第二节 热能
一、概述
人体维持恒定的37℃体温需要消耗热能，人体的各种活动，包括心跳、呼吸、走路、工作等，都需要热能。
目前，我国法定的热能计量单位是焦耳（J），营养学常用的是千焦耳（kJ）；以前常用卡（cal）和千卡（kcal）；它们之间的换算关系是1cal=4.184J，1J=0.239cal。
每克蛋白质、脂肪、碳水化合物在体内氧化时产生的能量称为能量系数。蛋白质的能量系数为16.74kJ（4kcal）/g；脂肪的能量系数为37.56kJ（9kcal）/g；碳水化合物的能量系数为16.81kJ（4kcal）/g。
食物中的生热营养素不可能全部被消化吸收，消化率也各不相同；消化吸收后，在体内也不一定完全彻底被氧化分解产生热能，特别是蛋白质。每克蛋白质、脂肪、碳水化合物在体外能量计中充分氧化燃烧分别产生能量23.64kJ、39.54kJ、17.15kJ，它们在体内的消化率分别是92％、95％、98％。蛋白质的最终代谢产物还有尿素、尿酸、肌酐，这些含氮物质在体外还可以产生5.44kJ的能量。
1g碳水化合物可产生16.81kJ（4.0kcal）；1g脂肪可产生37.56kJ（9.0kcal）；1g蛋白质可产生16.74kJ（4.0kcal）；1g乙醇可产生29.3kJ（7.0kcal）的能量。
酒精吸收快，但是在体内氧化产生的热能只能以热的形式向外释放，不能用于机体作功，是“空热”。
二、人体的热能消耗
热平衡是产热和散热的平衡，膳食摄取的营养要与人体的各种散热、劳动、活动需要的能量平衡。摄入量大于消耗就可能导致肥胖；摄入量小于消耗则可能导致消瘦。
（一）基础代谢
基础代谢是指维持生命的最低热能消耗，即人体在安静和恒温条件下（一般为18～25℃），禁食12h，静卧，放松，而又清醒时的热能消耗。为了确定基础代谢的热能消耗（BEE），必须首先测定基础代谢率（BMR）。基础代谢率就是指人体处于基础代谢状态下，每小时每平方米体表面积的能量消耗。中国人正常基础代谢率平均值见表1-1。
表1-1 中国人正常基础代谢率平均值
1.用体表面积计算
体表面积（m2）=0.00659×身高（cm）+ 0.012×体重（kg）-0.1603 （1-1）
2.直接公式计算
男： BEE=66.47+13.7×体重（kg）+ 5.0×身高（cm）-6.8×年龄（y） （1-2）
女： BEE=65.60+9.5×体重（kg）+1.8×身高（cm）-4.7×年龄（y） （1-3）
或成人按每千克体重4.184kJ（1kcal）/h估算。
3.影响基础代谢的因素
（1）体格 体表面积大者，散发热能多，肌肉发达者基础代谢水平高。男性高于女性5％～10％。
（2）不同生理、病理状况 儿童和孕妇的基础代谢相对较高（10％～28％）。儿童年龄越小基础代谢越高。生病发热时基础代谢增加，热能消耗增加。
（3）环境条件 寒冷、过多摄食、精神紧张都可以使基础代谢水平增高。
（4）兴奋神经的食物、药物 刺激中枢神经，兴奋性增加，基础代谢增加。
（5）内分泌 甲状腺素、肾上腺素能使基础代谢率增加。
（二）体力活动
一般情况下，各种体力活动，即运动的生热效应（TEE）所消耗的热能占人体总热能消耗的15％～30％，或更多。人体热能消耗变化最大的部分是人体的体力活动的热能消耗，是保持能量平衡的最重要部分。
中国成人活动水平分级见表1-2。
表1-2 中国成人活动水平分级
（三）食物生热效应
