"Ноль калорий". Часть 1: Ноль правды

Сегодня очень многие понятия, вышедшие из специальной терминологии в обиход, легко отрываются от исходного значения, искажаются и превращаются в мемы.

Одним из таких извращенных понятий стала калорийность пищи. Параметр, и так неоднозначный, подвергся такому мощному прессу со стороны рекламщиков, что стал настоящим пугалом, недобросовестным маркетинговым инструментом.

Везде – по телевизору, в наружной рекламе, в баннерах вам ввинчивают в мозг: меньше калорий для здорового питания! Попробуйте колу "Зеро" совсем без калорий! Отличный вкус и НОЛЬ КАЛОРИЙ! И вот вы уже начинаете сомневаться – а стоит ли есть это или то? Кто-то задним числом догадывается, что раз идет такой мощный форс – тут что-то неладно и низкая калорийность – не преимущество товара, а очередная рекламная уловка. Но почему именно? Давайте же разберемся в этой статье, откуда взялось само понятие калории и что оно означает, ну а в продолжении, для постепенного и лучшего усвоения пищи для ума – насколько она на самом деле отражает ценность продукта для употребления внутрь.

Итак, что такое «калорийность»? Начнем издалека.

Весь окружающий мир состоит из атомов разных химических элементов. Однако изучать таблицу Менделеева для понимания состава обиходных предметов бессмысленно. Графитовые карандаши и ртуть в старом градуснике – редкие примеры химических элементов в чистом виде в нашей жизни. Все остальное состоит из очень сложных соединений: ваш монитор – из полимерных пластических масс и жидкокристаллических элементов, ваша одежда – из полисахарида целлюлозы либо полиэфирных волокон с добавлением органических красителей, стол – тоже из целлюлозы, скрепленной органическими смолами, а кружка – из термообработанных оксидов и силикатов. Даже воздух состоит из двухатомного азота с примесью двухатомного кислорода, дающего нам жизнь. Резюме: подавляющее большинство отдельных атомов вокруг нас уже прореагировали друг с другом, образовав между собой химические связи.

Я постараюсь изложить природу химической связи и суть реакций со значительными упрощениями, настолько, насколько это можно для понимания предмета разговора и не углубляясь в квантовые эффекты и термохимию. В реальности все не то чтобы намного сложнее – а просто дольше излагать. Если это интересно, я могу объяснить принципиальные основы химии в отдельных статьях.

Химическая связь образуется взаимодействием самых дальних от ядра атома электронов. Если у атома есть на внешней орбитали один электрон, атом становится реакционноспособным. Это происходит потому, что электрон очень не любит оставаться один, он ищет пару – такой же электрон на внешней орбитали другого атома. При их достаточном сближении происходит образование химической связи за счет образования пары электронов на новой, более сложной молекулярной орбитали. Они так и называются – спаренными электронами.

Почему это происходит? Вроде бы процесс выглядит очевидным, но ответ не так прост. Дело в том, что все объекты в мире стремятся к энергетически выгодному состоянию – там, где их потенциальная энергия равна нулю (ну хотя бы минимальна!). Мяч катится по склону, чтобы гравитация наконец перестала тянуть его вниз и сравнялась с силой грунта на дне канавы, дающей ему опору. Корабль погружается в воду настолько, чтобы погруженная его часть была равна по плотности воде, а глубже не может – вода начнет выталкивать менее плотное тело вверх. А к чему стремятся атомы? К образованию связи. Это очень энергетически выгодный процесс, при этом потенциальная энергия атомов понижается за счет превращения в тепловую энергию (а непрореагировавшие атомы, в большинстве своем как раз образуют те самые «свободные радикалы», которыми вас пугают хоть и чрезмерно, но не совсем без оснований).

Вы, должно быть, слышали выражение «тепловое движение молекул». Если вещества нагревать, то молекулы начинают совершать все более и более ускоренные движения. В газах и жидкостях они «летают» все быстрее, в твердых телах – все быстрее «дрожат». Но все это – просто разные варианты теплового движения. Если мы будем нагревать молекулу, то можем сообщить ей такую энергию, что атомы в самой молекуле начнут бешено колебаться, химическая связь не выдержит и порвется. «Это и есть сгорание?» – спросите вы? Нет! Это только диссоциация связи (разложение вещества). В нашем мысленном эксперименте пока нету необходимого компонента горения – кислорода.

