第二章 能量——运动与营养的基础

能量是维持正常生命活动的基础，亦是维持人体运动能力的重要前提。能量是营养的基础，人体的一切活动都与能量代谢分不开，如果能量代谢停止，生命也就终止，人体所需的能量来自食物中的宏量营养素，包括碳水化合物、脂类和蛋白质3大物质。这些物质在体内生物氧化释放的热能一部分用于维持体温和转化为热能向外环境中散发；另一部分形成三磷酸腺苷（adenosine trphosphate, ATP）储存于高能磷酸键中。ATP在生理条件下释放出热能供机体各种活动需要。3大供能物质在体内氧化时释放出多少能量取决于各物质的化学本质。能量代谢的知识也是运动营养学能客观地评价膳食补充效用的手段。最后，理解能量代谢能使运动员更加了解他们运动项目的能量需求，帮助他们打破一些运动营养的错误观念。

能量代谢是运动营养的基础部分。了解宏量营养素进入细胞提供能量的细胞机制和代谢通路是学习运动营养学的关键。如果没有3大能量系统及其在特定运动中是如何一起供能的知识，那么将不能制定个性化的膳食计划。

第一节 能量的基本概念

人体不仅在活动时需要能量，在安静状态时也需要能量以维持体温、心跳、呼吸等各项基本生命活动。这些能量必须从我们每天所摄取的食物来补充，糖类、脂质和蛋白质的化学能是细胞活动所需能量的直接来源。其实，并非如此。所有生化过程所需的直接能源来自于三磷酸腺苷（ATP）的高能磷酸键。简言之，来自宏量营养素的化学能用来合成另一个高能产物称为ATP。当化学键被破坏储存在ATP化学键中的能量会释放出来，被细胞用于执行生物活动。

一、能量单位

能量是一种容易解释和定义，但又是无形的物质。能量的单位是卡路里，卡路里不是营养素，但很多食物可以提供给我们卡路里。卡路里（简称卡，缩写为cal），由英文Calorie音译而来。蛋白质、碳水化合物和脂肪组合成含有卡路里成分的各种食物。能量能使细胞、肌肉和其他体内组织执行工作，维持机体生命的细胞和功能都需要能量。就像汽车依靠汽油的化学能量使发动机运转一样，机体也需要食物中的化学能量使它的各种功能得以发挥作用。对运动而言，肌肉细胞必须有能量使肌肉收缩。

营养学上以“千卡”作为能量的单位，1千卡（kcal）就等于1kg纯水从15℃升高到16℃所吸收的能量，即1kg纯水每升高1℃所吸收的能量，1000卡也被称作大卡（1000卡路里=1大卡）。后来，国际上确定1卡（cal）能量相当于4.184焦耳（J），以焦耳作为能量单位。1焦耳即用1牛顿的力度使1kg的物体移动1m的距离所消耗的能量。营养学上常用千焦（kJ）或兆焦（MJ）来表示。焦耳与卡之间的换算关系为：1kcal=4.184kJ,1MJ=239kcal。在英文中，“calorie”（首字母小写）表示卡路里，约等于4.186焦耳，“Calorie”（首字母大写）表示大卡，约等于4186焦耳。在我国2种能量单位均可以使用。

二、卡路里的食物来源与能量系数

人体内主要的产能营养素有碳水化物、蛋白质、脂肪。1g碳水化物、蛋白质和脂肪在体外燃烧时分别释放17.15kJ（4.10kcal）、23.64kJ（5.65kcal）和39.54kJ（9.45kcal）的能量，碳水化物和脂肪在体内完全氧化所产生的能量与其体外燃烧放出的能量相近，而1g蛋白质在体内氧化释放的能量只有18.2kJ（4.35kcal），为体外燃烧放能的77%。这是因为体内蛋白质不能完全氧化，代谢废物中还有尿素、尿酸等含氮有机物，如果把1g蛋白质的这些代谢产物在测热器中燃烧，则可放出5.44kJ（1.3kcal）能量。所以1g蛋白质在体内燃烧只能放出18.2kJ（4.35kcal）能量。

