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食物与人类#1:卡路里迷信

食物与人类#1:卡路里迷信
辉格
2018年6月11日

如今,焦虑于自己体重的人们在谈及一种食物时,最普遍关心的指标,恐怕就是卡路里了。包装食物的卡路里标签,常见食材的公认卡路里值,以及营养专家们为各种流行菜谱所做的卡路里估测,已成为人们估算和控制自己每日能量摄入的主要依据。

这么做当然不无道理,毕竟能量过剩是肥胖的主要原因,问题是,单单一个卡路里指标,对于我们把握人体的能量均衡状况究竟有多大帮助?我对这问题感兴趣,并准备在此花费大量篇幅谈论,并非想要提供一份减肥指南(我既不是营养专家,也不是健康顾问),而是因为,和所有生物一样,能量均衡向来处于人类生存问题的核心位置——尽管直到最近几十年之前,焦虑的方向通常是相反的。

众多文化元素和技术传统,正是在试图解决能量均衡问题的长期努力中发展和积累起来,它们构成了人类文化的很大一块,而且只有将它们围绕能量均衡问题组织在一起时,其意义才凸显出来,才变得易于理解。

让我从卡路里的测量开始说起。

阿特沃特法

就其本意而言,食物热量值所要测量的,是食物带给人体的能量净摄入,即食物包含的化学自由能,减去消化过程所耗能量,再减去残留在排泄物中的自由能,剩下的就是离开消化系统进入其他人体组织,最后要么以糖原或脂肪形式存储起来,要么在细胞呼吸作用中消耗掉的能量。

可是,要准确测量这一数值是非常麻烦的,而且个体差异和随身体状况而出现的波动也非常大,在一些精细的个体研究中,会采用诸如用同位素示踪剂对食物成分走向进行全程跟踪的方法,考虑到有待测量的食物种类如此繁多,精细测量的成本难以负担,只有偷懒的做法才是可行的。

业界通行的各种测量法,都是阿特沃特法(Atwater system)的某种改良版本,后者由化学家威尔伯·阿特沃特(Wilbur O. Atwater)于1890年代开发:首先用炸弹式热量计(bomb calorimetry)以燃烧法测定各宏营养素(碳水化合物、脂肪和蛋白质)的单位重量热值,然后测量特定食物的各宏营养素含量,得到总热值,最后按某一固定比例(比如10%)扣除排泄物中的能量残余,得到净热值。

我们每天在卡路里标签上看到的数字,(more...)

