• За да се разбере връзката между термохимията и храненето.

Термохимичните количества, които вероятно най-често срещате, са калоричните стойности на храната. Храната доставя суровините, от които тялото ви се нуждае, за да замести клетките и енергията, която поддържа тези клетки да функционират. Около 80% от тази енергия се отделя като топлина, за да поддържате телесната температура на устойчиво ниво, за да ви поддържа живи. Хранителната калория (с главна буква C), която виждате на етикетите на храните, е равна на 1 kcal (килокалория). Калоричното съдържание на храната се определя от енталпията на изгаряне (Δ Hcomb) на грам, измерено в бомбен калориметър, като се използва общата реакция

\ [храна + излишък \; O_ (g) \ rightarrow CO_ (g) + H_O (l) + N_ (g) \ label \]

Има обаче две важни разлики между отчетените калорични стойности за храни и Δ Hcomb на същите храни, изгорени в калориметър. Първо, Δ Hcomb, описан в джаули (или килоджаули), е отрицателен за всички вещества, които могат да бъдат изгорени. За разлика от това, калоричността на храната винаги се изразява като положително число, тъй като в нея се съхранява енергия. Следователно,

\ [калорично \; съдържание = - \ Delta H_ \ етикет \]

Второ, когато храните се изгарят в калориметър, всеки съдържащ се азот (до голяма степен от протеини, богати на азот) се трансформира в N2. В организма обаче азотът от храните се превръща в урея [(H2N) 2C = O], а не в N2, преди да се екскретира. Δ Hcomb на карбамид, измерен чрез калориметрия на бомбата, е -632,0 kJ/mol. Следователно изменението на енталпията, измерено чрез калориметрия за всяка храна, съдържаща азот, е по-голямо от количеството енергия, което тялото би получило от нея. Разликата в стойностите е равна на Δ Hcomb на карбамид, умножен по броя на бенките карбамид, образувани при разграждането на храната. Тази точка е илюстрирана схематично в следните уравнения:

\ [храна + излишък \; O_ \ ляво (g \ дясно) \ xrightarrow [] H стойностите са отрицателни и, по закона на Хес, Δ H3 = Δ H1 + Δ H2. Величината на Δ H1 трябва да бъде по-малка от Δ H3, калориметрично измерената Δ Hcomb за храна. Следователно, произвеждайки урея, а не N2, хората отделят част от енергията, която се съхранява в храната им.

ляво дясно

Поради различния си химичен състав, хранителните продукти се различават значително по съдържание на калории. Както видяхме по-рано, например, мастна киселина като палмитинова киселина произвежда около 39 kJ/g по време на горенето, докато захар като глюкозата произвежда 15,6 kJ/g. Мастните киселини и захарите са градивните елементи на мазнините и съответно въглехидратите, два от основните източници на енергия в храната. Диетолозите обикновено определят средни стойности от 38 kJ/g (около 9 Cal/g) и 17 kJ/g (около 4 Cal/g) съответно за мазнини и въглехидрати, въпреки че действителните стойности за конкретни храни варират поради разликите в състава. Протеините, третият основен източник на калории в диетата, също варират. Протеините се състоят от аминокиселини, които имат следната обща структура:

Обща структура на аминокиселина. Аминокиселината съдържа аминна група (-NH2) и група на карбоксилна киселина (-CO2H).

В допълнение към компонентите на амина и карбоксилната киселина, аминокиселините могат да съдържат широк спектър от други функционални групи: R може да бъде водород (–Н); алкилова група (например -CH3); арилова група (например -CH2C6H5); или заместена алкилова група, която съдържа амин, алкохол или карбоксилна киселина (Фигура \ (\ PageIndex \)). От 20-те естествено срещащи се аминокиселини, 10 са необходими в човешката диета; тези 10 се наричат ​​незаменими аминокиселини, тъй като телата ни не могат да ги синтезират от други съединения. Тъй като R може да бъде всяка от няколко различни групи, всяка аминокиселина има различна стойност на Δ Hcomb. Обикновено се изчислява, че протеините имат среден Δ Hcomb от 17 kJ/g (около 4 Cal/g).

Фигура \ (\ PageIndex \): Структурите на 10 аминокиселини. Основните аминокиселини в тази група са обозначени със звездичка.

Изчислете количеството налична енергия, получена от биологичното окисление на 1000 g аланин (аминокиселина). Не забравяйте, че азотсъдържащият продукт е урея, а не N2, така че биологичното окисление на аланина ще доведе до по-малко енергия от горенето. Стойността на Δ Hcomb за аланин е -1577 kJ/mol.

