栄養学とは，食物および食物と健康との関係に関する科学である。栄養素は身体が成長，維持，およびエネルギーに利用する食物中の化学物質である。
体内で合成できず，そのため食事から摂る必要がある栄養素は，必須栄養素とされる。具体的には以下のものがある：
食事からも得られるが，体内で他の化合物から合成できる栄養素は，非必須栄養素とみなされる。しかしながら，疾病やストレスなどの特定の状況下では，正常時には非必須栄養素である栄養素の合成が障害されることで，それらが必須栄養素となることがある。その場合，そのような条件的必須栄養素（conditionally essential nutrient）は食事から供給しなければならない。
多量栄養素（炭水化物，タンパク質，および脂肪）は身体に比較的大量に必要であり，微量栄養素（ビタミンおよび一部の微量ミネラル）はごく少量必要となる。
栄養素が欠乏すると低栄養になり，結果，欠乏症候群（例，クワシオルコル，ペラグラ）を来すことがある。 多量栄養素の過剰摂取は肥満およびその関連疾患につながることがあり，微量栄養素の過剰摂取は有毒である可能性がある。不飽和および飽和脂肪酸をどの程度摂取するかなど，様々な種類の栄養素のバランスも，疾患の発生に影響を及ぼす可能性がある。
多量栄養素
多量栄養素は食事の大部分を占め，エネルギーおよび多くの必須栄養素を供給する。炭水化物，タンパク質（必須アミノ酸を含む），脂肪（必須脂肪酸を含む），多量ミネラル，および水は多量栄養素である。炭水化物，脂肪，およびタンパク質はエネルギー源として互換性がある；脂肪は9kcal/g（37.8kJ/g），タンパク質および炭水化物は4kcal/g（16.8kJ/g）を産生する。
炭水化物
食物性の炭水化物は，ブドウ糖およびその他の単糖類に分解される。炭水化物は血糖値を上昇させ，エネルギーを供給する。
単純炭水化物は急速に血糖値を上昇させる低分子（一般的に単糖類または二糖類）から成る。
複合炭水化物は3個以上の単糖類が結合したものであり，これは消化時に単糖類に分解される。単純炭水化物に比べ，複合炭水化物は血糖値をより緩やかにではあるが，長時間にわたって上げる。
ブドウ糖およびショ糖は単純炭水化物であり，デンプン，食物繊維，およびグリコーゲンは複合炭水化物である。
グリセミック指数とは，有効炭水化物（available carbohydrate）の摂取により基準と比較してどの程度迅速に血漿血糖値が上昇するかに基づき，食品を分類する方法である。数値の範囲は1（上昇が最も遅い）から100（上昇が最も速く，純粋なブドウ糖と等しい―食品のグリセミック指数の表を参照）である。しかし，実際の上昇速度は炭水化物と一緒に摂取される食物が何かによっても異なる。
食品のグリセミック指数
カテゴリー | 食品 | 指数* |
|---|---|---|
豆類 | インゲンマメ | 33 |
赤レンズ豆 | 27 | |
大豆 | 14 | |
パン | ライ麦黒パン | 49 |
白パン | 69 | |
全粒粉パン | 72 | |
シリアル | オールブラン | 54 |
コーンフレーク | 83 | |
オートミール | 53 | |
パフドライス | 90 | |
シュレッデッドウィート | 70 | |
乳製品 | 牛乳，アイスクリーム，ヨーグルト | 34～38 |
果物 | リンゴ | 38 |
バナナ | 61 | |
オレンジ | 43 | |
オレンジジュース | 49 | |
イチゴ | 32 | |
穀物 | 大麦 | 22 |
玄米 | 66 | |
白米 | 72 | |
パスタ | — | 38 |
イモ類 | インスタントマッシュポテト（白） | 86 |
マッシュポテト（白） | 72 | |
サツマイモ | 50 | |
スナック類 | コーンチップス | 72 |
オートミールクッキー | 57 | |
ポテトチップス | 56 | |
糖 | 蜂蜜 | 91 |
精糖 | 64 | |
*値は変動することがある。 果糖のグリセミック指数は22である。 ブドウ糖のグリセミック指数は100である。 | ||
グリセミック指数の高い炭水化物は，血漿血糖を急速に高値に上昇させうる。結果として，インスリン濃度が上昇して低血糖および空腹感（カロリーの過剰摂取および体重増加につながる傾向がある）を誘発するという仮説が立てられている。グリセミック指数の低い炭水化物は緩やかに血漿血糖値を上昇させ，結果として食後のインスリン値が低く空腹感が少なく，そのためおそらく過剰なカロリーを摂取する可能性が低くなる。これらの作用は，より好ましい脂質プロファイルならびに肥満，糖尿病，および糖尿病の合併症のリスク減少をもたらすと予想される。
食物繊維
食物繊維は複合炭水化物であり，多様な形態で存在する（例，セルロース，ヘミセルロース，ペクチン，ゴム）。食物繊維には水溶性食物繊維と不溶性食物繊維がある。不溶性食物繊維は消化管の運動を増大させ，便秘を予防し，便の容量を増やし，憩室性疾患のコントロールに役立つ。不溶性食物繊維は，大腸で細菌によって産生される発がん物質の排除を促進すると考えられている。疫学的エビデンスは，結腸癌と食物繊維の少ない摂取との関連，および機能性腸疾患，クローン病，肥満，または痔核の患者における食物繊維の有益な効果を示唆している。水溶性食物繊維（果物，野菜，オーツ麦，大麦，および豆類に含まれる）は，食後の血糖値およびインスリンの上昇を抑え，コレステロール値を低下させる。
典型的な欧米式の食事は，高度に精製された小麦粉の摂取量が多く，果物や野菜の摂取量が少ないため，食物繊維が少ない（約12～17g/日）。野菜，果物，および食物繊維に富むシリアルや穀類をより多く摂ることによって，食物繊維の摂取量を約30g/日まで増加させることが一般的に推奨される。しかし，食物繊維をあまりに多く摂取すると特定のミネラルの吸収が減少することがある。
タンパク質
タンパク質は炭素，水素，酸素，および窒素を含む複雑な有機分子である。タンパク質は組織の維持，入替え，機能，および成長に必要である。特定のタンパク質が，酵素として働いたり，特定のホルモンを作ったり，体液バランスの維持に重要な役割を果たしたりする。身体が食物由来の供給源または組織貯蔵（特に脂肪）からカロリーを十分に得ていない場合は，タンパク質がエネルギーのために利用されることがある。食物性タンパク質はペプチドおよびアミノ酸に分解される。
身体が組織をつくりだすために食物性タンパク質を利用すると，正味のタンパク質量が増大する（正の窒素バランス）。異化状態（例，飢餓，感染症，熱傷）の間には，吸収されるタンパク質よりも多くのタンパク質が消費されることがあり（身体組織が分解されるため），正味のタンパク質量が減少する（負の窒素バランス）。窒素バランスは，摂取した窒素量から尿および便に排出される窒素量を引いて求めるのが最もよい。
20のアミノ酸のうち，9つは必須アミノ酸（EAA）である；これらは体内では合成できず，食事から摂る必要がある。ヒトでは年齢を問わず8つのEAAが必要であるほか，乳児ではヒスチジンも必要である。
体重当たりの食物性タンパク質の必要量は成長速度と相関しており，乳児期から成人期まで減少する。1日当たりの食物性タンパク質の必要量は，生後3カ月の乳児における2.2g/kgから，5歳児における1.2g/kg，成人における0.8g/kgへと減少する。タンパク質の必要量はEAAの必要量に対応している。また，特定の患者ではタンパク質の必要量が増加する。例えば，妊娠期および授乳期，ならびに急速な成長期および疾患からの回復期には，タンパク質の必要量が劇的に増加する。タンパク質の必要量は加齢によっても増加する(1,2)。筋肉量の増加を試みる成人は，必須アミノ酸の1日当たりの平均必要量（例，1.4～2.0g/kg/日）を超える余分なタンパク質摂取が必要である(3)。
タンパク質のアミノ酸組成は非常に様々である。生物価（BV）は，タンパク質のアミノ酸組成における動物組織のアミノ酸組成に対する類似度を反映する；したがって，BVは食物性タンパク質の何％が身体にEAAを供給するかを示す：
完全に一致するのが卵のタンパク質であり，値は100である。
牛乳および食肉の動物性タンパク質はBVが高い（～90）。
穀類および野菜のタンパク質はBVが低い（～40）。
一部の誘導タンパク質はBVが0（例，ゼラチン）である。
複数の食物性タンパク質が，それぞれで不足しているアミノ酸をどの程度補い合うか（相補性）によって，その食事の総合的なBV値が決まる。タンパク質の1日当たりの推奨量（RDA）は，平均的な混合食のBVを70と想定している。
脂肪
脂肪は脂肪酸とグリセロールに分解される。脂肪は組織の増殖およびホルモンの産生に必要である。飽和脂肪酸（動物性脂肪に多い）は，室温では固形であることが多い。パーム油およびココナツ油を除いて，植物由来の脂肪は室温で液体であることが多い；このような脂肪は一価不飽和脂肪酸または多価不飽和脂肪酸（PUFA）を多く含有している。
不飽和脂肪酸の部分水素化（食品製造過程で生じる）によりトランス脂肪酸が産生されるが，これは室温で固体または半固体である。米国では最近まで，トランス脂肪酸の主な食物由来の供給源は，特定の食品（例，クッキー，クラッカー，チップス）の製造過程で保存期間を伸ばすために用いられる部分水素化した植物油であった。しかしながら，2015年に米国食品医薬品局（Food and Drug Administration：FDA）は，トランス脂肪酸がLDLコレステロール値を上昇させ，HDLコレステロール値を低下させ，冠動脈疾患のリスクを増大させることを示した広範な研究に基づいて，部分水素化油脂を一般に安全と認められる物質（Generally Recognized as Safe）のカテゴリーから削除した。2018年6月以降，米国では人工トランス脂肪酸は禁止されている。
必須脂肪酸（EFA）としては以下のものがある：
ω-6（n-6）脂肪酸であるリノール酸
ω-3（n-3）脂肪酸であるリノレン酸
他のω-6脂肪酸（例，アラキドン酸）および他のω-3脂肪酸（例，エイコサペンタエン酸，ドコサヘキサエン酸）も身体に必要であるが，EFAから合成できる。
EFAは，プロスタグランジン，トロンボキサン，プロスタサイクリン，ロイコトリエンなど多様なエイコサノイド（生理活性脂質）の生成に必要である。ω-3脂肪酸の摂取により冠動脈疾患のリスクが減少する可能性がある。
EFAの必要量は年齢により異なる。α-リノレン酸の目安量（adequate intake）は男性で1.6g/日，女性で1.1g/日である。19～50歳のリノール酸の目安量は男性で17g/日，女性で12g/日である。（目安量は，健常者集団が1日に摂取する平均栄養素摂取量と定義される。）リノール酸およびリノレン酸は植物油から得られる。紅花，ヒマワリ，トウモロコシ，大豆，サクラソウ，カボチャ，および小麦胚芽を原料とする油脂からは，多量のリノール酸が得られる。魚油および亜麻仁，カボチャ，大豆，キャノーラを原料とする油脂からは，多量のリノレン酸が得られる。 さらに魚油からは他の一部のω-3脂肪酸も多量に得られる。EFAの推奨摂取量は，1日大さじ2～3杯の植物性脂肪を摂取するか，加熱調理したサケなどの脂の多い魚を約3～3.5オンス（85～99グラム），週2回摂取することで達成できる。
多量ミネラル
ナトリウム，クロール，カリウム，カルシウム，リン，およびマグネシウムは1日当たりの必要量が比較的多い（多量ミネラル，推奨される食事摂取基準，および1日当たり摂取量のガイドラインの表を参照）。
多量ミネラル
栄養素 | 主要な供給源 | 働き |
|---|---|---|
カルシウム | 牛乳および乳製品，肉，魚，卵，シリアル，豆類，果物，野菜 | 骨と歯の形成，血液凝固，神経伝達，筋収縮，心筋伝導 |
クロール | 多くの食品，動物性食品を中心とするが一部の野菜も；ナトリウムにほぼ等しい | 血液および細胞内の酸塩基平衡，浸透圧，腎機能 |
カリウム | 全乳および脱脂乳，バナナ，プルーン，レーズン，肉など多くの食品 | 筋収縮，神経伝達，細胞内の酸塩基平衡，体液バランス |
マグネシウム | 葉物類，ナッツ，シリアル，穀類，魚介類 | 骨と歯の形成，神経伝達，筋収縮，酵素の活性化 |
ナトリウム | 牛肉，豚肉，イワシ，チーズ，グリーンオリーブ，コーンブレッド，ポテトチップス，ザワークラウトなど多くの食品 | 血液および細胞内の酸塩基平衡，浸透圧，筋収縮，神経伝達，細胞膜における濃度勾配の維持 |
リン | 牛乳，チーズ，肉，鶏肉，魚，シリアル，ナッツ，豆類 | 骨と歯の形成，血液および細胞内の酸塩基平衡，エネルギー産生 |
推奨される多量栄養素の食事摂取基準*，米国アカデミー，医学研究所，食品栄養委員会（Food and Nutrition Board, Institute of Medicine of the National Academies）
カテゴリー | 年齢または期間（年） | タンパク質（g/kg） | エネルギー（kcal/kg） | カルシウム（mg/kg） | リン（mg/kg） | マグネシウム（mg/kg） |
|---|---|---|---|---|---|---|
乳児 | 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 | |
小児 | 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 | |
妊婦 | — | 0.9 | 4.6 | 18.5 | 18.5 | 4.9 |
授乳 | 初年 | 1.0 | 7.9 | 19.0 | 19.0 | 5.4 |
*これらの量は，期間内の平均1日摂取量として表されており，通常の環境ストレス下で米国に居住する大部分の健常者における個人差に対応することを意図している。 | ||||||
水
水は消費エネルギー1kcal当たり1mL（0.24mL/kJ）が必要であり，約2500mL/日を要するため，多量栄養素と考えられている。必要量は，体温，身体活動，ならびに気候および湿度の変化に伴い変化する。総水分量の目安量は，女性で2.7L，男性で3.7Lである。
多量栄養素に関する参考文献
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
微量栄養素
ビタミンおよび必要量がごく微量のミネラル（微量ミネラル）は微量栄養素である。
水溶性ビタミンは，ビタミンC（アスコルビン酸）およびビタミンB複合体の8つ：ビオチン，葉酸，ナイアシン，パントテン酸，リボフラビン（ビタミンB2），チアミン（ビタミンB1），ビタミンB6（ピリドキシン），およびビタミンB12（コバラミン）である。
脂溶性ビタミンは，ビタミンA（レチノール），D（コレカルシフェロールおよびエルゴカルシフェロール），E（α-トコフェロール），およびK（フィロキノンおよびメナキノン）である。
ビタミンA，E，およびB12のみが，ある程度体内に蓄積される；他のビタミンは組織の健康を保持するために定期的に摂取する必要がある。
必須微量ミネラルとしては，クロム，銅，ヨウ素，鉄，マンガン，モリブデン，セレン，亜鉛などがある。クロム以外はそれぞれ，代謝に必要な酵素またはホルモンに組み込まれる。食糧不安の割合が低い国においては，鉄と亜鉛を除く微量ミネラルの欠乏症はまれである。
他のミネラル（例，アルミニウム，ヒ素，ホウ素，コバルト，フッ素，ニッケル，ケイ素，バナジウム）は，ヒトにとって必須であることは立証されていない。フッ素は，必須ではないが，カルシウムとの化合物（フッ化カルシウム［CaF2］）（歯のミネラル基質を安定させる）を生成することによって齲蝕の予防に役立つ。
いずれの微量ミネラルも高濃度では有毒であり，一部（ヒ素，ニッケル，およびクロム）はがんを引き起こす可能性がある。
その他の食物中の物質
日常のヒトの食事には通常10万種類もの化学物質（例，コーヒーには1000種類）が含まれている。これらのうち300種類のみが栄養素であり，その中の一部のみが必須栄養素である。しかし，食物中の非栄養素の多くは有用である。例えば，食品添加物（例，保存剤，乳化剤，酸化防止剤，安定化剤）は食品の製造および安定性を改善する。微量成分（例，香辛料，調味料，香料，着色料，フィトケミカル，その他多くの天然物）は食品の外観および味を向上させる。
加工食品，オーガニック食品，および遺伝子組換え食品
加工食品
米国農務省（US Department of Agriculture：USDA）は，加工食品を，未加工の農産物に対して洗浄，清掃，製粉，切断，細断，加熱，低温殺菌，漂白，加熱調理，缶詰，冷凍，乾燥，脱水，混合，包装，または食品を自然の状態から変化させるその他の何らかの処置が施されたものと定義している。この定義に基づくと，実質的に全ての食品がある程度加工されている。しかしながら，現代の食品加工では，食品から栄養素が取り除かれるものもある。例えば，製粉によって穀物からふすまおよび胚芽が取り除かれるため，食物繊維，鉄，および多くのビタミンB群が取り除かれる。加工では添加物が添加されることも多く，例えば防腐剤（例，安息香酸塩，ソルビン酸塩，亜硝酸塩，亜硫酸塩，クエン酸），人工着色料，香料，甘味料，安定化剤，乳化剤，合成ビタミンおよびミネラルのほか，塩，グルタミン酸ナトリウム（MSG），糖，脂肪，および精製油といったその他の添加物が添加される。食品添加物の中には，特に小児に悪影響を及ぼすものもある。
超加工食品（例，甘い菓子，塩分の多いスナック類，加糖飲料，インスタント食品，ファストフード）はますます一般的になってきており，多くの国で食料供給の半分近くを占めている。それらは安価な原材料（不健康な脂肪，精製された穀物およびデンプン，添加された糖類および塩など）で作られ，安価で非常に味を良くし保存期間を伸ばすために，しばしば食品添加物（人工着色料，香料，防腐剤など）と併用される。大抵のものは，ホールフードをほとんどまたは全く含んでいない。このような食品は過食と体重増加を促進し，有益な栄養素の供給量は比較的不足しているため，インスリン抵抗性やその他の疾患（例，冠動脈疾患，うつ病，過敏性腸症候群，がん，さらには早期死亡）のリスクを増大させる。
オーガニック食品
オーガニック食品がUSDA認証オーガニックであると表示されるには，土壌の質，動物飼育法，病害虫と雑草の防除，添加物の使用など多くの要素を扱った連邦ガイドラインに従って育てられ加工されなければならない。例えば，肉がオーガニックと表示されるには，動物をその自然な行動（牧草地で草を食べられることなど）に適する条件で飼育し，100％オーガニックの飼料を与えなければならず，抗菌薬またはホルモンを投与してはならない。USDAオーガニックシールの表示を受けるには，製品がオーガニック原材料を95％含んでいなければならない。
食品がオーガニックであることに起因する健康上の便益の確実性および程度は依然として不明であるが，抗菌薬が含まれていないことは抗菌薬耐性の予防に役立つ。また，合成殺虫剤は小児の自閉症，注意欠如多動症（ADHD），認知技能障害リスクを増大させる可能性がある。オーガニック食品の高いコストを抑制するために役立つ戦略の1つは，環境ワーキンググループ（Environmental Working Group：EWG）が毎年作成している殺虫剤濃度のリストを考慮に入れることであり，これには，ダーティ・ダズン（dirty dozen：他の作物より多く殺虫剤に汚染されている農産物）とクリーン15（clean fifteen：残留農薬の量が最も少ない農産物）が記載されている。
バイオ工学食品または遺伝子組換え食品
バイオ工学食品または遺伝子組換え食品とは，遺伝子組換え作物（genetically modified organism：GMO）を含む食品である。世界保健機関（World Health Organization：WHO）によると，これらの食品には研究室の技術によって改変された，従来の育種法では作製できず自然界にも存在しないDNAが含まれている。遺伝子組換え食品は1990年代初頭から米国の食品供給に含まれており，そのヒトおよび動物における安全性は米国食品医薬品局（Food and Drug Administration：FDA），米国環境保護庁（Environmental Protection Agency：EPA），および米国農務省（USDA）によって監視されている。
2022年1月から，食品にはバイオ工学食品であるか否かを示す表示が義務づけられる。これらの食品は，広く用いられる原材料であることが多く，特定が困難な場合がある。
バイオ工学食品を摂取してもヒトの健康にリスクはないが，食品安全を提唱する団体は，アレルギーの発生（導入されたDNAがアレルゲン性食品から採取されたものである場合）や，改変された抗菌薬耐性遺伝子を理論的にはヒトの消化管に導入する可能性がある除草剤耐性作物を摂取したことで生じる抗菌薬耐性などの懸念を提起している。WHOは，このような抗菌薬耐性のリスクは非常に小さいが，無意味ではないと述べている。
より詳細な情報
US Department of Health and Human Services and US Department of Agriculture: Dietary Guidelines for Americans, 2020-2025
