Feb 25, 2019

Woher kommen die Kalorien in Lebensmitteln?

Die meisten Lebensmittelverpackungen enthalten eine Aufschlüsslung der Nährwerte mit Anteilen an Kohlenhydraten, darunter Zucker, Fett, darunter gesättigte Fettsäuren, Eiweiß und Salz. Eine weitere Angabe ist der Brennwert, der in diesen Lebensmitteln steckt, ausgedrückt in Kilojoule oder Kilokalorien. Die einzelnen Anteile nach Masse aufgelistet scheinen schon ihren Sinn zu ergeben. Oftmals ist für die verschiedenen Nahrungsbestandteile folgende Auflistung für den Brennwert zu finden:

  • 1 g Eiweiß: 4,1 kcal/17 kJ
  • 1 g Kohlenhydrat: 4,1 kcal/17 kJ
  • 1 g Fett: 9,3 kcal/39 kJ

Auch diese Werte müssen irgendwie ihren Ursprung haben. Über die Messmethode möchte ich ein wenig erzählen, weil ich sie selbst schon in einem meiner Pratika durchgeführt habe. Im Praktikum im Bereich der physikalischen Chemie gab es einen Versuch zur Kalorimetrie, mit der die Verbrennungsenergie von bestimmten Stoffen gestellt werden kann.
Das heißt, dass nicht nur Nahrungsmittel, sondern sämtliche (festen) Stoffe können auf ihren Brennwert untersucht werden. Ein limitierender Faktor für die Wahl der Stoffe ist schlicht die Anordnung. Das Messgerät ist nämlich ein sogenanntes Bombenkalormimeter.

Der grobe Aufbau eines Kalorimeters besteht aus einer sogenannten Bombe als Ort, an den die Probe hinein gegeben wird, einem Wasserbad, um dort einen Temperaturanstieg und daraus folgenden eine Verbrennungsärme zu messen. Daneben ist es wichtig, dass das Kalorimeter adiabatisch ist, also nicht mit der Umgebung Wärme austauscht. Das Experiment wäre schließlich ziemlich fehlerbehaftet, wenn die Umgebung mit ihrer Wärme einen Einfluss hätte, schließlich soll ja eine Wärme gemessen werden. Wenn die äußere Umgebung des Labors einen Einfluss hätte, dann wären die Ergebnisse kaum nutzbar.
Das Wasserbad und das Behältnis mit der Probe stehen in einem Gleichgewicht bei einer Temperatur von 20-25 °C. Die Probe wird in einem Behältnis mit Baumwollfaden und 25 bar Sauerstoff vorbereitet, bevor sie gezündet wird.
Durch diese Zündung erfolgt eine Reaktion bis hin zu den Produkten CO\(_2\) und H\(_2\)O, also soweit wie möglich. Bevor allerdings Realproben vermessen werden, ist eine Kalibrierung notwendig. In meinem Fall handelt es sich Benzoesäure bei der Kalibriersubstanz. Benzoesäurepulver wird zu einer Tablette gepresst und hat eine bekannte Masse. Daraufhin wird eine Reaktion in Gang gesetzt und im zeitlichen Verlauf kann die Temperatur beobachtet werden.

Kalibrierung des Kalorimeters mit Benzoesäure

Es ist ein ziemlicher Temperaturanstieg zu sehen im Vergleich zur Starttemperatur und genau diese Temperatur ist wichtig, um die resultierende Verbrennungswärme zu berechnen. Zudem wird daraus eine sogenannte Kalorimeterkonstante berechnet, um im weiteren Verlauf die Realproben entsprechend berechnen zu können.

Für die Realprobe ist eine Nudel sowie eine Paraffintablette verwendet worden, etwa 1 g. Es ist gar nicht so einfach, ein Gramm einer Nudel abzuwiegen und das mit einem Baumwollfaden festzubinden. Grob gesagt ist das das Vorgehen, um den Brennwert zu ermitteln.

Aus dieser Methode der Ermittlung ergibt sich allerdings ein Problem. Eine vollständige Reaktion mit Sauerstoff ist nicht das, was im menschlichen Körper passiert. Es erfolgt im Körper zwar eine Oxidation, weil das sehr vereinfacht gesagt der menschliche Energiegewinnungsprozess ist, aber das Ergebnis ist nicht Kohlendioxid mit Wasser. Zudem enthalten bestimmte Lebensmittel mehr oder weniger große Mengen an Ballaststoffen, die natürlich im Experiment auch mit Sauerstoff reagieren. Es existiert der Begriff des physiologischen Brennwerts, der die geschätzten Teile abgezogen hat, die der menschliche Körper nicht verwerten kann. Allerdings sind auch die Angaben über die Energie in Form von Nahrung, die ein Mensch zu sich nehmen sollte, auch auf den Brennwert im Allgemeinen bezogen. Insofern ist der Aspekt der Schätzung, der im Bereich des physiologischen Brennwerts zum Tragen kommt, in diesem Sinne kaum relevant für die täglich notwendige Zufuhr von Nahrung.