力活动水平（PAL）乘以体力活动时间乘以体重来计算人体力活动能量消耗量或需要量。

最后根据公式“食物热效应≈BM * 10% ≈食物摄取热量* 10%”，计算食物热效应。

特别注意体力活动部分，根据不同活动水平（PAL）（表3-2）和体力活动的时间来计算。

比如一个男大学生一天的活动中，宿舍休息、学习等（PAL1.55，5小时），学生日常上课、活动等（PAL1.28，10小时），体育运动（PAL2.10，1小时）。

2. 膳食调查
正常成人摄食量与能量的消耗基本持平，通过膳食调查，详细记录一段时间内(至少5～7天)摄入食物的种类和数量，计算出平均每日食物所提供的能量，此能量值可认为是每日人体能量的消耗量。

这种方法受膳食记录时间和调查对象数量的影响，因此结果不够准确，但由于其简单易行，现在被广泛采用。

一般情况下，正常人从食物中摄入的能量与体内所消耗的能量维持一个动态平衡过程。

如果摄入量低于消耗量，机体则会消耗体内以脂肪形式和少部分糖原形式储存的能量，使体重逐渐减轻，儿童、青少年还会出现机体发育迟缓，抵抗力弱等现象；反之如果摄入量高于消耗量，多余的能量就会转化成脂肪在体内储存，轻则引起体态臃肿，重则会引起高血压、心脏病、糖尿病等“富贵病”，并使某些癌症的发病率提高。

因此，能量平衡与否与人体的健康关系极大。

（二）测量法
1. 直接法
原理是人体释放的能量多少，可反映机体能量代谢情况，进而可求出机体的能量需要。

测定时，将受试者放入四周被水包围的小室，人体释放的能量可全部被水吸收而使水温升高，根据水温的变化和水量，即可计算出释放的总能量。

这是一种实用价值不大的方法，很少采用。

2. 间接法
（1）间接测热法
原理是产热营养素在体内分解的过程中消耗O2，产生CO2和H2O并释放能量满足机体需要。

因此需测出氧气的消耗量或CO2或水的产生量。

测定氧气的消耗是使用一种特殊的设备（呼吸代谢仪），可准确记录人体吸入空气和呼出的气体量，并根据两种气体中含氧量的差，计算出O2的消耗量。

按每消耗1L O2可产热20.3kJ（4.852kcal）的能量，就可以算出能量的消耗量。

（2）稳定同位素测定法
这是目前较为精确、易行的最新的方法，但需要专门的测试仪器，一般单位难以具备这种条件。

（3）能量摄入的调查
一种简便、易行但相对粗糙的方法，对于确定个体或群体的能量需要均可行，且被广为使用.
四、能量的参考摄入量（DRIs）
世界各国有不同的能量供给量推荐值，20世纪90年代以前，我国的膳食营养素需要量标准是以推荐的每日膳食中营养素供给量（recommended daily amounts，RDAs）来表示。

由于营养科学的发展和中国社会进步给居民生活带来的重大影响，中国营养学会2000年10月修订了1988年的RDAs，并用“中国居民膳食营养素参考摄入量（Chinese DRIs）来说明中国居民不同人群对膳食中各种营养素的需要标准，主要包括4项内容指标，即平均需要量（EAR）、推荐摄入量（RNI）、适宜摄入量（AI）及可耐受最高摄入量（UL），并以此在指导并评价我国居民的营养状况。

表3-3为中国居民膳食能量推荐摄入量（RNIs）。

表3-3 中国居民膳食能量和蛋白质的RNIs及脂肪供能比
【思考题】
1. 每克碳水化合物、脂肪、蛋白质各可能产生多少能量？
2. 人体能量消耗主要有哪几方面？各有何特点？
3. 什么是基础代谢和基础代谢率？
4.如何计算人体一日所需能量？
5.体力活动所消耗能量多少与哪些因素有关？
补充内容：
1. 能量需要量
能量需要量是指维持机体正常生理功能所需要的能量，即能长时间保持良好的健康状况，具有良好的体型、机体构成和活动水平的个体达到能量平衡，并能胜任必要的经济和社会活动所必需的能量摄入。

对于孕妇、乳母、儿童等存在生长的人群，还包括满足组织生长和分泌乳汁的能量储备的需要。

2. 如何理解机体能量代谢平衡
（1）摄入的能量与消耗的能量维持动态平衡，保持适宜体重
（2）三种产热营养素有适宜的供热比：成人的碳水化合物占热能的55%～65%，脂肪20%～30%，蛋白质10%～15%。

（3）一日三餐合理的热能分配：一般成年人三餐的热能分配为：早30%、中40%、晚30%。

3. 能量的食物来源
（1）粮谷类和薯类含碳水化合物较多，是我国膳食热能主要来源；
（2）油料作物中富含脂肪，大豆和硬果类含丰富的油脂和蛋白质，是膳食热能辅助来源之一；
（3）动物性食品含较多的动物脂肪和蛋白质，也是膳食热能的重要构成部分；
（4）蔬菜、水果含热能较少。

4. 按照等能定律从能量供给上讲，在食物中3种供能物质比例的变化并不影响能量的摄取，可以在一定程度上相互代替。

1g碳水化合物=0.45g脂肪=1g蛋白质，因而在特殊情况下可以摄取一种或两种，这也是制造特殊食品的重要依据。

但是普通人摄取的混合膳食，不是单纯的各种独立营养素，而是包含多种营养素的各种天然或加工食品，所以需要注意膳食在品种和数量上的平衡，不能单纯的相互替代。