每克碳水化物、蛋白质、脂肪在体内氧化产生的能量值称为能量系数。食物在人体的消化道内不能被完全消化吸收，习惯上按3者的消化率分别为98%、95%、92%来计算，故3种产能营养素的能量系数分别为：

碳水化物：17.15kJ×98%=16.84kJ（4kcal）

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

脂肪：39.54kJ×95%=37.56kJ（9kcal）

食物中往往混合着多种营养素，计算时则分别按其不同营养素构成比例而求出总能量。

食物含能量的高低取决于它的构成。例如巧克力、蛋糕、猪肉、羊肉等，产能营养素的含量较高，为高能量食品；而蔬菜、水果中产能营养素的含量较低，为低能量食品，这可指导人们对食物的选择。

第二节 人体的能量消耗

人体的能量消耗包括基础代谢、体力活动和食物的热效应3个方面。为了达到能量的平衡，人体每天摄入的能量应恰好能满足这3个方面的需要，这样才能有健康的体质和良好的工作效率。但运动员的能量消耗比普通人高，其能量代谢具有强度大、消耗率高和伴有不同程度氧债等特点，若以相对代谢率来比较，运动时肌肉中的代谢可比静止状态高两三倍甚至百倍以上。

一、基础代谢

基础代谢（basal metabolism, BM）是指维持生命的最低能量消耗，即人体在安静和恒温条件下（一般18～25℃），禁食12 h后，静卧、放松而又清醒时的能量消耗。此时能量仅用于维持体温和呼吸、血液循环及其他器官的生理需要。为了确定基础代谢的能量消耗（basic energy expenditure, BEE），必须首先测定基础代谢率（basal metabolic rate, BMR）。基础代谢率就是指人体处于基础代谢状态下，每小时每平方米体表面积（或每公斤体重）的能量消耗。按下列方法可计算出每天基础代谢的能量消耗。

（一）用体表面积进行计算

我国赵松出于1984年提出一个相对适合中国人的体表面积计算公式：

体表面积（m2）=0.006 59×身高（cm）+0.012 6×体重（kg）-0.160 3

根据这个公式先计算体表面积，再按年龄、性别在表2-1中查出相应的BMR，就可计算出24h的基础代谢水平。人在熟睡时，能量消耗比基础代谢约减少10%，所以计算时应扣除睡眠时少消耗的这部分热能。表2-1是1～25岁不同年龄段的人体基础代谢率。

由于基础代谢率的测定比较困难，WHO于1985年提出用静息代谢率（resting metabolic rate,RMR）代替BMR。测定时全身处于休息状态，禁食仅需4h。因此，RMR的值一定略高于BMR，见表2-2。

（二）直接用公式计算

Harris和Benedict提出了下列公式，可根据年龄、身长和体重直接计算基础代谢能量消耗。

男BEE=66+13.7×体重（kg）+5.0×身高（cm）-6.8×年龄（岁）

女BEE=65.5 +9.5×体重（kg）+1.8×身高（cm）-4.7×年龄（岁）

更为简单的方法是成人男性按每公斤体重每小时1kcal（4.18kJ）、女性按0.95kcal（3.97kJ），和体重相乘直接计算，结果相对粗略。

（三）WHO建议的计算方法

WHO于1985年推荐使用Schofield公式（表2-3），计算一天的基础代谢能量消耗。

我国营养学会推荐，我国儿童和青少年的基础代谢参考值按上表公式计算，18岁以上人群的基础代谢按公式计算的结果减去5%。

人体的基础代谢不仅个体之间存在差异，自身的基础代谢也常有变化，影响人体基础代谢有以下一些因素。

1．体格的影响

体表面积大者散发能量也多，所以同等体重情况下瘦高者基础代谢高于矮胖者。人体瘦体组织（包括肌肉、心、脑、肝、肾等）消耗的能量占基础代谢的70%～80%，所以瘦体质量（lean body mass）大、肌肉发达者，基础代谢水平高。这也是男性的基础代谢水平高于女性5%～10%的原因。人与人之间基础代谢水平的个体差异，遗传因素是关键的影响因素之一。

