Энергетика и пища. Калорийность жиров, белков и углеводов (Дополнительный материал к главе 1)

Определения и обозначения

Энергетическая ценность пищи — количество энергии, которое организм может получить при усвоении питательных веществ. Иными словами, это запас энергии, связанный с белками, жирами и углеводами в продукте. Показатель помогает сравнивать продукты и оценивать, сколько энергии может дать порция.

Калорийность — количество энергии, выделяющейся при полном окислении определённой массы вещества. Окисление — химическое превращение, при котором вещество взаимодействует с кислородом и высвобождает энергию. Обычно указывают энергию на один грамм, чтобы можно было пересчитать её на любую массу.

Калориметр — прибор, с помощью которого измеряют количество теплоты, выделяющейся при сгорании вещества. В простом опыте выделившееся тепло нагревает воду, а изменение её температуры позволяет оценить количество энергии. Так экспериментально определяют энергетическую ценность вещества.

Килокалория — внесистемная единица энергии, равная 1000 малых калорий. В пищевой маркировке словом «калории» часто называют именно килокалории. Одна килокалория равна 4,184 килоджоуля, поэтому для перевода ккал в кДж значение умножают на 4,184, а для обратного перевода делят на это число.

Как это устроено

При окислении питательных веществ их химические связи перестраиваются, и часть запасённой энергии высвобождается. Организм использует её не так, как двигатель использует топливо, а для множества процессов: работы мышц, поддержания температуры и деятельности органов. Если бы реакции обмена не снабжали клетки энергией, они не могли бы выполнять свои функции. Часть энергии при этом неизбежно рассеивается в виде тепла.

Чтобы узнать энергетическую ценность вещества, в опыте сжигают известную массу образца в калориметре. Выделившееся тепло передаётся окружающей воде, а её нагрев измеряют термометром. Чем сильнее нагрелась вода при одинаковых условиях, тем больше энергии выделилось при сгорании образца. Затем измеренное количество энергии соотносят с массой вещества, например находят показатель для одного грамма.

Жиры при окислении дают около 38,9 кДж на грамм, а белки и углеводы — около 17,2 кДж. Поэтому одинаковая масса жира содержит примерно в 2,3 раза больше энергии, чем такая же масса белка или углевода. Причина в химическом составе: жиры сильнее восстановлены, то есть в них больше связей, окисление которых может высвободить энергию. Значения для белков и углеводов близки, хотя сами вещества выполняют в организме разные функции.

Чтобы рассчитать энергетическую ценность продукта, нужно знать, сколько граммов каждого питательного вещества в нём содержится. Массу жиров умножают на 9,3 ккал/г, а массу белков и углеводов — на 4,1 ккал/г. Полученные вклады складывают, если требуется найти калорийность всей порции. Например, для порции с 2 г жира и 3 г углеводов расчёт будет таким: 2 × 9,3 + 3 × 4,1 = 30,9 ккал.

Расчёт по составу показывает потенциальную энергию, а не точное количество энергии, которое организм непременно получит. Пища проходит пищеварение и усваивается не полностью, поэтому часть содержащихся в ней веществ может не использоваться организмом. Кроме того, полученная энергия расходуется на жизненные процессы, а не только на внешнюю работу. Поэтому цифра калорийности полезна для сравнения и планирования питания, но не описывает весь обмен веществ.

Энергетическая ценность основных питательных веществ

Для расчёта найдите массу каждого питательного вещества в порции и умножьте её на соответствующее значение из таблицы. Сложите полученные вклады, не смешивая килокалории с килоджоулями. Если нужен результат в кДж, переведите итог: 1 ккал = 4,184 кДж.

Разбор задач

Сравнить энергию при окислении 10 г жира и 10 г углеводов

Масса в обоих случаях одинакова, поэтому сравнивать удобнее, умножив её на энергетическую ценность одного грамма. Для жира используем 9,3 ккал/г, для углеводов — 4,1 ккал/г. Так мы найдём энергию отдельно для каждого вещества и увидим разницу.

1. Энергия жира: 10 г × 9,3 ккал/г = 93 ккал. Умножаем массу на число килокалорий, приходящихся на один грамм. Единица «грамм» сокращается, и результат выражен в килокалориях.
2. Энергия углеводов: 10 г × 4,1 ккал/г = 41 ккал. Для одинаковых масс вещества с меньшей энергетической ценностью дают меньше энергии. Сравнение показывает, что жир выделяет на 52 ккал больше.

