الطاقة الغذائية

الطاقة الغذائية هي الطاقة الكيميائية التي تستمدها الحيوانات والبشر، من الطعام خلال عملية التنفس الخلوي. يتم التنفس الخلوي عن طريق ردة فعل كيميائية لجزيئات الطعام مع الأكسجين الجزيئي التنفس الهوائي أو عملية إعادة تنظيم جزيئات الطعام دون إضافة الهواء. يحتاج البشر والحيوانات إلى حد أدنى لتناول الطاقة الغذائية للحفاظ على عملية التمثيل الغذائي وإيصاله إلى العضلات حيث يتألف الطعام من كربوهيدرات وبروتين وماء وفيتامينات ومعادن. تمثل الكربوهيدرات والدهون والبروتين والماء تقريبا وزن الغذاء بالإضافة إلى ان الفيتامينات والمعادن تشكل نسبة ضئيلة من الوزن. تشكل الكربوهيدرات والدهون والبروتينات تسعين بالمئة من وزن الغذاء الجاف. وتستمد الكائنات الحية الطاقة الغذائية من الكربوهيدرات والدهون والبروتينات وكذلك تستمده من الأحماض العضوية والبوليولات والإيثانول الموجود في النظام الغذائي. بعض مكونات الدايت التي تحتوي على كمية قليلة من الطاقة الغذائية أو خالية منها مثل الماء والمعادن والفيتامينات والكوليسترول الألياف قد تكون ضرورة صحية لعدة أسباب. فالماء والمعادن والفيتامينات والكولسترول لا يمكن أن تتجزأ فالجسم يستخدمها بشكل يمكن امتصاصه ولا يمكن الكولسترول استخدامها كطاقة. لا يمكن هضم الألياف تماما من قبل الإنسان والحيوان ومع ذلك يمكن للحيوانات المجترة استخراج الطاقة الغذائية من خلال السيليلوز عن طريق التنفس بسبب البكتيريا المتواجدة في الكرش. وباستخدام النظام الدولي للوحدات، يقوم الباحثون بقياس الطاقة في جول أو بمضاعفتها وغالبا ما يستخدمون الكيلو جول للكميات المتعلقة بالأغذية. لا تزال تستخدم وحدة النظام المتري القديم للطاقة على نطاق واسع في السياقات المتعلقة بالسعرات الحرارية للغذاء وبشكل أوضح السعرات الحرارية الغذائية، السعرات الحرارية الكبيرة أو الكيلو كالوري والذي يعادل 4.184 كيلو جول. بدلا من السعرات الحرارية الصغيرة والتي تدعى بكال وتعادل 1\1000 في الغذاء وغالبا تستخدم في الكيمياء والفيزياء. وفي الاتحاد الأوروبي يظهر على البطاقة الغذائية كلا من الكيلو كالوري والكيلو جول. في العديد من المدن يقومون بعرض جزء واحد من الوحدات فمثلا الولايات المتحدة وكندا يسمونها بالسعرات الحرارية. فالدهون والإيثانول لهم النصيب الأكبر في الطاقة الغذائية على التوالي ولكل جرام 37 و 29 كيلوجرام و 8.8 و 6.9 كيلوجرام. تحتوي البروتينات والكربوهيدرات على حوالي 17 كيلوجرام (4 كيلوجرام). حيث أن هناك بعض الأطعمة التي تختلف كثافتها بشكل رئيسي عن غيرها مثل الدهون والكحول والكاربو هيدرات والبروتين إلا أن الكربون والهايدروجين وذرات الأكسجين تختلف عن ما سبق في الكثافة. وتتكون عناصر الأغذية من CcHhOoNn فإن حرارة الاحتراق الكامنة وراء الطاقة الغذائية هي 100 كيلوجرام أي (c + 0.3 h – 0.5 o)((12 c + h + 16 o +14 n وبالتقريب الجيد (±3%) والكربوهيدرات التي لا يمكن امتصاصها مثل الألياف واللاكتوز فالأشخاص الذين يعانون من اللاكتوز يتناولون كمية قليلة منها. وتساهم البوليولات (بما في ذلك كحول السكر) والأحماض العضوية بشكل متوالي على 10 كيلوجرام (2.4كيلوجرام) و 13 كيلوجرام أي (3.1 كيلوجرام). تحدد كمية الماء والدهون الألياف كثافة الطاقة الغذائية. نظريا، يمكن للمرء أن يقيس الطاقة الغذائية بطرق مختلفة باستخدام الطاقة المحترقة الحرة لجيبس أو استخدام كمية اتب الناتجة عن استقلاب الطعام. ومع ذلك، فان الاتفاقية تنص على استخدام الحرارة الناتجة عن الأكسدة المسؤولة عن إنتاج الماء. تستند الطاقة الغذائية التقليدية على درجة حرارة الاحتراق في قنبلة السعرات والتصحيحات التي تأخذ بعين الاعتبار ككفاءة الهضم والامتصاص وإنتاج البول. وفي أواخر قرن 19 عمل الكيميائي الأمريكي هذه التصحيحات التي تعتمد على عمل اتواتر، وأصبح من الشائع حساب محتوى طاقة الأغذية باستخدام 4 كالوري للكربوهيدرات و 9 كالوري للبروتينات. وقد طُوِّر النظام في وقت لاحق والذي استمد نظامه باقتراح عوامل تحويل السعرات الحرارية المحددة لمختلف الأغذية.

