過去 100 年，人類變得越來越重，尤其是過去 25 年，人類體重增加更快，與 1980 年相比，2015 年人類肥胖發病率增加了 2 倍。2015 年全世界有 22 億成人和兒童超重或肥胖，其中 7.1 億人肥胖。美國成人肥胖率最高，有 7,900 萬人，第二是中國，有 5,700 萬人。體重增加不僅僅增加心血管疾病、2 型糖尿病、腫瘤、慢性腎病、骨骼肌肉疾病等一系列代謝性慢病，還導致一系列社會問題，高體質指數（body mass index，BMI）每年導致 400 萬人死亡[1] 。因此，控制體重成為全球面臨的重大問題。目前推薦的增加體力活動、減少總能量攝入是正確有效的干預手段，但是起效較慢，依從性不足，難以長期堅持，於是低碳飲食應運而生。
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定義
人類遠古祖先長期以動物肉、野果為生，居無定所、食無定餐，談不上以脂肪或碳水化合物為主要能量來源。碳水化合物成為人體主要的能量來源是最近一萬年的事情，人類學會了種植後才有了現在的碳水化合物。美國內科學院（institute of medicine）建議美國人從碳水化合物中獲取 45%~60% 的能量[2] 。作者認為，廣義的低碳（low-carb，LC）應該包括 3 個層次 ：①控制總能量的攝入，避免過多、過飽；②減少精製碳水化合物、精製糖的攝入，但是不要求控制碳水化合物的總能量比 ；③降低碳水化合物在總能量中的比例或減少每日總碳水化合物的攝入量，後者即是本文討論的低碳（水化合物）飲食（low-carbohydrate diet，LCD）。
如何定義低碳飲食的“低”？理論上，任何低於日常平均或指南推薦的正常人碳水化合物攝入量的“低”，都是低碳飲食。不同種族的每日平均碳水化合物攝入量差異很大，所以全世界很難有一個共同的低碳標準。大多數國家居民的平均碳水化合物攝入量為≤ 45%（能量來源），所以，少於 45% 的任何“低”均屬低碳飲食。由於碳水化合物（carbohydrate，CHO）低於 45% 的很多情況下，機體不會發生任何代謝改變，所以，Westman EC 等[3]認為，碳水化合物低到可以產生代謝改變，即燃燒脂肪時，才是有意義的低碳飲食，此時機體供能方式由依靠葡萄糖轉向依靠脂肪酸、酮體。一般認為，碳水化合物低於 20~50g 時，機體會產生酮體，所以，碳水化合物低於 20~50g/d 的飲食稱為生酮飲食[3, 4]；50~150g/d 碳水化合物時機體既燃燒脂肪，又不產生酮體，此時稱為低碳飲食[5] 。碳水化合物超過 150g/d 後，機體不會燃燒脂肪，所以不是真正的低碳飲食，而是中碳飲食。
根據碳水化合物在總攝入能量的比例，將飲食中的碳水化合物分為 4 等[6]：①極低碳（very low-carbohydrate，VLC）：碳水化合物佔總能量比例小於 10%，或者碳水化合物 20~50g/d，即生酮飲食；②低碳（low-carbohydrate，LC）：碳水化合物佔總能量比例小於 26%，或者碳水化合物少於 150g/d ；③中碳（moderate-carbohydrate，MC）：碳水化合物佔總能量比例為 26%~44% ；④高碳（high-carbohydrate，HC）：碳水化合物佔總能量比例等於或大於45%，見圖 1。
低碳飲食中的 3 種宏量營養素的供能比例，蛋白質一般為 20% 左右（15%~30%），碳水化合物比例根據不同情況調整，剩餘的部分就是脂肪的供能比例。生酮飲食（ketogenic diet，KD）是低碳飲食的一個特殊類型，生酮飲食多數要求控制熱量，而且要求限制蛋白質攝入，以防止糖異生[7] 。但是，低碳飲食只要求控制碳水化合物，對熱量及蛋白質沒有限制。
