La caloria, sebbene definita specificamente come 4,184 joule (J) nella sua variante termochimica (calth), rappresenta un concetto più ampio con diverse varianti, tra cui la caloria a 4°C (cal4) e la caloria a 15°C (cal15). Ciascuna di queste varianti indica l’energia necessaria per aumentare la temperatura di un campione specifico d’acqua in condizioni ben definite. Tuttavia, la base scientifica della caloria trascende queste specifiche variazioni e si fonda sulla relazione fondamentale tra calore, temperatura e acqua. È fondamentale notare che il mondo scientifico adotta il Joule (J) come unità ufficiale di energia all'interno del Sistema Internazionale di Unità (SI).
Basandoci sulla definizione stabilita della caloria come unità di energia termica, possiamo esplorare come gli scienziati misurano con precisione il flusso di calore e il contenuto calorico di vari materiali.
Come Funziona un Calorimetro
Un calorimetro è progettato come una camera isolata e controllata con precisione, all’interno della quale viene posta una reazione chimica o un campione alimentare. Il calorimetro monitora meticolosamente lo scambio di calore tra il campione e l’ambiente circostante.
Esistono due tipi principali di calorimetri:
- Calorimetri a Bomba: Costruiti per resistere a pressioni elevate, sono ideali per misurare il contenuto energetico di combustibili e campioni alimentari. Il processo di combustione avviene in sicurezza, permettendo la cattura di tutto il calore rilasciato.
- Calorimetri Semplici: Utilizzati nei laboratori studenteschi, misurano il cambiamento di temperatura dell’acqua che circonda un recipiente di reazione.
È importante riconoscere che anche questi strumenti ingegnosi hanno i loro limiti. Ad esempio, la perdita di calore verso l’ambiente può introdurre lievi inesattezze nel conteggio finale delle calorie. Inoltre, alcune reazioni comportano cambiamenti di energia che vanno oltre il calore, includendo fenomeni come la luce o il lavoro elettrico.
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In fisica e chimica, la caloria agisce come una regola invisibile per misurare il flusso di energia in innumerevoli processi. Dal calore sprigionato durante una reazione chimica alla capacità calorifica specifica che determina il cambiamento di temperatura di un materiale, le calorie offrono un linguaggio quantitativo per lo scambio di energia.
Questo concetto va oltre i laboratori e gioca un ruolo cruciale in campi come la climatizzazione, dove l’obiettivo è creare ambienti confortevoli ed energeticamente efficienti.
L'Importanza della Caloria nella Nutrizione
Forse l’applicazione più comprensibile della caloria risiede nella nutrizione, dove diventa uno strumento cruciale per comprendere il contenuto energetico degli alimenti e consente agli individui di prendere decisioni dietetiche informate. Quantificando le calorie in diversi alimenti, i nutrizionisti possono progettare piani personalizzati che promuovano una salute ottimale.
A livello cellulare, la valuta energetica del metabolismo è una molecola chiamata adenosina trifosfato (ATP). I nostri corpi richiedono un apporto energetico minimo per mantenere la temperatura di base, respirare e far funzionare gli organi essenziali. Questo fabbisogno calorico minimo si chiama Tasso Metabolico Basale (BMR). Fattori come l’età, il sesso, la massa muscolare e la genetica influenzano il BMR.
Il metodo più accurato per misurare l'energia contenuta nei vari alimenti è quello di bruciarli all'interno di uno strumento chiamato bomba calorimetrica. (alimento) all'interno di una camera satura di ossigeno. calore sviluppato viene ceduto all'acqua circostante. alimento si esprime in Kilojoule (Kj).
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Approfondimento: che senso ha utilizzare una bomba calorimetrica per valutare l'energia degli alimenti, dato che l'organismo umano non brucia i nutrienti con fiamma? dieta. Normalmente viene assorbito il 95% dei grassi introdotti con la dieta.
Calcolo delle Calorie: Esempio Pratico
Per il calcolo delle calorie non ci resta che moltiplicare i valori della tabella per ogni grammo dei macronutrienti presenti nell'alimento, ecco un esempio:È importante precisare che i valori indicati nella tabella siano frutto di uno studio condotto dal chimico Wilbur Olin Atwater, che misurò (correva l'anno 1896) per la prima volta l'energia liberata dagli alimenti all'interno dell'organismo; il risultato evidenziò come l'organismo riesca ad assorbire il 97% dei carboidrati, il 95% dei grassi ed il 97% delle proteine animali (78% per le proteine vegetali, variazione dovuta al diverso contenuto profilo aminoacidico) assunte attraverso la dieta.
Un esempio: Un brownie proteico contiene 23 grammi di proteine, 9.7 grammi di grassi e 27 grammi di carboidrati.
- Moltiplichiamo i 23 grammi di proteine per 4 Kcal/g (come da tabella sopra), il risultato è di 92 Kcal fornite dalle proteine.
- Moltiplichiamo ora i 9.7 grammi di grassi per 9 Kcal/g, il risultato è di 87,3 Kcal fornite dai grassi.
- Moltiplichiamo adesso i 27 grammi di carboidrati per 4 Kcal/g, il risultato è di 108 Kcal fornite dai carboidrati.
- Sommiamo infine i tre risultati: 92 più 87.3 più 108, il risultato è di 287,3 Kcal totali.
Attraverso questo metodo è inoltre possibile valutare (anche ad occhio) se un alimento sia ben bilanciato nel valore calorico dei macronutrienti, nel caso del brownie proteico il risultato è più che positivo con un rapporto di quasi 1:1:1.
Tabella dei Valori Calorici dei Macronutrienti
| Macronutriente | Kcal per Grammo |
|---|---|
| Proteine | 4 Kcal/g |
| Grassi | 9 Kcal/g |
| Carboidrati | 4 Kcal/g |
Qualche considerazione: I valori della tabella sopra (pur essendo precisi ed affidabili) rappresentano un valore medio e sono quindi soggetti ad alcune variazioni (fino al 10%) causate da uno o più fattori, ecco qualche caso particolare:
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- Le calorie sviluppate da grassi (di origine suina) sono circa 9.5 Kcal/g, quelle sviluppate da grassi vegetali sono invece 9.3 Kcal/g.
- Le calorie sviluppate da grassi (provenienti dal latte materno umano) sono circa 9.37 Kcal/g, quelle sviluppate da grassi (provenienti dal latte bovino) sono invece 9.19 Kcal/g.
- Le calorie sviluppate da carboidrati (monosaccaridi, ad esempio il fruttosio) sono 3.75 Kcal/g mentre quelle sviluppate da carboidrati (polisaccaridi, ad esempio l'amido) sono 4.20 Kcal/g.
È evidente come la composizione di ogni alimento possa variare nel contenuto dei macronutrienti (ad esempio una mela può essere matura o un filetto di manzo può essere più grasso del solito), questo dimostra come il calcolo esatto del valore calorico di un alimento possa svolgersi solo in un laboratorio specializzato.
PS.A meno che non stiate seguendo una dieta ipocalorica o parecchio restrittiva è importante focalizzare l'attenzione prima sul contenuto di ciascun macronutriente assunto e solo dopo sulle calorie di ogni alimento (ancor di più se praticate sport).Infatti, potrebbe risultare controproducente impostare una dieta basandosi soltanto sulle calorie totali (e/o per pasto) senza tenere in considerazione importanti fattori come il fabbisogno proteico, la quantità di carboidrati e grassi per pasto, etc.
Breve Storia della Nutrizione
Gli alimenti, meno l'ossigeno che viene introdotto per le vie respiratorie (v. respirazione), vengono introdotti per la bocca nel tubo digerente, dove subiscono importanti modificazioni chimiche e chimico-fisiche (v. digestione) che li rendono capaci di essere assorbiti, di penetrare cioè veramente nell'organismo. Secondo la loro costituzione chimica, gli alimenti si dividono in inorganici ed organici.
Gli alimenti inorganici sono l'ossigeno, che ha lo scopo di permettere agli alimenti organici di bruciare, l'acqua e i sali minerali che servono a riparare alle perdite, che l'organismo continuamente subisce, di queste sostanze. Gli alimenti organici, oltre che a riparare le perdite dell'organismo, servono anche a fornirgli l'energia necessaria per la produzione di calore e di forza viva: essi sono infatti sostanze combustibili, che combinandosi con l'ossigeno (ossidandosi), liberano l'energia in essi accumulata sotto forma di energia chimica.
Gli antichi conobbero assai poco intorno a questo argomento. Ippocrate di Cos (460-380 a. C.) parla di una perdita per perspirazione cutanea insieme con una perdita di calore che deve essere riparata dagli alimenti. Aristotele (384-322 a. C.) pensa che essi subiscano una cozione nello stomaco, siano ulteriormente elaborati negli intestini, siano assorbiti dal mesenterio e che le urine e gli escrementi rappresentino le parti non utilizzabili degli alimenti consumati. Galeno (131-210 a. C.) sembra non considerarne che l'importanza plastica e crede all'esistenza di una sostanza nutritiva unica, presente in tutto il corpo, che gli animali e l'uomo utilizzano per il loro nutrimento. Né maggior luce portano all'argomento gli alchimisti del Medioevo.
Più tardi Paracelso (1493-1541) sembra aver intuito l'analogia tra i fenomeni chimici che già conosceva e quelli che presentano gli esseri viventi: secondo le sue teorie, l'archeo, che risiede nello stomaco, separa gli alimenti in due categorie: la parte che viene assimilata, o essenza, e quella che viene eliminata con le urine e gli escrementi: il cattivo alimento. Un secolo più tardi Van Helmont (1577-1644) dimostra la presenza, nello stomaco, di un succo acido importante per la digestione, osserva che questa continua nell'intestino dove ha molta importanza la bile; studia il funzionamento del piloro; alle azioni meccaniche aggiunge i fattori chimici in forma di succhi e fermenti.
Lavoisier (1743-94) stabilisce, nel 1777, che l'acido carbonico è formato di carbonio e ossigeno; Cavendish, nel 1783, che l'acqua è formata di idrogeno e ossigeno; Fourcroy (1775-1809) dimostra la presenza dell'azoto nel corpo degli animali. Si stabiliscono così le basi della dottrina moderna dell'alimentazione: tutte le sostanze animali e vegetali sono formate essenzialmente da quattro corpi semplici: il carbonio, l'ossigeno, l'idrogeno e l'azoto; dalla combustione del carbonio con l'idrogeno si svolge acido carbonico e acqua; la respirazione è una combustione lenta di carbonio e di idrogeno per fissazione dell'ossigeno dell'aria, inspirata dai polmoni, sul carbonio e l'idrogeno del sangue circolante: questa combustione è la sorgente essenziale del calore animale.
Per misurare le quantità di calore, Lavoisier immagina un calorimetro a ghiaccio (v. calorimetria), creando e applicando agli organismi animali la calorimetria, secondo una importantissima memoria sul calore, scritta nel 1780 in collaborazione con il grande matematico Laplace. Nel 1816 Magendie si propone il problema dell'origine nell'organismo dell'azoto, del quale dimostra l'importanza vitale. Nel 1833 Gay-Lussac segnala la presenza dell'azoto in tutti i semi.
A questo momento, mentre i fisiologi si preoccupano delle origini dell'azoto animale, e con Magendie si stabiliscono due grandi categorie di alimenti: le sostanze azotate, albuminoidi, o quaternarie, sufficienti, le sostanze non azotate o ternarie, insufficienti da sole a mantenere la vita; i fisici continuano gli studî di Lavoisier sulle combustioni vitali, i chimici indagano la composizione degli alimenti.
Dulong nel 1823, Despretz nel 1824, stabiliscono che il calore di combustione per ossidazione del carbonio e dell'idrogeno, calcolato secondo gli scambî respiratorî, non è che l'80% del calore effettivamente sviluppato da un organismo vivo, in un calorimetro ad acqua. D'altra parte i primi tentativi di analisi chimica degli alimenti sono iniziati specialmente dagli agronomi: nel 1809 Thaer studia il cosiddetto equivalente in fieno dei foraggi, unità di misura quanto mai imprecisa e controversa, e Boussingault nel 1836 stabilisce come unità di misura nutritiva dei foraggi semplicemente il loro quantitativo di azoto.
Un progresso importantissimo si ha con Dumas e Liebig (1840-42), i quali dimostrano che vi è un gruppo di alimenti, le materie azotate, che s'incorporano ai tessuti, e un altro gruppo, gli zuccheri, i grassi, l'amido, che bruciando nella respirazione producono il calore animale. Dumas e Cahours, nel 1842, dimostrano che anche le sostanze azotate bruciano dando come prodotti terminali urea, acqua e acido carbonico. Questo rapporto rappresenta il quoziente respiratorio e dipende essenzialmente dalla natura degli alimenti consumati: per uno stesso animale varia da 0.98, se si nutre di pane, a 0,70 se si nutre esclusivamente di carne. Si comincia in tal modo a concepire l'organismo come una macchina animale che utilizza la respirazione per assumere dagli alimenti la forza necessaria alla sua attività e il calore indispensabile alla sua vita.
Nel 1826 Chevreul pubblica le sue interessanti ricerche chimiche sulle sostanze grasse di origine animale: questo problema, dopo quello delle sostanze azotate, appassiona vivamente i ricercatori come Dumas, Boussingault, Payen, Milne Edwards, Duthiers e Riche: dopo molte discussioni, nel 1850 pare solidamente acquisito che i vegetali contengono grasso già formato che viene utilizzato dagli animali e che d'altra parte gli animali possono fabbricare grasso dalle sostanze idrocarbonate e in certa misura anche da quelle azotate.
