Пищевая энергия – это химическая энергия , которую животные (включая людей ) получают из пищи для поддержания своего обмена веществ , включая мышечную активность. [1]
Большинство животных получают большую часть своей энергии из аэробного дыхания , а именно, объединяя углеводы , жиры и белки с кислородом из воздуха или растворенными в воде . [2] Другие более мелкие компоненты рациона, такие как органические кислоты , полиолы и этанол (питьевой алкоголь), могут способствовать поступлению энергии. Некоторые компоненты рациона , которые обеспечивают мало или вообще не обеспечивают пищевую энергию, такие как вода , минералы , витамины , холестерин и клетчатка , могут все еще быть необходимы для здоровья и выживания по другим причинам. Некоторые организмы вместо этого имеют анаэробное дыхание , которое извлекает энергию из пищи с помощью реакций, не требующих кислорода.
Содержание энергии в данной массе пищи обычно выражается в метрической (СИ) единице энергии, джоуле (Дж), и ее кратном килоджоуле (кДж); или в традиционной единице тепловой энергии, калориях (кал). В контексте питания последняя часто (особенно в США) является «большим» вариантом единицы, также записываемым как «калория» (с символом Cal, оба с заглавной «C») или «килокалория» (ккал), и эквивалентна 4184 Дж или 4,184 кДж. [3] Так, например, жиры и этанол имеют наибольшее количество пищевой энергии на единицу массы, 37 и 29 кДж/г (9 и 7 ккал/г) соответственно. Белки и большинство углеводов имеют около 17 кДж/г (4 ккал/г), хотя между разными видами есть различия. Например, значения для глюкозы, сахарозы и крахмала составляют 15,57, 16,48 и 17,48 килоджоулей на грамм (3,72, 3,94 и 4,18 ккал/г) соответственно. Различная плотность энергии продуктов (жиров, спиртов, углеводов и белков) заключается в основном в их различных пропорциях атомов углерода, водорода и кислорода. Углеводы, которые плохо усваиваются, такие как клетчатка или лактоза у людей с непереносимостью лактозы , вносят меньший вклад в пищевую энергию. Полиолы (включая сахарные спирты ) и органические кислоты вносят 10 кДж/г (2,4 ккал/г) и 13 кДж/г (3,1 ккал/г) соответственно. [4]
Энергетическая ценность сложного блюда или обеда может быть приблизительно оценена путем сложения энергетической ценности его компонентов.
Первые определения энергетической ценности пищи были сделаны путем сжигания высушенного образца в калориметрической бомбе и измерения изменения температуры воды, окружающей аппарат, метод, известный как прямая калориметрия . [5]
Однако прямой калориметрический метод обычно переоценивает фактическую энергию, которую организм может получить из пищи, поскольку он также учитывает энергетическое содержание пищевых волокон и других неперевариваемых компонентов и не учитывает частичное усвоение и/или неполный метаболизм определенных веществ. По этой причине сегодня энергетическое содержание пищи вместо этого определяется косвенно, с помощью химического анализа для определения количества каждого перевариваемого диетического компонента (такого как белки, углеводы и жиры) и добавления соответствующего энергетического содержания пищи, ранее полученного путем измерения метаболического тепла, выделяемого организмом. [6] [7] В частности, исключается содержание клетчатки. Этот метод известен как модифицированная система Этуотера , в честь Уилбура Этуотера , который был пионером этих измерений в конце 19 века. [1] [8]
Позднее система была усовершенствована Аннабель Меррилл и Бернис Уотт из Министерства сельского хозяйства США , которые разработали систему, в которой были предложены конкретные коэффициенты пересчета калорий для различных продуктов питания. [9]
Типичный рацион человека состоит в основном из углеводов, жиров, белков, воды, этанола и неперевариваемых компонентов, таких как кости , семена и волокна (в основном целлюлоза ). Углеводы, жиры и белки обычно составляют девяносто процентов сухого веса пищи. [10] Жвачные животные могут извлекать пищевую энергию из дыхания целлюлозы благодаря бактериям в их рубце , которые разлагают ее на перевариваемые углеводы.
Другими второстепенными компонентами рациона человека, которые вносят вклад в его энергетическую ценность, являются органические кислоты, такие как лимонная и винная , и полиолы, такие как глицерин , ксилит , инозитол и сорбит .
Некоторые питательные вещества играют регуляторную роль, на которую влияет клеточная сигнализация , в дополнение к обеспечению организма энергией. [11] Например, лейцин играет важную роль в регуляции белкового обмена и подавляет аппетит человека. [12] Небольшие количества незаменимых жирных кислот , входящих в состав некоторых жиров, которые не могут быть синтезированы организмом человека, используются (и необходимы) для других биохимических процессов.
