(Energometrie a kalorimetrie

13.2.2012
ENERGOMETRIE A
KALORIMETRIE
MIROSLAV PETR
ENERGIE
různé formy E
• např. rostliny využívají světelnou energii v procesu
fotosyntézy → produkce sacharidů, tuků, bílkovin
E potravinách je uložena v chemických vazbách mezi
různými molekulami
• štěpení těchto vazeb uvolňuje E
• např. glukóza je rozložena v procesu glykolýzy na ATP
(přeměna jedné chemické energie v jinou), které je
dále transformována do mechanické E (pohyb)
1
13.2.2012
Při spalování sacharidů a tuků je chemická
E přeměněna na mechanickou E (svalová
kontrakce) a tepelnou E.
E výdej představuje celkové množství
vynaložené energie za jednotku času buď:
• v kilojoulech [kJ]
• v kilokaloriích [kcal]
ÚČINNOST LIDSKÉHO
TĚLA
Lidské tělo není příliš efektivní ve využití E
pocházející ze spalování živin
• při jízdě na kole je pouze 20 % na samotný výkon,
zbytek = tepelná E
• produkce tepla složí k udržování tělesné teploty
• během tělesné aktivity může být produkce tepla
excesivní
2
13.2.2012
ŽÁDNÝ SYSTÉM
NENÍ 100% ÚČINNÝ
benzínový = 20% - 30%
dieselový motor = 30% - 40%
běžná žárovky = 20%
ekonomická žárovka = až 80%
KALORIE
Energie je vyjádřena:
• Kaloriemi (anglický systém)
• Jouly (metrický systém)
1 kalorie = množství E potřebné ke zvýšení
teploty 1g vody o 1°C
• jídlo obsahující 200 kalorií má potenci zvýšit
teplotu 200 l vody o 1°C
• 1 Kalorie představuje kvantitativně velice malé
množství E, proto je používána kilokalorie (kcal =
1000 kalorií)
3
13.2.2012
PŘEVOD KALORIÍ
NA JOULY
1 kcal = 4,2 kJ
10 kcal = 42 kJ
MĚŘENÍ ENERGETICKÉHO
OBSAHU POTRAVIN – BOMBOVÝ
KALORIMETR
– vzorek potraviny je
přichycen k zápalným
drátům a umístěn do
kalorimetrické bomby
pod několika
atmosférami stačeného
O2
– potraviny je následně
zapálena (výbušně)
– mixér vody zajišťuje
distribuci tepla po celé
vodní nádržce
– teploměr zaznamenává
změnu (nárůst) teploty
4
13.2.2012
SPALOVÁNÍ SACHARIDŮ
• v závislosti na druhu různý obsah E (podle uspořádání
atomů ve struktuře sacharidu)
• při spalování glukózy je uvolněno 15,7 kJ/g (3,7 kcal/g), v
případě vlákniny je to 17,6 kJ/g (4,2 kcal/g)
běžně udávaná hodnota pro vyjádření E
obsahu sacharidů je:
1 g sacharidů = 17,6 kJ = 4,2 kcal
SPALOVÁNÍ TUKŮ
• E obsah tuků je také závislý na struktuře tuků (MK)
• MK se středně dlouhým řetězcem (8 uhlíků) obsahují 36,0
kJ/g (8,6 kcal/g), kdežto MK s dlouhým řetězcem mohou
uvolnit až 40,2 /g (9,6 kcal/g)
Běžně udávaná hodnota pro vyjádření
energetického obsahu tuků je:
1 g tuků = 39,3 kJ/g (9,4 kcal/g)
5
13.2.2012
SPALOVÁNÍ PROTEINŮ
• E obsah proteinů závisí na druhu proteinu a na obsahu
dusíku
• Dusík nepředstavuje energii a proto mají proteiny s vysokým
obsahem dusíku nižší E zisk
• Koncentrace dusíku v jednotlivých potravních zdrojích kolísá
od 15% (neodtučněné mléko) do přibližně 19% (ořechy a
semena)
Běžně udávaná hodnota pro vyjádření
energetického obsahu proteinů je:
1 g = 23,7 kJ/g (5,65 kcal/g)
Čistý E zisk z potravin není svou kvantitou
totožný s E uvolněnou v bombovém kalorimetru
• zejména v případě proteinů
• dusík z AMK je z těla vyloučen ledvinami jako močovina
(obsahuje dusík, uhlík, kyslík a vodík ve formě
CO(NH2)2)
• spolu s atomy dusíku je z těla vyloučena i část
vodíkatých iontů pocházejících z AMK
• celkový E z proteinů je v organismu okolo 80% (20%
energie je ztraceno)
Jestliže je v bombovém kalorimetru čistý E zisk z
proteinu 23,7 kJ/g (5,65 kcal/g), pak v lidském těle je
to průměrně 19,3 kJ/g (4,6 kcal/g) !!!
6
13.2.2012
MĚŘENÍ ENERGETICKÉHO
VÝDEJE
•
Přímá kalorimetrie
•
Nepřímá kalorimetrie
•
Spirometrie s otevřeným okruhem
•
Spirometrie se zavřeným okruhem
•
Dvojitě značená voda
•
Monitoring srdeční frekvence
•
Sebepozorování - sledování fyzické aktivity a
příjmu jídla
PŘÍMÁ KALORIMETRIE
7
13.2.2012
NEPŘÍMÁ KALORIMETRIE
• vznik E uvolněné v biochemických reakcích
závisí na dodávce kyslíku … nepřímá
kalorimetrie registruje objem spotřebovaného
O2 a vydýchaného CO2
• energetický ekvivalent 1 litru 02 je 20,2 kJ
(4,82 kcal)
• tento EE je relativně stabilní za předpokladu
smíšené stravy obsahující směs sacharidů,
tuků a proteinů
• nepřímá kalorimetrie je poměrně přesným
odhadem E výdeje
RESPIRAČNÍ KOMORA
(KALORIMETRIE S OTEVŘENÝM
SYSTÉMEM)
8
13.2.2012
MONITORING SRDEČNÍ
FREKVENCE
• nepříliš přesná metoda
• srdeční frekvence je lineárně úměrná spotřebě 02 při
submaximálním zatížení
• při velmi nízkých a velmi vysokých intenzitách je tento
odhad méně přesný
• vztah TF-V02 je ovlivněn několika faktory, které zahrnují
okolní podmínky (teplota a vlhkost), nadmořská výška,
tělesná poloha, statické (izometrické) cvičení, úzkost atd.
Spurr et al. (1988) srovnávali 24-hodinový E výdej
metodou kalorimetrie a srdeční frekvence u 22 jedinců.
Odchylky E výdeje mezi oběma metodami kolísali od
+20% do -15%.
DVOJITĚ ZNAČENÁ VODA
technika založená na spolknutí doušku dvou
izotopů vody: 2H2O a H218O
tyto 2 izotopy jsou využity jako izotopové
indikátory, lehce těžší atomy 2H a 180 mohou být
následně měřeny v tělních tekutinách např. v
moči
je odstraní z těla vodou a 180 jednak vodou a
dále jako C1802 ve
vydýchaném vzduchu
2H
rozdíl mezi exkrecí těchto
izotopů následně
představuje produkci CO2
metoda vhodná pro
dlouhodobé sledování
9
13.2.2012
ZÁKLADNÍ POJMY K
VÝPOČTU E VÝDEJE:
• Bazální metabolismus (BM) - E spotřeba nutná
k zachování všech životně důležitých funkcí;
Basal metabolic rate (BMR)
• Klidový metabolismus – množství kalorií
spálených za dobu 24 hodin za předpokladu
setrvání polohy vleže, ne však ve spánku;
odpovídá asi 110% BM; Rest metabolic rate
(RMR)
• Pracovní metabolismus – klidový
metabolismus navýšený o E vydanou během
pracovních aktivit
NA ČEM ZÁVISÍ BM:
•
věk
•
pohlaví
•
velikost těla
•
kompozice těla
•
genetické faktory (ADRB2, UCP)
•
klima – teplota
•
deficience mikronutrimentů
•
hladovění
•
aktivity šž
•
příjem stimulantů, kouření
10
13.2.2012
VÝPOČET BAZÁLNÍHO METABOLISMU
(NÁLEŽITÁ HODNOTA BM)
rovnice
muži
ženy
(kcal/24 hod)
Harris-Benedict,
1919
James, 1984
Bernstein, 1983
rovnice
66 + (13,7 * hmotnost) +
(5 * výška) – (6,8 * věk)
věk 18-30: 692 + (15,1
* hmotnost)
věk 31-60: 873 + (11,6
* hmotnost)
věk >60: 588 + (11,7
* hmotnost)
(11,0 * hmotnost) + (10,2
* výška) – (5,8 * věk) 1032
655 + (9,5 * hmotnost) +
(1,85 * výška) – (4,7 *
věk)
věk 18-30: 487 + (14,8
* hmotnost)
věk 31-60: 845 + (8,17
* hmotnost)
věk >60: 658 + (9,01
* hmotnost)
(7,48 * hmotnost) + (0,42
* výška) – (3,0 * věk) +
844
muži
ženy
(kcal/24 hod)
WHO, 1985
Cunningham,
1984
Fleisch
věk 18-30: [(64,4 *
hmotnost) - (133 *
výška) + 3000] /
4,184
věk 31-60: [(19,2 *
hmotnost) - (66,9 *
výška) + 3769] /
4,184
věk 18-30: [(55,6 *
hmotnost) - (1397,4 *
výška) + 146] / 4,184
věk 31-60: [(36,4 *
hmotnost) - (104,6 *
výška) + 3619] /
4,184
370 + (21,6 * ATH)
viz následující výpočet
11
13.2.2012
Monogram pro
přepočet tělesného
povrchu:
Příklad:
výška = 180 cm
hmotnost = 80 kg
Povrch těla = 1,99 m2
Příklad:
Pohlaví = muž
Věk = 25
Faktor (24h) =
3771kJ.24h-1.m-2
BMR = 3771 x 1,99 = 7504 kJ.24h-1.m-2
= 313 kJ.h-1.m-2
12
13.2.2012
E VÝDEJ:
REGISTRACE
DENNÍCH
AKTIVIT
ENERGETICKÝ VÝDEJ PŘI
RŮZNÝCH ČINNOSTECH
Aktivita
kJ/min
Kcal/min
Odpočinek
4
1
Velmi lehká
12-20
3-5
Sezení, postávání, řízení auta,
psaní na PC
Lehká
20-28
5-7
Chůze (3-5km/hod), golf, jízda na
koni
Střední
28-36
7-9
Lehký běh, badminton, volejbal,
chůze (7-8km/hod)
Těžká
36-52
9-13
Běh (10-13km/hod), lyže běžky
>52
>13
Jízda na kole (35km/hod, běh
>14km/hod)
Velmi těžká
Příklady
Spánek, ležení
13
13.2.2012
TERMICKÝ ÚČINEK JÍDLA
• jedná se o navýšení E výdeje, který nastává v
souvislosti s příjmem jídla a trvá i několik hodin po
