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营养学基础(1)

时间:2021-01-29        阅读


  营养是指人体摄取、消化、吸收和利用食物中营养物质以满足机体生理需要的生物学过程。营养学就是研究膳食、营养和人体健康关系的科学,所以广义的营养学,还包括社会、经济、文化、生活习惯和膳食心理等多种领域和学科。


  合理营养是指通过合理的膳食和科学的烹调加工,向机体提供足够的能量和各种营养素,并保持各营养素之间的平衡,以满足人体的正常生理需要、维持人体健康。


  营养素是指食物中可给人体提供能量、机体构成成分和组织修复以及生理调节功能的化学成分。这一定义体现了人类对营养素认识的进步。人类需要的营养素包括蛋白质、脂肪、糖类、矿物质、维生素、水和膳食纤维。由于蛋白质、脂肪和糖类的摄入量较大,所以称为宏量营养素;维生素和矿物质的需要量较少,称为微量营养素。凡在人体内总重量大于体重的0.01%的矿物质,称为常量元素;而总重量小于0.01%者,称为微量元素。食物中的糖类、脂肪和蛋白质经过氧化分解释放出一定的能量,满足人体的需要,故称为三大能量营养素。现代营养学中,往往把食物中具有生理调节功能的物质也包括在营养素之中。


  §§§第一节蛋白质


  蛋白质是一切生命的物质基础,没有蛋白质就没有生命,所以蛋白质是人体最重要的营养素之一。


  正常成人体内16%~19%是蛋白质。人体内的蛋白质始终处于不断地分解又不断地合成的动态平衡之中,以此可达到组织蛋白不断地更新和修复的目的,肠道和骨髓内的蛋白质更新速度较快。成人体内每天约有3%的蛋白质被更新。


  一、蛋白质的功能


  蛋白质的功能概括起来主要有以下3个方面。


  1.人体组织的构成成分


  人体的任何组织和器官都以蛋白质作为重要的组成成分,所以人体在生长过程中就包含着蛋白质的不断增加。人体的瘦组织中,如肌肉、心脏、肝、肾等器官含大量的蛋白质;骨骼和牙齿中含有大量的胶原蛋白;指、趾甲中含有角蛋白;从细胞到细胞膜到细胞内的各种结构中均含有蛋白质。总之,蛋白质是人体不可缺少的构成成分。


  2.构成体内各种重要的生理活性物质


  如酶能催化体内一切物质的分解和合成;激素调节着各种生理过程并维持着内环境的稳定;抗体可以抵御外来微生物及其他有害物质的入侵;细胞膜和体液中的蛋白质担负着各种物质的运输和交换;体液中那些可溶性且可离解为阴、阳离子的蛋白质能使体液的渗透压和酸碱度维持稳定。此外,血液的凝固、视觉的形成、人体的运动等无一不与蛋白质有关。所以,蛋白质是生命的物质基础,是生命存在的一种形式。


  3.供给能量


  由于蛋白质中含碳、氢、氧元素,当机体需要时蛋白质可被代谢分解,释放出能量,1g食物蛋白质在体内约产生16.7k·j(4.0kcal)的能量。


  二、氨基酸和必需氨基酸


  (一)氨基酸和肽


  蛋白质是由许多氨基酸以肽键联结在一起,并形成一定空间结构的大分子。由于其氨基酸的种类、数量、排列次序和空间结构千差万别,就构成了无数种功能各异的蛋白质,也就有了奥妙无穷的生物世界。构成蛋白质的氨基酸有20种,蛋白质被分解时的次级结构称肽,含10个以上氨基酸的肽称多肽,含10个以下氨基酸的肽称寡肽,含3个或2个氨基酸的分别称3肽和2肽。


  (二)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。构成人体的氨基酸有20种,其中9种氨基酸为必需氨基酸,分别是异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸和组氨酸。半胱氨酸和酪氨酸在体内分别由蛋氨酸和苯丙氨酸转变而来,如果膳食中能直接提供这两种氨基酸,则人体对蛋氨酸和苯丙氨酸的需要可分别减少30%和50%。所以,半胱氨酸和酪氨酸这类可减少人体对某些必须氨基酸需要量的氨基酸,称为条件必需氨基酸,或半必需氨基酸。在计算食物必需氨基酸组成时,往往将半胱氨酸和蛋氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸合并计算。其余9种氨基酸人体自身可以合成以满足机体需要,故称非必需氨基酸。


  组氨酸是婴儿的必需氨基酸,世界粮农组织、世界卫生组织在1985年首次列出了成人组氨酸的需要量为8~12mg\/(kg·d)。同时许多报道证实组氨酸是成人体内必需氨基酸,但由于人体组氨酸在肌肉和血红蛋白中储存量很大,而人体对其需要量又相对较少,对直接证实成人体内有无合成组氨酸能力的研究带来很大困难,故尚难确定组氨酸不是成人体内的必需氨基酸。


  (三)氨基酸模式和限制氨基酸


  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,在营养学上用氨基酸模式来反映这种差异。所谓氨基酸模式,就是蛋白质中各种必需氨基酸的构成比例。其计算方法是将该种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种蛋白质氨基酸模式。


