一切生命活动都需要能量，如物质代谢的合成反应、肌肉收缩、腺体分泌等。而这些能量主要来源于食物。已知，生物的能量来源于太阳的辐射能。其中，植物借助叶绿素的功能吸收利用太阳辐射能，通过光合作用将二氧化碳和水合成碳水化合物；同时，植物还可以吸收利用太阳辐射能合成脂肪、蛋白质。而动物在食用植物时，实际上是从植物间接吸收利用太阳辐射能，人类则是通过摄取动、植物性食物获得所需的能量。动、植物性食物中所含的营养素可分为五大类：碳水化合物、脂肪、蛋白质、矿物质和维生素。其中，碳水化合物、脂肪和蛋白质经体内氧化可释放能量。这些在体内代谢过程中能够产生能量的营养素称为“产能营养素（energy source nutrient）”或能源物质。

“能”在自然界的存在形式有太阳能、化学能、机械能和电能。为了计量上的方便，对各种不同存在形式的“能”需要制定一个统一的单位，国际上通用的能量单位（energy unit）是焦耳（joule，J）、千焦耳（kilo joule，kJ）和兆焦耳（mega joule，MJ）。营养学以前习惯使用的能量单位是卡（calorie，cal）和千卡（kilocalorie，kcal）。1J指用1牛顿力把1kg物体移动1m所需要的能量。1kcal指1000g纯水的温度由15℃上升到16℃所需要的能量。两种能量单位的换算如下：

1J=0.239cal　1kJ=1000J=0.23kcal

1cal=4.184J　1kcal=4.184kJ

1MJ=1000kJ=239kcal

1000kcal=4.184MJ

人体所需要的能量主要来源于动物性和植物性食物中的碳水化合物、脂肪和蛋白质三种产能营养素。这些能源物质中蕴藏的化学能，经过生物氧化，生成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），供给机体能量。

碳水化合物是机体的重要能量来源。我国居民所摄取的食物中，碳水化合物的比重最大。目前建议机体所需能量的50%～65%由食物中的碳水化合物提供。食物中的碳水化合物，经过消化生成葡萄糖、果糖等单糖，吸收并贮存体内，在需要时进行分解，给机体供能。

葡萄糖是机体最主要的能源物质，根据氧供应的情况，机体内葡萄糖的分解供能途径会有不同。在氧供应不足时，葡萄糖在细胞质中进行无氧酵解，又称糖酵解。通过糖酵解，1分子葡萄糖分解生成2分子的乳酸，并生成2分子的ATP。在氧供应充足时，葡萄糖进行有氧氧化，先在细胞质分解为丙酮酸，再进入线粒体转变为乙酰辅酶A，经过三羧酸循环继续分解并释放能量，经过有氧氧化，1分子葡萄糖生成6分子的二氧化碳和6分子的水，并产生30～32个ATP。三羧酸循环是糖、脂肪和蛋白质氧化供能的最终共同通路。在一般生理情况下，绝大多数组织、细胞有足够的氧供应，能够通过碳水化合物的有氧氧化获得能量。碳水化合物的无氧酵解尽管所释放的能量很少，但在人体处于缺氧状况下则极为重要，因为这是人体的营养物质唯一不需氧的供能途径。例如，在剧烈运动时，骨骼肌的耗氧量大幅度增加，此时骨骼肌处于相对缺氧状态，这就需要依靠碳水化合物的无氧酵解来供给能量。

在机体代谢需要（如饥饿）时，体内贮存的脂肪迅速分解为甘油和脂肪酸，经血液输送到各组织、细胞以供利用。甘油经过体内生物转化为磷酸二羟丙酮，可通过糖酵解或有氧氧化供能，也可在肝脏经过糖异生转变为糖或糖原。脂肪酸在细胞液中转变为脂酰辅酶A，然后进入线粒体反复进行β氧化，生成乙酰辅酶A进入三羧酸循环彻底氧化供能。脂肪氧化可释放大量的能量，1分子软脂酸氧化释放的能量可净生成129个ATP，每克脂肪氧化分解释放的能量，约为每克糖氧化释放能量的2倍。

人体在一般情况下，主要利用碳水化合物和脂肪氧化供能。但在某些特殊情况下，机体所需能源物质供给不足，如长期不能进食或消耗量过大时，体内的糖原和贮存脂肪已大量消耗之后，才依靠组织蛋白质分解产生氨基酸来获得能量。体内的氨基酸在肝脏转化为α-酮酸、胺类及二氧化碳。α-酮酸可经过三羧酸循环氧化，生成水和二氧化碳，释放能量，也可以转变为糖、脂类等，一些未代谢的成分以尿素或尿酸的形式排出体外，所以，蛋白质在体内氧化时释放的能量低于体外燃烧释放的能量。

每克产能营养素在体内氧化所产生的能量值，称为“食物的能量系数”（food energy conversion factor），以前也称“食物的热价”（thermal equivalent of food）或“生理卡价”（physiological energy value of food），食物的能量系数，是经体外燃烧实验推算而得。

物质在体外燃烧时所释放出的能量，称为燃烧热，又称燃烧能量。食物可在体外燃烧，也可在体内氧化。体外燃烧和体内氧化的化学本质是一致的，食物在体内氧化亦可放出燃烧热。每克产能营养素在体外燃烧时，所产生的能量值称为“物理卡价（physical energy value of food）”。

物质的燃烧与其分子组成有密切关系。例如，碳燃烧变成CO ₂时，每克产生能量33.8kJ（8.08kcal）；氢燃烧变为H ₂O时，每克产生能量144.3kJ（34.5kcal）。

碳氢化合物是由碳和氢两种元素组成；其燃烧能量，与碳和氢分别燃烧放出的能量相等。所以，碳氢化合物的燃烧能可根据碳和氢的含量计算。

碳水化合物和脂肪除含碳和氢外还含有氧。换言之，在碳水化合物及脂肪所含的碳和氢中，已被所含的氧所氧化（即燃烧）。所以计算碳水化合物及脂肪燃烧能量时，不能单独根据碳和氢的含量，还必须同时考虑氧的含量。例如，100g葡萄糖含C 40g、H 6.7g、O 53.3g；若根据碳和氢的含量计算，则100g葡萄糖的燃烧能量为：

40×33.8kJ（8.08kcal）+6.7× 144.3kJ（34.5kcal）=2319.6kJ（554.4kcal）

但根据实验，100g葡萄糖燃烧时仅能释放1569kJ（375 kcal）能量。两者不同，就是因为葡萄糖所含的碳和氢，已有一部分被其所含的氧氧化的缘故。蛋白质除含碳、氢、氧外，还含氮及硫、磷等。在体外燃烧时碳变为CO ₂；氢变为H ₂O；氮变为NH ₃、N ₂、NO ₂等；硫变为SO ₃。氮燃烧时需氧不多，放出能量较少；硫含量较少，燃烧时放出能量不多；故这两种元素的燃烧能量可以忽略不算。

食物的燃烧能量通常采用“量热仪”测定。1892年，美国农业化学家阿特沃特（Atwater，W.O. 1844—1907）和物理学教授罗沙（Rose，E.B.）研制出了第一台Atwater-Rose量热仪，使测量不同食物的热量值成为可能。Atwater在1896年编制的食物热值表至今仍在全世界广为应用。目前，食物燃烧能量可用自动弹式量热仪测定，其原理是将定量的食物或产能营养素样品放于耐热耐腐蚀的坩埚上，将坩埚置于密封的不锈钢的氧弹中，然后紧闭氧弹，充入氧气至一定压力；置氧弹于量热仪中，点燃测试样品，其完全燃烧后的燃烧能量由弹筒壁传导给内筒水，根据水温的上升和量热系统的热容量，计算出样品的产热量（燃烧能量）。

产能营养素在体内的燃烧（生物氧化）过程和在体外的燃烧过程不尽相同，体外燃烧是在氧作用下完成的，化学反应激烈，伴随着光和热；体内氧化是在酶的作用下缓慢进行的，比较温和；特别是最终产物不完全相同，所以产生的能量也不完全相同。据用“量热仪”测定，1g碳水化合物在体外燃烧时平均产生能量17.15kJ（4.1kcal）；1g脂肪平均产能39.54kJ（9.45kcal）；1g蛋白质平均产能23.64kJ（5.65kcal）。在体内氧化时，碳水化合物和脂肪，与体外燃烧时的最终产物都为二氧化碳和水，所产生的能量相同。蛋白质在体内氧化时的最终产物为二氧化碳、水、尿素、肌酐及其他含氮有机物；而在体外燃烧时的最终产物则为二氧化碳、水、氨和氮等，体内氧化不如体外燃烧完全。若将1g蛋白质在体内氧化的最终产物收集起来，继续在体外燃烧，还可产生能量5.44kJ（1.3kcal）。如果用“量热仪”体外燃烧试验推算体内氧化产生的能量值应为：1g碳水化合物为17.15kJ（4.1kcal），1g脂肪为39.54kJ（9.45kcal），1g蛋白质则为23.64-5.44=18.2kJ（4.35kcal）。

食物中的营养素在人体不能100%消化和吸收，会有一些能量通过粪便排出体外。这与食物本身的情况（如营养素的含量、食物的基质等）、食物的加工及人体的生理状态（如疾病等）都有关。此外，蛋白中的一些能量以尿素、肌酐等形式通过尿液排出体外。一般混合膳食中碳水化合物、脂肪和蛋白质的吸收率分别按98%、95%和92%计算。所以，三种产能营养素在体内氧化，可被人体实际利用的能量为：

