Как определяют калорийность пищи

Кало́рия — внесистемная единица количества теплоты; энергия, необходимая для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия. Определены и используются три разновидности калории, немного различающиеся своей величиной. В Российской Федерации все три вида калории допущены к использованию в качестве внесистемных единиц без ограничения срока с областью применения «промышленность» [1] . В то же время Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) относит калорию к таким единицам измерения, «которые должны быть изъяты из обращения как можно скорее там, где они используются в настоящее время, и которые не должны вводиться, если они не используются» [2] . Первым термин «калория» применил шведский физик Иоганн Вильке (1732—1796) [3] .

Содержание

Определения [ править | править код ]

Общий подход к определению калории связан с удельной теплоёмкостью воды и состоит в том, что калория определяется, как количество теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия при стандартном атмосферном давлении 101 325 Па . Однако, поскольку теплоёмкость воды зависит от температуры, то и размер определяемой таким образом калории зависит от условий нагревания. В силу сказанного и по причинам исторического характера возникли и существуют три определения трёх различных видов калории [1] .

• Калория (калория международная) (русское обозначение: кал; международное: cal), 1 кал = 4,1868 Дж точно.
• Калория термохимическая (русское обозначение: кал_ТХ; международное: cal_th), 1 кал_ТХ ≈ 4,1840 Дж.
• Калория 15-градусная (русское обозначение: кал₁₅; международное: cal₁₅), 1 кал₁₅ ≈ 4,1855 Дж.

Ранее калория широко использовалась для измерения энергии, работы и теплоты; «калорийностью» называлась теплота сгорания топлива. В настоящее время, несмотря на переход в систему СИ, в теплоэнергетике, системах отопления, коммунальном хозяйстве часто используется кратная единица измерения количества тепловой энергии — гигакалория (Гкал) (10 9 калорий). Для измерения тепловой мощности используется производная единица Гкал/ч (гигакалория в час), характеризующая количество теплоты, произведённой или использованной тем или иным оборудованием за единицу времени.

Кроме того, калория применяется при оценках энергетической ценности («калорийности») пищевых продуктов. Обычно энергетическая ценность указывается в килокалориях (ккал).

Для измерения количества энергии используются также мегакалория (1 Мкал = 10 6 кал) и теракалория (1 Ткал = 10 12 кал).

Связь с другими единицами [ править | править код ]

Ниже используется стандартная международная калория: 1 кал = 4,1868 Дж точно.

• 1 Дж ≈ 0,2388458966 кал.
• 1 кВт·ч ≈ 0,859845 Мкал.
• 1 Гкал = 1163 кВт·ч точно.
• 1 кал ≈ 2,6131950408·10 19 эВ.
• 1 эВ ≈ 3,8267331155·10 −20 кал.
• 1 британская тепловая единица (BTU) ≈ 252 кал.
• 1 ккал ≈ 3,968 BTU.
• 1 эквивалент барреля нефти (BOE) ≈ 1,46 Гкал.
• 1 Гкал ≈ 0,684 BOE.
• 1 килотонна тротилового эквивалента = 1 Ткал_ТХ ≈ 1 Ткал.

Связанные единицы [ править | править код ]

Фригория [ править | править код ]

Принятая в холодильной технике единица измерения холода, численно равная одной килокалории, взятой с обратным знаком. Одна фригория равна минус одной килокалории [4] .

Термия [ править | править код ]

Единица измерения теплоты, численно равная 10 6 калорий [5] .

Британская тепловая единица [ править | править код ]

BTU (британская тепловая единица) — единица, применяемая для измерения тепловой энергии в англоязычных странах. Её определение методологически близко к определению калории, но опирается на имперские единицы: 1 BTU равна энергии, необходимой для нагревания 1 фунта воды на 1 градус Фаренгейта.

Килотонна ТНТ [ править | править код ]

Для измерения энерговыделения взрывных процессов используется тротиловый эквивалент. Ввиду почти точного, в пределах процентов, совпадения энергии взрывного разложения 1 грамма тротила (тринитротолуола, ТНТ) и 1 килокалории, условно принимается, что 1 килотонна ТНТ в энергетическом выражении соответствует 1 термохимической теракалории.

Калорийность [ править | править код ]

Под калорийностью, или энергетической ценностью пищи, подразумевается количество энергии, которое получает организм при полном её усвоении. Чтобы определить полную энергетическую ценность пищи, её сжигают в калориметре и измеряют тепло, выделяющееся в окружающую его водяную баню. Аналогично измеряют и расход энергии человеком: в герметичной камере калориметра измеряют выделяемое человеком тепло и переводят его в «сожжённые» калории — таким образом можно узнать физиологическую энергетическую ценность пищи [6] . Подобным способом можно определить энергию, требующуюся для обеспечения жизнедеятельности и активности любого человека. Таблица отражает эмпирические результаты этих испытаний, по которым и рассчитывается ценность продуктов на их упаковках. Искусственные жиры (маргарины) и жиры морепродуктов имеют эффективность 4—8,5 ккал/г , поэтому можно примерно узнать их долю в общем количестве жиров.

Этимология [ править | править код ]

Само слово происходит от фр. calorie , которое, в свою очередь, происходит от лат. calor , означающего «тепло». Ранее также были распространены термины «малая калория» (соответствует современной калории) и «большая калория» (соответствует современной килокалории) [3] .

Подсчет калорий — одна из основных техник, которые используются при похудении. Но как специалисты в области пищевых продуктов определяют, что, скажем, в злаковом батончике именно 100, а не 300 или 350 калорий? Разобраться с этим попробуем прямо сейчас.

Первое, что стоит знать: калория — это единица энергии, а не показатель веса или плотности питательных веществ. Впрочем, калории, которые мы видим на упаковках — это килокалории (ккал). «Одна килокалория — это количество энергии, необходимое для нагрева одного килограмма воды на один градус Цельсия», — говорит Live Science Грейс Дероха (Grace Derocha), диетолог Blue Cross Blue Shield в Мичигане.

Все калории, содержащиеся в нашей пище, поступают из трех макроэлементов: жиров, углеводов и белков. Во многих странах давно функционируют законы, обязывающие производителей упакованной продукции указывать на этикетках, сколько калорий в этой продукции содержится. Один из способов сделать это — особый инструмент, который называется бомбовый калориметр.

«Этот инструмент непосредственно измеряет количество энергии, которое содержит продукт», — объясняет Рут Макдональд (Ruth MacDonald), профессор Университета штата Айова (Iowa State University). Чтобы использовать его, ученые помещают рассматриваемую пищу в герметичный контейнер, окруженный водой, и постепенно нагревают контейнер до полного сжигания пищи. Затем они фиксируют повышение температуры воды, чтобы определить, сколько калорий содержится в продукте.

Но бомбовые калориметры — не единственный способ подсчитать калории, содержащиеся в продукте. Эксперты в области пищевой промышленности нередко полагаются на расчет, разработанный еще в 19 веке американским химиком Уилбуром Этуотером (Wilbur Atwater).

Этуотер придумал технику, известную как система 4-9-4, потому, что калориметры не учитывали, что люди также теряют калории через тепло, плюс, некоторые калории выходят из их организма естественным образом с мочой и фекалиями. Исследователь установил, что можно преодолеть эти ограничения, сначала подсчитав количество калорий в разных продуктах, а затем проанализировав состав кала, чтобы понять, сколько калорий вышло из организма нетронутыми.

Эксперименты показали, что белки и углеводы содержат около 4 калорий на 1 грамм, а жиры — около 9 калорий на 1 грамм. Отсюда, как теперь можно понять, и цифровое название системы. К слову, по данным Этуотера, спирт содержит где-то 7 калорий на 1 грамм.

Однако несмотря на то, что за сто лет пищевые химики значительно усовершенствовали расчеты ученого, некоторые эксперты уверены, что систему никогда нельзя было назвать точной. Исследование 2012 года, опубликованное в American Journal of Clinical Nutrition, показало, что энергетическое содержание определенных продуктов (например, орехов), не может быть рассчитано по системе 4-9-4. Плюс, стоит учитывать и то, что при указании калорийности продукта на этикетке официально допускается погрешность до 20%.

