营养是保持健康的关键因素之一。合理的膳食可以预防和治疗多种慢性疾病,而不良的饮食习惯则会增加患病风险。本文系统阐述了当代营养学中有关能量和主要营养素(蛋白质、脂肪和碳水化合物)的重要概念。最近发表在NEJM上一篇文章Guidance on Energy and Macronutrients across the Life Span，详细介绍了不同生命周期阶段，需要的营养水平情况。
文章首先回顾了营养科学的历史发展。早在2000多年前,希腊哲学家和医生就认识到食物是维持生命所需,不同生命阶段对食物的需求不同。18世期化学革命后,人们发现身体产热需要氧气的参与,蛋白质、脂肪和碳水化合物成为已知的主要营养素。20世纪初,人们进一步认识到维生素和矿物质等微量营养素对健康的重要性。1943年,美国科学院首次发布了"推荐膳食补给量"(RDA),旨在防止营养缺乏症。1994年,RDA被修订为"膳食参考摄入量"(DRI),包括推荐膳食补给量、耐受上限摄入量以及适宜的主要营养素分配范围等。
好的,我将把这部分内容翻译成中文。
能量
19世纪后期,马克斯·鲁布纳在热量计中测量了保持稳定体重的狗的产热和其它能量损失形式。狗摄入的食物能量(17,349卡路里)与其总能量损失(17,406卡路里)相匹配,验证了热力学第一定律在生物体内的适用性。不久之后,威尔伯·阿特沃特扩展了鲁布纳的研究,证实了热力学第一定律同样适用于人体。阿特沃特还推导出碳水化合物、脂肪和蛋白质的"可代谢能"值分别为4、9和4卡路里/克,这是通过调整每种营养素的总能量值,减去排泄物和尿液中的化学能量损失而获得的。这些阿特沃特值假设每种营养素具有平均的"明显"可消化性,以及蛋白质代谢产生尿液中的氮化合物能量损失。但这些值可能无法精确反映特定食物的情况。例如,在人体饮食中,每克杏仁所产生的能量为4.6卡路里,显著低于根据其营养素组成推算的6卡路里/克。
鲁布纳和阿特沃特的实验表明,当食物摄入的能量与产热、排泄物、尿液和皮肤等能量损失相平衡时,动物或人体将保持固定体重,即能量平衡。当前膳食参考摄入量中的能量推荐值是基于双标记水法测量的间接热量计,在1-2周的时间里对生活在自然环境中的人群进行了总能量消耗的定量测定。图2给出了一个简化的营养素转化为人体物质和热量的模型。
图2是健康成年人维持能量平衡和体重体征的主要营养素途径。
膳食参考摄入量中的能量推荐值是估计能量需求,定义为根据年龄、性别、体力活动水平和生命阶段,维持人体能量平衡所需的预计平均能量摄入量。四种体力活动水平(无活动、低活动、活跃和非常活跃)范围从最低生存活动所需的能量到剧烈活动所需的能量。对于孕妇和哺乳期妇女,能量需求预测会进一步调整。可使用在线计算器估算卡路里摄入水平。可穿戴传感器和移动应用程序提供了一种新的机会,可以客观评估个人和群体的食物摄入和活动水平。
蛋白质
人体蛋白质是由氨基酸合成的主要结构和功能性成分。在人体蛋白质中的20种氨基酸中,有9种是不可缺少的(必需的);如果饮食中缺乏任何一种,都会导致生理症状和全身负氮平衡。另外6种被认为是条件必需氨基酸,意味着在迅速生长和严重代谢压力期间,无法合成足够的数量。其余5种是可合成的(非必需)氨基酸,可以在体内合成以满足需求。20世纪30年代,鲁道夫·舍恩海默及其同事发现,如蛋白质这样的生物分子处于持续的新陈代谢过程中,需要通过饮食补充以维持大多数身体功能和健康。