الطاقة الغذائية

تطلب العديد من الحكومات من مصانع الأغذية بطاقة أغذية تحتوي على مكونات المنتج وذلك لمساعدة المستهلكين على التحكم في استهلاكهم للطاقة الممتصة. وفي الاتحاد الأوروبي، يجب على مصانع الأغذية المعلبة أن يسموا كلاً من السعرات الحرارية والكيلو جول في البطاقة الغذائية. في الولايات المتحدة، هذه الملصقات الإجبارية لا تظهر إلا السعرات الحرارية وغالبا ما تكون بديل عن اسم المنتج الذي يُقَاسُ فالطاقة الغذائية هو رقم الكيلوجرام الذي نادراً ما يتم استخدامه. الطاقة الغذائية في أمريكا ونيوزلندا يجب ذكر الطاقة الغذائية بالكيلو جول واختيار السعرات الحرارية. كما يتم نقل الطاقة الغذائية بالكيلو جول. وعادة ما يتم إعطاء الطاقة المتاحة من الطعام على الملصقات 100 جرام لحجم خدمة نموذجية وفقا لشركة المصنعة أو محتويات الحزمة. ويمكن قياس كمية الطاقة الغذائية لنوع معين من الطعام عن طريق حرق الأغذية المجففة تماما بواسطة ما يسمى بقنبلة المسعر والمختصة بقياس السعرات الحرارية. على أي حال، لا يتم تحديد القيمة المعطاة للأغذية بهذه الطريقة. ويمكن قياس كمية الطاقة الغذائية لنوع معين من الطعام عن طريق حرق الأغذية المجففة تماما بواسطة ما يسمى بقنبلة المسعر والمختصة بقياس السعرات الحرارية. حيث، لا يتم تحديد القيمة المعطاة الأغذية بهذه الطريقة. والسبب وراء ذلك أن الكالوري المباشر يحرق الألياف أيضا ولذلك لا يسمح له بالخروج مع البراز، وبالتالي فان قياس السعرات الحرارية المباشرة تعطي مبالغة تقديرية لمقدار الطعام الداخل للدم من خلال الهضم. بدلاً من ذلك تستخدم الاختبارات الكيميائية الموحدة أو التحاليل المجدولة المرجعية للمكونات المشتركة لتقدير المواد المهضومة مثل (البروتينات والكربوهيدرات والدهون إلخ...). ومن ثم يتم تحويل هذه النتائج إلى قيمة طاقة مكافئة تعتمد على أساس جدول الطاقة القياسي لكثافة الطاقة. ومع ذلك فإن مصطلح كثافة الطاقة يفرض بأن طاقة الغذاء المحددة تعني ببساطة الغذاء ذو الطاقة العالية حيث يحتاج إلى الأكسجين بكثرة لكي ينقل الطاقة بشكل أكبر. ونلاحظ أن الجدول القياسي لكثافة الطاقة هو تقريب لها وبذلك قيمة الكيلوجرام لا يحول إلى كيلو جول باستخدام عامل التقريب. وقد انتقد استخدام هذا النظام البسيط ولم يؤخذ بعين الاعتبار لعوامل أخرى متعلقة بتأثير الأطعمة المختلفة على البدانة.

كالوري	كيلوجرام	العنصر الغذائي
9	37	الدهون
7	29	الإيثانول (شرب الكحول)
4	17	البروتين
4	17	الكاربوهيدرات
3	13	الأحماض العضوية
2,4	10	البوليولات (سكر الكحول والمحليات)
2	8	الألياف

