5.2. Основні методи визначення енергетичних витрат організму людини

Енергетичні витрати людини (звично за добу) визначаються різними методами. В даний час використовуються 4 основні методи визначення енергетичних витрат людини:

Метод прямої калориметрії;

Метод непрямої (респіраторної) калориметрії;

Метод аліментарної (харчовий) енергометрії;

Хронометражно-табличний метод.

Найточнішим методом визначення енергетичних витрат вважається метод прямої калориметрії, який заснований на безпосередньому визначенні всього тепла, яке звільнюється в організмі в процесі його життєдіяльності. Ці дослідження проводяться в спеціальних пристроях – калориметрах. Сучасний калориметр є спеціальною камерою різних розмірів з подвійними стінками, в якій людина може прожити декілька днів. У необхідних випадках в камері може бути встановлена ліжко, стіл, стілець і ін., а при дослідженні фізичної роботи – відповідні пристосування для її виконання. Камера має двері і люк для подачі їжі і видалення екскрементів. Тепло, що виділяється організмом людини під час дослідження, поглинається потоком води, яка циркулює між стінками за системою трубок. Енергетичні витрати в цьому випадку визначаються шляхом встановлення об'єму води, яка протекла, і ступенем її нагріву в дослідження.

Недоліками методу прямої калориметрії є:

1. складність пристрою камери;

2. неможливість вивчення різних видів діяльності людини у зв'язку з обмеженими розмірами камери;

3. ізоляція людини від впливу багатьох чинників навколишнього середовища, що роблять постійний вплив на його організм (кліматичних, соціальних, побутових і ін.).

Вказані недоліки роблять обмеженим використовування цього методу при дослідженні досить різноманітних умовах праці і побуту людини.

Більш поширення набув інший метод визначення енергетичних витрат – метод непрямої калориметрії (респіраторний, або метод газообміну). Суть цього методу полягає в дослідженні легеневого газообміну – визначенні легеневої вентиляції (при розрахунках хвилинної), кількості поглиненого при цьому кисню і виділеного вуглекислого газу, визначенні дихального коефіцієнта (ДК). По енергетичному еквіваленту одного літра кисню (при певному дихальному коефіцієнті) і величині легеневої вентиляції, визначають витрату енергії при будь-якому виді діяльності людини. Теоретичними передумовами для цього методу послужило те, що все тепло, яке звільняється в організмі, є результатом окислення харчових речовин – вуглеводів, жирів і білків і відбувається за рахунок кисню вдихаємого повітря. Це засновано на відомому положенні закону збереження енергії про те, що виділення тепла при хімічних процесах залежить тільки від початкового і кінцевого стану речовини і не залежить від проміжних реакцій.

Відомо, що в процесі дихання людина поглинає певну кількість кисню атмосферного повітря і виділяє вуглекислий газ. Досліджуючи зміни хімічного складу вдихаємого і повітря, що видихається, визначають кількість поглиненого організмом кисню повітря. Проте, оскільки енергетична цінність при окисленні киснем вуглеводів, білків і жирів різна, необхідно знати характер харчових речовин, що окислюються при цьому. Це встановлюється по дихальному коефіцієнту, який виражається відношенням об'єму виділеного організмом вуглекислого газу, до об'єму поглиненого за той же час кисню.

Це відношення залежить від характеру речовин, які окислюються. При чисто вуглеводному харчуванні дихальний коефіцієнт може бути максимальним і досягати 1, оскільки по рівнянню реакції:

С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ = 6 СО₂ + 6 Н₂О

глюкоза

При окисленні глюкози поглинання 6 грам-молекул кисню супроводжується виділенням 6 грам-молекул вугільної кислоти

6 СО₂ : 6 О₂ = 1

При окисленні жирів об'єм повітря, яке видихається, менше об'єму вдихаємого повітря на кількість міллілітрив, рівне кисню, який з'єднався з воднем для утворення води. Наприклад, при окисленні жиру реакція протікає таким чином:

2 С₅₁Н₉₈О₆ +145 О₂ = 102 СО₂ + 98 Н₂О

Тобто з 145 молекул О₂ тільки 102 використані на утворення СО₂, а 43 з'єдналися з воднем і утворили воду, тому в цьому випадку ДК рівний:

Для інших жирів дихальний коефіцієнт коливається в межах від 0,7 до 0,72.

При окисленні білків в організмі людини азот білків утворює в поєднанні з вуглецем, воднем і киснем сечовину і інші азотовмісні речовини, які виділяються нирками. Знаючи кількість азоту в сечі можна визначити кількість білка, який окислювався, оскільки вміст азоту в білці в середньому 16 %.

ДК білків коливається в межах від 0,78 до 0,82.