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食物与人类#1:卡路里迷信 辉格 2018年6月11日 如今,焦虑于自己体重的人们在谈及一种食物时,最普遍关心的指标,恐怕就是卡路里了。包装食物的卡路里标签,常见食材的公认卡路里值,以及营养专家们为各种流行菜谱所做的卡路里估测,已成为人们估算和控制自己每日能量摄入的主要依据。 这么做当然不无道理,毕竟能量过剩是肥胖的主要原因,问题是,单单一个卡路里指标,对于我们把握人体的能量均衡状况究竟有多大帮助?我对这问题感兴趣,并准备在此花费大量篇幅谈论,并非想要提供一份减肥指南(我既不是营养专家,也不是健康顾问),而是因为,和所有生物一样,能量均衡向来处于人类生存问题的核心位置——尽管直到最近几十年之前,焦虑的方向通常是相反的。 众多文化元素和技术传统,正是在试图解决能量均衡问题的长期努力中发展和积累起来,它们构成了人类文化的很大一块,而且只有将它们围绕能量均衡问题组织在一起时,其意义才凸显出来,才变得易于理解。 让我从卡路里的测量开始说起。 阿特沃特法 就其本意而言,食物热量值所要测量的,是食物带给人体的能量净摄入,即食物包含的化学自由能,减去消化过程所耗能量,再减去残留在排泄物中的自由能,剩下的就是离开消化系统进入其他人体组织,最后要么以糖原或脂肪形式存储起来,要么在细胞呼吸作用中消耗掉的能量。 可是,要准确测量这一数值是非常麻烦的,而且个体差异和随身体状况而出现的波动也非常大,在一些精细的个体研究中,会采用诸如用同位素示踪剂对食物成分走向进行全程跟踪的方法,考虑到有待测量的食物种类如此繁多,精细测量的成本难以负担,只有偷懒的做法才是可行的。 业界通行的各种测量法,都是阿特沃特法(Atwater system)的某种改良版本,后者由化学家威尔伯·阿特沃特(Wilbur O. Atwater)于1890年代开发:首先用炸弹式热量计(bomb calorimetry)以燃烧法测定各宏营养素(碳水化合物、脂肪和蛋白质)的单位重量热值,然后测量特定食物的各宏营养素含量,得到总热值,最后按某一固定比例(比如10%)扣除排泄物中的能量残余,得到净热值。 我们每天在卡路里标签上看到的数字,大致就是这么来的;一百多年来,这套方法基本没变,主要改进是食物成分测量变得更精确了,同时对碳水作出了更细致的分类,比如酒精的热值远高于其他碳水而更接近脂肪,因而被单独列为一类,单糖和多糖被区别对待,不可溶纤维素的热值被剔除。 很明显,阿特沃特法的致命缺陷是:首先,它完全没考虑摄食与消化过程本身的能量开销,其次,它假定食物消化吸收率是恒定的,而现实远非如此;假如你吃的全都是极易消化的深度加工或充分烹饪的食品,这一缺陷或许还可以接受,至少其间差异比较恒定因而易于做出调整,可是,当我们将视野扩展到漫长的人类历史以及千差万别的饮食习俗时,消化开支和吸收率差异就难以忽略了。 实际上,消化过程的能量开销可以非常高。 黑猩猩平均每天花6个小时咀嚼食物,每小时耗能300卡,所以仅咀嚼一项的开销便超出了人类成年男性的基础代谢率(我的基础代谢率大约1600卡);当然,人类花在咀嚼上的时间没那么多,除了口香糖或五香豆爱好者之外,每天不到一小时(儿童稍长),能耗也没那么高,因为我们的牙齿、颚骨和咀嚼肌都远不如猿类发达。 人类咀嚼负担低,是因为相比其他大猿,我们的食物富含淀粉和脂肪,纤维量低,而且大多经过加工和烹饪,因而较少需要咀嚼,咀嚼时也不太费力;我们的咀嚼负担很大程度上转移给了菜刀、杵臼、磨盘、绞肉机、榨油机、榨汁机、炖肉锅……它们同样需要能量,但能效高得多,而且可以利用外部能源,比如让驴替我们拉磨。 2006年BBC曾组织了一次为期12天的实验(并拍成了纪录片),9位志愿者被关在一个公园里,提供给他们的食物几乎囊括了超市里常见的水果、蔬菜和坚果,共50种,包括高热量的椰枣、核桃和香蕉,不限量,敞开吃,但条件是只能原样生吃。 结果是,这些人整天在吃,每天吃掉5公斤食物,若按标签数字计算,他们每天摄入的热量高达2000卡(女)或2300卡(男),远超基础代谢率,而且他们除了吃睡也没其他活动,可仍然总觉得饿,而事实也表明他们的感觉是对的:实验结束时,所有人的体重都大幅降低,平均减重4.4公斤。 可见,若果真按猩猩的吃法吃,人类是活不下去的,无论食物多么丰富且唾手可得,实际上,BBC实验里的食物已比猿类的大幅改进,它们都来自超市,经过人类长期选育,相比野生种,纤维量和毒性更低,糖类与脂肪含量更高,黑猩猩在野外吃的水果,大部分都是人类难以下咽甚至容易中毒的。 第二阶段消化开支发生在肠胃里,体现为饭后数小时内人体代谢率的上升,上升幅度随食物类型而异,油脂最容易消化,饭后代谢率仅上升6%,碳水其次,15%,蛋白质最难消化,30%。(注:这些数字都是指饭后代谢率波动曲线的峰值) 除了峰值水平高低之外,决定肠胃能耗的关键因素是饭后代谢高峰的维持时间,而这取决于食物在肠胃特别是胃里的停留时间;同样是肉,在猫科动物胃里会停留5-6个小时,狗2-4小时,而人类只有1-2小时,肉在猫胃里停这么长时间是因为它们更倾向于大块吞食,擅长囫囵吞的蟒蛇更夸张,饱餐之后的消化过程有时长达一周。 实际上,进化已将人类的胃改造的无法将食物容留更长时间,无论消化程度如何,胃都会在饭后数小时内将自己排空(2小时内会排空一半,再过2-3小时完全排空),那些来不及消化的食物就会成为排泄物而浪费掉;这就构成了一个消化瓶颈,当食物过于粗劣(即易消化部分的营养密度过低),未经起码的加工和烹饪时,人体的能量净摄入就会被该瓶颈卡住,而与有多少食物可吃不再相关,当食物粗劣到一定程度时,该瓶颈的通过量将小于人体所需,吃得再多也减肥。 最容易被这瓶颈卡住的,是瘦肉,特别是未经充分加工的大块骨骼肌,每块骨骼肌都由坚韧的三级筋膜结构将肌纤维层层包裹而成,极难分解,有医生曾观察过,条块状生牛肉在离开胃时几乎保持原样,所以如果我们像猫科动物那样大块吞食瘦肉,绝大部分会浪费掉,考虑到它们耗掉的消化液和肠胃蠕动开销,净摄入将是负的。 但只须一些简单处理即可大幅提升上述瓶颈的通过率,比如用棍子敲打肉块,将肉剁成末或捣成糜,加热到60度以上并维持几分钟,把肉在常温下放几天让细菌完成部分分解工作,或像蒙古骑兵那样把肉块垫在马鞍下面跑上几个小时(这曾被认为是神话,但如今已得到人类学家证实),等等,所有这些其实都是在模拟胃的功能,继咀嚼之后,人类将另一项消化任务外部化了。 肠道也十分耗能,而且也构成了一个消化瓶颈,因为人类肠道很短,整副肠胃也很小,即便在肠胃普遍较小的灵长类里,人类也甘居末位,肠胃占体重的比例只有灵长类均值的60%;肠胃小,肠道短,意味着加工能力有限。 小肠是营养吸收的关键窗口,食物在小肠的停留时间和胃差不多,而一旦离开小肠进入大肠,其吸收率便大幅下降,这是因为,尽管食物在大肠停留很久(30-40小时),但大肠阶段的消化主要靠肠道菌群完成,很大部分营养被它们分走了,特别是蛋白质,在大肠内的吸收率为零。 展示小肠瓶颈的最佳例子是鸡蛋,虽然都富含蛋白质,但鸡蛋和肌肉十分不同,它的蛋白质未被严密包裹,在机械强度上不构成消化障碍,因而不会被胃瓶颈卡住,所以很多营养专家曾推荐生吃鸡蛋,可实验表明,生吃鸡蛋的蛋白质吸收率只有51-65%,而熟吃可以达到91-94%,障碍显然在小肠的处理能力。 小肠瓶颈也会卡住淀粉,充分发酵烘培的面包,煮熟的土豆,淀粉吸收率可高达95%,但生面粉只有71%,生土豆51%,芸豆和大麦片甚至在煮熟后吸收率也84%。 肝脏是人体能耗最大的器官,占基础代谢27%,虽然并非全部用于消化,但也十分可观;它是酒精和脂肪代谢的关键器官,所以其处理能力对这两类食物的消化也构成了瓶颈,但更容易卡住的瓶颈,是它的解毒能力,人类对付毒素的能力远远不如猿类近亲,这就是为何那些黑猩猩甘之如饴的野果嫩叶大多让我们难以下咽。 