Domov Tolmačenje znanosti Fizika in astronomija Preštevanje kalorij

Preštevanje kalorij

Piše:

15. 4. 2003

Ste že kdaj pomislili, kako znanstveniki izmerijo število kalorij, ki so zapisane na vrečki kikirikija? Ali še bolje, kako pridejo do kalorične vrednosti zelenjave, pire krompirja ali navadne goveje juhe? Ter kaj te kalorije pomenijo, ko jih vnesemo v organizem…

Sežiganje kikirikija

“Profesor George Benedek je s pogledom zaobjel polno predavalnico študentov biofizike na MIT in se nasmehnil. Ravnokar je zažgal kikiriki. To morda ne zveni impresivno, a je bilo. Profesor Benedek, mož srednjih let športne postave skrite za obleko iz tvida ter z obveznimi belimi nogavicami, je najprej kikiriki ovil z žico navadne papirnate sponke, nato pa vse skupaj pritrdil pod epruveto z desetimi grami vode.

Pod kikirikijem je bila velika posoda napolnjena z vodo. Velik gasilski aparat je stal na tleh nedaleč stran. Zdelo se mi je, da je gasilski aparat čisto pretiravanje, saj imamo opraviti le z navadnim kikirikijem. No, pravzaprav se mi je zdela odveč tudi posoda z vodo.

Potem je profesor Benedek kikiriki prižgal. Kikiriki je gorel, gorel in gorel, ter nato gorel še nekoliko dlje. Kaplje gorečega olja so iz kikirikija kapljale v posodo z vodo. Nato je voda v epruveti začela vreti. Ko je kikiriki do konca dogorel, je bilo v epruveti le še osem gramov vode. Torej ne le, da je sežig enega kikirikija segrel deset gramov vode od sobne temperature do vrelišča, pač pa je nato še izparil dva grama vode!” Tako nekako se spominja sedanji direktor Kalifornijskega Eksploratorija Paul Doherty svoje prve izkušnje z veliko količino energije, ki je shranjena v hrani.

Več energije kot palica dinamita

Skica bombnega kalorimetra.

Ko sežgemo kikiriki, se z gorenjem sprošča energija ujeta v kemijskih vezeh v snovi, ter se pretvarja v toplotni tok, ki ga lahko merimo – npr. kot je to naredil profesor Benedek preko segrevanja in izparevanja vode. Podoben proces kot pri gorenju na zraku poteka tudi v našem telesu, ko pretvarjamo energijo shranjeno v kemičnih vezeh v hrani. Energijo, ki je skrita v kikirikiju tako zlahka izmerimo kar s sežiganjem kikirikija. Seveda je v resnici vse skupaj izvedeno nekoliko bolj prefinjeno. Pri poskusu, ki ga je opravil profesor Benedek, je namreč veliko toplote ušlo v okolico. Tako se je pri gorenju pravzaprav sprostilo več energije kot jih nakazujeta dva grama izparele vode. Zato znanstveniki za merjenje kalorične vrednosti hrane uporabljajo tako imenovani bombni kalorimeter. Najprej vzorec hrane, ki mu želijo izmeriti kalorično vrednost posušijo in zmeljejo. Tako na primer iz goveje juhe dobijo prašnati vzorec. Nato vzorec postavijo v bombni kalorimeter. To je v bistvu ojačana jeklena posoda obdana z vodno kopeljo. Posodo zatem še napolnijo s čistim kisikom pod tlakom okoli 30 atmosfer, nakar hrano vžgejo. Sproščanje energije je trenutno in zelo burno: tako nekako kot pri eksploziji bombe. Ojačana jeklena posoda zadrži udar eksplozije, sproščena toplota pa segreje okolišnjo vodo. Pomembno pri tem je, da je zaradi prebitka kisika gorenje popolno (v zraku namreč kikiriki ne zgori povsem). Sproščeno energijo pri sežigu nato lahko preberemo iz dviga temperature vode v vodni kopeli.

Kako pomembno je merjenje toplote preko dviga temperature vode nam pove že dejstvo, da je bila včasih v fiziki v veljavi enota za energijo 1 kalorija (cal). Ena kalorija je tista količina toplote, ki segreje en gram vode za eno stopinjo Celzija. Fiziki sedaj raje uporabljajo enoto za energijo 1 joule (J), saj se ta vklaplja v standardni sistem enot. Pri tem velja, da je 1 cal = 4,2 J. V uporabi pa je kalorija ostala v povezavi z energetsko vrednostjo hrane. Navadno je tu v uporabi enota kcal (kilokalorija, torej tisoč kalorij), ter tako 1 kcal= 4200 J. Na žalost pa je glede enot za energetsko vrednost živil kar precej zmede. Mnogokrat namreč na embalaži najdemo namesto kilokalorij zapisane kar kalorije (cal), čeprav so v resnici pravzaprav mišljene kilokalorije (kcal). Ob preštevanju kalorij je na mestu nekaj pazljivosti tudi z izdelki, ki prihajajo iz ZDA. Tam namreč namesto kcal uporabljajo oznako Calorie z velikim c. Od tu se je morda prenesla zmešnjava s kalorijami in kilokalorijami tudi na Evropski konec. Da vemo, s čim imamo opraviti, s kcal ali cal, pomislimo na primer na to, da že gram ogljikohidratov vsebuje okoli 4 kcal energije. Nato le še primerjajmo vsebnost ogljikohidratov v izdelku z zapisanimi kalorijami.

