为什么说能量是生命活动的基础？

新陈代谢是一切生命活动的基本特征。人体在生命活动过程中不断从外界环境中摄取食物，从中获得人体必需的营养物质，其中包括碳水化合物、脂类和蛋白质，一般称之为三大营养素。三大营养素经消化转变成可吸收的小分子物质被吸收入血，这些小分子物质在一方面经过合成代谢构成机体组成成分或更新衰老的组织；另一方面经过分解代谢释放出所蕴藏的化学能。这些化学能经过转化便成为生命活动过程中各种能量的来源，所以分解代谢是放能反应，而合成代谢则需要供给能量，因此是吸能反应。而机体在物质代谢过程中所伴随的能量释放、转移和利用则构成了整个能量代谢过程，是生命活动的基本特征之一。

能量的单位是什么？

“能”(energy)在自然界有多种形式有如太阳能、化学能、机械能、电能，它们之间可以相互转换。为了计量上的方便，国际上制订统一的单位，即焦耳(Joule，J)，或卡(calorie)。

1kcal指1000g纯水的温度由15℃上升到16℃所需要的能量。而1焦耳(joule，J)则是指用1牛顿(N)力把lkg物体移动lm所需要的能量。1000J等于1“千焦耳”(kilo joule，kJ)；1000kJ等于1“兆焦耳”(mega joule，MJ)。两种能量单位的换算如下：

1kcal=4.184kJ ，1kJ=0.239kcal

1000kcal=4.184MJ，1MJ=239kcal

我们人体所需的能量来源于哪里？

人体的生命活动过程，都需要能量，如物质代谢的合成和分解反应、心脏跳动、肌肉收缩、腺体分泌等。而这些能量来源于食物。生物的能量来源于太阳的辐射能。其中，植物借助叶绿素的功能吸收利用太阳辐射能，通过光合作用将二氧化碳和水合成碳水化合物；植物还可以吸收利用太阳辐射能合成脂类、蛋白质。而动物在食用植物时，实际上是从植物中间接吸收利用太阳辐射能，人类则是通过摄取动、植物性食物获得所需的能量。动、植物性食物中所含的营养素可分为五大类：碳水化合物、脂类、 蛋白质、矿物质和维生素，如果加上水，则为六大类。其中，碳水化合物、脂类和蛋白质经体内代谢可释放能量。三者统称为“产能营养素”或能源物质。

产能营养素：碳水化合物、蛋白质、脂肪

一、产能营养素

(一)碳水化合物

碳水化合物是机体的重要能量来源。我国居民所摄取食物中的营养素，以碳水化合物所占的比重最大。一般说来，机体所需能量的50％以上是由食物中的碳水化合物提供的。食物中的碳水化合物经消化产生的葡萄糖被吸收后，有一部分以糖原的形式贮存在肝脏和肌肉 中。肌糖原是骨骼肌中随时可动用的贮备能源，用来满足骨骼肌在工作的情况下的需要。肝 糖原也是一种贮备能源，贮存量不大，主要用于维持血糖水平的相对稳定。

脑组织消耗的能量相对较多，在通常情况下，脑组织消耗的能量均来自碳水化合物的有 氧的条件下氧化，因而脑组织对缺氧非常敏感。另外，脑组织细胞贮存的糖原又极少，代谢 消耗的碳水化合物主要来自血糖，所以脑功能对血糖水平有很大的依赖性。

(二)脂类

机体内的脂类分为组织脂质和贮存脂质两部分。组织脂质主要包括胆固醇、磷脂等，是组织、细胞的组成成分，在人体饥饿时也不减少，但不能成为能源。贮存脂质主要是脂肪， 也称甘油三酯或中性脂肪。在全部贮存脂质中，脂肪约98％。其中一部分是来自食物的外源性脂肪；另一部分是来自体内碳水化合物和氨基酸转化成的内源性脂肪。脂肪含能量最高是体内各种能源物质的主要贮存形式。

在正常情况下，人体所消耗的能源物质中有40％～50％来自体内的脂肪，其中包括从 食物中摄取的碳水化合物所转化成的脂肪；在短期饥饿情况下，则主要由体内的脂肪供给能 量。脂肪酸可直接供给很多组织利用，也可在肝脏转化成丙酮酸再供给其他组织利用。不但 骨骼肌、心肌等可利用脂肪酸和酮体，在饥饿时，脑组织也可利用酮体。所以，脂肪也是重 要的能源物质，但它不能在机体缺氧条件下供给能量。

(三) 蛋白质

蛋白质是由氨基酸构成的，在机体蛋白质代谢中，也主要是利用氨基酸进行合成和分解代谢。体内氨基酸有两个来源，一是来自食物蛋白质消化所产生的氨基酸，由小肠吸收入血； 二是在机体新陈代谢过程中，组织、细胞蛋白质分解所产生的氨基酸。这两部分氨基酸主要 用于合成细胞成分以实现自我更新，也用于合成酶、激素等生物活性物质。氨基酸也可以作 为能源物质，但这是用较高的代价而取得的。

氨基酸在体内经过脱氨基作用或氨基转换作用，分解为非氮成分和氨基。其中非氮成分(α-酮酸)可以氧化供能，氨基则经过处理后主要由肾脏排出体外。人体在一般情况下主要利用碳水化合物和脂肪氧化供能。但在某些特殊情况下，机体所需能源物质供能不足，如长期不能进食或消耗量过大时，体内的糖原和贮存脂肪已大量消耗之后，将依靠组织蛋白质分解产生氨基酸来获得能量，以维持必要的生理功能。

进食是周期性的，而能量消耗则是连续不断的，因而贮备的能源物质不断被利用，又不 断补充。当机体处于饥饿状态时，碳水化合物的贮备迅速减少，而脂肪和蛋白质则作为长期 能量消耗时的能源。

二、什么是食物的能量系数

人体所需要的能量来源于动物性和植物性食物中的碳水化合物、脂类和蛋白质三种产能营养素。每克产能营养素在体内氧化所产生的能量值称为“食物的热价”或“食物的能量卡价”，亦称“能量系数”。

(一)食物在体外的燃烧热

物质燃烧时所释放出的热，称为燃烧热。食物可在动物体内氧化，也可在动物体外燃烧。体外燃烧和体内氧化的化学本质是一致的，每克产能营养素在体外燃烧时所产生的能量值称 为“物理卡价”。

食物的燃烧热通常采用“弹式热量计”测定。

“弹式热量计”的基本构造是两中空形金属球(或带盖小钢罐)，即钢弹。钢弹内安放能放电的电极及其引出的导线。操作时先将定量的食物或产能营养素样品置于钢弹内电极附近，然后紧闭钢弹，从气口充入纯氧至一定压力； 置钢弹于定量的特制水箱内，水箱中置一精密温度计。导线通电后可使钢弹内食物或产能营养素样品在纯氧的环境中充分燃烧；燃烧所产生的热量经过钢弹传导给水箱中的水，于是水温上升，再根据样品的重量、水箱中的水量和水温上升的度数推算出所产生的燃烧热。

(二)食物在体内的燃烧热

产能营养素在体内的燃烧(生物氧化)过程和在体外燃烧过程不尽相同，体外燃烧是在氧作用下完成的，化学反应激烈，伴随着光和热；体内氧化是在酶的作用下缓慢进行的，比较 温和；特别是最终产物不完全相同，所以产生的热量(即能量)也不完全相同。

据用“弹式热 量计”测定，1g 碳水化合物在体外燃烧时平均产生能量17.15kJ(4.1kcal)；1g 脂肪平均产能 39.54kJ(9.45kcal)；1g 蛋白质平均产能23.64kJ(5.65 kcal)。但在体内氧化时，碳水化合物和脂肪与体外燃烧时的最终产物均为二氧化碳和水，所产生的能量也相同。

蛋白质在体内氧化时的最终产物为二氧化碳、水、尿素、肌酐及其他含氮有机物；而在体外燃烧时的 最终产物则为二氧化碳、水、氨和氮等，体内氧化不如体外燃烧完全。若将1g 蛋白质在体内氧化的最终产物收集起来，继续在体外燃烧，还可产生能量 5.44kJ(1.3 kcal)。如果用“弹式热量 计”体外燃烧试验推算体内氧化产生的能量值 应为：1g 碳水化合物17.15kJ(4.1kcal) ，1g 脂肪： 39.54kJ(9.45 kcal) ，1g 蛋白质则为23.64-5.44=18.2kJ(4.35kcal)。

另外，食物中的营养素在消化道内并非 100％吸收。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％。所以，三种产能营养素在体内氧化实际产生能量则为：

1g 碳水化合物：17.15kJ×98％=16.81kJ(4.Okcal)

1g 脂肪：39.54kJ×95％=37.56kJ(9.Okcal)

1g 蛋白质：18.2kJ×92％=16.74kJ(4.0kcal)

三、能量来源分配

三类产能营养素在体内都有其特殊的生理功能并且彼此相互影响，如碳水化合物与脂肪的相互转化及它们对蛋白质有节约作用。因此，三者在总能量供给中应有一个恰当的比例。根据我国的饮食特点，成人碳水化合物供给的能量以占总能量的55％～65％，脂肪占 20％～30％，蛋白质占10％～15％为宜。年龄越小，蛋白质及脂肪供能占的比例相应增加。成人脂肪摄入量一般不宜超过总能量的 30％。

人体内的能量是如何消耗的？

能量从一种形式转化为另一种形式的过程中，其能量既不增加也不减少。这是所有形式 的能量互相转化的一般规律，即能量守恒定律，机体的能量代谢也遵循这一普遍规律。即在 整个能量转化过程中，机体所利用的蕴藏于食物中的化学能与最终转化成的能量和所做的外 功，按能量折算是完全相等的。也就是说，机体的能量需要与消耗是一致的。在理想的平衡 状态下，个体的能量需要量等于其消耗量。成年人的能量消耗主要用于维持基础代谢、体力 活动和食物生热效应；孕妇还包括子宫、乳房、胎盘、胎儿的生长及体脂储备；乳母则需要 合成乳汁；儿童、青少年则应包括生长发育的能量需要；创伤病人康复期间等也需要能量。

一、基础代谢

(一)基础代谢与基础代谢率

基础代谢(basal metabolism，BM)是指人体维持生命的所有器官所需要的最低能量需要。测定方法是在清晨而又极端安静状态下，不受精神紧张、肌肉活动、食物和环境温度等因素影响时的能量代谢。而单位时间内的基础代谢，称为基础代谢率(basal metabolic rate， BMR)。一般是以每小时所需要的能量为指标。

基础代谢的测量一般都在清晨未进餐以前进行，距离前一天晚餐 12～14 小时，而且测 量前的最后一次进餐不要吃得太饱，膳食中的脂肪量也不要太多，这样可以排除食物热效应 作用的影响。测量前不应做费力的劳动或运动，而且必须静卧半小时以上，测量时采取平卧 姿势，并使全身肌肉尽量松弛，以排除肌肉活动的影响。测量时的室温应保持在20～25℃ 之间，以排除环境温度的影响。

(二)基础代谢的测量

1.气体代谢法

能量代谢始终伴随着氧的消耗和二氧化碳的产生。故可根据氧的消耗量推算能量消耗量。目前临床常用的是一种特制的代谢车。

2. 用体表面积计算

基础代谢一般以每小时、每平方米体表面积的产热量为单位。传统以kcal／(m2h)表示，现按国际制单位则以 kJ／(m2h)表示。基础代谢消耗的能量常根据体表面积或体重和基础代谢率计算。

基础代谢=体表面积(m2)×基础代谢率[kJ／(m2h)或 kcal／(m2h)]………(1)

人体的体表面积，可根据身高和体重来推算。Stevenson 根据在中国人体的测量结果提出体表面积计算公式为：

S(m2)=0.0061 身高(cm)+0.0128 体重(kg)-0.1529………………………………………(2)

20 世纪80年代，赵松山等测量了56 名18～45 岁成年人的体表面积，提出中国人的体表 面积计算公式：

S(m2)=0.00659 身高(cm)+0.0126 体重(kg)-0.1603……………………………………(3)

中国人正常基础代谢率平均值[kJ／(m2h)]，见下表。

(三)影响基础代谢的因索

1.体表面积 基础代谢率的高低与体重并不成比例关系，而与体表面积基本上成正比。因此，用每平方米体表面积为标准来衡量能量代谢率是比较合适的。

2.年龄 在人的一生中，婴幼儿阶段是整个代谢最活跃的阶段，其中包括基础代谢率，以后到青春期又出现一个较高代谢的阶段。成年以后，随着年龄的增加代谢缓慢地降低，其中也有一定的个体差异。

3.性别 实际测定表明，在同一年龄、同一体表面积的情况下，女性基础代谢率低于男性。

4.激素 激素对细胞的代谢及调节都有较大影响。如甲状腺功能亢进可使基础代谢率明显升高；相反，患粘液水肿时，基础代谢率低于正常。去甲肾上腺素可使基础代谢率下降25％。

5.季节与劳动强度 基础代谢率在不同季节和不同劳动强度人群中存在一定差别，说明气候和劳动强度对基础代谢率有一定影响。例如，寒季基础代谢高于暑季；劳动强度高者高于劳动强度低者。

(四)静息代谢

静息代谢是一种与基础代谢很接近的代谢状态，是在测定中仅省略摄入食物的这个条件，测定过程要求全身处于休息状态，不用早上睡醒测量，但不是空腹而是在进食3～4 小时后测量。此时机体仍在进行着若干正常的消化活动，这种状态比较接近于人们正常生活中 处于休息的状态，在这种条件下测出的代谢率，称为静息代谢率(resting metabolism rate , RMR)。RMR与BMR相差约10％，故在实际工作中可以采用。RMR 一般占总能量消耗的大部(60％～75％)。

二、体力活动

除了基础代谢外，体力活动是人体能量消耗的主要因素。因为生理情况相近的人，基础 代谢消耗的能量是相近的，而体力活动情况却相差很大。机体任何轻微活动都可提高代谢率， 人在运动或劳动时耗氧量显著增加。这是因为运动或劳动等体力活动时肌肉需要消耗能量， 而能量则来自营养物质的氧化，这就必然导致机体耗氧量增加。机体耗氧量的增加与肌肉活 动的强度呈正比关系。耗氧量最多可达到安静时的10～20 倍。通常各种体力活动所消耗的 能量约占人体总能量消耗的 15％～30％。

人们每天的工作和生活包括多种活动，这些活动都需要肌肉做功来完成。在人体的整个 能量消耗中，肌肉活动或体力活动占较大比例。因为一切活动都需要能量。

影响体力活动能量消耗的因素：①肌肉越发达者，活动能量消耗越多；②体重越重者， 能量消耗越多；③劳动强度越大、持续时间越长，能量消耗越多；④与工作的熟练程度有关。 其中劳动强度和持续时间是主要影响因素，而劳动强度主要涉及劳动时牵动的肌肉多少和负 荷的大小。

三、食物热效应

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。过去称为食物的特殊动力作用(specific dynamic action，SDA)。例如，进食碳水化合物可使能量消耗增加5％～6％，进食脂肪增加4％～5％，进食蛋白质增加30％～40％。一般混合膳食约增加基础代谢的 10％。 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。当只够维持基础代谢的食物摄入后，消耗的能量多于摄人的能量，外散的热多于食物摄人的热，而此项额外的能量却不是无中生有的，而是来源于体内的营养贮备。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。

四、生长发育及影响能量消耗的其他因素

处在生长发育过程中的儿童，其一天的能量消耗还应包括生长发育所需要的能量。

怀孕的妇女，由于子宫内胎儿的发育，孕妇间接地承担并提供其迅速发育所需的能量， 加上自身器官及生殖系统的进一步发育需要特殊的能量，尤其在怀孕后半期。

除上述影响基础代谢的几种因素对机体能量消耗有影响之外，还受情绪和精神状态影响。脑的重量只占体重的2％，但脑组织的代谢水平是很高的。例如，精神紧张地工作，可使大脑的活动加剧，能量代谢约增加 3％～4％，当然，与体力劳动比较，脑力劳动的消耗仍然相对地少。

能量消耗测定方法

人体各项活动消耗的能量及每日的总能量消耗，有不同测定方法。人体总能量消耗(total energy expenditure，TEE)测定是研究能量需要量的常用方法。

一、直接测热法

直接测热法(direct calorimetry)测定能量消耗

较精确的方法是直接测定人体在一时间内向外散失的热量。此法是将受试者关闭在直接量热器内。量热器是用铜板特制的小室，整个室又用锌板及木板包围。铜板、锌板及木板中间各隔一层空气，使其不易传热。室顶装置铜管，借冷水在管内的流动以吸收受试者散出的热量并维持室内温度的恒定。受试者在室内呼出的二氧化碳和水，分别用氢氧化钾及浓硫酸吸收；所消耗的氧，则设法补充；并用压力调节器以调节室内压力的恒定。

受试者所放出的热，一部分用以蒸发排出的水使之变为水蒸气，随空气流出室外。 所以即可根据空气中水蒸气含量及被浓硫酸吸收的水量计算水蒸发时所需的热量；另一部分则被室顶铜管内的冷水所吸收，所以测定水的循环量及流人和流出量热室的温度差，即可计算随水流出室外的热量。因为整个量热室温度恒定。受试者的体温亦无改变，所以水蒸发时所需的热量及随水流出室外的热量之和即为受试者的能量消耗量。

多年来，直接测热装置有不少改进。例如,用空气代替水来吸收受试者所散发的热量，即将调节到一定温度的空气送入隔热的受试者居室中，然后使这些空气通过热交换装置，以测 算受试者在一定时间内散发的热量。这种测热装置适用于人和大动物，而且同早期的测热装 置相比更为精确。

由于这种测热装置设计、制造复杂，应用受到限制，目前主要用于肥胖和内分泌系统功

能障碍等研究工作。

二、问接测热法

在化学反应中，反应物的量和生成物的量之间呈一定的比例关系，即定比关系。例如，氧化1mol葡萄糖，需要 6molO2，同时产生 6molCO2 和 6molH2O，并释放一定的能量。 同一种化学反应，不论经过什么样的中间步骤，也不管反应条件差异有多大，这种定比关系不变。例如，在体内氧化1mol葡萄糖与体外燃烧1mol葡萄糖都要消耗6molO2，产生6molCO2，和6molH2O，而且产生的能量也相等。因为测定时，人体所用的能量可由蛋白质、脂类及碳水化合物提供，不同的比例产能也不同，故在测定呼出气体中可求出呼吸商(RQ)，以准确求出能量消耗，总的来说可根据生活劳动过程中氧的消耗与二氧化碳的排出测定、推算能量消耗量。

(一)生活观察法

即记录被测定对象一日生活和工作的各种动作及时间，然后查《能量消耗率表》，再经过计算，得一日能量消耗量。

(二)心率监测法

用心率监测器和气体代谢法同时测量各种活动的心率和能量消耗量，推算出心率-能量消耗多元回归方程式。目前已有几种简便仪器用于监测个体自由活动的心率，这种方法误差较大，因为心理活动也可以影响心率。

能量的需要量及膳食参考摄入量

人体能量代谢的最佳状态是达到能量消耗与能量摄入的平衡。这种能量平衡(energy balance)能使机体保持健康并能胜任必要的社会生活。能量代谢失衡，即能量缺乏或过剩都 对身体健康不利。

一、能量需要量的确定

迄今，直接测定成年人在自由活动情况下的能量消耗量仍十分困难。由于BMR 约占总能量消耗的60％～70％，所以它是估算成年人能量需要量的重要基础。WHO(1985)、美国(1989)、日本(1990)修订推荐摄人量时均采用了“要因加算法”（factorl approach）估算成年人的能量需要量。即以BMR乘以体力活动水平(physical ctivity level，PAL)计算人体的能量消耗量或需要量。即能量需要量=BMR×PAL。对儿童、孕妇、乳母等特殊生理情况下，尚需考虑其特殊需要。

Schofield 按体重推算BMR 公式已被 WHO(1985)采纳，现已成为估算人群能量需要量的重要依据。按Schofield公式计算亚洲人的BMR可能偏高，亚洲人的BMR可能比欧洲人低10%。据我国以往实测成年人的BMR，也呈现这种偏低的趋势。为此，我国在应用 WHO 推荐的BMR计算公式时，采取减 5％的办法作为计算18～44 岁和 45～59 岁两个人群的 BMR.。

成年人的PAL受劳动强度的影响，不同劳动强度的PAL 值见下表：

二、膳食能量推荐摄人量

根据上述 BMR 和 PAL 的计算方法，并按 BMR×PAL=能量推荐摄入量计算公式， 推算中国居民成年人膳食能量推荐摄入量(RNI)，见下表：

在一定的时间内，了解人的能量是否平衡，精确了解体重的变化，是一个可行的自我监 测方法，测定时应先排便，除去衣物用可靠的称量工具来测定。

能量的食物来源

人体的能量来源是食物中的碳水化合物、脂类和蛋白质。这三类营养素普遍存在于各种 食物中。粮谷类和薯类食物含碳水化合物较多，是膳食能量最经济的来源；油料作物富含脂 肪；动物性食物一般比植物性食物含有更多的脂肪和蛋白质；但大豆和坚果类例外，它们含丰富的油脂和蛋白质；蔬菜和水果一般含能量较少。