Dal 1843 compaiono gli studî interessantissimi di Claude Bernard sulle sostanze alimentari, sulla loro trasformazione nell'organismo, sull'origine dello zucchero animale. Le ricerche sull'alimentazione hanno ulteriore sviluppo nel campo dell'agronomia e della zootecnia per opera di numerosissimi studiosi, Baudement, Allibert, Grandeau, Sanson, Lawes, Gilbert, Wolff, Henneberg, Stohmann, ecc. Si è insistito per molto tempo nel differenziare gli animali e le piante secondo il tipo della nutrizione: le piante assumono dal terreno, dall'aria, dall'acqua i corpi più semplici, quali i nitrati, i carbonati, l'azoto, il carbonio, e formano composti più complessi, quali le proteine, l'amido, i grassi; gli animali invece scompongono i materiali alimentari complessi ricavati dalle piante, li ossidano, li riducono in corpi più semplici quali l'acqua, l'ammoniaca, l'anidride carbonica, ecc.
Si riassume in tutto questo la cosiddetta teoria dualistica della vita, secondo la quale la pianta e l'animale si completano a vicenda: ciascuno ha, come dice Lambling, una specie di semiesistenza; la prima crea il materiale che il secondo distrugge; la pianta è un apparato di riduzione e di sintesi, l'animale di ossidazione e di scissione: questo dualismo, dal punto di vista energetico, si compendia nel fatto che la pianta trasforma l'energia attuale delle radiazioni solari in energia potenziale, accumulandola come energia chimica nei materiali organici complessi che produce; l'animale invece trasforma quest'energia potenziale in attuale, principalmente in due forme: il calore e il movimento. Ma questo antagonismo non può essere inteso oggi in senso assoluto: anche la pianta disintegra e ossida producendo anidride carbonica; e d'altro lato l'animale è capace di sintesi complesse, quali quella delle proteine, dei pigmenti, del sangue, ecc. Come lucidamente si esprime Lambling, le differenze tra piante e animali si riducono ai rapporti delle due categorie col mezzo esterno: la pianta riceve tutto dal regno minerale, l'animale soltanto alcuni costituenti, mentre i più deve trovarli precostituiti nel mondo organico: piante o altri animali.
Nello studio del ricambio energetico dell'organismo animale l'unità di calore adoperata è la grande caloria, cioè la quantità di calore capace di elevare di un grado centigrado, da 14° a 15°, la temperatura di 1000 grammi di acqua. Per misurare il calore prodotto dagli animali e dall'uomo ci si vale di calorimetri, quale per esempio quello di Atwater e Benedict; oppure, in via indiretta, si determina la quantità di carbonio e di idrogeno che l'organismo ossida rispettivamente ad anidride carbonica e acqua. Si è calcolato in questo modo che un uomo a riposo produce una quantità di calore corrispondente press'a poco a 2500 grandi calorie nelle 24 ore. A questo numero di calorie corrisponde la quantità minima di energia richiesta per conservare l'attività di quegli organi essenziali alla vita che non riposano mai, come il cuore, i muscoli respiratorî, i muscoli lisci dei vasi, del sistema digerente, le ghiandole, e per mantenere costante la temperatura del corpo. Questo è il valore del cosiddetto metabolismo basale (v. metabolismo).
Calcolando il numero di calorie del quale ha bisogno un determinato organismo, in un determinato tempo, per un determinato lavoro, bisogna tener conto dell'aumento del metabolismo dovuto all'azione specifica degli alimenti, che è molto sensibile per le sostanze proteiche. Quando una persona è sottoposta a una dieta con poca carne, l'aumento del metabolismo può essere soltanto del tre o quattro per cento; in condizioni opposte si può invece avere un aumento dal dodici al diciotto per cento.
Oggi è facile con un semplice calcolo matematico stabilire il bisogno alimentare di una persona espresso in calorie. Du Bois con calcoli matematici ha stabilito la superficie del corpo in funzione dell'altezza e del peso secondo la formula height-weight ("altezza-peso"). Benedict e Harris hanno stabilito le formule di correzione per i bambini e gli adolescenti (v. Lester, Nutrition and Diet). Riferendoci per semplicità solo agli adulti, calcoliamo, secondo quanto si è detto, il bisogno di combustibile di un uomo di 40 anni alto 180 cm. del peso di 70 kg. che lavora 8 ore al giorno come calzolaio. Più semplicemente, in pratica, ci si può riferire alle tavole già calcolate per i valori medî che hanno sufficiente esattezza nell'approssimazione.
