營養學/人體熱能代謝的測定

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臨床營養學

熱能
- 人體熱能代謝的測定
- 人體的能量平衡
- 人體的熱能需要量
- 臨床病人熱能需要量問題
- 熱能-參考文獻

在人體熱能代謝研究中，傳統應用的能量單位為大卡也稱千卡（kcal）。把一升水加熱，其溫度從15℃上升到16℃所需要的能（熱）量稱為1kcal。根據國務院1984年3月3日布的法令，熱量以千焦耳（kJ）為單位。1kcal=4.184kJ,1kJ=0.239kcal。

食物的能量可用彈式熱量計直接測得。這種熱量計是一個能承受很大壓力的鋼壁容器，即所謂的“彈”，其中有一可以通電的金屬樣品皿，放入一定量樣品并且充以氧氣。此“彈”放于四周有定量水的圓筒內，水與外界隔熱。測定時通以電流，因有氧，遇火花樣品完全燃燒，釋放熱量。讀出水的溫度變化后即可計算此樣品所放出的熱量。此為精確的直接測定法，但設備與操作均很繁復，應用不便。通常應用是從食物成份表計算食物內糖類、脂肪與蛋白質的含量，然后再分別按其生理熱價值計算能量的含量。

人體釋放的能量測定有直接法和間接法，間接法又分為循環式和開放式兩種。前者的熱量計結構復雜，建造費昂貴，多只用于某些特殊的實驗研究，一般很少應用。

間接測熱法所根據的原理是人體進行物質代謝釋放能量時須消耗一定量的氧；測定人體一定時間內的氧耗量即可計算熱能消耗量。循環式間接測熱法是一個閉合的氣體流通循環裝置；這一裝置依靠活門控制氣體定向流通，其中安裝有貯存一定氧氣量（或已知成分的混合氣體）的貯存器，CO₂吸收劑（蘇打石灰）貯存器及水分吸收劑（濃硫酸或其它吸水劑）貯存器，使之形成一個循環通路。人體通過此裝置進行一定時間的呼吸，即可測出其氧耗量。并計算出熱能消耗量。這種循環裝置的優點是通過一定時間的呼吸，即可得出消耗的氧量，毋須進行氣體分析。因為是固定裝置，測定時人體不便活動，所以此法多為醫院應用于基礎代謝率的測定。

大氣空氣成分比較恒定，O₂為20.94%,C0₂為0.03%，N2為79.03%,其它一些微量氣體可略不計；同時，N2在人體氣體代謝過程中，既不能吸收利用，也不能從體內增加而經肺排出。因而有可能采用開放式間接測熱法以測定人體的能量消耗。測定時人體吸入外界空氣，只收集呼出氣進行分析，分析所得的O₂與CO₂的百分比與空氣比較，結合一定時間呼出的氣體量，即可計算一定時間內的氧耗量和CO₂排出量。開放式間接測熱法的經典方法是Douglas-Haldane法。這一方法主要是兩部分組成。第一部分是通過裝有呼吸活瓣的口鼻罩，把人體一定時間內的呼出氣體收集于“多氏袋”（Douglas bag）中，然后經氣量計測量袋中氣量，最后計算成標準狀態下每分鐘通氣量。標準狀態采用STPD，即溫度0℃，氣壓101kpa（760mmHg）時的干燥氣體。測量氣量時，從多氏袋留取一部分呼出氣樣品準備分析。第二部分是用Haldane氣體分析器分析呼出氣樣品中的O₂、CO₂的含量。分析結果與外界空氣成分比較，結合通氣量即可計算得出氧耗量。目前，開放式間接測熱法有很大的改進。主要在采用小型干式氣量計，采用電極法分析O₂與CO₂。這兩部分整個組裝在一個背囊內，受試者穿戴這一裝置，可以進行較長時間的能量消耗測定。

食物在體內分解釋放能量時，必須消耗一定量的氧，產生一定量的CO₂；CO₂的產生量與O2的消耗量之間的比稱為呼吸商。呼吸商隨著體內消耗的能源物質不同而異。

糖氧化時的呼吸商約為1，以葡萄糖為例：

C6H12O6+6O₂→6C02+6H20

呼吸商=6mol CO₂/6mol O₂=6×22.4/6×22.4=1.0

脂肪氧化時呼吸商約為0.7，以（三）軟脂酸甘油酯為例：

2C51H98O6+145O2→102C02+98H20

呼吸商=102mol CO₂/145mol O₂=102×22.4/145×22.4=0.7

蛋白質的代謝過程比較復雜，它在體內未經徹底氧化，仍有一部分O及C與N結合隨尿排出，即是尿素等，這部分物質在體外還可繼續氧化放出能量。100g蛋白質在體內氧化大約需要138.18g的O₂，產生152.17g的CO₂，其呼吸商為：

呼吸商=（152.17/44×22.4）/（138.18/32×22.4）=77.47l CO₂/96.73L O₂=0.8

進食混合膳食時，可先從尿氮計算蛋白質的消耗量。1g尿氮相當于消耗6.25g蛋白質，同時消耗6.04LO₂,產生4.84LCO₂和釋放110kJ的能量。從總的氧耗量及CO₂產量中減去蛋白質氧化所消耗的氧量和CO₂產量，則可得非蛋白呼吸商。按照下式，可以計算在不同的非蛋白呼吸商情況下，每消耗1LCO₂所能放出的能量。這叫做每升氧的能當量。

每升氧的能當量（kJ）=15.962+5.155r R為非蛋白呼吸商。

因此，測定出尿氮和氧耗量后，即可計算熱能消耗量。如果不測定尿氧，用總呼吸商計算所得的熱能消耗量與非蛋白呼吸商計算所得者相差只是1.1%，所以現在大多直接用總呼吸商進行計算。

從上述推理來看，在一定時間內，測出之呼吸商可以代表體內代謝物質的種類。但是否確是如此，很多人提出疑義。從理論上講，不可能出現小于0.7或者大于1.0的呼吸商，可是在實際中大于1.0的呼吸商屢見不鮮，小于0.7的也時有出現。導致出現這種異常呼吸商的因素是很多的。臨床上長期攝取能量不足的病人或糖尿病患者，蛋白質及脂肪分解加速，糖原異生增多可能使呼吸商小于0.7；人體在勞動過程中，有時因為勞動強度大，通氣量過大造成一時CO₂呼出過多，有時因為出現體內乳酸蓄積，血液偏酸也使CO₂一時呼出過多，所以呼吸商出現大于1.0。體內物質轉換，如由糖轉換為脂肪，因為糖分子的含氧量相對地比脂肪較多，轉換時剩余的氧可供利用，機體可以從外界吸入較少的氧，所以CO₂呼出量相對地多，呼吸商即可能大于1.0。可見呼吸商還受到其它因素的影響，并不能據此判斷體內代謝物質的種類。同時因為呼吸商為1.0時，氧的能當量為21.12kJ.L-1，呼吸商為0.7時，氧的能當量為19.57kJ.L-1。兩個極值相差變很小，所以有的學者主張用“正常”呼吸商0.9以計算每升氧的能當量。