1g碳水化合物：17.15kJ×98%=16.81kJ（4.0kcal）

1g脂肪：39.54kJ×95%=37.56kJ（9.0kcal）

1g蛋白质：18.2kJ×92%=16.74kJ（4.0kcal）

因此，WHO/FAO推荐使用的此三种产能营养素的能量系数分别为：碳水化合物（可利用的）17kJ/g（4kcal/g），脂肪37kJ/g（9kcal/g），蛋白质17kJ/g（4kcal/g）。此外，WHO/FAO还为其他的产能物质确定了能量系数，即乙醇29kJ/g（7kcal/g），有机酸17kJ/g（3kcal/g），糖醇10kJ/g（2.4kcal/g）。关于膳食纤维（不可利用的碳水化合物），一般推荐使用8kJ/g（2kcal/g），而针对一些添加进食品的膳食纤维，则根据具体的问题具体分析，如玉米麸皮纤维的能量系数为1.3kJ/g（0.3kcal/g），低聚果糖为11kJ/g（2.6kcal/g）。

能量系数主要用于计算“食品标签”和“食物成分表”中的能量值及估算食物或膳食能量是否符合推荐的能量需要。因此，有很重要的作用。

Atwater能量系数用于估算食品中的能量，迄今已超过一百年了，有学者提出，不同食物原料中的各产能营养素的燃烧能量及消化率，会有一定的变化范围。例如，由于蛋白质的氨基酸组成不同，因而，不同蛋白质的燃烧能量是不同的，土豆中的蛋白质燃烧能量比大米中的蛋白质低将近20%；谷物研磨的粒度不同，会影响其消化率，等量的全麦粉（100%出粉率）和富强粉（70%出粉率）相比其可利用的能量是不同的。这些差异应该在能量系数上加以体现，据此提出了食物特异性能量系数（specific Atwater factor）。美国的食物成分表采用了这套系统，不同食物来源的蛋白质、脂肪和碳水化合物的能量系数均有差别。以蛋白质为例，蛋类蛋白为18.2kJ/g（4.36kcal/g），水果蛋白为14.1kJ/g（3.36kcal/g），块茎类蔬菜蛋白为11.6kJ/g（2.78kcal/g），其他蔬菜蛋白为10.2kJ/g（2.44kcal/g），最低的是高粱蛋白，3.8kJ/g（0.9kcal/g）。但是，这套系统计算起来十分复杂，而且与传统的Atwater能量系数相比，计算混合膳食的总能量值差别并不大，因此，并未广泛应用。

传统的Atwater能量系数及食物特异性能量系数，都是基于可代谢能（metabolizable energy，ME）的理论，即摄入的食物总能量（ingested energy，IE），经过胃肠道的作用，未消化或经过发酵后，会有一些能量以粪能（faecal energy，FE）和发酵气体能（gaseous energy，GaE）的形式丢失，经过这个过程后剩下的能量为可消化能（digestible energy，DE），未完全利用的蛋白质的能量以尿氮的形式丢失，还有一些能量通过体表丢失，余下的能量就是人体的可代谢能（ME）。

20世纪90年代，Livesey等对食物的能量系数的求导给出了不同的认识，并提出了净代谢能（net metabolic energy，NME）的概念。NME是最大限度转化为ATP的那部分食物能量，也就是人体真正可以有效利用的食物能量。他们认为，估算与人体能量的需要相平衡的食物能量时，应除去食物的各种必然生能量作用，如葡萄糖转化ATP时的损失，还有肠道菌发酵产生的能量等。食物能量体内流转示意图见图1-6-1。

NME系统的蛋白质、碳水化合物及膳食纤维的能量系数，与ME系统的系数相比要低一些，分别为蛋白质13.3kJ/g，碳水化合物15.7kJ/g（可利用）和膳食纤维6.2kJ/g（不可利用），脂肪的能量系数基本相同。

2002年，FAO专门对食物的能量系数召开了专题研讨会，并就是否将NME系数替换ME系数进行了讨论，与会专家一致同意继续采用ME系数，暂不采用NME系数，其主要原因是ME系数与目前的能量推荐量数据具有一致性。目前，所有人群的能量推荐量都是在测定机体的能量消耗的基础上制定的，测定能量消耗的技术，包括双标水法、气体代谢法等，都是基于氧气的消耗量和二氧化碳的生成量计算，涵盖了机体的产热量，而非空腹的能量消耗量测定，包括了结肠的微生物发酵产生的能量及食物的必然生热作用产生的能量，如果采用NME系数来计算食物能量值，不但要从食物中去掉必然生热作用的能量，而且还要从机体能量推荐的需要量值中减掉这部分能量。因此，按ME系数计算的能量摄入值与推荐的膳食能量需要量，具有更好的一致性和可比性。

我国使用的食物能量系数按照食品安全国家标准《预包装食品营养标签通则》（GB 28050—2011），具体见表1-6-1，与FAO推荐的基本一致。

此外，糖醇，赤藓糖醇为0，其余为10kJ/g（2.4kcal/g）。