第二章 能量——運動與營養的基礎

能量是維持正常生命活動的基礎，亦是維持人體運動能力的重要前提。能量是營養的基礎，人體的一切活動都與能量代謝分不開，如果能量代謝停止，生命也就終止，人體所需的能量來自食物中的宏量營養素，包括碳水化合物、脂類和蛋白質3大物質。這些物質在體內生物氧化釋放的熱能一部分用于維持體溫和轉化為熱能向外環境中散發；另一部分形成三磷酸腺苷（adenosine trphosphate, ATP）儲存于高能磷酸鍵中。ATP在生理條件下釋放出熱能供機體各種活動需要。3大供能物質在體內氧化時釋放出多少能量取決于各物質的化學本質。能量代謝的知識也是運動營養學能客觀地評價膳食補充效用的手段。最后，理解能量代謝能使運動員更加了解他們運動項目的能量需求，幫助他們打破一些運動營養的錯誤觀念。

能量代謝是運動營養的基礎部分。了解宏量營養素進入細胞提供能量的細胞機制和代謝通路是學習運動營養學的關鍵。如果沒有3大能量系統及其在特定運動中是如何一起供能的知識，那么將不能制定個性化的膳食計劃。

第一節 能量的基本概念

人體不僅在活動時需要能量，在安靜狀態時也需要能量以維持體溫、心跳、呼吸等各項基本生命活動。這些能量必須從我們每天所攝取的食物來補充，糖類、脂質和蛋白質的化學能是細胞活動所需能量的直接來源。其實，并非如此。所有生化過程所需的直接能源來自于三磷酸腺苷（ATP）的高能磷酸鍵。簡言之，來自宏量營養素的化學能用來合成另一個高能產物稱為ATP。當化學鍵被破壞儲存在ATP化學鍵中的能量會釋放出來，被細胞用于執行生物活動。

一、能量單位

能量是一種容易解釋和定義，但又是無形的物質。能量的單位是卡路里，卡路里不是營養素，但很多食物可以提供給我們卡路里。卡路里（簡稱卡，縮寫為cal），由英文Calorie音譯而來。蛋白質、碳水化合物和脂肪組合成含有卡路里成分的各種食物。能量能使細胞、肌肉和其他體內組織執行工作，維持機體生命的細胞和功能都需要能量。就像汽車依靠汽油的化學能量使發動機運轉一樣，機體也需要食物中的化學能量使它的各種功能得以發揮作用。對運動而言，肌肉細胞必須有能量使肌肉收縮。

營養學上以“千卡”作為能量的單位，1千卡（kcal）就等于1kg純水從15℃升高到16℃所吸收的能量，即1kg純水每升高1℃所吸收的能量，1000卡也被稱作大卡（1000卡路里=1大卡）。后來，國際上確定1卡（cal）能量相當于4.184焦耳（J），以焦耳作為能量單位。1焦耳即用1牛頓的力度使1kg的物體移動1m的距離所消耗的能量。營養學上常用千焦（kJ）或兆焦（MJ）來表示。焦耳與卡之間的換算關系為：1kcal=4.184kJ,1MJ=239kcal。在英文中，“calorie”（首字母小寫）表示卡路里，約等于4.186焦耳，“Calorie”（首字母大寫）表示大卡，約等于4186焦耳。在我國2種能量單位均可以使用。

二、卡路里的食物來源與能量系數

人體內主要的產能營養素有碳水化物、蛋白質、脂肪。1g碳水化物、蛋白質和脂肪在體外燃燒時分別釋放17.15kJ（4.10kcal）、23.64kJ（5.65kcal）和39.54kJ（9.45kcal）的能量，碳水化物和脂肪在體內完全氧化所產生的能量與其體外燃燒放出的能量相近，而1g蛋白質在體內氧化釋放的能量只有18.2kJ（4.35kcal），為體外燃燒放能的77%。這是因為體內蛋白質不能完全氧化，代謝廢物中還有尿素、尿酸等含氮有機物，如果把1g蛋白質的這些代謝產物在測熱器中燃燒，則可放出5.44kJ（1.3kcal）能量。所以1g蛋白質在體內燃燒只能放出18.2kJ（4.35kcal）能量。