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應用
低碳飲食研究目前比較多地集中在肥胖、超重人群的體重降低、有心臟代謝性疾病（cardiometabolic diseases）風險人群、或心臟代謝性疾病患者如 2 型糖尿病患者和非酒精性脂肪肝患者。生酮飲食還被用於精神運動紊亂（seizure disorders）患者，腫瘤患者[8] ，甚至運動人群。
2.1 肥胖
低碳飲食的絕大多數研究用於降低體重。低碳飲食，特別是生酮飲食，可以引起體重快速降低。早期的體重下降部分是由於脫水，隨後是脂肪減少。隨著對飲食治療依從性的逐漸降低，不同飲食干預模式的體重降低效益在一年後趨於一致。然而，低碳飲食只要求控制碳水化合物，不要求控制熱量，而是可以自由攝入熱量，自由攝入蔬菜，而其他所有飲食干預方法均要求控制熱量，所以，比較而言，低碳飲食依從性更好，持續時間更長。研究表明，低碳方法（low-carb approaches）在快速降低體重上，優於其他飲食方法。
Meta 分析 14 個隨機對照研究、1,416 位肥胖受試者發現[9] ，低碳飲食後體重、脂肪體重（fat mass）下降 ；亞組分析發現，低碳飲食超過 12 個月的受試者中，體重沒有繼續下降，但是脂肪體重仍然降低，極低碳飲食受試者脂肪體重下降更加明顯，而中碳飲食受試者脂肪體重無顯著降低。
低碳飲食降低的體重是身體脂肪總量和比例的減少，而不影響去脂體重（fat free mass，FFM）。11 名籃球運動員口服 4 周低碳飲食後，身體脂肪總 量（F=31.12，P=0.003）和脂肪比例（F=29.13，P=0.003）顯著減少，而FFM無明顯變化[（50.62±4.88）kg vs （48.20±3.65）kg，P ＞ 0.05] [10] 。
2.2 糖尿病
在糖尿病藥物發明之前，限制碳水化合物無論對 1 型還是 2 型糖尿病都是最為重要的降糖方法。即使是在糖尿病藥物治療風靡一時的今天，低碳飲食仍然是 2 型糖尿病的首選治療方法（the first approach），是 1 型糖尿病治療藥物的最有效輔助手段（the most effective adjunct to pharmacology），不僅僅療效確切，而且安全可靠，從來未見與藥物不良反應同樣嚴重的不良反應[1] 。低碳飲食降低血糖不依賴體重降低而獨立發揮作用，儘管伴隨體重下降時其降糖效果更好[11] 。McKenzie AL 等 [12]指導 262 例門診糖尿病患者實施低碳飲食，干預 10 周發現，HbA1c 平均下降了 1.0%，47.7% 的患者 HbA1c 恢復正常，HbA1c ＜ 6.5% 的患者比例由干預前的 19.8% 提高到 56.1% ；干預前 89.3% 的患者至少使用一種糖尿病藥物，10 周後 56.8% 的患者減量或停用一種或多種藥物，見圖 2 ；體重平均下降7.2%；所有上述參數與干預前比較均有顯著差異。美國糖尿病協會、歐洲糖尿病研究協會在最新發布的糖尿病治療指南中，推薦包括低碳飲食在內的生活方式干預作為糖尿病的標準治療[13, 14] 。
2.3 代謝綜合徵
代謝綜合徵包括一系列代謝性紊亂，臨床上以五高一低為特徵，即高血糖、高血壓、高血脂、高腰圍、高體重、高密度脂蛋白膽固醇（high density lipoprotein-cholesterol，HDL-C）降低。低碳飲食對代謝綜合徵表現出良好的治療效果。Harvey CJDC 等[15]將 77 例受試者隨機分為 VLC、LC 及 MC 3 組，碳水化合物供能比例分別為 5%、15% 及 25%，持續 12 周，39 例（51%）受試者完成了研究，與試驗前基線相比，完成研究的受試者的體重、BMI、腰圍及臀圍均顯著降低，高密度脂蛋白顯著升高，胰島素及甘油三酯（triglyceride，TG）顯著下降。VLC 組 HDL-C、TG 及人體學測量變化最大，但是 3 組間無明顯差異，而 LC、MC 組依從性更好。提示適度控制碳水化合物即可以有效控制代謝綜合徵，見圖 3。
