食物能量如何算?

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随着唐朝盛世的灰飞烟灭,大众审美标准中的“体重”这项指标再也无法企及当时的高度,赫然成为中国女性体重历史K线图中最大的顶部,并且极可能在整个社会主义初级阶段都无法超越。于是乎当今世界对美还有追求的女性,不管60后还是90后,都争取控制体重,不至于只能用“要是在唐朝,我也是个……”这句话聊以自慰—不努力,人生极有可能成为一个“杯具”!

体重与热量

得益于科学的进步和知识的普及,大众普遍搞懂了新陈代谢、TCA循环的原理,知道了生命如何延续、身体如何发育,弄明白了体重与我们摄入和消耗的热量有关,更了解了热量的摄入途径—食物,热量的消耗途径—运动。这就意味着如果要符合大众审美,你就必须吃得少,动得多。

那究竟吃多少算少,运动多久算多呢?这个问题放在以前,可能还不太好答。但现在政府和商家的无形合作不知不觉回答了这个问题。首先是北美、欧洲等发达国家看到国民个个气球般的身材(特别是美国,据美国疾病控制预防中心曾经做过一项调查结果显示,全美超过1/3的成年人和16%的儿童超重),于是制定法律规定在食品包装上必须注明食品中所含热量,以指导消费者健康饮食。而广大从事减肥事业的厂家商家,设计出能计算消耗热量的健身器材,提示人们运动过程消耗了多少卡路里。这就使得爱美人士可以在享用美食后,能合理运动,保持体内热量的平衡,达到保持健康体重和健美体形的要求。而食品所含热量是如何计算出来的呢?且听《GEEK》为你一一揭密。

营养成分表的秘密

首先从我们了解食品所含热量的途径开始分析。现在你去超市买食品(前提是正规包装食品),在绝大部分包装背面能找到食品名称、配料清单、净含量等信息。而我们所提的“热量”(在标签中标为“能量”)属于营养成分表,不是所有食品都要求标识的,仅在某些国家规定的食品包装上必须标识,比如婴儿奶粉。所以如果你发现某些食品未标明营养成分、未列有能量信息,不要觉得这就是不合格产品。

如果你发现了营养成分表,那么表中正文内容的第一行肯定是“能量”—××千焦(kJ)。此处的“能量”是什么?首先看一下定义:能量(Energy)指食品中的蛋白质、脂肪和碳水化合物等营养素在人体代谢中产生的能量。推荐以千焦(kJ)或焦耳(J)标示,当以千卡(kcal)标示能量值时,应同时标示千焦(kJ)。彼此间的换算为1卡能量相当于4.184焦耳。规定以每100g(100mL)或每份(每餐)食品为基数。举个例子,某食品营养标签上标识“能量—1320kJ/100g”即理解为每100g该食品能提供燃烧 热的能量为1320kJ,由此我们得到了所要了解的食物热量信息。那么,此处所标的热量(能量)是如何得到的呢?

能量的计算方法

食物所含能量的多少可由两种方法得出:一是测定(详细分析见后文),一是计算。我们从营养成分表上所看到的能量数字,一般是通过计算得来的。

计算的基础在于确定产能营养素所能产生能量的多少。众所周知营养素包括碳水化合物、脂肪、蛋白质、矿物质、维生素五大类,其中碳水化合物、脂肪、蛋白质经体内生物氧化,将其内在的化学潜能变成热能并释放出来,以维持人体正常生理功能,三者统称为“产能营养素”或“热源质”。食物中可以提供热量的物质除碳水化合物、脂肪、蛋白质外,还有酒精和有机酸。由于各自化学成分的不同,单位重量(比如每g或每100g)的不同产能营养素产生的能量也不同。如果将食物中可食部分所有的产能营养素的成分列举出来,然后乘以各自对应的能量,就能计算出食物中总的能量有多少。这就是食物能量计算的基本原理。

就让《GEEK》举一个例子来说明食物能量是如何计算出来的。

热能系数是怎样测定的?

那么产能营养素的热能系数又是用什么方法测得的呢?那就是通过燃烧直接测定它们的发热量。让我们先回忆一下中学课本里的两个概念:发热量—单位质量的可燃烧物质完全燃烧时所放出的热量; 热力学第一定律(能量守恒定律)—能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为别的形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中其总量不变。物质在燃烧时会释放热能,食物在人体内进行生物氧化代谢也能产生热量。很明显产能营养素在体内的燃烧(生物氧化)过程和体外燃烧过程是不一样的:体外燃烧是在有氧作用下完成,化学反应激烈,伴随光和热;体内氧化是在酶的作用下缓慢进行,比较温和。另外体内氧化也不如体外燃烧进行得完全,因为产能营养素在人体消化道内并非100%被消化吸收。那么这两个反应又有何相同点呢?对于碳水化合物和脂肪而言,无论是体内氧化还是体外燃烧,反应物和最终产物(二氧化碳和水)是完全一样的。

基于热力学第一定律,我们设计一个试验令产能营养素在密闭的环境中完全燃烧,并将整个燃烧过程中产生的热转化出来,比如利用其加

热冷水,那么水温的升高,就能反映出燃烧产生热量的多少,从而得出产能营养素的体外燃烧时100%的发热量。然后我们再根据居民普通混合膳食中碳水化合物的吸收率(碳水化合物的吸收率为98%,脂肪吸收率为95%,蛋白质吸收率为92%),将测得的发热量乘以该系数,便能得到产能营养素在体内氧化代谢的最终发热量。这一结果就是我们之前所列的产能营养素的热能系数,这一试验也就是国标中规定的可燃物发热量测定方法。

试验仪器:在为了便于试验的进行,在实际测试中需用到一个特殊的试验装置—氧弹式热量计(Isoperibol Calorimeter)。该装置由燃烧氧弹、内筒、外筒、搅拌器、水、温度传感器、试样点火装置、温度测量和控制系统构成,其外层构造为充满水的双层夹套(外筒),内筒为充有过量氧气的密闭环境,可在其中放入单位质量的试样燃烧,原理就是根据试样燃烧前后水产生的温升计算试样(可燃物)的发热量。其余所需附属设备还有燃烧皿、点火装置、压饼机以及天平等。

计算公式为:

E—热量计的热容量,单位为焦耳每开尔文(J/K); q—点火热(点火丝的实际消耗量和点火丝放出的热量),单位为焦耳(J); m—试样质量,单位为克(g); H—贝克曼温度计的平均分度值,使用数字显示温度计时H=1; t0—点火时的内筒温度,单位为摄氏度(℃); tn—终点时的内筒温度,单位为摄氏度(℃); h0—t0的毛细孔径修正值,使用数字显示温度计时h0=0; hn—tn的毛细孔径修正值,使用数字显示温度计时hn=0。假定我们使用的氧弹式热量计用的是比较先进的数字显示温度计,那么我们还需要得到的参数有E、q、m。 试验方法:为了得到计算公式中所需参数,需进行两个独立的试验—热容量标定和试样燃烧试验。两个试验的方法完全相同,并且为了消除未受控制的热交换引起的系统误差,还要求两种试验进行时的条件尽量相同。E:热容量标定—在规定的条件下在氧弹式热量计中进行基准量热物质(苯甲酸)的燃烧试验。热容量的标定需进行5次重复试验,并且5次重复试验结果的相对标准差不应超过0.20%,若超过0.20%需再补做一次。E的计算公式为: Q—苯甲酸的标准热值,单位为焦耳每克(J/g)。利用5次试验结果计算出线性回归方程E=a+b△t,将△t(实际的温升)带入公式,就可求得该热量计的热容量E(10053J/K)。Q:试样发热量的测定和计算。将称量后的试样(m=1.0051g)放入热量计中进行燃烧,记录点火时内筒温度t0(t0=0.254℃)和燃烧终点时的内筒温度tn(tn=3.279℃),以及点火热q(79J)。

为了更清楚地说明,用一个实例进行计算,假设数据如上,已列入公式中。计算结果如下: 碳水化合物和脂肪的发热量用上述方法计算,而蛋白质由于在体内氧化时的最终产物(二氧化碳、水、尿素、肌酐及其他含氮有机物)和体外燃烧时(二氧化碳、水、氨、氮)有所不同,体内氧化不如体外燃烧完全,产生的能量比体外燃烧时低。所以通过氧弹式热量计体外燃烧试验推算体内氧化产生的能量,需要再进一步修正。

综上所述,食物所含的能量既能通过查成分表计算,也能用氧弹法进行测定。当然后者得到的结果是体外燃烧热,如果需要换算成体内氧化能量,还需要经过修正:碳水化合物和脂肪的试验结果需经过最简单的修正—乘以吸收率;蛋白质的试验结果需要更复杂的修正;普通食物所含的成分更加花样百出,因此需要更加更加复杂的修正。而且人体本身就是一个庞大的生物机器,各种反应互相影响,各种成分交互变换,最终吸收的热量一定与包装上标注的有所差异。我们所介绍的试验方法只是用最绝对的情况为假设进行推导,所以当你用摄入、消耗的能量来控制体重时也不必太过执着于数字了。

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