MEASURING ENERGY EXPENDITURE
生活は燃焼過程と見なすことができる。 生物の代謝には、炭水化物、タンパク質、脂肪、またはアルコールの形の燃料を燃焼させることによるエネルギー生産が必要である。 この過程で酸素が消費され、二酸化炭素が発生する。 エネルギー消費量の測定は、熱産生量または熱損失量を測定することを意味し、これを直接熱量測定という。 938>
初期のエネルギー消費量測定のための熱量計は、直接熱量計であった。 18世紀末にラヴォアジエが最初の熱量計を作り、モルモットのエネルギー消費量を測定した。 モルモットを金網のケージに入れ、そのケージを装置の中心に据える。 周囲は氷の塊で埋め尽くされている。 モルモットの体温で氷が溶け、その水を容器に溜め、重量を測定した。 氷の空洞の周囲には雪が積もっており、温度が一定に保たれている。 そのため、周囲から内側の氷のジャケットに熱が逃げることはない。 図1にラヴワジエの熱量計を模式的に示す。 今日、熱量計の熱損失は、空気や水の冷却流で熱を奪うか、壁を通る熱流を測定することによって行われる。 前者では、熱量計の壁を通る熱伝導が妨げられ、流入と流出の温度差と冷却媒体の流速の積で熱の流れが測定される。 後者の場合、壁を通る熱の流れを阻止する代わりに、壁上の温度差からこの流れの速度を測定する。 この方法は勾配層熱量測定法として知られている。
図1：
Lavoisier’s calorimeter. 動物が消費した熱は内側のジャケットの氷を溶かす。 アウタージャケットの雪が周囲の環境との熱交換を妨げる（参考文献1より）
間接熱量計では、化学過程から熱生産量を算出する。 例えば、1molのグルコースの酸化には6molの酸素が必要で、6molの水、6molの二酸化炭素、2.8MJの熱が発生すると知っていれば、酸素消費量や二酸化炭素発生量から熱生産量を計算することが可能である。 酸素と二酸化炭素のエネルギー当量は酸化される栄養素によって異なる（表1、2）
Table 1:
代謝された栄養素のガス交換と熱生産
| 栄養素 | 熱 (kJ/g) |
|||
|---|---|---|---|---|
| 糖質 | 0.829 | 17.5 | ||
| Protein | 0.967 | 0.775 | 18.5 | 17.5 |
| 0.829 | ||||
| Fat | 2.019 | 39.6 |
表2:
酸素と二酸化炭素のエネルギー等量
| 栄養素 | 酸素 （kJ/l） |
二酸化炭素 （kJ/l） |
|
|---|---|---|---|
| 糖質 | 21．1 | 21.1 | |
| タンパク質 | 18.7 | 23.1 | 23.4 |
| Fat | 19.6 | 27.8 |
Brouwer (2) は酸素消費、二酸化炭素生成、尿窒素損失から熱生産と酸化した炭水化物（C）、タンパク質（P）と脂肪（F）の量について単純計算式を作成し、その計算を行いました。 計算の原理は、前述の3つの測定変数による3つの方程式からなる：
酸素消費量 = 0.829 C + 0.967 P + 2.019 F
二酸化炭素生成量 = 0.829 C + 0.775 P + 1.427 F
体温の生成 = 21.829 C = 0.967 P + 2.019 F
酸素の消費量 = 0.829 C + 0.967 P + 2.019 F1 C + 18.7 P + 19.6 F
タンパク質酸化量（g）は6.25×尿素窒素（g）として計算し、その後酸素消費量と二酸化炭素生成量をタンパク質酸化量で補正して、糖質・脂質酸化量を計算できるようにします。 これらの数値から導かれるエネルギー産生量(E)の一般的な計算式は次の通りである：
E = 16.20 * 酸素消費量 + 5.00 * 二酸化炭素産生量 – 0.95 P
この式ではEに対するPの寄与、いわゆるタンパク質補正はわずかでしかない。 通常の蛋白質酸化が1日のエネルギー生産の10〜15％である場合、Eの計算における蛋白質の補正は約1％である。 通常、エネルギー産生に対するC、P、Fの寄与に関する情報が必要な場合は、尿中窒素のみを測定します。 エネルギー産生の計算では、タンパク質補正は無視されることが多い。
代謝可能なエネルギーは、熱の形でエネルギー産生に利用できるほか、外部からの働きかけに利用できる。 現在のところ、総エネルギー消費量の評価には間接熱量測定が用いられているのが現状である。 間接熱量測定では、酸素と二酸化炭素のガス交換からエネルギー消費量を算出する。 その結果、熱産生と作業出力のための身体の総エネルギー消費量が算出される。 直接熱量測定では、熱損失のみが測定されます。 安静時には、総消費エネルギーは熱に変換されます。 身体活動時には、仕事も出力されます。 外的作業に対するエネルギー消費の割合が作業効率です。 安静時には、間接熱量計で測定したエネルギー消費量と、直接熱量計で測定した熱損失量が一致します。 身体活動中、熱損失は間接熱量計で測定したエネルギー消費量より系統的に少なく、持久的運動時の総エネルギー消費量より最大で25％少なくなることもあります。 この差は運動強度によって大きくなります。 例えば、サイクリングでは、間接熱量測定によるエネルギー消費量は、熱損失とパワー出力の合計に一致します(3)。 938>
