营养学是一门研究食物及其各种成分对健康影响的科学。营养素是指食物中可被机体用于生长、维持和能量代谢的化学物质。
不能由人体合成或合成不足，必须从食物中摄取的营养素，称为必需营养素。这些措施包括
虽然也可通过膳食获取，但能够由其他化合物在体内合成的营养素则称为非必需营养素。然而，在某些情况下，如疾病或压力，通常不必要的营养素的合成可能会受到影响，从而使它们成为必需的。这类 条件性必需营养素 必须通过膳食补充。
宏量营养素 （碳水化合物、蛋白质和脂肪）是机体需要量相对较大的营养物质； 微量营养素 （维生素和一些微量矿物质）则仅需少量摄入。 。
营养素的缺乏可以导致营养不良，进而导致营养不良综合征（如 恶性营养不良、 糙皮病）。宏量营养素摄入过多可以造成肥胖病 及相关疾病；微量营养素摄入过多则可能导致中毒。此外，不同类型营养素的平衡状态也会影响疾病的发生发展，如不饱和脂肪与饱和脂肪的摄入比例。
宏量营养素
宏量营养素是食物中营养成分的主要部分，包括供能营养素和许多必需营养素。碳水化合物、蛋白质（包括各种必需氨基酸）、脂肪（包括各种必需脂肪酸）、常量元素和水属于宏量营养素。碳水化合物、脂肪和蛋白质作为机体能量来源，可相互转换，每克脂肪产生9cal热量（37.8 kJ/g），每克蛋白质和碳水化合物产生4cal热量（16.8 kJ/g）。
碳水化合物
食物中的碳水化合物被分解为葡萄糖及其他的单糖。碳水化合物能够提高血糖水平，并提供热量。
简单碳水化合物由小分子的单糖或双糖构成，能够迅速地提高血糖水平。
复合碳水化合物 由三个及以上的单糖结合而成，然后在消化过程中分解成单糖。复合碳水化合物升高血糖的速度较慢但持续时间更长。
葡萄糖和蔗糖是简单的碳水化合物；淀粉、纤维和糖原是复合碳水化合物。
升糖指数 是一种对食物进行分类的方法，其依据是摄入碳水化合物使血浆葡萄糖水平相对于某一标准的增加速度。数值波动范围从1（增长最慢）至100（增长最快，相当于纯葡萄糖--参见表部分食品的升糖指数）。然而，实际升糖速率还受到碳水化合物同时摄入的食物种类的影响。
某些食物的血糖指数
分类 | 食物 | 升糖指数* |
|---|---|---|
豆类 | 芸豆 | 33 |
红扁豆 | 27 | |
大豆 | 14 | |
面包 | 裸麦粗面包 | 49 |
白面包 | 69 | |
全麦面包 | 72 | |
谷类 | 全麦麸 | 54 |
玉米片 | 83 | |
燕麦片 | 53 | |
爆米花 | 90 | |
小麦片 | 70 | |
乳制品 | 牛奶，冰激凌，酸奶 | 34～38 |
水果 | 苹果 | 38 |
香蕉 | 61 | |
橙子 | 43 | |
橙汁 | 49 | |
草莓 | 32 | |
谷物 | 大麦 | 22 |
糙米 | 66 | |
大米 | 72 | |
意面 | — | 38 |
土豆 | 速溶土豆泥（白皮品种） | 86 |
土豆泥 | 72 | |
甜品 | 50 | |
零食 | 玉米片 | 72 |
燕麦饼干 | 57 | |
薯片 | 56 | |
蔗糖 | 蜂蜜 | 91 |
精制糖 | 64 | |
*：因取材不同，数值可能有所变化。 果糖的升糖指数为22。 葡萄糖的升糖指数为100。 | ||
具有较高升糖指数的碳水化合物能够迅速将血浆葡萄糖提高到很高水平。根据假设，由此导致胰岛素分泌增加，引起血糖降低和饥饿感，从而消耗过剩的热量并减少体重增长。较低升糖指数的碳水化合物提升血糖的速度比较缓慢，导致进食后胰岛素 分泌缓慢和饥饿感不明显，因此减缓了体内热量的消耗。预计这些效果将导致更有利的血脂状况，并降低肥胖症、糖尿病和糖尿病并发症（如果存在）的风险。
膳食纤维
膳食纤维是一种复杂的碳水化合物，以各种形式存在（如纤维素、半纤维素、果胶、树胶）。膳食纤维可以是可溶的或不溶的。不溶性纤维增加胃肠蠕动，预防 便秘，增加粪便体积，并有助于控制 憩室病。不溶性纤维被认为可以加速消除大肠中细菌产生的致癌物质。流行病学证据表明，结肠癌与低纤维摄入之间存在关联，并且纤维对患有功能性肠道疾病、克罗恩病、肥胖症或痔疮的患者有益处。可溶性纤维（存在于水果、蔬菜、燕麦、大麦和豆类中）可以减少餐后血糖和胰岛素的升高，并且降低胆固醇水平。
传统的西方膳食中，由于使用精制面粉以及较少提供水果和蔬菜，因此膳食纤维的摄入量是比较低的（大约每天 12 至 17 克）。通常提倡多食用蔬菜、水果和富含膳食纤维的谷类食品，使得每天膳食纤维的摄入量达到大约30g。然而，过多的膳食纤维摄入可能会影响某些微量元素的吸收。
蛋白质
蛋白质是一种含有碳、氢、氧和氮的复杂有机分子。蛋白质是组织维持、更换、功能和生长所必需的。特定的蛋白质充当酶，构成某些激素，并在维持体液平衡方面发挥重要作用。当机体不能从体内储存（特别是脂肪组织）或者从食物得到足够的热量时，蛋白质也可以消耗用作提供热量。食物中的蛋白质进入消化道后，首先分解成多肽和氨基酸。
当食物中的蛋白质被用于合成机体组织时，体内蛋白质成分呈净增长状态（正氮平衡）。 当体内蛋白质处于分解代谢状态时（饥饿、感染、烧伤），蛋白质的消耗大于吸收（因为机体组织被分解），从而导致蛋白质净丢失（负氮平衡）。通过将总氮消耗量减去尿和粪便中排出的氮含量，可以准确地判断体内的氮平衡。
在组成蛋白质的20个氨基酸中，9个属于必需氨基酸，它们不能被机体自我合成，必须从食物中摄取，其中包括成人需要的8种必需氨基酸，以及婴幼儿需要的组氨酸。
自婴儿期后，按体重供给蛋白质的需要量随年龄增长逐渐减少，蛋白质的需要量同生长发育密切相关。3个月龄小婴儿的蛋白质需要量为每千克体重2.2g，5岁儿童的需要量降至1.2g，成人则为0.8g。蛋白质的需要量与EAA的需要量密切相关。此外，某些患者对蛋白质的需求更高。例如，在怀孕和哺乳期间，以及在快速生长和疾病康复期间，蛋白质需求急剧增加。蛋白质需求也随着年龄的增长而增加（1、2)。想要增肌的成年人需要额外的蛋白质（例如，1.4 至 2.0 毫克/公斤/天），超出平均每日必需氨基酸需求量（3）。
蛋白质的氨基酸组成差异很大。蛋白质的生物价（BV）反映了蛋白质氨基酸组成与动物组织的相似度，因此可用于评估膳食蛋白质为人体提供必需氨基酸（EAAs）的百分比：
蛋类的蛋白质氨基酸组成是最适宜的，BV值为100。
牛奶和肉中的动物蛋白质也具有很高的BV值（约为90）。
谷类和蔬菜中的蛋白质BV值较低（约为40）
一些衍生蛋白（例如明胶）的BV值为0。
食物中各种蛋白质相互补充缺失氨基酸的程度（互补性）决定了饮食的整体生物价值（BV）。食物中蛋白质总生物价的每日推荐量（RDA）为70。
脂肪
脂肪在体内被分解为脂肪酸和甘油。脂肪是提供组织生长和激素产生的必需营养物质。饱和脂肪酸常见于动物脂肪中，在室温下通常为固体。除了棕榈油和椰子油之外，从植物中提取的脂肪在室温下往往呈液态；这些脂肪含有高水平的单不饱和脂肪酸或多不饱和脂肪酸（PUFA）。
在食品加工的过程中，部分不饱和脂肪酸氢化后可以成为反式脂肪酸，反式脂肪酸在室温下是固体或半固体。直到最近，在美国，反式脂肪酸的主要膳食来源是部分氢化植物油，用于生产某些食品（例如，饼干、薄脆饼干、薯片）以延长保质期。然而，在2015年，美国食品药品监督管理局（FDA）将部分氢化油从其“普遍认为安全”类别中移除，原因是大量研究表明，反式脂肪酸会升高低密度脂蛋白胆固醇，降低高密度脂蛋白胆固醇，并增加患冠状动脉疾病的风险。自2018年6月以来，美国禁止使用人造反式脂肪。
必需脂肪酸（EFAs）是
亚油酸，一种omega-6 (n-6) 脂肪酸
亚麻酸，一种omega-3 (n-3) 脂肪酸
其他的omega-6脂肪酸（如花生四烯酸）和omega-3脂肪酸（如二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸）也是人体代谢所必需，但是可以在体内由EFAs合成。
EFAs是合成各种二十烷花生烯酸类（具有生物活性的脂类）所必需的，包括前列腺素、血栓烷素、前列环素和白三烯。摄取omega-3脂肪酸可降低罹患冠状动脉疾病的风险。
EFAs的需要量随年龄而不同，α-亚麻酸的适当摄入量男性为1.6克/天，女性为1.1克/天。亚油酸的适宜摄入量为19至50岁男性每天17克，女性每天12克。(shi'yi摄入量被定义为健康人群每日摄入的平均营养摄入量。)植物油能够提供亚油酸和亚麻酸。红花油、葵花油、玉米油、豆油、樱草油、南瓜油和麦芽油都能提供丰富的亚油酸，深海鱼油以及亚麻籽、南瓜子和大豆等能够提供丰富的亚麻酸。深海鱼油富含大量其他类型的omega-3脂肪酸。EFAs的推荐摄入量可以通过每天2至3汤匙植物脂肪，或者每周两次食用约3至3.5盎司煮熟的高脂肪鱼类（如鲑鱼）来满足。
常量元素
钠、氯、钾、钙、磷、镁每天的需要量相对较高（见表 常量矿物质、推荐的饮食参考摄入量、每日摄入量参考）。
常量元素
营养素 | 主要来源 | 功能 |
|---|---|---|
钙 | 牛奶和乳制品、肉类、鱼类、蛋类、谷类、豆类、水果、蔬菜 | 骨骼和牙齿的形成，参与凝血过程，神经传导、肌肉收缩、心肌传导 |
氯 | 和钠的分布类似，许多食物（主要为动物源性食品，还有某些蔬菜）都含有氯元素。 | 维持血液及细胞内的酸碱平衡、渗透压，以及肾脏功能 |
钾 | 多数食物都含有，包括脱脂乳、香蕉、果脯、葡萄干以及肉类 | 肌肉收缩、神经传导、细胞内的酸碱平衡，水平衡 |
镁 | 绿叶蔬菜、坚果、谷类、谷物、海鲜 | 骨骼和牙齿的形成，神经传导、肌肉收缩力、酶的活性 |
钠 | 多数食物都含有，包括牛肉、猪肉、沙丁鱼、乳酪、橄榄、玉米面包、土豆片、泡菜 | 血液和细胞内酸碱平衡、渗透压、肌肉收缩、神经传递、细胞膜梯度的维持 |
磷 | 牛奶，乳酪，肉类、家禽、鱼类、粮食、果仁和豆类 | 骨骼和牙齿形成、血液和细胞内酸碱平衡、能量产生 |
推荐的膳食参考摄入量*，针对部分常量营养素，美国国家科学院医学研究所食品与营养委员会
分类 | 年龄或时段（岁） | 蛋白质（g/kg） | 能量(千卡/公斤) | 钙（mg/kg） | 磷（mg/kg） | 镁（mg/kg） |
|---|---|---|---|---|---|---|
婴儿 | 0.0～0.5 | 2.2 | 108.3 | 66.7 | 50.0 | 6.7 |
0.5～1.0 | 1.6 | 94.4 | 66.7 | 55.6 | 6.7 | |
儿童 | 1～3 | 1.2 | 100.0 | 61.5 | 61.5 | 6.2 |
4～6 | 1.2 | 90.0 | 40.0 | 40.0 | 6.0 | |
7～10 | 1.0 | 71.4 | 28.6 | 28.6 | 6.1 | |
男性 | 11–14 | 1.0 | 55.6 | 26.7 | 26.7 | 6.0 |
15–18 | 0.9 | 45.5 | 18.2 | 18.2 | 6.1 | |
19～24 | 0.8 | 40.3 | 16.7 | 16.7 | 4.9 | |
25～50 | 0.8 | 36.7 | 10.1 | 10.1 | 4.4 | |
51+ | 0.8 | 29.9 | 10.4 | 10.4 | 4.5 | |
