Пищевая энергия

Пищевая энергия - это химическая энергия, которую животные (включая человека ) получают из пищи и молекулярного кислорода ^[1] в процессе клеточного дыхания . Клеточное дыхание включает в себя либо процесс соединения кислорода из воздуха с молекулами пищи (аэробное дыхание), либо процесс реорганизации атомов внутри молекул ( анаэробное дыхание ).

Людям и другим животным требуется минимальное потребление пищевой энергии для поддержания метаболизма и работы мышц. Пища состоит в основном из углеводов , жиров , белков , воды , витаминов и минералов . Углеводы, жиры, белки и вода составляют практически весь вес пищи, а витамины и минералы составляют лишь небольшой процент веса. (Углеводы, жиры и белки составляют девяносто процентов от сухой массы пищевых продуктов. ^[2] ) Организмы получают пищевую энергию из углеводов, жиров и белков, а также из органических кислот , полиолов иэтанол присутствует в рационе. ^[3] Некоторые компоненты диеты, которые обеспечивают мало или совсем не дают энергии, такие как вода, минералы, витамины, холестерин и клетчатка, могут быть необходимы для здоровья и выживания по другим причинам. Вода, минералы, витамины и холестерин не расщепляются (они используются организмом в том виде, в котором они усваиваются) и поэтому не могут быть использованы для получения энергии. Клетчатка, один из видов углеводов, не может полностью усваиваться человеческим организмом. Жвачные животные могут извлекать пищу из дыхания целлюлозы благодаря бактериям в их рубцах .

Используя Международную систему единиц , исследователи измеряют энергию в джоулях (Дж) или в ее кратных величинах ; кДж (кДж) чаще всего используется для величин , связанных с питанием. Более старая метрическая системная единица измерения энергии, все еще широко используемая в контексте питания, - это калория ; точнее, «калорийность пищи», «большая калория» или килокалория (ккал или Cal), равная 4,184 килоджоулей. (Сравните «малую калорию» (кал.), Равную 1/1000 пищевой калории, которая часто используется в химии и физике .) В Европейском союзе и килокалории («ккал»), и килоджоуль («кДж» ") появился наэтикетки с питанием . Во многих странах отображается только одна из единиц; в США и Канаде на этикетках указывается единица измерения как «калория» или «калория».

Жиры и этанол имеют наибольшее количество пищевой энергии на массу, 37 и 29 кДж / г (8,8 и 6,9 ккал / г) соответственно. Белки и большинство углеводов содержат около 17 кДж / г (4,1 ккал / г). Различная плотность энергии продуктов (жиры, спирты, углеводы и белков) лежит , главным образом , в своих различных пропорциях углерода, водород и атомы кислорода: Для продуктов питания элементного состава С _с Н _ч О _О Н _п , теплота сгорания , лежащая в основе пищевой энергии составляет 100 ккал / г ( с + 0,3 ч - 0,5 о ) / (12 с + ч + 16 о +14 н ) с хорошим приближением (± 3%).^[1] Углеводы, которые трудно усваиваются, такие как клетчатка или лактоза у людей с непереносимостью лактозы, вносят меньше энергии в пищу. Полиолы (включая сахарные спирты ) и органические кислоты вносят вклад в 10 кДж / г (2,4 ккал / г) и 13 кДж / г (3,1 ккал / г) соответственно. ^[4] Количество воды, жира и клетчатки в пище определяет ее энергетическую плотность.

Теоретически можно было бы измерить энергию пищи по-разному, используя, скажем, свободную энергию Гиббса сгорания или количество АТФ, генерируемого при метаболизме пищи. Однако принято использовать теплоту реакции окисления, при этом получаемое водное вещество находится в жидкой фазе. Обычная пищевая энергия основана на теплоте сгорания в калориметре бомбы и поправках, которые учитывают эффективность переваривания и абсорбции, а также выработку мочевины и других веществ с мочой. Американский химик Уилбур Этуотер разработал эти поправки в конце 19 века. ^[5] (См. Систему Atwater для более подробной информации.)

