Енергийно съдържание на храната

Въглехидратите, мазнините и протеините се състоят от органични градивни елементи:

Въглехидрати: глюкоза/фруктоза
Мазнини: глицерин/мастни киселини
Протеини: аминокиселини

По време на храносмилането в стомаха и особено в тънките черва, трите хранителни вещества се разграждат в своите градивни елементи. След това нишестето се разгражда до глюкоза, мазнините до глицерин и мастни киселини, а протеините до аминокиселини. Тези градивни елементи са достатъчно малки, за да могат да се реабсорбират. По време на тази резорбция малките градивни елементи попадат в кръвта и оттам в целевите клетки. След това повечето от тези градивни елементи се разграждат допълнително в целевите клетки, а именно на въглероден диоксид и вода.

Молекулите на глюкозата, например, преминават през три важни етапа при това разграждане:

Първо, молекулите на глюкозата се разделят на две по-малки молекули при гликолизата, всяка от които се състои от три въглеродни атома и няколко Н и О атоми.

Тогава тези тела С3 се разграждат до въглероден диоксид и водород в цикъла на лимонената киселина (цикъла на лимонената киселина). Въглеродният диоксид попада в кръвта, оттам в белите дробове и накрая се издишва. Водородът е свързан с определени транспортни молекули и след това достига до митохондриите, електроцентралите на клетката.

Третата фаза започва тук. Химически свързаният водород реагира с кислорода, който сме вдишали. Кислородът достига до белите дробове и в алвеолите преминава в кръвта. С помощта на хемоглобин, транспортна молекула, той се транспортира до целевите клетки и там достига до митохондриите. Там кислородът реагира с водорода отгоре, който все още е свързан с транспорта на молекули. Водата се създава. След това издишваме тази вода отново; забелязвате я, например, когато очилата ви се замъглят отново, защото издишвате през защитната маска.

Глупостите на съхранената енергия

Често се чете в Интернет или в литературата, че органичните молекули като глюкозата съхраняват много енергия в своите връзки, която след това се отделя по време на дишането (= гликолиза + цикъл на лимонена киселина + дихателна верига).

Химически това не е съвсем правилно. Правилно е, че съществуват силни химически връзки между въглеродните атоми, водородните атоми и кислородните атоми на органичните съединения, така наречените електронни двойки. Човек обаче трябва да изразходва енергия за разкъсване на такива връзки. Не се отделя енергия, когато прекъсна връзката между два въглеродни атома в молекулата на глюкозата, напротив, трябва да изразходвам голямо количество енергия.

Но защо се освобождава много енергия, когато глюкозата се окислява? Нека разгледаме простото уравнение на реакцията

$ C_H_O_ + 6 \ O_ \ до 6 \ CO_ + 6 \ H_O \ \ \ \ Delta H = -2822 kJ/mol $

Когато 1 mol глюкоза се окисли (приблизително 180 грама), се освобождава огромната сума от 2 822 kJ енергия. Ако разделите тази сума на 180, ще получите 15,7 kJ/g.

Тази енергия обаче не се съдържа в връзките на молекулата на глюкозата, но възниква, когато се образуват съединенията вода и въглероден диоксид.

Когато една химическа връзка се „разпада“, трябва да се изразходва количество енергия, така наречената дисоциационна енергия на връзката. Ако от друга страна се образува нова химическа връзка, тази енергия се освобождава.

Нека разгледаме нормална C-C единична връзка. За да се "разкъса" такава връзка, е необходимо количество енергия от около 350 kJ/mol. C-H връзката е малко по-стабилна; струва й около 410 kJ/mol, за да я разруши.

Сега нека видим какво количество енергия се освобождава, когато се образуват двойни връзки C = O, т.е. когато се образуват молекули CO2: 745 kJ/mol. И когато се образуват водни молекули, за O-H връзките се отделят приблизително 460 kJ/mol.

Когато се образуват 6 H2O и 6 CO2, се отделя много повече енергия, отколкото е необходимо за „разкъсване“ на връзките на молекулата на глюкозата. Следователно по време на окислението на глюкозата се отделя много енергия. Не защото връзките на молекулата на глюкозата "съдържат" много енергия, а защото много енергия се отделя по време на образуването на вода и въглероден диоксид.

Енергийно съдържание

Под "енергийно съдържание" или "калоричност" на дадено хранително вещество се разбира енталпията на реакцията, която се отделя, когато това хранително вещество се изгори, за да образува въглероден диоксид и вода.

Това енергийно съдържание се измерва в джаули или хиляда пъти това, в килоджоули или накратко kJ. Дефиницията на термина „джаул“ е обилно физическа и не е лесно разбираема; По-добро е определението за отдавна остарелите, но все още често използвани енергийни единици калории калории или килокалории ккал.

1 килокалория е количеството енергия, необходимо за нагряване на 1 литър или 1 кг вода от 14,5ºC до 15,5ºC.

Тази дефиниция е доста лесна за разбиране, особено след като тя е и основата за измерване на енергията на хранителни вещества и други химични съединения.

