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栄養素とは、生物が生存、成長、繁殖するために使用する物質です。食事からの栄養素摂取の必要性は、動物、植物、菌類、原生生物に当てはまります。栄養素は、代謝目的で細胞に取り込まれるか、毛、鱗、羽毛、外骨格などの非細胞構造を作るために細胞から排出されます。一部の栄養素は、炭水化物、脂質、タンパク質、発酵産物（エタノールや酢）などのエネルギーを放出する過程で、代謝的に小さな分子に変換され、最終的に水と二酸化炭素になります。すべての生物は水を必要とします。動物にとって必須の栄養素は、エネルギー源、タンパク質を構成するアミノ酸の一部、脂肪酸の一部、ビタミン、および特定のミネラルです。植物は、根から吸収されるより多様なミネラルに加え、葉から吸収される二酸化炭素と酸素を必要とします。菌類は、死んだ有機物または生きている有機物を栄養源とし、宿主から栄養要求を満たします。
生物の種類によって、必要な栄養素は異なります。アスコルビン酸（ビタミンC）は人間や一部の動物種にとって必須ですが、他のほとんどの動物や多くの植物は体内で合成することができます。栄養素は有機物と無機物に分類されます。有機化合物には炭素を含むほとんどの化合物が含まれ、その他の化学物質はすべて無機物です。無機栄養素には鉄、セレン、亜鉛などがあり、有機栄養素にはタンパク質、脂肪、糖類、ビタミンなどが含まれます。
主に動物の栄養必要量を説明するために用いられる分類では、栄養素は多量栄養素と微量栄養素に分けられます。多量栄養素（炭水化物、脂肪、タンパク質、水）は比較的多く摂取され（グラムまたはオンス） 、主にエネルギー生成や成長・修復のための組織への組み込みに利用されます。微量栄養素は少量（ミリグラムまたはマイクログラム）で必要とされ、血管機能や神経伝導などの細胞プロセスにおいて微妙な生化学的・生理学的役割を果たします。必須栄養素の摂取不足、あるいは吸収を阻害する疾患は、成長、生存、繁殖を損なう欠乏状態を引き起こします。米国食事摂取基準（USDA）などの消費者向け栄養摂取量に関する勧告は、欠乏症を予防するために必要な量に基づいており、多量栄養素と微量栄養素の摂取量の下限値と上限値の両方を示しています。多くの国では、食品ラベルに、食品中に有意な量で含まれる主要栄養素と微量栄養素の量に関する情報を表示することが規制で義務付けられています。体が必要とする量よりも多くの栄養素を摂取すると、有害な影響が生じる可能性があります。[ 1 ]食用植物には、病気や健康への影響が不明な、一般に植物化学物質と呼ばれる数千もの化合物が含まれています。これには、2024年現在も十分に理解されていない、非栄養素としてのポリフェノールと呼ばれる多様なクラスが含まれます。
マクロ栄養素はいくつかの方法で定義されています。[ 2 ]
主要栄養素はエネルギーを供給する：
微量栄養素は、代謝機能や生理機能を果たすために生涯を通じて様々な量で必要とされる必須の栄養素である。[ 6 ] [ 7 ]
必須栄養素 とは、正常な生理機能に必要であり、体内で合成できない （全く合成できないか、十分な量合成できない）ため、食事 から摂取しなければならない栄養素のことである。[ 10 ] [ 11 ]哺乳類の恒常性維持に普遍的に必要な水を除いて、 [ 12 ]必須栄養素は、さまざまな細胞代謝プロセスや組織および臓器の維持と機能に不可欠である。 [ 13 ]人間にとって必須と考えられている栄養素は、9種類のアミノ酸、2種類の脂肪酸、13種類のビタミン、14種類のミネラル、およびコリンである。[ 13 ]さらに、特定の発生状態や病理状態において不可欠であるため、条件付き必須栄養素と考えられている分子がいくつかある。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
必須アミノ酸とは、生物にとって必要だが体内で合成できないアミノ酸であり、食事から摂取しなければならない。タンパク質を構成する20種類の標準アミノ酸のうち、フェニルアラニン、バリン、スレオニン、トリプトファン、メチオニン、ロイシン、イソロイシン、リジン、ヒスチジンの9種類はヒトでは体内で合成できない。[ 16 ] [ 17 ]
必須脂肪酸（EFA）は、ヒトやその他の動物が健康維持のために必要とするものの、体内で合成できない脂肪酸であり、摂取しなければならない。[ 18 ]ヒトにとって必須脂肪酸として知られているのは、α-リノレン酸（オメガ3脂肪酸）とリノール酸（オメガ6脂肪酸）の2種類のみである。[ 19 ]
ビタミンは、ビタマーと呼ばれるさまざまな関連形態で存在します。特定のビタミンのビタマーは、そのビタミンの機能を果たし、そのビタミンの欠乏症状を防ぎます。ビタミンは、アミノ酸や脂肪酸に分類されない必須の有機分子です。これらは一般的に、酵素補因子、代謝調節因子、または抗酸化物質として機能します。人間は食事で13種類のビタミンを必要としますが、そのほとんどは実際には関連分子のグループです（たとえば、ビタミンEにはトコフェロールとトコトリエノールが含まれます）：[ 20 ]ビタミンA、C、D、E、K、チアミン（B1）、リボフラビン（ B2 ）、ナイアシン（ B3 ）、パントテン酸（B5 ）、ピリドキシン（B6 ）、ビオチン（B7 ）、葉酸（B9 ）、およびコバラミン（B12 ）。ビタミンDの必要性は条件付きであり、太陽光または人工光源からの紫外線に十分さらされた人は、皮膚でビタミンDを合成する。[ 21 ]
ミネラルは、生命に不可欠な外因性化学元素です。炭素、水素、酸素、窒素（CHON ）の4つの元素は生命に不可欠ですが、食品や飲料に豊富に含まれているため、栄養素とはみなされず、ミネラルとしての推奨摂取量は設定されていません。窒素の必要性は、窒素含有アミノ酸から構成されるタンパク質の必要量によって満たされます。硫黄も必須元素ですが、こちらも推奨摂取量は設定されていません。代わりに、硫黄含有アミノ酸であるメチオニンとシステインの推奨摂取量が定められています。
ヒトにとって必須の微量元素は、推奨摂取量（質量で表される）の順に、カリウム、塩化物、ナトリウム、カルシウム、リン、マグネシウム、鉄、亜鉛、マンガン、銅、ヨウ素、クロム、モリブデン、セレンである。さらに、コバルトは必須ビタミンB12の成分である。ホウ素やケイ素など、一部の植物や動物にとって必須であるが、ヒトにとって必須であるかどうかは定かではないミネラルも存在する。
コリンは必須栄養素です。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]コリン類は水溶性の第四級アンモニウム化合物のファミリーです。[ 25 ] [ 26 ]コリンはコリン類の親化合物であり、アミノ基に3つのメチル置換基が結合したエタノールアミンから構成されています。[ 27 ]コリンが不足した人工的に作られた食事を摂取した健康な人間は、脂肪肝、肝障害、筋肉障害を発症します。コリンは、人体がホスファチジルコリン代謝によって少量のコリンを生成できるため、当初は必須栄養素として分類されていませんでした。[ 28 ]
条件付き必須栄養素とは、通常は生物によって合成されるが、特定の条件下では量が不足する特定の有機分子のことである。ヒトの場合、そのような条件には、早産、栄養摂取量の制限、急速な成長、および特定の疾患状態が含まれる。[ 14 ]イノシトール、タウリン、アルギニン、グルタミン、およびヌクレオチドは条件付き必須に分類され、新生児の食事と代謝において特に重要である。[ 14 ]
非必須栄養素とは、食品に含まれる物質で、健康に大きな影響を与える可能性があるものです。食物繊維は人間の消化管では吸収されません。[ 29 ]水溶性食物繊維は、大腸に生息する細菌によって酪酸やその他の短鎖脂肪酸に代謝されます。[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]水溶性食物繊維は、腸内細菌叢を「健康的」にするプレバイオティクス機能を持つものとして販売されています。[ 33 ]
エタノール（C 2 H 5 OH）は必須栄養素ではありませんが、1グラムあたり約29キロジュール（7キロカロリー）の食物エネルギーを供給します。 [ 34 ]蒸留酒（ウォッカ、ジン、ラムなど）の場合、米国での標準的な1杯は44ミリリットル（1 + 1/2 US液量オンス）で、エタノール濃度40% （80プルーフ）の場合は14グラム、 410 kJ （98 kcal ） になります。アルコール濃度50%の場合は17.5グラム、513 kJ（122.5 kcal）になります。ワインとビールは、それぞれ150 mLと350 mL（5 US液量オンスと12 US液量オンス）の1杯に同様の量のエタノールを含みますが、これらの飲料はエタノール以外の成分からも食物エネルギー摂取に貢献します。 150 mL (5 US fl oz )のワインには420 ～ 540 kJ (100 ～ 130 kcal)が含まれています。350 mL (12 US fl oz)のビールには400 ～ 840 kJ (95 ～ 200 kcal)が含まれています。[ 35 ]
米国農務省によると、NHANES 2013～2014年の調査に基づくと、20歳以上の女性は 1日平均6.8グラムのアルコールを摂取し、男性は1日平均15.5グラムのアルコールを摂取している。[ 36 ]これらの飲料の非アルコール成分を無視すると、1日の食物エネルギー摂取量に対するエタノールの平均寄与は、それぞれ200 kJと450 kJ（48 kcalと108 kcal）である。アルコール飲料は、エネルギーは提供するが必須栄養素は提供しないため、エンプティカロリー食品とみなされている。 [ 34 ]
定義上、植物化学物質には食用植物のすべての栄養成分と非栄養成分が含まれます。[ 37 ]栄養成分にはプロビタミンAカロテノイドが含まれますが、[ 38 ]栄養状態を持たないものには、多くの植物性食品に含まれる多様なポリフェノール、フラボノイド、リグナンが含まれます。 [ 39 ]一部の植物化学物質は、ヒトの疾患や健康への潜在的な影響について予備的な研究が行われています。[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]しかし、生体内での特性が十分に定義されていない化合物の栄養状態の条件は、正確な食品表示を可能にするために、まず食事摂取基準レベルで定義されなければならないことです。 [ 40 ]これは、抗酸化作用があると主張されているほとんどの植物化学物質には確立されていない条件です。[ 41 ]
