Какой закон используется для расчетов калорийности продуктов питания

Сейчас очень популярны высказывания — «не все калории одинаковы» или «…считать калории не имеет никакого смысла, т.к. каждый человек индивидуален, человеческий организм устроен слишком сложно и его нельзя сравнивать с калориметром.» и т.д. Поэтому в этой статье я постараюсь рассказать историю калорий, как появилась эта единица измерения, что она означает и разумно ли использовать метод подсчета калорий для контроля веса.

Калория. Или все началось с…

В 1824 году французский химик Николя Клеман-Дезорм вводит научный термин и определение «калории». Калория (от лат. “calor“ – тепло) — количество теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия.

Калориметр.

Первый прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе, изобрел Джозеф Блэк (первый кто обнаружил различие между количеством теплоты и её температурой, так появилось понятие теплоемкости вещества), и в 1759-1763 годах появился первый калориметр. В дальнейшем калориметр использовали французские ученые Антуан Лоран Лавуазье и Пьер Симон Лаплас. В 1780 году они начали серию калориметрических экспериментов, которые позволили измерить тепловую энергию в различных физических, химических, биологических процессах. Например, они помещали мышь в калориметр, который представлял собой полую камеру, стенки которой были покрыты коркой льда (при этом лед был изолирован от внешней среды воздушной прослойкой, чтобы плавление происходило исключительно под воздействием объекта, помещённого внутрь камеры калориметра), лед таял под воздействием тепла от помещенного внутрь объекта, а ученые измеряли количество талой воды.

Калориметр и Лавуазье

Тогда Лавуазье высказал следующую мысль – «дыхание подобно горению свечи». Лавуазье первым приравнял явления жизни к действиям химических и физических сил. Он говорил о дыхании как о медленном окислении, происходящем внутри организма, причем кислород, соединяясь с элементами тканей, дает воду и углекислоту.

Конечно с 1780 года точность калориметрических методов, приборов значительно увеличилась, было проведено много опытов и экспериментов, в XIX веке немецкий химик Юстус фон Либих, который соглашался с идеями Лавуазье о том, что пища — это топливо для организма, как дрова для печки, составил первые в мире таблицы калорийности продуктов питания. Либих впервые предложил «делить» пищевые продукты на 3 составные части: белки, жиры и углеводы.

…чуть-чуть о БЖУ.

Белки.

В XIX веке голландский химик Геррит Мульдер выдвинул теорию о том, что все белки состоят из минимальных структурных единиц, такие единицы он назвал «протеином» (от греч. protos —первичный). Мульдер исследовал продукты разрушения белков — аминокислоты. К концу XIX века открыли большинство аминокислот, а в начале XX века немецкий химик Эмиль Фишер экспериментально доказал, что белки состоят из аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями.

Углеводы.

Первые углеводы описывались формулой соединениями углерода и воды, поэтому название класса соединений и происходит от слов «гидраты углерода», оно было впервые предложено К. Шмидтом в 1844 году. Все углеводы состоят из отдельных «единиц», которыми являются сахариды. Первое масштабное исследование углеводов, определение состава и структуры, а также синтез виноградного и фруктового сахара, провел немецкий химик Э. Фишер в конце XIX века (тот же, который потом экспериментально доказал состав белков и получил Нобелевскую премию по химии).

Жиры.

Состав жиров определили французские ученые М. Шеврель и М. Бертло. В 1811 году М. Шеврель установил, что при нагревании смеси жира с водой в щелочной среде образуются глицерин и карбоновые кислоты (стеариновая и олеиновая). В 1854 году химик М. Бертло осуществил обратную реакцию и впервые синтезировал жир, нагревая смесь глицерина и карбоновых кислот.

Вот так все значимые открытия в области биохимии произошли в XIX веке. А теперь вернемся к диетологии.

Калорийность БЖУ.

Отцом-основателем современной диетологии и основоположников изучения обмена веществ и энергии в организме человека, является американский химик Уилбур Олин Этуотер. Этуотер последователь Юстуса фон Либиха (который придумал таблицы калорийности продуктов и разделение на БЖУ). Этуотер провел в Германии три года (с 1869 по 1871 г.), изучая опыт европейских коллег-химиков.

Уилбур Олин Этуотер

Конечно на тот момент не было данных ни про энергетическую, ни про пищевую ценность продуктов. Самое сложное было экстрагировать отдельные компоненты (белки, жиры, углеводы) из продуктов.  Как же Этуотер получил эти значения? Жиры он экстрагировал эфиром из измельченного кусочка пищи, количество белка определялось по количеству азота (содержания азота в белке около 16%, используя метод Кьельдаля, который появился в 1883 году, можно определить количество азота в органических веществах), а углеводы получались вычитанием из массы пищи массы жиров, белков и пепла (неорганических веществ). Потом он сжигал белки, жиры, углеводы в калориметре и измерял количество выделяемого тепла.

Камера калориметра, оборудованная устройствами и приборами, позволяющими определять количество тепла, выделенного находящимся в ней человеком

Известные всем значения калорийности для белков (4 ккал/грамм), жиров (9 ккал/грамм) и углеводов (4 ккал/грамм) впервые экспериментально получил Этуотер. Конечно биохимия не стоит на месте и в XX веке были получены более точные значения, например, белок яйца — 4,36 ккал/грамм, белок коричневого риса — 3,41 ккал/грамм, добавили калорийность спирта 7 ккал/грамм, пищевые волокна/клетчатка – 1,9 ккал/грамм и т.д. Однако с точки зрения диетологи, изучения контроля веса, эффект от подобных уточнений незначителен, так как во всей этой системе Этуотера существуют более серьезные проблемы. Вот некоторые аргументы противников «теории подсчета калорийности»:

1. «Неучтенный» фактор затрат энергии на пищеварение и усвоение пищи.

Когда мы говорим про «подсчет калорийности рациона», то подразумеваем систему подсчетов, которая сводится к простому уравнению «Энергобаланса».

Баланс энергии = Количество потребляемых – количество затрачиваемых калорий

Думаю, всем понятно, что просто назвать 2 000 ккал – «подходящий рацион для женщин» (даже уточнив возраст, рост, вес) это как играть в дартс с закрытыми глазами, верным будет только направление, но попасть никак не удастся (если только случайность). Поэтому очень важно правильно оценить количество затрачиваемых калорий. Формула для расчета обмена веществ выглядит следующим образом:

METABOLISM = BMR + TEA + NEAT + TEF

Что это за набор букв?! Подробнее можно прочитать в моей статье «7 причин почему Вы еще не теряете вес при дефиците калорий?!». Если коротко, то это основные составляющие обмена веществ – метаболизм в состоянии покоя, термический эффект активности, нетренировочная активность, термический эффект пищи.

Так вот, TEF или «Thermic Effect of Food» или термический эффект пищи – это калории, затрачиваемые на переваривание (и запасание) пищи. Причем затраты различаются при приеме разных продуктов:

жир — 0-3%;

углеводы — 5-10%;

белки — 20-30%.

В среднем, затраты на TEF составляет около 10% от общего приема пищи.

* Иногда TEF называют «dietary-induced thermogenesis (DIT)» или «specific dynamic action (SDA)», но общий смысл в том же.

И ссылочка на исследование (таких исследований много, но одно на всякий случай, что я не беру эти проценты «из головы»): Institute of Physiology, University of Lausanne, Switzerland. Pathways to obesity.

Помимо этого существуют и частично неусвояемая пища (какая-то часть нутриентов уходит с фекалиями), об этом знал и Этуотер, он исследовал фекалии людей, чей рацион был заранее известен, и выяснил, что не вся пища усваивается организмом (к сожалению, в его работе FOODS: NUTRITIVE VALUE AND COST точных цифр по затрачиваемым калориям на переваривание и усвоение, запасание пищи я не нашла, там есть раздел THE DIGESTIBILITY OF FOOD, только он без цифр, но на этот счет существует много других, более современных исследований и еще кое что… но об этом далее).

Вот его цитата:

“We live not upon what we eat, but upon what we digest”

«Мы живем не на том, что мы едим, а на том, что мы перевариваем» Этуотер.

Нужно сказать, что не только Этуотер изучал калорийность продуктов. В то же время немецкий физиолог Макс Рубнер используя калориметрическую бомбу первым получил значение калорийности для белков 4,1 ккал/гр., углеводов 4,1 ккал/гр., жиров 9,3 ккал/гр., но нужно сказать, что эти значения не учитывают поправку на неполную усвояемость продуктов, в отличие от данных Этуотера.

Вот данные по калорийности БЖУ, которые впервые получил Макс Рубнер (1 и 2 столбец, скорректирован белок, та как тело не может усвоить азот и он выводится организмом с мочой) и откорректированные значения Этуотера (3 столбец, скорректирован на неусвояемые организмом калории).

2. Причем тут вообще термодинамика, каким образом она работает в человеческом организме?

Для многих сложно отождествлять процессы горения пищи в калориметре, выделения тепловой энергии (хотя тепло это лишь способ передачи энергии, так что термин «тепловая энергия» не совсем корректен) и тех процессов, что происходят внутри организма.

Первый закон термодинамики – это закон сохранения энергии. Энергия может переходить из одного вида в другой (передаваться), но не может быть ни создана из ничего, ни уничтожена. То есть энергия, которая поступает к нам с пищей, не может исчезнуть, она либо тратится на выполнение работы, либо запасается при синтезе новых тканей, либо покидает организм. В общем, это то самое уравнение «энергетического баланса».

Вот пример перехода энергии. Калорический эквивалент работы, выполненной против силы тяжести. Масса 427 кг, падающая на 1 м, повысила бы температуру 1 литра воды на 1 градус Цельсия.

3. Зачем считать калории, можно же есть больше белка и овощей, чтобы похудеть?

В 1964 году в Окленде, штат Калифорния, был проведен эксперимент. Группа людей, страдающих ожирением, в течение 10 недель получала разные по составу нутриентов (БЖУ), но фиксированные по количеству калорий коктейли. Все пациенты теряли вес с одинаковой скоростью, вне зависимости от изменения состава нутриентов (БЖУ).

Ссылка на исследование: Calories Do Count, Laurance W.Kinsell et al, 1964

Официальная позиция «Международного сообщества спортивного питания» по диетам – потеря жира достигается путем дефицита калорий и любая (кетогенная, низкоуглеводная, высокобелковая, интервальная…) диета работает при условии дефицита калорий.

Ссылка на источник: International society of sports nutrition position stand: diets and body composition 2017. 

Так что, превышение поступления энергии приводит к увеличению веса тела (чаще всего за счет жировой ткани, но возможны еще варианты: например, запасание углеводов в виде гликогена, или белков в новых мышечных структурах, но тут уже нужны дополнительные факторы, помимо питания), независимо от типа диеты. А вот снижение поступления энергии приводит ровно к обратному — сокращению жировой ткани в тех же пропорциях. Главное в контроле веса — калорийность рациона, а не его состав.

4. Слишком сложные расчеты, много погрешностей.

Да, действительно, в условиях обычной жизни вести подсчеты калорийности рациона, даже с использованием специальных программ-счетчиков калорий, достаточно сложно (вес порции, состав готового блюда, постоянный учет даже «крошечных» перекусов и т.д.), не говоря уже о правильных расчетах энергозатрат. Но! На практике происходит следующее:

— Даже примерно рассчитав калорийность своего рациона (не на глаз, а взвешивая, используя программы счетчики) и энергозатраты (про это уже писала), мы уже получим определенную точку отсчета, допустим 2 100 ккал.

— Если мы хотим похудеть, то нужно создать дефицит в 10% от нормы (именно от нормы, потому что многие люди считаю, что, если хочешь похудеть, то нужно не есть после шести или исключать определенные продукты, или вообще практически голодать, что может привести к обратному эффекту, либо навредить здоровью), т.е. урезать рацион до 1 890 ккал. А дальше наблюдаем за изменениями веса, если он не уходит, то еще чуть-чуть увеличиваем дефицит, сокращаем рацион до 1 800 ккал.

— Самое главное в этой системе «нащупать баланс», правильные подсчеты, пусть с определенной долей погрешности, уберегут Вас от чрезмерного перегиба в ту или иную сторону (слишком большой дефицит/профицит, питание ниже базового обмена веществ, сбой гормонального цикла у женщин, прочих проблем со здоровьем). Подробнее писала в статье «Сколько калорий тратит мозг, мышцы и прочие ткани и органы?»

Вообще тема «Правильного подсчета калорий» это отдельная статья, со своими методами, хитростями, примерами и практикой, практикой, практикой (там только по началу кажется все слишком запутанным и сложным).

Таким образом, при всех недостатках, «метод подсчета калорий» является самым эффективным методом контроля веса на сегодняшний момент, в основе которого лежит научная база, а не методы интуитивного питания и вера в эффективность какого-то одного продукта для похудения или набора.

P.S. Пока писала статью нашла очень много интересных источников, не все упомянула в статье, поэтому вот еще пару ссылок:

• The American Journal of Clinical Nutrition. Is a calorie a calorie? 2004
• History of the Calorie in Nutrition
• physiqonomics.com Yes. It’s Not as Simple as Calories in Calories out but Calories Still Count. Here’s Why.
• остальное смотрите по тексту ????