az energiafelhasználás mérése

Az élet egy égési folyamatnak tekinthető. A szervezet anyagcseréje szénhidrát, fehérje, zsír vagy alkohol formájában lévő üzemanyag elégetésével történő energiatermelést igényel. Ebben a folyamatban oxigén fogy és szén-dioxid keletkezik. Az energiafelhasználás mérése a hőtermelés vagy hőveszteség mérését jelenti, és ezt közvetlen kalorimetriának nevezzük. A hőtermelés mérését az oxigénfogyasztás és/vagy a szén-dioxid-termelés mérésével indirekt kalorimetriának nevezzük.

Az energiafelhasználás mérésére szolgáló korai kaloriméterek közvetlen kaloriméterek voltak. A 18. század végén Lavoisier megépítette az egyik első kalorimétert, amely egy tengerimalac energiafelhasználását mérte. Az állatot egy drótketrecbe helyezték, amely egy készülék közepét foglalta el. A környező teret jégdarabokkal töltötték meg. Ahogy a jég elolvadt az állat testhőjétől, a vizet egy tartályban összegyűjtötték és megmérték. A jég üregét hóval töltött tér vette körül az állandó hőmérséklet fenntartása érdekében. Így a környezetből nem tudott hő távozni a belső jégköpenybe. Az 1. ábra Lavoisier kaloriméterét vázlatosan mutatja. Ma a hőveszteséget a kaloriméterben úgy mérik, hogy a hőt egy hűtő levegő- vagy vízárammal távolítják el, vagy mérik a hőáramlást a falon keresztül. Az első esetben a kaloriméter falán keresztül történő hővezetést megakadályozzák, és a hőáramlást a be- és kiáramlás közötti hőmérsékletkülönbség és a hűtőközeg áramlási sebességének szorzatával mérik. Az utóbbi esetben a falon keresztül történő hőáramlás megakadályozása helyett ennek az áramlásnak a sebességét a fal feletti hőmérsékletkülönbségekből mérik. Ezt a módszert gradiens rétegkalorimetriának nevezik.

Az indirekt kalorimetriában a hőtermelést kémiai folyamatokból számítják ki. Ha például tudjuk, hogy 1 mol glükóz oxidációjához 6 mol oxigénre van szükség, és 6 mol víz, 6 mol szén-dioxid és 2,8 MJ hő keletkezik, akkor a hőtermelés kiszámítható az oxigénfogyasztásból vagy a szén-dioxid-termelésből. Az oxigén és a szén-dioxid energiaegyenértéke az oxidált tápanyagtól függően változik (1. és 2. táblázat).

Brouwer (2) egyszerű képleteket állított fel a hőtermelés, valamint az oxigénfogyasztásból, széndioxid-termelésből és vizelet-nitrogén veszteségből oxidált szénhidrát (C), fehérje (P) és zsír (F) mennyiségének kiszámítására. A számítási elv három egyenletből áll az említett három mért változóval:

Az oxigénfogyasztás = 0,829 C + 0,967 P + 2,019 F

Szén-dioxid-termelés = 0,829 C + 0,775 P + 1,427 F

Hőtermelés = 21.1 C + 18,7 P + 19,6 F

A fehérjeoxidáció (g) kiszámítása 6,25 x vizelet-nitrogén (g), és ezt követően az oxigénfogyasztás és a szén-dioxid-termelés korrigálható a fehérjeoxidációval, hogy a szénhidrát- és zsíroxidáció kiszámítható legyen. Az energiatermelés (E) kiszámításának általános képlete, amely ezekből a számokból származik, a következő:

E = 16,20 * oxigénfogyasztás + 5,00 * széndioxid-termelés – 0,95 P

Ebben a képletben a P hozzájárulása az E-hoz, az úgynevezett fehérjekorrekció, csak csekély. A napi energiatermelés 10-15 százalékát kitevő normális fehérjeoxidáció esetén az E kiszámításához szükséges fehérjekorrekció körülbelül 1 százalék. Általában csak a vizelet nitrogénjét mérik, amikor a C, P és F energiatermeléshez való hozzájárulására vonatkozó információkra van szükség. Az energiatermelés kiszámításánál a fehérjekorrekciót gyakran elhanyagolják.

