Las cantidades termoquímicas que probablemente encuentre con mayor frecuencia son los valores calóricos de los alimentos. Los alimentos suministran las materias primas que su cuerpo necesita para reemplazar las células y la energía que las mantiene funcionando. Alrededor del 80% de esta energía se libera como calor para mantener la temperatura de su cuerpo a un nivel sostenible para mantenerlo con vida. La Calorías nutricionales (con una C mayúscula) que ve en las etiquetas de los alimentos es igual a 1 kcal (kilocaloría). El contenido calórico de los alimentos se determina a partir de su entalpía de combustión (Δ H peine ) por gramo, medido en un calorímetro de bomba, usando la reacción general
[comida + exceso ; O_ {2} (g) rightarrow CO_ {2} (g) + H_ {2} O (l) + N_ {2} (g) label {5.8.1} ]
Sin embargo, existen dos diferencias importantes entre los valores calóricos informados para los alimentos y el peine Δ H de los mismos alimentos quemados en un calorímetro. Primero, el peine Δ H descrito en julios (o kilojulios) son negativos para todas las sustancias que pueden quemarse. En contraste, el contenido calórico de un alimento siempre se expresa como un número positivo porque es energía almacenada . Por lo tanto,
[calorico ; contenido = – Delta H_ {comb} label {5.8.2} ]
Segundo, cuando los alimentos se queman en un calorímetro, cualquier nitrógeno que contengan (principalmente de proteínas, que son ricas en nitrógeno) se transforma en N 2 . Sin embargo, en el cuerpo, el nitrógeno de los alimentos se convierte en urea [(H 2 N) 2 C = O], en lugar de N 2 antes de ser excretado El peine Δ H de urea medido por calorimetría de bomba es -632.0 kJ / mol. En consecuencia, el cambio de entalpía medido por calorimetría para cualquier alimento que contenga nitrógeno es mayor que la cantidad de energía que el cuerpo obtendría de él. La diferencia en los valores es igual al Δ H peine de urea multiplicado por el número de moles de urea que se forman cuando el alimento se descompone. Este punto se ilustra esquemáticamente en las siguientes ecuaciones:
[comida + exceso ; O_ {2} left (g right) xrightarrow [] { Delta H_ {1} <0} CO_ {2} left (g right) + H_ {2} O left (l right) + cancel { left (H_ {2} N right) _ {2} C = O left (s right)} ]
[ cancel { left (H_ {2} N right) _ {2} C = O left (s right)} + cancel {exceso} ; dfrac {3} {2} O_ {2} left (g right) xrightarrow [] { Delta H_ {2} = 632.0 ; kJ / mol} CO_ {2} left (g right) + 2H_ {2} O left (l right) + N_ {2} left (g right) label {5.8.3} ] [ 19459016]
que se suma a
[comida + exceso ; O_ {2} left (g right) xrightarrow [] { Delta H_ {3} = Delta H_ {1} + Delta H_ {2} <0} 2CO_ {2} left (g right) + 3H_ {2} O left (l right) + N_ {2} left (g right) label {5.8.4} ]
Los tres valores de Δ H son negativos y, según la ley de Hess, Δ H 3 = Δ H 1 + Δ H 2 . La magnitud de Δ H 1 debe ser menor que Δ H 3 , el Δ medido calorimétricamente [ 19459014] peine para un alimento. Al producir urea en lugar de N 2 , por lo tanto, los humanos están excretando parte de la energía que se almacenaba en sus alimentos.
Debido a sus diferentes composiciones químicas, los alimentos varían ampliamente en contenido calórico. Como vimos anteriormente , por ejemplo, un ácido graso como el ácido palmítico produce aproximadamente 39 kJ / g durante la combustión, mientras que un azúcar como la glucosa produce 15,6 kJ / g. Los ácidos grasos y los azúcares son los componentes básicos de las grasas y los carbohidratos, respectivamente, dos de las principales fuentes de energía en la dieta. Los nutricionistas generalmente asignan valores promedio de 38 kJ / g (aproximadamente 9 Cal / g) y 17 kJ / g (aproximadamente 4 Cal / g) para grasas y carbohidratos, respectivamente, aunque los valores reales para alimentos específicos varían debido a las diferencias en la composición. Las proteínas, la tercera fuente principal de calorías en la dieta, también varían. Las proteínas están compuestas de aminoácidos, que tienen la siguiente estructura general:
Además de sus componentes de amina y ácido carboxílico, los aminoácidos pueden contener una amplia gama de otros grupos funcionales: R puede ser hidrógeno (–H); un grupo alquilo (por ejemplo, -CH 3 ); un grupo arilo (por ejemplo, -CH 2 C 6 H 5 ); o un grupo alquilo sustituido que contiene una amina, un alcohol o un ácido carboxílico (Figura ( PageIndex {1} )). De los 20 aminoácidos naturales, se requieren 10 en la dieta humana; estos 10 se llaman aminoácidos esenciales porque nuestros cuerpos no pueden sintetizarlos a partir de otros compuestos. Debido a que R puede ser cualquiera de varios grupos diferentes, cada aminoácido tiene un valor diferente de Δ H comb . Generalmente se estima que las proteínas tienen un Δ H peine promedio de 17 kJ / g (aproximadamente 4 Cal / g).
El contenido calórico informado de los alimentos no incluye Δ H peine para aquellos componentes que no se digieren, como la fibra. Además, las carnes y las frutas son 50% -70% de agua, que no puede ser oxidada por O 2 para obtener energía. Entonces el agua no contiene calorías. Algunos alimentos contienen grandes cantidades de fibra, que se compone principalmente de azúcares. Aunque la fibra se puede quemar en un calorímetro al igual que la glucosa para dar dióxido de carbono, agua y calor, los humanos carecen de las enzimas necesarias para descomponer la fibra en moléculas más pequeñas que pueden oxidarse. Por lo tanto, la fibra tampoco contribuye al contenido calórico de los alimentos.
| Composición | Calorías |
|---|---|
| 97,5 g de agua | × 0 Cal / g = 0 |
| 58,7 g de proteína | × 4 Cal / g = 235 |
| 69,3 g de grasa | × 9 Cal / g = 624 |
| 0 g de carbohidratos | × 4 Cal / g = 0 |
| 1,5 g de minerales | × 0 Cal / g = 0 |
| Masa total: 227,0 g | Calorías totales: aproximadamente 900 Cal |
Podemos determinar el contenido calórico de los alimentos de dos maneras. El método más preciso es secar una muestra cuidadosamente pesada y llevar a cabo una reacción de combustión en un calorímetro de bomba. Sin embargo, el enfoque más típico es analizar los alimentos en busca de proteínas, carbohidratos, grasas, agua y “minerales” (todo lo que no se quema) y luego calcular el contenido calórico utilizando los valores promedio de cada componente que produce energía ( 9 Cal / g para grasas, 4 Cal / g para carbohidratos y proteínas, y 0 Cal / g para agua y minerales). Un ejemplo de este enfoque se muestra en la Tabla ( PageIndex {1} ) para una rebanada de carne asada. Las composiciones y el contenido calórico de algunos alimentos comunes se dan en la Tabla ( PageIndex {2} ).
| Alimentos (cantidad) | Composición aproximada (%) | Valor alimenticio (Cal / g) | Calorías | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Agua | Carbohidratos | Proteína | Grasa | |||
| cerveza (12 oz) | 92 | 3,6 | 0,3 | 0 | 0,4 | 150 |
| café (6 oz) | 100 | ~ 0 | ~ 0 | ~ 0 | ~ 0 | ~ 0 |
| leche (1 taza) | 88 | 4,5 | 3,3 | 3,3 | 0,6 | 150 |
| huevo (1 grande) | 75 | 2 | 12 | 12 | 1,6 | 80 |
| mantequilla (1 cucharada) | 16 | ~ 0 | ~ 0 | 79 | 7.1 | 100 |
| manzana (8 oz) | 84 | 15 | ~ 0 | 0,5 | 0,6 | 125 |
| pan blanco (2 rebanadas) | 37 | 48 | 8 | 4 | 2,6 | 130 |
| brownie (40 g) | 10 | 55 | 5 | 30 | 4,8 | 190 |
| hamburguesa (4 oz) | 54 | 0 | 24 | 21 | 2,9 | 326 |
| pollo frito (1 muslo) | 53 | 8,3 | 22 | 15 | 2.7 | 195 |
| zanahorias (1 taza) | 87 | 10 | 1.3 | ~ 0 | 0,4 | 70 |
Debido a que la Caloría representa una cantidad tan grande de energía, algunas de ellas recorren un largo camino. Una persona promedio de 73 kg (160 lb) necesita alrededor de 67 Cal / h (1600 Cal / día) para alimentar los procesos bioquímicos básicos que mantienen viva a esa persona. Esta energía es necesaria para mantener la temperatura corporal, mantener el corazón latiendo, alimentar los músculos utilizados para respirar, realizar reacciones químicas en las células y enviar los impulsos nerviosos que controlan esas funciones automáticas. La actividad física aumenta la cantidad de energía requerida, pero no tanto como esperamos (Tabla ( PageIndex {2} )). Un individuo moderadamente activo requiere aproximadamente 2500-3000 Cal / día; Los atletas u otras personas que realizan actividades extenuantes pueden quemar 4000 Cal / día. El cuerpo almacena cualquier ingesta calórica en exceso para su uso futuro, generalmente en forma de grasa, que es la forma más compacta de almacenar energía. Cuando se necesita más energía que los suministros de la dieta, los combustibles almacenados se movilizan y se oxidan. Generalmente agotamos el suministro de carbohidratos almacenados antes de convertirnos en grasas, lo que explica en parte la popularidad de las dietas bajas en carbohidratos.
| Actividad | Cal / h |
|---|---|
| durmiendo | 80 |
| conduciendo un automóvil | 120 |
| de pie | 140 |
| comiendo | 150 |
| caminando 2.5 mph | 210 |
| cortar el césped | 250 |
| nadando 0.25 mph | 300 |
| patinaje sobre ruedas | 350 |
| tenis | 420 |
| en bicicleta 13 mph | 660 |
| corriendo 10 mph | 900 |
Los cálculos del ejemplo 5.8.2 ignoran varios factores, como la rapidez con la que la persona está subiendo. Aunque la tasa es irrelevante para calcular el cambio en la energía potencial, es muy relevante para la cantidad de energía realmente requerida para subir las escaleras. Los cálculos también ignoran el hecho de que la conversión del cuerpo de energía química en trabajo mecánico es significativamente menos del 100% eficiente. De acuerdo con la energía promedio gastada para diversas actividades enumeradas en la Tabla 5.8.3, una persona debe correr más de 4.5 ha 10 mph o andar en bicicleta durante 6 ha 13 mph para quemar 1 lb de grasa (1.0 lb × 454 g / lb × 9.0 Cal / g = 4100 Cal). Pero si una persona monta una bicicleta a 13 mph por solo 1 h por día 6 días a la semana, esa persona quemará 50 lb de grasa en el transcurso de un año (suponiendo, por supuesto, que el ciclista no aumente su su ingesta de calorías para compensar el ejercicio).
Resumen
Los conceptos termoquímicos se pueden aplicar para determinar la energía real disponible en los alimentos. La Calorías nutricionales es equivalente a 1 kcal (4.184 kJ). El contenido calórico de un alimento es su Δ H peine por gramo. La combustión de sustancias que contienen nitrógeno produce N 2 (g), pero la oxidación biológica de tales sustancias produce urea. Por lo tanto, la energía real disponible de las sustancias que contienen nitrógeno, como las proteínas, es menor que el Δ H peine de urea multiplicado por el número de moles de urea producida. Los contenidos calóricos típicos para los alimentos son 9 Cal / g para grasas, 4 Cal / g para carbohidratos y proteínas y 0 Cal / g para agua y minerales.
Colaboradores
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Modificado por Joshua Halpern ( Universidad de Howard )