Представьте себе теперь, что реакционноспособный атом может найти себе еще более энергетически выгодную пару? Да, такое бывает сплошь и рядом, на этом основаны все химические реакции! Не углубляясь в понятия химического потенциала (энергии Гиббса), скажу: реакционноспособные атомы способны разрывать химические связи молекул, чтобы образовать новую, более выгодную связь с другими атомами. А образование более прочной связи ведет к выделению большего количества тепловой энергии. Вообразите себе процесс: вы подогрели вещество, оно стало разлагаться и тут же находить себе другие атомы, с которыми связь более энергетически выгодна, при этом реакция дает выделение дополнительного тепла, еще сильнее разогревает окружающие атомы, которые начинают реагировать с большей скоростью и еще сильнее разогревать все вокруг? Ничего не напоминает? 

Да, вездесущий кислород воздуха – сильный окислитель и реагирует почти со всеми веществами в окружающем мире. Собственно, от самовозгорания многие вещества и предметы спасает низкая доступность кислорода: воздух неплотный и непосредственно рядом с поджигаемым предметом его довольно мало (тонкий слой у самой поверхности). Если взять струю чистого кислорода, то процессы горения пойдут гораздо интенсивнее.

Ну все, хватит основ химии! Мы вплотную подошли к калории. Калория – это старая (начала 19-го века) единица измерения теплоты! 1 калория энергии необходима для нагревания 1 грамма воды на 1 градус при давлении в 1 атмосферу. Красиво звучит, правда? А раз процессы разрыва-образования химической связи связаны с поглощением и выделением теплоты, то давайте использовать эту единицу для измерения энергонасыщенности веществ! Поначалу она так и использовалась – только для разных видов топлива. Но затем, спустя почти сто лет после ее введения и уже со сгустившимися над ней тучами в виде единицы Джоуля и системы СИ, ее предложил использовать весьма специфическим образом американский химик Уилбур Этуотер.

Этуотер (1844-1907) был первым теоретиком питания человека (некорректно было бы назвать его "диетологом"). Благодаря своим экспериментам он заложил фундаментальные основы теории питания и пищи, первым отметил, что американцы употребляют слишком много жиров и углеводов (и это еще в конце 19 века!). 

Этуотер небезосновательно рассуждал: человек ест пищу. Вдыхает кислород. Выдыхает углекислый газ (считайте, максимально расщепленные и окисленные органические вещества!) и воду, выделяет воду. Получается, метаболизм пищи – это процесс, аналогичный горению, а значит, пищу можно уподобить топливу. Ну а энергию, которая получается в этом процессе, можно назвать калорийностью пищи.
Ура! Мы наконец-то поняли, что такое калорийность! Это энергия, выделяющаяся при сгорании порции пищи до углекислого газа! И она получается равна той энергии, которую получает человек, употребивший эту пищу внутрь. Очень полезная и любопытная характеристика, правда? Да, только вот как нам теперь эту самую калорийность измерить?

На помощь нам приходит прибор под названием калориметр. Его схема очень проста: берем герметично закрытый контейнер, куда помещаем пищу. Сам контейнер сделаем не просто из стенок, а с так называемой «рубашкой» – двойными полыми стенками, заполненными водой. Поджигаем какой-то стандартный кусок однородной пищи, например, 100 граммов сахара, белков либо животного жира, подавая чистый кислород до полного сгорания продукта. Сгорая, этот продукт будет поднимать температуру воды в рубашке на сколько-то градусов, что дает нам непосредственно значение калорийности 100 г продукта! Чрезвычайно удобно и просто, если все сделать правильно. 

Принцип был разработан. Оставалась только рутинная работа: каталогизировать многие сотни эмпирических данных по сжиганию самых разных видов пищи, собрать их воедино и выпустить в виде Системы Этуотера, которую берут за основу для расчетов свойств пищи по сей день. 

Теперь вы знаете, что вас обманывают, заявляя о нуле калорий в каком-то продукте. Их может быть минимум, но не может быть ноль, пока кусочек пищи можно сжечь или съесть. А если там и правда ноль калорий, то значит, по идее, их бессмысленно есть – все равно что жевать воздух или пить кружку вместо колы. Или все-таки…

В следующей статье я расскажу о том, почему все не так просто, почему «ноль калорий» отчасти могут быть правдой, в чем некорректно судить о пище только по ее энергетической ценности, почему лучше поесть немного белка, а не чуть-чуть жиров при одинаковой калорийности. Следующая статья будет сложнее.

Также, если читателей интересуют основы химии, я могу начать цикл статей, где отдельными порциями изложу их в доступной форме. Пишите свои пожелания в комментариях.