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宏量营养素与能量
第01讲 蛋白质
食物中经过机体消化、吸收和代谢能够维持生命活动的物质称为营养素。根据人体对各种营养素的需要量或体内含量多少，可将营养素分为宏量营养素和微量营养素。
宏量营养素又称为产能营养素，包括蛋白质、脂类和碳水化合物。
蛋白质
生理功能
1.构成和修复人体组织 蛋白质是人体组织和器官的重要组成成分，在人体生长过程中就包含着蛋白质的不断增加，一个60kg体重成年男性体内大约含有10kg蛋白质。人体的肌肉组织，心、肝、肾等器官含大量蛋白质；骨骼、牙齿中含有胶原蛋白；血液中含有各种血浆蛋白；细胞从细胞膜到细胞内的各种结构中均含有蛋白质。摄入足够的蛋白质对处于生长发育期的儿童尤为重要。
2.调节生理功能 人体生命活动能有条不紊地进行，依赖多种生理活性物质的调节。蛋白质就是构成多种生理活性物质的重要成分，参与体内各种生理功能的调节。如酶蛋白催化体内物质代谢，并促进食物的消化、吸收；免疫球蛋白能维持人体免疫功能，抵御外来微生物及其他有害物质的入侵；血红蛋白担负着氧与二氧化碳的运输和交换；白蛋白调节渗透压、维持体液平衡等。此外，许多蛋白质降解的肽、某些外源性氨基酸也具有其特有的生理调节功能。
3.提供能量 蛋白质分解代谢后可释放出能量，1g食物蛋白质在体内约产生16.7kJ（4.0kcal）的能量。机体所需能量一般主要由碳水化合物和脂肪供给，食物蛋白质的主要功能是给机体蛋白质的合成提供原料，供给能量是蛋白质的次要功能。
必要的氮损失与氮平衡
1.必要的氮损失 膳食中蛋白质的消化从胃开始，胃酸使蛋白质变性，同时激活胃蛋白酶分解蛋白质。
在完全不摄入蛋白质的情况下，机体蛋白质仍然在分解、合成，机体处于负氮平衡状态。这种状态维持几天之后，氮的排出量将维持在一个较恒定的低水平。此时机体通过粪、尿、皮肤等途径排出的氮量是不可避免的，称为必要氮损失（obligatory nitrogen losses，ONL）。必要氮损失来源于机体每天由于皮肤和黏膜的脱落细胞、毛发指甲、妇女月经期的失血及肠道菌体死亡排出等。按每千克体重计算，成年男、女每日ONL分别约为54mg和55mg。
进入细胞的氨基酸除少数用于合成体内含氮化合物外，主要被用于合成人体蛋白质，以使人体蛋白质不断更新和修复。大约30%用于合成肌肉蛋白，50%用于体液、器官蛋白质合成。未被利用的氨基酸则经代谢转变成尿素、氨、尿酸和肌酐等，由尿和其他途径排出体外；或转化为糖原、脂肪。通过尿液排出的氮中包括来自食物的氮和内源性氮两部分。
当膳食中的碳水化合物和脂肪不能满足机体的能量需要，或在蛋白质摄入过多时，蛋白质才被用作能源或转化为碳水化合物和脂肪。因此，理论上只要从膳食中获得相当于必要氮损失量的蛋白质，即可满足人体对蛋白质的需要。
2.氮平衡 氮平衡（nitrogen balance）指一定时间内氮的摄入量和排出量的关系，可用下式表示：
B=I——（U+F+S）
式中：B为氮平衡；I为摄入氮；U+F+S为排出氮（U：尿氮；F：粪氮；S：皮肤氮）
氮平衡有三种状态：
①当摄入氮与排出氮相等时，即B=0，为零氮平衡。
②摄入氮多于排出氮，即B＞0，为正氮平衡。
③摄入氮少于排出氮，即B＜0，为负氮平衡。
氮平衡常用于人体蛋白质需要量研究和评价人体蛋白质营养状况。影响氮平衡的因素主要有5个方面：
①机体如从原来的高氮膳食进入低氮膳食，或者相反，氮的排出量都不会立即出现相应的反应。
②能量摄入量可影响蛋白质的利用。当能量摄入低于机体需要时，摄入的蛋白质不可避免地作为能量来源而消耗，必然影响氮平衡的结果。
③机体处于疾病状态、应激状态，甚至精神过度紧张均可增加氮的排出。
④氮平衡实验中由于难以准确收集和计算人体表皮脱落的细胞、排汗、各种分泌物、毛发、指甲等标本，甚至粪、尿标本也难以准确收集，因此氮平衡实验不可避免地会有一定误差。
⑤实验膳食含氮量高低也会影响氮平衡的结果，故在进行氮平衡实验时应选择适宜的膳食含氮水平。