جميع المواد الغذائية الأخرى في الغذاء هي من السعرات غير الحرارية، وبالتالي لا تحسب. الكمية اليومية الموصى بها يرتبط زيادة النشاط العقلي مع زيادة طاقة الدماغ المستهلكة، فكبار السن وذوي الحركة القليلة يبذلون طاقة أقل بينما الأطفال والأشخاص النشيطين يبذلون طاقة أكبر. وأما التوصيات في الولايات المتحدة فهي 2,600 و 2,000 سعرة حرارية، وبالنسبة للذكور والنساء (10,900 و 8,400) بين عمر 31 و 35 عاماً، وعلى مستوى النشاط البدني فالمشي يعادل حوالي 2 إلى 5 كم أي (1 1\2 إلى 3 ميل) خلال اليوم من 5 إلى 6 كم \ ساعة (3 إلى 4 ميل في الساعة) بالإضافة إلى النشاط البدني الخفيف المرتبط بالأيام القياسية في هذه الحياة، ومع توجيهات فرنسية تشير إلى نفس المستويات تقريبا، والاعتراف بأن مجموعة من الأشخاص من مختلف الأعمار والأجناس لديهم مستويات متفاوتة من النشاط اليومي. ويوصي المجلس الوطني للصحة والبحوث الطبية في إستراليا بالأخذ بالطاقة المناسبة لكل فئة عمرية وجنسية بدلاً من الحصول على طاقة يومية واحدة. ومع ذلك، فإن بطاقة التغذية الخاصة بالمنتجات الغذائية الأسترالية عادة توصي بالتوسط في استهلاك الطاقة اليومي للشخص البالغ 2,100 سعرة حرارية أي 8,8000 كيلوجول. وفقا لمنظمة الأغذية والزراعة في الولايات المتحدة الأمريكية فيبلغ متوسط الحد الأدنى لمتطلبات الطاقة للشخص الواحد في اليوم حوالي 7,500 كيلوجول (1,800 كيلوكالوري).

استخدامات الطاقة للجسم البشري

يستخدم الجسم البشري حوالي 20 ٪ من الطاقة المنبعثة من التنفس لعدة أغراض في عمليات التمثيل الغذائي في الدماغ ويستخدم الجزء الباقي للمتطلبات الأيضية القاعدية للأعضاء والأنسجة الأخرى. قد يزيد التمثيل الغذائي في البيئات الباردة لإنتاج الحرارة للحفاظ على درجة حرارة الجسم. ومن بين الاستخدامات المتنوعة للطاقة التي تساعد على الحفاظ على الوضع وإنتاج الحركة، هي إنتاج الطاقة الميكانيكية من قبل العضلات والهيكل العظمي. تعتمد كفاءة تحويل الطاقة من التنفس إلى الطاقة الميكانيكية (المادية) على نوع الطعام وعلى نوع استخدام الطاقة الفيزيائية على سبيل المثال ما هي العضلات المستخدمة، وما إذا كانت تستخدم هذه العضلات للتنفس أم لا. وبشكل عام، عندما يتم تحويل 18 إلى 26٪ فقط من الطاقة المتاحة من التنفس إلى طاقة ميكانيكية فإن كفاءة العضلات تنخفض نوعا ما. وهذه الكفاءة تنخفض حوالي 40٪ نتيجة توليد ATP لتنفس الطعام وخسائر تحويل الطاقة ATP في العمل الميكانيكي داخل العضلات وداخل الجسم. وتعتمد الخسارة الأخيرة على نوع التمرين ونوع الألياف العضلية المستخدمة التي تدعى (بالإنتفاض السريع أو البطيء). وللحصول على كفاءة عامة بنسبة 20 ٪ للواط الواحد من الطاقة الميكانيكية التي تعادل 4.3 ٪ للكيلوكالوري أي (18 كيلوجرام) في الساعة، على سبيل المثال: تظهر الشركة السعرات الحرارية المحروقة عند استخدام المعدات المصنعة لتجديف، وهي أربعة أضعاف العمل الميكانيكي الفعلي، بالإضافة إلى 300 سعرة حرارية أي (1300 كيلوجول) في الساعة. والكفاءة التي تصل حوالي 20 ٪ عند كل 250 واط من المخرجات الميكانيكية. ويمكن أن يستغرق ناتج النشاطات الجسدية مثل المشي إلى 20 ساعة ويحرق 4000 سعرة أي (17000) كيلوجرام، فالجسم سوف يستهلك أكثر من ذلك. ولكل كيلوغرام من الدهون في الجسم يعادل تقريبا حوالي 32.300 كيلوجول أو 7.700 لكل سعرة حرارية من الطاقة الغذائية أي (3.500) سعر حراري لكل رطل. وبالإضافة إلى ذلك، فإن نوعية السعرات الحرارية مهمة لأن معدل امتصاص الطاقة من الأطعمة المختلفة مع كميات متساوية من السعرات الحرارية قد تختلف. فبعض العناصر الغذائية لها أدوار تنظيمية تتأثر عند إرسال الخلايا، بالإضافة إلى توفير الطاقة الجسم وعلى سبيل المثال، ليوسين يلعب دورا هاما في تنظيم عملية التمثيل الغذائي للبروتين في كتم شهية الفرد. تختلف درجة حرارة الجسم – أما سخونة وبرودة - وزيادة معدل الأيض، وبالتالي يتم حرق المزيد من الطاقة، وعند التعرض للمزيد من البيئات الدافئة أو الباردة جدا فإن معدل الأيض القاعدي يزيد BMR , والأشخاص الذين يعيشون في هذه الأنواع من الأجواء غالبا ما يكون BMR لديه أعلى من الأشخاص الذين يعيشون في مناخات أخرى بمعدل 5 إلى 20 ٪ . يزيد النشاط البدني درجة حرارة الجسم بشكل كبير جدا، والذي بدوره يستخدم المزيد من الطاقة في التنفس.