不合理饮食可导致高血压、肥胖、心脏病、卒中、2型糖尿病和癌症（特别是胃癌和结肠直肠癌）等多种疾病。全球每年有1100万人死于饮食不合理，包括高钠和缺乏水果进食等。膳食与健康之间关系非常复杂，许多医生认为营养评估和基本饮食策略具有较高不确定性，他们不得不四处寻求营养学培训。
《新英格兰医学杂志》（NEJM）从本周开始推出系列综述，重点介绍营养学基本和新兴知识，例如食物基本药理学、肠道与免疫力关系以及肠道微生物组在健康和疾病中的作用。昨天发表的第一期综述概述了营养指南，重点关注能量和宏量营养素。
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营养不良是美国人患慢性病的一项主要危险因素，也是一项主要的可预防原因。全世界每五例死亡中就有一例是由于饮食不良促发。目前对于“食物即良药”这一干预措施的研究越来越多，目的是将其作为预防和治疗多种慢性病的手段。与分子靶点明确的传统获批药物不同，人体摄入的饮食含有众多食物成分，而且其功能分布于人一生中。因此，向患者，特别是慢性病患者提供关于吃什么和吃多少的建议，比大多数健康建议更为复杂。本文概述了当代营养概念，特别关注能量和宏量营养素。
2000多年前，希腊哲学家和医生就认识到，人体需要食物补充必然发生的物质损耗，这些需求在生命各个阶段有所不同，而且人体需要食物和空气一起为“与生俱来”的体温提供燃料。在18世纪末开始的化学革命中，Antoine Lavoisier及其合作者证明人体热量来自需要氧气的燃烧过程（图1），从而为新陈代谢的现代理解奠定了基础 。19世纪上半叶，Gerardus Johannes Mulder和Jöns Jacob Berzelius发现并命名了蛋白质，Michel Eugène Chevreul等人统一了与脂类和脂肪相关的概念，此外多位科学家将糖和淀粉确定为碳水化合物。今天，我们认识到蛋白质、脂肪和碳水化合物是作为代谢燃料的主要宏量营养素，它们还参与许多其他重要功能。
图1. 与能量、宏量营养素和其他必需营养素有关的科学知识和联邦指南里程碑到20世纪初，人们已经清楚地认识到，要保持最佳健康状态，除宏量营养素之外，还需要其他食物成分。目前公认的13种水溶性和脂溶性维生素是在1912年至1948年间发现。此外还有21种必需矿物质，分成常量矿物质（例如钙；每日需要量，≥100 mg）和微量矿物质（例如碘；每日需要量，<100 mg）。这些额外的营养素（即维生素和矿物质）统称为微量营养素。
经济大萧条导致了普遍营养不良，美国又在并无营养救济计划的情况下参加了第二次世界大战。1940年，美国国防咨询委员会要求美国国家科学院国家研究委员会协助研究与美国人口营养不良有关的问题。1943年，美国国家研究委员会首次发布能量、蛋白质以及八种维生素和矿物质的推荐膳食摄入量，目的是为预防营养素缺乏症设立标准。接下来40年间，RDA经过多次更新，最近一次更新是在1989年，除能量和蛋白质外，还为25种维生素和矿物质提出建议。RDA计算方法是首先估算出在特定性别和生命阶段组别中，满足半数健康人需求所需的营养素平均日摄入量。这一数值称为估计平均需求量（Estimated Average Requirement）。然后，将RDA设定为比估计平均需要量高2个标准差，目的是满足健康人对大部分营养素的需求（97.5%）。如果没有足够数据用于确定这一数值，则采用基于动物或观察性研究的适当摄入量。
1994年，RDA经过重新评估，随后被修订为膳食营养素参考摄入量。膳食营养素参考摄入量是一套广泛的循证营养素参考摄入量，包括RDA、为避免毒性效应而设定的可耐受最高摄入量（Tolerable Upper Intake Levels）以及可接受宏量营养素分布范围（Acceptable Macronutrient Distribution Range），它们代表了与降低慢性病风险，同时提供充足必需营养素摄入量相关的每种能量来源的摄入量范围。膳食营养素参考摄入量于1997年至2003年间发布，2011年对钙和维生素D做出修订，2019年对钠和钾做出修订，2023年对能量做出修订。从钠开始，它们在2019年得到扩展，纳入了降低慢性病风险摄入量（Chronic Disease Risk Reduction Intake），该数值代表了营养素与慢性病风险之间的关系。例如，对于14岁及以上人群，将钠摄入量减少到每天≤2300 mg这一降低慢性病风险摄入量与高血压和心血管疾病风险降低相关。
20世纪70年代，联邦政府开始关注新出现的慢性病。参议院营养与人类需求特设委员会（Senate Select Committee on Nutrition and Human Needs）于1977年制定并发布了《美国膳食目标》（Dietary Goals for the United States）。报告中的建议后来扩展成《美国居民膳食指南》。这些指南由农业部和卫生与公众服务部于1980年首次发布，现在每5年发布一次，代表了从20世纪初关注营养素是否充足到关注饮食对整体健康和慢性病风险的影响这一转变。营养学不断发展，现在正转向确定基础的营养传感机制、宏量营养素的昼夜节律和享乐（hedonic）效应，以及基于人工智能，可以在个体层面预测对食物和饮食模式所产生应答的算法。19世纪末，Max Rubner评估了一只狗在热量计内保持稳定体重时的产热和其他形式能量损失。以食物形式提供给狗的能量（17,349 kcal）与狗的总能量损失（17,406 kcal）相匹配，因此在生物体内验证了热力学第一定律。Wilbur Atwater很快扩展了Rubner的研究，证实热力学第一定律也适用于人体。Atwater还得出了碳水化合物、脂肪和蛋白质的“可代谢”能量值，分别为每克4 kcal、9 kcal和4 kcal。Rubner和Atwater的实验表明，当摄入食物中的能量与通过产热、粪便、尿液和皮肤损失的能量相平衡时，动物或人将保持固定体重，这反映了能量平衡。目前的膳食能量参考摄入量是根据间接热量测定法中的双标水法计算得出，该方法可量化人们在自然环境中1~2周的总能量消耗。图2显示了将常量营养素转化为人体物质和热量的简化模型。图2. 健康成人保持能量平衡、维持体重和身体成分的饮食宏量营养素途径蛋白质
蛋白质由氨基酸合成，是人体的主要结构和功能成分。人体蛋白质所含的20种氨基酸中，有9种是不可或缺的（必需氨基酸）；饮食中缺少其中任何一种氨基酸都会导致特定体征和全身蛋白质负平衡。有六种氨基酸属于条件必需氨基酸，这意味着在快速生长和严重代谢压力期间无法合成足够的这些氨基酸。其余5种氨基酸属于非必需氨基酸；它们可以在体内合成，满足人体需要。20世纪30年代，Rudolf Schoenheimer及其同事发现，人体内的蛋白质等生物分子处于不断更新的动态状态，需要通过饮食进行补充，以维持身体大部分功能和健康。动物源性蛋白质含有全部9种必需氨基酸，而植物源性蛋白质通常缺乏一种或多种必需氨基酸。我们采用可消化氨基酸评分对蛋白质来源进行分级，以学龄前儿童的消化率校正后必需氨基酸需求量为参考。牛奶、牛肉和鸡蛋的评分最高，约为1；大米评分约为0.5。大豆蛋白评分约为0.9，是一种有益的植物源性氨基酸。素食者和纯素食者可通过食用豆类、谷物、豆制品、坚果和种子等各种植物性食物维持充足的优质蛋白质摄入量。健康青壮年每天每千克体重摄入0.55~0.6 g蛋白质即可维持中性氮平衡。蛋白质的RDA（每天每千克体重0.8 g）包括对于18岁以上男性和女性而言，这一水平之上的安全裕度（表1）。为促进健康成长，婴儿和儿童对蛋白质的需求量更高。妊娠期和哺乳期对蛋白质的需求量也会增加。表1. 饮食总蛋白质、脂肪、碳水化合物、纤维和水的膳食参考摄入量脂肪
20世纪初，人们对脂肪的看法是，甘油三酯是重要的饮食能量来源，也是脂溶性维生素的载体。1929年，George Burr和Mildred Burr发现，在啮齿类动物模型中，亚油酸和α-亚麻酸这两种脂肪酸是促进生长和防止有症状性脂肪酸缺乏所必需的。后来发现，各自所属的n-6和n-3必需多不饱和脂肪酸是多种生物活性脂质的前体，具有多种功能。除亚油酸之外，花生四烯酸（n-6多不饱和脂肪酸）在亚油酸合成（通过脱饱和及链延伸）受到限制时，也会成为条件必需脂肪酸。花生四烯酸是许多类花生酸前体（包括前列腺素、血栓素和白三烯），它们参与自分泌、旁分泌功能，偶尔参与内分泌功能，具有广泛生理作用。关于n-6多不饱和脂肪酸对心血管的影响仍存在争议。玉米油、红花油、大豆油、坚果和种子是n-6脂肪酸的很好来源。n-3必需多不饱和脂肪酸（α-亚麻酸）是二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）的前体，这两种n-3多不饱和脂肪酸在炎症介质合成、细胞内信号传导和基因表达以及细胞膜结构中发挥重要作用。较高的EPA和DHA水平与较低的心血管疾病风险相关，但这些影响的强度仍有待研究。在人们常吃的植物油中，亚麻籽油、大豆油和菜籽油是α-亚麻酸的很好来源。多脂鱼（如鲑鱼和鲱鱼）和鱼油中含有大量EPA和DHA。人类将α-亚麻酸转化为EPA和DHA的能力较低。除红细胞和中枢神经系统细胞外，所有细胞均可氧化从食物甘油三酯中释放的长链脂肪酸，以获取能量。目前设定了婴儿（0~12个月大）的总脂肪适宜摄入量，但尚未设定老年人的RDA或适宜摄入量。脂肪在各生命阶段的可接受宏量营养素分布范围是能量摄入量的20%~40%（表1）。《美国居民膳食指南（2020—2025）》建议，从2岁开始，饱和脂肪摄入量应低于每日热量摄入量的10%。2015—2018年期间，只有不到四分之一的美国人称其饱和脂肪摄入量低于建议水平，即热量摄入量的10%。2017年至2020年3月期间，20岁及以上人群的平均饱和脂肪摄入量为12%，饮食脂肪总摄入量为38%，超过了该年龄组的可接受宏量营养素分布范围上限35%（表2）。表2. 美国典型饮食和美国USDA饮食模式的能量和宏量营养素含量碳水化合物
人类饮食主要包括两种形式的可消化碳水化合物：糖和淀粉，它们都属于宏量营养素，可为细胞提供能量。糖（主要是蔗糖）天然存在于水果中，而乳糖（双糖）存在于乳制品中。淀粉是由所有绿色植物产生的多糖，常见的饮食来源包括土豆、大米、玉米和小麦。在食品加工过程中添加的糖包括白砂糖、葡萄糖、红糖、高果糖玉米糖浆、蔗糖浆和蜂蜜。大量摄入添加糖与能量过剩、低质量饮食、体重增加和肥胖相关75,76。正常情况下，红细胞和人脑中的神经元（依赖程度低于红细胞）完全依赖葡萄糖作为能量来源。从1岁开始，各生命阶段对碳水化合物的需求量是根据脑部氧化葡萄糖的平均最小值计算得出（表1）。对于1岁及以上人群，碳水化合物的可接受宏量营养素分布范围是能量的45%~65%。《美国居民膳食指南（2020—2025）》建议2岁前避免摄入添加糖，2岁后将添加糖摄入量限制在每天热量摄入量的10%以下。含糖饮料（不包括加糖的咖啡和茶）几乎占2岁或以上美国人饮食中添加糖的四分之一。纤维是天然存在、可食用、不可消化的植物碳水化合物和木质素成分，木质素是植物细胞壁中含量丰富的一种有机聚合物。所谓功能性纤维指的是分离、提取或合成的、经证实对健康有益的不可消化碳水化合物。纤维总摄入量是膳食纤维和功能性纤维摄入量的总和。膳食纤维总摄入量较高与通便和血糖控制改善相关。随机试验表明，最高的纤维摄入量与较低的体重、血清胆固醇水平和收缩压相关，观察性研究表明，在纤维摄入量高的人群中，一些常见非传染病的发病率和相关死亡率降低15%~30%。肠道微生物群在结肠中通过厌氧发酵方式从膳食纤维生成短链脂肪酸，这是一个对2型糖尿病等疾病有益的代谢过程。全谷物、水果和蔬菜是膳食纤维的丰富来源，且含有其他必需微量营养素。10个不同生命阶段人群以及特殊人群（如孕妇或哺乳期女性）的能量需求各不相同，对三种主要宏量营养素和多种微量营养素的需求也各不相同，这使得向经济条件、个人偏好、文化背景和民族饮食传统千差万别的患者推荐健康饮食模式变得更加复杂。表3概述了健康饮食模式中的主要能量和宏量营养素建议。《美国居民膳食指南（2020—2025）》是根据生命阶段（从出生到老年）获取更多营养建议的极佳资料。患有饮食相关慢性病（如肥胖、心血管疾病或2型糖尿病）的患者尤其可以从这些指南中获益，以减轻症状和合并症。对于营养需求复杂的患者，应考虑向注册饮食学家或营养师咨询。
表3. 向患者和看护人提出符合能量和宏量营养素指南的健康饮食模式建议
Heymsfield SB, Shapses SA. Guidance on energy and macronutrients across the life span. N Engl J Med 2024;390:1299-310.
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