2．不同生理、病理状况的影响

儿童和孕妇的基础代谢相对较高。成年后随年龄增长基础代谢水平不断下降，30岁以后每10年降低约2%,60岁以后下降更多。但如注意加强体育锻炼，这种降低相对缓慢得多。生病发热、甲状腺等有关激素水平异常时也能改变基础代谢的能量消耗。

3．环境条件的影响

炎热或寒冷、过多摄食、精神紧张时都可以使基础代谢水平升高，也有人把这一部分的能量消耗称为适应性生热作用（adaptive thermogenesis）。另外，在禁食、饥饿或少食时基础代谢水平也相应降低。

4．尼古丁和咖啡因可以刺激基础代谢水平升高

二、体力活动的能量消耗

人除了睡眠，总要进行各种体力活动或劳动，通常情况下由各种体力活动所消耗的能量约占人体总能量消耗的15%～30%，但随人体活动量的增加，其能量消耗也将大幅度增加。这是人体能量消耗变化最大，也是人体控制能量消耗、保持能量平衡、维持健康最重要的部分。体力活动所消耗能量多少与3个因素有关：（1）肌肉越发达者，活动时消耗能量越多；（2）体重越重者，做相同的运动所消耗的能量也越多；（3）活动时间越长、强度越大、消耗能量越多。因此运动员体力活动的能量消耗因运动量（包括运动强度、密度、运动持续时间）的不同有很大差异，多数项目运动员在训练时间内的能量消耗均相当于或甚至超出重体力、极重体力劳动强度的消耗量。

人类的体力活动种类很多，营养上根据能量消耗水平，即活动强度的不等一般分为五个级别。

（一）极轻的体力活动

这种活动以坐姿或站立为主的活动，如开会、开车、打字、缝纫、烹调、打牌、听音乐、油漆、绘画及实验室工作等。

（二）轻体力活动

指在水平面上走动（速度在4～5km/h），搞卫生、看护小孩、打高尔夫球、饭店服务等。

（三）中等体力活动

这类活动包括行走（速度在5.5～6.5km/h）、除草、负重行走、打网球、跳舞、滑雪、骑自行车等。

（四）重体力活动

如负重爬山、伐木、手工挖掘、打篮球、登山、踢足球等。

（五）极重体力活动

这种情况随着科技和生产力的发展已越来越少见，现常指运动员高强度的职业训练或世界级比赛等。

中国营养学会2001年将我国居民活动强度由五级调整为3级，即轻、中、重体力活动，成人能量的推荐摄入量用BMR乘以不同的体力活动水平（physical activity level, PAL）系数进行计算（表2-4）。

三、食物热效应

食物热效应（thermic effect of food, TEF），即食物特殊动力作用（specific dynamic action, SDA）。人体在摄食过程中，由于要对食物中营养素进行消化、吸收、代谢转化等，需要额外消耗能量，同时引起体温升高和散发能量。这种因摄食而引起能量的额外消耗称食物热效应。

不同的产能营养素其食物热效应不等。脂肪的食物热效应约消耗本身产生能量的4%～5%，碳水化物为5%～6%，而蛋白质特别高，可达30%。这种差异主要是因为：①各营养消化吸收后转变化ATP贮存的量不一样，蛋白为32%～34%，低于脂肪和碳水合物的38%～40%，而其余的则变成热量；②由食物脂肪经消化吸收后变成脂肪组织的脂肪，其消耗的能量要低于由消化吸收的葡萄糖转变成糖原或脂肪，而由食物蛋白质中氨基酸合成人体蛋白质或代谢转化为脂肪，其消耗的能量更多。

由此可见，食物热应与食物营养成分、进食量和进食频率有关。一般来说含蛋白质丰富的食物最高，其次是富含碳水化合物的食物，最后才是富含脂肪的食物。混合性食物其食物热效应占其基础代谢能量的10%；运动员的蛋白质摄入量较高，其食物特殊动力作用高于常人，一般按15%计，吃的越多，能量消耗也越多；进食快比进食慢者食物热效应高，进食快时中枢神经系统更活跃，激素和酶的分泌速度快、量更多，吸收和贮存的速率更高，其能量消耗也相对更多。