něm
• normálně představuje asi 10% celkového denního
výdeje
• výše závisí na několika faktorech (kompozice jídla, E,
velikost jídla)
• E náročnost při ukládání tuku do tukové tkáně je
přibližně 3%
• sacharidy ukládány jako glykogen - 7% E je ztraceno
• E náročnost syntézy a rozpadu proteinů představuje
ztráty E ve výši okolo 24%
Počet jídel během dne
• většina obézních lidí vynechává snídani a svačiny během
dne a naopak jedí hodně pozdě odpoledne a večer
• častější příjem jídla brání obezitě
1x
2x
3x
4x
5x
6x
14
13.2.2012
HODNOCENÍ E PŘÍJMU
• záznam (report)
• dotazník (food frequency questionnaire)
Report
15
13.2.2012
Dotazník
V PRAXI JE MOŽNÉ
POČÍTAT S:
1. kJ (4,2 kJ = 1 kcal)
2. kcal (1 kcal = 4,2 kJ)
3. gramy dané živiny, kde
1 g sacharidů = 17 kJ = 4 kcal
1 g proteinů = 17 kJ = 4 kcal
1 g bílkovin = 38 kJ = 9 kcal
16
13.2.2012
POČÍTÁNÍ KALORIÍ MŮŽE BÝT VELMI
NEPŘESNÉ HNED Z NĚKOLIKA
DŮVODŮ:
•
Různé zdroje (tabulky) udávají různé hodnoty E u
jednotlivých potravin
•
E obsah může být různý v závislosti na přípravě
jídla – syrové x vařené
•
Obsah vlákniny je málo kdy brán v potaz (více
vlákniny = méně kalorií vstřebaných)
•
Reálná variabilita obsahu jednotlivých složek v
potravinách
•
Obsah tuku v mase se může velmi lišit
•
MK se mohou lišit v závislosti na zdroji krmiva
VARIABILITA OBSAHU
SLOŽEK V POTRAVINÁCH
• základní (odrůda/rasa, stáří/věk)
• environmentální (půda, voda, počasí, krmení,
sluneční svit)
• zpracování/příprava
• transport a skladování (doba a teplota)
• expozice světlu, vzduchu apod.
• odstranění/přidání komponent např. odstranění tuku (low-fat),
fortifikace potravin
• použití různých receptur
17
13.2.2012
VARIABILITA OBSAHU
VITAMINU D V MLÉCE
Holden et al, Am J Clin Nutr 87:1092S-6S, 2008
VITAMIN D V MLÉCE
(IU/1 QUART = 946ML)
Otučněné mléko – 423 ± 103
Mléko 1% tuku – 507 ± 126
Mléko 2% tuku – 406 ± 109
Holden et al, Am J Clin Nutr 87:1092S-6S, 2008
18
13.2.2012
OBSAH ŽELEZA V NĚKTERÝCH
POTRAVINÁCH (MG/100 G; N=51)
Potravina
průměr (SD)
(rozmezí)
Hovězí
2.6 ± 0.4
(1.8-3.5)
Mouka
4.9 ± 2.0
(1.6-10.5)
Rozinky
25.1 ± 12.0
(10.9-56.0)
Špenát
2.5 ± 2.4
(0.8-16.6)
Karbanátek
2.4 ± 0.4
(1.3-3.4)
VÝŠKA ROSTLINY
Obsah vitaminu se snižuje zatímco obsah karotenoidů,
chlorofylů a polyfenolů se zvyšuje spolu s výškou
rostliny (kopru):
rostlina (cm)
vit C (mg/100g) v listech
20
138 ± 5
40
122 ± 4
60
119 ± 5
Lisiewska et al., 2006. J Food Comp Anal 19, 134-140
19
13.2.2012
OBSAH ANTIOXIDANTŮ –
OBDOBÍ
•
Cherry rajčata stejné odrůdy při stejných podmínkách a ve
stejné lokalitě vykázala významné rozdíly v antioxidační
kapacitě v závislosti na době sklizně:
Trolox eq/100 g
•
•
•
•
Duben
Červen
Leden
Březen
191
263
170
420
KALORIMETRIE?
Může se za určitých okolností hodit
… ale není kalorie jako kalorie!
20
13.2.2012
Děkuji za pozornost!
21