营养学/人体热能代谢的测定

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在人体热能代谢研究中,传统应用的能量单位为大卡也称千卡(kcal)。把一升水加热,其温度从15℃上升到16℃所需要的能(热)量称为1kcal。根据国务院1984年3月3日布的法令,热量以千焦耳(kJ)为单位。1kcal=4.184kJ,1kJ=0.239kcal。

食物的能量可用弹式热量计直接测得。这种热量计是一个能承受很大压力的钢壁容器,即所谓的“弹”,其中有一可以通电的金属样品皿,放入一定量样品并且充以氧气。此“弹”放于四周有定量水的圆筒内,水与外界隔热。测定时通以电流,因有氧,遇火花样品完全燃烧,释放热量。读出水的温度变化后即可计算此样品所放出的热量。此为精确的直接测定法,但设备与操作均很繁复,应用不便。通常应用是从食物成份表计算食物内糖类、脂肪与蛋白质的含量,然后再分别按其生理热价值计算能量的含量。

人体释放的能量测定有直接法和间接法,间接法又分为循环式和开放式两种。前者的热量计结构复杂,建造费昂贵,多只用于某些特殊的实验研究,一般很少应用。

间接测热法所根据的原理是人体进行物质代谢释放能量时须消耗一定量的氧;测定人体一定时间内的氧耗量即可计算热能消耗量。循环式间接测热法是一个闭合的气体流通循环装置;这一装置依靠活门控制气体定向流通,其中安装有贮存一定氧气量(或已知成分的混合气体)的贮存器,CO2吸收剂苏打石灰)贮存器及水分吸收剂(浓硫酸或其它吸水剂)贮存器,使之形成一个循环通路。人体通过此装置进行一定时间的呼吸,即可测出其氧耗量。并计算出热能消耗量。这种循环装置的优点是通过一定时间的呼吸,即可得出消耗的氧量,毋须进行气体分析。因为是固定装置,测定时人体不便活动,所以此法多为医院应用于基础代谢率的测定。

大气空气成分比较恒定,O2为20.94%,C02为0.03%,N2为79.03%,其它一些微量气体可略不计;同时,N2在人体气体代谢过程中,既不能吸收利用,也不能从体内增加而经肺排出。因而有可能采用开放式间接测热法以测定人体的能量消耗。测定时人体吸入外界空气,只收集呼出气进行分析,分析所得的O2与CO2的百分比与空气比较,结合一定时间呼出的气体量,即可计算一定时间内的氧耗量和CO2排出量。开放式间接测热法的经典方法是Douglas-Haldane法。这一方法主要是两部分组成。第一部分是通过装有呼吸活瓣的口鼻罩,把人体一定时间内的呼出气体收集于“多氏袋”(Douglas bag)中,然后经气量计测量袋中气量,最后计算成标准状态下每分钟通气量。标准状态采用STPD,即温度0℃,气压101kpa(760mmHg)时的干燥气体。测量气量时,从多氏袋留取一部分呼出气样品准备分析。第二部分是用Haldane气体分析器分析呼出气样品中的O2、CO2的含量。分析结果与外界空气成分比较,结合通气量即可计算得出氧耗量。目前,开放式间接测热法有很大的改进。主要在采用小型干式气量计,采用电极法分析O2与CO2。这两部分整个组装在一个背囊内,受试者穿戴这一装置,可以进行较长时间的能量消耗测定。

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:

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。

从上述推理来看,在一定时间内,测出之呼吸商可以代表体内代谢物质的种类。但是否确是如此,很多人提出疑义。从理论上讲,不可能出现小于0.7或者大于1.0的呼吸商,可是在实际中大于1.0的呼吸商屡见不鲜,小于0.7的也时有出现。导致出现这种异常呼吸商的因素是很多的。临床上长期摄取能量不足的病人或糖尿病患者,蛋白质及脂肪分解加速,糖原异生增多可能使呼吸商小于0.7;人体在劳动过程中,有时因为劳动强度大,通气量过大造成一时CO2呼出过多,有时因为出现体内乳酸蓄积,血液偏酸也使CO2一时呼出过多,所以呼吸商出现大于1.0。体内物质转换,如由糖转换为脂肪,因为糖分子的含氧量相对地比脂肪较多,转换时剩余的氧可供利用,机体可以从外界吸入较少的氧,所以CO2呼出量相对地多,呼吸商即可能大于1.0。可见呼吸商还受到其它因素的影响,并不能据此判断体内代谢物质的种类。同时因为呼吸商为1.0时,氧的能当量为21.12kJ.L-1,呼吸商为0.7时,氧的能当量为19.57kJ.L-1。两个极值相差变很小,所以有的学者主张用“正常”呼吸商0.9以计算每升氧的能当量。

32 热能 | 人体的能量平衡 32
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