Энергия пищи — это химическая энергия , которую животные (включая человека ) получают из пищи для поддержания своего метаболизма , включая мышечную активность. [1]
Большинство животных получают большую часть своей энергии за счет аэробного дыхания , а именно соединения углеводов , жиров и белков с кислородом воздуха или растворенным в воде . [2] Другие более мелкие компоненты рациона, такие как органические кислоты , полиолы и этанол (алкоголь), могут способствовать увеличению затрат энергии. Некоторые компоненты диеты , которые обеспечивают мало или вообще не обеспечивают пищевой энергии, такие как вода , минералы , витамины , холестерин и клетчатка , все же могут быть необходимы для здоровья и выживания по другим причинам. У некоторых организмов вместо этого имеется анаэробное дыхание , при котором энергия извлекается из пищи посредством реакций, не требующих кислорода.
Энергетическое содержание данной массы пищи обычно выражается в метрической единице энергии (СИ) — джоуле (Дж) и кратном ей килоджоуле ( кДж); или в традиционной единице тепловой энергии — калории (кал). В контексте питания последняя часто (особенно в США) является «большим» вариантом единицы, также обозначаемой «калория» (с символом «Кал», оба с большой буквы «С») или «килокалория» (ккал) и эквивалентная 4184 Дж или 4,184 кДж. [3] Так, например, наибольшее количество пищевой энергии на единицу массы имеют жиры и этанол — 37 и 29 кДж/г (9 и 7 ккал/г) соответственно. Белки и большинство углеводов содержат около 17 кДж/г (4 ккал/г), хотя между разными видами есть различия. Например, значения 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 энергетическая плотность пищевых продуктов (жиров, спиртов, углеводов и белков) заключается главным образом в различных пропорциях атомов углерода, водорода и кислорода. Углеводы, которые трудно усваиваются, такие как клетчатка или лактоза у людей с непереносимостью лактозы , приносят меньше энергии из пищи. Полиолы (включая сахарные спирты ) и органические кислоты составляют 10 кДж/г (2,4 ккал/г) и 13 кДж/г (3,1 ккал/г) соответственно. [4]
Энергетическое содержание сложного блюда или обеда можно приблизительно определить, сложив энергетическую ценность его компонентов.
Первые определения энергетического содержания пищи были сделаны путем сжигания высушенного образца в бомбовом калориметре и измерения изменения температуры в воде, 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 допускает частичного усвоения и/или неполного метаболизма некоторых веществ. . По этой причине сегодня энергетическое содержание пищи получается косвенным путем, используя химический анализ для определения количества каждого перевариваемого пищевого компонента (например, белков, углеводов и жиров) и добавляя соответствующее энергетическое содержание пищи, ранее полученное путем измерение метаболического тепла, выделяемого организмом. [6] [7] В частности, исключается содержание клетчатки. Этот метод известен как модифицированная система Этуотера в честь Уилбура Этуотера , который впервые провел эти измерения в конце 19 века. [1] [8]
Позже 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]
Типичная диета человека состоит в основном из углеводов, жиров, белков, воды, этанола и неперевариваемых компонентов, таких как кости , семена и клетчатка (в основном целлюлоза ). Углеводы, жиры и белки обычно составляют девяносто процентов сухого веса пищи. [10] Жвачные животные могут извлекать пищевую энергию за счет дыхания целлюлозы благодаря бактериям в рубце , которые разлагают ее на легкоусвояемые углеводы.
Другими второстепенными компонентами рациона человека, которые способствуют повышению его энергетического содержания, 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 влияют клеточные сигналы , а также обеспечивают организм энергией. [11] Например, лейцин играет важную роль в регуляции белкового обмена и подавляет аппетит человека. [12] Небольшие количества незаменимых жирных кислот , составляющих некоторых жиров, которые не могут синтезироваться организмом человека, используются (и необходимы) для других биохимических процессов.
Приблизительное содержание калорий в различных компонентах рациона человека, которое должно использоваться в маркировке упаковки в соответствии с правилами ЕС [13] и правилами Великобритании [14] , составляет:
(1) Некоторые полиолы, такие как эритрит , не перевариваются и их следует исключить из подсчета.
(2) Эта запись существует в правилах ЕС от 2008 года [13] , но не существует в правилах Великобритании, согласно которым волокно не учитывается. [14]
Более подробные таблицы для конкретных продуктов питания были опубликованы многими организациями, например, Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций также опубликовала аналогичную таблицу. [3]
Другие компоненты рациона человека либо некалорийны, либо обычно потребляются в таких небольших количествах, что ими можно пренебречь.
Пищевая энергия, фактически получаемая при дыхании, используется организмом человека для широкого круга целей, включая основной обмен различных органов и тканей, поддержание внутренней температуры тела и применение мышечной силы для поддержания позы и выполнения 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 низка: лишь 18–26% энергии дыхания преобразуется в механическую энергию. [15] Эта низкая эффективность является результатом около 40% эффективности выработки АТФ при дыхании пищи, потерь при преобразовании энергии АТФ в механическую работу внутри мышц и механических потерь внутри тела. Последние две потери зависят от типа упражнения и типа используемых мышечных волокон (быстросокращающиеся или медленносокращающиеся). При общем КПД 20 % один ватт механической мощности эквивалентен 18 кДж/ч (4,3 ккал/ч). Например, производитель гребного снаряжения показывает, что количество калорий, выделяемых при «сгорании» пищи, в четыре раза превышает фактическую механическую работу плюс 1300 кДж (300 ккал) в час, [16] что составляет около 20% эффективности при механической мощности 250 Вт. . Может потребоваться до 20 часов небольшой физической активности (например, ходьбы), чтобы «сжечь» на 17 000 кДж (4 000 ккал) [17] больше, чем организм мог бы потребить в противном случае. Для справки: каждый килограмм жира 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, по оценкам правительства США, 8400 и 10900 кДж (2000 и 2600 ккал) необходимы женщинам и мужчинам соответственно в возрасте от 26 до 45 лет, чья общая физическая активность эквивалентна ходьбе на расстояние от 2,5 до 5 км ( 1+От 1 ⁄ до 3 миль) в день в дополнение к сидячему образу жизни. Эти оценки относятся к «эталонной женщине» ростом 1,63 м (5 футов 4 дюйма) и весу 57 кг (126 фунтов) и «эталонному мужчине» ростом 1,78 м (5 футов 10 дюймов) и весу 70 кг ( 154 фунта). [19] Поскольку потребность в калориях варьируется в зависимости 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 с ростом населения и обработанных пищевых продуктов или продуктов питания в целом, сегодня американцы имеют примерно тот же уровень калорий, что и старшее поколение. [1]
Пожилым людям и людям, ведущим 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 разное ежедневное потребление энергии для каждой возрастной и гендерной группы. [23] Тем не менее, на этикетках австралийских продуктов питания обычно указывается среднесуточное потребление энергии в размере 8800 кДж (2100 ккал).
Минимальное потребление энергии также выше в холодных условиях. Повышенная умственная активность связана с умеренно повышенным потреблением энергии мозгом . [24]
Многие правительства требуют от производителей продуктов питания указывать энергетическую ценность своей продукции, чтобы помочь потребителям контролировать потребление энергии. Чтобы облегчить оценку потребителям, энергетическая ценность продуктов питания (и другие питательные свойства) на этикетках или в таблицах упаковки часто указывается в расчете на удобные количества продуктов питания, а не на грамм или килограмм; например, «калорий на порцию», «ккал на 100 г» или «кДж на упаковку». Единицы различаются в зависимости от страны: