Energetický obsah potravín

Sacharidy, tuky a bielkoviny pozostávajú z organických stavebných prvkov:

Sacharidy: glukóza/fruktóza
Tuky: glycerín/mastné kyseliny
Bielkoviny: aminokyseliny

Počas trávenia v žalúdku a najmä v tenkom čreve sa tieto tri živiny štiepia na svoje stavebné kamene. Škrob sa potom štiepi na glukózu, tuky na glycerín a mastné kyseliny a bielkoviny na aminokyseliny. Tieto stavebné bloky sú dosť malé na to, aby sa dali znovu vstrebať. Počas tejto resorpcie sa malé stavebné bloky dostanú do krvi a odtiaľ do cieľových buniek. Väčšina z týchto stavebných blokov sa potom rozkladá ďalej v cieľových bunkách, konkrétne na oxid uhličitý a vodu.

Napríklad molekuly glukózy prechádzajú tromi dôležitými fázami tohto rozkladu:

Najskôr sa molekuly glukózy pri glykolýze štiepia na dve menšie molekuly, z ktorých každá pozostáva z troch atómov uhlíka a niekoľkých atómov H a O.

Potom sa tieto telá C3 rozkladajú na oxid uhličitý a vodík v cykle kyseliny citrónovej (cyklus kyseliny citrónovej). Oxid uhličitý sa dostáva do krvi, odtiaľ do pľúc a nakoniec je vydýchnutý. Vodík je viazaný na určité transportné molekuly a potom sa dostane do mitochondrií, elektrární bunky.

Tu sa začína tretia fáza. Chemicky viazaný vodík reaguje s kyslíkom, ktorý sme inhalovali. Kyslík sa dostáva do pľúc a v alveolách prechádza do krvi. Pomocou hemoglobínu, transportnej molekuly, sa transportuje do cieľových buniek a tam sa dostane do mitochondrií. Tam kyslík reaguje s vodíkom vyššie, ktorý je stále viazaný na transportné molekuly. Vytvára sa voda. Túto vodu potom znova vydýchneme, všimnete si to napríklad vtedy, keď sa vám okuliare opäť zahmlia, pretože dýchate cez ochrannú masku.

Nezmysel akumulovanej energie

Jeden často číta na internete alebo v literatúre, že organické molekuly, ako je glukóza, uchovávajú veľa energie vo svojich väzbách, ktoré sa potom uvoľňujú počas dýchania (= glykolýza + cyklus kyseliny citrónovej + dýchací reťazec).

Chemicky to nie je úplne správne. Je správne, že medzi atómami uhlíka, atómami vodíka a atómami kyslíka organických zlúčenín existujú silné chemické väzby, takzvané väzby elektrónových párov. Na pretrhnutie takýchto väzieb však treba vynaložiť energiu. Keď preruším väzbu medzi dvoma atómami uhlíka v molekule glukózy, neuvoľní sa žiadna energia, naopak, musím minúť veľké množstvo energie.

Prečo sa však pri oxidácii glukózy uvoľňuje veľa energie? Uvažujme o jednoduchej reakčnej rovnici

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

Keď sa oxiduje 1 mol glukózy (asi 180 gramov), uvoľní sa obrovská suma energie 2 822 kJ. Ak túto sumu vydelíte 180, získate 15,7 kJ/g.

Táto energia však nie je obsiahnutá vo väzbách molekuly glukózy, ale vzniká pri tvorbe zlúčenín voda a oxid uhličitý.

Keď sa chemická väzba „rozpadne“, musí sa spotrebovať určité množstvo energie, takzvaná disociačná energia väzby. Ak sa naopak vytvorí nová chemická väzba, táto energia sa uvoľní.

Uvažujme o normálnej jednoduchej väzbe C-C. Na „pretrhnutie“ takejto väzby je potrebné množstvo energie asi 350 kJ/mol. Väzba C-H je o niečo stabilnejšia; jej rozbitie stojí okolo 410 kJ/mol.

Teraz sa pozrime, aké množstvo energie sa uvoľní, keď vzniknú dvojité väzby C = O, teda keď vzniknú molekuly CO2: 745 kJ/mol. A keď sa tvoria molekuly vody, pre väzby O-H sa uvoľní asi 460 kJ/mol.

Keď sa vytvorí 6 H2O a 6 CO2, uvoľní sa oveľa viac energie, ako je potrebné na „pretrhnutie“ väzieb molekuly glukózy. Preto sa počas oxidácie glukózy celkovo uvoľňuje veľké množstvo energie. Nie preto, že by väzby molekuly glukózy „obsahovali“ veľa energie, ale preto, že veľa energie sa uvoľňuje pri tvorbe vody a oxidu uhličitého.

Obsah energie

„Energetickým obsahom“ alebo „výhrevnosťou“ živiny sa rozumie entalpia reakcie, ktorá sa uvoľňuje pri spaľovaní tejto živiny za vzniku oxidu uhličitého a vody.

Tento energetický obsah sa meria v jouloch alebo tisíckrát v kilojouloch alebo skrátene kJ. Definícia pojmu „joule“ je nesmierne fyzická a nie je ľahko pochopiteľná; Lepšia je definícia dlho zastaranej, ale stále často používanej energetickej jednotky kalória cal alebo kilocalorie kcal.

1 kilokalória je množstvo energie potrebnej na ohrev 1 litra alebo 1 kg vody z 14,5 ° C na 15,5 ° C.

Táto definícia je celkom ľahko pochopiteľná, najmä preto, že je tiež základom pre meranie energie živín a iných chemických zlúčenín.

Teplotná špecifikácia „od 14,5 ° C do 15,5 ° C“ je dôležitá, pretože „množstvo tepla potrebného na ohrev 1 g vody sa pri vyšších alebo nižších teplotách mierne mení“ (Römpp Chemie Lexikon, kľúčové slovo „calorie“).