Berthelot ha ideato il metodo della bomba calorimetrica (v. calore) per misurare il calore di combustione dei corpi organici: la sostanza in quantità nota è fatta bruciare in atmosfera di ossigeno, sotto pressione in un vaso con pareti di acciaio: la quantità di calore che si svolge è data dall'aumento di temperatura dell'acqua del calorimetro nel quale è immersa la bomba.
Bisogna però subito notare che volendo calcolare il valore calorico di una dieta di composizione nota, bisogna tener conto che il nostro organismo non utilizza tutta l'energia chimica potenziale delle sostanze introdotte: una certa parte di sostanze alimentari va perduta con gli escrementi; di più, mentre i grassi e i carboidrati subiscono una combustione completa fino all'anidride carbonica e all'acqua, le sostanze proteiche si trasformano in prodotti terminali non completamente ossidati, quali l'urea, e che perciò contengono ancora una certa quantità di energia potenziale. Nel computo delle calorie abbiamo parlato solo delle sostanze proteiche, dei grassi e degli idrati di carbonio; perché l'acqua e i sali minerali non sviluppano calore.
L'Importanza della Qualità delle Proteine
Uno dei problemi a questo riguardo più interessanti e che ha suscitato una lunga serie di ricerche e discussioni è quello delle sostanze proteiche. Ha la massima importanza la qualità della proteina, che è l'espressione del suo valore biologico. Come si sa dalla chimica organica, le sostanze proteiche consistono in catene di amminoacidi (v.) unite da un legame carboamminico, quali la glicina, la alanina, la fenilalanina, la tirosina, il triptofano, ecc.; la qualità e il numero di questi amminoacidi determinano il valore nutritivo.
Così, per esempio, a un estremo abbiamo la gelatina, proteina incompleta perché non può fornire i tre amminoacidi triptofano, tirosina, cistina: sembra infatti che l'organismo adoperi il triptofano per fabbricare corpi essenziali per la vita, quali la tiroxina e gli ormoni. Per questo la gelatina, presa come base di alimentazione proteica, anche in grande quantità, ha insufficiente valore nutritivo; ma se questa dieta si completa con l'aggiunta dei tre amminoacidi mancanti, scompare il difetto della nutrizione e si ristabilisce l'equilibrio azotato. All'estremo opposto abbiamo la caseina, proteina del latte, che fornisce in misura abbondante tutti gli amminoacidi necessarî alla vita.
È importantissimo però mettere in rilievo che queste proteine possono completarsi reciprocamente sia con quelle vegetali, sia con quelle animali.
Il Concetto di Minimum e Optimum
Bisogna subito premettere che il concetto del minimum non deve essere in contrasto con quello dell'optimum, nel senso che la quantità somministrata deve corrispondere non a un periodo limitato di razione ridotta, che può essere sopportata per un certo tempo dall'organismo, ma effettivamente all'alimentazione per tutta la vita, nella piena efficienza, come vigoria, accrescimento, attitudine al lavoro dell'organismo. La soluzione del problema è stata tentata con metodi statistici e sperimentali. Per molto tempo si accettarono i valori medî stabiliti con dati statistici da Voit: gr. 118, e da Atwater 120.
Poi Chittenden, fisiologo americano, e il medico danese Hindhede hanno indicato le quote proteiche ridotte: gr. 50; Fletcher ha sostenuto che con metodiche riduzioni si arriva ad abituare l'organismo a quantità quotidiane di proteine assai inferiori a quelle prima ritenute necessarie. Questa limitazione fu suggerita, oltre che da ragioni economiche, dalla preoccupazione di risparmiare i reni, il fegato e gli altri organi interessati nel metabolismo proteico, e di evitare autointossicazioni intestinali derivate dai prodotti di scomposizione dei proteici; in realtà, in condizioni normali non si oltrepassa il margine di riserva della capacità funzionale dei singoli organi, e le autointossicazioni sono più di origine batterica che alimentare.
Di più, recentemente Mac Collum ha sostenuto che se anche la dieta proteica ridotta sembra sufficiente per un tempo relativamente lungo negli animali da esperimento che hanno una durata di vita assai più breve di quella dell'uomo, ripetendo lo stesso nell'uomo, per un periodo proporzionatamente corrispondente alla durata media della vita umana, si determinerebbero sofferenze evidenti dell'organismo. Friedrich Müller ha imputato alla scarsezza della alimentazione proteica in Germania durante la guerra, la sensibile diminuzione dell'efficienza mentale, dell'attività corporea, della resistenza alle malattie...
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