Приблизительное содержание энергии в различных компонентах рациона человека, которое должно использоваться в маркировке упаковки в соответствии с правилами ЕС [13] и Великобритании [14] , составляет:
(1) Некоторые полиолы, такие как эритрит , не перевариваются и должны быть исключены из подсчета.
(2) Эта запись существует в правилах ЕС 2008 года [13] , но не в правилах Великобритании, согласно которым волокна не учитываются. [14]
Более подробные таблицы для конкретных продуктов питания были опубликованы многими организациями, например, Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций также опубликовала похожую таблицу. [3]
Другие компоненты рациона человека либо некалорийны, либо обычно потребляются в столь малых количествах, что ими можно пренебречь.
Энергия пищи, фактически полученная при дыхании, используется организмом человека для широкого спектра целей, включая основной обмен веществ различных органов и тканей, поддержание внутренней температуры тела и применение мышечной силы для поддержания позы и создания движения. Около 20% используется для метаболизма мозга. [3]
Эффективность преобразования энергии дыхания в мышечную (физическую) силу 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, доступной при дыхании, преобразуется в механическую энергию. [15] Эта низкая эффективность является результатом примерно 40 % эффективности генерации АТФ при дыхании пищей, потерь при преобразовании энергии из АТФ в механическую работу внутри мышцы и механических потерь внутри тела. Последние две потери зависят от типа упражнений и типа используемых мышечных волокон (быстро сокращающиеся или медленно сокращающиеся). Для общей эффективности 20 % один ватт механической мощности эквивалентен 18 кДж/ч (4,3 ккал/ч). Например, производитель гребного оборудования показывает, что калории, высвобождаемые при «сжигании» пищи, в четыре раза превышают фактическую механическую работу, плюс 1300 кДж (300 ккал) в час, [16] что составляет около 20% эффективности при 250 Вт механической мощности. Может потребоваться до 20 часов небольшой физической нагрузки (например, ходьба), чтобы «сжечь» на 17 000 кДж (4000 ккал) [17] больше, чем организм потреблял бы в противном случае. Для справки, каждый килограмм жира в организме примерно эквивалентен 32 300 килоджоулям пищевой энергии (т. е. 3500 килокалорий на фунт или 7700 килокалорий на килограмм). [18]
Многие страны и организации здравоохранения опубликовали рекомендации по здоровому уровню ежедневного потребления пищевой энергии. Например, правительство США оценивает потребность в 8400 и 10900 кДж (2000 и 2600 ккал) для женщин и мужчин соответственно в возрасте от 26 до 45 лет, общая физическая активность которых эквивалентна ходьбе на расстояние от 2,5 до 5 км ( 1+1 ⁄ 2 до 3 миль) в день в дополнение к деятельности, связанной с сидячим образом жизни. Эти оценки даны для «эталонной женщины» ростом 1,63 м (5 футов 4 дюйма) и весом 57 кг (126 фунтов) и «эталонного мужчины» ростом 1,78 м (5 футов 10 дюймов) и весом 70 кг (154 фунта). [19] Поскольку потребность в калориях зависит от роста, активности, возраста, статуса беременности и других факторов, Министерство сельского хозяйства США создало Калькулятор DRI для медицинских работников, чтобы определить индивидуальные потребности в калориях. [20] [21]
По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций , средняя минимальная потребность в энергии на человека в день составляет около 7500 кДж (1800 ккал). [22] Хотя США со временем изменились из-за роста населения и потребления обработанных пищевых продуктов или продуктов питания в целом, американцы сегодня имеют в своем распоряжении примерно тот же уровень калорий, что и старшее поколение. [1]
Пожилым людям и тем, кто ведет малоподвижный образ жизни, требуется меньше энергии; детям и физически активным людям требуется больше. Признавая эти факторы, Национальный совет по здравоохранению и медицинским исследованиям Австралии рекомендует различное ежедневное потребление энергии для каждой возрастной и гендерной группы. [23] Тем не менее, этикетки с информацией о питании на австралийских продуктах питания обычно рекомендуют среднее ежедневное потребление энергии в размере 8800 кДж (2100 ккал).
Минимальное потребление энергии пищи также выше в холодных условиях. Повышенная умственная активность связана с умеренно повышенным потреблением энергии мозга . [24]
Многие правительства требуют от производителей продуктов питания маркировать энергетическую ценность своих продуктов, чтобы помочь потребителям контролировать потребление энергии. Чтобы облегчить оценку потребителями, энергетическая ценность продуктов питания (и другие питательные свойства) на этикетках или в таблицах часто указывается для удобного количества продуктов, а не на грамм или килограмм; например, в «калориях на порцию» или «ккал на 100 г» или «кДж на упаковку». Единицы измерения различаются в зависимости от страны: