Основные методы определения энергетических затраты организма человека

Энергетические затраты человека (обычно за сутки) определяются различными методами. В настоящее время используются 4 основных метода определения энергетических затрат человека:

1. Метод прямой калориметрии;

2. Метод непрямой (респираторной) калориметрии;

3. Метод алиментарной (пищевой) энергометрии;

4. Хронометражно-табличный метод.

Наиболее точным методом определения энергетических затрат считается метод прямой калориметрии, который основан на непосредственном определении всего тепла, которое высвобождается в организме в процессе его жизнедеятельности. Эти исследования проводятся в специальных устройствах – калориметрах. Современный калориметр представляет собой специальную камеру различных размеров с двойными стенками, в которой человек может прожить несколько дней. В необходимых случаях в камере может быть установлена кровать, стол, стул и др., а при исследовании физической работы – соответствующие приспособления для её выполнения. Камера имеет дверь и люк для подачи пищи и удаления экскрементов. Тепло, выделяемое организмом человека во время исследования, поглощается потоком воды, которая циркулирует между стенками по системе трубок. Энергетические затраты в этом случае определяются путём установления объёма протекающей воды и степенью её нагрева в процессе опыта.

Недостатками метода прямой калориметрии являются:

1) сложность устройства камеры;

2) невозможность изучения различных видов деятельности человека в связи с ограниченными размерами камеры;

3) изоляция человека от влияния многих факторов окружающей среды, оказывающих постоянное влияние на его организм (климатических, социальных, бытовых и др.).

Указанные недостатки делают ограниченным использование этого метода при исследовании довольно разнообразных условиях труда и быта человека.

Более широкое распространение получил другой метод определения энергетических затрат – метод непрямой калориметрии (респираторный, или метод газообмена). Сущность этого метода заключается в исследовании лёгочного газообмена – определении лёгочной вентиляции (при расчётах минутной), количества поглощённого при этом кислорода и выделенного углекислого газа, определении дыхательного коэффициента (ДК). По энергетическому эквиваленту одного литра кислорода (при определенном дыхательном коэффициенте) и величине лёгочной вентиляции, определяют расход энергии при любом виде деятельности человека. Теоретическими предпосылками для этого метода послужило то, что все тепло, которое освобождается в организме, является результатом окисления питательных веществ – углеводов, жиров и белков и происходит за счёт кислорода вдыхаемого воздуха. Это основано на известном положении закона сохранения энергии о том, что выделение тепла при химических процессах зависит только от начального и конечного состояния вещества и не зависит от промежуточных реакций.

Известно, что в процессе дыхания человек поглощает определённое количество кислорода атмосферного воздуха и выделяет углекислый газ. Исследуя изменения химического состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, определяют количество поглощённого организмом кислорода воздуха. Однако, так как энергетическая ценность при окислении кислородом углеводов, белков и жиров различна, необходимо знать характер окисляющихся при этом пищевых веществ. Это устанавливается по дыхательному коэффициенту, который выражается отношением объёма выделенного организмом углекислого газа, к объёму поглощённого за тот же время кислорода.

Это отношение зависит от характера окисляющихся веществ. При чисто углеводном питании дыхательный коэффициент может быть максимальным и достигать 1, так как по уравнению реакции:

С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ = 6 СО₂ + 6 Н₂О

глюкоза

При окислении глюкозы поглощение 6 грамм-молекул кислорода сопровождается выделением 6 грамм-молекул угольной кислоты

6 СО₂ : 6 О₂ = 1

При окислении жиров объём выдыхаемого воздуха меньше объема вдыхаемого воздуха на количество миллилитров, равное кислороду, который соединился с водородом для образования воды. Например, при окислении жира реакция протекает следующим образом:

2 С₅₁Н₉₈О₆ +145 О₂ = 102 СО₂ + 98 Н₂ О

То есть из 145 молекул О₂ только 102 использованы на образование СО₂, а 43 соединились с водородом и образовали воду, поэтому в этом случае ДК равен:

Для других жиров дыхательный коэффициент колеблется в пределах от 0,7 до 0,72.

При окислении белков в организме человека азот белков образует в сочетании с углеродом, водородом и кислородом мочевину и другие азотсодержащие вещества, которые выделяются почками. Зная количество азота в моче можно определить количество окислившегося белка, так как содержание азота в белке в среднем 16%.

ДК белков колеблется в пределах от 0,78 до 0,82.