动物性蛋白质含有全部9种必需氨基酸,而植物性蛋白质通常缺乏一种或多种必需氨基酸。可消化氨基酸评分被用于评定蛋白质来源,以学龄前儿童的不可消化必需氨基酸需求量为参考。牛奶、牛肉和鸡蛙具有最高分数,约为1;大米分数约为0.5。大豆蛋白的分数约为0.9,是有益的植物氨基酸来源。素食者和纯素食者可以通过食用多种植物性食品(如豆类、谷物、大豆制品、坚果和种子)来获取足够的高质量蛋白质。
个体氨基酸需求主要通过同位素示踪方法确定。利用氮平衡法可估算蛋白质需求,根据蛋白质摄入的变化来监测粪便、尿液和皮肤中的氮损失。总蛋白质或任何必需氨基酸的摄入不足都会引起蛋白质代谢的适应性改变,从而可能损害婴儿大脑发育、免疫功能和许多其他生理和代谢功能。脂肪和碳水化合物能量摄入不足也可能导致负氮平衡。相反,在高蛋白质摄入期间,过量的氨基酸可被去氨基形成α-酮酸,随后被氧化产生能量或转化为葡萄糖或脂肪。
健康的年轻成年人每天摄入0.55-0.6克/千克体重的蛋白质即可维持中性氮平衡。推荐膳食补给量蛋白质为每天0.8克/千克体重,对18岁以上男女包含了一定的安全余量(表1)。婴幼儿和儿童的蛋白质需求更高,以促进健康生长。孕期和哺乳期妇女的蛋白质需求也会增加。对于某些人群来说,更高的蛋白质摄入量可能是有益的,如运动员、社区老年人,以及减肥的肥胖症人群。尽管成人蛋白质耐受上限为每天3.5克/千克(基于尿素生成估算和小规模实验研究),但每天超过2克/千克的长期摄入应予以避免,因为会产生多种不利健康影响。成人每天摄入低于约0.4-0.5克/千克的蛋白质会导致肌肉萎缩和功能损害。对3岁以上所有人群而言,蛋白质的适宜营养素分配范围占总能量的10-35%。
在2015-2018年期间,约6%的1岁及以上美国人蛋白质摄入不足,在某些人群中(如71岁及以上和西语裔黑人)这一比例更高。增加蛋白质摄入并非易事,含蛋白质的食物通常也含有其他营养素。
蛋白质食品通常以混合菜肴(如三明治和砂锅菜)的形式食用,含有较高的饱和脂肪和钠。只食用植物性食物的人群不仅需要注意蛋白质质量,还应补充维生素B12、维生素D、钙、铁、锌和碘。
脂肪
人体内存在的脂肪几乎全部以甘油三酯的形式存在,具有甘油骨架和三个连接的脂肪酸。饱和脂肪酸不含双键,来源于动物性食品,在室温下通常为固体。不饱和脂肪酸含有双键,包括两种几何异构体:顺式具有双键两侧相同的两个氢原子,反式则两个氢原子在双键两侧。顺式不饱和脂肪酸可以只含一个双键(单不饱和)或多于一个双键(多不饱和),来源于植物,在室温下为液体。
20世纪初期,脂肪被认为是紧凑的膳食能量来源和脂溶性维生素的载体。1929年,乔治和米尔德雷德·伯尔发现,亚麻酸和亚油酸这两种脂肪酸对于促进生长和预防啮齿动物缺乏症状是必需的。这两种分别属于n-6和n-3族的必需多不饱和脂肪酸后来被发现是广泛生物活性脂质的前体,参与了多种功能。
除了亚麻酸,当亚麻酸通过去饱和作用和碳链延长限制其合成时,花生四烯酸(一种n-6多不饱和脂肪酸)也可能成为条件必需的。花生四烯酸是一些视黄醇、血栓素和白三烯等合酶的前体,它们参与了自分泌、旁分泌和偶尔的内分泌功能,对生理过程有着广泛的作用。n-6多不饱和脂肪酸对心血管的影响仍在讨论中。玉米油、紫苏油和大豆油、坚果和种子是n-6脂肪酸的良好来源。
n-3族必需多不饱和脂肪酸α-亚麻酸是生成EPA和DHA的前体,后两者是n-3多不饱和脂肪酸,在合成炎症介质、细胞内信号和基因表达以及细胞膜结构中发挥重要作用。较高水平的EPA和DHA与较低的心血管疾病风险相关联,尽管这种效应的强度仍在研究中。在常用的植物油中,亚麻籽油、大豆油和菜籽油是α-亚麻酸的良好来源。油脂鱼类(如鲑鱼和鲱鱼)和鱼油富含EPA和DHA。人类将α-亚麻酸转化为EPA和DHA的能力较低。
