生涯にわたる三大栄養素とエネルギー摂取についてのガイドライン

生涯にわたる三大栄養素とエネルギー摂取についてのガイドライン

N Engl J Med 2024; 390: 1299-1310

栄養不良は、米国における慢性疾患の主要な危険因子であり、予防可能な主要な原因でもある。 「医食同源」の介入は、複数の慢性疾患を予防・治療する手段として研究が進んでいる。分子標的が確立されている従来から承認されている医薬品とは異なり、食事からの摂取は多種多様な食品成分で構成され、その機能は生涯にわたって分散している。そのため、患者、特に慢性疾患を持つ患者に対して、何をどれだけ食べるべきかを推奨することは、一般的な健康法よりも複雑である。ここでは、エネルギーと大栄養素を中心に、現代の栄養学的概念の概要を紹介する。

1. 歴史的発展

1-1. 栄養学の発展

2000 年以上前、ギリシアの哲学者や医師たちは、体内の物質が失われるのを補うために食物が必要であること、その必要量は生活段階によって異なること、そして食物は空気とともに「生得的な」体温を生み出すために必要であることを認識していた。18 世紀末に始まった化学革命の中で、アントワーヌ・ラヴォアジエとその共同研究者たちは、体熱が酸素を必要とする燃焼プロセスから生じることを示し、代謝に関する現代的理解の基礎を築いた（図1）。

図 1. エネルギー、主要栄養素、その他の必須栄養素についての科学的知識と連邦政府の指針に関わる歴史的事跡

https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMra2214275#f1

今日私たちは、タンパク質、脂肪、炭水化物が代謝燃料となる主要な栄養素であり、その他多くの重要な機能に関与していることを認識している。

20 世紀初頭までには、最適な健康状態を維持するためには、三大栄養素以外の食品成分が必要であることが明らかになった。現在認められている 13 種類の水溶性・脂溶性ビタミンは、1912 年から 1948 年にかけて同定された。

また、21 種類の必須ミネラルがあり、マクロミネラル（例：カルシウム；1 日所要量 100 mg 以上）とマイクロミネラル（例：ヨウ素；1 日所要量 100 mg 未満）に分類される。これらの追加栄養素、すなわちビタミンとミネラルは、総称して微量栄養素と呼ばれる。

大恐慌 (The Great Depression) により栄養不良が蔓延し、米国は栄養救済プログラムが乏しい状態で第二次世界大戦に突入した。1940 年、国防諮問委員会は、米国科学アカデミーの国家調査委員会に、米国人口の栄養不良に関連する問題の検討を支援するよう要請した。

1943 年、国家調査委員会は、栄養不足を予防するための基準を提供することを目的として、エネルギー、タンパク質、および 8 種類のビタミンとミネラルに関する最初の推奨食事摂取量（Recommended Dietary Allowances: RDA）を発表した。RDA はその後 40 年にわたって何度も更新され、最後の更新は 1989 年で、エネルギーとタンパク質に加えて 25 種類のビタミンとミネラルの推奨が含まれている。この値は推定平均必要量と呼ばれる。この値を設定するためのデータが不十分な場合は、動物実験や観察研究に基づく適切な摂取レベルが用いられる。

1994 年、RDA は再評価され、その後、食事摂取基準（Dietary Reference Intakes）として改訂された。食事摂取基準は、エビデンスに基づく栄養素の基準摂取量の幅広いセットであり、RDA、毒性影響を避けるための耐容上限摂取量、および許容可能な三大栄養素分布範囲を含み、必須栄養素を十分に摂取しながら慢性疾患のリスク低減に関連する各エネルギー源の摂取範囲を表している。食事摂取基準は 1997 年から 2003 年にかけて発表され、2011 年にカルシウムとビタミン D、2019 年にナトリウムとカリウム、2023 年にエネルギーが改訂された。

2019 年にはナトリウムを皮切りに、栄養素と慢性疾患のリスクとの関係を表す慢性疾患リスク低減摂取量（Chronic Disease Risk Reduction Intake）の値が追加された。例えば、14 歳以上の場合、ナトリウムの摂取量を慢性疾患リスク低減摂取量の 1 日当たり 2300 mg 以下まで減らすと、高血圧や心血管疾患のリスクが低下する。

1970 年代に入ると、連邦政府の関心は、新たな慢性疾患に向けられるようになった。上院栄養特別委員会（Senate Select Committee on Nutrition and Human Needs）は、1977 年に「米国食事目標（Dietary Goals for the United States）」を作成、発表した。この報告書の勧告は後に拡大され、「アメリカ人のための食事ガイドライン (Dietary Guidelines for American) 」となった。1980 年に農務省および保健福祉省によって初めて発表され、現在では 5 年ごとに発表されているこれらのガイドラインは、20 世紀初頭の栄養素の充足に焦点を当てたものから、食事が健康全般および慢性疾患リスクに及ぼす影響に焦点を当てたものへと移行したことを表している。栄養科学は進化を続けており、現在では、基礎となる栄養素感知メカニズム、三大栄養素の概日効果および快楽効果 (hedonic effect) 、および個人レベルでの食品および食事パターンの反応を予測する人工知能に基づくアルゴリズムの定義へと移行している。

2. エネルギーと三大栄養素

2-1. エネルギー

19 世紀後半、Max Rubner は、熱量計の中で、安定した体重に維持された犬の熱産生とエネルギー損失を評価した。犬に食物として提供されたエネルギー（17,349 kcal）は、犬の総エネルギー損失（17,406 kcal）と一致し、生物における熱力学の第一法則を立証した。Wilber Atwater はすぐに Rubner の研究を拡張し、熱力学の第一法則が人間にも適用されることを確認した。Atwater はまた、糞便および尿中の化学的エネルギー損失について調整することにより、炭水化物、脂肪およびタンパク質について、それぞれ 1 g 当たり 4、9 および 4 kcal の「代謝可能」エネルギー値を導き出した。この値は、個々の食品については正確ではないかもしれない。例えば、ヒトの食餌におけるアーモンドのカロリーは 1 g 当たり 4.6 kcal であり、三大栄養素組成に基づく予測値である 1 g 当たり 6 kcal を大幅に下回っている。

Rubner と Atwater の実験によると、動物や人間の体重が一定に保たれるのは、食物摂取によるエネルギーと、熱、糞便、尿、皮膚によるエネルギー損失が釣り合っているときであり、エネルギー平衡が反映されている。現在のエネルギーに関する食事摂取基準値は、間接熱量測定の二重標識水法に基づいており、これは自然環境で生活する人の 1-2 週間の総エネルギー消費量を定量化するものである。図 2 に、三大栄養素の生体構成要素と熱への変換の簡略化したモデルを示す。

図 2. 健常者におけるエネルギーと炭素·窒素の収支

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エネルギーの食事摂取基準は、年齢、性別、身体活動レベル、ライフステージに応じて、人のエネルギー収支を維持するために必要な予測平均エネルギー摂取量として定義される推定エネルギー必要量である。4 つの身体活動レベル-不活発、低活動、活発、非常に活発-は、最小限の自立した生活に消費されるエネルギーから、活発な活動に必要なエネルギーまでの範囲である。妊娠中や授乳中の人のエネルギー予測はさらに精緻化されている。ウェアラブルセンサーとモバイルアプリは、個人レベルおよび集団レベルで食物摂取と活動を客観的に評価する新たな機会を提供している。

2-2. タンパク質

アミノ酸から合成されるタンパク質は、人体の主要な構造・機能成分である。ヒトのタンパク質に含まれる 20 種類のアミノ酸のうち、9 種類は不可欠（必須）であり、食事から 1 種類でも欠けると、身体的な徴候が現れ、全身のタンパク質収支がマイナスになる。1930 年代、Rudolf Schoenheimer らは、タンパク質など体内の生体分子は絶えず入れ替わる動的な状態にあり、身体機能の多くと健康を維持するためには、食事による補給が必要であることを明らかにした。

動物性タンパク質源は 9 種類の必須アミノ酸をすべて含んでいるのに対し、植物性タンパク質は通常、1 種類以上の必須アミ ノ酸が欠乏している。消化性アミノ酸スコア (digestible amino acid score) は、就学前児童における消化性で調整した必須アミノ酸要求量を基準として、タンパク質源の等級付けに使用される。牛乳、牛肉、卵のスコアが最も高く約 1、米は約 0.5 である。大豆タンパク質は約 0.9 点で、有益な植物性アミノ酸源である。ベジタリアンやビーガンの人は、豆類、穀類、大豆製品、ナッツ類、種子類など、さまざまな植物性食品を食べることで、十分な質の高いたんぱく質の摂取を維持することができる。