In koliko kalorij vsebuje navaden kikiriki? Iz poskusa profesorja Benedeka lahko izračunamo, koliko toplote je prejela voda v epruveti. Recimo, da je bila ta na začetku pri 20° Celzija, nakar se je segrela do vrelišča, na 100° Celzija. Deset gramov vode se je torej segrelo za 80 stopinj, za kar potrebujemo 800 kalorij, medtem ko je za izparevanje dveh gramov vode potrebnih nadaljnjih 1080 kalorij. Skupaj je torej voda v epruveti pri sežigu kikirikija prejela 1880 kalorij, ali okoli 1,9 kcal.

Da dobimo nekaj občutka, koliko energije prestavlja 1,9 kcal, se poigrajmo s številkami. Ena kcal je na primer enaka delu potrebnem za dvig odraslega človeka dve nadstropji visoko! Da pridemo do te številke, upoštevajmo, da je 1000 cal enako 4200 J. En joule energije pa je enak opravljenem delu ob dvigu sto gramske uteži za en meter. Ena kilokalorija torej zadošča za dvig 70 kilogramskega človeka šest metrov visoko. Ali rečeno drugače – energija sproščena ob sežigu enega kikirikija zadošča za dvig odraslega človeka štiri nadstropja visoko.

Kalorimetrija tudi razkrije, da npr. ena ploščica Milky Way vsebuje več energije kot palica dinamita. Ploščica Milky Waya vsebuje okoli 200 kcal, oz. okoli 840 kJ! Torej skoraj megajoule! Megajoule pa je energija, ki zadošča za dvig odraslega človeka več kot kilometer visoko. Noben dinamit ne more narediti česa takega! V resnici dinamit sprosti ob eksploziji le četrtino toliko energije kot enaka količina sladkorja ob gorenju. Seveda pa sladkor ob poskusu sežiganja na zraku ne bo eksplodiral.

Ob teh presenetljivih številkah je na mestu seveda opomba, da telo ne more pretvoriti vse energije, ki jo prejme iz hrane, neposredno v delo. Največji delež energije gre za metabolizem, vzdrževanje temperature, nekaj pa za prebavo, miselne procese… V povprečju lahko le okoli 20% iz hrane prejete energije telo pretvori v delo.

Sežiganje kikirikija v našem telesu

Slika bombnega kalorimetra.

Ko kikiriki zgori pri visoki temperaturi, se v procesu oksidacije razbijejo kemijske vezi med molekulami v hrani, le te pa se nato vežejo s kisikom. Ob tem se maščobe in ogljikovi hidrati pretvorijo v ogljikov dioksid in vodo, pri čemer se sprosti energija. Proces oksidacije poteka tudi pri presnovi hrane v našem organizmu, le da nekoliko drugače, brez plamenov in burnih procesov. Vse poteka postopno, kontrolirano in pri nižji temperaturi.

Proces presnove se seveda začne v prebavnem traktu, kjer z razbijanjem vezi in ponovnim sestavljanjem spremenimo prejeto hrano v drugačne kemične snovi, kot je npr. glukoza, enostavni sladkor. Glukozo nato krvožilni sistem prenese do mišičevja. Kisik prispe do mišičevja od pljuč vezan na hemoglobin v krvi. V procesu glukolize nato kisik oksidira glukozo, pri čemer se sprosti energija. Nekaj le te energije se sprosti v obliki toplote, ostala pa zato, da iz adenozin difosfata (ADP) nastane bolj energetični adenozin trifostaf (ATP). Pri oksidaciji ene glukozne molekule nastane okoli 30 molekul ATP. Molekule ATP so rezerva energije v mišicah, ki jih le te lahko porabijo za proženje mišičnih vlaken.

Koliko energije je skrite v hrani, je seveda odvisno od njene kemične sestave. Gram maščobe na primer vsebuje skoraj dvakrat več energije kot gram ogljikohidratov ali proteinov. Gram ogljikohidratov (škrob ali sladkor) vsebuje 16 kJ (3,75 kcal), gram proteinov 17 kJ (4 kcal), medtem ko gram maščob vsebuje kar 37 kJ (9 kcal) energije. Pri odločanju za dieto, je morda dobro imeti pred očmi tudi, da gram alkohola vsebuje okoli 29 kJ (7 kcal) energije. In koliko energije potrebuje odrasel človek? Našel sem podatek, da je v Veliki Britaniji povprečni vnos energije v telo 10250 kJ (2450 kcal) za moške in 7030 kJ (1680 kcal) za ženske. Verjetno nekaj podobnega velja tudi za Slovenijo. Koliko energije pa potrebuje posameznik, je seveda odvisno od njegovega metabolizma, aktivnosti in naporov, ki jim je izpostavljen. Če je vnos hrane prevelik, se pač začnejo nabirati maščobne obloge – kot zaloga za slabše čase. Kot že lahko slutimo iz gornjih številk, so maščobne zaloge izredno dober vir energije. Kilogram maščobnih oblog vsebuje namreč kar 37 megajoulov energije, kar zadošča za kar okoli štiri dni normalnih življenjskih aktivnosti brez kakršnegakoli vnosa hrane.

Nadaljnje branje: Na internetu lahko najdete pravo poplavo različnih tekstov povezanih s prehranjevanjem in energetsko vrednostjo hrane. Meni osebno sta bili zanimivi: