Калория и ее история...
Термин «калория» (от латинского calor - тепло) ввел в научный оборот французский химик Николя Клеман ещё в 1824 году. И сегодня любой школьник знает, что калория это количество тепла, которое необходимо, чтобы нагреть один грамм воды на один градус. Но каким же был исторический путь калории, прежде чем она вошла в наш повседневный обиход?
Калория и калориметр
Ещё задолго до появления термина - калория, были сконструированы первые приборы для измерения теплоты. Одно из подобных устройств, которое впоследствии начали называть калориметром, французские учёные Лавуазье и Лаплас использовали, чтобы измерять количество теплоты, выделяющееся в различных физических, химических и биологических процессах. В то время еще не было точных термометров, поэтому для измерения теплоты приходилось идти на ухищрения.
Первый калориметр был ледяным. Внутренняя полая камера, куда помещали объект, излучающий тепло (например, мышку), была окружена рубашкой, заполненной льдом или снегом. А ледяная рубашка, в свою очередь, была окружена воздушной, чтобы лед не плавился под действием внешнего нагрева. Тепло от объекта внутри калориметра нагревало и плавило лед. Взвешивая талую воду, стекавшую из рубашки в специальный сосуд, исследователи определяли теплоту, выделенную объектом.
Далее последовали и другие эксперименты, и многие из них имели огромное значение для физиологии. Именно тогда Лавуазье высказал мысль, что дыхание животного подобно горению свечи, за счет которого в организме поддерживается необходимый запас тепла. Он также впервые связал три важнейшие функции живого организма: дыхание, питание и транспирацию (испарение воды). Видимо, с тех пор и заговорили о том, что пища сгорает в нашем организме.
В тридцатых годах XIX века аналогичные опыты с пищей проводил знаменитый немецкий химик Юстус фон Либих, который разделял идеи Лавуазье о том, что еда - это топливо для организма. Причем Либих впервые начал выделять в этом топливе белки, жиры и углеводы.
В своих экспериментах он сжигал навески пищи в калориметре и измерял выделившееся тепло. Затем, на основании результатов этих опытов Либих вместе со своим коллегой Юлиусом фон Майером составил первые в мире таблицы калорийности продуктов питания и на их основе попытался рассчитать научно обоснованный рацион для прусских солдат.
Знаменитым последователем Юстуса фон Либиха стал американский агрохимик Уилбур Олин Этуотер. Он первым додумался измерять энергоемкость компонентов пищи и придумал схему подсчета калорийности любых продуктов питания. Ему не пришлось начинать с нуля. Три года (1869-1871) Этуотер провел в Германии, где изучал опыт европейских коллег-агрохимиков. Здесь он не только вдохновился идеями физиологической калориметрии, посеянными Либихом, но и освоил некоторые методики эксперимента.
Сегодня Этуотера называют отцом диетологии. И действительно, ведь именно он впервые экспериментально получилстоль хорошо знакомые нам значения калорийности углеводов (4 ккал/г), белков (4 ккал/г) и жиров (9 ккал/г). И теперь, даже спустя сто двадцать лет, диетологи используют эти цифры при подсчете энергетической ценности продуктов питания.
Основные факторы Этуотера
Этуотер мечтал устроить так, чтобы бедняки могли на свои скромные средства покупать достаточно еды, обеспечивая себя необходимой энергией. Для этого надо было понять, сколько калорий содержится в разных продуктах и сколько их нужно человеку, чтобы обеспечить энергией его жизнь. В то время наши сведения о составе продуктов были скудноваты. В 70-х годах XIX века еще не знали о витаминах, микроэлементах, антиоксидантах и их важности для организма. Значение кальция и фосфора признавали, но не понимали, какова их роль. Впрочем, Этуотер решал «энергетические» проблемы, а в то время уже точно знали, что энергию организму дают три основных компонента пищи: белки, жиры и углеводы. Здесь-то Этуотеру и понадобилась калориметрическая бомба. В ней он измерял, сколько тепла выделяется при полном сгорании точной навески типичных белков, жиров и углеводов. Конечно, есть различные белки, как, впрочем, жиры и углеводы. Но их теплотворная способность внутри каждой группы различалась не сильно.
Однако одной теплоты сгорания недостаточно. Необходимо знать, сколько каждого из этих компонентов содержится в продуктах. Решение было найдено сугубо химическое. С помощью эфира Этуотер экстрагировал жир из измельченного кусочка пищи, вес которого ему был точно известен. А затем определял вес вещества (жира), перешедшего в эфир. Так можно было подсчитать содержание липидов в продукте. Кстати, этот же несложный метод применяют и в наши дни.
С белками пришлось повозиться, поскольку нет анализа, позволяющего определить общее количество белков в том или ином продукте. Однако Этуотер знал, что в среднем около 16% массы белка приходится на азот. Он придумал, как определять количество азота в пище, и через него рассчитывал содержание белка.
С углеводами похожая проблема: определять их общее содержание в пище тогда не умели. Здесь выручила арифметика. Этуотер сжигал навеску пищи и определял количество образовавшегося пепла, содержащего только неорганические вещества. Теперь не составляло труда определить общее содержание органики (исходный вес пищи минус пепел). Вычитая из этого значения массу жира и белка, Этуотер получал содержание углеводов.
Однако не вся съедаемая пища усваивается нашим организмом. Сколько же проскакивает вхолостую? Это важно было знать и учитывать при оценке энергетической ценности продукта. Чтобы ответить на этот вопрос, Этуотеру пришлось обследовать фекалии людей, чей рацион питания был точно известен. По его расчетам оказалось, что в среднем доля неусвоенной пищи составляет не более 10%.
В результате всех этих экспериментов и расчетов, которые заняли не один год, Этуотер наконец провозгласил: энергетическая ценность белков и углеводов, съедаемых человеком, составляет 4 ккал/г, а жиров - 9 ккал/г. Эти магические цифры назвали факторами Этуотера, его подход - системой Этуотера.
Система Этуотера оказалась на редкость универсальной и живучей. Достаточно сказать, что общие факторы и по сей день остаются неизменными. Но при этом система гибкая и открытая для разных дополнений и уточнений. В ХХ веке биохимия питания развивалась чрезвычайно активно, позволяя исследователям получать все новые данные. Уже во второй половине прошлого столетия в систему внесли новые факторы для пищевых волокон (некрахмалистых полисахаридов). Известно, что эта группа веществ усваивается намного хуже углеводов, поэтому их энергетическая ценность была заметно ниже - 2 ккал/г. Удалось даже учесть энергию, которую расходует организм на производство мочи и газов.
А сколько человеку нужно калорий?
На этот вопрос, который поставил перед собой Этуотер в самом начале своих исследований, он смог дать исчерпывающий ответ. Вместе со своими коллегами по Веслеанскому колледжу Эдвардом Росой и Френсисом Бенедиктом он сконструировал специальную вентилируемую камеру-калориметр, в которой мог находиться человек, работать и отдыхать. Выделяемое им тепло определяли по разности температур воды, которая протекала через систему трубок, проложенных в камере, - на входе и на выходе. С ее помощью в 1896 году он начал исследовать, сколько энергии человек тратит в состоянии покоя, бодрствования и при разного рода деятельности, сколько потребляет кислорода и сколько производит углекислого газа.
Объектами исследования в первую очередь становились его студенты. А на основании результатов этих измерений Этуотер впервые подсчитал баланс между энергией, поступающей в организм с пищей и расходуемой человеком. Он подтвердил, что и в человеческом организме работает закон сохранения энергии: она никуда не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Интересно, что до Этуотера в научных кругах бытовало мнение, будто первый закон термодинамики применим к животным, но никак не к человеку, поскольку человек уникален. Этуотер не только опроверг это заблуждение, но и впервые доказал: если человек не использует полностью энергию, поступающую в его организм с пищей, то она запасается в виде избыточных килограммов.
Неучтенные факторы
Основной недостаток системы Этуотера заключается в том, что в ней не учитывается расход энергии на пищеварение. Люди тратят на пищеварение, конечно, значительно меньше энергии, чем, скажем, змеи и рыбы. Но тем не менее эти траты заметны. За переваривание пищи нам приходится расплачиваться энергией. Легче всего переваривается жир, затем углеводы, хуже всего - белки. Чем больше доля белка в пище, тем выше расходы на пищеварение.
Однако значение имеет не только химический состав продукта, но и его физическое состояние. Очевидно, что организм будет тратить больше энергии на переваривание сырой пищи, а не вареной, жесткой, а не мягкой, состоящей из крупных частиц, а не из мелких, холодной, а не горячей. Получается, что калорийность пищи многократно обработанной, измельченной, пропаренной-проваренной и максимально размягченной выше, чем у приготовленной из тех же продуктов, но обработанной менее интенсивно.
Хорошая иллюстрация к сказанному - известное исследование, выполненное японским ученым Киоко Ока с соавторами («Food texture Differences Affect Energy Metabolism in Rats», «Journal of Dental Research», 2003). Исследователи содержали 20 крыс в разных режимах питания: половине давали обычный гранулированный корм, над которым надо было потрудиться, чтобы его разгрызть, вторую половину животных кормили теми же гранулами, только вздутыми, как хлопья для завтрака. Условия содержания животных и их нагрузки были одинаковыми.
Казалось бы, как может повлиять способ приготовления пищи на рост животных Оказывается может! Крысы перешли на рацион с разными гранулами в возрасте четырех недель. И уже через четыре месяца различия стали заметны невооруженным глазом.
Крысы, питавшиеся мягкой пищей, в среднем весили примерно на 6% больше тех, кого кормили твердыми гранулами, а жира у них было больше в среднем на 30%. От мягкой, сильно переработанной пищи крысы толстели, потому что тратили значительно меньше энергии на пищеварение.
Физическое состояние пищи - это ловушка для системы Этуотера. Ведь он полагал, и это заложено в его системе в качестве одного из основных факторов, что в организме не переваривается 10% пищи, которая выводится с фекалиями. Однако, на самом деле, эта величина непостоянная и зависит от консистенции пищи и скорости перистальтики кишечника.
Помимо этого у системы Этуотера есть еще один подводный камень, который можно назвать «биоразнообразием». Все мы очень разные, разные генетически, а значит - биохимически и метаболически. Сколько раз нам доводилось удивляться волчьему аппетиту худых людей, которые, несмотря на большие объемы поглощаемой пищи, не толстеют. А дело в том, что худые люди в норме затрачивают на пищеварение больше энергии, чем полные. Поэтому, съев пищу той же калорийности, полный человек прибавит в весе больше, чем худой.
Итак, в системе Этуотера не учтен весомый вклад, который вносят в калорийность пищи ее физические свойства и способы приготовления, а также метаболический портрет каждого из нас. Это значит, мы не можем оценить с помощью этой системы точную питательную ценность собственного рациона.
Можно ли все эти дополнительные, но столь важные факторы учесть в системе Этуотера? Оказывается, чрезвычайно трудно, если вообще возможно. Методически это невероятно сложная задача. Ведь потребуется провести гигантское количество экспериментов, чтобы получить реальные значения питательной ценности конкретных продуктов, учитывающие их консистенцию, способ приготовления, сочетания с другими продуктами и нашу биохимическую индивидуальность. Поэтому, конечно же, система Этуотера дает лишь грубые оценки. Однако именно благодаря ней мы можем количественно выражать химический состав и питательную ценность продуктов, а также энергетические потребности нашего организма. Ну и, в конечном итоге, эти знания дают нам возможность наиболее эффективным образом организовывать питание и планировать свой рацион.
Источник
Калория и калориметр
Ещё задолго до появления термина - калория, были сконструированы первые приборы для измерения теплоты. Одно из подобных устройств, которое впоследствии начали называть калориметром, французские учёные Лавуазье и Лаплас использовали, чтобы измерять количество теплоты, выделяющееся в различных физических, химических и биологических процессах. В то время еще не было точных термометров, поэтому для измерения теплоты приходилось идти на ухищрения.
Первый калориметр был ледяным. Внутренняя полая камера, куда помещали объект, излучающий тепло (например, мышку), была окружена рубашкой, заполненной льдом или снегом. А ледяная рубашка, в свою очередь, была окружена воздушной, чтобы лед не плавился под действием внешнего нагрева. Тепло от объекта внутри калориметра нагревало и плавило лед. Взвешивая талую воду, стекавшую из рубашки в специальный сосуд, исследователи определяли теплоту, выделенную объектом.
Далее последовали и другие эксперименты, и многие из них имели огромное значение для физиологии. Именно тогда Лавуазье высказал мысль, что дыхание животного подобно горению свечи, за счет которого в организме поддерживается необходимый запас тепла. Он также впервые связал три важнейшие функции живого организма: дыхание, питание и транспирацию (испарение воды). Видимо, с тех пор и заговорили о том, что пища сгорает в нашем организме.
В тридцатых годах XIX века аналогичные опыты с пищей проводил знаменитый немецкий химик Юстус фон Либих, который разделял идеи Лавуазье о том, что еда - это топливо для организма. Причем Либих впервые начал выделять в этом топливе белки, жиры и углеводы.
В своих экспериментах он сжигал навески пищи в калориметре и измерял выделившееся тепло. Затем, на основании результатов этих опытов Либих вместе со своим коллегой Юлиусом фон Майером составил первые в мире таблицы калорийности продуктов питания и на их основе попытался рассчитать научно обоснованный рацион для прусских солдат.
Знаменитым последователем Юстуса фон Либиха стал американский агрохимик Уилбур Олин Этуотер. Он первым додумался измерять энергоемкость компонентов пищи и придумал схему подсчета калорийности любых продуктов питания. Ему не пришлось начинать с нуля. Три года (1869-1871) Этуотер провел в Германии, где изучал опыт европейских коллег-агрохимиков. Здесь он не только вдохновился идеями физиологической калориметрии, посеянными Либихом, но и освоил некоторые методики эксперимента.
Сегодня Этуотера называют отцом диетологии. И действительно, ведь именно он впервые экспериментально получилстоль хорошо знакомые нам значения калорийности углеводов (4 ккал/г), белков (4 ккал/г) и жиров (9 ккал/г). И теперь, даже спустя сто двадцать лет, диетологи используют эти цифры при подсчете энергетической ценности продуктов питания.
Основные факторы Этуотера
Этуотер мечтал устроить так, чтобы бедняки могли на свои скромные средства покупать достаточно еды, обеспечивая себя необходимой энергией. Для этого надо было понять, сколько калорий содержится в разных продуктах и сколько их нужно человеку, чтобы обеспечить энергией его жизнь. В то время наши сведения о составе продуктов были скудноваты. В 70-х годах XIX века еще не знали о витаминах, микроэлементах, антиоксидантах и их важности для организма. Значение кальция и фосфора признавали, но не понимали, какова их роль. Впрочем, Этуотер решал «энергетические» проблемы, а в то время уже точно знали, что энергию организму дают три основных компонента пищи: белки, жиры и углеводы. Здесь-то Этуотеру и понадобилась калориметрическая бомба. В ней он измерял, сколько тепла выделяется при полном сгорании точной навески типичных белков, жиров и углеводов. Конечно, есть различные белки, как, впрочем, жиры и углеводы. Но их теплотворная способность внутри каждой группы различалась не сильно.
Однако одной теплоты сгорания недостаточно. Необходимо знать, сколько каждого из этих компонентов содержится в продуктах. Решение было найдено сугубо химическое. С помощью эфира Этуотер экстрагировал жир из измельченного кусочка пищи, вес которого ему был точно известен. А затем определял вес вещества (жира), перешедшего в эфир. Так можно было подсчитать содержание липидов в продукте. Кстати, этот же несложный метод применяют и в наши дни.
С белками пришлось повозиться, поскольку нет анализа, позволяющего определить общее количество белков в том или ином продукте. Однако Этуотер знал, что в среднем около 16% массы белка приходится на азот. Он придумал, как определять количество азота в пище, и через него рассчитывал содержание белка.
С углеводами похожая проблема: определять их общее содержание в пище тогда не умели. Здесь выручила арифметика. Этуотер сжигал навеску пищи и определял количество образовавшегося пепла, содержащего только неорганические вещества. Теперь не составляло труда определить общее содержание органики (исходный вес пищи минус пепел). Вычитая из этого значения массу жира и белка, Этуотер получал содержание углеводов.
Однако не вся съедаемая пища усваивается нашим организмом. Сколько же проскакивает вхолостую? Это важно было знать и учитывать при оценке энергетической ценности продукта. Чтобы ответить на этот вопрос, Этуотеру пришлось обследовать фекалии людей, чей рацион питания был точно известен. По его расчетам оказалось, что в среднем доля неусвоенной пищи составляет не более 10%.
В результате всех этих экспериментов и расчетов, которые заняли не один год, Этуотер наконец провозгласил: энергетическая ценность белков и углеводов, съедаемых человеком, составляет 4 ккал/г, а жиров - 9 ккал/г. Эти магические цифры назвали факторами Этуотера, его подход - системой Этуотера.
Система Этуотера оказалась на редкость универсальной и живучей. Достаточно сказать, что общие факторы и по сей день остаются неизменными. Но при этом система гибкая и открытая для разных дополнений и уточнений. В ХХ веке биохимия питания развивалась чрезвычайно активно, позволяя исследователям получать все новые данные. Уже во второй половине прошлого столетия в систему внесли новые факторы для пищевых волокон (некрахмалистых полисахаридов). Известно, что эта группа веществ усваивается намного хуже углеводов, поэтому их энергетическая ценность была заметно ниже - 2 ккал/г. Удалось даже учесть энергию, которую расходует организм на производство мочи и газов.
А сколько человеку нужно калорий?
На этот вопрос, который поставил перед собой Этуотер в самом начале своих исследований, он смог дать исчерпывающий ответ. Вместе со своими коллегами по Веслеанскому колледжу Эдвардом Росой и Френсисом Бенедиктом он сконструировал специальную вентилируемую камеру-калориметр, в которой мог находиться человек, работать и отдыхать. Выделяемое им тепло определяли по разности температур воды, которая протекала через систему трубок, проложенных в камере, - на входе и на выходе. С ее помощью в 1896 году он начал исследовать, сколько энергии человек тратит в состоянии покоя, бодрствования и при разного рода деятельности, сколько потребляет кислорода и сколько производит углекислого газа.
Объектами исследования в первую очередь становились его студенты. А на основании результатов этих измерений Этуотер впервые подсчитал баланс между энергией, поступающей в организм с пищей и расходуемой человеком. Он подтвердил, что и в человеческом организме работает закон сохранения энергии: она никуда не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Интересно, что до Этуотера в научных кругах бытовало мнение, будто первый закон термодинамики применим к животным, но никак не к человеку, поскольку человек уникален. Этуотер не только опроверг это заблуждение, но и впервые доказал: если человек не использует полностью энергию, поступающую в его организм с пищей, то она запасается в виде избыточных килограммов.
Неучтенные факторы
Основной недостаток системы Этуотера заключается в том, что в ней не учитывается расход энергии на пищеварение. Люди тратят на пищеварение, конечно, значительно меньше энергии, чем, скажем, змеи и рыбы. Но тем не менее эти траты заметны. За переваривание пищи нам приходится расплачиваться энергией. Легче всего переваривается жир, затем углеводы, хуже всего - белки. Чем больше доля белка в пище, тем выше расходы на пищеварение.
Однако значение имеет не только химический состав продукта, но и его физическое состояние. Очевидно, что организм будет тратить больше энергии на переваривание сырой пищи, а не вареной, жесткой, а не мягкой, состоящей из крупных частиц, а не из мелких, холодной, а не горячей. Получается, что калорийность пищи многократно обработанной, измельченной, пропаренной-проваренной и максимально размягченной выше, чем у приготовленной из тех же продуктов, но обработанной менее интенсивно.
Хорошая иллюстрация к сказанному - известное исследование, выполненное японским ученым Киоко Ока с соавторами («Food texture Differences Affect Energy Metabolism in Rats», «Journal of Dental Research», 2003). Исследователи содержали 20 крыс в разных режимах питания: половине давали обычный гранулированный корм, над которым надо было потрудиться, чтобы его разгрызть, вторую половину животных кормили теми же гранулами, только вздутыми, как хлопья для завтрака. Условия содержания животных и их нагрузки были одинаковыми.
Казалось бы, как может повлиять способ приготовления пищи на рост животных Оказывается может! Крысы перешли на рацион с разными гранулами в возрасте четырех недель. И уже через четыре месяца различия стали заметны невооруженным глазом.
Крысы, питавшиеся мягкой пищей, в среднем весили примерно на 6% больше тех, кого кормили твердыми гранулами, а жира у них было больше в среднем на 30%. От мягкой, сильно переработанной пищи крысы толстели, потому что тратили значительно меньше энергии на пищеварение.
Физическое состояние пищи - это ловушка для системы Этуотера. Ведь он полагал, и это заложено в его системе в качестве одного из основных факторов, что в организме не переваривается 10% пищи, которая выводится с фекалиями. Однако, на самом деле, эта величина непостоянная и зависит от консистенции пищи и скорости перистальтики кишечника.
Помимо этого у системы Этуотера есть еще один подводный камень, который можно назвать «биоразнообразием». Все мы очень разные, разные генетически, а значит - биохимически и метаболически. Сколько раз нам доводилось удивляться волчьему аппетиту худых людей, которые, несмотря на большие объемы поглощаемой пищи, не толстеют. А дело в том, что худые люди в норме затрачивают на пищеварение больше энергии, чем полные. Поэтому, съев пищу той же калорийности, полный человек прибавит в весе больше, чем худой.
Итак, в системе Этуотера не учтен весомый вклад, который вносят в калорийность пищи ее физические свойства и способы приготовления, а также метаболический портрет каждого из нас. Это значит, мы не можем оценить с помощью этой системы точную питательную ценность собственного рациона.
Можно ли все эти дополнительные, но столь важные факторы учесть в системе Этуотера? Оказывается, чрезвычайно трудно, если вообще возможно. Методически это невероятно сложная задача. Ведь потребуется провести гигантское количество экспериментов, чтобы получить реальные значения питательной ценности конкретных продуктов, учитывающие их консистенцию, способ приготовления, сочетания с другими продуктами и нашу биохимическую индивидуальность. Поэтому, конечно же, система Этуотера дает лишь грубые оценки. Однако именно благодаря ней мы можем количественно выражать химический состав и питательную ценность продуктов, а также энергетические потребности нашего организма. Ну и, в конечном итоге, эти знания дают нам возможность наиболее эффективным образом организовывать питание и планировать свой рацион.
Источник