氨基酸、氨基酸模式、限制氨基酸
1.氨基酸 氨基酸（amino acid）是具有α——氨基和羧基的一类含有复合官能团的化合物，也是组成蛋白质的基本单位。构成人体蛋白质的氨基酸有20种（不包括胱氨酸，cystine），可以分成必需氨基酸（essential amino acid）、条件必需氨基酸（conditionally essential amino acid）和非必需氨基酸三类，见下表。
*组氨酸为婴儿必需氨基酸，成人需要量相对较少
（1）必需氨基酸：必需氨基酸是指人体不能合成或合成速度不能满足机体需要，必须从食物中获得的氨基酸。人体必需氨基酸有9种，即异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸和组氨酸。其中组氨酸是婴儿的必需氨基酸，联合国粮农组织（FAO）、世界卫生组织（WHO）在1985年首次列出了成人组氨酸的需要量为8——12mg/（kg·d）。由于组氨酸在肌肉和血红蛋白中储存量较大，而人体对其需要量又相对较少，因此很难直接证实成人体内有无合成组氨酸能力，故尚难确定组氨酸是否为成人体内的必需氨基酸。
（2）条件必需氨基酸：半胱氨酸和酪氨酸在体内可分别由蛋氨酸和苯丙氨酸转变而成，如果膳食中能提供充足的半胱氨酸和酪氨酸，则人体对蛋氨酸和苯丙氨酸的需要量可分别减少30%和50%。故称其为条件必需氨基酸，或半必需氨基酸。在计算食物蛋白质必需氨基酸组成时，往往将半胱氨酸和蛋氨酸，苯丙氨酸和酪氨酸合并计算。
（3）非必需氨基酸：非必需氨基酸是指人体可以自身合成的氨基酸，并非合成机体蛋白质时不需要，而是不一定需要从食物中摄入。但当膳食总氮量不足时，体内合成这些非必需氨基酸也可能受到限制。
2.氨基酸模式 人体蛋白质以及各种食物蛋白质在必需氨基酸的种类和含量上存在着差异，可用氨基酸模式（amino acid pattern）来反映。氨基酸模式指蛋白质中各种必需氨基酸的构成比例。其计算方法是将蛋白质中的色氨酸含量定为1，分别计算出其他必需氨基酸的相应比值，这一系列的比值就是该蛋白质的氨基酸模式（见表）。
几种中国食物和人体蛋白质氨基酸模式
3.限制氨基酸 有些食物蛋白质的氨基酸模式与人体蛋白质氨基酸模式差异较大，其中一种或几种必需氨基酸含量相对较低，导致其他必需氨基酸在体内不能被充分利用，故其蛋白质营养价值较低。这些含量相对较低的必需氨基酸称为限制氨基酸（limiting amino acid），并按其含量低的严重程度依次称为第一、第二和第三限制氨基酸等。
食物蛋白质按其必需氨基酸组成可分为三类。
①完全蛋白质：所含必需氨基酸种类齐全、数量充足、比例适当。此类蛋白质不但能维持成人的健康，并能促进儿童生长发育。如乳类中的酪蛋白，蛋类中的卵清蛋白、卵磷蛋白等。
②半完全蛋白质：这类蛋白质虽然含有种类齐全的必需氨基酸，但有的必需氨基酸数量不足，比例不适当，氨基酸模式与人体蛋白质氨基酸模式差异较大，虽可维持生命，但不能促进生长发育。如小麦中的麦胶蛋白等。
③不完全蛋白质：所含必需氨基酸种类不全，既不能维持生命，也不能促进生长发育，如玉米中的玉米胶蛋白，动物结缔组织中的胶原蛋白等。
食物蛋白质营养价值评价
评价食物蛋白质的营养价值，对于食品品质的鉴定、新资源食品的研究与开发、指导人群膳食等方面都是十分必要的。食物蛋白质的营养价值主要从蛋白质含量、消化吸收程度和被人体利用程度三方面来全面评价。
1.蛋白质含量 蛋白质含量是食物蛋白质营养价值的基础，没有一定数量，再好的蛋白质其营养价值也有限。蛋白质含氮量比较恒定，故一般使用微量凯氏（Kjeldahl）定氮法测定食物中的含氮量，再乘以蛋白质换算系数来计算食物蛋白质含量。不同食物蛋白质的含氮量稍有不同，平均为16%，因此由氮计算蛋白质的换算系数即是其倒数6.25。根据被测定食物的含氮量乘以6.25就可以得到该食物的粗蛋白质含量（测定时未去除食物中非蛋白氮）。在具体计算时，也可按不同食物选用各自实际的蛋白质换算系数。