Оскільки звичайно людина вживає змішану їжу (білки, жири, вуглеводи), то дихальний коефіцієнт в нормальних умовах у людини може коливатися в широких межах (від 0,71 до 1,0).

При дослідженні енергетичних витрат методом газообміну найбільше застосування знайшов метод Дугласа-Холдейна. Цей метод передбачає вимір і вимірювання об'єму повітря, який видихається, за певний проміжок часу і аналіз його на зміст О₂ і СО₂. Повітря, яке видихається, за допомогою спеціальних пристосувань (маски, загубникі, гофровані трубки і ін.) збирається в спеціальний прогумований мішок (мішки Дугласа), об'ємом 100-150 л, а потім вимірюється точний об'єм видихнутого повітря за час дослідження шляхом пропускання повітря з мішка Дугласа через газовий лічильник. При цьому відбираються проби повітря для аналізу його хімічного складу. Аналіз проб повітря проводять в газоаналізаторі Холдейна або інших сучасних газоаналізаторах.

Для порівняльної оцінки повноти одержаних даних при розрахунках об'єм видихнутого повітря приводять до нормальних умов (стандартних) - температура 0 °С, тиск 760 мм. рт. ст. і сухому стану.

Приклад розрахунку.

Досліджуваний дихав в мішок 5 хвилин, при цьому:

1. видихнув за 5 хвилин 37,3 л повітря, або за 1 хвилину - 7,46 л;

2. температура навколишнього повітря – 25 °С;

3. барометричний тиск – 765 мм. рт. ст.

При приведенні об'єму повітря, яке видихається (по спеціальних таблицях), до нормальних умов і сухого стану, об'єм повітря, що видихається, за 1 мін склав 6,669 л.

Газовий аналіз проб повітря, що видихається, показав в ньому зміст:

СО₂ = 3,4 %

О₂ = 17,3 %

Оскільки сума СО₂ +О₂ у видихнутому повітрі склала 20,7 % (3,4 %+ 17,3 %), то на частку азоту залишається: 100 % – 20,7 % =79,3 %.

Склад чистого вдихаємого повітря наступний:

СО₂ - 0,03 %

О₂ - 20,93 %

N₂ - 79,04 %

Зміна процентного змісту N₂ в повітрі, яке видихається, пояснюється виключно нерівністю об'ємів вдихаємого повітря, і повітря, яке видихається, оскільки азот під час дихання є газом індиферентним і його кількість залишається без зміни.

Тому відношення кількості спожитого О₂ проводжується по співвідношенню відсотка азоту в повітрі, яке видихається і в вдихаємом повітрі:

на 79,04 % об'єму N₂ у вдихаємом повітрі доводиться 20,93 % об'єму О₂ ,

а на 79,3 % об'єму N₂ в повітрі, що видихається Х об'єму О₂ , ;

%

Тоді кількість поглиненого О₂ в організмі складе:

21,0 % - 17,3 % = 3,7 % (О₂ )

Знаючи об'єм видихнутого повітря за хвилину і процентний вміст в ньому О₂ і СО₂ можна визначити об'єми поглинання О₂ і виділення СО₂ :

де, 6,669 – хвилинний об'єм дихання (приведений до стандартних умов і сухого стану)

Тоді,

По спеціальних таблицях знаходимо, що при ДК = 0,91 калорічеська вартість 1000 мл поглиненого О₂ складає 4,936 ккал.

Калорічеська вартість поглинених 246,7 мл. О₂ під час експерименту складе:

Залежно від поставленої задачі можна виразити одержану величину на одиницю часу: сек., мін, година, доба, на 1 кг маси тіла і ін.

Недоліками цього методу визначення потреби організму людини в енергії є велика трудомісткість досліджень, і він не завжди надійний при визначенні витрати енергії у людей з великою різноманітністю трудових операцій і процесів різної інтенсивності.

Метод аліментарної енергометрії (балансовий метод Бузника- Калмикова) заснований на точному обліку енергетичної цінності прийнятої їжі і контролі маси тіла випробовуваних в динаміці протягом 15-16 днів. Для цього випробовуваний щодня вранці після туалету зважується з точністю до 50 г

У разі рівності витрати енергії і енергоцінності їжі, маса тіла людини, як правило, не змінюється і, навпаки, при порушенні цієї рівності, маса тіла збільшується або зменшується. Надбавка в масі тіла людини обумовлена в основному накопиченням жиру в організмі. Жирова тканина містить 25% води, тому кілограм надбавки маси тіла здорової людини відповідає 6750 ккал. Віднімаючи енергетичну цінність жиру, який накопичився, під час дослідження, можна з великою достовірністю визначити енергетичні витрати людини.