Ermittlung des Energieumsatzes
Jeder Organismus hat je nach Nahrungsaufnahme und erbrachter Leistung einen bestimmten Energieumsatz. Dieser Energieumsatz kann gemessen und genau bestimmt werden. Dazu gibt es unterschiedliche Verfahren.
Stoffwechselrate
Den Energieverbrauch eines Lebewesens kann man messen. Der Gesamtenergieverbrauch in einer bestimmten Zeit wird als Stoffwechselrate bezeichnet. Sie wird in Joule (J) oder Kilojoule (kJ) angegeben. Früher verwendete man die Einheit Kalorie (cal) oder Kilokalorie (kcal). Stoffwechselraten können durch direkte Messung der abgegebenen Wärme oder indirekt durch Ermittlung des Sauerstoffverbrauchs bestimmt werden.
Bei der Kalorimetrie handelt es sich um Messungen von Wärmemengen, die beim Verbrennen von Nährstoffen im Kalorimeter frei werden. Man unterscheidet direkte und indirekte Kalorimetrie.
Direkte Kalorimetrie
Alle Energieformen, auch die chemische Energie der Nährstoffe, können in Wärme umgewandelt werden. Sie wird an die Umwelt abgegeben. Mit Kalorimetern kann diese Wärmemenge gemessen werden. Das erste Eiskalorimeter konstruierten ANTOINE LAURENT LAVOISIER (1743–1794) und PIERRE SIMON DE LAPLACE (1749–1827) im Jahr 1780. Damit wurde der Energieumsatz kleinerer Tiere gemessen.
Die moderneren Verbrennungskalorimeter werden in der Chemie bei der Bestimmung der physikalischen Brennwerte reiner Nährstoffe genutzt.
Dazu wird in der kalorimetrischen Bombe 1 g der zu untersuchenden Substanz durch elektrische Zündung verbrannt. Die gemessene Wärmemenge in Joule entspricht dem physikalischen Brennwert.
Unter den physiologischen Bedingungen der Zellatmung erhält man den physiologischen Brennwert. Bei Kohlenhydraten und Fetten entspricht der physiologische dem physikalischen Brennwert. Bei Proteinen ist er geringer, weil Proteine nicht nur zu CO2 und H2O abgebaut, sondern auch zu Harnstoff umgewandelt werden. Harnstoff enthält aber im Vergleich zu den vollständigen Oxidationsprodukten noch Energie.
| Vergleich physikalischer und physiologischer Brennwerte | |||
| Kohlenhydrate | Fette | Proteine | |
| physikalischer Brennwert | 17 | 39 | 24 |
| physiologischer Brennwert | 17 | 39 | 17 |
Indirekte Kalorimetrie (Respirometrie)
Da zwischen der Oxidation von Glucose und anderen Nährstoffen und dem Sauerstoffverbrauch eine direkte Beziehung besteht, kann man vom Sauerstoffverbrauch auf die Energiemenge schließen. Dazu muss man wissen, wie viel Energie bei 1 Liter verbrauchtem Sauerstoff und einem bestimmten Nährstoff freigesetzt wird.
Diese Energiemenge wird als kalorisches Äquivalent bezeichnet. Für die Oxidation von Glucose beträgt der Wert 21 kJ je Liter Sauerstoff. Bei reiner Kohlenhydraternährung ergibt sich die Energiemenge durch Multiplikation des Wertes mit der Menge des aufgenommenen Sauerstoffs.
Da die Nahrung aber aus einem Gemisch verschiedener Nährstoffe besteht, wird bei der Ermittlung der Energiemenge der respiratorische Quotient verwendet. Er ergibt sich aus dem Verhältnis von abgegebener CO2- zur aufgenommenen O2-Menge und beträgt bei Pflanzenfressern 1,0, bei Fleischfressern 0,75 und beim normal ernährten Menschen 0,9.
Grundumsatz und Leistungsumsatz
Die niedrigste Stoffwechselrate wird gemessen, wenn der Körper entspannt ist und sich in völliger Ruhe befindet, sodass nur die wichtigsten Lebensvorgänge wie Atmung, Herzschlag und Hirntätigkeit Energie beanspruchen. Diese Stoffwechselrate wird als Ruhestoffwechsel oder Grundumsatz bezeichnet. Der Wert ist für die medizinische Diagnose von Bedeutung. Beim erwachsenen Mann beträgt er etwa 4,2 kJ pro kg Körpergewicht und Stunde. Je nach Gewicht ergibt sich daraus der tägliche Verbrauch. Maximale Stoffwechselraten entstehen bei körperlichen Höchstleistungen, z. B. bei Leistungssportlern. Dieser Wert wird als Leistungsumsatz bezeichnet. Der maximal erreichbare Wert liegt beim Menschen etwa bei 30 000 kJ pro Tag. Damit ist die Aufnahmefähigkeit des Verdauungssystems erschöpft.