«И даже если бы такой погрешности не существовало, метод в любом случае не учитывает процесс пищеварения, а предполагает полную конверсию питательных веществ в энергию, — говорит Рут Макдональд. — Этого не происходит у людей, хотя наши тела довольно эффективны в смысле восстановления энергии из пищи».

Сейчас калорийность каждого продукта высчитана и занесена в таблицы. Люди стали заниматься подсчетом калорий 100 лет назад. И выглядело это тогда так: еду клали в калориметр и поджигали. Дальше экспериментаторы замеряли градусником, сколько тепла отдает тот или иной горящий продукт. Чем выше температура, — тем выше калорийность продукта.

Потом появился метод Атватера или “4-4-9”. Набив руку на поджогах продуктов, ученые выяснили, что в среднем в одном грамме белка – 4 калории, в грамме углевода тоже 4 калорий, а в грамме жира – 9 калорий. К середине прошлого столетия по методу Атватера и были составлены все таблицы калорийности.

Один из способов- сжигание. Продукт сжигают в герметичном контейнере, который окружен так называемой "водяной рубашкой", т.е погружен в воду определенной температуры. При сжигании продукта выделяется определенное количество тепловой энергии, которая нагревает окружающую воду до определенной температуры. ПО изменению температуры и высчитывают калорийность. Однако пищевая ценность это не совсем то же самое, что и калорийность. У угля тоже есть определенная калорийность,однако он не особо усваивается, поэтому крайне важно еще определить сколько усваивается из потребленного.Поэтому вводят поправочный коэффициент. По умолчанию считается, что белки усваиваются на 85%, жиры на 94%, а углеводы почти на 96%. Не стоит забывать также, что у человека практически не усваиваются некоторые сложные вещества- например клетчатка, которая в общем то является полисахаридом.

Впервые узнали — методами калориметрии.

Самый простой и общий принцип прямой калориметрии связан с непосредственным определением энергии в системе (количеством калорий в продукте) при полном его сжигании в замкнутом пространстве — это называется методом калориметрической бомбы: пищу помещают в герметичную камеру, сжигают и по выделевшемуся количеству теплоты пересчитывают калории.

Как именно во всех деталях в точности это происходит сейчас — другой вопрос, но общий технический принцип я описал.

Раньше энергетическую ценность высчитывали при помощи вот такой колориметра, который выглядит примерно так:

Продукт высушивали, измельчали и сжигали в оранжевой части аппарата и по изменению температуры воды высчитывали работу в джоулях или калориях (1 Дж = 4.184 калории).

Проблема в этим заключается в том, что некоторые компоненты, например клетчатка, не перевариваются в пищеварительной системе, хотя и сгорают в калориметре, поэтому прибор не был точным и сейчас почти не используется для данных целей.

В наше время возможно посчитать количество белков, жиров, углеводов, а также спирта в любом продукте отдельно в лабораторных условиях. Также известно, что в 1 г белков и углеводов предоставляет примерно 4 калории, в 1 г жира – 9 калорий и в 1 г спирта – 7 калорий.

Поэтому все усваиваемые вещества измеряются в граммах и просто умножаются на энергетическую ценность.

С помощью калориметров, считают калории выделяемые при сжигании различных продуктов. Это не сложное исследование, которое не требует высокоточного оборудования.

Химия нам говорит , что неважно какими путями ,какими реакциями с какими промежуточными продуктами происходили химические преобразования , важны только начальные реагенты и конечные продукты реакции. И во всех вариантах с такими же продуктами реакции и исходными в-вами будет выделено одинаковое количество энергии. У нас в организме для получения энергии наша еда довольно сложным путем превращается , в конечном итоге, в углекислый газ с водой , который мы с вами выдыхаем (плюс еще чуть-чуть разного , но сути не меняет). Если сжечь органику то получим те же углекислый газ и водяной пар, в общем, все то же, что и после сложного цикла который отвечает за энергию в организме человека. Таким образом если просто сжечь еду и измерить количество выделенного тепла (для чего есть множество несложных способов) мы и узнаем, какое максимальное количество энергии сможет выжать из этой еды наш организм. Именно из-за закона, по которому неважно что происходит при самом процессе , количество энергии определяется только начальным и конечным состоянием.