在摄食过程中，机体对食物中的营养素进行消化、吸收、代谢和转化时需要消耗的能量称为食物生热效应，即食物特殊动力作用（TEF）。在此过程中同时伴随着体温升高和散热增加。
不同成分的食物的生热效应不等。脂肪的食物生热效应约消耗本身产生热能的4％～5％，碳水化合物为5％～6％，而蛋白质则为30％，混合食物为10％。
（1）食物特殊动力作用的机制
①食物消化、肠蠕动、消化腺分泌等。
②食物多余的热能转化为ATP时要消耗能量。
③供能营养素在体内合成代谢需要消耗能量。
（2）造成差异的主要原因
①各种营养素转变成为ATP储存的量不同，其余的转变成为热量释放。
②食物中的脂肪转化为人体的脂肪要消耗的能量，比葡萄糖转化为糖原或脂肪消耗的能量要低。食物中的蛋白质转化为人体蛋白质、脂肪消耗的能量最多。它们的排序为：蛋白质的生热效应>碳水化合物的生热效应>脂肪的生热效应。
（3）影响食物特殊动力作用的因素
①食物的成分（蛋白质、脂肪、碳水化合物的比例）。
②进食量（成正比）。
③进食频率（成正比）。
④进食速度（成正比）。
（四）生长发育蓄积能量
婴儿、幼儿、儿童、青少年等时期需要积累能量供生长发育需要；孕妇、乳母也需要额外的能量。
三、人体一日热能需要量的确定
（一）计算法
此法简便易行，应用广泛，但相对粗糙。
1.计算热能消耗
热能的消耗包括基础代谢、体力活动和食物特殊动力作用，在这三者中只要记录好每天的各项活动情况，就可计算出一天的热能消耗。
2.膳食调查
健康人在食物供应充足、体重不发生明显变化时，热能摄入量基本可反映出其热能的需要量。详细记录一段时间内食物摄入的数量、种类，可以计算出平均每日的热能需要量。
举例：一位25岁男性青年，从事轻体力劳动，身高1.74m，体重65kg，试计算其一日热能的需要量。
按照性别、年龄，查表1-1：
按照轻体力劳动，查表1-2：
一天的能量代谢=1606.68（kcal）×1.55=2490.36（kcal）
以式（1-2）、式（1-3）计算或以成人按每千克体重每小时4.184kJ（1kcal）估算，结果基本相似。
（二）测量法
此法较准确，但操作复杂，设备价格昂贵，常用于特殊作业人群或研究工作。
1.直接测热法
人体释放出来的能量可以反映机体的热能代谢情况。人置身于特殊测量室，特殊测量室吸收所释放出来的所有热量，便可计算出消耗的能量，进而求得机体的能量需要。
2.间接测热法
营养素经体内彻底氧化后，产生CO2和H2O并释放出热能供机体的需要，因此只要测定氧气的消耗量，便可知道释放的热量（实际上只要测定呼出气即可。空气的含氧浓度基本恒定，在呼、吸之间能摄取的氧量恒定，混合膳食的呼吸商是0.85，只要收集该时间的呼出气，就可以知道热量）。
四、热能供给
健康的成人应该保持人体的热量平衡。基础代谢和食物生热效应不会有大的变化，而体力劳动强度是最大的影响因素。
能量的摄入与健康的关系很大，热能是三大产热营养素供给的综合反应。蛋白质-热能营养不良是典型的能量与营养素缺乏的表现。
热能供给量不足可导致消瘦、易疲劳、体力下降、工作效率下降、抵抗力下降、早衰、蛋白质-热能营养不良等。热能供给量过多可导致肥胖、高血压病、心脏病、糖尿病等。
每人每天的热能摄入量与人体的生长发育阶段以及性别和劳动强度有关，要分别制定。其中碳水化合物占60％～65％，脂肪占20％～25％，蛋白质占10％～15％为好。中国成人膳食能量推荐摄入量见表1-3。
表1-3 中国成人膳食能量推荐摄入量
注：1kcal=4.184kJ。