Az élelmiszerek energiatartalma
A szénhidrátok, zsírok és fehérjék szerves építőelemekből állnak:
- Szénhidrátok: glükóz/fruktóz
- Zsírok: glicerin/zsírsavak
- Fehérjék: aminosavak
A gyomorban és különösen a vékonybélben történő emésztés során a három tápanyag építőelemeikre bomlik. A keményítőt ezután glükózra, a zsírokat glicerinre és zsírsavakra, a fehérjéket pedig aminosavakra bontják. Ezek az építőelemek elég kicsik ahhoz, hogy újra felszívódhassanak. A reszorpció során a kis építőelemek bejutnak a véráramba, onnan pedig a célsejtekbe. Ezen építőelemek többségét a célsejtek tovább bontják, nevezetesen szén-dioxidra és vízre.
A glükózmolekulák például ebben a lebontásban három fontos szakaszon mennek keresztül:
Először is, a glükózmolekulákat a glikolízis során két kisebb molekulára bontják, amelyek mindegyike három C-atomból és néhány H- és O-atomból áll.
Ezután ezeket a C3 testeket szén-dioxidra és hidrogénre bontják a citromsav ciklusban (citromsav ciklus). A szén-dioxid bejut a vérbe, onnan a tüdőbe és végül kilélegzik. A hidrogén bizonyos szállító molekulákhoz kötődik, majd eljut a mitokondriumba, a sejt erőműveibe.
A harmadik szakasz itt kezdődik. A kémiailag kötött hidrogén reagál az általunk belélegzett oxigénnel. Az oxigén eljut a tüdőbe, és az alveolusokban átjut a vérbe. A hemoglobin, egy szállító molekula segítségével a célsejtekbe kerül, és ott eljut a mitokondriumba. Ott az oxigén reagál a fenti hidrogénnel, amely még mindig kötődik a molekulák transzportjához. Víz jön létre. Ezután ismét kilélegezzük ezt a vizet, észreveszed például, amikor a szemüveged újra bepárásodik, mert a védőmaszkon keresztül lélegzel ki.
A tárolt energia hülyesége
Gyakran olvasható az interneten vagy az irodalomban, hogy az olyan szerves molekulák, mint a glükóz, sok energiát tárolnak kötéseikben, amely aztán a légzés során felszabadul (= glikolízis + citromsavciklus + légzési lánc).
Kémiailag ez nem teljesen helyes. Helyes, hogy a szerves vegyületek szénatomjai, hidrogénatomjai és oxigénatomjai között erős kémiai kötések vannak, úgynevezett elektronpár kötések. Az ilyen kötések megszakításához azonban energiát kell költeni. Nem szabadul fel energia, amikor megszakad a glükózmolekula két szénatomjának kapcsolata, éppen ellenkezőleg, nagy mennyiségű energiát kell elköltenem.
De miért szabadul fel sok energia, amikor a glükóz oxidálódik? Vegyük figyelembe az egyszerű reakcióegyenletet
$ C_H_O_ + 6 \ O_ \ 6 \ CO_ + 6 \ H_O \ \ \ Delta H = -2822 kJ/mol $
1 mol glükóz oxidálásakor (kb. 180 gramm) hatalmas mennyiségű, 2822 kJ energia szabadul fel. Ha ezt az összeget elosztja 180-mal, 15,7 kJ/g-ot kap.
Ezt az energiát azonban nem a glükózmolekula kötései tartalmazzák, hanem a víz és a szén-dioxid vegyületek keletkezésekor keletkezik.
Ha egy kémiai kötés "felbomlik", akkor egy bizonyos mennyiségű energiát el kell költeni, az úgynevezett kötés disszociációs energiát. Ha viszont új kémiai kötés jön létre, ez az energia felszabadul.
Vegyünk egy normál C-C egyszeres kötést. Egy ilyen kötés "megszakításához" körülbelül 350 kJ/mol energiamennyiségre van szükség. A C-H kötés valamivel stabilabb, a lebontása körülbelül 410 kJ/mol.
Most nézzük meg, hogy mekkora energia szabadul fel, amikor C = O kettős kötések jönnek létre, vagyis amikor CO2 molekulák képződnek: 745 kJ/mol. Amikor vízmolekulák képződnek, kb. 460 kJ/mol szabadul fel az O-H kötésekhez.
6 H2O és 6 CO2 képződésével sokkal több energia szabadul fel, mint amennyi a glükózmolekula kötéseinek "megszakításához" szükséges. Ezért összességében nagyon sok energia szabadul fel a glükóz oxidációja során. Nem azért, mert a glükózmolekula kötései sok energiát "tartalmaznak", hanem azért, mert a víz és a szén-dioxid képződése során sok energia szabadul fel.
Energiatartalom
A tápanyag "energiatartalma" vagy "fűtőértéke" alatt azt a reakcióentalpiat értjük, amely felszabadul, ha ezt a tápanyagot szén-dioxid és víz képezi.
Ezt az energiatartalmat joule-ban vagy ezerszeresében, kilojoule-ban vagy röviden kJ-ban mérjük. A "joule" kifejezés meghatározása túlságosan fizikai és nem könnyen érthető; Jobb a régen elavult, de gyakran használt energiaegység kalória vagy kilokalória kcal meghatározása.
1 kilokalória az az energiamennyiség, amely 1 liter vagy 1 kg víz felmelegítéséhez szükséges 14,5–15,5 ° C-on.
Ez a meghatározás meglehetősen könnyen érthető, főleg, hogy ez a tápanyagok és más kémiai vegyületek energiamérésének alapja is.
A "14,5 ° C és 15,5 ° C közötti hőmérséklet-specifikáció" azért fontos, mert "1 g víz felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség kissé változik magasabb vagy alacsonyabb hőmérsékleten" (Römpp Chemie Lexikon, kulcsszó "kalória").