A metabolizálható energia hő formájában és külső munka formájában áll rendelkezésre az energiatermeléshez. Jelenleg a teljes energiaráfordítás becslésére az indirekt kalorimetria a legkorszerűbb. Az indirekt kalorimetriával az energiafelhasználást az oxigén és a szén-dioxid gáznemű cseréjéből számítják ki. Az eredmény a szervezet hőtermelésre és munkavégzésre fordított teljes energiafelhasználása. A közvetlen kalorimetriával csak a hőveszteséget mérik. Nyugalmi állapotban a teljes energiaráfordítás hővé alakul át. A fizikai aktivitás során munkavégzés is történik. A külső munkára fordított energiaráfordítás aránya a munka hatékonysága. Nyugalomban az indirekt kalorimetriával mért energiafelhasználás megegyezik a közvetlen kalorimetriával mért hőveszteséggel. Fizikai aktivitás során a hőveszteség szisztematikusan alacsonyabb, mint az indirekt kalorimetriával mért energiafelhasználás, és akár 25%-kal is lehet alacsonyabb, mint a teljes energiafelhasználás állóképességi edzés során. A különbség az edzés intenzitásával nő. Kerékpározás során például az indirekt kalorimetriával mért energiafelhasználás megegyezik a hőveszteség és a leadott teljesítmény összegével (3). A kerékpározás során a munka hatékonysága, a leadott teljesítmény és az energiafelhasználás hányadosa 15-25% között mozog.

Az embernél az energiafelhasználás mérésére alkalmazott indirekt kalorimetriát alkalmazó jelenlegi technikák közé tartozik az arcmaszk vagy szellőztetett csuklya, a légzőkamra (egész szobás kaloriméter) és a duplán jelölt víz módszer. Az arcmaszkot általában futópadon vagy kerékpár-ergométeren végzett standardizált tevékenységek során végzett energiafelhasználás mérésére használják. A nyugalmi energiafelhasználás és az élelmiszer-feldolgozással kapcsolatos energiafelhasználás (étrend okozta energiafelhasználás) mérésére szellőztetett motorháztetőt használnak. A légzőkamra egy légmentes helyiség, amelyet friss levegővel szellőztetnek. Alapvetően a légzőkamra és a szellőztetett elszívórendszer közötti különbség a méretben rejlik. A légzőkamrában az alany teljesen zárt, ahelyett, hogy csak a fejét zárná be, ami a kamra méretétől függően lehetővé teszi a fizikai aktivitást. A motorháztető alatti vagy légzőkamrában végzett méréseknél a levegőt egy szivattyúval szívják be a rendszeren keresztül, és egy keverőkamrába fújják, ahol mintát vesznek az elemzéshez. A mérések a levegő áramlását, valamint a be- és kiáramló levegő oxigén- és szén-dioxid-koncentrációját mérik. A légáram mérésére szolgáló leggyakoribb eszköz egy száraz gázmérő, amely hasonló ahhoz, amelyet a földgázfogyasztás otthoni mérésére használnak. Az oxigén- és szén-dioxid-koncentrációt általában paramágneses oxigénanalizátorral, illetve infravörös szén-dioxid-analizátorral mérik. A légáramlást úgy állítják be, hogy az oxigén- és szén-dioxid-koncentráció különbségei a be- és kimenet között 0,5 és 1,0% közötti tartományban maradjanak. Felnőttek esetében ez 50 l/perc körüli légáramlási sebességet jelent nyugalomban, csuklya alatt, 50-100 l/perc körüli értéket, ha ülő helyzetben, légzőkamrában tartózkodnak, míg edző személyeknél az áramlást 100 l/perc fölé kell emelni. Ez utóbbi helyzetben kompromisszumot kell kötni az áramlási sebesség tekintetében, ha a méréseket 24 órán keresztül kell folytatni, aktív és inaktív intervallumokat is beleértve. Edzés közben az 1%-os szén-dioxid-szintet nem szabad hosszú ideig túllépni. Pihenő szakaszok, például egy éjszakai alvás során a szint nem csökkenhet túlságosan a 0,5-1,0%-os optimális mérési tartomány alá. Az áramlási sebesség változtatása a megfigyelési intervallum alatt csökkenti a mérések pontosságát a rendszer reakcióideje miatt. Bár a csuklyás és a kamrás rendszer áramlási sebessége összehasonlítható, a légzőkamra térfogata több mint 20-szorosa a szellőztetett csuklya térfogatának. Következésképpen a megfigyelési időszak minimális hossza a csuklyában körülbelül 0,5 óra, míg a légzőkamrában 5-10 óra nagyságrendű.

