03. Энергозатраты человека и пищевой рацион

Энергетический обмен

На уроках физики мы используем джоуль в качестве единицы работы и энергии (механической, тепловой, электрической и т.д.). По определению 1 Дж — это работа, совершаемая силой 1 ньютон на пути 1 м.

Но при упоминании энергии, получаемой человеком из пищи, мы чаще слышим или видим (например, на упаковках продуктов) другую единицу — калории.

Это не новая для нас ситуация — одну и ту же величину можно измерять по-разному. Например, давление измеряют в паскалях и миллиметрах ртутного столба. А длину можно измерять в метрах или сантиметрах, а можно в футах и ярдах. Но в любом случае нужно знать, как связаны различные единицы измерения.

По определению 1 кал — это тепло, которое затрачивается на увеличение температуры 1 г воды на 1 °С (1 кал = 4,19 Дж). Это очень небольшая величина, поэтому удобней выражать энергию в килокалориях (1 ккал = 1000 кал, то есть 1 ккал = 4190 Дж = 4,19 кДж).

При расчете суточной энергетической потребности организма необходимо в первую очередь учитывать величину основного обмена (ВОО). Основной обмен (ОО) — это минимальные для бодрствующего организма затраты энергии, определенные в строго контролируемых стандартных условиях:

1. при комфортной температуре (18–20 градусов тепла);

2. в положении лёжа (но обследуемый не должен спать);

3. в состоянии эмоционального покоя, так как стресс усиливает метаболизм;

4. натощак, т. е. через 12–16 ч после последнего приема пищи.

Энергия основного обмена для каждого человека индивидуальна и в тоже время является достаточно постоянной величиной, например, для взрослого мужчины средней массы тела (70 кг) она составляет около 1700 ккал. Величина основного обмена зависит от возраста, массы тела, пола. У женщин основной обмен на 10–15 % ниже, чем у мужчин, что объясняется меньшей массой тела. У детей основной обмен выше на 15 % и более, чем у взрослых, и тем в большей степени, чем меньше возраст ребенка. Таким образом, величина основного обмена устанавливается в определенные возрастные периоды на характерном для данного возраста уровне.

Энергия основного обмена расходуется на процессы клеточного метаболизма, кровообращение, дыхание, выделение, поддержание температуры тела, функционирование жизненно важных нервных центров мозга, постоянную секрецию эндокринных желёз.

Общий обмен включает в себя основной обмен и дополнительные энергозатраты организма при физической и умственной работе, при эмоциональном напряжении, после приема пищи, при изменении температуры. У современного человека общий обмен на 50–100 % больше основного обмена.

Энергетический баланс

При сгорании 1 г органического вещества и при его окислении в организме до CO2 и H2O выделяется одинаковое количество энергии. Это позволяет определять содержание энергии в потребляемой пище (ее энергетическую ценность), просто сжигая пищу и измеряя выделенное тепло.

Если человек потребляет с пищей больше калорий, чем затрачивает, другими словами, энергетическая ценность пищи больше общего обмена, то излишек энергии откладывается в особых жировых клетках.

Количество жировых клеток в организме человека может увеличиваться в период развития, а после достижения зрелости их число не изменяется, может меняться только размер жировых клеток. Разным числом жировых клеток, вероятно, объясняется то, что одним людям трудно сбросить вес, а другим нет. У людей с избыточным весом обычно в 2–3 раза больше жировых клеток, чем у людей нормального веса. В условиях строгой диеты каждая из этих клеток сигнализирует о голоде и тучному человеку психологически очень трудно не поддаваться этой массивной атаке.

И наоборот, если человек потребляет меньше калорий, чем затрачивает, то недостаток энергии компенсируется расходом жира из жировых клеток. Например, затрата дополнительных 900 ккал энергии при физической активности, «сжигает» около 100 г жира.

Физическая активность помогает не только снизить вес, она улучшает состояние сердечно-сосудистой системы, укрепляет кости, развивает мышцы и т.д.

Установлена корреляция избыточного веса с заболеваниями сердца, диабетом, заболеваниями суставов и др. Один из способов оценки избыточности веса является расчёт индекса массы тела (ИМТ), который рассчитывается по формуле 

ИМТ =где m — масса тела в кг, h — рост в м.

Например, если масса человека 77 кг, а рост 170 см, то ИМТ = 26,64

Нормальным считается ИМТ от 18,5 до 25, при ИМТ < 18,5 у человека недостаточная масса тела, при ИМТ от 25 до 30 — избыточная масса тела, при ИМТ > 30 — ожирение. Приведенные значения ИМТ следует рассматривать исключительно как ориентировочные, так как они основаны только на статистике и могут завышать массу жира (т.к. не учитывают особенности телосложения, развитие мышц, пол и т.п.). 

Производство энергии в клетках

Основные питательные вещества (нутриенты) пищи углеводы, жиры и белки перевариваются пищеварительной системой, т.е. расщепляются на небольшие фрагменты, которые в отличие от макромолекул нутриентов могут всасываться в кровь и переносятся кровью в различные клетки. Часть химической энергии пищи выделяется в виде тепла уже при этом расщеплении (гидролизе) молекул нутриентов на фрагменты (субъединицы). Это та энергия, которая сохранялась в виде потенциальной энергии ковалентной связи между субъединицами.

Сахара, жирные кислоты и аминокислоты, полученные из пищи, а также образованные при распаде собственных углеводов, жиров и белков, используются клетками тела в синтезе новых макромолекул и в качестве источников энергии.

Именно в клетках производится и используется основное количество химической энергии, причем не в виде тепла, а содержащейся в особых высокоэргических связях в молекулах вещества АТФ (аденозинтрифосфат). Аденозинтрифосфат образно называют энергетической валютой клетки и оценивают энергетический выход любой биохимической реакции количеством синтезируемых в ней молекул АТФ.

Основной источник энергии в клетке — молекулы сахара глюкозы (C6H12O6). В ходе процесса, называемого клеточным дыханием, из одной молекулы глюкозы образуются 6 молекул углекислого газа, 6 молекул воды и некоторое количество молекул АТФ.

При недостатке глюкозы, клетки могут использовать для получения АТФ жирные кислоты. Когда глюкозы и жирных кислот в клетке недостаточно для обеспечения ее энергией (молекулами АТФ), в качестве источника энергии клетка может использовать и аминокислоты.

Энергетическая ценность продуктов питания

Энергетическая ценность (или калорийность) пищи — это количество тепловой энергии, которое может выработать организм человека при полном усвоении пищи, т.е. при полном окислении ее до углекислого газа и воды. То же количество тепловой энергии выделяется при сжигании этой пищи в специальном измерительном приборе — калориметре. Так обычно на практике определяют энергетическую ценность пищи.

Для промышленно производимого продукта питания на упаковке приводится в расчете на 100 г продукта или на 100 мл (для напитков) энергетическая ценность (в ккал) и пищевая ценность продукта, т.е. содержание основных питательных веществ (углеводов, жиров, белков).

При невозможности определить энергетическую ценность продукта калориметром, ее рассчитывают, используя средние энергетические ценности нутриентов. Обычно считается, что энергетическая ценность 1 г белка равна 4 ккал (17 кДж), 1 г жира — 9 ккал (37 кДж), 1 г углеводов — 4 ккал (17 кДж), 1 г пищевых волокон — 2 ккал (8 кДж).

Энергозатраты при разных видах деятельности

Интенсивные мышечные движений существенно увеличивают энергозатраты. При спокойной ходьбе дополнительные энергозатраты на 80–100 % больше уровня основного обмена, а во время бега — на 400 %.

Существуют эмпирические формула расчета энергозатрат по частоте сердечных сокращений. Например, такая Q = 2,09∙(0,2∙ЧСС − 11,3)∙t, где

Q — энергозатраты (кДж)

t — время (мин), затраченное на определенную работу

ЧСС — частота сердечных сокращений (1/мин) при выполнении работы

Если определить таким образом и сложить энергозатраты на все виды деятельности человека (включая сон) в течение суток, то можно получить суточные энергозатраты.

Естественно, что подобные расчеты будут очень неудачными, т.к. эмпирические формулы не принимают во внимание индивидуальные различия и особенности видов деятельности.

Точно оценить энергозатраты при определенной деятельности можно методом прямой калориметрии, когда измеряется количество тепловой энергии, выделяемой при выполнении работы в теплоизолированной камере. Таким методом было установлено, что энергозатраты зависят не только от интенсивности мышечной работы, но и от рабочей позы, эмоционального напряжения, температуры и влажности среды и т.д.

В зависимости от уровня энергозатрат в профессиональной деятельности выделяют такие группы.

Работники умственного труда (педагоги, ученые, врачи, студенты и т.п.), средние суточные энергозатраты 40 ккал на 1 кг массы тела.

Работники легкого физического труда (рабочие автоматизированных линий, продавцы промышленных товаров, агрономы, портные и т.п.) — 43 ккал/кг.

Работников со средней тяжестью труда (работники пищевой промышленности, продавцы продовольственных товаров, водители, хирурги и т.п.) — 46 ккал/кг.

Работники с тяжелым физическим трудом (шахтеры, сталевары, лесорубы, грузчики и т.п.) — 61 ккал/кг.

Пищевой рацион

Аналогично были определены средние затраты энергии школьников. У школьников 11–14 лет дневные энергозатраты лежат в диапазоне 2300–2500 ккал (9500–10 500 кДж), а у школьников 15–17 лет — 2500–2900 ккал (10 500–12 000 кДж).

Пусть в какой-то день затраты энергии какого-то школьника оказались равными 3200 ккал. Средняя энергетическая ценность основных питательных веществ известна: 1 г белка содержит 4 ккал, 1 г жира — 9 ккал, 1 г углеводов — 4 ккал. Чтобы восполнить энергетические затраты этому школьнику в этот день нужно съесть 800 г белка или 360 г жира или 800 г углевода. В любом из рассмотренных вариантов питания, пища полностью компенсирует энергетические затраты.

