《食品科学》：中国农业大学沈群教授等：全谷物及杂豆添加量在小鼠与人体间剂量换算分析

全谷物指保留了完整的皮层、胚乳和胚芽的谷物，如糙米和全麦。如果杂粮在初加工时也保留了全部的皮层、胚乳和胚芽，也可归类为全谷物；杂豆则指除大豆外的豆类，如绿豆、红豆等。大量人群调查显示，膳食中补充一定量的全谷物及杂豆有助于缓解非传染性慢性疾病的发生。

国家粮食产业（青稞深加工）技术创新中心、中国农业大学食品科学与营养工程学院的支莉、朱益清、沈群*等采用传统剂量换算方法，建立人群与小鼠之间全谷物及杂豆摄入的剂量效应关系，并进一步检验人群推荐摄入量通过不同换算方法推导至小鼠实验剂量后，是否与现有研究数据相符。本研究旨在推动剂量换算方法在全谷物及杂豆剂量研究中的应用，为优化全谷物摄入建议和制定公共健康政策提供依据。

01

谷物及杂豆功能研究中的剂量换算

在药理学研究过程中，有明确的动物与人群给药剂量的换算方法。实验动物的给药技术主要包括给药途径和给药剂量等，不同的给药途径因药物的吸收速度及吸收程度的差异而影响药物的起效时间、作用强度和作用维持时间。在实验中估算一种药物或化合物的使用剂量时，通常可根据文献预估剂量、参考该药物在其他动物身上或临床的使用量、根据急毒的半数致死量和长期毒性的剂量设计，若无相应参考，可用少量动物（小鼠）从初始低剂量开始进行剂量摸索实验，大致得到动物中毒剂量或致死剂量。涉及到动物剂量换算时，单一药物的换算相对简单，但是对于中药，由于组分较多，需要先把中药受试物折算成生药的剂量，再按照剂量换算方法进行换算。比如袁诗佳等计算邓老御风膏在人和小鼠之间的剂量换算时，根据临床拟用剂量（110 g浸膏/60 kg）折算出成人需要的生药剂量（220 g生药/60 kg），按照换算方法计算出小鼠的等效剂量（33.04 g生药/kg）。中药的剂量应用研究为全谷物及杂豆的剂量换算提供了新思路。

全谷物及杂豆在缓解慢性病方面都表现出了良好的功效。从表1可以看出，当前全谷物及杂豆在小鼠饲料中的添加量范围为6%～80%，当添加量在6%～50%时表现出改善糖代谢、脂代谢的健康作用，而当添加量增加到60%～80%时，小米的某些健康指标改善效果不如低剂量。由于缺乏相应的换算关系，小鼠实验中全谷物及杂豆摄入量不能直接为人群提供参考。本文试图通过表面积换算、能量换算、营养素换算等方法，从人群全谷物及杂豆的推荐摄入量换算出小鼠饲料中的适宜添加量，建立两者之间的剂量效应关系。

02

药理学剂量算法

2.1 等效系数法

2.1.1 原理

长期以来，体质量一直是估算患者或实验动物药物剂量的重要指标。目前，实验动物的用药剂量通常以mg/kg表示。在将人的临床剂量转换为实验动物剂量时，按单位体质量剂量计算更加便捷。《药理实验方法学》中提供了人和动物间的等效剂量比值，根据比值可进行剂量换算。

2.1.2 换算公式

已知人临床剂量，欲估算小鼠每千克标准体质量用药剂量时，可先查表，找出换算系数（

R

式中：

X

X

W

W

由标准体质量为70 kg的成人到标准体质量为0.02 kg的小鼠的

R

2.1.3 剂量关系

已知膳食指南推荐成人全谷物及杂豆摄入量为50～150 g/d，成人标准体质量以70 kg计，则单位体质量摄入量为0.71～2.14 g/kg。成年小鼠每日进食全谷物饲料量在3～4 g，标准体质量为0.02 kg，则小鼠饲料中全谷物及杂豆的添加量为：

因此，当人群全谷物及杂豆推荐摄入量为50～150 g时，小鼠饲料中全谷物及杂豆的添加量为4.33%～12.99%。

2.1.4 本算法的评价

等效系数法有3 点需要注意，首先，药物的剂量往往只在标准体质量的±20%范围内才准确。其次，等效系数法更适合对同种动物不同个体之间，种属差异越大误差越大。最后，等效系数法对成人的标准体质量规定为70 kg，因此该法具有局限性。

2.2 比表面积法

2.2.1 原理

在药理学研究中，比表面积法是常用的换算方法。其原理基于各种动物每平方米体表面积的散热量基本一致，许多生理指标如基础代谢率、肝肾功能等与体表面积呈正比。因此，相比体质量，按体表面积计算药物剂量更为合理。动物体表总面积计算公式很多，各研究者根据自己的实验结果，提出不同的计算公式，但都有共同之处，即根据动物的体质量、身长计算出来，有的公式还考虑了动物营养因素。

2.2.2 换算公式

据统计，截止2018年，中国18～59 岁居民平均体质量64.3 kg，平均身高为162.03 cm。平均每人每天食物摄入量为851.7 g，谷物类（谷物和杂豆）实际消耗量为296.9 g，大约占膳食总质量的35%。为了方便计算和比较，将数据进行标准化，即标准体质量为60 kg，标准身高为160 cm，每人每天食物摄入量约为900 g，谷物类摄入量为300 g。

计算我国居民的体表面积，可用许文生氏公式计算，即：

X计算动物的体表面积，可用Meeh-Rubner公式计算，即：

式中：

A

A

H

K

已知人临床剂量，欲估算小鼠每平方米用药剂量时，可先计算出两者的体表面积，根据每平方米能量代谢的差异，计算上述例题：

式中：

G

G

X

X

式（4）说明每平方米表面积条件下，小鼠的等效剂量相当于人的0.79 倍。

2.2.3剂量关系

已知膳食指南推荐成人全谷物及杂豆摄入量为50～150 g/d，成人体表面积为1.59 m2，则单位面积摄入量为31.45～94.34 g/m2。成年小鼠每日进食全谷物饲料量在3～4 g，体表面积为0.006 6 m2，则小鼠饲料中全谷物及杂豆的添加量为：

因此，当人群全谷物及杂豆推荐摄入量为50～150 g时，小鼠饲料中全谷物及杂豆的添加量为5.33%～16.40%。

2.2.4本算法的评价

此算法比等效系数法得出的结果高约1%～3%。虽然等效系数法表面上按体质量计算剂量，但实际上已将体质量与体表面积的关系折算在内，因此两种算法的结果几乎相同。差异源于等效系数法是直接按体质量给药，剂量与体质量呈正比，而非与式（3）中体质量的2/3次方呈正比，这导致了偏差。总体而言，等效系数法在一定范围内实用且便捷，而比表面积法计算相对复杂。

2.3 体型系数法

2.3.1原理

根据人体等效剂量的基本原理，通过适当的推导和计算，引入了动物体型系数，该系数根据不同动物的体质量与体表面积的关系得出。随后，根据文献数据和实测数据，提出了不同动物之间的新剂量转换方法。

2.3.2 换算公式

已知人临床剂量，欲估算小鼠每千克标准体质量用药剂量时，按照体型系数换算表，找出换算系数（

R

式中：

k

k

R

式（5）说明基于体型系数法，小鼠的等效剂量相当于人的12.33 倍。

2.3.3 剂量关系

已知膳食指南推荐成人全谷物及杂豆摄入量为50～150 g/d，成人标准体质量以60 kg计，则单位体质量摄入量为0.83～2.5 g/kg。成年小鼠每日进食全谷物饲料量在3～4 g，标准体质量为0.02 kg，则小鼠饲料中全谷物及杂豆的添加量为：

因此，当人群全谷物及杂豆推荐摄入量为50～150 g时，小鼠饲料中全谷物及杂豆的添加量为6.67%～20.55%。

2.3.4本算法的评价

此算法与等效系数法都同时考虑了体质量和体表面积的换算。不同之处在于，等系数效法规定成人标准体质量为70 kg，而本算法规定成人标准体质量为60 kg。此外，此算法更新了体型系数，导致两种算法的换算系数不同。需要明确的是，此算法适用于动物体质量与标准体质量相差不超过±20%的剂量换算。若超出此范围，则需要使用矫正系数，矫正系数根据实际体质量与标准体质量的差值计算得出。此方法的换算数值比前两种更高，适用范围更广。

另外，此算法还有另一种形式，即按mg/kg折算mg/m2转换因子计算，其计算结果与此算法一致，不再赘述。

2.4 食物比重法

2.4.1 原理

前面已经计算了每平方米体表面积所需的全谷物及杂豆量，考虑到进食量往往与体质量有一定关系，且假设单位体积全谷物及杂豆提供的能量一致，计算每千克体质量摄入的食物量在人和小鼠之间的剂量换算。

2.4.2换算公式

已知人临床剂量，欲估算小鼠每千克体质量用药剂量时，可先计算出两者的每千克体质量进食量，根据比值换算计算上述例子：

式（6）说明基于食物比重法，小鼠的等效剂量相当于人的10 倍。

2.4.3 剂量关系

计算前文例子：

因此，当人群全谷物及杂豆推荐摄入量为50～150 g时，小鼠饲料中全谷物及杂豆的添加量为5.67%～16.67%。

2.4.4本算法的评价

一个人所需的食物量在一定范围内与其体质量呈正比，但是体质量所需的食物量也可能因个体的代谢率、活动水平、年龄、性别、身体构成等因素而异。因此，将食物需求与体质量直接关联的算法，其结果可信度较低。值得注意的是，此算法的计算结果与比表面积法一致。

2.5 体表面积指数（body surface area index，BSA Index）法

2.5.1原理

BSA Index是评估身体形态和生理特征的重要参数，反映了体表面积与体质量之间的关系。该指数可用于评估人体的代谢水平、药物代谢速率等生理过程。BSA Index通过将体表面积与体质量相除得出相对比值，表示每千克体质量所占的体表面积比例。

2.5.2换算公式

已知标准体质量A种动物每千克体质量用药量，欲估算B种动物标准体质量用药剂量时，可先查表，找出每千克体质量占体表面积的相对比值，再按下式计算：

式中：

R

R

式（7）说明基于BSA Index法，小鼠的等效剂量相当于人的12.5 倍。

2.5.3 剂量关系

计算前文例子：

因此，当人群全谷物及杂豆推荐摄入量为50～150 g时，小鼠饲料中全谷物及杂豆的添加量为6.92%～20.83%。

2.5.4本算法的评价

此算法使用范围广，可进行不同动物间和同种动物间的剂量换算。但BSA Index法的计算结果易受到个体差异的影响，因此在解释和比较数据时应该谨慎对待。

由以上5 种换算可知，当全谷物及杂豆摄入量为50～150 g时，小鼠饲料中全谷物及杂豆的添加量为4.33%～20.83%。需要注意的是，不同种属动物对同一种全谷物或杂豆的敏感性存在差异，实际应用中可能出现剂量过高或过低的现象，需要进行适当调整。此外，全谷物及杂豆营养代谢与药物代谢有着明显区别：前者是将食物中的营养物转化为能量和营养，以维持生命活动和促进生长发育；后者是将药物分解为易排出体外的代谢产物，以降低其体内浓度或产生药效。因此，不能仅仅依赖药物剂量换算方法来解决全谷物及杂豆添加量的问题，下面从营养能量角度进行计算。

03

营养能量的替换算法

全谷物及杂豆营养干预时，为了保证每组小鼠能够获得等量的营养素和热量，添加不同比例全谷物及杂豆后，原有饲料中相应的减少了酪蛋白、麦芽糊精、蔗糖和大豆油的含量，即额外添加的全谷物及杂豆替换了饲料中的部分营养素和能量。不同种类全谷物及杂豆营养素及提供的能量不同，本文以糙米的营养参数为例计算人群全谷物及杂豆推荐摄入量与小鼠饲料中全谷物及杂豆添加量之间的剂量关系。

3.1 营养素替换

3.1.1换算方法

糙米是最主要的全谷物之一，以糙米为例，100 g糙米中的蛋白质、粗脂肪和碳水化合物含量分别为7.3、2.2 g和71.1 g。小鼠饲料中碳水化合物的能量来源有玉米淀粉、麦芽糊精和糖类，在维持小鼠正常生长发育中发挥重要作用，AIN-93G饲料中供能碳水化合物的质量分数约为72%。维持人群正常生长发育的碳水化合物来源主要是谷物类制品，因此在只考虑碳水化合物的情况下，计算前文例子：

中国人实际每天摄入约300 g谷物，糙米中碳水化合物质量分数约为71.1%，人体表面积为1.59 m2，计算出人每平方米来自谷物的碳水化合物摄入量为134.15 g。小鼠每天摄入3 g饲料，则每平方米碳水化合物摄入量为327.27 g。根据人和小鼠每天实际摄入碳水化合物量，两者存在2.44 倍的剂量效应关系。当人进食50 g糙米时，小鼠每平方米应摄入的糙米量为73.95 g，占小鼠每日进食量的16.27%。因此，当人群糙米推荐摄入量为50～150 g时，小鼠饲料中糙米的添加量为16.27%～48.81%。

3.1.2 换算举例

谷物饲料中碳水化合物的能量来源为玉米淀粉、麦芽糊精和糖类，在实际应用中，通常是用谷物粉代替饲料中的碳水化合物，如Liu Haiying等用黑米和高粱代替50%和100%的高脂饮食的麦芽糊精和玉米淀粉，则黑米和高粱分别占饲料的28%、32%、58%、63%。Zhao Meng等用燕麦替代25%、50%、75%、100%的蔗糖和淀粉，则燕麦含量为饲料的13%、26%、39%、52%。Shimizu等用大米或大麦替代全部的玉米淀粉，则谷物分别占饲料的53%、61%。Zhang Bowei等分别用小米和稻米代替100%的玉米淀粉，则谷物含量为饲料的40%。Zhou Jinfeng等用青稞淀粉完全替换饲料中玉米淀粉和麦芽糊精总量，则谷物含量为饲料的28.3%。

3.2 能量换算

3.2.1 换算方法

18～50 岁中等体力劳动者所需能量男女分别为2 600 kcal/d和2 100 kcal/d，所需平均能量为2 350 kcal/d，按2 400 kcal/d计算。啮齿类动物AIN-93G饲料总能量3 946 kcal/kg。以糙米为例，50 g糙米可提供能量192 kcal。若糙米提供的能量恒定，计算前文例子：

18～50 岁中等体力劳动者所需能量可估计为2 400 kcal/d，食用50 g糙米，提供192 kcal，占人总能量摄入的8%。啮齿类动物AIN-93G饲料总能量3 946 kcal/kg。若小鼠每天吃3 g饲料，则需要能量11.84 kcal/d。若糙米提供的能量恒定，人群食用50 g糙米相当于给小鼠提供能量为0.95 kcal/d，换算成糙米为0.25 g，占小鼠每天进食总量的8.33%。若人群推荐糙米摄入量为50～150 g，相当于在进食量为3 g/d的小鼠中添加8.33%～24.67%的糙米。

3.2.2计算举例

已知每克蛋白质、脂肪、碳水化合物的产能系数分别按4、9、4 kcal计算。在李道通等的研究中，根据人群实验中大麦叶食用量为15 g/d，计算得出在小鼠饲料中大麦叶的添加量为2.5%。文中已测定100 g大麦叶的蛋白质、粗脂肪和碳水化合物含量分别为23.9、2.98 g和62.3 g，按上述方法计算大麦叶在饲料中的添加量，验证该算法的合理性，结果如下：

3.2.3能量替换的逆运算

前文已知，饲料总能量为3 946 kcal/kg，3 g饲料添加8.33%的糙米相当于提供了能量0.95 kcal，1 kg饲料添加8.33%的糙米相当于提供了能量316.67 kcal，18～50 岁中等体力劳动者所需能量可估计为2 400 kcal/d，50 g糙米可提供能量192 kcal。由饲料添加量按下式计算人体所需糙米量：

