能量代谢与体型的关系及影响因素

案例导入

营养门诊咨询

一位年龄近70岁的老奶奶，领着一名5岁的男孩来到营养门诊咨询，讲述到她孙子不好好吃饭，近期体弱多病、体重未增长，并询问解决的办法。营养师首先询问膳食情况、检查了孩子的身高体重；了解到孩子身高在正常范围之内，但体重在标准数值3SD以下、膳食有营养不平衡问题。

案例思考：

请结合本内容的学习，思考回答。

1.该男孩一天应该摄入的能量是多少？

2.该男孩的能量来自哪些营养素？

3.这些营养素适宜的供能百分比是多少？

一、概述

能量（energy）是一切生物维持生命活动的基础。人体通过摄取食物中的产能营养素（碳水化合物、脂肪和蛋白质）来获取能量，以维持机体的各种生理功能和生命活动。这三种营养素进入人体，经过消化吸收后，可在生物氧化过程中释放能量，其中一部分转变成热能以维持体温，另一部分满足其他生命活动的需要。机体内能量的释放、转移和利用的过程称为能量代谢。物质代谢和能量代谢共同构成生物的新陈代谢。

（一）能量单位

营养学上惯用的能量单位是卡（cal）或千卡（kcal），1 kcal是指1个标准大气压下，1 kg纯水由15℃上升到16℃时所需要的能量。国际通用的能量单位是焦耳（J）、千焦耳（kJ）或兆焦耳（MJ）。1J是指用1牛顿的力把1kg物体移动1m的距离所消耗的能量。能量单位换算关系如下：

1 kcal=4.186 kJ 1 kJ=0.239 kcal 1 MJ=239 kcal 1 MJ=1000 kJ=106 J

（二）能量系数

每克碳水化合物、脂肪和蛋白质在体内进行氧化分解（或在体外燃烧）时所产生的能量值称为能量系数或食物的热价（energy coefficient/calorific value）。1 g产能营养素在体内氧化所产生的能量称为生理价，在体外燃烧所释放的能量称为物理价。1 g碳水化合物、脂肪和蛋白质在体外完全燃烧时产生的能量分别为17.15 kJ（约4.10 kcal）、39.54 kJ（约9.45 kcal）、23.64 kJ（约5.65 kcal）。在体内氧化时，碳水化合物和脂肪的最终产物均为二氧化碳和水，与体外燃烧相同，产生的能量也相同。蛋白质在体外燃烧时的最终产物为二氧化碳、水、氨和氮气等，而在体内氧化时，其最终产物为二氧化碳、水、尿素、肌酸及其他含氮有机物，即在体内氧化不如在体外燃烧充分。若将1 g蛋白质在体内氧化产生的尿素等有机含氮物收集起来，在体外继续燃烧，还可产生5.44 kJ（约1.30 kcal）的能量，由此可推算1 g蛋白质在体内氧化产生的能量：23.64-5.44=18.2（kJ）（约4.35 kcal）。正常人普通混合膳食时，碳水化合物的平均吸收率为98%，脂肪为95%，蛋白质为92%。因此计算膳食的能量时，还应考虑吸收率。通常将1 g产能营养素在体内氧化时实际为机体提供的能量称为营养学热价。三种营养素的能量系数见表1-1。

表1-1　三种营养素的能量系数

此外，每克酒精在体内产生的能量约为29 kJ（约6.93 kcal）；不可利用的碳水化合物（膳食纤维）虽然不能在小肠内消化吸收，但可在大肠内发酵，产生短链脂肪酸进而生成能量，每克膳食纤维在体内产生的能量约为8 kJ（约1.91 kcal）。

二、人体的能量消耗

健康成年人的能量消耗主要用于维持基础代谢、身体活动和食物热效应三方面。

（一）基础代谢

基础代谢（basal metabolism）又称基础能量消耗（basic energy expenditure，BEE），是指维持机体最基本生命活动所需要的能量消耗，如维持体温、呼吸、心脏搏动、血液循环及其他组织器官和细胞的基本生理功能的需要。占人体总能量消耗的60%～70%。基础代谢的水平用基础代谢率（basal metabolism rate，BMR）表示，指每小时每千克体重（或每平方米体表面积）人体基础代谢所消耗的能量。BMR的单位为kJ/（kg·h）或kcal/（kg·h）、kJ/（m2·h）或kcal/（m2·h）。