Amire aztán emlékezni kell, az a következő rövid meghatározás:
1 kcal = 4,184 kJ
A mindennapi élethez elegendő megjegyezni a 4,2-es faktort is, 1 kcal = 4,2 kJ.
hőmennyiségmérő
Hogyan mérhető egy étel energiatartalma? Pontosan kimért tápanyagmennyiséget, például 0,1 g glükózt helyezünk egy készülékbe, amely a kaloriméter könnyen megjegyezhető nevével jár. Ezt a tápanyagot ezután egy teljesen vízzel körülvett kamrában elégetik. Ennek megkönnyítése érdekében ezt a kamrát tiszta oxigénnel töltik meg. Elég egy szikra az elektromos gyújtásból, és a tápanyag megég. A teljes égés során felszabaduló reakcióenergia a környező vízbe kerül. És akkor használja a kalória definícióját. Pontosan megmérheti, hogy a vizet mennyire melegíti fel ez az égés. Hogy ez a számítás pontosan hogyan működik, itt nem kell tovább érdeklődni. Az indoklásnak azonban most világosnak kell lennie.
Egy egyszerű vázlat egy bomba kaloriméterről.
Lanzi felhasználó által készített nyilvános rajz. A Wikipedia Bomb Calorimeter cikkéből.
Fizikai fűtőértékek
Ha 1 g szénhidrátot éget el egy ilyen kaloriméterben, akkor pontosan 17,2 kJ energiatermelést mérhet. 1 g fehérje 23,4 kJ, 1 g zsír mellett pedig 38,9 kJ. A három tápanyag közül tehát a zsír a legenergikusabb.
Fizikai fűtőérték = 1 g vegyület elégetésekor felszabaduló energia mennyisége.
Ezek az értékek természetesen átlagértékek, amelyeket sok száz egyedi kísérletben határoztak meg. A különféle szénhidrátok fűtőértékei kissé eltérnek egymástól, csakúgy, mint a különböző fehérjék és zsírok fűtőértékei. Az alkohol fűtőértéke szintén nem elhanyagolható, nevezetesen 29,0 kJ/g.
Fiziológiai fűtőértékek
A táplálkozási táblázatokban, amelyeken szeret utánanézni, vajon megengedheti-e még magának a süteménydarabot, meg vannak adva az étel fűtőértékei is. Itt azonban nem a fizikai fűtőértékeket, hanem az élettani fűtőértékeket fogja megtalálni. Az élettani fűtőértékek mindig alacsonyabbak, mint a fizikai értékek, mert az elfogyasztott étel felhasználása mindig veszteségeket eredményez, részben a széklet képződésének, részben a vizelet képződésének, részben pedig az emésztés során keletkező melegségnek. További részletek: "Energia-visszanyerési szakaszok".
A szénhidrátok és zsírok esetében az élettani fűtőértékek nagyjából megfelelnek a fizikai értékeknek. Testünk sejtjei szénhidrátokat és zsírokat szinte teljesen szén-dioxiddá és vízzé égetnek - hasonlóan a kaloriméterben történő égéshez.
De másképp néz ki a fehérjéknél. A fehérjéket nem égetik el 100% -os szén-dioxiddá és vízzé, de a fehérjék oxidálásakor más szerves vegyületek is keletkeznek, amelyeknek még mindig van bizonyos fűtőértékük. Ennek oka elsősorban a fehérjék aminosavaiban található nitrogén; A nitrogén nem könnyen oxidálható.
A fehérjék élettani fűtőértéke ezért alacsonyabb, mint a fizikai fűtőérték. A fehérjék 100% -át a kaloriméterben égetik el, az emberi testben azonban nem. A fehérjék fiziológiai fűtőértéke ezért 17 kJ/g, ami nagyjából megegyezik a szénhidrátokéval.
Fiziológiai fűtőértékek
- Szénhidrátok: 17,2 kJ/g
- Fehérjék: 17,2 kJ/g
- Zsírok: 37 kJ/g
A legjobb, ha ezeket az értékeket fejből megtanulja, újra és újra szükség van rájuk az ételek és a napi tervek elemzésekor.
Vigyázni kell a zsírok fűtőértékével. Egyes könyvekben a zsírok fűtőértéke 38,9 kJ/g. De ez nyilvánvalóan a fizikai fűtőérték. Schlieper szerint a zsírok élettani fűtőértéke 37,0 kJ/g. Ennek megfelelően a zsírokat nem használják 100% -ban a testünkben.
A nyúlós medve fene
Az ételek fűtőértéke nagyon szépen kimutatható a lenyűgöző "Humm of the gummy bear" kísérlettel, amelynek rengeteg videója van a YouTube-on. Különösen tetszett ez a videó.
Kísérletként: egy nehezen olvadó kémcsövet kálium-kloráttal (kb. 2 cm magas) töltünk meg, amelyet ezután az égővel megolvasztunk (ravasz, védőképernyő nagyon veszélyes lehet!) Ha a kálium-klorát folyékony, gumicukrot helyezünk a kémcsőbe.
Rövid, talán 1 másodperces késés után megindul egy nagyon heves kémiai reakció (lásd a videót), amelynek során rendkívül nagy mennyiségű égési hő adódik le.
Tananyag
Belső linkek:
2015.07.31 .: Az oldal létrehozva
2017. július 6 .: Az új stíluslaphoz igazítva, kissé hozzáadott tartalommal.
2019.12.12 .: Javított egy hibát, amelyet Rolf Thieme úr rámutatott, és néhány információt hozzáfűzött.
2020.08.28 .: Az oldal alaposan átdolgozott.