1 热能
1.1 前言
食物在体内经过消化吸收后，在代谢过程中有各种形式的能量转换，以便对外做功，对内维持各种生理机能及其相互协调。研究人体热能代谢的目的在于研究能量平衡。一旦失衡，即有碍机体的正常生活。食物摄取过多，能量的摄取量大于消耗量，剩余的能量以脂肪的形式储存于体内，人体转为肥胖，带来一系列生理功能改变，甚至发生疾病。反之，食物摄取不足，能量的摄取量小于消耗量，人体逐渐消瘦，也会带来一系列不良后果。能量不仅是维持机体正常生活的基础，也影响其它营养素的正常代谢，因此，热能代谢是营养学中应首先考虑的问题。
1.2 人体热能代谢的测定
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日公布的法令，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。
1.3 人体的能量平衡
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方面。
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和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，在骨骼肌和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 |
| 男 | 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] |
| 女 | 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。
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，一时摄取的氧量不足，骨骼肌所需的能量则从糖的无氧酵解代谢获得，此时糖酵解为乳酸。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。
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
1.4 人体的热能需要量
在24h内，人体从事各种活动所需要的能量，即是热能需要量。热能需要量是营养素需要量中应该首先考虑的项目。除了它是机体维持生命活动的基本条件外，对于其它营养素的需要量也有很大影响。1981年中国营养学会对我国人的营养素需要量进行了修订，其中热能需要量见表1-2。
1.4.1 热能需要量的研究方法
（1）生活观察法 对被观察者24h内的各种活动进行观察，记录其持续时间，归纳同类活动的总时间，然后根据各种活动的热能消耗率计算每种活动的热能消耗量。最后计算出全天热能消耗量。具体方法是用时表按时间先后顺序记录每个动作的起始时间；下一活动的起始时间减去上一活动的起始时间，即是上一活动的持续时间。并记录某一活动时的环境条件、动作的姿势及对象的反应等。此外进行观察期内的膳食调查，计算热能摄取量。根据观察和调查的结果，比较热能消耗和摄取在量方面的平衡情况和质方面的分配情况，最后作出评价。进行生活观察法时应注意两点：①根据研究目的，挑选具有代表性的观察对象；②工作日的代表性，工作日的内容，在具体情况下可能变化很大，应事先规定典型工作日的内容，不能因其它事情干扰观察日的劳动内容。计算热能消耗量和摄取量时，要应用各种活动热能消耗率和食物成分表[17，18]两个资料。在这两方面能够作些实地测定，其准确性就更高。尤其对某些特殊地区、特殊工种更应注意。
表1-2 膳食中热量供给量（kJ·d-1）（kcal·d-1）①
| 初生～6个月 6～12个月 | 婴儿（不分性别）② 504（120） 420（100 |
| 1岁以上 2岁以上 3岁以上 5岁以上 7岁以上 10岁以上 | 儿童（不分性别） 4620（1100） 5040（1200） 5880（1400） 6720（1600） 8400（2000） 9240（2200） |
| 13岁③ 16岁④ | 少年 男 女 10080（2400） 9660（2300） 11760（2800） 10080（2400） |
| 极轻体力劳动 轻体力劳动 中等体力劳动 重体力的劳动 极重体力劳动 孕妇 乳母 | 成年 男（体重60kg） 女（体重53kg）< |
■［此处缺少一些内容］■
1.4.2 不同职业的热能需要量
不同职业与劳动强度是影响热能需要量的最主要因素。劳动过程能量消耗取决于两个方面，一是单位时间内的劳动强度，二是劳动持续时间。单项操作的劳动强度，以单位时间内的热能消耗率作为划分强度等级的标准。在日常生活中，各种体力活动的强度相差很大，有的是任何人都可以经久不息地整日进行的极轻活动，有的活动只有强体力的人才能担负，甚至只能坚持数秒钟。中国营养学会于1981年把各种常见的劳动大致分为五个等级[16]。我们根据过去实际测定的热能消耗率的结果，以这五个等级划分了相应的热能消耗率水平，现归纳于表1-3。Christensen[19]于1953年提出了一个适合西方的划分等级的标准；于永中等于1964年也提出了一个我国劳动强度的分级标准。
表1－3 不同强度劳动项目举例及热能消耗率的划分
| 劳动强度等级 | 工作内容举例 | 热能消耗率 | |
| kJ·min-1 kJ·kg-1·min-1 | |||
| 极轻 | 以坐着为主的工作，如办公室工作，组装或修理收音机、钟表等 | ～9.62 | ～0.16 |
| 轻 | 以站着或少量走动为主的工作，如店员售货，化学实验操作，教员讲课等 | 9．66～14.43 | 0.16～0.24 |
| 中 | 以轻度活动为主的工作，如学生的日常活动，机动车驾驶、电工安装、金工切削等 | 14.43～20.50 | 0.24～0.34 |
| 重 | 以较重的活动为主的工作，如非机械化的农业劳动、炼钢、舞蹈、体育运动等 | 20．50～26.50 | 0.34～0.44 |
| 极重 | 以极重的活动为主的工作，如非机械化的装卸、伐木、采矿、砸石等 | 26．50～ | 0.44～ |
全天生活中，因为业余时间内的活动因人而异，并且一个人在不同的日期也可能相差很大，所以影响8h业余时间内的能量需要变化无常，从而对全天热能需要量的影响也很大。因此，对评定各工种的热能需要量和劳动强度问题，很多学者以8h工作日作为评定标准。对某一工种的热能需要量，除考虑该工种主要劳动项目的热能消耗率之外，还应该考虑时间。一个工种工作日的热能消耗量与主要劳动项目热能消耗率之间的关系，在持续进行的轻劳动工种大致是成比例的，但大多数工种不一定呈比例关系。有的劳动项目强度很大，人体不可能在8h内持续进行，所以一个工作日内的活动情况多有变化，需要观察整个工作日的活动，不能仅以主要劳动项目的单位时间的劳动强度为依据。
Lehmann与Muller曾经在1953年分别建议21kJ·min-1为能坚持8h劳动的最大强度，亦即10080kJ·8h-1，这是工作8h的耐受上限[23]。Lehamann1958年又提出65kg体重的男性劳动代谢允许量为8400kJ·8h-1[24]，Bena等人于1963年提出的是6300kJ·8h-1(65kg体重)，印度Sen等人建议5040kJ·8h-1（50kg体重）[26]。把这三个标准统一计算成60kg体重，则分别为7770kJ·8h-1，5817kJ·8h-1，6048kJ·8h-1；亦可分别相当于18.40kJ·min-11，13.48kJ·min-11，14.07kJ·min-11。这种水平属于中等强度劳动。如果作为一个工种，必须月复一月，年复一年地进行劳动，这样的强度是比较合宜的。因此，8h工作日的热能消耗以5880～8400kJ·8h-1为合宜。
1.4.3 影响热能需要量的其他因素
除了劳动条件外，还有一些其他因素对热能需要量也有很大的影响。
（1）年龄 婴儿、儿童因为处在生长发育旺盛时期，如果以每公斤体重的热能需要表示，婴儿最高，以后逐渐降低。一般3个月内的婴儿为504kJ·kg-1，3～5个月为483kJ·kg-1，6～8个月为462kJ·kg-1，9～11个月为441kJ·kg-1，1～３岁为420kJ·kg-1，至成人则为168kJ·kg-1。如果以个体而言，从婴儿时期起，逐年明显增加（表1-4）；在成年20～39岁的时期内，热能需要量比较稳定；然而自40岁以后又逐年递减，至70岁时只有青年人的70%（表1-5）。
表1-4 婴儿、儿童及青少年的热能需要量[13]
| 年龄 | 体重（kg） | 维持生理活动（kJ·d-1） | 生长（kJ·d-1） | 活动年需（kJ·d-1） | 合计（kJ·d-1） |
| 3个月 | 4.6 | 1533 | 537 | 239 | 2310 |
| 9～12个月 | 9.6 | 3360 | 252 | 630 | 4242 |
| 2～3岁 | 13.6 | 4284 | 126 | 1302 | 5712 |
| 4～5岁 | 17.4 | 5040 | 147 | 2037 | 7224 |
| 9～10岁 | 31.3 | 7350 | 126 | 2688 | 10164 |
| 16～17岁 | 60.3 | 10500 | 252 | 2268 | 13020 |
表1-5 成年人热能需要量（kJ·d-1）与年龄的关系[13]
| 年龄（岁） | FAO/WHO(1973) | ||
| 男 （60kg） | 女（55kg） | 与20～39岁比 | |
| 20 ～39 | 12600 | 9240 | 100 |
| 40～49 | 11970 | 8778 | 95 |
| 50～59 | 11340 | 8316 | 90 |
| 60～69 | 10080 | 7392 | 80 |
| 70～79 | 8820 | 6468 | 70 |
（2）地区的气候影响 一般认为气温低的地区热能需要量趋向增加，大约在20～30℃之间为一舒适带，气温过高代谢又趋于增强。联合国粮农组织（FAO）1950年规定年平均气温10℃为营养需要量的标准条件，每降低10℃热能需要量增加5%，1957年改为3%。于守洋[27]在总结1949～1957年我国东北，华中和华南一些地区的调查结果后，认为环境气温能影响人体的热能代谢，同时还影响体重，进而又影响热能代谢。他认为由于环境气温和体重两个因素的影响，我国东北地区成年居民的热能需要量比华中地区男子应高8%，女子应高7%；比南方地区男子应高13%，女子应高12%。
1.4.4 热能代谢状况的评价
热能代谢状况的评价大致有质与量两个方面。热能代谢状况的好坏对临床病人不仅影响疾病的痊愈，严重的可以危及生命的维持；对于病后也会影响到康复的进程；对于正常人则将影响健康和劳动能力的保持。
在量方面，热能代谢平衡情况是一个日益重视的问题。人体的热能代谢在消耗与摄取之间应以平衡为佳，不宜形成负平衡，亦不宜形成正平衡。负平衡，即摄取量小于消耗量，其结果是人体逐渐消瘦，并且影响其它营养素的代谢，生理功能紊乱，全身浮肿，抵抗力降低等等。若体重低于正常值的10%，为轻度热能缺乏；低于10～20%者为中度缺乏，可以影响身体功能；若低于30%以上时，则为严重缺乏，低于40%以上将危及生命。如果热能摄取量大于消耗量，呈正平衡，则体内脂肪沉积，逐渐肥胖，体重持续增加，并带来一系列损害、心脏负担过重，尤其是左心室更甚；高血压，血脂过高，进一步损及心血管系统；肾脏、肺脏和胆囊等也易于罹及疾病。称量体重，有两点应加注意，第一是标准化，应在一定时间及相同条件下进行，排除衣服、进食与大小便等对体重的影响；第二是应较长期地称量，以观察变化的趋势。此外，许多学者建议用体脂的百分率来衡量。我国成年男子正常体脂含量为体重的13.2%，西方人为15%。McArdle等人提出，男性体脂超过体重的20%，女性超过30%即属于肥胖[1]。体脂的测量，现时多用比较简便的皮褶厚度测量计算法。刘广青等人于1982年得出一个我国成年男子求体脂百分率的计算公式[28]。以mm为单位，测量三头肌、肩胛骨下和髂部皮褶厚度，然后按下式求出体脂百分率。
F（%）=0.91137S1+0.17871S2+0.15381S3-3.60146
F（%）为体脂百分率，
S1、S2、S3分别为三头肌、肩胛骨下及髂部皮褶厚度（mm）。
虽然热能代谢失衡是体重过重或过轻的主要原因，但不应忽略与内分泌疾病或恶性肿瘤加以鉴别。
热能代谢评价在质的方面主要是供能三大营养素的合理分配百分率的问题。人体除了总的能量需要以外，对蛋白质、脂肪、糖三大营养素都各有一定的需要量，尤其是对于婴儿、少年、孕妇、乳母、卧床病人及病后恢复者更为重要，否则将会有不同的生理功能紊乱，甚至引起疾病。我国营养学者根据经济现状及饮食习惯，提出如下三大营养素分配百分率的建议如下：
糖………………………………占总热量的65%～75%
脂肪……………………………占总热量的15%～20%
蛋白质…………………………占总热量的10%～15%
这是积多年不同地区膳食调查的结果，符合我国国情，同时也能保障人民健康。关于三大营养素各自在营养学中的重要意义，请参阅各有关章节。
1.5 临床病人热能需要量问题
临床上比较严重的病人倾向于分解代谢，并且由于不能或不愿意摄食，常常造成热量摄取不足，体重持续减轻。因为病人的能量代谢的测定很困难，从而也就缺乏比较准确的病人能量平衡计算。在早些年代，肠外营养补充的方法也比较缺乏；同时，临床医生一般认为体内的能量储备足以应付卧床时期暂时的能量供给不足。因此，临床病人的能量补充问题，在那些年代没有得到应有的重视。这样就导致疾病向坏的方面发展，或者延长病后恢复，有的甚至贻误救治。
1.5.1 体重的维持
临床病人体重减轻是最普遍的，但未得到应有的重视。一般总是待体重极度减轻，以至产生症状的时候才加以注意。已经观察到、减轻的体重量占原体重30～40%时即会危及生命。病人一般经过休克期后即进入分解代谢期，此时期内病人的身体一般状态的维持将决定病程的变化；在此时期内对病人体重的观察，犹如在休克期内观察血压的变化一样重要。在排除脂肪和水的变化后，体重的变化实际是一个表示身体细胞质量（body cell mass）变化的指标。体重减轻的程度与快慢与病人的病情或伤势的轻重呈比例。越是严重的病人越是需要在治疗过程中观察体重的变化。因此，有人也把体重称之为“生死倏关的指征”（Vital sign）。体重的变化是身体成份中蛋白质、脂肪和水三者变化综合的结果，其中以水的变化最大，能影响临床医师对体重的观察和分析。不过，对体重的变化加以密切注意，并观察影响体重各因素每天的平衡情况，对于分析身体成分的变化及决定治疗的侧重面等将是很有利的。每一名患者的病历中应记载住院时或住院前的平常体重，以便作为日后观察体重增减的参考。
在严重外伤或感染的病人中，由于不能和不愿时进食，他们体重的减轻似乎总是和饥饿联系在一起。但是kinney比较了Keys与Bendict的研究结果后，认为正常人处于半饥饿状态下，体重减轻的速率只是全饥饿的人或处于分解代谢状态下的病人的六分之一[10]。可见病人体减轻愈快，其预后愈坏。这是否与所减少的身体组织成分不同有关？Kinney[2]观察了手术后的严重外伤病人，得出前者蛋白质的丧失占减轻的体重的6～8%；后者体重在3周持续减轻的情况下，蛋白质的丧失也只占减轻体重的12%。Iampetro观察半饥饿与全饥饿者，蛋白质的丧失很接近，分别为9.7%、11.4%。所以，初步认为蛋白质的丧失与减轻的总重量有关，而体重减轻的原因关系不大[10]。
1.5.2 氮代谢与能量供给的关系
人体能量代谢与氮代谢有很密切的关系。病人在急性分解代谢占优势的状态下，为了达到最佳的氮平衡，确定适宜的热能摄取量，则显得更为重要。前人的实验观察到正常人摄取不含氮的食物时，每4.2kJ(1kcal)基础代谢需要排出1.35mg尿氮。如果以全天安静代谢7560kJ计算，加上粪便和汗液排出的氮，一个平均体重60kg的人需要排出的氮则为3.4g；再考虑到疾病能影响蛋白质利用率降低，氮的全天排出量将会增加到4.8g。临床外科及发烧病人尿氮排出量增加及血液尿素氮增加是蛋白质分解及糖原异生作用加强的结果，严重的外伤或传染病人，氮的丧失可以累计到150g，有并发症的三度烧伤病人，甚至可达300g以上。身体氮丧失过多，表示身体细胞的破坏。病人体氮丢失主要来自肌肉组织，而内脏蛋白质则在以后才被消耗。
Calloway等人在总结一些代谢研究工作的基础上，认为蛋白质摄取量充足时，能量的供给量则是氮平衡的决定因素；反之，能量供给充足时，蛋白质摄取量即成为决定因素。Goodlad与Munro曾在三种蛋白质摄取量和高与低二种能量摄取水平鼠实验中，结果表明分别增加能量与蛋白质摄取量，能都改善氮平衡的状况。Elwyn等人在10名外科病人中观察到病人的氮平衡与能量平衡呈直线相关，而与热能摄取量的关系不显著。大约每增减4.2kJ能量平衡，即可使氮平衡增减1.7mg。此一数字与正常人很接近。当能量处于零平衡时，摄取173mg·kg-1的氮，只有微量的正平衡，可是此量几乎是正常人维持零氮平衡的两倍。
1.5.3 临床病人能量需要的计算
对临床病人的能量供给是一个很重要的问题，也是一个比较复杂的问题。与正常人的热能需要要量不同，在临床上比较多注意的是其供应不足的一面。这是因为：①凡是较重的病人大致都有食欲减退、厌食的症状，以及其它许多原因，使病人不能正常经肠胃进食；②在发烧、外伤病人尤其是烧伤病人的分解代谢严重或者是高代谢（hypermetabolism）时，能量消耗增大，对营养素的需要增加。这样，首先是造成能量供给不足，从而影响体重稳定和氮平衡的维持，最终造成总的营养不足。因为营养不足，疾病的治愈率受到严重影响，而大大增加死亡率。例如，伤口易于崩裂，创面愈合延迟；抗体产生受损，对感染抵抗力降低，如并发肺炎、褥疮等；某些重要器官功能受损，如肝脏解毒能力下降，呼吸肌功能丧失，某些重要酶的活力降低等。因此，近二三十年来，临床医学对病人的营养支持相当重视，特别是对于高分解代谢的患者更为注意。但是，对严重病人的能量补充，并不是越多越好。如果补充过量，反会引起血糖过高，肝功能异常、脂肪肝以及血液尿素氮过高等弊端。能量补充的最基本目的是：分解代谢期在于维持能量平衡，从而维持氮平衡，保证身体各种功能以利于病人与疾病作斗争；合成代谢期则应把消耗量和体内合成代谢需要的能量合计在内，以利于病人尽快恢复。
表1-6 临床病人能量需要量的确定
| 能量需要量可按下式计算： 正常基础代谢率①×应激因素②×1.25③=维持体重的能量需要量+4200kJ④=增加体重的能量需要量 | |||||||
| ①正常基础代谢率可按专著标准计算式计算（一般为6300～7560kJ·d-1）不同身材大小成年人的安静代谢率可按下列数据取值： | |||||||
| 体重（kg） | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 | 75 | |
| kJ/d | 5527 | 5926 | 6338 | 6728 | 7115 | 7493 | |
| ②“应激因因素”按不同病程校正为正常基础代谢率 | |||||||
| 应激因素 | |||||||
| 轻度饥饿 | 0.85～1.00 | ||||||
| 手术后（无并发症） | 1.00～1.05 | ||||||
| 癌症* | 1.10～1.45 | ||||||
| 腹膜炎 | 1.05～1.25 | ||||||
| 严重感染或复合创伤* | 1.30～1.55 | ||||||
| 烧伤* | 1.50～1.70 | ||||||
| *按病程发展范围的比例取值 | |||||||
| ③为满足人轻微活动及配合治疗的需要，按增加正常基础代谢率的20%～25%进行调节。对于瘫痪、绝对卧床及进行人工呼吸的病人，此步调节可省略。 | |||||||
| ④以合成代谢为目的能量需要，可在维持体重的能量需要量上再增加4200kJ·d-1+。这样大约可增加体重0.908kg/周。但需要指出对严重病人加以特别护理的主要目的是维持体重而不是增加体重。 | |||||||
住院病人能量代谢的增加，一般男性大于女性，青年人大于老年人，肌肉壮实的人大于瘦弱的人。严重病人起病的开始一段时间的能量消耗是最难确定的，大约可达21000～25200kJ·d-1。有些病人因食欲减退，处于半饥饿状态，能量消耗可比正常低约10～30%。病人的活动量不大，因而受体力活动的影响不大。活动为坐在病床旁边的病人，全天的能量消耗大约比基础代谢增加5～10%；在床下稍事活动的病人，也不至于增加基础代谢的20%。发烧病人因体温过高，可以影响代谢增加，大约体温每升高1℃，代谢增加13%。对于临床病人，能量消耗的实际测定是很困难的。有的作者用长时间气体代谢测定法结合尿氮测定进行过研究，应用很不方便[2]。比较迫切需要对能量消耗作出估计的，又几乎都是危重病人，进行实际的能量消耗测定则更为困难。因此大多数都是按各种病情与安静代谢比较进行估计。Elwyn等人介绍了Harris与Benedict计算安静能量消耗（rest energy expenditure,REE）的计算如下：
REE（男）=（66.4230+13.7516W+5.0033H-6.7750A）·4.2
REE（女）=（655.0955+9.6534W+1.8496H-4.6756A）·4.2
式中A为年龄（岁），H为身高（cm），W为体重（kg），REE为kJ·d-1。Kinney在参考大量研究工作的基础上，总结了各种类型疾病患者能量消耗与安静代谢的关系（图1-3）。参照此图即可按不同类型疾病及病情计算病人的能量需要量。
图1-3 急性分解代谢安静能量消耗量的增加数与部分饥饿时减少数的比较
（引自Fischer,JE；Surgical Nutrition.p.119Little,Brown and Company,Boston,1983）
Apelgren等人在讨论严重病人的营养补充时提出了一个简化的计算方法（表1-6）。他们认为大多数特护病房内的严重病人的能量需要很少超过基础代谢率的20～30%。烧伤病人的热能需要量是最大的，但他们常常可以经口或管饲喂养。这几位作者认为。对于平常身材的人，一般8400～12500kJ·d-1足以维持体重的稳定。
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