個々のアミノ酸の必要量は主に同位体標識法 (isotope tracer method) を用いて求められた。タンパク質の必要量は、タンパク質摂取量の変動に応じて糞便、尿、皮膚の窒素損失をモニターする窒素バランス法 (nitrogen-balance method) を用いて推定される。総タンパク質または必須アミノ酸の摂取不足は、タンパク質代謝の適応を引き起こし、乳児の脳の発達、免疫能力、その他多くの生理学的・代謝的機能を損なう可能性がある。脂肪や炭水化物からのエネルギー摂取が不十分だと、窒素バランスがマイナスになることもある。これとは対照的に、タンパク質の摂取量が多い期間に存在する過剰なアミノ酸は、脱アミノ化されて α-ケト酸を形成し、その後、エネルギーとして酸化されるか、グルコースや脂肪に変換される可能性がある。

健康な若年成人は、1 日当たり体重 1 kg 当たり 0.55-0.6 g のたんぱく質摂取で、中性の窒素バランスを保つことができる。たんぱく質の RDA である 1 日当たり体重 1 kg 当たり 0.8 g には、18 歳以上の男女のこのレベルを上回る安全マージンが含まれている（表1）。

表 1. タンパク質、脂質、炭水化物、食物線維、水の推奨摂取量

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乳児と小児に必要なタンパク質は、健康的な成長を促進するために多めになっている。スポーツ選手、地域社会に住む高齢者、減量のためにダイエットをしている肥満者など、タンパク質の摂取量が多い方が有益なサブグループが存在する可能性がある。尿素産生量の推定値や小規模な実験研究に基づくと、成人のタンパク質摂取量の耐容上限は 1 日 1 kg あたり 3.5 g であるが、複数の健康への悪影響があるため、1 日 1 kg あたり 2 g を超える長期間の摂取は避けるべきである。成人の 1 日 1 kg あたり約 0.4-0.5 g を下回るタンパク質摂取レベルは、筋肉の萎縮と機能障害を引き起こす。 総エネルギー摂取量に占めるたんぱく質の許容される割合は、3 歳以上のすべての人で 10-35％である。

2015 年から 2018 年にかけて、1 歳以上のアメリカ人の約 6％が低タンパク質摂取であり、一部のサブグループ（71 歳以上の人やヒスパニック系黒人など）でその傾向が強かった。植物性食品のみを摂取する人は、タンパク質の質だけでなく、ビタミン B12、D、カルシウム、鉄、亜鉛、ヨウ素の含有量にも特別な注意を払う必要があるかもしれない。

2-3. 脂肪

人体に存在する脂肪は、そのほとんどがグリセロール骨格に 3 つの脂肪酸が結合したトリグリセリドの形をしている。飽和脂肪酸は二重結合を持たず、動物由来のもので、通常室温で固体である。不飽和脂肪酸には二重結合があり、二重結合が存在する同じ側の炭素原子に水素原子が結合したシス型と、反対側に水素原子が結合したトランス型の 2 つの幾何異性体がある。シス型不飽和脂肪酸は、二重結合を 1 つ持つもの（一価不飽和脂肪酸）と 2 つ以上持つもの（多価不飽和脂肪酸）があり、植物由来のもので、室温で液体である。

20 世紀初頭の脂肪に対する考え方は、トリグリセリドはコンパクトな食事エネルギー源であり、脂溶性ビタミンのキャリアーであるというものであった。1929 年、George and Mildred Burr 夫妻は、リノール酸と α-リノレン酸という 2 つの脂肪酸が、げっ歯類モデルにおいて成長を促進し、欠乏症を防ぐために必要であることを発見した。これらの n-6 および n-3 必須多価不飽和脂肪酸は、後に様々な生理活性脂質の前駆体となり、複数の機能に寄与することが判明した。

リノール酸に加え、n-6 系多価不飽和脂肪酸であるアラキドン酸は、脱飽和と鎖伸長によるリノール酸からの合成が制限されると、条件付きで必須脂肪酸となる。アラキドン酸は、プロスタグランジン、トロンボキサン、ロイコトリエンなど、多くのエイコサノイドの前駆体であり、オートクリン、パラクリン、時には内分泌機能に関与し、広範な生理作用を持つ。n-6 系多価不飽和脂肪酸の心血管系への影響については、議論が続いている。コーン油、サフラワー油、大豆油、ナッツ類、種子類は、n-6 系脂肪酸のよい供給源である。

必須脂肪酸とその下流産物はアメリカ人の食事に十分含まれており、体脂肪に貯蔵されて脂肪分解時に放出されるため、必須脂肪酸の一方または両方が欠乏することはまれである。n-6 系脂肪酸と n-3 系脂肪酸は、アラキドン酸、EPA、DHA の合成速度を調節する同じデサチュラーゼ酵素をめぐって競合する。必須多価不飽和脂肪酸の適切な摂取量は、ライフステージに応じて設定されている。