Спецификацията на температурата "от 14,5 ºC до 15,5 ºC" е важна, тъй като "количеството топлина, необходимо за нагряване на 1 g вода, се променя леко при по-високи или по-ниски температури" (Römpp Chemie Lexikon, ключова дума "калории").

Тогава трябва да се запомни следното кратко определение:

1 kcal = 4,184 kJ

За ежедневието също е достатъчно, ако си спомните фактора 4.2, 1 kcal = 4.2 kJ.

калориметър

Как измервате енергийното съдържание на дадена храна? Прецизно претегленото количество хранително вещество, например 0,1 g глюкоза, се поставя в устройство, което носи лесно запомнящото се име калориметър. След това това хранително вещество се изгаря в камера, напълно заобиколена от вода. За да се улесни това, тази камера е пълна с чист кислород. Една искра от електрическото запалване е достатъчна и хранителното вещество изгаря. Реакционната енергия, отделена по време на това пълно изгаряне, се насочва в околната вода. И тогава се възползвате от определението за калории. Можете да измерите колко точно водата се загрява от това изгаряне. Как точно работи това изчисление, не трябва да представлява допълнителен интерес тук. Обосновката обаче вече трябва да е ясна.

Проста скица на бомбен калориметър.
Рисунка в публично достояние от потребител Lanzi. От статията в Уикипедия Бомбен калориметър.

Физически калорични стойности

Ако изгорите 1 g въглехидрати в такъв калориметър, можете да измерите енергийната мощност от точно 17,2 kJ. С 1 g протеин получавате 23,4 kJ, а с 1 g мазнини дори 38,9 kJ. Така че от трите хранителни вещества мазнините са най-енергийните.

Физическа калоричност = количеството енергия, отделено при изгаряне на 1 g от съединението.

Тези стойности, разбира се, са средни стойности, които са определени в много стотици индивидуални експерименти. Калоричните стойности на различните въглехидрати се различават леко една от друга, както и калоричните стойности на различните протеини и мазнини. Алкохолът също има калоричност, която не може да бъде пренебрегната, а именно 29,0 kJ/g.

Физиологични калорични стойности

В хранителните таблици, в които човек обича да търси дали все още може да си позволи парчето торта, са дадени и калоричните стойности за храната. Тук обаче няма да намерите физическите калории, а физиологичните калории. Физиологичните калорични стойности винаги са по-ниски от физическите, тъй като оползотворяването на консумираната храна винаги води до загуби, отчасти поради образуването на изпражнения, отчасти поради образуването на урина, отчасти поради генерирането на топлина по време на храносмилането. За подробности вижте "Етапи на възстановяване на енергията".

При въглехидратите и мазнините физиологичните калорични стойности приблизително съответстват на физическите. Клетките на нашето тяло изгарят въглехидратите и мазнините почти напълно във въглероден диоксид и вода - подобно на изгарянето в калориметър.

Но при протеините изглежда различно. Протеините не се изгарят на 100% до въглероден диоксид и вода, но когато протеините се окислят, се образуват и други органични съединения, които все още имат определена калоричност. Това се дължи главно на азота, съдържащ се в аминокиселините в протеините; Азотът не може лесно да се окисли.

Следователно физиологичната калоричност на протеините е по-ниска от физическата калоричност. 100% от протеините се изгарят в калориметъра, но не и в човешкото тяло. Следователно физиологичната калоричност на протеините е 17 kJ/g, приблизително колкото въглехидратите.

Физиологични калорични стойности

Въглехидрати: 17,2 kJ/g
Протеини: 17,2 kJ/g
Мазнини: 37 kJ/g

Най-добре е да научите тези ценности наизуст, те са необходими отново и отново, когато анализирате храната и ежедневните планове.

Трябва да внимавате с калоричността на мазнините. В някои книги калоричността на мазнините е дадена като 38,9 kJ/g. Но това очевидно е физическата калоричност. Според Шлипер физиологичната калоричност на мазнините е 37,0 kJ/g. Съответно, мазнините не се използват на 100% в нашето тяло.

По дяволите на смолистата мечка

Калоричността на храната може да бъде демонстрирана много добре с впечатляващия експеримент „Адът на смолистата мечка“, от който има много видеоклипове в YouTube. Това видео ми хареса особено.

Като експеримент: епруветка, която е трудно да се стопи, се пълни с калиев хлорат (приблизително 2 cm висок), който след това се разтопява с горелката (спусък, защитен екран, може да бъде много опасно!). Ако калиевият хлорат е течен, в епруветката се поставя смолиста мечка.

След кратко закъснение от може би 1 секунда започва много бурна химическа реакция (виж видео), по време на която се отделя изключително голямо количество топлина.

Учебен материал

Вътрешни връзки:

31.07.2015: Страницата е създадена
6 юли 2017 г .: Адаптиран към новия лист със стилове, леко добавено съдържание.
12.12.2019: Поправих грешка, която ми посочи г-н Rolf Thieme и добави малко информация.
28.08.2020: Страницата е силно преработена.