  当食物蛋白质氨基酸模式与人体蛋白质氨基酸模式越接近时,必需氨基酸被机体利用的程度就越高,食物蛋白质的营养价值也相对越高,如动物性蛋白质中蛋、奶、肉、鱼等,以及大豆蛋白均被称为是优质蛋白质。其中鸡蛋蛋白质与人体蛋白质氨基酸模式最接近,在实验中常以它作为参考蛋白。参考蛋白是指可用来测定其他蛋白质质量的标准蛋白。反之,食物蛋白质中一种或几种必需氨基酸相对含量较低,导致其他的必需氨基酸在体内不能被充分利用而浪费,造成其蛋白质营养价值降低,这些含量相对较低的必需氨基酸称为限制氨基酸。其中含量最低的称第一限制氨基酸。余者以此类推。植物性蛋白往往相对缺少下列必需氨基酸:赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸和色氨酸,所以其营养价值相对较低,如大米和面粉蛋白质中赖氨酸含量最少。为了提高植物性蛋白质的营养价值,往往将两种或两种以上的食物混合食用,而达到以多补少的目的,提高膳食蛋白质的营养价值。这种不同食物间相互补充其必需氨基酸不足的作用称为蛋白质的互补作用,如肉类和大豆蛋白可弥补米面蛋白质中氨基酸的不足。


  三、蛋白质的消化、吸收和代谢


  膳食中的蛋白质消化从胃开始。胃中的胃酸先使蛋白质变性,破坏其空间结构以利于酶发挥作用,同时胃酸可激活胃蛋白酶分解蛋白质。但蛋白质消化、吸收的主要场所在小肠,由胰腺分泌的胰蛋白酶和糜蛋白酶使蛋白质在小肠中被分解为氨基酸和部分2肽及3肽,再被小肠黏膜细胞吸收。在小肠黏膜刷状缘中肽酶的作用下,进入黏膜细跑中的2肽、3肽进一步分解为氨基酸单体。被吸收的这些氨基酸通过黏膜细胞进入肝门静脉而被运送到肝脏和其他组织或器官被利用。也有报道,少数蛋白质大分子和多肽可被直接吸收。


  氨基酸通过小肠黏膜细胞是由3种主动运输系统来进行的,它们分别转运中性、酸性和碱性氨基酸。具有相似结构的氨基酸在共同使用同一种转运系统时,相互间具有竞争机制,这种竞争的结果使含量高的氨基酸相应地被吸收多一些,从而保证了肠道能按食物中氨基酸的含量比例进行吸收。如果在膳食中过多地加入某一种氨基酸,由于这种竞争作用会造成同类型的其他氨基酸吸收减少。如亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸有共同的转运系统,若过多地向食物中加入亮氨酸,异亮氨酸和缬氨酸吸收就会减少,从而造成食物蛋白质的营养价值的下降。


  肠道中被消化吸收的蛋白质每天有70g左右,其不仅来自于食物,也有来自于肠道脱落的黏膜细胞和消化液等,其中大部分可被消化和吸收。未被吸收的由粪便排出体外。这种蛋白质中的氮称内源性氮或粪代谢氮。


  存在于人体各组织、器官和体液中的游离氨基酸统称为氨基酸池。氨基酸池中的游离氨基酸除了来自于食物外,大部分来自于体内蛋白质的分解产物。这些氨基酸少数用于合成体内含氮化合物,主要被用来重新合成人体蛋白质,以达到机体蛋白质的不断更新和修复。未被利用的氨基酸则经代谢转变成尿素、氨、尿酸和肌酐等,由尿排出体外或转化为糖原和脂肪。所以,由尿排出的氮包括食物氮和内源性氮。


  机体每天由于皮肤、毛发和黏膜的脱落,妇女月经期的失血及肠道菌体死亡排出等损失约20g以上的蛋白质,这种氮排出是机体不可避免的氮消耗,称为必要的氮损失。当膳食中的糖类和脂肪不能满足机体能量需要或蛋白质摄入过多时,蛋白质才被用来作为能量。因此,理论上只要从膳食中获得相当于必要的氮损失量的蛋白质,即可满足人体对蛋白质的需要。


  所谓氮平衡是反应机体摄入氮(食物蛋白质含氮量约为16%)和排出氮的关系。其关系式如下:


  b=i(u+f+s)


  b:氮平衡;i:摄入氮;u:尿氮;f:粪氮;s:皮肤等氮损失。


  当摄入氮和排出氮相等时为零氮平衡,健康的成人应维持在零氮平衡并富余5%。如摄入氮多于排出氮则为正氮平衡,儿童处于生长发育阶段、妇女怀孕时、疾病恢复时以及运动和劳动需要增加肌肉时等均应保证适当的正氮平衡,以满足机体对蛋白质额外的需要。而摄入氮少于排出氮时为负氮平衡,人在饥饿、疾病及老年时等一般处于这种状况,应注意尽可能减轻或改变负氮平衡。


  四、食物蛋白质营养学评价


  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、指导人群膳食等许多方面都是十分必要的。各种食物的蛋白质含量、氨基酸模式等都不一样,人体对不同蛋白质的消化、吸收和利用程度也存在差异,所以在营养学上,主要是从食物的蛋白质含量、被消化吸收程度和被人体利用程度三个方面来全面地评价食品蛋白质的营养价值。


  (一)蛋白质的含量


  虽然蛋白质的含量不等于质量,但是没有一定数量,再好的蛋白质其营养价值也有限,所以,蛋白质含量是食物蛋白质营养价值的基础。食物中蛋白质含量测定一般使用微量凯氏定氮法,测定食物中的氮含量,再乘以由氮换算成蛋白质的换算系数,就可得到食物蛋白质的含量。换算系数对同种食物来说,一般是不变的,是根据氮占蛋白质的百分比而计算出来的。一般来说,食物中含氮量占蛋白质的16%,其倒数即为6.25,由氮计算蛋白质的换算系数即是6.25。


  (二)蛋白质的消化率


  蛋白质消化率,不仅反应了蛋白质在消化道内被分解的程度,同时还反应消化后的氨基酸和肽被吸收的程度。由于蛋白质在食物中存在形式、结构各不相同,食物中还含有不利于蛋白质吸收的其他因素的影响等,不同的食物或同一种食物的不同加工方式,其蛋白质的消化率都有差异。动物性食品中的蛋白质一般高于植物性食品。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,这主要是因为加工后的制品中去除了大豆中的纤维素及其他不利于蛋白质消化吸收的影响因素。


  测定蛋白质消化率时,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,再用下列公式计算。粪代谢氮是在试验对象完全不摄入蛋白质时粪中的含氮量。成人24h内粪代谢氮一般为0.9~1.2g。


  蛋白质消化率(n)=i(ffk)\/i×100%


  式中i代表摄入氮,f代表粪氮,fk代表粪代谢氮。


  (三)蛋白质利用率


  衡量蛋白质利用率的指标有很多,各指标分别从不同角度反映蛋白质被利用的程度,下面介绍几种常用的指标。


  1.生物价蛋白质


  生物价是反应食物蛋白质消化吸收后被机体利用程度的指标。用被机体利用的蛋白质与消化吸收的食物蛋白质量的比值的100倍表示,生物价越高表明其被机体利用程度越高,最大值为100。


  生物价对指导肝、肾病患者的膳食很有意义。生物价高表明食物蛋白质中氨基酸主要用来合成人体蛋白。极少有过多的氨基酸经肝、肾代谢而释放能量或由尿排出多余的氮,从而大大减少肝、肾的负担。


  2.蛋白质净利用率


  蛋白质净利用率是反应食物中蛋白质被利用的程度,即机体利用的蛋白质占食物中蛋白质百分比,它包含了食物蛋白质的消化和利用两个方面,因此更为全面。


  3.蛋白质功效比值


  蛋白质功效比值是用处于生长阶段中的幼年动物(一般用刚断奶的雄性大白鼠),在实验期内其体重增加和摄入蛋白质的量的比值来反映蛋白质营养价值的指标。由于所测蛋白质主要被用来提供生长之需要,所以,该指标被广泛用来作为对婴幼儿食品中蛋白质的评价指标。实验时饲料中被测蛋白质是唯一蛋白质来源,占饲料的10%,实验期为28天。


  同一种食物在不同的实验条件下,所测得的功效比值往往有明显差异。为了使实验结果具有一致性和可比性,实验期间用标化酪蛋白为参考蛋白设对照组,无论酪蛋白组的功效比值为多少,均应换算为2.5。


  4.氨基酸评分


  氨基酸评分也叫蛋白质化学评分,是目前被广为采用的一种评价方法。该方法是用被测食物蛋白质的必需氨基酸评分模式和推荐的理想模式或参考蛋白的模式进行比较,因此,是反映蛋白质构成和利用的关系。不同年龄的人群其氨基酸评分模式不同,不同的食物其氨基酸评分模式也不相同。


  确定某一食物蛋白质氨基酸评分可分两步。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。


  除上述方法和指标外。还有一些蛋白质营养评价方法和指标,如相对蛋白质、净蛋白质比值、氨平衡指数等,一般使用较少。


  五、蛋白质的互补作用


  蛋白质是由多种氨基酸构成的。由于各种食物中的氨基酸组成不尽相同,在某一种食物中缺乏的氨基酸可能在另一种食物中含量丰富。当食物蛋白质中某一种或某几种氨基酸缺乏或不足时,则使合成机体组织蛋白质受到限制。


  食物蛋白质的营养价值取决于其蛋白质中所含氨基酸的种类、数量以及互相间的比例是否与人体的需要相吻合,两者越接近,则生物价值也越高。由于各种食物所含的氨基酸比例不可能与人体所需的完全一致,因此,2种或2种以上的食物混合食用,往往可以互相取长补短,成为一种更适合人体吸收利用的较为完美的混合膳食,从而起到提高蛋白质利用率的作用,这就称为蛋白质的互补作用。


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