храна

Цели на обучението

Разберете връзката между термохимията и храненето.

Термохимичните количества, които най-често ще срещнете, са калоричните стойности на храните. Храната доставя суровините, необходими на тялото ви, за да замести клетките и енергията, която ги поддържа да работят. Около 80% от тази енергия се отделя като топлина, за да поддържа температурата на тялото ви на устойчиво ниво, за да ви поддържа живи. Хранителните калории (с главна буква C), които виждате на етикетите на храните, са равни на 1 kcal (килокалория). Калоричното съдържание на храната се определя от енталпията на горене (ΔH гребен) на грам, измерено в бомбен калориметър, като се използва общата реакция

[храна + излишък; O_ (g) правоъгълник CO_ (g) + H_ O (l) + N_ (g) етикет]

Съществуват обаче две важни разлики между отчетените калорични стойности за храни и гребена ΔH на същите храни, изгорени в калориметър. Първо, гребенът Δ H, описан в джаули (или килоджаули), е отрицателен за всички вещества, които могат да изгорят. За разлика от това, съдържанието на калории в храната винаги се изразява като положително число, тъй като се съхранява енергия. Следователно,

[калоричен; съдържание = - Delta H_ етикет]

Второ, когато храната се изгаря в калориметър, всеки съдържащ се в нея азот (главно от протеин, който е богат на азот) се трансформира в N 2. Въпреки това в организма азотът от храната се превръща в урея [(H 2 N) 2 C = O], а не в N 2, преди да се екскретира. Гребенът ΔH на карбамид, измерен чрез бомбо калориметрия, 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 ΔH гребен на карбамид, умножен по броя на бенките карбамид, които се образуват, когато храната се разваля. Тази точка е илюстрирана схематично в следните уравнения:

[храна + излишък; O_ ляво (g дясно) xrightarrow [] < Delta H_ H son ​​negativos y, según la ley de Hess, Δ H 3 = Δ H 1 + Δ H 2 . La magnitud de Δ H 1 debe ser menor que Δ H 3, el Δ medido calorimétricamente [ 19459014] peine para un alimento. Al producir urea en lugar de N 2, por lo tanto, los humanos están excretando parte de la energía que se almacenaba en sus alimentos.

Поради различния си химичен състав, хранителните продукти се различават значително по съдържание на калории. Както видяхме по-рано, например, мастна киселина като палмитиновата 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 (приблизително 9 Cal/g) и 17 kJ/g (приблизително 4 Cal/g) за мазнини и въглехидрати, съответно, 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 амин и карбоксилна киселина, аминокиселините могат да съдържат широк спектър от други функционални групи: R може да бъде водород (–Н); алкилова група (например, -СН3); арилова група (например -CH2C6H5); или заместена алкилова група, съдържаща амин, алкохол или карбоксилна киселина (Фигура (PageIndex)). От 20-те естествени аминокиселини, 10 са необходими в човешката диета; Тези 10 се наричат ​​незаменими аминокиселини, защото телата ни не могат да ги синтезират от други съединения. Тъй като R може да бъде всяка от няколко различни групи, всяка аминокиселина има различен ΔH гребен. Обикновено се изчислява, че протеините имат средна ΔH гребен от 17 kJ/g (приблизително 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 съдържащият азот продукт е урея, а не N 2, така че биологичното окисление на аланин ще доведе до по-малко енергия от изгарянето. Стойността на гребена ΔH за аланин е -1577 kJ/mol.

Зарове: аминокиселина и ΔH гребен на мол

Попитан от: калорично съдържание на грам

Напишете балансирани химични уравнения за окисляване на аланин до CO 2, H 2 O 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.

Използвайте закона на Хес, за да получите израз за ΔH за окисляването на аланин до карбамид по отношение на гребена ΔH на аланин и карбамид. Заместете подходящите стойности на гребена ΔH в уравнението и разтворете ΔH за окисляването на аланин до CO 2, H 2 O и урея.

Изчислете количеството освободена енергия на грам, като стойността на ΔH се раздели на моларната маса на аланина.

Действителната биологично достъпна енергия на аланина е по-малка от гребена ΔH поради производството на урея вместо N 2. Знаем стойностите на ΔH гребен за аланин и урея, така че можем да използваме закона на Хес, за да изчислим ΔH за окисляването на аланин до CO 2, H 2 O и урея.

ДА СЕ Започваме с написването на балансирани химични уравнения за (1) окисление на аланин до CO 2, H 2 O и урея; (2) изгаряне на урея; и (3) изгарянето на аланин. Тъй като аланинът съдържа само един азотен атом, докато уреята и N 2 съдържат по два азотни атома, е по-лесно да се балансират уравнения 1 и 3, ако ги напишем за окисляването на 2 мола аланин: [19459016]

[вляво (1 вдясно); 2C_ H_ NO_ вляво (вдясно) + 6O_ вляво (g вдясно) право 5CO_ вляво (g вдясно) + 5H_ O вляво (l вдясно) + вляво (H_ N вдясно) _ C = O вляво (s вдясно)]

[вляво (2 вдясно); вляво (H_ N вдясно) _ C = O вляво (s вдясно) + dfrac O_ вляво (g вдясно) дясна стрелка CO_ вляво (g вдясно) + 2H_ O вляво (l вдясно) + N_ вляво (g вдясно)]

[вляво (3 вдясно); ляво (1 дясно); 2C_ H_ NO_ вляво (вдясно) + dfrac O_ вляво (g вдясно) дясна стрелка 6CO_ вляво (g вдясно) + 7H_ O вляво (l вдясно) + N_ вляво (g вдясно)]

Като добавите уравнения 1 и 2 и отмените уреята от двете страни, получавате директно общото химично уравнение:

[вляво (1 вдясно); 2C_ H_ NO_ вляво (s вдясно) + 6O_ вляво (g вдясно) дясна стрелка 5CO_ вляво (g вдясно) + 5H_ O вляво (l вдясно) + отмяна < left (H_ N right) _ C = O left (s right)> ]

[отмяна < left (2 right); left (H_ N right) _ C = O left (s right)> + dfrac O_ ляво (g дясно) дясна стрелка CO_ < 2>ляво (g дясно) + 2H_ O ляво (l дясно) + N_ ляво (g дясно)]

[вляво (3 вдясно); ляво (1 дясно); 2C_ H_ NO_ вляво (вдясно) + dfrac O_ вляво (g вдясно) дясна стрелка 6CO_ вляво (g вдясно) + 7H_ O вляво (l вдясно) + N_ вляво (g вдясно)]

Б. По закона на Хес, Δ H 3 = Δ H 1 + Δ H 2. Знаем, че Δ H 3 = 2Δ H гребен (аланин), Δ H 2 = Δ H гребен (урея) и Δ H 1 = 2Δ H (аланин → урея). Пренареждане и заместване на съответните стойности дава

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

По този начин Δ H (аланин → урея) = -2522 kJ/(2 mol аланин) = -1261 kJ/mol аланин. Следователно окисляването на аланин до урея вместо азот води до намаляване с приблизително 20% 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, отделена на грам от окисляването на валин (аминокиселина) до CO 2, H 2 O и урея. Отчетете отговора си на три значими цифри. Стойността на ΔH гребен за валин е -2922 kJ/mol.

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

Съобщеното съдържание на калории в храните не включва ΔH гребен за тези компоненти, които не се усвояват, като фибри. Също така месото и плодовете са 50% -70% вода, която не може да се окисли от O 2 за енергия. Така 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 до 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 калоричността на храните.