通常可按以下几种方法计算出每天基础代谢的能量消耗。

1.用体表面积计算　我国赵松山于1984年提出了一个相对适合中国人的体表面积（M）计算公式：

M2=0.00659×身高（cm）+0.0126×体重（kg）-0.1603

根据这个公式计算出体表面积，再按年龄、性别在表1-2中查出相应的BMR，即可计算出24 h基础代谢消耗的能量。

2.直接用公式计算　Harris和Benedict提出以下公式，可根据年龄、身高和体重直接计算24 h的基础代谢能量消耗。

男性　BEE（kcal/24 h）=66.5+13.8×体重（kg）+5.0×身高（cm）-6.8×年龄（岁）

女性　BEE（kcal/24 h）=655.1+9.5×体重（kg）+1.8×身高（cm）-4.7×年龄（岁）

更为简单的方法是成年男性按每千克体重每小时1 kal（4.186 kJ）、女性按每千克体重每小时0.95 kal（3.977 kJ），与体重相乘直接计算，其结果相对粗略。

3.世界卫生组织建议的计算方法　目前最为公认的推算BEE的公式是Schofield公式（表1-2）。按照此公式计算中国人的基础代谢偏高，中国营养学会建议将18～59岁人群按此公式计算的结果减去5%，作为该人群的基础代谢能量消耗参考值。

表1-2　按体重计算基础能量消耗的公式

影响基础代谢的因素很多，包括体型和机体构成、性别、年龄、环境温度、内分泌功能、应激状态等。基础代谢与体表面积的大小成正比，体表面积越大，向外环境散热越快，基础代谢能量消耗亦越高。瘦体组织（包括肌肉、心脏、肝脏、肾脏及脑等）是代谢活跃的组织，其消耗的能量占基础代谢能量消耗的70%～80%，明显高于脂肪组织消耗的能量。因此，同等体重情况下，瘦高且肌肉发达者的基础代谢能量消耗高于矮胖者。当年龄和体表面积相同时，男性瘦体组织所占比例一般高于女性，其基础代谢能量消耗比女性高5%～10%。基础代谢随年龄增加而逐渐降低，成年人比儿童低，老年人比成年人低。环境温度18～25℃时，人体感觉舒适，基础代谢率最低，温度升高或降低时基础代谢率都会不同程度升高。甲状腺素、肾上腺素等分泌异常时会使基础代谢率受到影响，如甲状腺功能亢进者基础代谢率升高，而甲状腺功能减弱者基础代谢率可比正常平均值低40%～50%。寒冷、大量摄入食物、体力过度消耗以及精神紧张均可增高基础代谢率水平。而禁食、饥饿或少食时，基础代谢能量消耗相应降低。

（二）身体活动

身体活动（physical activity）是指任何由骨骼肌收缩引起能量消耗的身体运动，占人体总能量消耗的15%～30%。体力活动能量消耗随人体活动量的增加而大幅度增加。不同的身体活动水平是导致人体能量需要量不同的主要因素，人体可通过调整身体活动水平来控制能量消耗，保持能量平衡和维持健康。

影响身体活动能量消耗的因素包括：肌肉越发达者，活动时消耗能量越多；体重越重者，做相同的运动所消耗的能量也越多；工作越不熟练者，消耗能量就越多。成年人能量推荐摄入量的多少以估算基础能量消耗（BEE）为重要基础，再用其与身体活动水平（physical activity level，PAL）的乘积来估算成年人总能量消耗量（total energy expenditure，TEE）。中国营养学会将中国人群成年人身体活动强度分为三级，即轻体力活动水平（PAL1.50）、中等体力活动水平（PAL1.75）和重体力活动水平（PAL2.00），但如果是明显的体育运动或重体力休闲活动者，PAL增加0.3。中国成年人身体活动水平分级见表1-3。

表1-3　中国营养学会建议的中国成年人身体活动水平分级

注：有明显体育运动量或重体力休闲活动者（每周4～5次，每次30～60 min），PAL增加0.3；摘自中国营养学会，《中国居民膳食营养素参考摄入量（2013版）》。

国际上身体活动强度的通用单位是能量代谢当量（metabolic equivalence of energy，MET），1 MET相当于能量消耗为1 kcal/（kg·h）或消耗3 mL O2/（kg·min）的活动强度。身体活动强度一般以7～9 MET为高强度身体活动，＜3 MET为低强度身体活动。常见的身体活动强度和能量消耗见表1-4。