每克碳水化物、蛋白質、脂肪在體內氧化產生的能量值稱為能量系數。食物在人體的消化道內不能被完全消化吸收，習慣上按3者的消化率分別為98%、95%、92%來計算，故3種產能營養素的能量系數分別為：

碳水化物：17.15kJ×98%=16.84kJ（4kcal）

蛋白質：（23.64kJ-5.44kJ）×92%=16.74kJ（4kcal）

脂肪：39.54kJ×95%=37.56kJ（9kcal）

食物中往往混合著多種營養素，計算時則分別按其不同營養素構成比例而求出總能量。

食物含能量的高低取決于它的構成。例如巧克力、蛋糕、豬肉、羊肉等，產能營養素的含量較高，為高能量食品；而蔬菜、水果中產能營養素的含量較低，為低能量食品，這可指導人們對食物的選擇。

第二節 人體的能量消耗

人體的能量消耗包括基礎代謝、體力活動和食物的熱效應3個方面。為了達到能量的平衡，人體每天攝入的能量應恰好能滿足這3個方面的需要，這樣才能有健康的體質和良好的工作效率。但運動員的能量消耗比普通人高，其能量代謝具有強度大、消耗率高和伴有不同程度氧債等特點，若以相對代謝率來比較，運動時肌肉中的代謝可比靜止狀態高兩三倍甚至百倍以上。

一、基礎代謝

基礎代謝（basal metabolism, BM）是指維持生命的最低能量消耗，即人體在安靜和恒溫條件下（一般18～25℃），禁食12 h后，靜臥、放松而又清醒時的能量消耗。此時能量僅用于維持體溫和呼吸、血液循環及其他器官的生理需要。為了確定基礎代謝的能量消耗（basic energy expenditure, BEE），必須首先測定基礎代謝率（basal metabolic rate, BMR）。基礎代謝率就是指人體處于基礎代謝狀態下，每小時每平方米體表面積（或每公斤體重）的能量消耗。按下列方法可計算出每天基礎代謝的能量消耗。

（一）用體表面積進行計算

我國趙松出于1984年提出一個相對適合中國人的體表面積計算公式：

體表面積（m2）=0.006 59×身高（cm）+0.012 6×體重（kg）-0.160 3

根據這個公式先計算體表面積，再按年齡、性別在表2-1中查出相應的BMR，就可計算出24h的基礎代謝水平。人在熟睡時，能量消耗比基礎代謝約減少10%，所以計算時應扣除睡眠時少消耗的這部分熱能。表2-1是1～25歲不同年齡段的人體基礎代謝率。

由于基礎代謝率的測定比較困難，WHO于1985年提出用靜息代謝率（resting metabolic rate,RMR）代替BMR。測定時全身處于休息狀態，禁食僅需4h。因此，RMR的值一定略高于BMR，見表2-2。

（二）直接用公式計算

Harris和Benedict提出了下列公式，可根據年齡、身長和體重直接計算基礎代謝能量消耗。

男BEE=66+13.7×體重（kg）+5.0×身高（cm）-6.8×年齡（歲）

女BEE=65.5 +9.5×體重（kg）+1.8×身高（cm）-4.7×年齡（歲）

更為簡單的方法是成人男性按每公斤體重每小時1kcal（4.18kJ）、女性按0.95kcal（3.97kJ），和體重相乘直接計算，結果相對粗略。

（三）WHO建議的計算方法

WHO于1985年推薦使用Schofield公式（表2-3），計算一天的基礎代謝能量消耗。

我國營養學會推薦，我國兒童和青少年的基礎代謝參考值按上表公式計算，18歲以上人群的基礎代謝按公式計算的結果減去5%。

人體的基礎代謝不僅個體之間存在差異，自身的基礎代謝也常有變化，影響人體基礎代謝有以下一些因素。

1．體格的影響

體表面積大者散發能量也多，所以同等體重情況下瘦高者基礎代謝高于矮胖者。人體瘦體組織（包括肌肉、心、腦、肝、腎等）消耗的能量占基礎代謝的70%～80%，所以瘦體質量（lean body mass）大、肌肉發達者，基礎代謝水平高。這也是男性的基礎代謝水平高于女性5%～10%的原因。人與人之間基礎代謝水平的個體差異，遺傳因素是關鍵的影響因素之一。

2．不同生理、病理狀況的影響

兒童和孕婦的基礎代謝相對較高。成年后隨年齡增長基礎代謝水平不斷下降，30歲以后每10年降低約2%,60歲以后下降更多。但如注意加強體育鍛煉，這種降低相對緩慢得多。生病發熱、甲狀腺等有關激素水平異常時也能改變基礎代謝的能量消耗。

3．環境條件的影響

炎熱或寒冷、過多攝食、精神緊張時都可以使基礎代謝水平升高，也有人把這一部分的能量消耗稱為適應性生熱作用（adaptive thermogenesis）。另外，在禁食、饑餓或少食時基礎代謝水平也相應降低。

4．尼古丁和咖啡因可以刺激基礎代謝水平升高

二、體力活動的能量消耗

人除了睡眠，總要進行各種體力活動或勞動，通常情況下由各種體力活動所消耗的能量約占人體總能量消耗的15%～30%，但隨人體活動量的增加，其能量消耗也將大幅度增加。這是人體能量消耗變化最大，也是人體控制能量消耗、保持能量平衡、維持健康最重要的部分。體力活動所消耗能量多少與3個因素有關：（1）肌肉越發達者，活動時消耗能量越多；（2）體重越重者，做相同的運動所消耗的能量也越多；（3）活動時間越長、強度越大、消耗能量越多。因此運動員體力活動的能量消耗因運動量（包括運動強度、密度、運動持續時間）的不同有很大差異，多數項目運動員在訓練時間內的能量消耗均相當于或甚至超出重體力、極重體力勞動強度的消耗量。

人類的體力活動種類很多，營養上根據能量消耗水平，即活動強度的不等一般分為五個級別。

（一）極輕的體力活動

這種活動以坐姿或站立為主的活動，如開會、開車、打字、縫紉、烹調、打牌、聽音樂、油漆、繪畫及實驗室工作等。

（二）輕體力活動

指在水平面上走動（速度在4～5km/h），搞衛生、看護小孩、打高爾夫球、飯店服務等。

（三）中等體力活動

這類活動包括行走（速度在5.5～6.5km/h）、除草、負重行走、打網球、跳舞、滑雪、騎自行車等。

（四）重體力活動

如負重爬山、伐木、手工挖掘、打籃球、登山、踢足球等。

（五）極重體力活動

這種情況隨著科技和生產力的發展已越來越少見，現常指運動員高強度的職業訓練或世界級比賽等。

中國營養學會2001年將我國居民活動強度由五級調整為3級，即輕、中、重體力活動，成人能量的推薦攝入量用BMR乘以不同的體力活動水平（physical activity level, PAL）系數進行計算（表2-4）。

三、食物熱效應

食物熱效應（thermic effect of food, TEF），即食物特殊動力作用（specific dynamic action, SDA）。人體在攝食過程中，由于要對食物中營養素進行消化、吸收、代謝轉化等，需要額外消耗能量，同時引起體溫升高和散發能量。這種因攝食而引起能量的額外消耗稱食物熱效應。

不同的產能營養素其食物熱效應不等。脂肪的食物熱效應約消耗本身產生能量的4%～5%，碳水化物為5%～6%，而蛋白質特別高，可達30%。這種差異主要是因為：①各營養消化吸收后轉變化ATP貯存的量不一樣，蛋白為32%～34%，低于脂肪和碳水合物的38%～40%，而其余的則變成熱量；②由食物脂肪經消化吸收后變成脂肪組織的脂肪，其消耗的能量要低于由消化吸收的葡萄糖轉變成糖原或脂肪，而由食物蛋白質中氨基酸合成人體蛋白質或代謝轉化為脂肪，其消耗的能量更多。

由此可見，食物熱應與食物營養成分、進食量和進食頻率有關。一般來說含蛋白質豐富的食物最高，其次是富含碳水化合物的食物，最后才是富含脂肪的食物。混合性食物其食物熱效應占其基礎代謝能量的10%；運動員的蛋白質攝入量較高，其食物特殊動力作用高于常人，一般按15%計，吃的越多，能量消耗也越多；進食快比進食慢者食物熱效應高，進食快時中樞神經系統更活躍，激素和酶的分泌速度快、量更多，吸收和貯存的速率更高，其能量消耗也相對更多。

第三節 運動的能量消耗

無論是競技性的比賽還是娛樂性的體育鍛煉，其結果都將導致身體能量的消耗增加。體育鍛煉中的能量消耗量主要取決于運動類型、運動強度、運動持續時間以及個體的體重。如果我們知道了運動時間和某種運動中單位體重在單位時間內的能量消耗，我們就可以了解該單元體育鍛煉的能量消耗。一旦測得基礎代謝率，我們就可以估算出一天中大致的能量消耗。再結合飲食攝入中各種食物的卡路里含量，我們就能相對精確地掌握日常生活的能量平衡，從而達到有效控制體重的目的。

一般來說，以每天的卡路里攝取和卡路里消耗來估算能量平衡的確是不容易做到的事情，因為我們每一天的生活內容都不盡相同，我們吃的東西和吃的時間以及運動方式和時間都有很大的變異。但是希望大家記住，如果你要減輕體重就請改變一下生活方式，多進行一些體育鍛煉，即多消耗一些卡路里；如果你要增加體重，就請多吃一些食物，即增加一些卡路里的攝入。總之，卡路里就是增加或減輕體重的關鍵所在。

一、運動能量消耗的計算

（一）梅脫

梅脫（Metabolic Equivalent of Energy MET）指能量代謝當量，音譯為梅脫，是以安靜、坐位時的能量消耗為基礎，表達各種活動時相對能量代謝水平的常用指標。每公斤體重從事1min活動，消耗3.5mL的氧氣，這樣的運動強度為1 MET（1 MET=3.5mL/kg·min）。1 MET的活動強度只比健康成年人的基礎代謝稍高一些，相當于健康成年人安靜坐著時的代謝水平。

任何人從事任何強度活動時，都可以測出其吸氧量，進一步計算出每分鐘每公斤體重的吸氧量，即可折合為相當于多少MET值，以其表示該活動的強度。另一方面，任何人盡力活動時所能達到的吸氧量水平，也可以用MET表示其大小，用來評定其心臟功能的好壞。

因此，運動時的能量消耗計算公式：能量消耗計算：（METs×3.5×體重（kg））/200=kcal/min（根據不同運動及活動的METs）（表2-5）。

例：一名60kg的普通人，每天以中速（4.8km/h）步行45min，請計算其能量消耗。

解：根據中速4.8km/h的步行的代謝當量為3.5代入公式計算其每分鐘能量消耗為：（3.5×3.5×60）/200=3.675kcal/min

那么45min的能量消耗為：3.675×45 =165.375kcal

二、能量供應

人體能量的來源主要是碳水化合物、蛋白質和脂肪，通常情況下供能比例為碳水化合物占55%～65%、蛋白質占10%～15%，脂肪占20%～30%，對于從事體育運動訓練的應注意碳水化合物的供能比例，尤其耐力項目應達到65%～70%。這3類營養素普遍存在于各種食物中，我國居民的膳食以植物性食品為主，谷類居第1位，蔬菜和水果占第2位，魚、禽、肉、蛋等動物性食物位于第3位，奶類和豆類食物占第4位，最后是油脂類。三餐的能量分配要合理，一般早、中、晚餐的能量分別占一天總能量的30%、40%、30%為宜。早餐有食欲者，早餐比例還可增高。不同年齡段人群的能量供給可以參見中國營養學會制訂的膳食推薦攝入量。

三、能量平衡

成人代謝的最佳狀態是達到攝入的能量與消耗的能量相近。這種能量平衡對機體保持健康和勝任社會活動十分必要。能量代謝失去平衡，則不利于身體健康，若攝入能量不足，機體會調動和利用自身的能量儲備，甚至分解自身組織，以維持生命活動的能量需求。如果兒童長期處于饑餓狀態，則生長發育就受到影響甚至停止。相反能量攝入長期過剩，則會轉化為脂肪在體內貯存，使人發胖，增加患心血管病、糖尿病等退行性疾病的危險性。

四、運動訓練者熱能營養的評定

對成年運動員能量營養評定可采用本章所述各種方法，但最簡易的方法是監測體重的變化。正常情況下，能量攝入量與消耗量相適應時，體重保持穩定；攝入能量＞消耗量，則體重增加；相反，體重會減輕。運動員經過系統的力量訓練，肌肉增長也會引起體重增加，而大量出汗可使體重減輕1～3kg或更多，但在合理補液情況下，由于出汗而減輕的體重應在24～48 h內恢復。此外，運動員由訓練的過渡期進入準備期或經過大運動量訓練后，脂肪細胞縮小以及失水，也可使體重略為減輕。系統的運動訓練使身體的瘦體重（指肌肉、骨骼、內臟、體液、糖原等）成分增加，與此同時，脂肪體重減少。

運動員體重和體脂同時增加，表明是運動量不足或攝入能量過多，常見于因發生外傷而不能進行正常訓練情況。體重增加，尤其是體脂增加，不利于靈活、高難動作和耐力運動的完成，對健康也不利。體重增加而體脂百分比減少或不變時，表明體內瘦組織成分增加，肌肉增長，運動員瘦體重增加的同時，其運動能力也有提高；當體重和體脂均減少時，應在除外疾病情況下、分析是否運動量過大、食物能量的攝入量未能滿足需要所致。運動員能量攝入量不足的情況常見于大運動量消耗未能獲得適宜的補充，大運動量訓練后因疲勞使食欲下降。運動員采取控制飲食措施來減體重或長期控制體重時，也會造成能量營養不良。長期能量營養不良可引起消瘦、運動無力、免疫機能減弱、各種營養素缺乏，從而損害運動能力和健康，應及時發現、找出原因并糾正。

五、能量營養與運動能力

運用能量代謝的原理，可以指導運動員的飲食和訓練，提高運動能力和健康水平。

（一）根據能量代謝平衡狀況來控制體重，并使體重維持在最佳運動能力的適宜水平

采用能量負平衡來減輕體重時，必須以不影響運動能力為前提，消耗體內多余的脂肪，保證體內的蛋白質、無機鹽、維生素和微量元素等營養平衡。

（二）指導訓練

耐力性運動中主要依靠有氧系統供能，耐力項目運動員應加強有氧能力的訓練，如最大吸氧量和脂肪利用率等能力。糖原儲備量對運動員耐力極為重要，為提高運動耐力和促進恢復，推薦攝糖量為8～10g/kg體重。另外耐力運動中，出汗量大，容易脫水，補液也極為重要，速度性項目應加強無氧能力的訓練，如最大乳酸值和耐乳酸能力。膳食應提供豐富的蛋白質，供給量應達1.4～1.8g/kg體重。

（三）運動疲勞的預防和延遲

飲食中能源物質可影響疲勞的產生。賽前高糖飲食有助于預防和推遲疲勞的發生。賽前高脂肪和高蛋白飲食可使疲勞提前發生。

（四）能量攝入過多，會引起體脂增加，對運動和健康都不利

體重過度增加對運動極為不利，不僅使運動時的能量消耗加大、心臟負擔增加，而且不能完成一些高難度的需要靈活輕巧的動作。能量營養不足，體重下降、無力，仍堅持訓練會影響運動能力，同時使人的免疫機能減弱，發生各種疾病。能量不足時常合并其他營養素的缺乏，例如會發生缺鐵性貧血、牙病及便秘等。另外，能量攝入在保證一定量的基礎上，碳水化合物、脂肪、蛋白質三種營養素應有適當的比例，蛋白質供給量占一日總熱量的12%～15%，脂肪占20%～30%，不超過35%，碳水化合物占55%～60%。

能量營養不當常見于大運動量訓練后，由于食欲減退或運動員飲食時間安排不當。夏季高氣溫訓練時，運動員的供水不及時，加上飲食量不足或由于不恰當地控制休重，使能量的需要得不到滿足。能量不足，體重會減輕，人會感覺無力、不想運動，應及時糾正。如能量缺乏的時間延長或程度加重，將影響運動能力。能量過多，除體重增加、影響運動能力外，還可引起肥胖及肥胖相關疾病，如高血壓病、糖尿病、冠心病及高脂血癥等。