現在、人間のエネルギー消費量の測定に間接熱量計を利用する手法には、フェイスマスクや換気フード、呼吸室（ホールルーム熱量計）、二重標識水法などがあります。 フェイスマスクは、トレッドミルやサイクルエルゴメーターでの標準的な活動中のエネルギー消費量を測定するために通常使用されます。 換気フードは、安静時のエネルギー消費量や食品加工時のエネルギー消費量（食事誘発性エネルギー消費量）を測定するために使用されます。 呼吸室は、新鮮な空気で換気された密閉された部屋です。 基本的に、呼吸室と換気フードシステムの違いは大きさです。 レスピレーションチャンバーでは、頭だけを覆うのではなく、全体を覆うので、チャンバーの大きさによっては、身体活動を行うことができます。 フードやレスピレーションチャンバーでの測定は、ポンプで吸引した空気をミキシングチャンバーに吹き込み、サンプルを採取して分析します。 測定は気流と、流入・流出する空気の酸素・炭酸ガス濃度を測定する。 風量を測定する装置としては、家庭で天然ガスの消費量を測定するのと同じような乾式ガスメータが最も一般的である。 酸素濃度と炭酸ガス濃度は、それぞれ常磁性酸素濃度計と赤外線炭酸ガス濃度計で測定するのが一般的である。 気流は、入口と出口の酸素濃度、炭酸ガス濃度の差が0.5～1.0％の範囲に収まるように調整される。 成人の場合、フード下の安静時には50 l/min程度、呼吸室内の静止時には50～100 l/minの気流が必要となるが、運動する被験者では100 l/min以上まで気流を上げる必要がある。 後者の場合、活動時と非活動時を含めて24時間計測を続けるには、流量の妥協点を選択しなければならない。 運動時には、1％の二酸化炭素濃度を長時間超えないようにする必要がある。 一晩の睡眠のような安静時には、最適な測定範囲である0.5～1.0%を大きく下回らないようにします。 観察時間中に流量を変更すると、システムの応答時間により測定精度が低下する。 フードとチャンバーシステムの流量は同等ですが、呼吸室の容積は換気フードの20倍以上となります。
二重標識水法は、呼吸炭酸ガス中の酸素が体内水中の酸素と同位体平衡にあることを発見した間接熱量測定の革新的な改良版である。 この方法では、体内水に酸素と水素の同位体を濃縮し、両同位体の洗浄速度を測定する。 二重標識水は、通常の環境下にある無拘束の人間の総エネルギー消費量を1～4週間の期間にわたって測定する優れた方法です。 二重標識水を飲んで体内の水分を酸素と水素で濃縮した後、酸素同位体の大部分は水として失われますが、体液中の二酸化炭素は重炭酸プールでの交換により体水と同位体平衡にあるため、一部は二酸化炭素として失われます(4)。 水素同位体は水としてのみ失われる。 したがって、酸素同位体は水素同位体よりも速く消失し、その差がCO2生成量となります。 酸素と水素の安定した重い同位体である酸素18（18O）と重水素（2H）は、放射能を使う必要がなく、安全に使用できるため、選ばれています。 どちらの同位体も飲料水の中に自然に存在するため、体内水にも含まれる。 2つの同位体の排泄量の差から計算されるCO2生成量は、代謝の指標となる。 実際には、同位体の生物学的半減期とエネルギー消費量の関数として、観測期間が設定されます。 未熟児や持久力のあるアスリートなど、エネルギー代謝の高い被験者では、最低でも3日程度の観察期間が必要である。 高齢者（座りっぱなし）の場合、最大で30日または4週間程度である。 観測期間は、ベースライン試料の採取から始まる。 その後、秤量されたアイソトープが投与される。通常、10%の18Oと5%の2Hの混合物が水に溶かされたものである。 体重70kgの成人の場合、100-150mlの水が使用される。 その後、同位体は体内の水分と平衡化し、最初のサンプルが採取される。 平衡化する時間は、体格と代謝率に依存します。 成人の場合、平衡化には4～8時間かかる。 平衡化の間、被験者は通常、いかなる食物または飲料も摂取しない。 最初の試料採取後、被験者は実験者の指示に従い、ルーチンを行う。 体水分サンプル（血液、唾液、尿）は、観察期間終了まで一定間隔で採取する。 二重標識水法により、二酸化炭素の生成に関する正確な情報を得ることができる。 二酸化炭素の発生量をエネルギー消費量に換算するには、二酸化炭素のエネルギー換算値（表2）の情報が必要であり、これは酸化される基質混合物の情報を追加することで算出できる。 一つの選択肢は、食事の多量栄養素組成からエネルギー当量を計算することである。 エネルギーバランスでは、基質摂取と基質利用は同一であると仮定される
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