Недавно мы разместили статью, как определять по составу (крепость, сахаристость, при наличии количество белков и жиров) калорийность алкогольных напитков. В основе расчета энергетическая ценность 1 грамма этилового (питьевого) спирта, равная 7 ккал. Отчего это значение именно такое, не больше и не меньше? Связано ли оно как-то с химической формулой спирта C2H5OH?
Почти вся пища человека может использоваться как топливо (хотя не всякое топливо может быть употреблено в пищу). Хорошо горят жиры, жидкие жиры можно использовать вместо дизельного топлива, на питьевом спирте хорошо работают двигатели внутреннего сгорания, некоторые углеводы (мука в виде воздушной взвеси) даже взрывоопасны, и в опытах неоднократно доказывалось, что при расщеплении углеводов и жиров в организме выделяется в точности количество энергии, получаемое от сжигания пищи в калориметрической бомбе. Главное – чтобы в организме нашелся специфичный для расщепления данной пищи фермент.
Значение калорийности этилового спирта среднее между значениями энергетической ценности углеводов (4 ккал/г) и жиров (9 ккал/г). Можно ли как-то обосновать эти цифры? Ниже покажем, что да. Углеводы, спирт и жиры состоят всего из 3 химических элементов – углерода (атомная масса 12), водорода (атомная масса 1) и кислорода (атомная масса 16).
Углерод и водород сами по себе – отличное топливо, а кислород необходим для горения. Отсюда интересный вывод – чем больше в макронутриенте кислорода, тем ниже его калорийность (кислород бесполезно занимает в молекуле питательного вещества место, в то время как его предостаточно во вдыхаемом воздухе).
В учебниках биохимии объясняется, что калорийность углеводов ниже калорийности жиров оттого, то часть углерода в молекуле углевода уже окислена присутствующим в молекуле кислородом, и оттого ждать от окисленной части углерода выхода энергии бесполезно. Как бы то ни было, на макронутриентах работает предложенная русским ученым-энциклопедистом Д.И. Менделеевым эмпирическая (определенная по опытным данным) формула теплотворной способности топлива, исходя из его элементного состава. Приведем формулу калорийности макронутриента (ккал/г) после удаления из нее членов по не интересным для нас в данном частном случае серы, азота и воды.
К = 8,1* [C]+30,0*[H]– 2,60*[O]
где [C], [H] и [O] – соответственно массовая доля углерода, водорода и кислорода.
Начнем с одного из классов углеводородов, называемых алканы, памятуя, что углеводороды точно не еда, а топливо. Простейший алкан – это газообразный метан CH4, каждый последующий член ряда замечателен тем, что к CH4 присоединяется структурный элемент CH2.
В метане массовая доля углерода 12/(12+4)=0,75; в пределе (начиная с пентана C5H12 алканы являются жидкостями) массовая доля углерода 12/(12+2)=0,857. Соответственно, массовая доля водорода изменяется от 0,25 до 0,143.
Калорийность метана К=8,1*0,75+30*0,25=13,6 (ккал/г), и в пределе снижается для алканов с большим числом атомов углерода К=8,1*0,857+30*0,143=11,2 (ккал/г).
Переходим к углеводам. Формула простых углеводов CH2O, взятое целое число раз (так, глюкоза и фруктоза C6H12O6), откуда доля углерода = 12/(12+2+16) = 0,400; доля водорода = 2/30 = 0,0667; и доля кислорода = 16/30 = 0,533.
Отсюда калорийность простых углеводов К=8,1*0,400+30,0*0,0667–2,60*0,533 = 3,85 (ккал/г).
У крахмалов с общей формулой C6H10O5, взятое целое число раз, иное соотношение элементов (расчеты опущены): углерода 0,444; водорода 0,0617 и кислорода 0,494, откуда К=4,17 ккал/г. Оба значения достаточно близки к общепринятому значению калорийности углеводов 4 ккал/г. Считается, что формула Менделеева дает точность (для топлива) порядка 10%.
Переходим к жирам. Нас интересуют в первую очередь триглицериды, составляющие до 95-96% пищевых масел и жиров. В состав большинства природных масел и жиров входят стеариновая и пальмитиновая жирные кислоты, и широко распространена олеиновая жирная кислота. Наугад возьмем достаточно типичный жир тристеарин (составная часть сала твердых сортов), составленный из остатка молекулы глицерина и 3 остатков молекул стеариновой кислоты.
В молекуле тристеарина 57 атомов углерода, 110 атомов водорода и всего 6 атомов кислорода, что уже наталкивает на мысль о высокой калорийности данного жира. Доля углерода 0,768; водорода 0,124; и кислорода 0,108; откуда К=9,65 ккал/г.
Удовлетворительное совпадение вычисленных по эмпирической формуле Менделеева значений с полученными опытным путем позволяет надеяться, что таким путем можно вычислить и энергетическую ценность питьевого спирта. Формула этанола C2H5OH, доля углерода 0,522; водорода 0,130; и кислорода 0,348, откуда К=7,23 ккал/г.
Итак, формула Менделеева работает не только на несъедобных углеводородах, оценивая их теплотворную способность, но и на углеводах, жирах и алкоголе, оценивая их энергетическую ценность как «топлива» для организма, при условии их аэробного (с достаточным количеством кислорода) расщепления до усваиваемых компонентов.
Теперь можно дать ответ на вопрос, вынесенный в заголовок статьи. Наиболее высокое содержание кислорода в углеводах, и у них самая низкая калорийность, наиболее низкое содержание в жирах, и их калорийность приближается к предельной. В этаноле содержание кислорода среднее между содержанием в жирах и углеводах, соответственно отсюда вытекает и его средняя калорийность 7 ккал/г.
Поскольку углеводороды, т.е. бензин, нефть, мазут и пр., являются носителями энергии без кислорода, их калорийность, если бы они усваивались человеческим организмом, была бы наивысшей. Углеводороды человеком не усваиваются, в процессе эволюции его предшественники не выработали на углеводороды соответствующих ферментов (как и на клетчатку, которая, что ни говори, все-таки углевод).
Жидкие углеводороды вряд ли закрепились бы у животных в качестве резервного источника энергии, поскольку их пришлось бы хранить в специальном резервуаре, повреждение которого при незначительном ранении приводило бы к смерти, а подкожная клетчатка из твердого жира (сала) сберегает запасы тепла и предохраняет от повреждения внутренние органы при незначительных ранениях. Существуют и твердые углеводороды, наподобие пчелиного воска, но эволюция как-то обошла этот путь.
Впрочем, существуют бактерии, питающиеся нефтью, но когда их пытались использовать для очистки океана от разлившейся нефти, они вышли из-под контроля и принялись поглощать белок, убивая рыб и птиц. Что можно понять – зачем расщеплять углеводороды, превращая их затем в белок для построения своих органелл, когда белка предостаточно в окружающей среде. Уфологи считают, что эти бактерии - не продукт земной эволюции, а заброшенные пришельцами с планеты Нибуру вредоносные создания, до поры до времени скрывающиеся под океанской толщей на дне Марианской впадины.
