1卡路里 ≠ 1卡路里？

原理返朴 2020-01-31

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不同食物里的热量也许不等价，但卡路里仍然没有丧失其对于控制体重的参考价值。

撰文 | 原理

一些营养专家称，并不是所有的卡路里都是等价的，因为人体从不同的食物中提取能量的方式是不同的。在这个领域中存在这样一种担忧，那就是，基于热力学第一定律而制定的饮食建议是不恰当的。

这类说法遭到了许多人的反对，一些研究新陈代谢的人表示，他们用实验证明了食品包装上的卡路里含量（热量）可以正确地诠释食品之间的差异。

这两大阵营都认为，热力学在饮食科学中有着不好的名声，这主要拜某些所谓的减肥神话所赐；但他们存在分歧的是，这一名声是否“名副其实”。

今年年初，在英国举办了一场关于关于食品制造的物理学研讨会。在研讨会上，营养治疗学家Andrew Preece发表了一篇题为《熵、热力学第二定律和为什么‘一卡路里可能并非就是一卡路里’》的演讲，他传递的信息是不同食物的卡路里也许是不等价的。

Preece曾是物理学家出身，他解释说，两颗西兰花和一块巧克力差不多拥有一样的热量，但它们对体重的影响并不相同。他指出，那些基于热量计算和能量守恒所制定的营养建议，忽略了不同热量之间的这种不等价。

而反对的声音说：“一卡路里当然就是一卡路里。”说这句话的是同样是物理学家出身的Kevin Hall，他通过数学建模和设计实验来研究新陈代谢和体重调节等问题。

Hall承认，不同的宏量营养素（如脂肪和碳水化合物）对身体的确具有不同的影响，但他强烈反对Preece的说法。他认为，对于两种卡路里含量相同的食物来说，如果不考虑那些被转化为脂肪存储的热量，而只考虑身体燃烧的热量，那么无论脂肪或碳水化合物的含量为何，它们的热量都是一样的。

在一些实验中，Hall给受试者吃热量相同但碳水化合物和脂肪含量不同的食物，结果发现人体几乎燃烧了相同的能量。这些实验结果也符合他模型的预测。这些结合了热力学在内的数学模型，能解释人体中的各种与食物消耗有关的代谢反应。

他们还基于模型在实验室中设计出了复制实验，使不同的反应途径都可以用放射性示踪剂进行监控，从而使研究人员能准确地确定代谢途径和能量消耗会如何随饮食成分的变化而变化。

面对这两种声音，我们可能需要探寻的一个问题是：热力学定律适用于人体吗？

乍看之下，热力学定律好像并不适用于模拟人体内部的能量流动，因为人体不是一个封闭的孤立系统。有生物学家认为，生物体并没有处于均衡状态。按照这种思路，“一卡路里并非就是一卡路里”的观点似乎是行得通的。

比如生物化学家Richard Feinman就认为，即使不同的宏量营养素需要使用相同的总能量来完成氧化途径，它们仍然会产生不同的功和热量，因此它们的卡路里含量是不等效的。

但反对者则认为，那些为确定食物的卡路里含量而进行的人类喂养实验，会考虑人体如何处理不同的宏量营养素的变化。从事新陈代谢与营养研究的Dale Schoeller就表示，食品包装上所标注的那些卡路里数字虽然会因新陈代谢的不同而出现微小的个体差异（几个百分点左右），但这些数据基本上是精确的。

在Hall的实验中，通过测量所有的能量输入和输出、热量的产生以及所做的功，可以有效地将身体视为一个封闭系统。虽然这些途径非常复杂，但如果能正确地测量它们并用模型来加以解释，那么就可以说热力学定律是适用人体这一特殊系统的了。

东京工业大学的物理学家Marko Jusup认为，热力学定律完全适用于生物体。他创建了许多用于描述生物和生态难题的模型，从疟疾的传播到金枪鱼的生长，都是他所研究的对象。例如他的金枪鱼生命模型就利用热力学中的热量平衡理论，成功地预测了金枪鱼从胚胎到成鱼的生长和繁殖速度。

虽然Jusup认为热力学定律当然是适用于人类的，但他也承认，在使用这些定律进行预测时需要非常谨慎。他认为，用这种方法来制定饮食建议，就好比是拿我们日常的钟表去计量毫秒。也就是说，当我们将热力学定律用到减肥问题上时，就可能会导致疑问。

“3500卡路里规则”就是一个典型的例子。这是一种常出现于减肥网站上的概念，它说的是如果你在饮食上每减少3500卡路里，就可以减掉大约1磅（450克）的身体脂肪。但是，这个数据与实际情况并不相符，导致许多人开始质疑任何以能量守恒为基础的营养模式或减肥模式。

其实，“3500卡路里”是一种比较草率的说法。1958年，美国医生Max Wishnofsky计算出，在一磅脂肪组织中所储存的能量大约是3500卡路里，然后他称如果人们想要减掉一磅脂肪的话，那么这3500卡路里就是应该削减的。

但这种说法存在两个问题。首先，这个计算假设了只有当你体重下降时脂肪才会消失，而这是不对的；其次，它假设身体的能量消耗能保持不变，然而研究却表明，当你的身体更轻时，身体会通过燃烧更少的卡路里来适应新的身体状态。也就是说，你必须得不断地减少越来越多的卡路里才能减掉更多的一磅。

而这种“减肥定律”之所以在全球受到如此大的欢迎，很可能是因为它听上去很简单，很容易被记住。而且在几周的时间尺度上，它所呈现出的减肥效果大致是符合预期的。如果要利用热力学概念来制定营养或减肥计划，我们需要更全面的测试卡路里的工具，以帮助人们预测在达到目标体重之前，到底需要削减多少卡路里的摄入。

参考链接

https://physics.aps.org/articles/v12/47

本文经授权转载自微信公众号“原理”。