Kalorimetrie
Kalorická hodnota potravin
Fyziologická kalorická hodnota živin
V současné době se používají dva způsoby označování, jednak se mluví o energetické hodnotě potravin, v dřívější době o kalorické hodnotě potravin. Pojem kalorimetrie je dán historicky podle tepelné jednotky (kalorie), která se v dané době používala. Nyní se používá jednotka joule a tím se objevila snaha oprostit se od zavedeného názvu kalorimetrie. Stále je však tento pojem používán a je přirozený.
Energie uložená v procesu fotosyntézy do složitých molekul (potrava) se v těle živočichů uvolňuje a následně ukládá jako chemická energie (ve formě makroergických sloučenin). Tuto energii pak živočich podle potřeby převádí na jiné formy energie v souladu se svými životními projevy a podle potřeb svého těla.
Veškerá energie uvolněná v těle z živin, se nakonec přemění v teplo. Velikost energetické přeměny živin lze tedy stanovit změřením množství tepla, které se v těle vytváří. Přeměna živin (sacharidy, tuky a bílkoviny) vede ve finále k oxidaci, jinými slovy ke spálení za přítomnosti kyslíku. Je jedno, zda se daná živina spálí naráz v kalorimetrické bombě, nebo proběhne proces postupné oxidace v těle. V obou případech je množství uvolněného tepla stejné.
Energetická hodnota živiny se tedy stanovuje podobně jako spalné teplo. Množství tepla, které se při oxidaci uvolní, je možné změřit ve zvláštním zařízení, označovaném jako kalorimetrická bomba (kalorimetr). Je však nutné odlišit spalné teplo změřené v kalorimetru od tepla (energie) využitelné v těle z dané živiny. Aby byly dobře pochopeny mírné rozdíly, jsou na následujícím přehledu úmyslně použity výrazy spalné teplo (tzn. teplo změřené při spálení v kalorimetru) a fyziologická kalorická hodnota živiny (množství energie, které se skutečně v organismu uvolní a využije). Jak je vidět, hodnoty používané pro výpočet energetické hodnoty živin jsou nepatrně nižší.
Při výpočtech energetické hodnoty potravin se používají žlutě zvýrazněné hodnoty. V případě tuků a sacharidů je konečným produktem biologické oxidace oxid uhličitý a voda. I když existují nepatrné rozdíly ve spalném teple mezi monosacharidy a polysacharidy, pro výpočty se používá stejná hodnota pro všechny sacharidy (jednoduché, maltodextriny i polysacharidy). V případě tuků je průměrná hodnota spalného tepla nepatrně vyšší, než při fyziologické využitelnosti. Tento rozdíl vzniká u některých složitějších molekul, jejichž rozklad v organismu není úplný. V případě bílkovin vzniká ještě močovina, což je sloučenina, která obsahuje určité množství energie, jedná se tedy o energeticky poměrně bohatý odpad. Proto je kalorická hodnota proteinů ve skutečnosti nižší (uvedených 17,2 kJ/g), než naměřené spalné teplo (průměrně 23,4 kJ/g).
Určit přesnou fyziologickou kalorickou hodnotu bílkovin je poměrně obtížné. Vše je závislé na obsahu bílkoviny v přijímané potravě, podílu bílkoviny na celkovém energetickém příjmu a na fyzické aktivitě. Pokud dochází ke zvyšování fyzické aktivity, zvyšuje se výdej energie a současně tělo vyžaduje vyšší dodávku energie v přijímané potravě. Z následujícího grafu je patrné, že s nárůstem potřeby energie dochází k mírnému zvyšování potřeby bílkoviny vztaženo na kg hmotnosti těla (modrá křivka), současně však dochází ke snižování podílu bílkoviny na celkovém energetickém příjmu. Za těchto podmínek se zvyšuje fyziologická kalorická hodnota bílkoviny (žlutá křivka) a tělo dokáže z 1 g bílkoviny získat až 17,4 kJ využitelné energie (zbytek do asi 23,4 kJ se spotřebuje na zabudování uvolněné aminoskupiny do močoviny). Graf platí pro muže, atleta, o výšce 182 cm, váze 78 kg a věku 30 let.
Opačný efekt je pozorován v případě, kdy při stejném energetickém příjmu narůstá podíl bílkoviny na celkově přijímané energii. V tomto případě může klesnout fyziologická kalorická hodnota bílkoviny až na 16,6 kJ z 1 gramu přijaté bílkoviny. Při vysokém příjmu bílkoviny se navíc promítá do celkové bilance i čpavek vzniklý metabolickou činností střevních baktérií. Jinými slovy, tělo musí na močovinu přeměnit i čpavek, který vznikl z bílkoviny, kterou využily bakterie a který se následně vstřebal do krve. Ze stejného důvodu je i nižší hodnota v případě příjmu bílkovin rostlinného původu. Striktní vysokoproteinová dieta zajišťuje ve skutečnosti nižší energetický příjem, než jaký vychází klasickým nutričním výpočtem. Zdánlivě je tedy tato dieta vhodná pro redukci váhy, ale z důvodu nadprodukce čpavku a jeho vlivu na akceleraci stárnutí buněk je z fyziologického hlediska nežádoucí a nevhodná (zejména pro věkovou kategorii nad 40 let).
Protože je obtížné zahrnout do výpočtu všechny vlivy, které ovlivňují výslednou fyziologickou kalorickou hodnotu bílkoviny, byla pro potřeby výživových výpočtů zavedena průměrná hodnota 17,2 kJ z 1 g přijaté bílkoviny. Chyba, která tímto při výpočtech vzniká není významná a zásadněji nutriční výpočty neovlivňuje.
Kalorimetrie
Energetickou hodnotu potravin lze změřit v podstatě dvěma způsoby. Při přímé kalorimetrii se sledovaný živočich umístí v tepelně izolovaném prostoru. Vytvářené teplo se měří přímo tak, že se zaznamenává celkové množství tepla odevzdaného chladícímu médiu cirkulujícímu v kalorimetru (obyčejně voda). Zároveň se měří spotřeba kyslíku, výdej oxidu uhličitého a množství dusíku vyloučeného močí a stolicí.
Protože je přímá kalorimetrie spojena s poměrně velkými technickými obtížemi, zavádí se určité zjednodušení, které spočívá pouze v měření výměny plynů a určením respiračního koeficientu. Tato metoda se běžně používá jak v klinické praxi, tak i v terénu. Je základem pro stanovení bazálního metabolismu pro optimalizaci např. redukčních diet, tak i pro aktivní sportovce při optimalizaci tréninkových dávek (zátěžová spiroergometrie).
Respirační koeficient
Respirační koeficient (RQ) je poměr mezi vyprodukovaným oxidem uhličitým a spotřebovaným kyslíkem pro oxidaci (v objemovém vyjádření). Nejvyšší respirační koeficient mají sacharidy. Například v případě glukózy je roven 1. V případě tuků dosahuje obvykle hodnot kolem 0,7. V případě bílkovin je situace složitější, protože nelze zcela přesně stanovit jejich chemickou strukturu. Respirační koeficient byl odvozen nepřímo a pohybuje se kolem hodnoty 0,8. Nižší hodnota u tuků je dána tím, že molekula mastných kyselin obsahuje málo kyslíku vůči celkovému uhlíku a proto se také spotřebuje mnohem více kyslíku přijatého dýcháním na jejich oxidaci.
V potravě bývají jednotlivé živiny zastoupeny v různém poměru. Respirační koeficient pro běžné jídlo bývá přibližně 0,85. Pokud se ale zvýší podíl sacharidů na úkor ostatních živin, hodnota RQ se začne přibližovat k 1. Při diabetu bývá metabolismus sacharidů ovlivněn a RQ se snižuje. Při aplikaci inzulinu se hodnota RQ naopak zvýší. Vysoká spotřeba sacharidů (např. sladká jídla, silně slazené nápoje) mohou hodnotu RQ zvýšit až nad 1. Tento jev nastane v situaci, kdy energetický příjem je tak vysoký, že nadbytečné sacharidy začnou být v těle přeměňovány na tuk. V takové situaci se ze sacharidů, které mají ve své molekule vysoký podíl kyslíku, začnou tvořit molekuly s nízkým obsahem kyslíku (mastné kyseliny). Spotřeba vdechnutého kyslíku se snižuje, avšak oxid uhličitý uvolněný při glykolýze se stále produkuje. Poměr mezi vyprodukovaným oxidem uhličitým a vdechnutým kyslíkem se zvyšuje, což vede k nárůstu hodnoty RQ.
Protože v případě bílkovin probíhá neúplný metabolismus, koriguje se RQ na množství metabolizovaných bílkovin a pak se pracuje s tzv. nebílkovinným RQ (nebílkovinná část celkového RQ). Korekce spočívá v tom, že 1 gram dusíku v moči se rovná takovému množství bílkovin, na jejichž oxidaci je třeba 5,92 l kyslíku a vznikne 4,75 l oxidu uhličitého.
Technické provedení nepřímé kalorimetrie
Nejprve je třeba změřit spotřebu kyslíku a produkci oxidu uhličitého v litrech za definovaný časový úsek. K tomuto úseku je třeba vztáhnout produkci dusíku v moči. Pokud se takto hodnotí pacient v nemocnici, obvykle se měření provede po dobu 24 hodin.
Na následujícím příkladu je názorně předveden postup nepřímé kalorimetrie. Během měření byly stanoveny tyto hodnoty: spotřeba kyslíku 432 l, produkce oxidu uhličitého 338 l a množství vyloučeného dusíku 12,3 g (vše za den).
Množství dusíku v gramech se vynásobí počtem litrů kyslíku spotřebovaného na oxidaci toho množství proteinů, které připadá na 1 gram dusíku v moči. Analogicky se násobí množství dusíku v moči počtem litrů oxidu uhličitého při uvedené oxidaci. Z celkové spotřeby kyslíku pak na oxidaci proteinů připadá 72,8 l a 58,4 l z celkového objemu vyloučeného oxidu uhličitého je bílkovinného původu. Zbývající množství pak připadá na oxidaci sacharidů a tuků.
Pro převedení nebílkovinného RQ na sacharidy a tuky se používají tabulkové hodnoty (nejčastěji podle McLendona). Vypočítané hodnotě 0,78 odpovídá 0,294 g sacharidů a 0,384 g tuků. Celkové množství využitých sacharidů a tuků se pak vypočítá vynásobením tabulkových údajů množstvím kyslíku potřebného na oxidaci sacharidů a tuků. Současně lze z vyloučeného dusíku vypočítat množství metabolizovaných bílkovin.
Celkové množství tepla vytvořeného z přijaté potravy se pak vypočítá vynásobením množství každé živiny její fyziologickou kalorickou hodnotou.
Energetický ekvivalent
Pro stanovení energetické přeměny je třeba znát energetický ekvivalent (dříve označovaný jako kalorický ekvivalent) pro spalovanou živinu. Ten lze vypočítat ze spalného tepla určeného v kalorimetrické bombě a ze spotřeby kyslíku potřebného ke spálení. Na následujícím schématu jsou znázorněny výpočty pro spálení glukózy.
1 mol glukózy je 180g. 1 mol kyslíku zaujme za normálních podmínek objem 22,41 l (molární objem ideálního plynu za tlaku 101 325 Pa a teploty 273,15°K). Spalné teplo pro 1 mol glukózy je 2 826 kJ.
Různé cukry mají energetický ekvivalent zhruba 21,15 kJ/l za standardních podmínek (0°C), při 37°C přibližně 18,8 kJ/l. Tuky mají energetický ekvivalent asi 19,6 kJ/l za standardních podmínek a při 37°C cca 17,6 kJ/l. Bílkoviny mají energetický ekvivalent 19,65 kJ/l za standardních podmínek a při 37°C asi 16,8 kJ/l, vše vztaženo ke spotřebovanému kyslíku.
Energetická přeměna se pak vypočítá jako součin energetického ekvivalentu a spotřebovaného kyslíku v litrech (energetická přeměna = energetický ekvivalent x objem kyslíku).
Přepočet nebílkovinného RQ na cukry a tuky
Následující tabulka ukazuje význam nebílkovinného RQ při spotřebě 1 litru kyslíku. Uvádí podíl metabolizovatelných cukrů a tuků při různých hodnotách nebílkovinného RQ a odpovídající množství tepla, které se uvolní oxidací cukrů a tuků. Podle Zuntz a Schumberga v úpravě McLendona, převzato z H10.
Související články
Respirační koeficient - rejstřík
Odkazy
Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.