營養學/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的需要，其中包括有基礎代謝、勞動代謝和食物特殊動力作用三個面。
1.3.1 供給人體能量的營養素
人體依靠糖、脂肪和蛋白質三大營養素供給能量。這三種物質在氧化成水和CO2過程中，釋放大量的能量供機體應用。
糖在體外充分燃燒，徹底氧化至H2O及CO2時產生的能量為17.22kJ.g-1，這稱為糖的粗熱價。糖的消化吸收率為98%，在生理研究中，糖的供熱量在進行校正後以16.80kJ.g-1進行計算，此稱糖的生理熱價。糖是體內的主要供能物質，它供給約70%人體所需的能量。腦組織所需能量的唯一來源是糖。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供給能量，但必須定時進食一定量的糖，維持正常血糖水平以保障大腦的功能。另外，糖對脂肪的氧化過程也有很重要的作用。
脂肪也是人體重要的供能物質。它在體外充分燃燒氧化的粗熱價為39kJ.g-1，生理熱價為37.8kJ.g-1。脂肪水解成脂肪酸進入血液而運送到肝臟和肌肉等組織氧化利用。脂肪酸經β氧化形成乙醯輔酶A後，必須進入三羧酸循環才能徹底氧化成水及CO2並釋放能量。乙醯輔酶A還可在肝臟形成酮體。在正常情況下，酮體進入血液，在骨骼肌和心肌中再形成乙醯輔酶A，進入三羧酸循環繼續氧化代謝。因此，脂肪的氧化必須依賴糖代謝。脂肪是機體儲存能量的重要形式，在進行長時間勞動時，它可被動員經血液源源運送到骨骼肌，供給所需的能量。
蛋白體在體內的功能主要是構成體蛋白，而供給能量不是它的主要生理功能。蛋白質分解成胺基酸，進而再分解成非氮物質與氨基。非氮物質進入三羧酸循環被氧化利用。氨基則形成氨或尿素隨尿排出。這部分尿氮在體外仍可進一步氧化釋放出能量，其量約相當於5.05kJ.g-1蛋白質。蛋白質的粗熱價為23.73kJ.g-1。顧景范根據我國資料統計得出蛋白質生理熱價為23.73×80.5%-1.25=13.86kJ.g-1。在西方一般蛋白質的消化吸收率為92%，所以其生理熱價約為16.8kJ.g-1。
1.3.2 基礎代謝
為了比較個體間的代謝率，醫學上採用在不影響代謝的一些情況下，進行代謝率的測定，其結果稱為基礎代謝率。基礎代謝的意義是人體為了維持生命，各器官進行最基本的生理機能消耗的能量，如維持正常體溫、基礎血流和呼吸運動、骨骼肌的張力及某腺體的活動等。測定基礎代謝時，受試者應處於完全安靜、清醒而舒適的狀態。周圍環境氣溫在20～25℃之間。時間應在餐後12～14h以上。如按正常的生活規律安排，晚餐安排在下午6時左右，基礎代謝率的測定正好在次日晨6～8時為宜。晚餐膳食須比較清淡以免食物對代謝的影響。從前一天起，受試者即應避免激烈運動，並且在測定前需要安靜休息30min以上。
在正常情況下，人體的基礎代謝率比較恆定，根據前人的研究成果，一個成年人在保持健康狀態的情況下，其基礎代謝率20年內不會偏離正常平均值的±5～10%；在同年齡、同體重、同性別的正常成年人群內，有85%的人其基礎代謝率在正常平均值的±10%以內。我國人正常基礎代謝率可見表1-1。
表1-1 我國人正常基礎代謝率平均值［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］ |
＊方括號內數值為「kcal.體表面積（m2）-1.h-1」
臨床上用測定值與正常值比較來衡量基礎代謝率的高低，在正常值的±10～15%以內者認為是正常的。計算方法，例如年齡為20歲的某男性，測得其基礎代謝氧耗量為15L/h。估計正常呼吸商為0.85，可以採用20.42kJ.L-1為氧的熱當量。假設此人的體表面積為1.6m2,此人的基礎代謝率為15×20.42÷1.6=191.44kJ.體表面（m2）-1.h-1（表1-1）。因此，此人的基礎代謝率高於正常值21%。
影響基礎代謝率的因素如下：
（1）體表面積 身材大小不同，人體的基礎代謝總量的顯然不同，基礎代謝與人體的體表面積呈比例關係。Rubner早在1894年發現，基礎代謝率如果以單位體表面積表示，則比較恆定。因此基礎代謝率.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。三十年代，Stevensen曾經得出我國人體表面積的計算公式。新中國成立以來。國人身材有很大變化，身高、體重都明顯增加。趙松山等人於1983年對我國人體表面與身高、體重的關係進行了研究，得出我國成年人的體表面積可以按下式計算：
A=0.00659H+0.0126W-0.1603
A:體表面積（m2）
H：身高（cm）
W：體重（kg）
我國營養學會根據近期的調查，1981年提出我國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%的範圍內，應視為正常體重。
Kleiber從實際應用出發，曾提出基礎代謝率的正常值若以每小時表示，則為3×體重0.75若以第24h表示，則為70×體重0.75。這一標準可以應用於任何身材大小的動物。還有人認為代謝率與代謝活躍的組織關係密切，提出基礎代謝率應以「去脂體重」（Lean bodymass）表示。但由於「去脂體重」的測量和計算方法現時尚未廣泛普及，所以採用者不多。
（2）年齡性別 女性的基礎代謝率略低於男性。嬰兒時期，因為身體組織生長旺盛，基礎代謝率最高，以後隨著年齡的增長而逐漸降低，參看圖1-1。
圖1-1 不同性別與不同年齡的正常基礎代謝率
（引自Guyton,AC:Textbook of MedicalPhysiology.p.883.Philadelphia W.B.Saunders Co,Lodon,1981）
(3)環境溫度與氣候 環境溫度對基礎代謝有明顯影響，在舒適環境（20～25℃）中，代謝最低；在低溫和高溫環境中，代謝都會升高。環境溫度過低可能引起不同程度的顫抖而影響代謝升高；當環境溫度較高，因為散熱而需要出汗，呼吸及心跳加快。因而影響代謝升高。
（4）甲狀腺功能 甲狀腺素可以增強所有細胞全部生化反應的速率。因此，甲狀腺素的增多即可引起基礎代謝率的升高。基礎代謝率的測定是臨床上甲狀腺機能亢進的重要診斷指征之一。甲狀腺機能亢進者，基礎代謝率可比正常平均值增加40～80%，甲狀腺機能低下者，可比正常值低40～50%。
（5）其它因素 影響人體基礎代謝率的還有藥物及交感神經活動等一些因素。食物對基礎代謝的影響，將在食物特殊動力作用一節中詳述。
1.3.3 勞動代謝
勞動代謝包括在生產與生活中全部體力活動的熱能消耗。體力活動是影響機體能量消耗的主要部分。常見的中等強度勞動，其氧耗量的大約是基礎代謝的4～5倍，較強勞動是基礎代謝的7～8倍，有的極強勞動可達基礎代謝的14～15倍。
糖在體內的分解代謝有兩種形式。如果勞動強度適宜，人體的循環和呼吸系統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，可以淨合成38mol的ATP，釋放2881.20kJ能量。人體進行很強的勞動時，一時取的氧量不足，骨骼肌所需的能量則從糖的無氧酵解代謝獲得，此時糖酵解為乳酸。1mol葡萄糖經酵解淨合成2molATP，釋放218.40kJ能量。人體進行勞動時，骨骼肌能否得到足夠的氧，取決於肺通氣量、血流輸送的氧量及肌細胞對氧的利用。開始勞動時，機體的氧攝取量不能即時達到骨骼肌需氧量的水平，機體先動用肌細胞內儲存的高能磷酸化合物（如ATP和磷酸肌酸）及（或）糖的無氧酵解以供給即時所需之能量。這時人體的氧耗量急劇增加，經一段時間後，氧耗量才達到一個穩態（steady state）,這段時間大約為2min。2min內機體的供氧量小於需氧量，不足的氧量稱之為氧缺乏（oxygen deficit）。氧缺乏的大小隨勞動強度而異。勞動強度適宜時，氧的攝取量可滿足需要，體內儲存的高能磷酸化合物在勞動中可得到補償，產生的乳酸也可以部分繼續氧化，體內不再進一步蓄積。因此，氧耗量表現為穩態。勞動強度過大時，氧的攝取量始終小於需要量，機體進行這種勞動主要依靠糖的無氧酵解供給能量，乳酸在體內蓄積，氧耗量不能呈現穩態。勞動停止後，需要一段較長的時間，氧耗才能回到安靜水平。這部分勞動後超過安靜水平的氧耗量即是氧債（oxygen debt）。次極量（submaximum）以下的勞動，穩態的氧耗水平的高低與勞動強度呈比例關係，對這種勞動只須測定勞動時的氧耗量，即可測知該項勞動的熱能消耗量。對於過強的勞動。除測定勞動時的氧耗量以外，還必須測定勞動後的氧債。勞動代謝的供能特點見圖1-2。
圖1-2 不同強度運動的氧耗量變化過程圖解
（a）運動的第一分鐘氧耗量逐漸增加；以後，當氧攝取量能滿足需要時則趨於平穩。運動停止後，氧攝取量逐漸減少，以償還「氧債」
（b）自行車功率計上，在5～6分鐘之內完成不同負荷的運動量時，氧攝取量變化的圖解。
（c）b圖實驗中氧攝取量與運動功率的關係。250Watts已達到此一受試者的氧攝取能力的最大值，以300watts繼續運動，未能引起氧攝取量的進一步增加，所增加的功率依靠無氧代謝完成。此人的最大有氧代謝能力為3.5L/分（可寫成VO2max）。各種功率運動時血乳酸濃度也列於圖中。
（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。在勞動代謝中，因為體力活動總是移動身體，所以勞動代謝率以每公斤體重每分鐘能量消耗表示為佳。勞動代謝的強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。有的學者為了使勞動強度與安靜代謝之間的關係有一較明了的概念，主張用「梅脫」（met）表示。其含意是安靜代謝的倍數。1met相當於安靜代謝的氧耗量；所謂2met即指需要2倍於安靜代謝的氧耗才能完成的勞動。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代謝率（relative metabolicrate,RMR）其意義與met近似，計算方法如下，表示淨勞動氧耗量是基礎代謝的多少倍。
相對代謝率=（勞動代謝-安靜代謝）/基礎代謝
1.3.4 食物特殊動力作用（specificdynamic action,SDA）
人體的代謝因進食而稍有增加。譬如，某人基礎代謝率為168.80kJ.h-1，當攝取相當於168.80kJ的食物，並處於基礎代謝條件下，經測定，這時的代謝率不是168.80kJ.h-1而是176.40kJ.h-1。顯然，這部分增加的代謝值是因進食引起的。這一現象最早為Rubner發現，他稱之為「食物特殊動力作用」。食物特殊動力作用與進食的總熱量無關，而與食物的種類有關。進食糖與脂肪對代謝的影響較小，大約只是基礎代謝的4%，持續時間亦只1h左右。但進食蛋白質對代謝的影響則較大，可達基礎代謝的30%。持續時間也較長，有的可達10～12h。食物特殊動力作用的機理，是食物在消化、吸收和代謝過程中的耗能現象。例如，某些酶的活力增加，代謝過程中某些物質在細胞與間質間的主動轉移等，胺基酸的脫氨基作用的耗能現象更加明顯。Krebs曾經報導蛋白質的特殊動力作用引起的能量消耗增加與體內尿素的產生有關；Cairnie等人在股骨骨折的動物實驗中，也觀察到產熱量與氮排出量平行地增加，並且認為這是因組織蛋白分解而增加胺基酸代謝所致。但Garrow等人的實驗又不能說明進餐後代謝率的升高與尿素的產量有任何關係［11］。對於人體勞動時的食物特殊動力作用，有人在實驗中發現幾乎是安靜時的2倍。由於這樣，人體進行勞動或運動時，機體不僅要供氧給運動的骨骼肌，而且要耗氧於食物影響的產熱過程，輸氧系統負擔加重，影響人體的耐力。如何使人體避免這種額外的負擔，而又處於供能充分的最佳狀態，所以，食物特殊動力作用仍然是需要進一步研究的課題。食物特殊動力作用在熱能需要量的計算中，仍然不甚明確，也不統一。首先是食物的種類，食物引起的耗能增加，在熱能需要量應佔多少比例？其次是在勞動條件下應如何計算？一般認為對高蛋白飲食習慣者，食物特殊動力作用約佔總熱量的10%。我國營養學者主張一般膳食的食物特殊動力作用約佔總熱能需要量的6%。計算方法：
設 A為一日熱能需要量；
C為生活觀察一日熱能消耗量；
6A/100為食物特殊動力作用。
計算式為：A=C+6A/100
簡化之則得： A=10C/9.4
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