栄養素の摂取量が不十分な状態は欠乏症です。欠乏症は、栄養摂取量の不足（食事性欠乏症と呼ばれる）や、生体内での栄養素の利用を妨げるいくつかの状態など、いくつかの原因によって生じます。[ 1 ]栄養素の利用を妨げる可能性のある状態には、栄養素の吸収の問題、栄養素に対する通常よりも多くの必要量を引き起こす物質、栄養素の破壊を引き起こす状態、栄養素の排泄量の増加を引き起こす状態などがあります。[ 1 ]栄養素の過剰摂取が生体に害を及ぼす場合、栄養素毒性が発生します。[ 42 ]
米国とカナダでは、必須栄養素の推奨摂取量は「個人の栄養状態を一定レベルに維持する」ための最低レベルに基づいており、これは世界保健機関や国連食糧農業機関が用いる「栄養不足の病理学的に関連し、臨床的に検出可能な兆候を防ぐために必要な摂取量を示す基礎的必要量」という定義とはやや異なる。[ 43 ]
人間の栄養ガイドラインを設定する際、政府機関は欠乏を避けるために必要な量や毒性のリスクを避けるために必要な最大量について必ずしも合意しているわけではありません。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]例えば、ビタミンCの推奨摂取量は、 インドの40mg/日[ 47 ] から欧州連合の155mg/日[ 48 ]まで幅があります。下の表は、ビタミンとミネラルの米国推定平均必要量（EAR）と推奨栄養所要量（RDA）、欧州連合のPRI（RDAと同じ概念）、それに続いて3つの政府機関が安全な上限摂取量とみなす量を示しています。RDAは、平均以上のニーズを持つ人々をカバーするためにEARよりも高く設定されています。EARとRDAを確立するための情報が不十分な場合は、適切な摂取量（AI）が設定されます。各国は、有害な影響を引き起こす量に基づいて、許容上限摂取量（上限値（UL）とも呼ばれる）を設定します。政府はこの種の情報の改訂に時間がかかる。米国の値については、カルシウムとビタミンDを除いて、すべてのデータは1997年から2004年のものである。[ 17 ]
*ナイアシンとマグネシウムの1日推奨摂取量は、耐容上限量よりも高くなっています。これは、両方の栄養素について、耐容上限量が、栄養補助食品として摂取した場合に有害作用のリスクを高めない量を示しているためです。マグネシウムを耐容上限量を超えて摂取すると、下痢を引き起こす可能性があります。ナイアシンを耐容上限量を超えて摂取すると、顔の紅潮や体の熱感を引き起こす可能性があります。各国または地域の規制機関は、症状が現れるまで安全マージンを決定しているため、耐容上限量は情報源によって異なる場合があります。[ 44 ] [ 45 ]
EAR（米国歳入庁の推定平均要件）
RDA（米国推奨栄養摂取量）。成人は子供よりも多く、妊婦や授乳中の女性の場合はさらに高くなる可能性があります。
AI（米国における適正摂取量）：AIは、EAR（推定平均必要摂取量）やRDA（推奨摂取量）を設定するのに十分な情報がない場合に設定されます。
PRI（人口参照摂取量）は、欧州連合におけるRDA（推奨摂取量）に相当するもので、成人では子供よりも高く、妊婦や授乳中の女性ではさらに高くなる可能性があります。チアミンとナイアシンについては、PRIは摂取した食品エネルギー1メガジュール（239キロカロリー）あたりの量として表されます。
上限許容摂取量。
ND ULはまだ決定されていません。
NE EARs、PRIs、またはAIsはまだ確立されておらず、今後も確立される予定はありません（EUはクロムを必須栄養素とはみなしていません）。
植物は空気と土壌から二酸化炭素と水として炭素、水素、酸素を吸収します。[ 49 ]他の栄養素は土壌から吸収されます（一部の寄生植物や食虫植物は例外です）。これらを数えると、植物にとって重要な栄養素は 17 種類あります。[ 50 ]これらはマクロ栄養素です。窒素 (N)、リン (P)、カリウム (K)、カルシウム (Ca)、硫黄 (S)、マグネシウム (Mg)、炭素 (C)、酸素 (O)、水素 (H) と、ミクロ栄養素です。鉄 (Fe)、ホウ素 (B)、塩素 (Cl)、マンガン (Mn)、亜鉛 (Zn)、銅 (Cu)、モリブデン (Mo)、ニッケル (Ni) です。炭素、水素、酸素に加えて、窒素、リン、硫黄も比較的多く必要とされます。これら6 種類は、すべての生物にとっての基本的なマクロ栄養素です。[ 51 ] これらは無機物（例えば、二酸化炭素、水、硝酸塩、リン酸塩、硫酸塩、窒素の二原子分子、特に酸素）や、酸、炭水化物、脂質、タンパク質などの有機化合物から得られます。
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