ارزش سوختی: مقدار انرژی آزادشده از سوختن هر گرم ماده غذایی
کالری چیست و چرا دو نوع داریم؟
کلمه کالری1 آنقدر در زندگی روزمره استفاده میشود که کمتر کسی به تعریف دقیق آن فکر میکند. در علم فیزیک، یک کالری مقدار انرژی لازم برای افزایش دمای یک گرم آب خالص به اندازه یک درجه سانتیگراد (از 14.5 به 15.5 درجه) است. اما این واحد برای بیان انرژی غذاها بسیار کوچک است. به همین دلیل در تغذیه از کیلوکالری2 استفاده میشود که برابر با 1000 کالری است. به زبان ساده، وقتی میگوییم یک سیب 80 کالری دارد، منظور 80 کیلوکالری است. بنابراین ارزش سوختی یعنی مقدار کیلوکالری انرژیای که بدن ما از سوختن (متابولیسم) هر گرم از یک ماده غذایی به دست میآورد.
برای درک بهتر، یک آزمایش ذهنی انجام میدهیم: فرض کنید یک گرم کره را کاملاً خشک کرده و درون محفظهای پر از اکسیژن میسوزانیم. گرمای حاصل از این سوختن، دمای یک لیتر آب را حدود 9 درجه افزایش میدهد. از آنجایی که یک لیتر آب 1000 گرم است، برای افزایش دمای آن به اندازه 9 درجه، حدود 9000 کالری یا 9 کیلوکالری انرژی لازم است. بنابراین ارزش سوختی کره حدود 9 کیلوکالری بر گرم است. این اعداد دقیقاً همان چیزی هستند که روی برچسب مواد غذایی میبینیم.
بمب کالریسنج: آزمایشگاه تعیین ارزش سوختی
ابزار اصلی اندازهگیری ارزش سوختی، دستگاهی به نام بمب کالریسنج3 است. این دستگاه یک محفظه فولادی کاملاً بسته دارد که نمونه غذایی درون آن قرار میگیرد. محفظه را با اکسیژن خالص پر میکنند و سپس نمونه توسط یک جرقه الکتریکی مشتعل میشود. گرمای آزادشده از احتراق کامل ماده غذایی به آب اطراف محفظه منتقل میشود و با اندازهگیری دقیق افزایش دمای آب، میتوان انرژی آزادشده را محاسبه کرد.
جالب است بدانید که این روش برای اولین بار در اواخر قرن نوزدهم توسط شیمیدان آمریکایی، ویلبر آتوواتر4، برای تعیین ارزش سوختی مواد غذایی به کار گرفته شد. ضرایب 4، 4 و 9 که امروزه هم استفاده میشوند (به ترتیب برای کربوهیدرات، پروتئین و چربی)، حاصل صدها آزمایش دقیق آتوواتر هستند.
سه درشتمغذی و ارزش سوختی متفاوت آنها
مواد غذایی عمدتاً از سه دسته درشتمغذی تشکیل شدهاند: کربوهیدراتها، پروتئینها و چربیها. هر یک از این ترکیبات شیمیایی، به دلیل ساختار مولکولی متفاوت، هنگام سوختن مقدار انرژی یکسانی آزاد نمیکنند. دلیل اصلی این تفاوت به نسبت اتمهای کربن، هیدروژن و اکسیژن در ساختار آنها برمیگردد. چربیها تعداد پیوندهای کربن-هیدروژن بیشتری دارند و در نتیجه در فرایند اکسیداسیون، الکترونهای بیشتری برای انتقال به اکسیژن در اختیار میگذارند که معادل انرژی آزادشده بیشتر است.
| درشتمغذی | ارزش سوختی (کیلوکالری بر گرم) | منابع غذایی اصلی | نقش در بدن |
|---|---|---|---|
| کربوهیدرات | 4 | نان، برنج، ماکارونی، میوهها | تأمین سریع انرژی برای سلولها |
| پروتئین | 4 | گوشت، تخممرغ، حبوبات، لبنیات | ساخت و ترمیم بافتها، آنزیمها |
| چربی | 9 | روغنها، کره، آجیل، گوشت چرب | ذخیره انرژی طولانیمدت، عایقبندی |
| الکل (اتانول) | 7 | نوشیدنیهای الکلی | تأمین انرژی (بدون ارزش تغذیهای) |
از بمب کالریسنج تا بشقاب غذا: کاربرد عملی
حال که با مفهوم نظری آشنا شدیم، بیایید این دانش را در زندگی روزمره به کار ببریم. فرض کنید یک بسته بیسکوییت خریدهاید و روی برچسب آن نوشته شده: «هر سهمیه 30 گرمی حاوی 140 کیلوکالری انرژی است.» این عدد چگونه به دست آمده؟ تولیدکننده با آنالیز ماده غذایی، مقدار کربوهیدرات، پروتئین و چربی موجود در بیسکوییت را تعیین میکند. سپس با ضرب هر یک در ضرایب مربوطه و جمع آنها، ارزش سوختی کل را محاسبه میکند:
فرض کنیم آن 30 گرم بیسکوییت شامل 20 گرم کربوهیدرات، 2 گرم پروتئین و 6 گرم چربی باشد. محاسبه به این صورت خواهد بود: $(20 \times 4) + (2 \times 4) + (6 \times 9) = 80 + 8 + 54 = 142$ کیلوکالری که با خطای ناچیز، همان 140 کیلوکالری درجشده روی بسته است. به همین سادگی میتوانید ارزش سوختی هر خوراکی را تخمین بزنید.
چالشهای مفهومی در ارزش سوختی
خیر. بمب کالریسنج ماده را کاملاً اکسید میکند، اما بدن انسان قادر به هضم کامل همه اجزا نیست. مثلاً فیبرهای غذایی که نوعی کربوهیدرات هستند، در دستگاه گوارش انسان تجزیه نمیشوند و بنابراین انرژی آنها قابلاستفاده نیست. به همین دلیل در محاسبات تغذیهای از «ارزش سوختی قابلاستفاده» یا همان کیلوکالری خالص استفاده میشود که معمولاً کمی کمتر از مقدار ناخالص است.
علت در ساختار مولکولی نهفته است. مولکولهای چربی عمدتاً از زنجیرههای بلند کربن و هیدروژن تشکیل شدهاند و اکسیژن بسیار کمی دارند. برای اکسیداسیون کامل (تبدیل به $CO_2$ و $H_2O$) به اکسیژن زیادی نیاز دارند و همین امر باعث آزادشدن انرژی بیشتر میشود. در مقابل، کربوهیدراتها از قبل اکسیژن نسبتاً زیادی در ساختار خود دارند و تا حدودی «نیمهسوخته» هستند.
ارزش سوختی ذاتی ماده ثابت است، اما مقدار انرژیای که بدن از آن جذب میکند میتواند متغیر باشد. عواملی مانند روش پخت (مثلاً پختن باعث افزایش قابلیت هضم نشاسته میشود)، ترکیب غذاها با یکدیگر و حتی تفاوتهای فردی در میکروبیوم روده، بر مقدار نهایی انرژی جذبشده تأثیر میگذارند. با این حال، اعداد درجشده روی برچسبها تخمین قابل اعتمادی برای برنامهریزی غذایی هستند.
ارزش سوختی یا کالری، معیاری برای سنجش انرژی ذخیرهشده در مواد غذایی است. این مقدار با استفاده از دستگاهی به نام بمب کالریسنج و بر اساس اصول ترمودینامیک اندازهگیری میشود. سه درشتمغذی اصلی یعنی کربوهیدراتها و پروتئینها هر کدام 4 کیلوکالری بر گرم و چربیها 9 کیلوکالری بر گرم انرژی دارند. این ضرایب پایه علم تغذیه مدرن هستند و به ما امکان میدهند نیازهای انرژی روزانه خود را محاسبه و برنامه غذایی متعادلی طراحی کنیم. درک صحیح این مفهوم به انتخاب آگاهانهتر مواد غذایی و حفظ سلامت کمک شایانی میکند.
پاورقی
1 کالری (Calorie): واحد سنجش انرژی که برابر با مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای یک گرم آب به اندازه یک درجه سانتیگراد است.
2 کیلوکالری (Kilocalorie): معادل 1000 کالری و واحدی که در علم تغذیه برای بیان انرژی غذاها به کار میرود.
3 بمب کالریسنج (Bomb Calorimeter): وسیلهای آزمایشگاهی با محفظه فولادی مقاوم در برابر فشار که برای اندازهگیری گرمای حاصل از احتراق کامل مواد استفاده میشود.
4 ویلبر آتوواتر (Wilbur Atwater): شیمیدان و متخصص تغذیه آمریکایی (۱۹۰۷-۱۸۴۴) که با انجام آزمایشهای گسترده، ضرایب کالریکی 4-4-9 را برای مواد غذایی تعیین کرد.