Однако ясно, что, питаясь только мясом или только хлебом, один день прожить можно, но долго выдерживать такую диету не только трудно, но и вредно для здоровья. Так как кроме энергии с пищей человек должен получить пластический материал, а также незаменимые макро- и микроэлементы, витамины, не синтезируемые организмом.

Казалось бы, разумно летом питаться в основном растительной пищей, когда ее много и она недорогая, а зимой съедать много сала, которое хорошо хранится и очень калорийно. Но так тоже не годится по многим причинам.

Так, растворимые в воде витамины, которые мы получаем в основном из фруктов и овощей, очень быстро выводятся из организма. Летних витаминных запасов не только не хватит на зиму, еще осенью может наступить авитаминоз. Желательно и зимой регулярно потреблять фрукты и овощи. Зимой в продаже бывают свежие растительные продукты, привезенные из южного полушария или выращенные в теплицах. Такие продукты не всегда доступны, поэтому необходимое количество витаминов можно получить из замороженных или консервированных овощей и фруктов, которые собирают на пике зрелости, чтобы они не только не теряли свои вкусовые качества, но и сохраняли питательные свойства. Современные технологии переработки и хранения сберегают бо́льшую часть витаминов и полезных веществ, а хранятся такие продукты гораздо дольше свежих овощей и фруктов.

Но дело не только в витаминах. Нашему организму ежедневно нужен определённый набор белков, жиров, углеводов, а также макро- и микроэлементов (включая витамины). Из одной группы продуктов, даже очень хорошей, всего не получишь. Конечно, когда есть возможность, нужно отдавать предпочтение сезонным продуктам, которые содержат наибольшее количество витаминов и минералов, вкуснее и меньше стоят. Но этого чаще всего бывает недостаточно для здорового и сбалансированного питания.

Итак, однообразная диета не только невкусная, она наносит вред здоровью. Необходимо, чтобы круглый год в ежедневном рационе были как растительные продукты (овощи, фрукты, злаковые), так и продукты животного происхождения, такие как молочные, яйца, мясо птицы, рыба, потому что в пище кроме энергии должны быть эссенциальные (жизненно важные) вещества: незаменимые аминокислоты, витамины и минералы. Важно получать с пищей пищевые волокна, полиненасыщенные жирные кислоты, антиоксиданты и массу других полезных веществ.

Общие рекомендации по здоровому питанию:

• питание должно быть максимально разнообразным;

• есть как можно больше овощей, фруктов, цельнозерновых продуктов; эксперты по питанию Всемирной организации здравоохранения рекомендуют потреблять не менее 400 г или пяти порций фруктов и овощей в день;

• включение в рацион продуктов богатых витаминами и минералами — это лучший способ удовлетворения потребностей организма в этих веществах. Например, включая в ежедневный свой рацион три порции молочных продуктов вы на 80 % удовлетворите потребности вашего организма в таком важном минерале как кальций;

• как можно меньше употреблять сахар и продукты с добавлением сахара;

• уменьшить употребление соли (менее 2,3 г, около чайной ложки в день).

На основе таких рекомендаций формулируются нескольких простых правил.

1. Калорийность   питания должна соответствовать суточному расходу энергии.

2. Питаться следует 4 раза в день, распределив всю еду в следующих долях: завтрак и второй завтрак — 25–30 %, обед 40–45 %, ужин 20–25 %. При этом последний приём пищи должен быть не позднее чем за 2 часа до сна.

Также можно питаться 5 раз в день: 3 основных приёма пищи (завтрак, обед, ужин) и 2 дополнительных.

3. Соблюдать режим питания: есть в одно и то же время, днем перерывы между приемами пищи не должны быть более 6 часов.

4. В рационе должно быть не менее 5 порций овощей и фруктов и 2–3 порции молочных продуктов.

5. Белки животного происхождения должны составлять 60 % от суточной потребности в белке, а растительного — около 40 %.  Потребление насыщенных жирных кислот для взрослых и детей должно составлять не более 10 % от калорийности суточного рациона.

6. Овощи и фрукты должны составлять основную часть вашего приёма пищи — ½ тарелки.

Обеспечьте разнообразие цвета и вида вашей пищи и помните, что картофель не считается овощем!

7. Необходимо минимизировать употребление продуктов глубокой переработки, которые имеют высокую калорийность и низкую пищевую ценность.

Список литературы

1. Пасечник В.В., Каменский А.А., Швецов Г.Г. Линия жизни. Биология. 8 класс. Учебник.– М.: ФГОС, «Просвещение», 2021.

2. Сонин Н.И., Сапин М.Р. Биология. 8 класс. Учебник.– М.: ФГОС, «ДРОФА», 2018.

3. Драгомилов А.Г., Маш Р.Д. Биология. 8 класс. Учебник.– М.: ФГОС, «ВЕНТАНА-ГРАФ», 2019.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «sbio.info»