一価不飽和脂肪酸は、細胞膜、特に神経組織のミエ リンの構成成分として機能する。オレイン酸は、食物および組織に存在する主な一価不飽和脂肪酸である。食物源としては、オリーブ油、キャノーラ油、ピーナッツ油、ゴマ油、および動物性食品の脂肪が挙げられる。

ステアリン酸やパルミチン酸などの飽和脂肪酸は非必須脂肪酸であり、主に全脂肪乳製品、脂肪分の多い肉類、熱帯油（ココナッツ油やパーム核油）などの動物性食品に由来する。これらの脂肪酸は総コレステロール値および低比重リポ蛋白質コレステロール値を上昇させ、心血管疾患のリスクを高める。飽和脂肪酸の高摂取は、自然免疫の必須調節因子である toll 様受容体 4 を介して急性および慢性の炎症反応を活性化させ、複数の食餌関連疾患との関係を説明する可能性がある。

トランス脂肪酸は、反芻動物の肉や乳製品に由来する不飽和脂肪酸であり、工業的な部分水素添加プロセスによって液体から半固体または固体に変換されたものである。食餌性トランス脂肪酸は、総コレステロール値および低比重リポタンパク質コレステロール値の上昇、ならびに心血管疾患のリスク上昇と正の相関関係があることが判明している。米国の食品会社は、2018 年までに製品から部分水素添加油を除去することを義務付けられ、その結果、食品供給における工業的トランス脂肪酸含有量は劇的に減少した。

コレステロールは、非必須の食事性脂質であり、細胞膜の流動性において重要な役割を果たし、ステロイドホルモン、胆汁酸、ビタミン D の生合成の前駆体である。心血管疾患の発症における食事性コレステロールの役割については、コレステロールの独立した影響と他の食事性脂肪や炭水化物の影響との分離が複雑であることもあり、時代とともに変化してきた。飽和脂肪のガイドラインを遵守し、果物、野菜、全粒穀物、低脂肪または無脂肪乳製品、赤身のタンパク質、ナッツ類、種子類、植物油を重視した健康的な食事を維持することで、食事からのコレステロール摂取量は、心血管疾患のリスクを高めると考えられるレベル以下になる。

赤血球と中枢神経系の細胞を除くすべての細胞は、食事のトリグリセリドから遊離した長鎖脂肪酸を酸化してエネルギーにすることができる。乳児（生後 0-12 ヵ月）には総脂肪の適正摂取量が設定されているが、高齢者には RDA も適正摂取量も推奨されていない。総エネルギー摂取量に占める脂肪の許容される割合は 20-40％である（表 1）。

米国人のための食事摂取基準（2020-2025 年版）」では、2 歳から飽和脂肪酸の摂取量を 1 日の総摂取カロリーの 10％未満に抑えることを推奨している。2015-2018 年の期間において、この推奨を満たしていると報告した人は、米国では 4 分の 1 未満であった。2017 年から 2020 年 3 月までの期間において、20 歳以上の人の平均飽和脂肪摂取量は 12％、総脂肪摂取量は 38％であり、この年齢層で許容される総脂肪摂取量の上限 35％を超えている（表 2）。

表 2. 典型的な米国人の摂取エネルギーと三大栄養素の割合と米国農務省による健康的な栄養摂取パターン

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米国成人の典型的な食事におけるこれらの高い飽和脂肪および総食事脂肪レベルは、飽和脂肪（8％）および総脂肪（32％）を少なくし、n-6 および n-3 多価不飽和脂肪酸を多く含む、農務省や保健福祉省が推奨するような健康的な食事パターンを採用することによって下げることができる（表 2）。健康的な食事パターンを維持する努力の一環として、飽和脂肪酸は多価不飽和脂肪または一価不飽和脂肪に置き換え、精製された炭水化物や砂糖の使用を控えるべきである。調理の際に油で揚げるの代わりに蒸したり茹でたりすることや、肉から目に見える脂肪を取り除き、低脂肪の乳製品や赤身の肉を食べ、デザートや甘い軽食の消費を減らすことも、飽和脂肪の摂取量を減らすことにつながる。

飽和脂肪酸の摂取を制限することは広く支持されているが、化学的性質やアテローム形成作用が異なる可能性がある飽和脂肪酸を含む食品の性質については議論が続いている。飽和脂肪酸の心臓の代謝に与える影響は、特定の食品の栄養成分と非栄養成分との化学的相互作用、いわゆるフードマトリックスによってある程度緩和される。例えば、チーズから飽和脂肪酸を多く摂取した場合、バターから同量の飽和脂肪酸を摂取した場合よりも、低比重リポタンパク質-コレステロール上昇作用が少ない可能性がある。

2-4. 炭水化物

人間の食事には、消化可能な炭水化物として主に糖類とデンプン類の 2 種類が含まれている。糖質は主にショ糖で、果物に多く含まれ、乳糖は二糖類で乳製品に多く含まれる。加工時に食品に添加される糖類には、砂糖、ブドウ糖、黒砂糖、高フルクトースコーンシロップ (果糖ブドウ糖液糖) 、サトウキビシロップ、蜂蜜などがある。 加糖の多量摂取は、エネルギー過剰、低品質な食事、体重増加、肥満と関連している。

正常な条件下では、ヒトの脳の赤血球と、より少ない程度ではあるが神経細胞は、エネルギー源としてグルコースのみに依存している。1 歳からの生涯にわたる炭水化物の必要量は、グルコースの平均的な脳の最小酸化量から導き出された（表 1 ）。 1 歳以上のすべての人で許容される炭水化物摂取量は総エネルギーの 45-65％である。アメリカ人のための食事摂取基準（2020-2025 年版）」では、2 歳までは加糖を避け、2 歳からは加糖を 1 日あたりの摂取カロリーの 10％未満に制限することを推奨している。2013 年から 2016 年までの期間において、1 歳以上のアメリカ人による加糖の平均摂取量は 1 日あたり 266 kcal で、食事エネルギー摂取量の 13％であった。10%というガイダンスレベルは、5 歳から 18 歳の子供と青少年の 70%以上が超えていた。成人では、50％以上が推奨値を超えている。加糖コーヒーや紅茶を除いた加糖飲料は、2 歳以上のアメリカ人の食事に含まれる加糖のほぼ 4 分の 1 を占めている。

食物線維は、天然に存在する、食用の植物性炭水化物の難消化性成分であり、植物細胞壁に多く含まれる有機ポリマーであるリグニン (lignin) である。機能性食物線維という用語は、健康への有益な効果が証明されている単離·抽出された、または合成された難消化性炭水化物を指す。総食物線維摂取量は、食物線維と機能性食物線維の摂取量の合計を表す。無作為化試験では、食物線維の摂取量が多いほど、体重、血清コレステロール値、収縮期血圧が低いことが示されており、観察研究では、食物線維の摂取量が多い人は、いくつかの一般的な非感染性疾患の発症率および関連する死亡率が 15-30％低下することが示されている。腸内細菌叢は、大腸での嫌気性発酵を通じて食物線維から短鎖脂肪酸を産生するが、これは 2 型糖尿病などの疾患において有益な代謝プロセスである。全粒穀物、果物、野菜は食物繊維を豊富に含み、その他の必須微量栄養素も摂取できる。

1 歳から始まる食物線維のライフステージ別ガイドラインは、心血管系疾患のリスクに対する食物線維の保護効果を考慮したものである（表 1）。20 歳以上の米国人による 2017-2020 年の食物線維の平均摂取量は 1 日当たり 17 g であり（表 2）、適切な摂取量（表 1）に基づいて推奨される摂取量の約半分であり、さまざまな健康転帰のリスク低下と関連する最適な摂取量である 1 日当たり 25-29 g よりもはるかに低い。1 歳以上の米国人のうち 94％が、ライフステージにおける食物線維の適切な摂取量基準を満たしていない。

初期の栄養ガイドラインでは、食事中の炭水化物量とその単純糖質および複合糖質への分類に焦点が当てられていたが、この分類法は現在見直されている。炭水化物源の質は、炭水化物の種類、消化率、食物線維の量に関係する。食事の炭水化物の量と質は、現在では 2 型糖尿病などの疾患の独立した決定因子として認識されている。

3. 三大栄養素から健康的な食事パターンへ

ライフステージや妊娠·授乳中により、エネルギーや三大栄養素および複数の微量栄養素に対する必要量は異なる。このことは経済的資源、個人的嗜好、文化的背景、および民族的な食の伝統が大きく異なる患者に対して健康的な食事パターンを推奨することを複雑にしている。健康的な食事パターンに関する主なエネルギーおよび三大栄養素の推奨値を表 3 にまとめた。

表 3. エネルギーと三大栄養素についての指針に基づく健康的な食事のパターン

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肥満、心血管疾患、または 2 型糖尿病などの食事に関連した慢性疾患を有する患者は、症状および併存疾患を軽減するために、これらのガイドラインから特に恩恵を受けることができる。複雑な栄養要求のある患者については、登録栄養士または栄養士への相談を考慮すべきである。

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