Je potrebné si potom spomenúť na túto krátku definíciu:

1 kcal = 4,184 kJ

Pre každodenný život tiež stačí, ak si spomeniete na faktor 4,2, 1 kcal = 4,2 kJ.

kalorimeter

Ako zmeriate energetický obsah potraviny? Presne navážené množstvo živiny, napríklad 0,1 g glukózy, sa vloží do zariadenia, ktoré sa nazýva ľahko zapamätateľným menným kalorimetrom. Táto živina sa potom spáli v komore úplne obklopenej vodou. Aby to bolo jednoduchšie, je táto komora naplnená čistým kyslíkom. Stačí jediná iskra z elektrického zapaľovania a živina sa spáli. Reakčná energia uvoľnená počas tohto úplného spaľovania je smerovaná do okolitej vody. A potom využijete definíciu kalórie. Môžete presne zmerať, koľko vody sa týmto spaľovaním ohrieva. To, ako tento výpočet funguje presne, tu nemusí byť ďalej zaujímať. Odôvodnenie by však teraz malo byť jasné.

Jednoduchý náčrt bombového kalorimetra.
Voľná kresba používateľa Lanzi. Z článku Wikipedia Bomb Calorimeter.

Fyzikálne výhrevnosti

Ak v takomto kalorimetri spálite 1 g sacharidov, môžete namerať energetický výdaj presne 17,2 kJ. S 1 g bielkovín získate 23,4 kJ a s 1 g tuku dokonca 38,9 kJ. Takže z troch výživných látok je tuk najenergetickejší.

Fyzikálna výhrevnosť = množstvo energie uvoľnenej pri spálení 1 g zlúčeniny.

Tieto hodnoty sú samozrejme priemernými hodnotami, ktoré boli stanovené v mnohých stovkách jednotlivých experimentov. Kalorické hodnoty rôznych sacharidov sa navzájom mierne líšia, rovnako ako kalorické hodnoty rôznych bielkovín a tukov. Alkohol má tiež výhrevnosť, ktorú nemožno zanedbať, a to 29,0 kJ/g.

Fyziologické výhrevnosti

Vo výživových tabuľkách, v ktorých človek rád vyhľadáva, či si ešte môže dovoliť kúsok koláča, sú uvedené aj výhrevné hodnoty jedla. Nenájdete tu však fyzikálne hodnoty tepla, ale fyziologické hodnoty tepla. Fyziologické výhrevnosti sú vždy nižšie ako fyzikálne hodnoty, pretože pri použití spotrebovanej potraviny vždy dochádza k stratám, čiastočne v dôsledku tvorby výkalov, čiastočne v dôsledku tvorby moču, čiastočne v dôsledku vytvárania tepla počas trávenia. Podrobnosti nájdete v časti „Úrovne rekuperácie energie“.

U sacharidov a tukov fyziologické hodnoty výhrevnosti zhruba zodpovedajú fyzickým hodnotám. Bunky nášho tela takmer úplne spaľujú sacharidy a tuky na oxid uhličitý a vodu - podobne ako pri spaľovaní v kalorimetri.

S bielkovinami to ale vyzerá inak. Bielkoviny sa nespaľujú na 100% oxid uhličitý a vodu, ale pri oxidácii bielkovín vznikajú aj ďalšie organické zlúčeniny, ktoré samotné majú stále určitú výhrevnosť. Je to hlavne kvôli dusíku obsiahnutému v aminokyselinách v proteínoch; Dusík sa nedá ľahko oxidovať.

Fyziologická výhrevnosť bielkovín je preto nižšia ako výhrevnosť. 100% bielkovín sa spaľuje v kalorimetri, ale nie v ľudskom tele. Fyziologická výhrevnosť bielkovín je preto 17 kJ/g, čo je zhruba toľko ako so sacharidmi.

Fyziologické výhrevnosti

Sacharidy: 17,2 kJ/g
Bielkoviny: 17,2 kJ/g
Tuky: 37 kJ/g

Najlepšie je naučiť sa tieto hodnoty naspamäť, sú potrebné znova a znova pri analýze jedál a denných plánov.

Musíte byť opatrní s výhrevnosťou tukov. V niektorých knihách je kalorická hodnota tukov uvedená ako 38,9 kJ/g. Ale to je zjavne fyzická výhrevnosť. Podľa Schliepera je fyziologická výhrevnosť tukov 37,0 kJ/g. Preto sa tuky v našom tele nepoužívajú stopercentne.

Do čerta gumený medveď

Výhrevnosť jedla sa dá veľmi pekne demonštrovať pomocou pôsobivého experimentu „Peklo gumového medveďa“, ku ktorému na YouTube existuje veľa videí. Toto video sa mi obzvlášť páčilo.

Ako experiment: skúmavka, ktorá sa ťažko taví, je naplnená chlorečnanom draselným (vysoký asi 2 cm), ktorý sa potom roztaví pomocou horáka (spúšť, ochranná clona, môže byť veľmi nebezpečný!) Ak je chlorečnan draselný tekutý, dá sa do skúmavky gumený medveď.

Po krátkom oneskorení asi 1 sekundy začne veľmi prudká chemická reakcia (pozri video), počas ktorej sa vydáva extrémne veľké množstvo spaľovacieho tepla.

Učebný materiál

Interné odkazy:

31.07.2015: Stránka bola vytvorená
6. júla 2017: Prispôsobené novej šablóne štýlov, mierne pridaný obsah.
12/12/2019: Opravená chyba, na ktorú ma pán Rolf Thieme upozornil a doplnil nejaké informácie.
28. 8. 2020: Stránka je výrazne revidovaná.