毒素是植物对付天敌的主要武器,除了某些植物的果实是它们希望被动物吃掉(以便散布其种子)的之外,植物的其余部位都可能含有毒素,当食物中毒素含量超出肝脏的处理能力时,消化道就会以呕吐和腹泻的方式尽快将所有内容物一概排出。 尽管长期的甄选、驯化和选育降低了我们食谱中植物的毒性,但并未完全消除,许多人仍对茄科和十字花科蔬菜中的毒素十分敏感,作为八亿人主食的木薯(cassava)毒性很强,只有仔细处理之后才勉强可食,但也只是把急性中毒变成慢性中毒而已,近几年委内瑞拉的饥荒中已有数十人死于木薯,因为他们不懂如何处理。 最常见的植物毒素是单宁,是涩味和遢口感的主要来源,微量摄入无妨(有时甚至是受青睐的,比如用橡木桶装红酒的主要效果就是增加单宁含量),大量摄入会中毒;橡实和板栗都富含单宁,若作为零食,生吃也没问题,但一些加州的印第安部落曾以橡实为主食,为了解毒,他们投入大量劳动对橡实进行杵捣、浸泡、淘洗和烘烤,可我们知道,猪大量生吃橡实也不会中毒。 饮食变迁的主线 与黑猩猩分开之后的数百万年里,我们祖先对待食物的方式经历了极大改变,开发了众多技术和习俗来处理食物,贯穿其中的一条主线是,越来越多的消化任务被外部化以降低人体的代谢负担:以切割、捶打、杵捣代替咀嚼,以研磨、揉擀、熟成、浸泡、发酵代替胃活动,以腌制、发酵、烹饪代替肠道功能,以浸泡、淘洗、加热代替肝脏解毒功能。 随着代谢负担减轻,相关的组织器官便在选择压力之下趋于缩减和退化:牙口缩小、咀嚼肌退化、嘴唇变薄、肠胃缩短变小、肝脏解毒功能削弱……因这些器官缩小退化和工作强度降低而节省下的能量,供养了我们那颗数倍于猿类近亲的、高能耗的大脑(占基础代谢19%)。 同样的事情也发生在运动系统上,我们的肌肉明显不如黑猩猩发达,也不如尼安德特人,因为工具和武器的大量使用也将部分运动机能外部化了,而这同样省下了很多能量,骨骼肌的能量开销不低,其静息状态下的能耗占基础代谢的18%,仅次于肝脏和大脑,正因此,其他条件(包括体重)都一样时,体脂率越高,肌肉量越小,基础代谢率越低。 能量均衡之大图景 假如我们将视野拓宽到代谢过程之外的整个能量均衡系统,就会发现更多文化元素在改变着人类的能量均衡等式。 保温 人体正常体温是37℃,但因为皮肤和皮下脂肪的保温作用,以及基础代谢的加热效果,所以理想环境温度低于37℃;所谓理想,是指在此温度下人体无须额外代谢即可维持体温恒定,在静息且裸体的情况下,理想气温是30℃左右(准确数字须按性别、体重、湿度和风速调整),过冷或过热都会带来额外代谢开销,冷到剧烈颤抖时,代谢率最高可升至基础值的5倍,中等程度的寒冷(低于理想气温十几度)也可将代谢率提高30%。 所以在不同气温条件下,维持均衡所需食物摄入量显著不同,这问题在高纬度地区尤为突出,那里的气温在绝大多数情况下都远远低于理想值;增加摄入,同时维持较高代谢率,当然也是个办法,但受生理系统工作潜力的局限,即便食物充沛,调节余地也并不很大,像剧烈颤抖时的超高代谢率,最多维持几分钟,只能用作临时性保护机制,接近冰点的低温下若没有像奔跑这样的剧烈运动来平衡,人体很快会陷入低温症(hypothermia),数小时内即可导致死亡。 但我们不可能时刻在奔跑,即便运动系统吃得消,上述消化瓶颈也不允许我们摄入持续高代谢率所需能量;某些恒温动物发展出了冬眠机制,像土拨鼠,或者半冬眠,像棕熊,因而变得不那么恒温了,而像人类这样的绝对恒温动物要在温带和寒带生存,必须找出一些保温措施,要么是生理上的,像北极狐的厚实皮毛,或像海狮厚达10厘米的皮下脂肪,要么是外部措施,构筑巢穴,挖掘地洞,或寻找自然洞穴(山洞或树洞)。 人类也有一些应对寒冷的生理改变,高加索人种的窄长鼻道和浅肤色,蒙古人种的内眦赘皮、细眼缝、扁平脸庞、较厚的面部脂肪,以及高纬度族群普遍偏高的体脂率,但和其他动物不同的是,人类更多依靠非生理方案。 首先是衣服,热力工程学家开发了一套用于测量衣服、被褥、建筑物等装备设施之保温效果的指标,其中衣着指数(clo)用于衣服,只须穿上0.5clo衣服(短袖T恤+七分裤+拖鞋),理想气温即可降至27℃,穿上1.0clo(衬衫+夹克+长裤+鞋袜,皆为单层)时,理想气温24℃,1.5clo大致相当于秋衣,对应理想气温21℃。 四万多年前智人向北深入欧亚腹地时,正值冰期,此后三万年他们都生活在靠近冰川线或冻原的极寒地带,若非开发出了像因纽特人那样保暖效果极佳的厚实衣服,他们是熬不过两万多年前的末次盛冰期(Last Glacial Maximum)的,尼安德特人恰灭绝于此时,而我们祖先不仅熬过了末次盛冰期,还取得了扩张。 兴盛于该时期的格拉维特人(Gravettians)甚至进入了喀尔巴阡以北的波兰平原,不像比利牛斯或阿尔卑斯两麓,那里是没有众多洞穴可供藏身的,他们依靠的是另一项保温技术:房屋;通过挖掘地穴,以猛犸象肋骨做梁柱,搭成屋顶,盖上兽皮和草皮,可建成保温效果极好的半地下房屋,就像因纽特人在北极地区所为。 房屋若配以炉灶则效果更好,户外篝火只有靠得很近时才管点用,而密封良好的小屋内只须一炉小火(因纽特人仅用一盏油灯)即可将室内加热至理想温度附近;直至今天,建筑、外部热源、衣服这保温三件套仍是我们赖以对付寒冷的主要手段。 寄生虫 头虱、阴虱、跳蚤、螨虫,已伴随人类数百万年,不仅传播疾病,也窃取着我们好不容易摄入的大量营养,除了体外寄生虫,还有体内的蛔虫、绦虫、钩虫、线虫、锥虫、血吸虫……以及千百种有害菌,除了被窃取的营养,免疫系统与之作战也带来了巨大能量开销,感染寄生虫可让代谢率上升数十个百分点。 定居农业导致的人口高密度和人畜共居大幅加重了寄生虫施于人体的代谢负担,然而近代卫生医疗状况的改善,又在短短数十年内(至少在富裕人群中)大规模清除了人体寄生虫,这一迅疾改变对能量均衡等式的影响或许不亚于精细食物、厚实衣服,以及家务负担的减轻。 生育 怀孕期间女性每天额外消耗465卡能量,哺乳更高,每天625-700卡,狩猎采集者通常哺乳三到四年,农牧业者借助牛奶等替代品常将哺乳期缩短至半年以内,而当代配方奶粉则让母亲们有机会完全解除哺乳负担。 这一改变不算大,然而和前文所述的种种改变一样,全都指向一个方向:尽管人类个体依然强壮有力,甚至比以前更有能力进行各种大功率高能耗活动,但人体本身需要摄入和实际消耗的能量,都越来越少了。   参考资料 Richard Wrangham: Catching Fire (2009) Nancy Howell: Life Histories of the Dobe !Kung (2010) Robert L. Bettinger: Orderly Anarchy (2015) Ann E. Caldwell: Human Physical Fitness and Activity (2016) Robert McGhee: The Last Imaginary Place (2005) Brian Fagan: Cro-Magnon (2010) Wikipedia: Basal metabolic rate Wikipedia: Food energy Wikipedia: Atwater system Wikipedia: Clothing insulation Wikipedia: Thermal comfort VIVO Pathophysiology: Gastrointestinal Transit: How Long Does It Take? http://www.vivo.colostate.edu/hbooks/pathphys/digestion/basics/transit.html Engineering ToolBox: Clothing, Activity and Human Metabolism https://www.engineeringtoolbox.com/metabolism-clothing-activity-d_117.html