2.蛋白质消化率 蛋白质消化率（digestibility）是指食物蛋白质在消化道内被分解和吸收的程度。由于蛋白质在食物中存在形式、结构不同，食物中含有影响蛋白质吸收的因素以及食物不同的加工与烹调方式，食物蛋白质的消化率存在差异。动物性食品的蛋白质消化率一般高于植物性食品（见表）。大豆整粒食用时，消化率仅60%，而加工成豆腐后，消化率提高到90%以上。这是因为加工过程中去除了大豆含有的纤维素等不利于蛋白质消化吸收的成分。
几种食物蛋白质的消化率（%）
测定食物蛋白质消化率时，无论是以人还是以动物为实验对象，都必须检测实验期内摄入的食物氮、排出体外的粪氮和粪代谢氮。其中粪代谢氮，即肠道内源性氮，是在实验对象完全不摄入蛋白质时，从粪中排出的氮量，包括分泌到肠道的消化液、脱落的肠黏膜细胞和肠道微生物所含的氮中未被重新吸收的部分。成人24小时内粪代谢氮一般为0.9——1.2g。按下式可计算食物蛋白质的真消化率（true digestibility）：
实际测定时为简便起见，一般不测定粪代谢氮，如此测得的消化率称为表观消化率（apparent digestibility）。表观消化率的数值比真消化率低，具有一定安全性。
3.蛋白质利用率 评价食物蛋白质利用率的指标很多，不同指标可从不同角度反映蛋白质被利用的程度，常用的指标有：
（1）生物价：生物价（biological value，BV）是表示食物蛋白质消化吸收后，被机体利用程度的指标。生物价的数值越高，表明其被机体利用程度越高，最大值为100%。计算公式如下：
上式中：吸收氮=食物氮——（粪氮——粪代谢氮）
储留氮=吸收氮——（尿氮——尿内源性氮）
尿内源性氮为试验对象完全不摄入蛋白质时从尿中排出的氮，主要来源于组织蛋白质的分解。生物价高，表明食物蛋白质中氨基酸主要被用来合成人体蛋白质，很少经肝、肾代谢而由尿排出多余的氮。生物价对指导肝、肾疾病患者的膳食很有意义，生物价高的蛋白质有利于减轻肝肾负担。
（2）蛋白质净利用率：蛋白质净利用率（net protein utilization，NPU）是把食物蛋白质的消化率和利用率结合起来，因此更全面地反映了食物蛋白质被利用的程度。
（3）蛋白质功效比值：蛋白质功效比值（protein efficiency ratio，PER）是用生长实验的方法反映食物蛋白质利用率的指标。一般使用处于生长阶段的幼年动物（刚断奶的雄性大鼠），测定其在实验期内体重增加（g）和蛋白质摄入量（g）的比值。显然，动物摄食持续时间、年龄、实验开始的体重和所用动物的种类都是很重要的变量。由于所测蛋白质主要被用来提供生长之需要，所以该指标被广泛用于婴幼儿食品中蛋白质的评价。
（4）氨基酸评分和经消化率修正的氨基酸评分：氨基酸评分（AAS）也叫蛋白质化学评分，是通过测定蛋白质的必需氨基酸组成，并将各组分与参考蛋白或推荐的氨基酸评分模式相比较，发现其中最缺乏的氨基酸即限制性氨基酸，然后计算其与参考蛋白或推荐的氨基酸评分模式中相应的必需氨基酸的比值。例如，某被测蛋白质的限制氨基酸含量相当于参考蛋白中同种氨基酸的70%，那么它的氨基酸评分即是70。不同年龄的人群，其氨基酸评分模式也不同。（见下表）
不同人群需要的氨基酸评分模式
确定某一食物蛋白质的氨基酸评分分两步：第一步计算被测蛋白质每种必需氨基酸的评分值；第二步是在上述计算结果中，找出最低的必需氨基酸（第一限制氨基酸）评分值，即为该蛋白质的氨基酸评分。
氨基酸评分的方法简单易行，缺点是没有考虑食物蛋白质的消化率。为此，美国食品药品管理局通过了一种新的方法，即经消化率修正的氨基酸评分（PDCAAS）。这种方法可替代蛋白质功效比值，对除孕妇和婴儿以外的所有人群的食物蛋白质进行评价（见下表）。要得到PDCAAS，需将AAS乘以食物蛋白质的真消化率。其计算公式为：
经消化率修正的氨基酸评分=氨基酸评分×真消化率
几种食物蛋白质经消化率修正的氨基酸评分
除上述方法和指标外，还有一些蛋白质营养价值的评价方法和指标，如相对蛋白质值（RPV），净蛋白质比值（NPR），氮平衡指数（NBI）等，一般使用较少。几种常见食物的蛋白质质量评价指标见下表。