由于必需脂肪酸及其下游产物在美国人的饮食中含量充足,并储存在体内脂肪中以备在脂解过程中释放,因此缺乏这两种必需脂肪酸中的任一种的情况非常罕见。n-6和n-3脂肪酸竞争相同的去饱和酶,调节花生四烯酸、EPA和DHA的合成速率。必需多不饱和脂肪酸的足量摄入水平是根据生命阶段设定的。
单不饱和脂肪酸是细胞膜的重要组分,特别是神经组织的髓鞘。油酸是食物和组织中主要的单不饱和脂肪酸。食物来源包括橄榄油、菜籽油、花生油、芝麻油以及动物性脂肪。
硬脂酸和棕榈酸等饱和脂肪酸是非必需的,主要来源于全脂乳制品、脂肪肉类和热带植物油(椰子油和棕榈仁油)。这些脂肪酸会增加总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平,从而增加心血管疾病风险。
高水平的饱和脂肪酸摄入会通过激活toll样受体4而诱发急性和慢性炎症反应,toll样受体4是先天免疫的重要调节因子,这可能解释了它与多种与饮食相关的疾病之间的关联。
反式脂肪酸是饮食中存在的不饱和脂肪酸,来源于反刍动物肉类或乳制品,或者通过部分加氢工艺将液体转化为半固体或固体脂肪。研究发现,膳食反式脂肪与总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平升高以及心血管疾病风险增加呈正相关。2018年前,美国食品公司必须从产品中去除部分加氢油,导致食品供应中工业反式脂肪含量大幅降低。
胆固醇是一种非必需的膳食脂质,在细胞膜流动性和作为类固醇激素、胆汁酸和维生素D生物合成的前体方面发挥关键作用。膳食胆固醇在心血管疾病发病机制中的作用因素随时间而变化,部分原因是难以区分胆固醇与其他膳食脂肪和碳水化合物的独立影响。坚持遵循饱和脂肪指南,并保持强调水果、蔬菜、全谷物、低脂或脱脂乳制品、瘦肉类、坚果、种子和植物油的健康饮食模式,可使膳食胆固醇摄入量低于被认为会增加心血管疾病风险的水平。
除红细胞和中枢神经系统细胞外,所有细胞都可以氧化从膳食甘油三酯释放出的长链脂肪酸以获取能量。为0-12个月婴儿设置了总脂肪的足量摄入水平,但对较大年龄段没有推荐的RDA或足量摄入量。各生命阶段的脂肪适宜营养素分配范围占能量摄入的20-40%(表1)。
《2020-2025年美国膳食指南》建议从2岁开始,每天来自饱和脂肪的热量不超过10%。在2015-2018年期间,不到四分之一的美国人报告饱和脂肪热量摄入低于推荐的10%。从2017年到2020年3月,20岁及以上人群的平均饱和脂肪摄入量为12%,总膳食脂肪摄入量为38%,超过了这个年龄组适宜营养素分配范围的35%上限(表2)。通过采用农业部和卫生与公众服务部推荐的健康膳食模式,如减少饱和脂肪(8%)和总膳食脂肪(32%)的摄入,增加n-6和n-3多不饱和脂肪酸的摄入(表2),可以降低典型美国成年人饮食中的高饱和脂肪和高总脂肪水平。作为保持健康膳食模式的一部分,应该用多不饱和脂肪或单不饱和脂肪而非精制碳水化合物和糖来替代饱和脂肪。在烹饪时用蒸或煮代替油炸,去除肉类可见的脂肪,食用低脂乳制品和瘦肉类,减少甜点和糖果零食的摄入也可降低饱和脂肪摄入量。
虽然限制饱和脂肪摄入获得了广泛支持,但关于不同化学性质和可能引起动脉粥样硬化的具体饱和脂肪膳食来源的讨论仍在继续。饱和脂肪酸对心血管代谢的影响在一定程度上受到所谓"食物基质"即给定食物中营养素和非营养素成分之间化学相互作用的调节。例如,与来自黄油的相似量的饱和脂肪酸相比,高摄入来自奶酪的饱和脂肪酸可能对低密度脂蛋白胆固醇的升高影响较小。围绕饱和脂肪的食物来源及其与心血管疾病风险之间的关系的问题正在由"2025-2030年美国膳食指南"咨询委员会审查。