A duplán jelölt víz módszer az indirekt kalorimetria innovatív változata, amely azon a felfedezésen alapul, hogy a légzőszervi szén-dioxidban lévő oxigén izotópos egyensúlyban van a testvízben lévő oxigénnel. E technika során a testvizet egy oxigén- és egy hidrogénizotóppal dúsítják, majd meghatározzák a két izotóp kimosódási kinetikáját. A kétszeresen jelölt víz kiváló módszer a teljes energiafelhasználás mérésére a normál környezetben élő, mozgáskorlátozatlan embereknél 1-4 hétig tartó időszak alatt. Miután a testvizet jelölt oxigénnel és hidrogénnel dúsítottuk a duplán jelölt víz fogyasztásával, az oxigénizotóp nagy része vízként távozik, de egy része szén-dioxidként is távozik, mivel a testfolyadékokban lévő CO2 a bikarbonát-medencékben történő csere miatt izotópos egyensúlyban van a testvízzel (4). A hidrogénizotóp csak víz formájában vész el. Így az oxigénizotóp kimosódása gyorsabb, mint a hidrogénizotópé, és a különbség a CO2-termelésnek felel meg. A választott izotópok az oxigén és a hidrogén stabil, nehéz izotópjai, az oxigén-18 (18O) és a deutérium (2H), mivel ezekkel elkerülhető a radioaktivitás használata, és biztonságosan használhatók. Mindkét izotóp természetesen előfordul az ivóvízben és így a testvízben is. A két izotóp eliminációjának különbségéből számított CO2-termelés az anyagcsere mérőszáma. A gyakorlatban a megfigyelés időtartamát az izotópok biológiai felezési ideje határozza meg az energiafelhasználás szintjének függvényében. A megfigyelés minimális időtartama körülbelül 3 nap a nagy energiaforgalmú alanyok, például koraszülött csecsemők vagy állóképességi sportolók esetében. A maximális időtartam 30 nap vagy körülbelül 4 hét idős (ülő) személyeknél. A megfigyelési időszak az alapminta gyűjtésével kezdődik. Ezután mérlegelt izotópadagot adnak be, általában 10% 18O és 5% 2H keverékét vízben. Egy 70 kg-os felnőtt esetében 100-150 ml vizet használnak. Ezt követően az izotópok egyensúlyba kerülnek a testvízzel, és a kiindulási mintát begyűjtik. Az egyensúlyozási idő a testmérettől és az anyagcsereráta függvénye. Egy felnőtt esetében az egyensúlyozás 4-8 órát vesz igénybe. Az egyensúlyozás alatt az alany általában nem fogyaszt ételt vagy italt. A kezdeti minta begyűjtése után a kísérleti személy a kísérletvezető utasításainak megfelelően rutinszerűen végzi a vizsgálatot. A megfigyelési időszak végéig rendszeres időközönként testvízmintákat (vér, nyál vagy vizelet) vesznek. A kétszeresen címkézett víz módszer pontos és pontos információt ad a szén-dioxid-termelésről. A szén-dioxid-termelés energiafelhasználásra való átváltásához a CO2 energiaegyenértékére vonatkozó információra van szükség (2. táblázat), amelyet az oxidálódó szubsztrátkeverékre vonatkozó további információkkal lehet kiszámítani. Az egyik lehetőség az energiaegyenérték kiszámítása az étrend makrotápanyag-összetételéből. Az energiamérlegben a szubsztrátfelvételt és a szubsztráthasznosítást azonosnak feltételezzük.