Дадено: аминокиселина и Δ Hcomb на мол

Попитан за: калорично съдържание на грам

  1. Напишете балансирани химични уравнения за окисляване на аланин до CO2, H2O и урея; изгарянето на урея; и изгарянето на аланин. Умножете двете страни на уравненията по подходящи фактори и след това ги пренаредете, за да отмените уреята от двете страни, когато се добавят уравненията.
  2. Използвайте закона на Хес, за да получите израз за Δ H за окисляването на аланин до урея по отношение на Δ Hcomb на аланин и урея. Заместете подходящите стойности на Δ Hcomb в уравнението и решете Δ H за окислението на аланин до CO2, H2O и урея.
  3. Изчислете количеството освободена енергия на грам, като стойността на Δ H се раздели на моларната маса на аланина.

Действителната енергия, налична биологично от аланин, е по-малка от Δ Hcomb поради производството на урея, а не на N2. Знаем стойностите на Δ Hcomb за аланин и урея, така че можем да използваме закона на Хес, за да изчислим Δ H за окисляването на аланин до CO2, H2O и урея.

A Започваме с написването на балансирани химични уравнения за (1) окисление на аланин до CO2, H2O и урея; (2) изгарянето на урея; и (3) изгарянето на аланин. Тъй като аланинът съдържа само един азотен атом, докато карбамидът и N2 съдържат по два азотни атома, е по-лесно да се балансират уравнения 1 и 3, ако ги запишем за окислението на 2 mol аланин:

\ [\ ляво (1 \ дясно) \; \; 2C_H_NO_ \ ляво (s \ дясно) + 6O_ \ ляво (g \ дясно) \ rightarrow 5CO_ \ ляво (g \ дясно) + 5H_O \ ляво (l \ дясно) + \ ляво (H_N \ дясно) _C = O \ ляво ( s \ вдясно) \]

\ [\ ляво (2 \ дясно) \; \; \ ляво (H_N \ дясно) _C = O \ ляво (s \ дясно) + \ dfracO_ \ ляво (g \ дясно) \ rightarrow CO_ \ ляво (g \ дясно) + 2H_O \ ляво (l \ дясно) + N_ \ ляво (g \ дясно) \]

\ [\ ляво (3 \ дясно) \; \; \ ляво (1 \ дясно) \; \; 2C_H_NO_ \ ляво (s \ дясно) + \ dfracO_ \ ляво (g \ дясно) \ rightarrow 6CO_ \ ляво (g \ дясно) + 7H_O \ ляво (l \ дясно) + N_ \ ляво (g \ дясно) \]

Добавяйки уравнения 1 и 2 и отменяйки урея от двете страни, се получава директно цялостното химическо уравнение:

\ [\ ляво (1 \ дясно) \; \; 2C_H_NO_ \ ляво (s \ дясно) + 6O_ \ ляво (g \ дясно) \ rightarrow 5CO_ \ ляво (g \ дясно) + 5H_O \ ляво (l \ дясно) + \ отмянаN \ дясно) _C = O \ ляво (s \ вдясно)> \]

\ [\ отмяна< \left ( 2 \right ) \; \; \left( H_N \right )_C=O\left ( s \right )> + \ dfracO_ \ ляво (g \ дясно) \ rightarrow CO_ \ ляво (g \ дясно) + 2H_O \ ляво (l \ дясно) + N_ \ ляво (g \ дясно) \]

\ [\ ляво (3 \ дясно) \; \; \ ляво (1 \ дясно) \; \; 2C_H_NO_ \ ляво (s \ дясно) + \ dfracO_ \ ляво (g \ дясно) \ rightarrow 6CO_ \ ляво (g \ дясно) + 7H_O \ ляво (l \ дясно) + N_ \ ляво (g \ дясно) \]

Б. По закона на Хес, Δ H3 = Δ H1 + Δ H2. Знаем, че Δ H3 = 2Δ Hcomb (аланин), Δ H2 = Δ Hcomb (урея) и Δ H1 = 2Δ H (аланин → урея). Пренареждането и заместването на подходящите стойности дава

\ [= 2 \ ляво (-1577 \; kJ/mol \ дясно) - \ ляво (-632,0 \; kJ/mol \ дясно) \] = -2522 \; kJ/\ ляво (2 \; mol \; аналин \ дясно) \]

По този начин Δ H (аланин → урея) = -2522 kJ/(2 mol аланин) = -1261 kJ/mol аланин. Следователно окисляването на аланин до урея, а не до азот, води до около 20% намаляване на количеството освободена енергия (-1261 kJ/mol спрямо -1577 kJ/mol).

° С Енергията, отделена на грам от биологичното окисление на аланин, е

Това е равно на -3,382 Cal/g.

Изчислете енергията, освободена на грам от окисляването на валин (аминокиселина) до CO2, H2O и урея. Отчетете отговора си на три значими цифри. Стойността на Δ Hcomb за валин е -2922 kJ/mol.

-22,2 kJ/g (-5,31 Cal/g)

Отчетеното калорично съдържание на храни не включва Δ Hcomb за тези компоненти, които не се усвояват, като фибри. Освен това месото и плодовете са 50% -70% вода, която не може да се окисли от O2, за да се получи енергия. Така че водата не съдържа калории. Някои храни съдържат големи количества фибри, които се състоят предимно от захари. Въпреки че фибрите могат да се изгарят в калориметър точно като глюкозата, за да се получи въглероден диоксид, вода и топлина, хората нямат ензимите, необходими за разграждането на фибрите на по-малки молекули, които могат да бъдат окислени. Следователно фибрите също не допринасят за калоричното съдържание на храната.

Таблица \ (\ PageIndex \): Приблизителен състав и горивна стойност на парче печено говеждо месо от 8 унции СъставКалории
97,5 g вода × 0 Cal/g = 0
58,7 g протеин × 4 Cal/g = 235
69,3 г мазнини × 9 Cal/g = 624
0 g въглехидрати × 4 Cal/g = 0
1,5 г минерали × 0 Cal/g = 0
Обща маса: 227,0 g Общо калории: около 900 Cal

Можем да определим калоричността на храните по два начина. Най-прецизният метод е да се изсуши внимателно претеглена проба и да се проведе реакция на горене в бомбен калориметър. По-типичният подход обаче е да се анализира храната за протеини, въглехидрати, мазнини, вода и „минерали“ (всичко, което не гори) и след това да се изчисли калоричното съдържание, като се използват средните стойности за всеки компонент, който произвежда енергия ( 9 Cal/g за мазнини, 4 Cal/g за въглехидрати и протеини и 0 Cal/g за вода и минерали). Пример за този подход е показан в Таблица \ (\ PageIndex \) за парче печено говеждо месо. Съставите и калоричното съдържание на някои често срещани храни са дадени в таблица \ (\ PageIndex \).

Тъй като Калорията представлява толкова голямо количество енергия, няколко от тях изминават дълъг път. Средно 73 kg (160 lb) човек се нуждае от около 67 Cal/h (1600 Cal/ден), за да подхрани основните биохимични процеси, които поддържат този човек жив. Тази енергия е необходима за поддържане на телесната температура, за поддържане на сърдечната дейност, за задвижване на мускулите, използвани за дишане, за извършване на химични реакции в клетките и за изпращане на нервните импулси, които контролират тези автоматични функции. Физическата активност увеличава необходимото количество енергия, но не с толкова, колкото се надяват много от нас (Таблица \ (\ PageIndex \)). Умерено активен индивид изисква около 2500-3000 Cal/ден; спортисти или други, ангажирани с усилена дейност, могат да изгорят 4000 Cal/ден. Всеки излишен калориен прием се съхранява от тялото за бъдеща употреба, обикновено под формата на мазнини, което е най-компактният начин за съхраняване на енергия. Когато са необходими повече енергия от диетичните запаси, складираните горива се мобилизират и окисляват. Обикновено изчерпваме запасите от съхранени въглехидрати, преди да преминем към мазнини, което отчасти се дължи на популярността на диетите с ниско съдържание на въглехидрати.

Таблица \ (\ PageIndex \): Приблизителни енергийни разходи на човек от 160 фунта, ангажиран в различни дейности ДейностCal/h
спящ 80
шофиране на кола 120
стоящ 140
храня се 150
ходене 2,5 mph 210
косене на тревата 250
плуване 0.25 mph 300
ролкови кънки 350
тенис 420
колоездене 13 mph 660
бягане 10 mph 900

Какъв е минималният брой калории, изразходван от 72,6 кг човек, който се изкачва на 30-етажна сграда? (Да приемем, че всяко стълбище е високо 14 фута.) Колко грама глюкоза са необходими, за да се достави това количество енергия? (Енергията, отделена по време на изгарянето на глюкозата, е изчислена в пример 5.5.4).

Дадено: маса, височина и енергия, освободени при изгаряне на глюкоза

Попитан за: изразходвани калории и необходимата маса глюкоза

  1. Преобразувайте масата и височината в единици SI и след това заменете тези стойности в уравнение 5.6, за да изчислите промяната в потенциалната енергия (в килоджаули). Разделената енергия се разделя на 4,184 Cal/kJ, за да се преобразува потенциалната промяна на енергията в калории.
  2. Използвайте стойността, получена в пример 5.5.4 за изгарянето на глюкоза, за да изчислите масата на глюкозата, необходима за доставяне на това количество енергия.

Енергията, необходима за изкачване по стълбите, е равна на разликата между потенциалната енергия (PE) на човека в горната част на сградата и на нивото на земята.

A Спомнете си, че PE = mgh. Тъй като m и h са дадени в не-SI единици, трябва да ги преобразуваме съответно в килограми и метри

\ [PE = \ ляво (72,6 \; kg \ дясно) \ ляво (9,81 \; m/s ^ \ дясно) \ ляво (128 m \ дясно) = 8,55 × 10 ^ \ ляво (kg \ cdot m ^/s ^ \ вдясно) = 91,2 kJ \]

За да превърнем в калории, разделяме на 4,184 kJ/kcal:

\ [PE = \ ляво (91,2 \; \ отмяна \ дясно) \ ляво (\ dfrac> \ дясно) = 21,8 \; kcal = 21,8 \; Cal \]

Б. Тъй като изгарянето на глюкоза произвежда 15,6 kJ/g (Пример 5), масата на глюкозата, необходима за доставяне на 85,5 kJ енергия, е

\ [PE = \ ляво (91,2 \; \ отмяна \ дясно) \ ляво (\ dfrac> \ дясно) = 5,85 \; g \; глюкоза \]

Тази маса съответства само на около чаена лъжичка захар! Тъй като тялото е само около 30% ефективно при използването на енергията в глюкозата, действителното необходимо количество глюкоза би било по-високо: (100%/30%) × 5,85 g = 19,5 g. Независимо от това, това изчисление илюстрира трудността, която много хора изпитват в опитите си да отслабнат само чрез упражнения.

Изчислете колко пъти човек, който трябва да изкачи 160 фунта, трябва да се изкачи на най-високата сграда в Съединените щати, 110-етажната кула на Уилис в Чикаго, за да изгори 1,0 фунта съхранена мазнина. Да приемем, че всяка история на сградата е висока 14 фута и използвайте съдържание на калории от 9,0 kcal/g мазнини.

Изчисленията в пример 5.8.2 игнорират различни фактори, като например колко бързо се изкачва човекът. Въпреки че скоростта е без значение при изчисляването на промяната в потенциалната енергия, тя е много подходяща за количеството енергия, действително необходимо за изкачване по стълбите. Изчисленията също така пренебрегват факта, че преобразуването на химическата енергия на тялото в механична работа е значително по-малко от 100% ефективно. Според средната енергия, изразходвана за различни дейности, изброени в таблица 5.8.3, човек трябва да тича повече от 4,5 часа при 10 mph или да кара велосипед за 6 часа при 13 mph, за да изгори 1 lb мазнина (1,0 lb × 454 g/lb × 9,0 Cal/g = 4100 Cal). Но ако човек кара велосипед със скорост от 13 мили в час само за 1 час на ден 6 дни в седмицата, този човек ще изгори 50 lb мазнини в течение на една година (ако, разбира се, велосипедистът не увеличи или приемането на калории за компенсиране на упражнението).

Обобщение

Термохимичните концепции могат да бъдат приложени за определяне на действителната енергия, налична в храната. Хранителната калория е еквивалентно на 1 kcal (4.184 kJ). Калоричното съдържание на храната е нейният Δ Hcomb на грам. При изгарянето на азотсъдържащи вещества се получава N2 (g), но при биологичното окисление на тези вещества се получава урея. Следователно действителната енергия, налична от азотсъдържащи вещества, като протеини, е по-малка от Δ Hcomb на урея, умножена по броя на моловете на урея Типичното калорично съдържание за храна е 9 Cal/g за мазнини, 4 Cal/g за въглехидрати и протеини и 0 Cal/g за вода и минерали.