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第三章 营养与能量平衡. 第一节 能量与能量单位 第二节 能值及其测定 第三节 影响人体能量需要的因素 第四节 能量在食品加工中的变化 第五节 能量的供给与食物来源. 第一节 能量与能量单位. 一、能量的作用及意义 二、能量单位. 一、能量的作用及意义. 能量是人类赖以生存的基础。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。 食物能量最终来源是太阳能，这是由植物利用太阳能，通过光合作用，把 CO 2 、水和其它无机物转变成有机物，供生命之所需，并将生命过程的化学能直接或间接保持在 ATP 的高能磷酸键中。
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第三章 营养与能量平衡 • 第一节 能量与能量单位第二节 能值及其测定第三节 影响人体能量需要的因素第四节 能量在食品加工中的变化第五节 能量的供给与食物来源
第一节 能量与能量单位 一、能量的作用及意义二、能量单位
一、能量的作用及意义 • 能量是人类赖以生存的基础。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。 食物能量最终来源是太阳能，这是由植物利用太阳能，通过光合作用，把CO2、水和其它无机物转变成有机物，供生命之所需，并将生命过程的化学能直接或间接保持在ATP的高能磷酸键中。 除碳水化合物、脂肪和蛋白质是三大能量营养素外，酒中的乙醇也能提供较高的能量。
ATP的重要性 • 生物体内能量的储存和利用都是以ATP为中心。在体外pH7.0，25℃条件下每摩尔ATP水解为ADP和Pi时释放的能量为30.5kj(7.3kcal)。人体内ATP含量虽然不多，但每日经ATP/ADP相互转变的量相当可观。ATP在生物体内可以参与肌肉收缩转变成机械能，参与物质主动转运转变成渗透能，参与合成代谢转变成化学能，维持生物电转变成电能，维持体温转变成热能等。
能量单位 • 能量（energy）的单位，现国际上通用焦耳（joule，J），营养学上，使用最多的是其1000倍的单位，即千焦耳（Kilojoules，KJ）。传统上常用千卡（kilocalories，kcal）。其换算关系如下：1kcal＝4.184kJ ； 1KJ=0.239kcal。 • 所谓1kcal即是指1kg的水从15℃升高到16℃，即温度升高1 ℃所吸收的能量。
第二节 能值及其测定 • 一、食物能值与生理能值二、能值的测定
一、食物能值与生理能值 • 食物能值即食物彻底燃烧时测定的能值。 即“物理燃烧值 ”，或称“总能值”。
生理能值即机体可利用的能值，在体内，碳水化合物和脂肪氧化的最终产物与体外燃烧时相同，因考虑到机体对它们的消化、吸收情况(如纤维素即不能被人类消化)，故二者的生理能值与体外燃烧时可稍有不同。生理能值即机体可利用的能值，在体内，碳水化合物和脂肪氧化的最终产物与体外燃烧时相同，因考虑到机体对它们的消化、吸收情况(如纤维素即不能被人类消化)，故二者的生理能值与体外燃烧时可稍有不同。
生热营养素产生能量 • 1g碳水化合物产生能量为16.7kJ(4.0kcal) • 1g脂肪产生能量为36.7kJ (9.0kcal) • 1g蛋白质产生能量为16.7kJ(4.0kcal) • 1g乙醇产生能量为29.3kJ (7.0kcal)
蛋白质在体内的氧化并不完全，氨基酸等中的氮并未氧化成氮的氧化物或硝酸(这些物质对机体有害)，而以尚有部分能量的有机物如尿素、尿酸、肌酐等由尿排出。这些含氮有机物的能量均可在体外燃烧时测得。此外，再考虑到消化率的影响，便可得到机体由蛋白质氧化而来的可利用的能值。不同食品中碳水化合物、脂肪和蛋白质的含量各异，若需了解某种食品所含能值，可利用食物成分表或仔细分析其样品的组成进行计算。蛋白质在体内的氧化并不完全，氨基酸等中的氮并未氧化成氮的氧化物或硝酸(这些物质对机体有害)，而以尚有部分能量的有机物如尿素、尿酸、肌酐等由尿排出。这些含氮有机物的能量均可在体外燃烧时测得。此外，再考虑到消化率的影响，便可得到机体由蛋白质氧化而来的可利用的能值。不同食品中碳水化合物、脂肪和蛋白质的含量各异，若需了解某种食品所含能值，可利用食物成分表或仔细分析其样品的组成进行计算。
二、能值的测定 1。食物能值测定 食物能值通常用氧弹量热计，或称弹式热量计(bomb calorimeter)进行测定，这是一个弹式密闭的高压容器，内有一白金坩蜗，其中放入待测的食物试样，并充以高压氧，使其置于已知温度和体积的水浴中。用电流引燃，食物试样便在氧气中完全燃烧，所产生的热使水和量热计的温度升高，由此计算出该食物试样产生的能(热)量。
2．人体能量消耗的测定 • 人体能量的消耗实际上就是指人体对能量的需要。较常用的测定方法有以下两种。 • (1)直接测定法 这是直接收集并测量人体所放散的全部热能的方法。为此，让受试者进入一特殊装备的小室。该室四周被水管包围并与外界隔热。机体所散发的热量可被水吸收，并通过液体和金属的传导进行测定，此法可对受试者在小室内进行不同强度的各种类型的活动所产生和放散的热能予以测定。此法原理简单，类似于氧弹热量计，但实际建造，投资很大，且不适于复杂的现场测定，现已基本不用。
(2)间接测定法 • 此法广泛应用于人体能量的消耗。主要根据其耗氧量的多少来推算所消耗的能量。关于人体耗氧量的测定可通过收集所呼出的气量(如用比Douglas袋等)，来分析其中氧和二氧化碳的容积百分比。由于空气中含氧量一定，且可测定，故将吸入空气中的含氧量减去呼出气体中的含氧量，即可计算出一定时间内机体的耗氧量。 还可利用自记呼吸量测定器进行测定。如用Kofranyi—Michaelis仪测量耗氧率，这是用一简单的气箱或气袋收集呼出的气体，在除去所产生的二氧化碳后再回到原测定器中，由所记下降的体积和时间得出耗氧速度，由耗氧量计算所消耗的能量。
食物在热量计中或在人体内氧化所消耗的氧量直接与以热释放的能量有关，葡萄糖不管如何氧化，其所需的氧量和所产生的能量基本一样。食物在热量计中或在人体内氧化所消耗的氧量直接与以热释放的能量有关，葡萄糖不管如何氧化，其所需的氧量和所产生的能量基本一样。 • 至于蛋白质由于其结构和易变性等它的氧化不能用简单方程式表示。 • 最近有双标水测量中能量消耗，用氢和氧的同位素标记，精密度准确度均高但对材料、技术设备要求较高，费用昂贵，因此尚有局限性。
食物在体内分解释放能量时，必须消耗一定量的氧，产生一定量的CO2；CO2的产生量与O2的消耗量之间的比称为呼吸商。呼吸商随着体内消耗的能源物质不同而异。食物在体内分解释放能量时，必须消耗一定量的氧，产生一定量的CO2；CO2的产生量与O2的消耗量之间的比称为呼吸商。呼吸商随着体内消耗的能源物质不同而异。 糖氧化时的呼吸商约为1，以葡萄糖为例： C6H12O6+6O2→6C02+6H20 呼吸商=6mol CO2/6mol O2=6×22.4/6×22.4=1.0 脂肪氧化时呼吸商约为0.7，以（三）软脂酸甘油酯为例： 2C51H98O6+145O2→102C02+98H20 呼吸商=102mol CO2/145mol O2=102×22.4/145×22.4=0.7
蛋白质的代谢过程比较复杂，它在体内未经彻底氧化，仍有一部分O及C与N结合随尿排出，即是尿素等，这部分物质在体外还可继续氧化放出能量。100g蛋白质在体内氧化大约需要138.18g的O2，产生152.17g的CO2，其呼吸商为：蛋白质的代谢过程比较复杂，它在体内未经彻底氧化，仍有一部分O及C与N结合随尿排出，即是尿素等，这部分物质在体外还可继续氧化放出能量。100g蛋白质在体内氧化大约需要138.18g的O2，产生152.17g的CO2，其呼吸商为： 呼吸商=（152.17/44×22.4）/（138.18/32×22.4）=77.47l CO2/96.73L O2=0.8 进食混合膳食时，可先从尿氮计算蛋白质的消耗量。1g尿氮相当于消耗6.25g蛋白质，同时消耗6.04LO2,产生4.84LCO2和释放110kJ的能量。从总的氧耗量及CO2产量中减去蛋白质氧化所消耗的氧量和CO2产量，则可得非蛋白呼吸商。按照下式，可以计算在不同的非蛋白呼吸商情况下，每消耗1LCO2所能放出的能量。这叫做每升氧的能当量。 • 每升氧的能当量（kJ）=15.962+5.155r R为非蛋白呼吸商。 • 因此，测定出尿氮和氧耗量后，即可计算热能消耗量。如果不测定尿氧，用总呼吸商计算所得的热能消耗量与非蛋白呼吸商计算所得者相差只是1.1%，所以现在大多直接用总呼吸商进行计算。
一种新的食物能量计算方法在FAO/WHO会议上提出一种新的食物能量计算方法在FAO/WHO会议上提出 • 2002年12月FAO/WHO/UNU召集了联合咨询专家委员会和各国相关专家，在罗马组织进行了“食物能量分析方法和表达模式技术工作会议”（Technical Workshop on Methods of Analysis and Modes of Expression of the Energy Content of Foods）。会议着重讨论了由Livesey 等提出的一套新的食物能量换算系统（NME系统），以及在全球范围内统一应用的可能性问题。
NME系统提出的背景 • 食物营养标签能量值的计算、标识和每日摄取量基准的推荐，十分重要。在发达国家食物能量的评价早已引起足够的重视，也成为世界各国和联合国食品技术标准和规范不可缺少的内容。但是，随着科学家们对蛋白质、碳水化合物（CHO），尤其是膳食纤维、糖醇和抗性淀粉在机体中消化吸收率和能量利用率认识的更新和加深，新型低能量食品和糖、脂肪替代添加剂的开发应用所带来的能量系数空白，使现行的Atwater食物能量评价系统的科学性和权威性受到了质疑和挑战。事实上，目前世界各国在能量计算方面是比较混乱的，对蛋白质、碳水化合物、脂肪和乙醇使用ME系统求导的能量系数来换算能量值，而用NME系数来换算新型食物成分，如糖醇和葡聚糖的能量（FAO/WHO无推荐数据，Codex Alimentarius 中也无规定）。
目前，包括NME系统在内，全球至少在使用4种食物能量评价系统和系数 • （1）传统ME系统MEATW = 17 kJ/g 蛋白质 + 37 kJ/g 脂肪 + 17 kJ/g 总的碳水化合物 .......① 即Atwater 食物能量换算系数和公式，FAO/WHO1985年推荐，1993仍然确认继续使用。
（2）食物特异性能量系数系统 • 这个系统对不同的类别的食物原料（如谷类、蔬菜类）、加工食品（如快餐）采用特定的能量系数。如美国食物成分表就采用这种能量评价系统，例如蛋白质的能量系数，在蛋类为4.36 kcal/g、乳及乳制品4.27 kcal/g、大豆和大豆面3.47 kcal/g、多种食物的混合膳食 1.83 kcal/g;蔬菜及制品蛋白质的能量换算系数在2.0～3.7kcal/g之间。美国的有关专家认为这个系统比Atwater系统更精确，但应用和计算较繁琐，与其它国家数据无可比性。
（3）实验测定或总能量为基础的能量评价系统（empirical or gross energy-based system） • 这个系统的系数是建立在每种食物实验检测的基础上，并且每次要测定被检食物的燃烧热作为一个必要的参照指标。这个系统试图摈弃Atwater系统的机械性，其推行者们认为对所有食物中同一种营养素采用一成不变的系数是不科学的，食物各成分之间的能量吸收利用存在内在联系和相互影响。
（4）修订/改进的ME系统能量系数和公式 • MEMOD = 16.7 kJ/g 蛋白质 + 37.4 kJ/g 脂肪 + 15.7 kJ/g 可利用的碳水化合物 + 8 kJ/g 不可利用的碳水化合物........................② 这个公式中采用了近年来对碳水化合物分类及消化吸收率和大肠发酵特点的研究认识成果，将碳水化合物划分为可利用和不可利用（不在小肠内消化吸收，但在大肠内发酵，产生的短链脂肪酸可给机体提供能量）两部分，分别采用约4kcal/g（15.7 kJ/g）和1.9kcal/g(8 kJ/g)的能量系数。
（5）Livesey 提出的NME系统 • （如对一般膳食的通用能量系数和计算式）NME = 13.3 kJ/g 蛋白质 + 36.6 kJ/g 脂肪 + 15.7 kJ/g 可利用的碳水化合物 + 6.2 kJ/g 不可利用的碳水化合物 .....................③ • FAO/WHO确定的Atwater能量换算系数并没有限制住科学界对食物能量的继续思考，他们也不满足于能量系数经验性求导或矫正的方式，而是从根本上对用食物代谢能（Metabolisable energy, ME）理论产生了怀疑。
NME食物能量评价系统 • 上世纪90年代初，Livesey等用双标水示踪技术等新手段，研究了能量在机体内的流程，对食物能量的消耗、机体能量平衡和净能量系数提出了不同的认识。Livesey等提出的NME系统充分体现或强调了代谢能的利用效率。膳食纤维和蛋白质的能量系数明显低于传统和矫正的ME系统，他们认为机体对蛋白质能量利用率实际没有以往估测的高，蛋白质异生成糖供能的效率是很低的，而且其食物特殊动力作用，即食物必然生热作用（obligatory dietary thermogenesis）损耗的热能约为20%，也远比CHO和脂肪高；食物中一些脂类，如腊、类脂的消化吸收率和能量利用性都不高，因此脂肪的能量系数也略有下调，但四舍五入后还是37kJ/g（9kcal/g）。。
Livesey认为应该用NME系统替代和统一食物能量评价系统。主要理由为两方面：Livesey认为应该用NME系统替代和统一食物能量评价系统。主要理由为两方面： • （1）客观理由，能量评价系统和方法需要统一，需要合理化、科学化。尤其是新型食物添加剂、脂肪和糖的替代物的能量系数需要制订，能量值合理计算和标识势在必行。（2）在理论上，Livesey等认为代谢能（ME）并没有被机体有效地利用，而净代谢能才是最大限度地被机体有效利用的能量，因此ME到NME的转化率kee（kee = NME/ME）是求导食物能量换算系数的重要参数。NME能量系数可由下面的公式求导：NME = P·(ΔH — Up)·D ·kee + F·ΔH·D ·kee + AC·ΔH·D ·kee +DF·ΔH·D·kd·kee 公式中P 代表蛋白质，F 代表脂肪，AC代表可充分利用碳水化合物，DF代表膳食纤维；D 代表每一种供能营养素各自的消化率，ΔH表示每一种营养素各自的物理燃烧热，Up 是尿氮损失的能量；kee 即每一种营养素的ME转化为NME的系数，据Livesey，数值可由ATP的产量推算，kd 不消化的碳水化合物在大肠发酵时能量的吸收率系数，是吸收的短链脂肪酸能量与碳水化合物粪能及可燃气体能之和的比值；式中NME 可以通过试验检测的方法确定。
目前，NME 系统或其个别系数已在欧洲和其它一些国家开始比较研究和试用。Livesey等认为NME系统已经成熟、并形成了自己的体系，向FAO/WHO相关机构和专门专家顾问委员会呼吁在全球范围内推行该系统。但由于一方面在理论上人体能量的需要和代谢概念和认识比较混乱，缺乏明确统一的定义；另一方面能量检测手段还不统一，怎样求导能量系数的指导性和总结性资料十分稀少。NME系统理论和不充分的实验数据还一时无法说服怀疑者和反对者。因此在2002年12月召开的专门技术工作会议上未获得通过。FAO和大部分专家们认为在全球范围内推广NME食物能值评价系统尚需大量不同人群研究结果和数据的证实。
第三节 影响人体能量需要的因素 • 一、基础代谢二、对食物的代谢反应三、体力活动
一、基础代谢 基础代谢是维持生命最基本活动所必须的能量需要。具体说，按照FAO的方法是在机体处于空腹12—14h，睡醒静卧，室温保持在26—30℃，无任何体力活动和紧张思维活动，全身肌肉松弛，消化系统安静状态下测定的能量消耗。这实际上是机体处于维持最基本的生命活动状态下，即用于维持体温、脉搏、呼吸，各器官组织和细胞基本功能等最基本的生命活动所需的能量消耗. 在上述条件下测定的基础代谢速率称为基础代谢率（basal metabolic rate BMR）
基础代谢率： 基础代谢所消耗的能量通常以每h、每m2体表面积所消耗的能量来表示，称BMR。即单位时间内人体每平方米体表面积所消耗的基础代谢能量。 （1）用体表面积进行计算 体表面积(m2)=0.0071 X身高+0.0133 X体重-0.1971
http://www.mistupid.com/fitness/bmr.htm http://www.bmi-calculator.net/bmr-calculator/ • （2）直接用公式计算 • 现在则多用单位时间内每千克体重所消耗的基础代谢能量表示[kI／(kg·h)]或每天所消耗的能量表示。一般情况下，每kg 体重、每h 基础代谢所消耗的能量为1kcal。 • 通常女性BMR 约比男性低5%这可能是女性肌肉不发达、脂肪组织相对较多之故。儿童和青少年正处在生长、发育时期，其基础代谢比成人高10％-15％。一般情况下基础代谢可以有10％-15％的正常波动。至于基础代谢率，年龄越小相对越高。随着年龄的增加，基础代谢率缓慢降低。
男BEE＝66+13.7×体重(kg)+5.0×身长(cm)－6.8×年龄(y)男BEE＝66+13.7×体重(kg)+5.0×身长(cm)－6.8×年龄(y) • 女BEE＝65.5+9.5×体重(kg)+1.8×身长(cm)－4.7×年龄(y) • 简单的方法 • 成人男性按每公斤体重每小时1kcal(4.18kJ) • 女性按0.95kcal(3.97kJ)，和体重相乘直接计算 • ● WHO于1985年推荐使用Schofield公式(表)，计算一天的基础代谢能量消耗。
WHO建议的计算基础代谢公式 注：w为体重(kg)。摘自Technical Report Serie 724，Geneva，WHO，1985。 我国营养学会推荐，我国儿童、青少年该公式适用，18岁以上人群按公式计算结果减5%。
2．基础代谢率的测定 • 过去一直认为基础代谢率与体表面积有关。尽管人们对此并没有很好的理论加以说明，但实际上却给出较恒定的数值。由于体表面积与身高、体重密切相关，因而可根据不同个体，按回归方程计算其体表面积，然后再由体表面积进一步查表计算基础代谢的能量。 • 此外，为了简化上述由身高、体重按一定公式计算体表面积和查表等。人们曾设计由身高、体重通过列线图求得体表面积，或直接由身高(cm)、体重(kg)、体表面积(m2)和正常的标准代谢率[kJ／(m2·h)]直接确定其基础代谢的能量。但此列线图解法不适用于婴儿和6岁以下儿童，因为他们的基础代谢率太高。实际上，测定基础代谢率最有用的指标是体重。 • 由体重按上述公式计算人体基础代谢率简单方便，且与过去习惯上由体表面积(或包括身高)的计算法无较大差别，颇为实用。但是近年的研究结果表明，上述计算公式可能高估了某些地区人群的基础代谢率，因而导致高估了他们的能量需要。例如亚洲人的基础代谢率就可能比欧洲人约低10％。
http://www.fitwatch.com/qkcalc/bmr.html • Formula:BMR for males = 66 + (13.7 x w) + (5 x h) - (6.8 x y)BMR for females = 655 + (9.6 x w) + (1.8 x h) - (4.7 x y) where:h = height in centimeters (inches x 2.54)w = weight in kilograms (pounds ÷ 2.2)y = age in years
我国基础代谢率实情 • 我国不同的研究报告表明，对成人和儿童实测的基础代谢率比用叩仍建议的相同年龄组基础代谢率计算公式算出的结果均有一定程度的降低。中国营养学会认为，在目前还没有足够的中国人群基础代谢率数值时，建议仍采用上述建议的计算公式，并按中国和亚洲实测的结果和情况，将公式计算出的结果减5％作为中国18—44岁成年人群及45—59岁人群的基础代谢率是符合实际的。
3．影响基础代谢的因素 • 影响人体基础代谢的因素很多，主要有以下几种： • (1)年龄 这主要是因生长、发育和体力劳动强度随年龄增加而变化所致。儿童从出生到2岁相对生长速度最高，青少年身高、体重和活动量与日俱增，放所需能量增加。中年以后基础代谢逐渐降低、活动量也逐渐减少，需能下降，至于老年人的基础代谢较成年人低10％一15％，因其活动更少、所需能量也更少。 • 年龄不同，身体组成差别很大。基础代谢主要取决于身体各组织的代谢活动，每种组织在身体中的比例，以及它们在整个身体能量代谢中的作用。显然，身体组成的变化将影响到能量的需要。因为身体的某些器官和组织比另一些在代谢上更为活泼。
(2)性别 • 男孩和女孩在青春期以前，其基本的能量消耗按体重计差别很小。成长后男性有更多的肌肉组织。这在以去脂组织表示时，可降低其基础代谢率，因为肌肉基础代谢率较低，但是女性体脂含量较多，其基础代谢率比男性低约5%。女性在月经、怀孕、哺乳时可增加。
（3）营养及机能状况和气候 • 严重饥饿和长期营养不良期间、身体基础代谢率的降低可多达50%。疾病和感染可提高基础代谢率。甲状腺机能亢进，肾上腺素可增加基础代谢。 • 长期处于寒冷、炎热地区人基础代谢率不同、后者基础代谢率较低。例如印度人的基础代谢率比北欧人平均低约10%
Age: In youth, the BMR is higher; age brings less lean mass and slows the BMR. Height: Tall, thin people have higher BMR's. Growth: Children and pregnant women have higher BMR's. Body Composition: The more lean tissue, the higher the BMR. The more fat tissue, the lower the BMR. Fever: Fevers can raise the BMR. Stress: Stress hormones can raise the BMR. Environmental Temperature: Both the heat and cold raise the BMR. Fasting/Starvation: Fasting/starvation hormones lower the BMR. Malnutrition: Malnutrition lowers the BMR. Thyroxin: The thyroid hormone thyroxin is a key BMR regulator; the more thyroxin produced, the higher the BMR.
二、对食物的代谢反应(Thermic Effect of Food ) • 进食后，机体向外散失的热量比进食前有所增加，即人体热能消耗增加，这种由于摄取食物而引起机体能量代谢额外增加的现象就是食物特殊动力作用。食用普通混合膳食时，食物特殊动力作用相当于每日基础代谢的10%或全日总能耗的6%，约150-200 kcal 的能量。
不同的产能营养素其食物热效应不等 • 脂肪：消耗本身产生能量的4%～5% • 碳水化物: 消耗本身产生能量的5%～6%， • 蛋白质: 消耗本身产生能量的30%。
The term "thermic effect of food" is used to describe the energy expended by our bodies in order to eat (bite, chew and swallow) and process (digest, transport, metabolize and store) food. We "expend energy" by burning calories. Processing protein requires the greatest amount of energy, with estimates ranging as high as 30%. Dietary fat, on the other hand, is so easily processed and turned into body fat that there is little thermic effect, perhaps only 2 or 3%. The amount of energy required to process carbohydrates falls between that of protein and fat.