第三节 运动的能量消耗

无论是竞技性的比赛还是娱乐性的体育锻炼，其结果都将导致身体能量的消耗增加。体育锻炼中的能量消耗量主要取决于运动类型、运动强度、运动持续时间以及个体的体重。如果我们知道了运动时间和某种运动中单位体重在单位时间内的能量消耗，我们就可以了解该单元体育锻炼的能量消耗。一旦测得基础代谢率，我们就可以估算出一天中大致的能量消耗。再结合饮食摄入中各种食物的卡路里含量，我们就能相对精确地掌握日常生活的能量平衡，从而达到有效控制体重的目的。

一般来说，以每天的卡路里摄取和卡路里消耗来估算能量平衡的确是不容易做到的事情，因为我们每一天的生活内容都不尽相同，我们吃的东西和吃的时间以及运动方式和时间都有很大的变异。但是希望大家记住，如果你要减轻体重就请改变一下生活方式，多进行一些体育锻炼，即多消耗一些卡路里；如果你要增加体重，就请多吃一些食物，即增加一些卡路里的摄入。总之，卡路里就是增加或减轻体重的关键所在。

一、运动能量消耗的计算

（一）梅脱

梅脱（Metabolic Equivalent of Energy MET）指能量代谢当量，音译为梅脱，是以安静、坐位时的能量消耗为基础，表达各种活动时相对能量代谢水平的常用指标。每公斤体重从事1min活动，消耗3.5mL的氧气，这样的运动强度为1 MET（1 MET=3.5mL/kg·min）。1 MET的活动强度只比健康成年人的基础代谢稍高一些，相当于健康成年人安静坐着时的代谢水平。

任何人从事任何强度活动时，都可以测出其吸氧量，进一步计算出每分钟每公斤体重的吸氧量，即可折合为相当于多少MET值，以其表示该活动的强度。另一方面，任何人尽力活动时所能达到的吸氧量水平，也可以用MET表示其大小，用来评定其心脏功能的好坏。

因此，运动时的能量消耗计算公式：能量消耗计算：（METs×3.5×体重（kg））/200=kcal/min（根据不同运动及活动的METs）（表2-5）。

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

解：根据中速4.8km/h的步行的代谢当量为3.5代入公式计算其每分钟能量消耗为：（3.5×3.5×60）/200=3.675kcal/min

那么45min的能量消耗为：3.675×45 =165.375kcal

二、能量供应

人体能量的来源主要是碳水化合物、蛋白质和脂肪，通常情况下供能比例为碳水化合物占55%～65%、蛋白质占10%～15%，脂肪占20%～30%，对于从事体育运动训练的应注意碳水化合物的供能比例，尤其耐力项目应达到65%～70%。这3类营养素普遍存在于各种食物中，我国居民的膳食以植物性食品为主，谷类居第1位，蔬菜和水果占第2位，鱼、禽、肉、蛋等动物性食物位于第3位，奶类和豆类食物占第4位，最后是油脂类。三餐的能量分配要合理，一般早、中、晚餐的能量分别占一天总能量的30%、40%、30%为宜。早餐有食欲者，早餐比例还可增高。不同年龄段人群的能量供给可以参见中国营养学会制订的膳食推荐摄入量。

三、能量平衡

成人代谢的最佳状态是达到摄入的能量与消耗的能量相近。这种能量平衡对机体保持健康和胜任社会活动十分必要。能量代谢失去平衡，则不利于身体健康，若摄入能量不足，机体会调动和利用自身的能量储备，甚至分解自身组织，以维持生命活动的能量需求。如果儿童长期处于饥饿状态，则生长发育就受到影响甚至停止。相反能量摄入长期过剩，则会转化为脂肪在体内贮存，使人发胖，增加患心血管病、糖尿病等退行性疾病的危险性。