碳水化合物
人类膳食中主要有两种可消化碳水化合物形式,糖和淀粉,都是提供细胞能量的主要营养素。糖(主要是蔗糖)天然存在于水果中,而乳糖(双糖)则存在于乳制品中。淀粉是所有绿色植物产生的多糖,常见的膳食来源包括马铃薯、大米、玉米和小麦。在加工食品中添加的糖包括蔗糖、葡萄糖、红糖、高果糖玉米糖浆、蔗糖浆和蜂蜜。高摄入添加糖与过多热量、低质量饮食、体重增加和肥胖相关。
在正常情况下,红细胞和人脑中的神经元(较小程度)仅依赖葡萄糖作为能量来源。从1岁开始,不同生命阶段的碳水化合物需求是根据脑部对葡萄糖的平均最小氧化量得出的(表1)。所有1岁及以上人群的碳水化合物适宜营养素分配范围占总能量的45-65%。《2020-2025年美国膳食指南》建议2岁前避免添加糖,2岁及以后每天添加糖热量不超过总热量的10%。2013年至2016年期间,1岁及以上美国人群平均添加糖摄入量为每天266卡路里,占膳食能量的13%。超过10%的指导水平者在5-18岁儿童和青少年中超过70%,成人人群则超过50%。
不包括加糖咖啡和茶在内,糖sweetened类饮料约占2岁及以上美国人添加糖摄入量的四分之一。
膳食纤维是植物性碳水化合物和植物细胞壁中丰富的有机聚合物木质素中天然存在的不可消化可食用成分。功能性纤维是指那些经证实对健康有益的分离、提取或合成的不可消化碳水化合物。总纤维摄入量等于膳食纤维和功能性纤维的总和。更高的总膳食纤维摄入量与便秘改善和血糖控制改善相关联。随机试验表明,最高纤维摄入量与较低的体重、血清胆固醇水平和systolic血压相关,观察性研究显示,高纤维摄入量者某些常见非传染性疾病发病率和相关死亡率降低15-30%。肠道微生物通过结肠中的厌氧发酵将膳食纤维代谢为短链脂肪酸,这在2型糖尿病等疾病背景下是有益的代谢过程。全谷物、水果和蔬菜是富含膳食纤维和其他必需微量营养素的营养密集型食源。
从1岁开始,按生命阶段制定的膳食纤维摄入指南考虑了纤维对心血管疾病风险的保护作用(表1)。2017-2020年期间,20岁及以上美国人群的平均膳食纤维摄入量为每天17克(表2),约为基于足量摄入量推荐值一半的水平(表1),远低于与各种健康结果风险降低相关的25-29克/天的最佳摄入量。在1岁及以上的美国人群中,94%的人没有达到其生命阶段的膳食纤维足量摄入水平。
早期的营养指南侧重于饮食中的总碳水化合物及其简单和复杂形式的分类,这一分类法现在正被重新考虑。越来越多的证据支持这一观察结果:含有天然糖和添加糖的食物具有不同的代谢效应,添加糖与多种非传染性疾病风险相关联。碳水化合物来源的质量与碳水化合物的类型、消化性和纤维含量有关。现在已经认识到,膳食碳水化合物的数量和质量是2型糖尿病等疾病的独立决定因素。
表3. 针对患者和照护者关于与能量和主要营养素指南一致的健康饮食模式的建议
确立热量需求。 根据患者的性别、年龄、体重、身高、体力活动水平以及怀孕或哺乳状态,可以使用在线计算器(https://www.nap.usda.gov/human-nutrition-and-food-safety/dri-calculator)估算热量摄入水平。 对于患有潜在健康状况的患者,可能需要进行修改。该计算器还为其他主要营养素、总膳食纤维、脂肪酸、胆固醇和水提供了摄入建议。
选择健康的食物模式。 总体营养目标是让人们在所有生命阶段都享受有益健康的饮食,并将慢性疾病风险降至最低。 应为1岁以上患者推荐与主要营养素膳食参考摄入量一致的健康食物摄入模式。 健康食物摄入模式的核心元素包括各类蔬菜、水果(尤其是全果)、谷物(至少一半是全谷物)、乳制品(如低脂或脱脂奶、酸奶和酪乳)、蛋白质食物(如瘦肉类和海鲜、豆类和坚果)以及油类(如植物和海鲜油)。 与较低致死率相关的健康食物摄入模式中,也含有较少的红肉和加工肉类、高脂乳制品和精制碳水化合物或糖。 来自美国农业部的健康餐饮模式实例可在以下网址查看(https://www.fns.usda.gov/usda-food-patterns)。 美国农业部推出的MyPlate,为与患者讨论健康食物组合(水果、蔬菜、谷物、蛋白质食物和乳制品)及其能量和主要营养素含量提供了有用的可视化工具,并附有健康食谱(https://www.myplate.gov)。 成人的主要营养素适宜分配范围分别是:蛋白质10-35%、脂肪20-35%、碳水化合物45-65%总热量。目前关于低于适宜分配范围的碳水化合物水平对预防疾病效果的证据有限或不充分。 健康饮食指数独立于数量,通过与2020-2025年《美国膳食指南》中的两个部分(一个针对婴儿和幼儿,另一个针对2岁及以上人群)保持一致来评估饮食的总体质量。 《2020-2025年美国膳食指南》探讨了酒精饮料作为健康饮食模式的一部分。酒精饮料可能会对总日摄入热量产生贡献(乙醇每克含7卡路里)。该指南指出,少喝比多喝更有利于健康,成年人可选择适度饮酒,即男性每天不超过2份,女性不超过1份,但某些成年人如孕妇不应饮酒。
重点关注以下几点:
选用营养密集型食物和饮料,它们提供有益健康的成分,无或少量添加糖和饱和脂肪。 从2岁开始,饱和脂肪摄入量控制在总热量的<10%。 从2岁开始,添加糖摄入量控制在总热量的<10%,并避免添加糖食物和饮料给<2岁儿童食用。 保持健康的膳食纤维和水摄入量,符合膳食参考摄入量的建议。 使用营养成分标签监测购买食品的热量和主要营养素含量,如:热量和主要营养素(蛋白质、总碳水化合物、总脂肪)、反式脂肪、饱和脂肪、胆固醇、膳食纤维和添加糖的每份和每容器含量,可用于选择食物并比较不同产品的成分;标签还包含"每份"定义,用于比较类似食物的配料。
总之,本综述全面阐述了当代营养学中有关能量和主要营养素(蛋白质、脂肪和碳水化合物)的重要概念,为读者提供了详细的参考数据,同时也指出了现代美国人膳食结构存在的主要问题。未来的研究重点将集中在发现营养素作用机制、个性化膳食设计等领域。文章最后强调,营养建议应纳入完整的健康饮食模式,结合个人情况获取专业的膳食指导。
最后,文章强调营养建议应纳入完整的健康饮食模式。各个生命阶段和患有特殊疾病的人群,其营养需求存在差异,需要结合个人情况获取专业的膳食指导。总的来说,限制饱和脂肪和添加糖的摄入、增加植物性食物的比例、选择全谷物和优质蛋白质是构建健康饮食的关键举措。
总之,这篇综述文章涵盖了当代营养学的主要概念,全面阐述了能量、蛋白质、脂肪和碳水化合物等营养素对于人体健康的重要意义及其最新的膳食建议,内容翔实丰富,具有很高的参考价值。同时也指出了现有膳食存在的主要缺陷,并展望了未来营养科学的发展方向。对于普及营养健康知识,指导公众建立科学的膳食习惯具有重要意义。
原始出处：Guidance on Energy and Macronutrients across the Life Span，https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMra2214275