Так как обычно человек употребляет смешанную пищу (белки, жиры, углеводы), то дыхательный коэффициент в нормальных условиях у человека может колебаться в широких пределах (от 0,71 до 1,0).

При исследовании энергетических затрат методом газообмена наибольшее применение нашёл метод Дугласа-Холдейна. Этот метод предусматривает замер и измерение объёма выдыхаемого воздуха за определённый промежуток времени и анализ его на содержание О₂ и СО₂. Выдыхаемый воздух с помощью специальных приспособлений (маски, загубники, гофрированные трубки и др.) собирается в специальный прорезиненный мешок (мешки Дугласа), объёмом 100-150 л, а затем измеряется точный объём выдохнутого воздуха за время исследования путём пропускания воздуха из мешка Дугласа через газовый счётчик. При этом отбираются пробы воздуха для анализа его химического состава. Анализ проб воздуха проводят в газоанализаторе Холдейна или других современных газоанализаторах.

Для сравнительной оценки полноты полученных данных при расчётах объём выдохнутого воздуха приводят к нормальным условиям (стандартным) - температура 0 °С, давление 760 мм. рт. ст. и сухому состоянию.

Пример расчёта.

Исследуемый дышал в мешок 5 минут, при этом:

1) выдохнул за 5 минут 37,3 л воздуха, или за 1 минуту - 7,46 л;

2) температура окружающего воздуха – 25 °С;

3) барометрическое давление – 765 мм. рт. ст.

При приведении объёма выдыхаемого воздуха (по специальным таблицам) к нормальным условиям и сухому состоянию объём выдыхаемого воздуха за 1 мин составил 6,669 л.

Газовый анализ проб выдыхаемого воздуха показал в нём содержание:

СО₂ = 3,4 %

О₂ = 17,3 %

Так как сумма СО₂+О₂ в выдохнутом воздухе составила 20,7 % (3,4 %+ 17,3 %), то на долю азота остаётся: 100 % – 20,7 % =79,3 %.

Состав чистого вдыхаемого воздуха следующий:

СО₂ - 0,03 %

О₂ - 20,93 %

N₂ - 79,04 %

Изменение процентного содержания N₂ в выдыхаемом воздухе объясняется исключительно неравенством объёмов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, так как азот во время дыхания является газом индифферентным и его количество остаётся без изменения.

Поэтому отношение количества потреблённого О₂ производится по соотношению процента азота в выдыхаемом и вдыхаемом воздухе:

на 79,04 % объёма N₂ во вдыхаемом воздухе приходится 20,93 % объёма О₂,

а на 79,3 % объёма N₂ в выдыхаемом воздухе Х объёма О₂;

Тогда количество поглощённого О₂ в организме составит:

21,0 % - 17,3 % = 3,7 % (О₂)

Зная объём выдохнутого воздуха за минуту и процентное содержание в нём О₂ и СО₂ можно определить объёмы поглощения О₂ и выделения СО₂ :

где, 6,669 – минутный объём дыхания (приведенный к стандартным условиям и сухому состоянию)

По специальным таблицам находим, что при ДК = 0,91 калорическая стоимость 1000 мл поглощённого О₂ составляет 4,936 ккал.

Калорическая стоимость поглощённых 246,7 мл. О₂ во время эксперимента составит:

В зависимости от поставленной задачи можно выразить полученную величину на единицу времени: сек., мин., час, сутки, на 1 кг массы тела и др.

Недостатками этого метода определения потребности организма человека в энергии является большая трудоемкость исследований, и он не всегда надёжен при определении расхода энергии у людей с большим разнообразием трудовых операций и процессов различной интенсивности.

Метод алиментарной энергометрии (балансовый метод Бузника- Калмыкова) основан на точном учёте энергетической ценности принятой пищи и контроле массы тела испытуемых в динамике в течение 15-16 дней. Для этого испытуемый ежедневно утром после туалета взвешивается с точностью до 50 г

В случае равенства расхода энергии и энергоценности пищи, масса тела человека, как правило, не изменяется и, напротив, при нарушении этого равенства, масса тела увеличивается или уменьшается. Прибавка в массе тела человека обусловлена в основном накоплением жира в организме. Жировая ткань содержит 25% воды, поэтому килограмм прибавки массы тела здорового человека соответствует 6750 ккал. Вычитая энергетическую ценность, накопившегося жира во время опыта, можно с большой достоверностью определить энергетические затраты человека.