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
