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Energiegehalt der Nahrung

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Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße bestehen aus organischen Bausteinen:

  • Kohlenhydrate: Glucose / Fructose
  • Fette: Glycerin / Fettsäuren
  • Eiweiße: Aminosäuren

Bei der Verdauung im Magen und vor allem im Dünndarm werden die drei Nährstoffe in ihre Bausteine zerlegt. Stärke wird dann in Glucose zerlegt, Fette in Glycerin und Fettsäuren und die Eiweiße in Aminosäuren. Diese Bausteine sind klein genug, damit sie resorbiert werden können. Bei dieser Resorption gelangen die kleinen Bausteine in die Blutbahn und von dort aus in die Zielzellen. In den Zielzellen werden die meisten dieser Bausteine dann weiter abgebaut, nämlich zu Kohlendioxid und Wasser.

Glucose-Moleküle beispielsweise durchlaufen drei wichtige Stationen bei diesem Abbau:

Zunächst werden die Glucose-Moleküle in der Glycolyse in zwei kleinere Moleküle zerlegt, die aus je drei C-Atomen sowie ein paar H- und O-Atomen bestehen.

Dann werden diese C3-Körper im Zitronensäurezyklus (Citratzyklus) in Kohlendioxid und Wasserstoff zerlegt. Das Kohlendioxid gelangt in das Blut, von dort in die Lungen und wird schließlich ausgeatmen. Der Wasserstoff wird an bestimmte Transport-Moleküle gebunden und gelangt dann in die Mitochondrien, die Kraftwerke der Zelle.

Hier startet die dritte Phase. Der chemisch gebundene Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff, den wir eingeatmet haben. Der Sauerstoff gelangt in die Lungen, und in den Lungenbläschen tritt er in das Blut über. Mit Hilfe von Hämoglobin, einem Transport-Molekül, wird er zu den Zielzellen transportiert und gelangt dort in die Mitochondrien. Dort reagiert der Sauerstoff mit dem oben Wasserstoff, der noch an Transport-Moleküle gebunden ist. Es entsteht Wasser. Dieses Wasser atmen wir dann wieder aus, man merkt das beispielsweise wenn die Brille wieder einmal beschlägt, weil man durch die Schutzmaske ausatmet.

Der Unsinn von der gespeicherten Energie

Oft liest man im Internet oder auch in der Literatur, dass die organischen Moleküle wie Glucose in ihren Bindungen jede Menge Energie speichern, die dann bei der Atmung (= Glycolyse + Citratzyklus + Atmungskette) frei gesetzt wird.

Chemisch betrachtet ist das nicht ganz korrekt. Richtig ist, dass zwischen den Kohlenstoff-Atomen, den Wasserstoff-Atomen und den Sauerstoff-Atomen der organischen Verbindungen starke chemische Bindungen bestehen, sogenannte Elektronenpaarbindungen. Allerdings muss man Energie aufwenden, um solche Bindungen zu sprengen. Es wird keine Energie frei, wenn ich die Bindung zwischen zwei C-Atomen in einem Glucose-Moleküle auflöse, sondern im Gegenteil, ich muss einen hohen Energiebetrag aufwenden.

Wieso wird dann aber bei der Oxidation von Glucose viel Energie freigesetzt? Betrachten wir dazu einmal die einfache Reaktionsgleichung

$C_{6}H_{12}O_{6} + 6 \ O_{2} \to 6 \ CO_{2} + 6 \ H_{2}O \ \ \ \Delta H=-2822 kJ/mol$

Bei der Oxidation von 1 mol Glucose (das sind ca. 180 Gramm) wird also die enorme Summe von 2.822 kJ an Energie freigesetzt. Dividiert man diese Summe durch 180, so erhält man 15,7 kJ/g.

Nun steckt diese Energie allerdings nicht in den Bindungen des Glucose-Moleküls, sondern entsteht, wenn sich die Verbindungen Wasser und Kohlendioxid bilden.

Bei der "Sprengung" einer chemischen Bindung muss ein Energiebetrag aufgewandt werden, die sogenannte Bindungsdissoziationsenergie. Wenn sich dagegen eine neue chemische Bindung bildet, so wird diese Energie freigesetzt.

Betrachten wir mal eine normale C-C-Einfachbindung. Um eine solche Bindung zu "sprengen", ist ein Energiebetrag von ca. 350 kJ/mol erforderlich. Eine C-H-Bindung ist etwas stabiler, sie zu lösen kostet ca. 410 kJ/mol.

Schauen wir nun, welcher Energiebetrag freigesetzt wird, wenn sich C=O-Doppelbindungen bilden, wenn also CO2-Moleküle entstehen: 745 kJ/mol. Und wenn sich Wasser-Moleküle bilden, werden für die O-H-Bindungen ca. 460 kJ/mol freigesetzt.

Bei der Bildung von 6 H2O und 6 CO2 wird also viel mehr Energie freigesetzt, als für die "Sprengung" der Bindungen des Glucose-Moleküls erforderlich ist. Daher wird bei der Glucose-Oxidation insgesamt sehr viel Energie freigesetzt. Nicht weil die Bindungen des Glucose-Moleküls viel Energie "enthalten", sondern weil bei der Bildung von Wasser und Kohlendioxid viel Energie freigesetzt wird.

Energiegehalt

Unter dem "Energiegehalt" oder "Brennwert" eines Nährstoffes versteht man also die Reaktionenthalpie, die bei der Verbrennung dieses Nährstoffs zu Kohlendioxid und Wasser freigesetzt wird.

Diesen Energiegehalt misst man in Joule bzw. dem Tausendfachen davon, in Kilojoule, abgekürzt kJ. Die Definition des Begriffs "Joule" ist reichlich physikalisch und nicht ganz leicht zu verstehen; besser ist hier die Definition der schon lange veralteten aber immer noch oft benutzten Energieeinheit Kalorie cal bzw. Kilokalorie kcal.

1 Kilokalorieist die Energiemenge, die man benötigt, um 1 Liter bzw. 1 kg Wasser von 14,5 ºC auf 15,5 ºC zu erwärmen.

Diese Definition ist recht leicht zu verstehen, zumal sie auch die Grundlage der Energiemessung von Nährstoffen und anderen chemischen Verbindungen ist.

Die Temperaturangabe "von 14,5 ºC auf 15,5 ºC" ist wichtig, weil "sich die zur Erwärmung von je 1 g Wasser nötigen Wärmemengen bei höheren oder niedrigeren Temperaturen etwas ändern" (Römpp Chemie Lexikon, Stichwort "Kalorie").

Was man sich dann noch merken muss, ist die folgende kurze Definition:

1 kcal = 4,184 kJ

Für das tägliche Leben reicht es auch aus, wenn man sich den Faktor 4,2 merkt, 1 kcal = 4,2 kJ.

Kalorimeter

Wie misst man nun den Energiegehalt eines Lebensmittels? In ein Gerät, das den leicht zu merkenden Namen Kalorimeter trägt, gibt man eine genau abgewogene Menge des Nährstoffs, zum Beispiel 0,1 g Glucose. In einer komplett von Wasser umgebenen Kammer wird dieser Nährstoff dann verbrannt. Damit das leichter geht, ist diese Kammer mit reinem Sauerstoff gefüllt. Ein einziger Funke der elektrischen Zündung reicht, und der Nährstoff brennt. Die bei dieser vollständigen Verbrennung freigesetzte Reaktionsenergie wird in das umgebende Wasser geleitet. Und dann macht man sich die Definition der Kalorie zunutze. Man misst genau, wie stark sich das Wasser durch diese Verbrennung erwärmt. Wie diese Berechnung genau funktioniert, muss uns hier nicht weiter interessieren. Das Grundprinzip sollte jetzt jedoch klar geworden sein.

Ein Bombenkalorimeter, Schemazeichnung aus der Wikipedia

Einfache Skizze eines Bombenkalorimeters.
Eine public-domain-Zeichnung des Users Lanzi. Aus dem Wikipedia-Artikel Bombenkalorimeter.

 

Physikalische Brennwerte

Wenn man 1 g Kohlenhydrat in einem solchen Kalorimeter verbrennt, kann man eine Energieabgabe von genau 17,2 kJ messen. Bei 1 g Eiweiß (Protein) erhält man 23,4 kJ, und bei 1 g Fett sogar 38,9 kJ. Fett ist von den drei Nährstoffen also der energiereichste.

Physikalischer Brennwert = die Energiemenge, die bei der Verbrennung von 1 g der Verbindung freigesetzt wird.

Bei diesen Werten handelt es sich natürlich um Durchschnittswerte, die in vielen Hundert Einzelversuchen ermittelt worden sind. Die Brennwerte der verschiedenen Kohlenhydrate unterscheiden sich leicht voneinander, ebenso die Brennwerte der verschiedenen Eiweiße und Fette. Alkohol hat ebenfalls einen nicht zu vernachlässigenden Brennwert, nämlich 29,0 kJ/g.

Physiologische Brennwerte

In den Nährwerttabellen, in denen man so gerne nachschaut, ob man sich das Stück Torte noch leisten kann, sind ebenfalls Brennwerte für die Lebensmittel angegeben. Allerdings findet man hier nicht die physikalischen Brennwerte, sondern die physiologischen Brennwerte. Die physiologischen Brennwerte sind stets geringer als die physikalischen, weil bei der Verwertung der aufgenommenen Nahrung immer Verluste entstehen, teils durch die Kotbildung, teils durch die Harnbildung, teils durch die Entstehung von Wärme bei der Verdauung. Einzelheiten hierzu siehe "Stufen der Energieverwertung".

Bei Kohlenhydraten und Fetten entsprechen die physiologischen Brennwerte ungefähr den physikalischen. Die Zellen unserers Körpers verbrennen Kohlenhydrate und Fette nahezu vollständig zu Kohlendioxid und Wasser - ähnlich wie bei der Verbrennung in einem Kalorimeter.

Bei den Proteinen sieht es aber etwas anderes aus. Proteine werden nicht zu 100% zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt, sondern bei der Oxidation der Proteine entstehen auch andere organische Verbindungen, die selbst noch einen gewissen Brennwert haben. Schuld daran ist vor allem der Stickstoff, der in den Aminosäuren der Proteine enthalten ist; Stickstoff kann nicht so leicht oxidiert werden.

Der physiologische Brennwert von Proteinen ist also geringer als der physikalische Brennwert. Im Kalorimeter werden Proteine zu 100% verbrannt, im menschlichen Körper aber nicht. Der physiologische Brennwert von Proteinen liegt daher bei 17 kJ/g, also ungefähr in der Größenordnung der Kohlenhydrate.

Physiologische Brennwerte
  • Kohlenhydrate: 17,2 kJ/g
  • Proteine: 17,2 kJ/g
  • Fette: 37 kJ/g

Diese Werte sollte man am besten auswendig lernen, sie werden bei der Analyse von Lebensmitteln und Tagesplänen immer wieder benötigt.

Bei dem Brennwert von Fetten muss man etwas aufpassen. In einigen Büchern wird der Brennwert von Fetten mit 38,9 kJ/g angegeben. Das ist aber anscheinend der physikalische Brennwert. Der physiologische Brennwert von Fetten liegt laut Schlieper bei 37,0 kJ/g. Demnach werden auch die Fette nicht zu 100% in unserem Körper verwertet.

Die Hölle des Gummibären

Den Brennwert von Lebensmitteln kann man sehr schön mit dem eindrucksvollen Versuch "Die Hölle des Gummibären" demonstrieren, von dem es auf YouTube jede Menge Videos gibt. Besonders gut gefallen hat mir dieses Video.

Zum Versuch: Ein schwer schmelzbares Reagenzglas wird mit Kaliumchlorat gefüllt (ca. 2 cm hoch), welches dann mit dem Brenner zum Schmelzen gebracht wird (Abzug, Schutzscheibe, kann sehr gefährlich sein!). Ist das Kaliumchlorat flüssig, wird ein Gummibärchen in das Reagenzglas gegeben.

Nach einer kurzen Verzögerung von vielleicht 1 Sekunde beginnt eine sehr heftige chemische Reaktion (siehe Video), bei der extrem viel Verbrennungswärme abgegeben wird.