表1-4　常见的身体活动强度和能量消耗

续表

注：1 MET=1 kcal/（kg·h）；MET＜3低强度，MET 3～6中等强度，MET 7～9高强度，MET 10～11极高强度；千步当量数：进行相应活动项目1小时相当的千步数。

（三）食物热效应

食物热效应（thermal effect offood，TEF）指人体在摄食过程中引起的额外能量消耗，也称食物特殊动力作用（specific dynamic action，SDA）。目前认为主要是进食后一系列的消化、吸收、合成活动以及营养素及营养素代谢产物之间的相互转化过程中消耗的能量。食物热效应与食物营养成分、进食量和进食速度有关。摄入蛋白质时的SDA最高，相当于蛋白质本身产生能量的20%～30%，碳水化合物为5%～10%，脂肪为0～5%。一般成年人摄入混合膳食时，由SDA引起的能量消耗为每日150 kcal左右，相当于基础代谢的10%。摄食越多，能量消耗也越多；进食快者比进食慢者食物热效应高，进食快时中枢神经系统更活跃，激素和酶的分泌速度更快、数量更多，吸收和储存的速率更高，能量消耗也相对更多。

（四）特殊生理阶段的能量消耗

特殊生理阶段包括孕期、哺乳期和婴幼儿、儿童、青少年等阶段。孕期额外能量消耗的增加主要包括胎儿生长发育和孕妇子宫、乳房与胎盘的发育及母体脂肪的储存以及这些组织的自身代谢等；哺乳期乳母产生乳汁及乳汁自身含有的能量等也需要额外的能量消耗。婴幼儿、儿童、青少年阶段生长发育额外能量的消耗，主要指机体生长发育中合成新组织所需的能量。

人群或个体的能量需要应根据人体的能量消耗量来确定。能量消耗的测定方法包括直接法和间接法。直接法是指测定机体耗氧量和二氧化碳产生量的各种方法，间接法则是通过总能量摄入量和心率推算出能量消耗量。

1.直接测热法　测量总能量消耗量（TEE）最准确的方法，其原理是将受试者置于密闭测热室内，通过测定身体向环境的散热量来计算TEE。但该方法测量复杂，应用较为受限。

2.间接测热法　间接测热系统的经典方法是道格拉斯袋（Douglas bag），即采用密闭的口袋收集在一定时间一定活动条件下人体呼出的全部气体，分析O2和CO2的含量，与空气对比，测出该段时间内耗氧量和CO2的产生量，间接得到人体的能量消耗量。

3.双标记水法　一种测定人体在日常生活和工作环境中自由进行各种活动的总能量消耗的计算方法。优点是不干扰人体的一切活动。目前被作为测量TEE的金标准。原理是受试者摄入定量的双标记水（2H2O和H2 18O）后，体内被这两种稳定同位素所标记，当它们在体内达到平衡时，2H参与H2O的代谢，18O参与CO2的代谢，这样可计算出CO2的生成率，最后用WEIR公式计算单位时间内平均能量消耗量。虽然双标记水法准确度和精度较高，且适用于任何人群或个体的测定，但实验费用较高，因此使用较为局限。

4.心率监测法　心率是比较容易测量的生理指标之一，且与人体机能活动状态及能量代谢密切相关。因此心率监测法已成为简易而科学的监测和评价TEE和身体活动的方法。但心率易受情绪、环境等影响，因此在应用本方法时，应尽量控制好相关的干扰因素。

5.运动感应器测量法　常见的运动感应器有计步器和加速度计，其原理是通过佩戴运动感应器来记录运动的相关信息，从而计算得出能量消耗情况。

6.调查记录法　该方法简单易行，通过身体活动记录、活动问卷调查，参考身体活动强度后计算得出TEE。但该方法较为主观，因此准确性在很大程度上取决于受试者的代表性和依从性。

三、人体的能量平衡

人体消耗的能量须从外界摄取食物才能得以补偿，使机体消耗和摄取的能量趋于相等，营养学上称为能量的平衡。能量的平衡并不是要求每个人每天的能量摄取都要做到平衡，而是要求成年人在7天内消耗与摄入的能量平均值趋于相等。能量平衡能使机体保持健康，并能胜任必要的工作、学习和劳动。

饥饿或疾病等原因可引起能量摄入不足。当摄入能量低于消耗能量时，机体将动员储存的糖原或脂肪，甚至消耗自身组织来满足生命活动所需的能量，进而导致体力、环境适应能力和抗病能力下降以及工作效率低下。如长期能量摄入不足，会引起能量缺乏性疾病，最常见的是蛋白质-能量营养不良。

当机体长期处于能量摄入大于消耗的状态时，过剩的碳水化合物以糖原的形式储存在肝脏和肌肉中或转化为脂肪，并与过剩的脂肪一样以甘油三酯的形式储存在脂肪组织中，则会导致肥胖症、原发性高血压、心脏病、糖尿病和某些癌症发病率明显上升。

四、能量来源与参考摄入量

人体所需能量主要由蛋白质、脂肪和碳水化合物三大营养素提供。这三类营养素普遍存在于各种食物中。其中碳水化合物主要存在于粮谷类、薯类和根茎类食物中，是最主要、最经济的膳食能量来源；脂肪主要存在于植物油和肉类中；蛋白质主要存在于动物类和豆类食物中；蔬菜和水果中脂肪和蛋白质含量较低，但坚果例外。另外，酒中的酒精也能提供较高的能量。

三大产能营养素提供的能量应该有合理的摄入比，才能满足机体需要。按我国人民的膳食结构、饮食习惯和营养状况，建议成年人蛋白质提供的能量占总能量的10%～15%，脂肪占20%～30%，碳水化合物占50%～65%为宜。年龄越小，脂肪供能占总能量的比重越大，但成年人脂肪摄入量不宜超过总能量的30%。中国营养学会在《中国居民膳食营养素参考摄入量（2013版）》中推荐了不同年龄、性别、体力活动强度人群的能量摄入量及脂肪供能比，见附录A。

五、人体能量摄入的调节

食欲行为与能量平衡的调节是生理因素（感官刺激、胃肠信号、内分泌、神经与体液等）和非生理因素（环境、摄食行为等）相互作用的复杂过程。

（一）神经生理对摄食的调节

食欲和摄食行为主要通过摄食系统和饱食系统来调节摄食启动和终止，是一个短期的生理调节过程。当人体感觉器官（嗅觉、视觉、触觉、味觉）受到食物色、香、味的感觉刺激时，摄食信号迅速通过自主神经系统传递到下丘脑摄食中枢，启动消化过程（包括唾液、胃液、胆汁和胰岛素等分泌增加、胃蠕动或牵拉增强），从而引起饥饿感和食欲，表现为启动摄食过程。食物作用于口腔、食管和胃肠壁上的机械性刺激感受器和化学感受器，通过传入神经和激素（如胰高血糖素、胆囊收缩素和生长激素抑制素）将信号传递给下丘脑饱食中枢，产生饱腹感，食欲得到满足，机体终止摄食过程。

（二）营养素及其代谢产物对摄食的调节

食物经过消化、吸收后，血液中营养素及其代谢产物对摄食信号因子和饱食信号因子也具有调控作用。当血糖低于某一阈值时，会导致机体产生饥饿感和食欲增加，并激发摄食行为；而高血糖水平又会产生饱食信号，则摄食停止。脂肪酸及其代谢产物的水平对食物摄入具有负反馈的调节作用：当体内脂肪储存增加时，过多的脂肪作为饱腹信号反馈作用于中枢神经系统，通过调节饱腹感，终止摄食行为。同时，三大产能营养素的食物热效应引起体温升高，也可抑制摄食行为。

（三）蛋白和肽类因子对摄食的调节

组织细胞中多种蛋白和肽类因子能够调节食欲和能量代谢，如生长素释放肽和胰多肽能促进食欲和能量代谢。中枢神经系统能分泌多种蛋白和肽类因子，如分布于下丘脑的神经肽Y和下丘脑外侧区、穹隆周围核分泌的食欲肽A和B能促进食欲和调节能量代谢，而饱腹因子和促肾上腺皮质激素释放激素则可抑制摄食行为。

（四）蛋白因子对能量消耗的影响

解偶联蛋白是一组存在于脂肪细胞、骨骼肌和脑细胞等细胞线粒体内膜上的跨膜蛋白质，通过产热与能量消耗来调节机体的能量平衡。β3-肾上腺素受体主要分布于脂肪细胞上，受到交感神经介质儿茶酚胺类物质的调控作用，主要参与脂肪组织的产热、脂肪分解、提高机体代谢率、调控体脂恒定等过程。

（五）非生理因素对能量摄入的影响

进食环境和食物特性（食物品种、包装和体积）、饮食习惯（食物喜好和选择等）、食物信念和态度（食物的益处、食物的消耗量等）以及社会文化因素等非生理因素也会影响摄食行为。

（战则凤）