女性 | 11–14 | 1.0 | 47.8 | 26.1 | 26.1 | 6.1 |
15–18 | 0.8 | 40.0 | 21.8 | 21.8 | 5.5 | |
19～24 | 0.8 | 37.9 | 20.7 | 20.7 | 4.8 | |
25～50 | 0.8 | 34.9 | 12.7 | 12.7 | 4.4 | |
51+ | 0.8 | 29.2 | 12.3 | 12.3 | 4.3 | |
妊娠期 | — | 0.9 | 4.6 | 18.5 | 18.5 | 4.9 |
母乳喂养 | 第1年 | 1.0 | 7.9 | 19.0 | 19.0 | 5.4 |
*这些摄入量旨在为在正常环境条件下生活的大多数健康美国人提供各年龄阶段的体现个体差异的每日摄入量。 | ||||||
水
水被认为是一种常量营养素，因为它需要量为每消耗1千卡能量需要1毫升（0.24毫升/千焦）的水，或大约每天2500毫升。水的需要量随发热、生理活动量，或者气候冷热和环境湿度而变化。总水量的充足摄入量女性为2.7升，男性为3.7升。
常量营养素参考
1.Bauer J, Biolo G, Cederholm T, et al: Evidence-based recommendations for optimal dietary protein intake in older people: a position paper from the PROT-AGE Study Group. J Am Med Dir Assoc 14(8):542-559, 2013.doi:10.1016/j.jamda.2013.05.021
2.Baum JI, Kim IY, Wolfe RR: Protein consumption and the elderly: What is the optimal level of intake? Nutrients 8(6):359, 2016.doi:10.3390/nu8060359
3.Campbell B, Kreider RB, Ziegenfuss T, et al: International Society of Sports Nutrition position stand: protein and exercise. J Int Soc Sports Nutr 4:8, 2007.doi:10.1186/1550-2783-4-8
微量营养素
微量营养素包括各种维生素和需要量非常低的 微量元素（微量矿物质）。
水溶性维生素包括维生素C以及8种维生素B族的成员：生物素、叶酸、烟酸、泛酸、核黄素（维生素 B2）、硫胺素（维生素 B1）、维生素 B6（吡哆醇）和维生素 B12 （钴胺素）。
脂溶性维生素包括维生素A（视黄醇）、维生素D（胆钙化醇和钙化醇）、维生素E（alpha-生育酚）、维生素K（维生素K1和K2）。
只有维生素A、E和B12能在体内大量储存；其他维生素必须定期摄入才能维持组织健康。
必需的微量元素包括铬、铜、碘、铁、锰、钼、硒、锌。除了铬以外，上述其他元素在代谢过程中都同相关的酶或激素结合，成为其中的组成成分。除了铁和锌的缺乏外，在食物保障率低的国家，微量矿物质缺乏的情况并不常见。
其他矿物质（例如，铝、砷、硼、钴、氟化物、镍、硅、钒）尚未被证实对人类是必需的。氟虽然不是必需的微量元素，但它能通过与钙结合形成稳定牙齿中矿物质基质的氟化钙（CaF2），从而防止龋齿的发生。
所有的微量营养素在体内达到高浓度时都会产生毒性作用，其中某些还可能致癌（如砷、镍和铬）。
其他的食物成分