Каждый продукт питания имеет определенное потребление метаболизируемой энергии (MEI). Это значение можно приблизительно определить, умножив общее количество энергии, связанной с продуктом питания, на 85%, что является типичным количеством энергии, фактически получаемой человеком после завершения дыхания. ^{[ необходима цитата ]} В питании животных, где энергия является критическим элементом экономики производства мяса, исследователи могут определить конкретную метаболизируемую энергию для каждого компонента (белка, жира и т. д.) каждого ингредиента корма.

Этикетки с питанием [ править ]

Многие правительства требуют от производителей продуктов питания маркировать содержание энергии в своих продуктах, чтобы помочь потребителям контролировать потребление энергии. ^[6] В Европейском Союзе производители упакованных пищевых продуктов должны указывать питательную ценность своих продуктов как в килокалориях, так и в килоджоулей, когда это необходимо. В Соединенных Штатах на эквивалентных обязательных этикетках отображается только «Калории» ^[7], часто вместо названия измеряемой величины, пищевой энергии; дополнительная цифра в килоджоулей не является обязательной и используется редко. В Австралии и Новой Зеландии энергия пищи должна быть указана в килоджоулях (и, возможно, также в килокалориях), а другая информация о пищевой энергии аналогичным образом передается в килоджоулях. ^{[8] [9]}Энергия, получаемая при вдыхании пищи, обычно указывается на этикетках для 100 г, для типичного размера порции (согласно данным производителя) и / или для всего содержимого упаковки. ^{[ необходима цитата ]}

Количество пищевой энергии, связанной с конкретной пищей, можно было измерить путем полного сжигания высушенной пищи в калориметре бомбы , метод, известный как прямая калориметрия . ^[10] Однако значения, указанные на этикетках пищевых продуктов, не определены таким образом. Причина этого в том, что прямая калориметрия также сжигает пищевые волокна и, следовательно, не учитывает каловые потери; таким образом, прямая калориметрия дает систематические завышенные оценки количества топлива, которое фактически попадает в кровь через пищеварение. Вместо этого используются стандартизированные химические тесты или анализ рецептуры с использованием справочных таблиц для общих ингредиентов ^[11] для оценки усвояемых компонентов продукта ( белок, углеводы , жиры и т. д.). Затем эти результаты преобразуются в эквивалентное значение энергии на основе следующей стандартизированной таблицы плотностей энергии. ^{[4] [12]} Однако термин «плотность энергии» вводит в заблуждение, поскольку он еще раз предполагает, что энергия содержится в конкретной пище, тогда как это просто означает, что пища с «высокой плотностью» требует больше кислорода во время дыхания, что приводит к большей передаче энергии. . ^{[1] [13]}

Обратите внимание, что следующая стандартизированная таблица плотностей энергии ^[12] является приблизительной, и значение в кДж / г не преобразуется точно в ккал / г с использованием коэффициента преобразования.

Все остальные питательные вещества в пище не калорийны и поэтому не учитываются.

Рекомендуемая суточная доза [ править ]

Повышенная умственная активность связана с умеренно повышенным потреблением энергии мозгом . ^[14] Пожилым людям и тем, кто ведет малоподвижный образ жизни, требуется меньше энергии; детям и физически активным людям нужно больше.

Рекомендации в Соединенных Штатах, 2600 и 2000 ккал (10900 и 8400 кДж) для мужчин и женщин (соответственно) между 31 и 35, на физическом уровне , эквивалентном активности в ходьбе от около 2 до 5 км ( 1 ¹ / ₂  до 3 мили) в день со скоростью от 5 до 6 км / ч (от 3 до 4 миль в час) в дополнение к легкой физической активности, связанной с обычной повседневной жизнью, ^[15] с французскими рекомендациями, предполагающими примерно такие же уровни. ^[16]

Признавая, что люди разных возрастных и гендерных групп имеют разные уровни повседневной активности, Австралийский национальный совет по здравоохранению и медицинским исследованиям не рекомендует единого ежедневного потребления энергии, а вместо этого предписывает соответствующие рекомендации для каждой возрастной и гендерной группы. ^[17] Несмотря на это, на этикетках австралийских пищевых продуктов обычно рекомендуется среднесуточное потребление энергии 2100 ккал (8 800 кДж).

По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации из Организации Объединенных Наций , в среднем требуется минимум энергии на человека в день составляет около 7500 кДж (1800 ккал). ^[18]

Список стран по потребляемой энергии [ править ]

Использование энергии в человеческом теле [ править ]

Человеческое тело использует энергию, выделяемую при дыхании, для самых разных целей: около 20% энергии используется для метаболизма мозга, а большая часть остальной части используется для удовлетворения основных метаболических потребностей других органов и тканей. В холодных условиях метаболизм может увеличиваться просто для выработки тепла для поддержания температуры тела. Одним из разнообразных способов использования энергии является производство механической энергии скелетными мышцами для поддержания осанки и движения.

Эффективность преобразования энергии дыхания в механическую (физическую) мощность зависит от типа пищи и типа использования физической энергии (например, какие мышцы используются, используются ли мышцы аэробно или анаэробно ). В целом эффективность мышц довольно низкая: только 18–26% энергии, получаемой от дыхания, преобразуется в механическую энергию. ^[19] Такой низкий КПД является результатом около 40% эффективности производства АТФ.от дыхания пищи, потерь на преобразование энергии из АТФ в механическую работу внутри мышц и механических потерь внутри тела. Последние две потери зависят от типа упражнений и типа используемых мышечных волокон (быстро или медленно сокращающиеся). Однако изменения в структуре потребляемого материала могут вызвать изменения в количестве энергии, которое может быть получено из пищи; т.е. калорийность зависит от площади поверхности и объема пищи. При общей эффективности 20% один ватт механической мощности эквивалентен 4,3 ккал (18 кДж) в час. Например, производитель оборудования для гребли показывает количество калорий, высвобождаемых при «сжигании» пищи, в четыре раза больше фактической механической работы, плюс 300 ккал (1300 кДж) в час ^[20].что составляет около 20% эффективности при механической мощности 250 Вт. Может потребоваться до 20 часов небольшой физической нагрузки (например, ходьба), чтобы «сжечь» на 4000 ккал (17000 кДж) ^[21] больше, чем в противном случае потребляло бы тело. Для справки, каждый килограмм телесного жира примерно эквивалентен 32 300 килоджоулей пищевой энергии (то есть 3500 килокалорий на фунт). ^[22]

Кроме того, качество калорий имеет значение, потому что скорость поглощения энергии разными продуктами с одинаковым количеством калорий может различаться. ^{[ необходима цитата ]} Некоторые питательные вещества играют регулирующую роль, на которую влияет передача сигналов клеток , в дополнение к обеспечению организма энергией. ^[23] Например, лейцин играет важную роль в регуляции метаболизма белков и подавляет аппетит человека. ^[24]

Колебания температуры тела - более высокая или более низкая - увеличивают скорость метаболизма, тем самым сжигая больше энергии. Продолжительное пребывание в очень теплой или очень холодной среде увеличивает скорость основного обмена (BMR). Люди, живущие в таких условиях, часто имеют BMR на 5–20% выше, чем в других климатических условиях. ^{[ необходима цитата ]} Физическая активность также значительно увеличивает температуру тела, что, в свою очередь, использует больше энергии дыхания. ^{[ необходима цитата ]}

См. Также [ править ]

• Водная система
• Базальная скорость метаболизма
• Калорийность
• Химическая энергия
• Пищевая цепочка
• Состав пищи
• Теплота сгорания
• Этикетка с информацией о пищевой ценности
• Таблица пищевых питательных веществ

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Документ ФАО по продовольствию и питанию 77: Пищевая энергия - методы анализа и коэффициенты пересчета
• Калория - это калория?