第二章 食品营养的基础原理
第一节 能量
人和其他动物一样，都必须通过摄取食物从外界获取能量，以满足一切生命活动和从事各种体力劳动的需要。机体即使处于安静状态也要消耗一定的能量，如心脏跳动、血液循环、肺的呼吸、腺体分泌及肌肉收缩等过程均需要能量。如果没有能量来源，生命活动也就无法进行。能量既不能创造也不能消灭，只可从一种形式转变为另一种形式，在人体内亦是如此。人体所需要的能量主要来源于食物中的产能营养素，包括碳水化合物、脂类和蛋白质，这些有机物是植物吸收太阳能转变为化学能而储存下来的物质。含有这些化合物的食物在体内经过一系列的氧化反应被分解，能量逐步释放出来，一部分以热能形式散失以维持体温，一部分以高能磷酸键化合物（ATP/GTP等）、高能硫酯键化合物（乙酰-CoA）等形式储存，且可在细胞间转移，当组织需要时，再释放出来以供利用。
一、能量的单位及食物能值
营养学上的原有基本能量单位是卡（calorie，cal），由于卡值太小，通常采用千卡（kcal）。现在，国际上则以焦耳（J）为热量的计量单位，同时也仍然使用卡。营养学上通常使用焦耳和卡的1000倍即千焦和千卡作为常用单位。
营养学中，将食物在体外彻底燃烧时所释放的能量称为“物理能值”“食物能值”或“总能值”。而将每克产能营养素在体内氧化分解后为机体提供的净能称为“生理有效能量”或“能量系数”。每克碳水化合物、脂肪和蛋白质在体外氧化燃烧时释放的能量分别为17.15kJ、39.54kJ、23.64kJ。对碳水化合物和脂肪而言，体内氧化和体外燃烧时释放的热量完全相同。而蛋白质在体内的氧化并不完全，氨基酸中的氮并未氧化成氮的氧化物或硝酸，而以尚有部分能量的有机物如尿素、尿酸、肌酐等形式随尿液排出体外。收集每克蛋白质含有的这些含氮有机物并使其在体外燃烧，测得释放的能量为5.44kJ，因此，每克蛋白质在体内氧化只能产生18.2kJ的能量。
碳水化合物： 17.15×98％=16.8kJ
脂肪： 39.54×95％=37.6kJ
蛋白质： 18.2×92％=16.7kJ
二、人体能量需要
1.基础代谢
基础代谢（basal metabolism，BM）是机体用于维持体温、心跳、各器官组织和细胞基本功能等最基本生命活动的能量消耗。基础代谢在每日能量总消耗中所占的比例最大（60％～70％）。
基础代谢水平用基础代谢率（basal metabolism rate，BMR）来表示，反映单位时间内人体基础代谢所消耗的能量，单位有kJ/（m2·h）、kJ/（kg·h）、MJ/天。
基础代谢率的高低与体表面积基本成正比。人体的体表面积可以查表，也可根据身高和体重按相关公式计算。由体表面积乘以相关年龄的基础代谢率可计算出一天基础代谢的能量消耗。
基础代谢的能量消耗=体表面积（m2）×基础代谢率（BMR）
我国赵松山于1984年提出了一个适合中国人的体表面积计算公式，即：
体表面积S（m2）=0.00659×身高（cm）+0.0126×体重（kg）-0.1603
由于基础代谢率（BMR）的测定比较困难，WHO于1985年提出用静息代谢率（resting metabolism，RMR）代替BMR。在测定静息代谢率的过程中全身处于休息状态，可以在餐后3～4h测定。由于还存在食物的消化所消耗的能量，因此RMR略高于BMR（约为10％）。在实际工作中，二者可以通用。
2.能量消耗量的测定
直接测热法的基本原理是在特制的隔热小室内，被测对象可以静卧或从事各种特定的活动，人体散发的热量被空气吸收，然后使这些空气通过热交换装置，测定受试者在一定时间内散发的热量，即通过直接测定人体在整个能量代谢过程中散发的所有热量，计算特定时间内机体的能量消耗。这种方法需要大型的设备装置，实验室建造昂贵，应用受到限制。
间接测热法的基本原理是测定机体在一定时间内O2的消耗量和CO2产生量来推算呼吸熵，再根据相应的氧热价间接计算出这段时间内机体的能量消耗。可通过一种特殊设备准确记录人体吸进O2和呼出CO2的量，并根据两种气体中含氧量差值计算氧气消耗量。在实际应用中，一般受试者都是混合膳食，此时呼吸熵相应的氧热价为20.2kJ/L。因此，只要测定单位时间内的耗氧量就可以计算出能量的消耗量。
能量消耗量=20.2（kJ/L）×耗氧量（L）
双标记水法（DLW）是受试者喝入定量的双标记水，在一定时间内（8～15天）连续收集尿样，通过测定尿样中稳定的双标记同位素及消失率，计算能量消耗量。此法适用于任何人群和个体的测定，无毒无损伤，但费用高，需要高灵敏度、准确度的同位素质谱仪及专业技术人员，近年主要用于测定个体不同活动水平（PAL）的能量消耗量。
3.能量代谢失衡
在食物充足的情况下，正常成人可自动调节并能有效地从食物中摄取所需的能量，满足需要，维持能量代谢平衡。如受客观或主观因素的影响，造成能量摄取量长期低于或高于能量消耗量，人体会处于能量失衡状态，首先反映到体重的变化，进而发展到影响健康。因此维持能量平衡和理想体重是人体处于良好营养与健康状态的前提。
长期能量摄入不足，会使人体动用机体储存的糖原及脂肪，造成蛋白质-热能营养不良。临床表现包括消瘦、贫血、神经衰弱、皮肤干燥、脉搏缓慢、工作能量下降、体温低及抵抗力低等，儿童还会出现生长停顿。能量不足使蛋白质参与供热，造成人体蛋白质缺乏，最终出现蛋白质-热能营养不良（PEM）。因贫血及不合理喂养造成的儿童能量轻度缺乏较为常见。
伴随经济发展和生活水平、食物水平的提高，长期摄入过多与体力活动过少，会造成人体超重或肥胖、血糖升高、脂肪沉积、肝脂增加及肝功能下降等，过度肥胖还造成肺功能下降，易造成组织缺氧。肥胖并发症包括脂肪肝、糖尿病、高血压、胆结石症、心脑血管疾病及某些癌症。控制饮食性肥胖良好的方法是控制饮食能量，增加体力活动量。
三、能量的食物来源及推荐摄入量
1.能量的食物来源
能量来源于食物中的碳水化合物、脂肪和蛋白质。按照等能定律，从能量供给上讲，3种物质比例的变化并不影响能量的摄取，可以在一定程度上相互代替。1g碳水化合物=0.45g脂肪=1g蛋白质，因而在特殊情况下可以摄取一种或两种，这也是制造特殊食品的重要依据。不同营养素有各自特殊的生理作用，长期摄取单一营养会造成营养不平衡，影响健康。一般情况下，碳水化合物是主要能量来源，其次是脂肪，蛋白质的主要作用不是供热。学者们建议成人的碳水化合物供能占热能的55％～65％，脂肪占20％～30％，蛋白质占11％～15％。
碳水化合物、脂肪和蛋白质广泛存在于各类食物中。粮谷类和薯类含碳水化合物较多，是我国膳食热能主要来源；油料作物中富含脂肪，大豆和硬果类含丰富的油脂和蛋白质，是膳食热能辅助来源之一；蔬菜、水果含热能较少。动物性食品含较多的动物脂肪和蛋白质，也是膳食热能的重要构成部分。
在能量食物选择中，保持植物性膳食结构特点，防止高能高脂膳食的滥用，并满足机体对能量的需求，同时保持动植物食品的均衡适宜，是合理营养和健康的关键。
2.能量的推荐摄入量
能量需要量是指维持机体正常生理功能所需要的能量，即长时间保持良好的健康状况，具有良好的体型，机体构成和活动水平达到能量平衡，并能胜任必要的经济和社会活动所需要的能量摄入。估计饮食能量摄入的安全量，根据基础代谢、体力活动定量供应。此种估计仅适用于群体，对个体而言，则必须测量BMR，因个体的BMR值有约20％的变化幅度。
对于1～10岁的儿童，由于其活动的类型、持续时间以及能量支出的信息较少，确定其最适能量摄入量，一般是根据检测的健康儿童的饮食能量摄入再加5％的体力活动的额外补充。从出生至10岁，能量补充并无男女之分；而从11岁开始，鉴于男女青春期开始的年龄不同以及活动方式的不同，其能量补充是不同的。需要指出的是，最适摄入量主要是针对群体的。
联合国粮农组织在2009年统计年刊发表各国2003～2005年平均热能总消耗量中的膳食构成比例——食物成分（％）中，各国在食品供应的组成方面有很大的差异，但总体上邻国的食品供应相似，如北欧各国、美国和加拿大、新西兰和澳大利亚之间。与欧美国家的食品供应相比，亚洲的谷类食品供应量高而动物产品供应量较低。