人类的日常食物中含有数以十万计的化学成分（例如，咖啡中含有1000种），然而仅300种具有营养价值，其中部分才是人体必需的。但是食物中某些没有营养价值的成分并不是没有作用的， 例如食物添加剂（包括防腐剂、乳化剂、抗氧化剂和稳定剂等）能够改善食品的质量和保存， 而那些微量的成分（如调味品、香料、色素等各种合成的或天然的物质）则可以改善食品的性状和口味。
加工食品、有机食品和生物工程或转基因食品
加工食品
美国农业部（USDA）将加工食品定义为经过清洗、清洁、研磨、切割、切碎、加热、巴氏杀菌、杀青、烹饪、罐装、冷冻、干燥、脱水、混合、包装或任何其他改变食物天然状态的程序的任何原始农产品。根据这个定义，几乎所有的食物都经过一定程度的加工。一些现代的食品加工，会剥夺食物中的营养。例如，碾磨会去除麸皮和胚芽，从而使谷物失去纤维、铁以及多种B族维生素。加工过程中还经常添加添加剂，如防腐剂(如苯甲酸盐、山梨酸盐、亚硝酸盐、亚硫酸盐和柠檬酸)；人造色素、香料和甜味剂；稳定剂；乳化剂；合成维生素和矿物质以及其他添加剂，包括盐、味精、糖、脂肪和精炼油。一些食品添加剂尤其会对儿童产生不利影响。
超加工食品 （如糖果、咸味零食、含糖饮料、即食食品和快餐）越来越常见，占许多国家食品供应的近一半。它们由廉价成分（包括不健康的脂肪、精制谷物和淀粉，以及添加的糖和盐）制成，这些成分通常与食品添加剂（包括人工色素、香料和防腐剂）结合使用，使它们价格低廉且非常美味，并延长保质期。大多数含有很少或不含全食物。这些食物会促进暴饮暴食和体重增加，并且相对缺乏有价值的营养物质，从而增加胰岛素抵抗以及其他疾病（例如，冠状动脉疾病、抑郁症、肠易激综合征、癌症，甚至过早死亡）的风险。
有机食品
要获得美国农业部（USDA）认证的有机标签，必须根据联邦指导方针种植和加工有机食品，这些指导方针涉及许多因素，包括土壤质量、动物饲养做法、病虫害和杂草控制以及添加剂的使用。例如，要将肉类标记为有机食品，动物必须在适应其自然行为（例如能够在牧场放牧）的环境中饲养，必须喂食 100% 的有机饲料和草料，并且不得使用抗生素或激素。要贴上美国农业部有机认证标志，产品必须含有 95% 的有机成分。
尽管有机食品对健康益处的确定性和程度尚不清楚，但不含抗生素有助于防止抗生素耐药性。合成农药也可能增加儿童 自闭症, 注意力缺陷/多动症 （ADHD）和认知能力受损的风险。控制有机食品成本上升的策略之一是参考环境工作组织（EWG）每年发布的农药残留水平清单，该清单包含12种最脏 （比其他作物受到更多杀虫剂污染的农产品）和 15种最干净 （农药残留量最低的农产品）。
生物工程或转基因食品
生物工程或转基因食品 是指含有转基因生物 (GMOs) 的食品。根据世界卫生组织（WHO）的说法，这些食品含有通过实验室技术修饰的DNA，这些DNA不能通过传统育种产生，也不能在自然界中发现。自20世纪90年代初以来，转基因食品就存在于美国食品供应中，其对人类和动物的安全由美国食品药品监督管理局（FDA）、环境保护局（EPA）和美国农业部监督。
自 2022 年 1 月起，食品需要贴上标签，表明其是否为生物工程食品。这些食物往往是常见的成分，可能难以识别。
尽管生物工程食品的消费对人类健康没有风险，食品安全倡导团体仍然提出了一些担忧，例如过敏的产生（如果转移的DNA来自过敏原食物）和食用抗除草剂作物可能导致的抗生素耐药性，这些作物在理论上可能将改良的抗生素耐药基因转移到人类消化道。世界卫生组织表示，这种抗生素耐药性的风险很小，但并非微不足道。
更多信息
US Department of Health and Human Services and US Department of Agriculture: Dietary Guidelines for Americans, 2020-2025
