Kalorymetria (energometria)

KALORYMETRIA (ENERGOMETRIA)
Całokształt przemian biochemicznych i towarzyszących im przemian energii, jakie
zachodzą w organizmach żywych i stanowią istotę życia, nosi nazwę metabolizmu, od słowa
greckiego metabole, co znaczy przemiana.
Procesy degradacji składników ciała oraz składników pożywienia wchłoniętych ze
światła przewodu pokarmowego są określane mianem procesów katabolicznych, a ich suma
w organizmie – katabolizmem, natomiast zachodzące równocześnie w komórkach procesy
biosyntezy nazywane są procesami anabolicznymi, a ich suma – anabolizmem.
Procesami katabolicznymi nazywa się procesy rozkładu (spalania) składników
odżywczych z wytworzeniem energii. To właśnie głównie z procesów rozkładu organizm
ludzki czerpie energię. Zasadnicza rolą procesów katabolicznych w organizmie jest
dostarczanie energii. Jedynym źródłem energii, którą pobiera i użytkuje organizm jest energia
chemiczna zawarta w pożywieniu. W procesach katabolicznych energia ta zostaje
przetworzona na inne postacie energii niezbędne do funkcjonowania organizmu. (energia
cieplna, energia mechaniczna).
Procesami anabolicznymi nazywa się procesy budowy z prostych składników
odżywczych, nowych, bardziej skomplikowanych (złożonych) związków. Związki te
następnie są zużywane do budowy lub odbudowy komórek, hormonów, ciał
odpornościowych...
Intensywność przebiegu procesów anabolicznych u dorosłego człowieka utrzymuje się na
jednakowym poziomie natomiast jest ona wyższa u dzieci, młodzieży.
Energia cieplna jest wytwarzana w procesach katabolicznych do uzupełniania nieustannie
zachodzących strat ciepła związanych z jego przepływem z organizmu do otoczenia.
Uzupełnianie start ciepła wiąże się z potrzebą utrzymywania stałej temperatury ciała,
najczęściej wyższej od temperatury otoczenia.
Jednostki energetyczne
Ilość wytwarzanej w ustroju energii określa się w następujących jednostkach:

Kilokaloriach (kcal)-1 kcal==1000cal ;1 kcal jest to ilość ciepła potrzebna do
ogrzania 100g wody chemicznie czystej o 1ºC przy ciśnieniu 1 atm.

Megadżulach (MJ) – 1 MJ==1000kJ
1 kcal = 4,184kJ
1 kJ = 0,239 kcal
Współczynniki energetyczne
Podstawowe badania z zakresu określenia wartości energetycznej poszczególnych
składników odżywczych pożywienia przeprowadził niemiecki fizjolog Max Rubner. Określił
on ciepło spalania białek, tłuszczów i węglowodanów.
Wg niego :
1



spalenie (utlenienie) 1g tłuszczu wiąże się z uwolnieniem 9,3kcal energii cieplnej;
spalenie 1g węglowodanów daje 4,1kcal ciepła
spalenie 1g białka daje 4,1 kcal ciepła.
W praktyce częściej stosuje się współczynniki energetyczne opracowane przez
Amerykanina Wilburga Atwatera, który oznaczał nie tylko ciepło spalania poszczególnych
składników lecz także uwzględniał ich stopień strawności w ustroju. Wg jego wyników:



spalenie 1g tłuszczu daje 9 kcal ciepła;
spalenie 1g węglowodanów daje 4 kcal ciepła a
spalenie 1g białka daje 4 kcal ciepła.
Podstawowym celem odżywiania jest zaspokojenie potrzeb energetycznych ustroju
związanych z :
 podtrzymywaniem podstawowych funkcji życiowych czyli podstawowa przemiana
materii;
 termogenezą;
 aktywnością fizyczną.
Potrzeby te łączy w sobie pojęcie Całkowitej Przemiany Materii (CPM), która oznacza
całodobowe wydatki energetyczne człowieka związane z jego normalnym funkcjonowaniem
w środowisku i pracą zawodową.
Podstawowa przemiana materii
Podstawową przemianą materii (PPM) (lub spoczynkowa przemiana materii RMR- Resting
Metabolic Rate; stosuje się również nazwę- metabolizm podstawowy, BMR, Basal Metabolic
Rate) określa się najniższy poziom przemiany materii jaki zachodzi w organizmie człowieka
na czczo, w całkowitym spokoju fizycznym i psychicznym ( np. po półgodzinnym
odpoczynku w pozycji leżącej), w normalnych warunkach mikroklimatycznych.
Energia z podstawowej przemiany materii organizmu zostaje zużytkowana na
utrzymanie podstawowych procesów życiowych, takich jak, oddychanie, trawienie, czynność
serca, krążenie krwi, utrzymanie napięcia mięśni i innych. Wysokość PPM jest uzależniona
od takich czynników jak płeć, wiek, masa ciała, wzrost, klimat.
Najniższy poziom PPM jest w czasie snu.
Eksperymentalne sposoby określania wysokości PPM:
Do sposobów tych należą:
Kalorymetria bezpośrednia - polega na umieszczeniu badanego w szczelnej komorze i
określeniu ilości wytworzonego przez niego ciepła. Następnie ilość wydzielonego ciepła jest
przeliczana na wartość kalorii wykorzystanych do utrzymania procesów fizjologicznych.
Kalorymetria pośrednia - opiera się na fakcie, że energia wykorzystywana przez organizm
wyzwalana jest na drodze utleniania składników odżywczych. Oznaczenie polega na
pomiarze respiracyjnym, w określonym czasie, objętości zużytego tlenu i objętości
2
wydychanego dwutlenku węgla. Wartość energetyczna 1 litra tlenu wynosi ok. 5 kcal. Do
pomiarów wykorzystuje się worek Haldena- Douglasa oraz respirometry. Działanie worka
Douglasa polega na oznaczeniu składu i mierzeniu objętości wydychanego powietrza do
specjalnego worka, umieszczonego najczęściej na plecach badanej osoby. Porównując skład
powietrza atmosferycznego i skład powietrza zebranego w worku wyznacza się ilość
zużytego tlenu i wydzielanego przez badany organizm dwutlenku węgla.
Konstrukcja wymienionego aparatu pozwala przeprowadzić pomiar wydatków energii w
czasie wykonywania pracy, co ma duże znaczenie przy obliczaniu zapotrzebowania na
energię Na podstawie znajomości zapotrzebowania na energię, tzn. ilości zużytej przez
człowieka energii w ciągu doby, ustala się normy dla ludzi pracujących w różnych
zawodach.
rys. 1. Worek Haldane'a--Douglasa służący do pomiarów przemiany materii
Teoretyczne sposoby określania wysokości PPM:
W wyniku wielu badań ustalono różnorodne sposoby obliczania poziomu PPM. Oto kilka z
nich:
1. Jednym z najprostszych sposobów jest obliczanie PPM wg sposobu - 1 kcal x kg
masy ciała x godzinę. Obliczenia tego typu stosuje się wyłącznie w stosunku do osób
dorosłych ponieważ dzieci i młodzież mają znacznie wyższa PPM.
2. Postępowanie w oparciu o stałe wskaźniki liczbowe w zależności od przynależności
do danej grupy wiekowej :




Mężczyźni 20-34 lata: waga ciała razy 24
Mężczyźni powyżej 35 lat: waga ciała razy 21,6
Kobiety 20-34 lata: waga ciała razy 21,6
Kobiety powyżej 35 lat: waga ciała razy 19,2
3. Kolejny sposób polega na stwierdzeniu, z istnieje zależność, między poziomem
przemiany materii a powierzchnią skóry. W celu obliczenia powierzchni skóry
wykorzystuje się nast. wzory:
S= 0,0167 x √WH
S – powierzchnia skóry [m2]
3
W – masa ciała [kg]
H – wysokość [cm]
Wielkość zużycia energii na 1 m2 powierzchni skóry odczytać można z tabeli.
Zużycie energii na 1 m2 powierzchni skóry
Mężczyźni
Wiek w latach
kcal x m2 x h
20 – 30
39,5
31 – 40
39,5
41 – 50
38,5
51 – 60
37,5
Kobiety
kcal x m2 x h
37,0
36,5
36,5
35,0
W
+
H
S
=
+
1
1
0
0
S- powierzchnia ciała [m2]
W- masa ciała [kg]
H- różnica między wzrostem a 160 cm.
Do odczytywania powierzchni skry służy również nomogram
4. Wzory Harrisa- Benedicta. (przy niektórych obliczeniach PPM bierze się pod uwagę
wiek).

dla kobiet: PPM=665,09 + 9,56W + 1,85H – 4,67A [kcal].
gdzie:
W – masa ciała [kg],
H – wzrost [cm],
A – wiek.
Np. 665,09 + 621,4 + 314,5 – 135,43=1465,56 kcal
dla:

W – 65 kg,
H – 170 cm,
A – 29 wiek.
dla mężczyzn: PPM=66,47 + 13,75W + 5H – 6,75A [kcal].
Np. 66,47 + 1100 + 900 – 202,5=1863,97 kcal
dla:
W – 65 kg,
H – 170 cm,
A – 29 wiek.
4
Ponadpodstawowa przemiana materii
Ponadpodstawowa przemiana materii to wydatki energetyczne ustroju związane z
wykonywaną pracą. Mieszczą się one w rozległych granicach. Najniższe wydatki
energetyczne organizm osiąga podczas wykonywania prac umysłowych najwyższe w czasie
pracy fizycznej. Najprościej można ją określać wg ustaleń:



lekka praca (np. biurowa) – 500 kcal/dzień,
średnia praca (np. sklepowa, rzemieślnik, gospodyni domowa) – 1000 kcal/dzień,
ciężka praca (sportowiec) – 1500 kcal/dzień.
Dodatkowa aktywność fizyczna
Dodatkową aktywność fizyczną można określać wg prostego sposobu – jeżeli wysiłek jest:


minimalny – 4 kcal razy 1kg masy ciała
optymalny – 7 kcal razy 1kg masy ciała
Drugi wariant do określania poziomu aktywności wykorzystuje tzw. wskaźniki aktywności:
POZIOM AKTYWNOŚCI
WSKAŹNIK AKTYWNOŚCI
Aktywność znikoma (po pracy leżenie z
pilotem w ręku)
1,6
Aktywność niska lub umiarkowana (trening
rekreacyjny, nie częściej niż 3 razy w
tygodniu)
Aktywność wysoka (klub fitness to drugi
dom)
Aktywność bardzo wysoka (sport uprawiany
wyczynowo lub prawie wyczynowo)
1,6
1,8
1,9
Wskaźnik aktywności mnożymy przez PPM; np. PPM wynosi 1550 kcal, to 1550 x np. 1,6 =
2480 kcal dziennie
Dzienne zapotrzebowanie energetyczne = podstawowa przemiana materii +
ponadpodstawowa przemiana materii + dodatkowa aktywność fizyczna.
5
Obliczanie prawidłowej masy
1. Waga wg Broca:
Waga normalna – wzrost w centymetrach minus 100,
Waga idealna – waga normalna minus 10% (dla mężczyzn), 15% (dla kobiet)
2.
Waga wg Lorentza:
Waga idealna – wzrost w centymetrach minus 100 minus (wzrost w centymetrach minus 150
dzielone przez N); N dla mężczyzn – 4, N dla kobiet – 2.
3. Wskaźnik masy ciała BMI (Body Mass Index):
W
[
k
g
]
B
M
I= 2
H
[
m
]
gdzie:
W – masa ciała [kg],
H – wzrost [m].
Jeśli wartość BMI wynosi:
 poniżej 20 jest to niedowaga,
 20-25 - waga jest normalna,
 25-30 nadwaga,
 dla wartości wyższej od 30 otyłość.
4. Tabelaryczne określanie wagi ciała w oparciu o typ budowy ciała
5. Określanie procentowej zawartości tkanki tłuszczowej
6