四、运动训练者热能营养的评定

对成年运动员能量营养评定可采用本章所述各种方法，但最简易的方法是监测体重的变化。正常情况下，能量摄入量与消耗量相适应时，体重保持稳定；摄入能量＞消耗量，则体重增加；相反，体重会减轻。运动员经过系统的力量训练，肌肉增长也会引起体重增加，而大量出汗可使体重减轻1～3kg或更多，但在合理补液情况下，由于出汗而减轻的体重应在24～48 h内恢复。此外，运动员由训练的过渡期进入准备期或经过大运动量训练后，脂肪细胞缩小以及失水，也可使体重略为减轻。系统的运动训练使身体的瘦体重（指肌肉、骨骼、内脏、体液、糖原等）成分增加，与此同时，脂肪体重减少。

运动员体重和体脂同时增加，表明是运动量不足或摄入能量过多，常见于因发生外伤而不能进行正常训练情况。体重增加，尤其是体脂增加，不利于灵活、高难动作和耐力运动的完成，对健康也不利。体重增加而体脂百分比减少或不变时，表明体内瘦组织成分增加，肌肉增长，运动员瘦体重增加的同时，其运动能力也有提高；当体重和体脂均减少时，应在除外疾病情况下、分析是否运动量过大、食物能量的摄入量未能满足需要所致。运动员能量摄入量不足的情况常见于大运动量消耗未能获得适宜的补充，大运动量训练后因疲劳使食欲下降。运动员采取控制饮食措施来减体重或长期控制体重时，也会造成能量营养不良。长期能量营养不良可引起消瘦、运动无力、免疫机能减弱、各种营养素缺乏，从而损害运动能力和健康，应及时发现、找出原因并纠正。

五、能量营养与运动能力

运用能量代谢的原理，可以指导运动员的饮食和训练，提高运动能力和健康水平。

（一）根据能量代谢平衡状况来控制体重，并使体重维持在最佳运动能力的适宜水平

采用能量负平衡来减轻体重时，必须以不影响运动能力为前提，消耗体内多余的脂肪，保证体内的蛋白质、无机盐、维生素和微量元素等营养平衡。

（二）指导训练

耐力性运动中主要依靠有氧系统供能，耐力项目运动员应加强有氧能力的训练，如最大吸氧量和脂肪利用率等能力。糖原储备量对运动员耐力极为重要，为提高运动耐力和促进恢复，推荐摄糖量为8～10g/kg体重。另外耐力运动中，出汗量大，容易脱水，补液也极为重要，速度性项目应加强无氧能力的训练，如最大乳酸值和耐乳酸能力。膳食应提供丰富的蛋白质，供给量应达1.4～1.8g/kg体重。

（三）运动疲劳的预防和延迟

饮食中能源物质可影响疲劳的产生。赛前高糖饮食有助于预防和推迟疲劳的发生。赛前高脂肪和高蛋白饮食可使疲劳提前发生。

（四）能量摄入过多，会引起体脂增加，对运动和健康都不利

体重过度增加对运动极为不利，不仅使运动时的能量消耗加大、心脏负担增加，而且不能完成一些高难度的需要灵活轻巧的动作。能量营养不足，体重下降、无力，仍坚持训练会影响运动能力，同时使人的免疫机能减弱，发生各种疾病。能量不足时常合并其他营养素的缺乏，例如会发生缺铁性贫血、牙病及便秘等。另外，能量摄入在保证一定量的基础上，碳水化合物、脂肪、蛋白质三种营养素应有适当的比例，蛋白质供给量占一日总热量的12%～15%，脂肪占20%～30%，不超过35%，碳水化合物占55%～60%。

能量营养不当常见于大运动量训练后，由于食欲减退或运动员饮食时间安排不当。夏季高气温训练时，运动员的供水不及时，加上饮食量不足或由于不恰当地控制休重，使能量的需要得不到满足。能量不足，体重会减轻，人会感觉无力、不想运动，应及时纠正。如能量缺乏的时间延长或程度加重，将影响运动能力。能量过多，除体重增加、影响运动能力外，还可引起肥胖及肥胖相关疾病，如高血压病、糖尿病、冠心病及高脂血症等。