來自日本的一個最新報告顯示，即使是 3d 的等熱量低碳高脂飲食（low carb-high fat，LCHF），也可以顯著提高非肥胖健康成年人的胰島素代謝廓清（metabolic clearance rate of insulin，MCRI）， 而 MCRI 是維持血糖穩定的重要機制[16] 。攝入 LCHF 3d 後，MCRI 提高 10%，穩態血清胰島素（steady state serum insulin，SSSI）、葡萄糖輸注速率（glucose infusion rate，GIR）分別下降 10% 和 6%。高反應組肌肉細胞內脂肪（intramyocellular lipid，IMCL）升高，SSSI 降低，而低反應組上述兩個參數無明顯變化。
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原理與機制
根據熱力學第一定律，能量不能被消滅，只能被機體獲取、丟失或儲存。基於此能量守恆定律研究肥胖，認為體重的增加是熱量攝入增加或能量消耗減少的結果。但是，能量守恆定律不能解釋為什麼體重會持續升高而不是到達平臺，而且低估了食物成分的變化對能量和中間代謝的影響。一個可替代的模型強調，果糖及果糖衍生的甜味劑具有調節細胞代謝的能力，通過改變 AMP/ATP 比值，激活 AMP 激酶和補償機制，促進脂肪組織堆積，增強食慾，同時抑制體力活動。這個概念模型表明，在細胞飢餓的矛盾狀態下，慢性高胰島素血癥是引起包括慢性體重增加等代謝改變的關鍵驅動力，該模型強調肥胖病因學的代謝可塑性（metabolic flexibility）和食物成分而不是能量平衡[17, 18]。
低碳方法起源於降低胰島素的理論假說，降低胰島素是肥胖碳水化合物 - 胰島素模型（the carbohydrate-insulin model of obesity）的必然選擇。肥胖碳水化合物 - 胰島素模型認為 ：高碳水化合物飲食特別容易使人發胖，因為它易於增加胰島素分泌。胰島素將能量儲存為脂肪隔離於脂肪組織內，使能量不被代謝活躍組織氧化利用，導致一種細胞內飢餓狀態。飢餓感及食慾反應性增強，熱量攝入增加，繼而能量正平衡，出現發胖[19, 20] ，見圖 4。
胰島素是一種促進合成代謝、促進脂肪儲存的關鍵激素。降低胰島素水平，可以改善心血管代謝功能、降低體重。通常認為，高胰島素血癥繼發於肥胖，實際上，高胰島素血癥可以是原發的，源於自主神經功能障礙。肥胖同時是一種瘦素抵抗狀態，瘦素信號傳導缺陷促進熱量過多攝入，以維持正常能量消耗 ；胰島素作為內源性瘦素的拮抗劑，與瘦素共享中央信號通路 ；抑制胰島素可以減輕瘦素抵抗，進而減少熱量攝入、增加自主活動。高胰島素血癥還會干擾腹側被蓋區和伏隔核內的多巴胺清除，促進業已升高的食物獎勵（food reward）。高胰島素血癥通過下列 3 個機制促進體重升高 ：促進能量進入脂肪組織，干擾瘦素信號傳導，干擾食物享樂反應的消退[20] 。
高胰島素血癥是高碳水化合物攝入的必然結果，高碳水化合物飲食的攝入，通過升高胰島素分泌，抑制脂肪組織內脂肪酸釋放入血，將脂肪錨定在脂肪組織內，並將血液循環中的脂肪導入脂肪組織中儲存[6] 。代謝活躍器官組織如心臟、肌肉、肝臟從血液循環中獲取的可利用脂肪酸減少，使這些細胞處於一種飢餓狀態，通過提高細胞內 AMP/ATP 比值[17] ，導致適應性能量消耗抑制、食物攝取增加。
能量正平衡、繼而肥胖，是食物碳水化合物比例升高、胰島素驅使脂肪進入儲存，遠離氧化的結果。因此，將等熱量的碳水化合物替換為脂肪，預期可以導致能量消耗增加，脂肪氧化加快，身體脂肪減少。傳統觀點曾經錯誤地認為，1kcal 碳水化合物與 1kcal 脂肪完全一樣，對能量消耗或身體脂肪沒有任何不同的生理影響。實際上，恰恰相反，1kcal 的碳水化合物、1kcal 的脂肪、1kcal 的蛋白質對機體的生理效應大相徑庭[16] 。基於碳水化合物 -胰島素模型，降低食物中碳水化合物與脂肪供能的比例，而不改變蛋白質或熱量，可以減少胰島素分泌，增加脂肪組織中脂肪動員，促進血液循環中游離脂肪酸（free fatty acids，FFAs）的氧化。這種代謝和內分泌環境的變化因此預期可以減輕細胞內飢餓狀態，減輕飢餓感，增加身體脂肪丟失、升高能量消耗[21] ，見圖 5。
Ebbeling CB 等[22]將 164 例 BMI ≥ 25 的成人志願者隨機分為高、中、低 CHO 組，CHO 分別佔總能量的 60%、40%、20%，干預時間 20 周。意向性治療分析（intention-to-treat analysis）發現 ：與高 CHO 組相比，中、低 CHO 組總能量消耗（total energy expenditure，TEE）分別增加 91kcal/d、209kcal/d ；按方案分析（the per protocol analysis）發現 ：這個差別分別為 131kcal/d、278kcal/d。對體重下降前胰島素分泌最高的 1/3 志願者進行分析，低 CHO 組與高CHO組TEE差值為308kcal/d （意向性分析）、478kcal/d（按方案分析）。碳水化合物在總能量中的比例每減少 10%，TEE 會升高 52kcal/d，二者呈線性關係。飢餓素（Ghrelin）及瘦素在低 CHO 組顯著低於高 CHO 組。提示，與碳水化合物 - 胰島素模型一致，在減重維持中，降低飲食中的碳水化合
物，增加了能量消耗。
飲食（熱量）控制方法介導的體重下降會產生嚴重的被動能量赤字（caloric deficit），而低碳飲食則否，因為在減少飲食中的碳水化合物時，脂肪和蛋白質會補償性增加。低碳飲食降低體重的另外一個可能機制是，脂肪和蛋白質增加飽感，減少伴隨性低血糖，進而減少飢餓感、減少食物攝入總量，產生主動能量赤字。低碳飲食的第 3 個機制是低碳飲食比高碳飲食會產生更高的代謝燃燒（metabolic burn），與等熱量的高碳飲食相比，額外燃燒 200~300kcal [21, 23] 。
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小結
低碳飲食作為一種治療性飲食已經引起社會各界的廣泛關注，將來也必將得到越來越多的關注。短期應用效果確切，不良反應遠遠少於藥物，衛生經濟學效益顯著，節省醫療費用。但是，必需清楚地認識到低碳飲食不是一種生理狀態下的日常飲食，長期使用仍然有待進一步研究。本文借用 Brouns F [5] 對低碳飲食的綜述性結論作為本文的小結 ：①任何減少能量攝入的飲食方式均可以降低體重，併產生有利的代謝和功能改變 ；②短期低碳高脂飲食表現出更多的有益作用、更少的不利作用 ；③長期維持生酮性低碳高脂飲食（要求控制熱量及蛋白質）是非常困難的，每天 100~150g CHO 的非生酮性低碳飲食更加切實可行 ；④長期 LCHF 的療效、安全性及健康益處仍然需要更多的數據證實 ；⑤對於存在 2 型糖尿病風險的人群進行生活方式干預，包括給予一定量的碳水化合物的低碳飲食，安全而且有效，可以長期預防 2 型糖尿病的進展。綜上所述，作者認為，低碳飲食是慢病的首選解決方案。
- 參考文獻：（略）