Ответ: из 10 г жира выделится около 93 ккал, из 10 г углеводов — около 41 ккал. Жир даст примерно в 2,3 раза больше энергии.

В порции 6 г белков и 12 г углеводов. Найти энергетическую ценность

Сначала рассчитываем вклад белков, затем отдельно вклад углеводов. Для обоих веществ используем коэффициент 4,1 ккал/г. Поскольку других питательных веществ по условию нет, останется сложить два полученных значения.

1. Вклад белков: 6 г × 4,1 ккал/г = 24,6 ккал. Это энергия, соответствующая указанной массе белка. Пока учитываем только один вид питательного вещества.
2. Вклад углеводов: 12 г × 4,1 ккал/г = 49,2 ккал. Теперь складываем результаты: 24,6 + 49,2 = 73,8 ккал. Оба слагаемых выражены в одинаковых единицах.

Ответ: энергетическая ценность порции составляет около 73,8 ккал. Если требуется выразить её в килоджоулях, результат можно умножить на 4,184.

В 100 г продукта: 8 г белков, 15 г жиров, 40 г углеводов

В этом примере есть все три питательных вещества, поэтому нельзя применять один общий коэффициент. Рассчитаем вклад каждого по массе и соответствующей энергетической ценности, а затем сложим килокалории. После этого переведём итог в килоджоули, чтобы получить ответ в обеих единицах.

1. Белки: 8 г × 4,1 ккал/г = 32,8 ккал. Углеводы: 40 г × 4,1 ккал/г = 164 ккал. Их общий вклад равен 196,8 ккал.
2. Жиры: 15 г × 9,3 ккал/г = 139,5 ккал. Добавляем этот вклад к энергии белков и углеводов: 196,8 + 139,5 = 336,3 ккал. Все три значения перед сложением выражены в килокалориях.
3. Переводим итог в килоджоули: 336,3 ккал × 4,184 кДж/ккал ≈ 1407 кДж. Округляем результат до целого килоджоуля, поскольку исходные коэффициенты приблизительные.

Ответ: энергетическая ценность 100 г продукта — около 336,3 ккал, или 1407 кДж.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что одинаковая масса жиров, белков и углеводов даёт одинаковое количество энергии. Так думают, если запоминают только, что все три вещества являются питательными. Проверьте себя: сравните коэффициенты на один грамм — для жира это 9,3 ккал, для двух других веществ 4,1 ккал.

Ошибка: принимать энергетическую ценность одного грамма за калорийность всей порции. Она возникает, когда коэффициент используют без учёта массы продукта или отдельного вещества. Перед расчётом запишите массу в граммах и умножьте её на значение в ккал/г.

Ошибка: складывать килокалории с килоджоулями. Числа могут выглядеть одинаково удобными, но единицы обозначают разные количества энергии. Перед сложением переведите все слагаемые в одну единицу, например ккал, а затем проверьте, что итог тоже записан в ней.

Ошибка: считать, что вся энергия пищи превращается в полезную работу. Такое представление не учитывает затраты организма на жизненные процессы и рассеивание энергии в виде тепла. Проверяйте вывод: энергетическая ценность описывает возможный запас энергии, а не гарантированный результат её использования.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об окислении: при химических реакциях вещества превращаются, а энергия может выделяться. Расчёты связаны с темой состава пищи и строения органических веществ — белков, жиров и углеводов. Умение определять энергетическую ценность помогает разбираться в обмене веществ и рациональном питании. Оно позволяет сопоставить состав продуктов, но само по себе не определяет, насколько питание подходит конкретному человеку.

Что запомнить

• Энергетическую ценность пищи связывают с энергией, выделяемой при окислении питательных веществ.
• Один грамм жира даёт около 9,3 ккал.
• Один грамм белков или углеводов даёт около 4,1 ккал.
• При одинаковой массе жиры энергетически ценнее белков и углеводов.
• Калорийность порции находят, складывая энергетические вклады её питательных веществ.
• При вычислениях все значения следует выражать в одинаковых единицах.