项目二 蛋白质与氨基酸
案例1-2 “空壳奶粉”
问题：劣质奶粉，除了含较多的碳水化合物外，蛋白质、脂肪、矿物质含量极少，能量往往又不足，故称其为“空壳奶粉”。为什么“空壳奶粉”会影响婴幼儿身体健康甚至危及生命？何为优质蛋白质？哪些食物富含蛋白质？
蛋白质（Protein）是由20多种氨基酸通过肽键连接起来的生物大分子，相对分子质量可达到数万甚至百万。蛋白质占人体体重的16%~19%，是组成人体一切细胞、组织最重要的成分。生命的表现形式其本质是蛋白质功能的体现，没有蛋白质就没有生命。
蛋白质主要由碳、氢、氧、氮四种元素组成，是人体氮的唯一来源。大多数蛋白质的含氮量相当接近，平均约为16%。因此在任何生物样品中，每克氮相当于6.25克蛋白质（折算系数）。因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以计算出其蛋白质的大致含量。
一、蛋白质的分类
在不同研究领域有不同的蛋白质分类方法。营养学上常根据蛋白质的营养价值进行分类。
（一）完全蛋白质
完全蛋白质所含必需氨基酸种类齐全、数量充足，且氨基酸比例接近人体需要，不但能维持成人的健康，而且能促进儿童生长发育。动物来源的蛋白质大多为完全蛋白质，如乳类中的酪蛋白、乳白蛋白，蛋类中的卵白蛋白、卵黄磷蛋白，肉类中的肌蛋白和大豆中的大豆蛋白等。
（二）不完全蛋白质
不完全蛋白质是缺少一种或几种人体必需的氨基酸，当仅用这种蛋白质为唯一蛋白质来源时，既不能维持生命，也不能促进生长发育。如玉米中的玉米胶蛋白，动物结缔组织和肉皮中的胶质蛋白，豌豆中的豆球蛋白等。
（三）半完全蛋白质
半完全蛋白质介于上述两种蛋白质之间，其含有人体所必需的各种氨基酸，但氨基酸组成比例不平衡，若将其作为唯一蛋白质来源，可以维持生命，但不能满足机体正常生长发育的需要，如小麦、大麦中的麦胶蛋白。
二、蛋白质的生理功能
（一）构成和修复组织
人体的任何组织和器官都以蛋白质作为重要的组成成分，身体的生长发育可视为蛋白质的不断积累过程。人体的瘦组织中，如肌肉组织和心、肝、肾等器官均含有大量蛋白质；骨骼和牙齿中含有大量的胶原蛋白；指（趾）甲中含有角蛋白；细胞从细胞膜到细胞内的各种结构中均含有蛋白质，蛋白质约占细胞干物质的80%。人体内各种组织细胞的蛋白质始终在不断更新。例如，人体血浆蛋白质的半寿期约为10天，肝中大部分蛋白质的半寿期为1天~8天，身体受伤后也需要蛋白质作为修复材料。
（二）调节生理功能
机体生命活动之所以能够有条不紊地进行，有赖于多种生理活性物质的调节。而蛋白质在体内是构成多种重要生理活性物质的成分，参与调节生理功能，主要体现为：
（1）催化体内一切物质的分解和合成的酶类，其化学本质是蛋白质。
（2）免疫球蛋白可以抵御外来微生物及其他有害物质的入侵。
（3）激素能调节各种生理活动并维持内环境的稳定，由蛋白质或蛋白质衍生物构成的某些激素，如垂体激素、甲状腺素、胰岛素及肾上腺素等都是机体的重要调节物质。
（4）细胞膜和血液中的蛋白质担负着各类物质的运输和交换。
（5）机体细胞内、外体液的渗透压必须保持平衡，这种平衡是由电解质和蛋白质的调节而达到的。
（6）血液的凝固、视觉的形成、人体的肌肉运动等都与蛋白质有关。
（三）供给能量
蛋白质的供能是由食物中一些不符合机体需要或者摄入量过多的蛋白质，以及由体内旧的或已经破损的组织细胞中的蛋白质燃烧时所放出的，是人体能量的来源之一。但是，蛋白质的这种功能可以由碳水化合物、脂肪所代替，供给能量是蛋白质的次要功能。
三、氨基酸
氨基酸（Amino Acid）是组成蛋白质的基本单位，分子中具有氨基和羧基。氨基酸在人体营养和生理上占有重要地位，人体对蛋白质的需求实际上就是对氨基酸的需求。
（一）氨基酸种类
根据机体氨基酸的来源，营养学上将氨基酸分为必需氨基酸、非必需氨基酸、条件必需氨基酸（半必需氨基酸）。具体见表1-1。
表1-1 氨基酸的种类
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，必须从食物中直接获得的氨基酸。必需氨基酸有9种，即异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、缬氨酸、色氨酸和组氨酸。其中组氨酸是婴儿的必需氨基酸。
非必需氨基酸并非体内不需要，只是可在体内合成或者可由其他氨基酸转变而来，食物中缺少了也无妨。
半胱氨酸和酪氨酸在体内可分别由蛋氨酸和苯丙氨酸转变而成，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量可分别减少30%和50%。所以半胱氨酸和酪氨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，常将蛋氨酸和半胱氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸合并计算。
（二）氨基酸模式和限制氨基酸
组成人体各种组织蛋白质的氨基酸是按一定比例组成的，当每日膳食中蛋白质所提供的各种氨基酸与此比例大体相一致时，人体才能有效地合成机体蛋白质。营养学上将某种蛋白质中各种必需氨基酸的构成比例称为氨基酸模式。计算方法是将该种蛋白质中的色氨酸含量定为1，计算出其他氨基酸的相应比值，见表1-2。其中“FAO/WHO1973”是1973年FAO/WHO联合专家委员会以人体氨基酸需要量为基础提出的氨基酸模式，该模式适合于单纯地比较不同食物的营养价值，局限性是未考虑到不同的年龄组对必需氨基酸需要量的不同情形。
表1-2 几种常见食物和人体蛋白质氨基酸模式 （含量：mg/g蛋白质）
膳食蛋白质的氨基酸模式越接近人体蛋白质的组成，被人体消化吸收后，就越易被机体利用，其营养价值就越高。鸡蛋蛋白质的氨基酸模式与人体蛋白质氨基酸模式最为接近，在比较食物蛋白质营养价值时常作为参考蛋白质。
当食物蛋白质中的一种或几种必需氨基酸的含量相对较低或缺乏时，就会导致其他必需氨基酸在体内不能被充分利用而使蛋白质营养价值降低，这些含量相对较低的氨基酸称为限制氨基酸。其中含量最低的称为第一限制氨基酸，其他以此类推。在谷类植物蛋白质中，通常赖氨酸含量较低，是谷类蛋白质的第一限制氨基酸。蛋氨酸在大豆、花生、牛奶和肉类蛋白质中相对不足，则是大多数非谷类植物蛋白质的第一限制氨基酸。
四、食物蛋白质的营养评价
各种食物中蛋白质的含量、氨基酸模式都不一样，人体对不同的蛋白质的消化、吸收和利用程度也存在差异，因此其营养价值不完全相同。营养学上主要从“量”（食物中蛋白质的含量）和“质”（食物中蛋白质被机体利用的程度）两方面考虑。
（一）食物中蛋白质的含量
虽然蛋白质的含量不等于质量，但是没有一定数量，再好的蛋白质的营养价值也有限，所以蛋白质含量是食物蛋白质发挥其营养价值的基础。蛋白质含氮量比较稳定，故测定食物中的氮含量乘以蛋白质折算系数6.25，即可得蛋白质含量。一般使用凯氏定氮法测定食物中的氮含量。
（二）食物中蛋白质的消化率
消化率是指在消化道内能够被肠道中消化酶分解、吸收的蛋白质占摄入蛋白质的百分数。蛋白质的消化率越高，被机体利用的可能性越大，营养价值越高。通常，动物性蛋白质的消化率比植物性的高，这是因为植物蛋白质被纤维素包围而不易被消化酶作用。根据是否考虑内源粪氮（粪代谢氮）因素，可分为真消化率和表观消化率。
蛋白质真消化率考虑到粪中排出的氮除了未被消化吸收的食物蛋白质外，还有来自脱落的肠黏膜细胞以及肠道细菌等所含的氮，即内源粪氮（粪代谢氮）。计算公式如下：
式中：I——摄入氮；F——粪氮；Fk——粪代谢氮。
因计算方便，一般多测定表观消化率。按下式计算：
式中：I——摄入氮；F——粪氮。
（三）食物蛋白质的利用率
利用率是指食物蛋白质被消化吸收后在体内被利用的程度。常用以下两种表示方法：
蛋白质的生物学价值简称生物价，是指机体的氮储量与氮吸收量之比，表示蛋白质被机体吸收和利用的程度。它是评定食物蛋白质营养价值高低的常用方法。生物价越高，蛋白质被机体利用率越高，表明食物氨基酸模式与人的氨基酸模式越接近，即蛋白质的营养价值越高。常见食物蛋白质的生物价见表1-3。其按下式计算：
式中：I、F、U——摄入氮、粪氮、尿氮；Fk——无氮饲料期粪代谢氮；Um——无氮饲料期尿内源氮。
表1-3 常见食物蛋白质的生物价
蛋白质功效比值是指实验期内，动物平均每摄入1g蛋白质时所增加的体重克数。一般选择初断乳的雄性大鼠，用含10%蛋白质饲料饲养28天测量计算。公式如下：
由于所测蛋白质主要被用来提供生长的需要，所以该指标被广泛用于婴幼儿食品中蛋白质的评价。
（四）氨基酸评分
氨基酸评分（AAS），也叫蛋白质化学评分，是用被测食物每克蛋白质中每种必需氨基酸的含量与每克理想模式或参考蛋白质（一般用鸡蛋蛋白质）中该必需氨基酸含量进行比较，比值最低者为第一限制氨基酸，该数值就是待评食物的氨基酸评分。计算公式如下：
理想模式或参考蛋白质中每克氮（或蛋白质）中该必需氨基酸量（mg）
如果通过查阅食物成分表查得氨基酸含量的表示单位为每百克食物中氨基酸毫克数（mg/100g食物），则需要换算为每克该食物蛋白质中氨基酸毫克数（mg/g蛋白质），以方便计算和评价，换算公式如下：
氨基酸评分不仅适用于单一蛋白质，亦适用于混合进食的几种蛋白质，并在混合蛋白质中找出限制氨基酸。
氨基酸评分没有考虑食物蛋白质消化率的影响，如某些食物的氨基酸构成虽较好，但因难消化，易造成对这类食物的估计偏高。为此，FAO/WHO推荐经消化率修正的氨基酸评分（PDCAAS），其计算公式为：
几种食物蛋白质的真消化率见表1-4。
表1-4 几种食物蛋白质的真消化率（%）
下面以鸡蛋、大豆为例，介绍用氨基酸评分（AAS）评价食物蛋白质营养价值，评价程序为：
（1）查找食物成分表确认鸡蛋、大豆的蛋白质含量分别为12.7%、35.1%，大豆蛋白质含量高于鸡蛋。
（2）通过查阅食物成分表（食物氨基酸的含量），找出鸡蛋、大豆的必需氨基酸含量，即每克蛋白质中必需氨基酸毫克数（mg/g蛋白质）。根据表1-2所列的数值，鸡蛋和大豆蛋白中必需氨基酸的含量分别为490mg/g和384mg/g，其含量差别不是太大。
（3）为了计算方便，可直接利用表1-2的数值以FAO/WHO1973氨基酸模式为比较标准，按照氨基酸评分（AAS）计算公式评价食物蛋白质8种必需氨基酸的评分值，分别将计算结果填于表1-5。
（4）根据计算结果，鸡蛋蛋白质中，以苏氨酸的AAS评分最低，说明鸡蛋AAS为1.18。大豆蛋白质中含硫氨基酸的AAS最低为0.49，说明含硫氨基酸是第一限制氨基酸。
（5）根据经消化率校正后的氨基酸评分（PDCAAS）计算公式，计算得出鸡蛋和大豆的PDCAAS分别为1.14和0.42（查表确定鸡蛋的TD为97%，大豆的TD为87%）。
（6）评价并给出可能的建议。本例中，鸡蛋含有较高的蛋白质，8种必需氨基酸评分均高于人体氨基酸模式，蛋白质质量高且消化利用率较高，是非常好的蛋白质来源，AAS和PDCAAS分别为1.18和1.14。相比之下，大豆蛋白质含量更为丰富，必需氨基酸的含量也较高，但含硫氨基酸相对较低，使之蛋白质质量低于鸡蛋。大豆的AAS为0.49，PDCAAS为0.42，建议和其他蛋白质配合食用，以提高利用率。
表1-5 鸡蛋和大豆氨基酸评分
（五）蛋白质互补作用
将两种或两种以上的食物蛋白质混合食用，食物间相互补充其必需氨基酸的不足，使混合后蛋白质营养价值提高，这种效果称为蛋白质的互补作用。例如，玉米、小米、大豆单独食用时，生物价分别为60、57、64，如按23%、25%、52%的比例混合食用，生物价可提高到73。这是因为玉米、小米蛋白质中赖氨酸的含量较低，蛋氨酸的含量相对较高，而大豆蛋白质恰恰相反，混合食用时赖氨酸和蛋氨酸可相互补充。若动植物性食物混合，蛋白质的生物价还会提高。
五、氮平衡与蛋白质营养不良
（一）氮平衡
机体在完全不摄入蛋白质的情况下，每日仍然会经尿、粪、皮肤、毛发、分泌物、黏膜脱落等途径排出一定量的氮，这样不可避免产生的氮消耗量，称为“必要的氮损失”（ONL）。在此种情况下，体内的蛋白质仍然在分解和合成。
氮平衡是指在一定时间内机体摄入的氮量和排出的氮量的关系，常用于了解人体蛋白质的需要量和评价人体蛋白质的营养状况。其关系可用下式表示：
式中：B——氮平衡；I——摄入氮；U，F，S——排出氮（U——尿氮；F——粪氮；S——皮肤氮）。
氮平衡的关系有三种情况：
（1）当摄入氮和排出氮相等时为零氮平衡，表示体内蛋白质的分解与合成处于平衡状态，多见于正常健康成年人。但实际上只有摄入氮量比排出氮量多5%时机体才处于平衡状态。
（2）如摄入氮多于排出氮则为正平衡，表示蛋白质的合成大于分解。儿童处于生长发育期、妇女怀孕、疾病恢复时，以及运动、劳动等需要增加肌肉时均应保证适当的正氮平衡，以满足机体对蛋白质的需要。非特殊生理状况的健康成年人，如果长期维持在正氮平衡，则会使过多的蛋白质转化为脂肪储存而导致能量过剩，并且会加重肝肾的负担。
（3）摄入氮少于排出氮则为负氮平衡，表示蛋白质的分解大于合成。人在饥饿、创伤、疾病及老年时，一般处于负氮平衡，应尽量避免。
（二）蛋白质营养不良
蛋白质缺乏常与能量缺乏同时存在。蛋白质-能量营养不良（PEM）是指由于蛋白质和能量摄入不足引起的营养缺乏病。其主要发生于经济落后、贫穷地区的婴幼儿，是危害婴幼儿健康，导致其死亡的主要原因之一。根据临床表现可分为两种类型：
水肿型营养不良是蛋白质严重缺乏而能量供给尚能适应机体需要，以水肿为主要特征。主要表现为精神萎靡、表情冷漠、食欲减退、体重不增或减轻、头发稀少易脱落、水肿等。
消瘦型营养不良是由于蛋白质和能量均长期严重缺乏出现的疾病。其表现为生长发育缓慢或停止、皮下脂肪减少或消失、肌肉萎缩、明显消瘦（四肢犹如“皮包骨”，病人体重常低于其标准体重的60%）、皮肤干燥、毛发发黄而无光泽、全身抵抗力低下等。
六、蛋白质供给量与食物来源
（一）蛋白质供给量
蛋白质的供给要适量而且平衡，不是愈多愈好。蛋白质的供给量与膳食蛋白质的质量有关。2013年中国营养学会根据我国居民营养与健康状况调查数据，推荐我国成人蛋白质的RNI为0.98g/（kg·d），近似为1g/（kg·d）；根据体重代表值推算成年男子轻体力劳动者蛋白质RNI为65g/d，而成年女子则为55g/d。
（二）蛋白质食物来源
畜、禽、鱼类的蛋白质含量一般为16%~22%，蛋类为11%~14%，奶类（牛奶）一般为3.0%~3.5%。动物性蛋白质质量好、利用率高，是人体蛋白质的重要来源。大豆含高达35%~40%的优质蛋白质，且其保健功能日益受到重视。在膳食中，一般要求动物性蛋白质和大豆蛋白质应占膳食蛋白质总量的30%~50%。植物蛋白质中，谷类含蛋白质10%左右，谷类作为主食是膳食蛋白质的主要来源。