几种常见食物蛋白质质量评价指标
人体蛋白质营养状况评价
1.蛋白质营养状况评价 评价人体蛋白质营养状况的指标主要有以下几种：
（1）血清蛋白质：血清蛋白质常用于评估人体营养水平，主要的指标见下表。
评价蛋白质营养状况的主要指标
（2）血清氨基酸比值（SAAR）：在蛋白质营养不良时，可能由于适应性代谢的结果，血清游离氨基酸的模式发生变化。蛋白质营养不良的儿童，空腹血中亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸等必需氨基酸含量减少；而丝氨酸等非必需氨基酸含量正常或增高。
评价标准：SAAR＜2为正常，＞3为蛋白质营养不良。
此指标测试仪器复杂，而且受试者必须在能量摄入充足而蛋白质不足的条件下才有意义，因而不常采用。
（3）上臂肌围和上臂肌区：上述指标各有不足之处，实际应用还须结合膳食史和临床观察进行综合评价。
[讲义编号NODE71060500010100000110：针对本讲义提问]
2.蛋白质缺乏 蛋白质缺乏在成人和儿童中都有发生，但处于生长阶段的儿童更为敏感。据调查，蛋白质——能量营养不良（PEM）患者中有因疾病和营养不当引起，但大多数则是因贫穷和饥饿引起的。膳食蛋白质摄入不足时，蛋白质的质量在很大程度上决定了儿童的生长情况和成人的健康。
PEM有两种：一种称kwashiorkor，来自加纳语，指能量摄入基本满足而蛋白质严重不足的儿童营养性疾病。主要表现为腹部和腿部水肿、虚弱、表情淡漠、生长滞缓、头发变色、变脆和易脱落、易感染其他疾病等。另一种叫marasmus，原意即为“消瘦”，指蛋白质和能量摄入均严重不足的儿童营养性疾病，患儿消瘦无力，因易感染其他疾病而死亡。这两种情况可以单独存在，也可并存（下表）。也有人认为此两种营养不良症是PEM的两种不同阶段。对成人来说，蛋白质摄入不足，同样可引起体力下降、水肿、免疫力减弱等症状。
蛋白质，尤其是动物性蛋白摄入过多，对人体同样有害。首先过多的动物性蛋白质的摄入，必然伴随较多的动物脂肪和胆固醇摄入。其次蛋白质过多本身也会产生有害影响。正常情况下，人体不储存蛋白质，摄入过多时必须将蛋白质脱氨分解，氮则由尿排出体外。这一过程需要大量水分，从而加重了肾脏的负荷，若肾功能本来不好，则危害就更大。过多的动物性蛋白摄入，也造成含硫氨基酸摄入过多，这样可加速骨骼中钙的丢失，易产生骨质疏松（osteoporosis）。
蛋白质参考摄入量与食物来源
1.蛋白质参考摄入量
理论上成人每天摄入约30g蛋白质就可满足零氮平衡，但从安全性和消化吸收等因素考虑，成人按0.8g/（kg·d）摄入蛋白质为宜。由于中国膳食以植物性食物为主，所以成人蛋白质推荐摄入量为1.16g/（kg·d）。按能量计算，中国成人蛋白质摄入量占膳食总能量的比例为10%——12%，儿童、青少年为12%——14%。
2.食物来源
蛋白质广泛存在于动、植物性食物之中。动物性蛋白质的消化率和利用率较高，而植物性食物的蛋白质含量、利用率一般较低。因此，注意食物合理搭配、蛋白质互补是非常重要的。大豆可提供丰富的优质蛋白质，牛奶也是优质蛋白质的重要食物来源，中国人均牛奶的年消费量还很低，应大力提倡各类人群增加牛奶和大豆及其制品的消费。
反映机体对食物蛋白利用程度的指标是
A.蛋白质含量
B.蛋白质消化率
C.生物价
D.血清白蛋白
E.吸收氮
『正确答案』C
『答案解析』生物价（BV）是表示食物蛋白质消化吸收后，被机体利用程度的指标。
[讲义编号NODE71060500010100000112：针对本讲义提问]
评价人体蛋白质营养状况的指标
A.血清氨基酸比值
B.蛋白质消化率
C.上臂肌区
D.血清白蛋白
E.上臂肌围
『正确答案』B
『答案解析』食物蛋白质的营养价值主要从蛋白质含量、消化吸收程度和被人体利用程度三方面来全面评价。
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