Вміст енергії в їжі

Вуглеводи, жири та білки складаються з органічних будівельних блоків:

Вуглеводи: глюкоза/фруктоза
Жири: гліцерин/жирні кислоти
Білки: амінокислоти

Під час травлення в шлунку і особливо в тонкому кишечнику три поживні речовини розщеплюються на свої будівельні блоки. Потім крохмаль розщеплюється на глюкозу, жири - на гліцерин і жирні кислоти, а білки - на амінокислоти. Ці будівельні блоки досить малі, щоб їх можна було реабсорбувати. Під час цієї резорбції дрібні будівельні блоки потрапляють у кров, а звідти - в клітини-мішені. Потім більшість цих будівельних блоків розщеплюються далі в клітинах-мішенях, а саме на вуглекислий газ та воду.

Наприклад, молекули глюкози в цьому розпаді проходять три важливі стадії:

Спочатку молекули глюкози розпадаються при гліколізі на дві менші молекули, кожна з яких складається з трьох атомів С і декількох атомів Н і О.

Потім ці тіла С3 розщеплюються на діоксид вуглецю та водень у циклі лимонної кислоти (цикл лимонної кислоти). Вуглекислий газ потрапляє в кров, звідти в легені і остаточно видихається. Водень зв’язаний з певними транспортними молекулами, а потім досягає мітохондрій, електростанцій клітини.

Тут починається третя фаза. Хімічно зв’язаний водень реагує з киснем, який ми вдихнули. Кисень потрапляє в легені і в альвеолах переходить у кров. За допомогою гемоглобіну, транспортної молекули, він транспортується до клітин-мішеней і там досягає мітохондрій. Там кисень вступає в реакцію з воднем, який все ще зв’язаний з транспортуванням молекул. Вода створюється. Потім ми знову видихаємо цю воду, ви це помічаєте, наприклад, коли ваші окуляри знову туманяться, тому що ви дихаєте через захисну маску.

Нісенітниця накопиченої енергії

В Інтернеті чи в літературі часто читають, що такі органічні молекули, як глюкоза, зберігають у своїх зв’язках багато енергії, яка потім виділяється під час дихання (= гліколіз + цикл лимонної кислоти + дихальний ланцюг).

Хімічно це не зовсім правильно. Правильно, що між атомами вуглецю, атомами водню та атомами кисню органічних сполук існують сильні хімічні зв’язки, так звані електронно-парні зв’язки. Однак для розриву таких зв’язків потрібно витратити енергію. При розриві зв'язку між двома атомами вуглецю в молекулі глюкози енергія не виділяється, навпаки, мені доводиться витрачати велику кількість енергії.

Але чому при окисленні глюкози виділяється багато енергії? Давайте розглянемо рівняння простої реакції

$ C_H_O_ + 6 \ O_ \ до 6 \ CO_ + 6 \ H_O \ \ \ \ Дельта H = -2822 кДж/моль $

Коли окислюється 1 моль глюкози (приблизно 180 грам), виділяється величезна сума 2822 кДж енергії. Якщо розділити цю суму на 180, ви отримаєте 15,7 кДж/г.

Однак ця енергія не міститься в зв'язках молекули глюкози, а виникає, коли утворюються сполуки вода і вуглекислий газ.

Коли хімічний зв’язок «розпадається», потрібно витратити певну кількість енергії, так звану енергію дисоціації зв’язку. Якщо, навпаки, утворюється новий хімічний зв’язок, ця енергія звільняється.

Давайте розглянемо звичайний C-C одинарний зв’язок. Для того, щоб "розірвати" такий зв'язок, потрібна кількість енергії приблизно 350 кДж/моль. Зв'язок C-H дещо стабільніший; його розрив коштує близько 410 кДж/моль.

Тепер давайте подивимося, яка кількість енергії виділяється, коли утворюються подвійні зв’язки C = O, тобто коли утворюються молекули CO2: 745 кДж/моль. І коли молекули води утворюються, приблизно 460 кДж/моль вивільняється для зв’язків O-H.

При утворенні 6 H2O і 6 CO2 виділяється набагато більше енергії, ніж потрібно для "розриву" зв'язків молекули глюкози. Тому в процесі окислення глюкози виділяється велика кількість енергії. Не тому, що зв’язки молекули глюкози «містять» багато енергії, а тому, що при утворенні води та вуглекислого газу виділяється багато енергії.

Вміст енергії

Під "енергетичним вмістом" або "теплотворною здатністю" поживної речовини розуміють ентальпію реакції, яка виділяється при спалюванні цієї поживної речовини з утворенням вуглекислого газу та води.

Цей енергетичний вміст вимірюється в джоулях або в тисячу разів більше, в кілоджоулях, або коротше в кДж. Визначення терміна "джоуль" є досить фізичним і непростим для розуміння; Кращим є визначення давно застарілого, але все ще часто використовуваного одиниці енергії калорійних калорій або кілокалорій ккал.

1 кілокалорія - це кількість енергії, необхідна для нагрівання 1 літра або 1 кг води від 14,5ºC до 15,5ºC.

Це визначення досить легко зрозуміти, тим більше, що воно також є основою для вимірювання енергії поживних речовин та інших хімічних сполук.

Вказівка температури "від 14,5 ºC до 15,5 ºC" має важливе значення, оскільки "кількість тепла, необхідного для нагрівання 1 г води, дещо змінюється при більш високих або нижчих температурах" (Römpp Chemie Lexikon, ключове слово "калорія").

Потім потрібно пам’ятати таке коротке визначення:

1 ккал = 4,184 кДж

Для повсякденного життя також достатньо, якщо ви пам’ятаєте коефіцієнт 4,2, 1 ккал = 4,2 кДж.

калориметр

Як Ви вимірюєте вміст енергії в їжі? Точно зважена кількість поживної речовини, наприклад 0,1 г глюкози, вводиться в пристрій, який відповідає легко запам’ятовуваному калориметру. Потім ця поживна речовина спалюється в камері, повністю оточеній водою. Щоб полегшити це, ця камера наповнена чистим киснем. Досить однієї іскри від електричного займання і поживна речовина згоряє. Енергія реакції, що виділяється при цьому повному згорянні, направляється в навколишню воду. І тоді ви використовуєте визначення калорії. Ви можете точно виміряти, наскільки сильно нагрівається вода при цьому згорянні. Те, як саме працює цей розрахунок, тут не повинен цікавити додатково. Однак обґрунтування тепер має бути чітким.

Простий ескіз калориметра бомби.
Малюнок у відкритому доступі користувача Lanzi. Зі статті Вікіпедії Бомбовий калориметр.

Фізична теплотворна здатність

Якщо ви спалюєте 1 г вуглеводів у такому калориметрі, ви можете виміряти вихід енергії рівно 17,2 кДж. З 1 г білка ви отримуєте 23,4 кДж, а з 1 г жиру навіть 38,9 кДж. Тож із трьох поживних речовин жир є найбільш енергійним.

Фізична теплотворна здатність = кількість енергії, що виділяється при спалюванні 1 г сполуки.

Ці значення, звичайно, є середніми значеннями, які були визначені в багатьох сотнях індивідуальних експериментів. Калорійність різних вуглеводів дещо відрізняється одна від одної, як і калорійність різних білків і жирів. Спирт також має теплотворну здатність, якою не можна нехтувати, а саме 29,0 кДж/г.

Фізіологічна теплотворна здатність

У таблицях поживних речовин, в яких хтось любить шукати, чи можна ще дозволити собі шматок пирога, також вказані калорійності харчових продуктів. Однак тут ви знайдете не фізичну калорійність, а фізіологічну калорійність. Фізіологічні показники калорійності завжди нижчі, ніж фізичні, оскільки використання споживаної їжі завжди призводить до втрат, частково через утворення калу, частково через утворення сечі, а частково через виділення тепла під час травлення. Детальніше див. У "Рівні рекуперації енергії".

Що стосується вуглеводів і жирів, то фізіологічна теплотворна здатність приблизно відповідає фізичній. Клітини нашого тіла майже повністю спалюють вуглеводи та жири на вуглекислий газ та воду - подібно до згоряння в калориметрі.

Але з білками виглядає інакше. Білки не спалюються на 100% в діоксиді вуглецю та воді, але при окисненні білків утворюються інші органічні сполуки, які самі ще мають певну теплотворну здатність. В основному це пов’язано з азотом, що міститься в амінокислотах білків; Азот не може легко окислюватися.

Таким чином, фізіологічна теплотворна здатність білків нижча за фізичну теплотворну здатність. 100% білків спалюється в калориметрі, але не в організмі людини. Таким чином, фізіологічна теплотворна здатність білків становить 17 кДж/г, що приблизно відповідає такому, як у вуглеводів.

Фізіологічна теплотворна здатність

Вуглеводи: 17,2 кДж/г
Білки: 17,2 кДж/г.
Жири: 37 кДж/г.

Найкраще вивчати ці цінності напам'ять, вони потрібні знову і знову при аналізі їжі та щоденних планах.

Ви повинні бути обережними з калорійністю жирів. У деяких книгах теплотворна здатність жирів подана як 38,9 кДж/г. Але це, мабуть, фізична теплотворна здатність. За Шліпером, фізіологічна теплотворна здатність жирів становить 37,0 кДж/г. Відповідно, жири не використовуються на 100% у нашому організмі.

Пекло клейкого ведмедя

Калорійність харчових продуктів можна дуже гарно продемонструвати за допомогою вражаючого експерименту "Пекло клейкого ведмедя", про який на YouTube є багато відео. Це відео мені особливо сподобалось.

Як експеримент: пробірку, яку важко розплавити, заповнюють хлоратом калію (приблизно 2 см заввишки), який потім розплавляють пальником (спусковий механізм, захисний екран, може бути дуже небезпечним!). Якщо хлорат калію рідкий, у пробірку поміщають клейкого ведмедика.

Після короткої затримки, можливо, на 1 секунду, починається дуже бурхлива хімічна реакція (див. Відео), під час якої виділяється надзвичайно велика кількість тепла.

Навчальний матеріал

Внутрішні посилання:

31.07.2015: Сторінку створено
6 липня 2017 р .: адаптовано до нової таблиці стилів, трохи додано вміст.
12.12.2019: Виправлено помилку, на яку мені вказав пан Рольф Тіме, та додав деяку інформацію.
28.08.2020: Сторінка сильно перероблена.