即饲料添加8.33%糙米相当于人摄入50.19 g糙米，则饲料中添加8.33%～24.9%的糙米相当于人群食用50.19～150.47 g糙米。

由以上两种换算可知，当人群全谷物及杂豆推荐摄入量为50～150 g时，小鼠饲料中全谷物及杂豆的添加量为8.33%～48.81%。值得注意的是，从营养能量角度进行的换算只用了糙米一种谷物作为示例计算，且预设了前提条件，因此计算结果不可推广到所有实验中。

结论

本研究通过等效系数法、比表面积法、体型系数法、食物比重法、BSA Index法、能量换算法和营养素换算法探讨了小鼠饲料中全谷物及杂豆添加量与人群膳食推荐量之间的剂量效应关系。研究表明，当人群推荐全谷物及杂豆摄入量为50～150 g时，相当于在进食量为3 g/d的小鼠饲料中添加4.33%～48.81%的全谷物及杂豆，由于大部分研究将全谷物及杂豆的最佳健康效益集中在添加量为30%～50%，因此合理范围为5%～50%。其中，与几种换算方法相比，营养能量替换算法得出的添加量范围更为广泛且更接近实际情况。研究结果证明了人群全谷物及杂豆推荐摄入量为50～150 g/d的科学性和合理性。从研究还可以看出，在饲料中全谷物及杂豆添加量超过50%，对小鼠来说有可能属于过量摄入，在进行研究时需正确评估小鼠饲料中全谷物及杂豆的添加量。若小鼠饲料中添加量大于50%，甚至达到80%时，其获得的参考数据对人群来说，也有可能是过量摄入，需谨慎对待。需要明确的是任何推算方法都不是绝对的，人和动物的用量还取决于人和动物对全谷物及杂豆的不同敏感性、体内利用率、小鼠性别差异等，同时，文中所用数据只是多数情况下的估计，在实际应用中，应根据全谷物及杂豆种类、实验条件、实验目的进行剂量的推算。

作者简介

通信作者：

沈群 教授

中国农业大学食品科学与营养工程学院

1986年至1990年在北京农业工程大学取得农产品加工与贮藏学士学位，1992年至1995年在北京农业工程大学取得农产品加工与贮藏硕士学位，1999年至2003年在中国农业大学取得农产品加工与贮藏博士学位。现任中国农业大学食品科学与营养工程学院教授、中国食品科学技术学会监事、中国食品科学技术学会儿童分会理事、中国粮油学会面条制品分会理事、北京市食品学会理事。研究方向主要包括现代谷物加工理论与技术、淀粉结构及性质研究、杂粮加工及品质改进、杂粮功能特性评价，以及淀粉及变性淀粉的变性机理及应用。曾于2020年至2022年荣获青海省科学技术奖、科技进步奖、最美粮油科技工作者等多项荣誉。

承担了众多纵向和横向项目，纵向项目涵盖国家部委其他科技项目、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划等，涉及食用调配专用淀粉开发、小米品质评价及深加工、全谷物产品健康效应研究等。横向项目与企业合作紧密，包括杂粮品类及青稞产品营养研究、白象健康中国五谷维养杂粮面研究等。拥有多项专利，如抗炎活性多肽、各种预防疾病的多肽等。

第一作者：

支莉 硕士研究生

中国农业大学食品科学与营养工程学院

2019年至2023年在黑龙江八一农垦大学取得食品科学与工程学士学位，现就读于中国农业大学食品科学与营养工程学院。研究方向为粮食、油脂及植物蛋白工程。

发表EI论文一篇，荣获黑龙江省优秀毕业生、三好学生等荣誉称号，曾获国家奖学金、国家励志奖学金、一等学业奖学金、中国研究生数学建模竞赛全国三等奖等奖励。

本文《全谷物及杂豆添加量在小鼠与人体间剂量换算分析》来源于《食品科学》2025年46卷2期，作者：支莉，朱益清，赵亮星，陈睿，赵卿宇，王超，薛勇，沈群。DOI：10.7506/spkx1002-6630-20240621-148。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：彤禾；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、四川轻化工大学食品与酿酒工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所（四川省农业科学院食物与营养健康研究所）、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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