营养学/人体的能量平衡

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临床营养学

临床营养学目录

人体从食物中摄取能量以供给活动的需要,其中包括有基础代谢、劳动代谢和食物特殊动力作用三个面。

1.3.1 供给人体能量的营养素

人体依靠糖、脂肪和蛋白质三大营养素供给能量。这三种物质在氧化成水和CO2过程中,释放大量的能量供机体应用。

糖在体外充分燃烧,彻底氧化至H2O及CO2时产生的能量为17.22kJ.g-1,这称为糖的粗热价。糖的消化吸收率为98%,在生理研究中,糖的供热量在进行校正后以16.80kJ.g-1进行计算,此称糖的生理热价。糖是体内的主要供能物质,它供给约70%人体所需的能量。脑组织所需能量的唯一来源是糖。这使糖在能量供给上,更具有其特殊重要性。人体虽然可以依靠其它物质供给能量,但必须定时进食一定量的糖,维持正常血糖水平以保障大脑的功能。另外,糖对脂肪的氧化过程也有很重要的作用。

脂肪也是人体重要的供能物质。它在体外充分燃烧氧化的粗热价为39kJ.g-1,生理热价为37.8kJ.g-1。脂肪水解成脂肪酸进入血液而运送到肝脏肌肉等组织氧化利用。脂肪酸经β氧化形成乙酰辅酶A后,必须进入三羧酸循环才能彻底氧化成水及CO2并释放能量。乙酰辅酶A还可在肝脏形成酮体。在正常情况下,酮体进入血液,在骨骼肌心肌中再形成乙酰辅酶A,进入三羧酸循环继续氧化代谢。因此,脂肪的氧化必须依赖糖代谢。脂肪是机体储存能量的重要形式,在进行长时间劳动时,它可被动员经血液源源运送到骨骼肌,供给所需的能量。

蛋白体在体内的功能主要是构成体蛋白,而供给能量不是它的主要生理功能。蛋白质分解成氨基酸,进而再分解成非氮物质与氨基。非氮物质进入三羧酸循环被氧化利用。氨基则形成氨或尿素随尿排出。这部分尿氮在体外仍可进一步氧化释放出能量,其量约相当于5.05kJ.g-1蛋白质。蛋白质的粗热价为23.73kJ.g-1。顾景范根据我国资料统计得出蛋白质生理热价为23.73×80.5%-1.25=13.86kJ.g-1。在西方一般蛋白质的消化吸收率为92%,所以其生理热价约为16.8kJ.g-1。

1.3.2 基础代谢

为了比较个体间的代谢率,医学上采用在不影响代谢的一些情况下,进行代谢率的测定,其结果称为基础代谢率。基础代谢的意义是人体为了维持生命,各器官进行最基本的生理机能消耗的能量,如维持正常体温、基础血流和呼吸运动、骨骼肌的张力及某腺体的活动等。测定基础代谢时,受试者应处于完全安静、清醒而舒适的状态。周围环境气温在20~25℃之间。时间应在餐后12~14h以上。如按正常的生活规律安排,晚餐安排在下午6时左右,基础代谢率的测定正好在次日晨6~8时为宜。晚餐膳食须比较清淡以免食物对代谢的影响。从前一天起,受试者即应避免激烈运动,并且在测定前需要安静休息30min以上。

在正常情况下,人体的基础代谢率比较恒定,根据前人的研究成果,一个成年人在保持健康状态的情况下,其基础代谢率20年内不会偏离正常平均值的±5~10%;在同年龄、同体重、同性别的正常成年人群内,有85%的人其基础代谢率在正常平均值的±10%以内。我国人正常基础代谢率可见表1-1。

表1-1 我国人正常基础代谢率平均值[5](kJ.体表面积(m2)-1.h-1)*

年龄 11~15 16~17 18~19 20~30 31~40 41~50 51以上
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]
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]

*方括号内数值为“kcal.体表面积(m2)-1.h-1”

临床上用测定值与正常值比较来衡量基础代谢率的高低,在正常值的±10~15%以内者认为是正常的。计算方法,例如年龄为20岁的某男性,测得其基础代谢氧耗量为15L/h。估计正常呼吸商为0.85,可以采用20.42kJ.L-1为氧的热当量。假设此人的体表面积为1.6m2,此人的基础代谢率为15×20.42÷1.6=191.44kJ.体表面(m2)-1.h-1(表1-1)。因此,此人的基础代谢率高于正常值21%。

影响基础代谢率的因素如下:

(1)体表面积 身材大小不同,人体的基础代谢总量的显然不同,基础代谢与人体的体表面积呈比例关系。Rubner早在1894年发现,基础代谢率如果以单位体表面积表示,则比较恒定。因此基础代谢率.体表面积(m2)-1.h-1”表示。人体的体表面积与体重及身高显著相关。三十年代,Stevensen曾经得出我国人体表面积的计算公式。新中国成立以来。国人身材有很大变化,身高、体重都明显增加。赵松山等人于1983年对我国人体表面与身高、体重的关系进行了研究,得出我国成年人的体表面积可以按下式计算:

A=0.00659H+0.0126W-0.1603

A:体表面积(m2

H:身高(cm)

W:体重(kg)

我国营养学会根据近期的调查,1981年提出我国18~40岁的成年男性平均身高为170cm,体重为69kg,女性平均身高为160cm,体重为53kg。在此平均值±10%的范围内,应视为正常体重。

Kleiber从实际应用出发,曾提出基础代谢率的正常值若以每小时表示,则为3×体重0.75若以第24h表示,则为70×体重0.75。这一标准可以应用于任何身材大小的动物。还有人认为代谢率与代谢活跃的组织关系密切,提出基础代谢率应以“去脂体重”(Lean bodymass)表示。但由于“去脂体重”的测量和计算方法现时尚未广泛普及,所以采用者不多。

(2)年龄性别 女性的基础代谢率略低于男性。婴儿时期,因为身体组织生长旺盛,基础代谢率最高,以后随着年龄的增长而逐渐降低,参看图1-1。

不同性别与不同年龄的正常基础代谢率


图1-1 不同性别与不同年龄的正常基础代谢率

(引自Guyton,AC:Textbook of MedicalPhysiology.p.883.Philadelphia W.B.Saunders Co,Lodon,1981)

(3)环境温度与气候 环境温度对基础代谢有明显影响,在舒适环境(20~25℃)中,代谢最低;在低温和高温环境中,代谢都会升高。环境温度过低可能引起不同程度的颤抖而影响代谢升高;当环境温度较高,因为散热而需要出汗,呼吸及心跳加快。因而影响代谢升高。

(4)甲状腺功能 甲状腺素可以增强所有细胞全部生化反应的速率。因此,甲状腺素的增多即可引起基础代谢率的升高。基础代谢率的测定是临床上甲状腺机能亢进的重要诊断指征之一。甲状腺机能亢进者,基础代谢率可比正常平均值增加40~80%,甲状腺机能低下者,可比正常值低40~50%。

(5)其它因素 影响人体基础代谢率的还有药物及交感神经活动等一些因素。食物对基础代谢的影响,将在食物特殊动力作用一节中详述。

1.3.3 劳动代谢

劳动代谢包括在生产与生活中全部体力活动的热能消耗。体力活动是影响机体能量消耗的主要部分。常见的中等强度劳动,其氧耗量的大约是基础代谢的4~5倍,较强劳动是基础代谢的7~8倍,有的极强劳动可达基础代谢的14~15倍。

糖在体内的分解代谢有两种形式。如果劳动强度适宜,人体的循环和呼吸系统能够供给骨骼以充分的氧,糖的代谢则为有氧氧化。1mol葡萄糖彻底氧化,可以净合成38mol的ATP,释放2881.20kJ能量。人体进行很强的劳动时,一时取的氧量不足,骨骼肌所需的能量则从糖的无氧酵解代谢获得,此时糖酵解乳酸。1mol葡萄糖经酵解净合成2molATP,释放218.40kJ能量。人体进行劳动时,骨骼肌能否得到足够的氧,取决于肺通气量、血流输送的氧量及肌细胞对氧的利用。开始劳动时,机体的氧摄取量不能即时达到骨骼肌需氧量的水平,机体先动用肌细胞内储存的高能磷酸化合物(如ATP和磷酸肌酸)及(或)糖的无氧酵解以供给即时所需之能量。这时人体的氧耗量急剧增加,经一段时间后,氧耗量才达到一个稳态(steady state),这段时间大约为2min。2min内机体的供氧量小于需氧量,不足的氧量称之为氧缺乏(oxygen deficit)。氧缺乏的大小随劳动强度而异。劳动强度适宜时,氧的摄取量可满足需要,体内储存的高能磷酸化合物在劳动中可得到补偿,产生的乳酸也可以部分继续氧化,体内不再进一步蓄积。因此,氧耗量表现为稳态。劳动强度过大时,氧的摄取量始终小于需要量,机体进行这种劳动主要依靠糖的无氧酵解供给能量,乳酸在体内蓄积,氧耗量不能呈现稳态。劳动停止后,需要一段较长的时间,氧耗才能回到安静水平。这部分劳动后超过安静水平的氧耗量即是氧债(oxygen debt)。次极量(submaximum)以下的劳动,稳态的氧耗水平的高低与劳动强度呈比例关系,对这种劳动只须测定劳动时的氧耗量,即可测知该项劳动的热能消耗量。对于过强的劳动。除测定劳动时的氧耗量以外,还必须测定劳动后的氧债。劳动代谢的供能特点见图1-2。

不同强度运动的氧耗量变化过程图解


图1-2 不同强度运动的氧耗量变化过程图解

(a)运动的第一分钟氧耗量逐渐增加;以后,当氧摄取量能满足需要时则趋于平稳。运动停止后,氧摄取量逐渐减少,以偿还“氧债”

(b)自行车功率计上,在5~6分钟之内完成不同负荷的运动量时,氧摄取量变化的图解。

(c)b图实验中氧摄取量与运动功率的关系。250Watts已达到此一受试者的氧摄取能力的最大值,以300watts继续运动,未能引起氧摄取量的进一步增加,所增加的功率依靠无氧代谢完成。此人的最大有氧代谢能力为3.5L/分(可写成VO2max)。各种功率运动时血乳酸浓度也列于图中。

(引自Astand,P.O.et al:,Textbook of WorkPhysiology.MeGraw-Hill Book Company,New,York,1977.p.296)

在前面的讨论中,人体基础代谢率以每平方米体表面积每分钟的能量消耗表示。在劳动代谢中,因为体力活动总是移动身体,所以劳动代谢率以每公斤体重每分钟能量消耗表示为佳。劳动代谢的强度可以用氧耗率表示,如“L.min-1或ml.kg-1.min-1”,也可以用能量的单位表示。有的学者为了使劳动强度与安静代谢之间的关系有一较明了的概念,主张用“梅脱”(met)表示。其含意是安静代谢的倍数。1met相当于安静代谢的氧耗量;所谓2met即指需要2倍于安静代谢的氧耗才能完成的劳动。成年男性的安静代谢率约为250ml.min-1女性约为200ml.min-1。沼尻章吉建议用相对代谢率(relative metabolicrate,RMR)其意义与met近似,计算方法如下,表示净劳动氧耗量是基础代谢的多少倍。

相对代谢率=(劳动代谢-安静代谢)/基础代谢

1.3.4 食物特殊动力作用(specificdynamic action,SDA)

人体的代谢因进食而稍有增加。譬如,某人基础代谢率为168.80kJ.h-1,当摄取相当于168.80kJ的食物,并处于基础代谢条件下,经测定,这时的代谢率不是168.80kJ.h-1而是176.40kJ.h-1。显然,这部分增加的代谢值是因进食引起的。这一现象最早为Rubner发现,他称之为“食物特殊动力作用”。食物特殊动力作用与进食的总热量无关,而与食物的种类有关。进食糖与脂肪对代谢的影响较小,大约只是基础代谢的4%,持续时间亦只1h左右。但进食蛋白质对代谢的影响则较大,可达基础代谢的30%。持续时间也较长,有的可达10~12h。食物特殊动力作用的机理,是食物在消化、吸收和代谢过程中的耗能现象。例如,某些酶的活力增加,代谢过程中某些物质在细胞与间质间的主动转移等,氨基酸的脱氨基作用的耗能现象更加明显。Krebs曾经报道蛋白质的特殊动力作用引起的能量消耗增加与体内尿素的产生有关;Cairnie等人在股骨骨折的动物实验中,也观察到产热量与氮排出量平行地增加,并且认为这是因组织蛋白分解而增加氨基酸代谢所致。但Garrow等人的实验又不能说明进餐后代谢率的升高与尿素的产量有任何关系[11]。对于人体劳动时的食物特殊动力作用,有人在实验中发现几乎是安静时的2倍。由于这样,人体进行劳动或运动时,机体不仅要供氧给运动的骨骼肌,而且要耗氧于食物影响的产热过程,输氧系统负担加重,影响人体的耐力。如何使人体避免这种额外的负担,而又处于供能充分的最佳状态,所以,食物特殊动力作用仍然是需要进一步研究的课题。食物特殊动力作用在热能需要量的计算中,仍然不甚明确,也不统一。首先是食物的种类,食物引起的耗能增加,在热能需要量应占多少比例?其次是在劳动条件下应如何计算?一般认为对高蛋白饮食习惯者,食物特殊动力作用约占总热量的10%。我国营养学者主张一般膳食的食物特殊动力作用约占总热能需要量的6%。计算方法:

设 A为一日热能需要量;

C为生活观察一日热能消耗量;

6A/100为食物特殊动力作用。

计算式为:A=C+6A/100

简化之则得: A=10C/9.4

32 人体热能代谢的测定 | 人体的热能需要量 32
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