第七节 基本营养素能量值

一、能量单位

    营养学惯用“千卡”这个单位，直到今天仍然如此。大多数营养学方面的书籍或数据，还一时适应不了国际单位制(SI)，所以，有必要在这里叙述有关的单位问题。

    所谓1千卡是1000g水由15℃上升到16℃时所需要的能量。符号为kcal。

    国际单位制(SI)规定的能量或热能单位为焦，符号为J。lJ是指用1N的力把1kg质量的物体移动lm所需要的能量。1000焦为1千焦，符号为kJ。1 000千焦为1兆焦，符号为 MJ。兆焦在营养或食品学领域中，是一个经常使用到的单位。其主要的原因，是由于在能量计算处理方面，经常涉及到兆焦级的能量供求问题。   

    为了与现有领域相适应，本书中也将两种能量单位并存使用。如果需要进行数据换算处理的话，以下关系式是一种正式推荐：

lkcal=4.184kJ

1000kcal=4184kJ=4.184MJ

    lkJ=0.239kcal

    1000kJ=239kcal

    1MJ=239kcal

    大多数情况下，可以取l000kcal=4.2MJ，1MJ=240kcal。

二、热量与功的等值性意义

    热量与功的单位都是焦，所以热量与功在实质上可以认为是等值能量。这种等值性对于我们计算人的能量需要量具有重要的实际意义。一个人的能量需要量，必须是包括维持机体恒温、对外做功、机体代谢过程中所需要的能量等全部功和热的和。这种和的计算，是确定人体必须能量掇入量的基础，存在着热量和功在概念上相加的困难。热量与功的等值性，圆满地解决了这个加和值的问题。

    人体摄入多少食品(营养素)后才能满足能量需要量，也存在着一个热量与功等值比较的问题。我们在判断食品营养素的燃烧值(体外燃烧)与人体利用代谢反应保持恒温和做功的总能量值(体内生化反应)是否处于平衡时，必须借助于热量与功等值的关系。这直接关系到我们设计膳食、配制食品的工作。

三、营养素的能量值

    (一)能量源   

在食品的所有构成成分中，原则上讲，只有碳水化合物、脂肪和蛋白质对食品的能量构成具有实际意义。大多数的其他成分，一是在代谢过程中，本身就不产生能量(无分解变化或反应过程中产能很少或需要能量)，如水、无机质、维生素和蜡等；二是在食品中的含量很小，没有实际产能意义，如乙醇、呈味成分等。

但是，在一些特殊的摄食情况下，由于食品的构成发生反常，例如大量饮酒，使得乙醇的成分，在总进食量中占有很大的比例，就会出现一些新的食物能量源。通过对绝大多数的人类饮食活动的分析和观察，发现就是在这些反常情况时，也只有乙醇具有能改变食物能量构成的能力。因此，在食品营养学领域，常将碳水化合物、脂肪、蛋白质和乙醇作为真正的能量构成成分，而忽略其他所有成分的能量贡献。同时，将碳水化合物、脂肪、蛋白质三种基本营养素称作为三大类营养素。

    (二)能量值

    营养素的燃烧过程与营养素在机体内的代谢反应有着本质的不同，但是只要终极产物相同，它们的全部反应过程的能量变化就应该相等。由于燃烧过程是一步性的极端激烈的氧化反应，所以如果要求能量变化相同，则必须保证相对应的营养素的全部代谢反应的每一步骤都不发生物质量的损失，全部参加最终生成终极产物的反应。3个月内的婴儿一般只能利用食物中能量的85％，其余15％则以不能消化吸收的营养素成分被排泄掉了。对于成年人来讲，一般情况下，将会有5％左右的食物能量，以不能消化和吸收的形式被排泄掉。在成人的进食食物中，随着碳水化合物比例的增加，这种能量损失量将减小；而随着蛋白质摄入量的增加，这种能量损失量将会增加。

    在机体代谢过程中营养素的能量损失，还有另外一种形式。这就是那些未参加生成终极产物的营养素成分。对于以这种所谓副反应的形式而损失掉的营养素能量值，目前尚没有很好的数据说明。这样，营养素在机体内的能量变化结果，由于其在机体内的代谢损失，肯定地会低于营养素在体外氧化反应的能量变化值。对于营养素的这种在体外、体内氧化过程中，所产生的有差别的能量变化值，在食品与营养学领域中采用了两种概念加以区别。这就是所谓的食物粗卡价值和生理卡价值。  

    1、食物粗卡价值

    食物粗卡价值是指食物在体外完全氧化反应(燃烧)所释放出的热能。这种能量变化值—般使用弹式量热计测定的。

    对于完全氧化反应来讲，蛋白质、脂肪和碳水化合物将生成终极产物二氧化碳、水和二氧化氮。食物粗卡价值，也即lg蛋白质、脂肪和碳水化合物燃烧以后所释放出来的热能值，分别为0.024、0.040和0.017MJ，或24、40、17KJ。由于蛋白质、脂肪和碳水化合物是三大类化合物种类十分丰富的有机物，因此，上述粗卡价值是平均取定值。

    2、食物生理卡价值

    显然，食物在机体内经过氧化反应后所释放出来的热能值就是食物生理卡价值。由于不包括营养素成分的消化吸收损失，以及蛋白质被排泄出体外的未达到终极产物的成分所具有的可以进一步氧化而释放出来的能量损失，因此，食物生理卡价值要低于粗卡价值。

    对于脂肪和碳水化合物，其消化吸收损失率分别为5％和2％，由于这两类化合物在机体内都可以被完全氧化，所以，可以按下式计算它们各自的生理卡价值。即：

    生理卡价值=粗卡价值×(1—消化吸收损失率)

    对应的计算值分别为0.038、0.017MJ·g^-1，或38、17kJ·g^-1

    蛋白质的消化吸收损失率约为8％，要比脂肪和碳水化合物高些。蛋白质在人机体内的氧化反应情况，也与脂肪和碳水化合物不一样，它不能产生终极产物，而是以生成尿素、肌酸苷、尿酸等含氮化合物的形式随尿排泄掉。所有这些含氮化合物，它们在体外仍然可以进一步地氧化分解，生成二氧化碳、水和二氧化氮。这种被排泄掉的未达到终极氧化产物的含氮化合物，测定结果表明，每lg蛋白质所产生的含氮化合物在完全被氧化时，将产生热能5.43kJ。因此，蛋白质的生理卡价值应为：

     (24.00—5.43)×(1—8％)=17.08(kJ·g^—1)

    取整数，则蛋白质的生理卡价值为17kJ·g^-1，或0.017MJ·g^—1。

    3、营养素两种卡价值的比较

    三大营养素的两种卡价值对比列于表3-1。由于数值都取整数，可能会带来与真实计算值约1％～2％的差距。

    对于碳水化合物，两种卡价值之间的差值为0，这说明机体对碳水化合物的代谢非常彻底，最终都生成了二氧化碳和水。

表2-9  三大营养素的粗卡价值与生理卡价值

    对于脂肪，两种卡价值的差为2kJ·g^-1。这个数值相对于食物粗卡价值40kg·g^－1”来讲，是很小的，所以，绝大多数的脂肪，在人们食用后，是得到了完全的代谢利用。

    对于蛋白质，二种卡价值之差则为7kJ·g^－1”。这个数值相对于食物粗卡价值24kg·g^－1”来讲，就比较大了，达到29％。造成这样大差值的原因，一是蛋白质在体内的消化吸收率相对地比较低，只有92％；二是蛋白质在机体代谢过程中，并没有完成达到生成终极产物的最后过程，还有一部分应释放的能量被贮留在这些应进一步氧化的代谢物中，这一点也是蛋白质与碳水化合物和脂肪的能量代谢过程最大的不同之处。

    (三)乙醇的卡价值

在计算和处理能量值时，除上述的碳水化合物、脂肪和蛋白质外，有时还需要包括乙醇(俗称酒精)所提供和代谢的能量。乙醇的粗卡价值和生理卡价值分别为29.9、29kJ·g^－1，或0.030、0.029Mg·g^－1、。