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Kalorimetrie Kalorien-Zähler – Physikalischer vs. Physiologischer Brennwert von Nahrungsmitteln

| Autor / Redakteur: Heinz-Dieter Isengard* und Kai-Oliver Linde** / Dr. Ilka Ottleben

Der eine beachtet sie aufgrund der Leibesfülle eventuell mehr, der andere weniger – Kalorienangaben auf Lebensmitteln sind in der EU Pflicht. Doch was sagen diese Angaben tatsächlich über den „Brennwert“ von Lebensmitteln aus? Eine ganzheitliche Betrachtung.

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Abb. 1a: In einem so genannten Verbrennungskalorimeter ...
Abb. 1a: In einem so genannten Verbrennungskalorimeter ...
(Bild: IKA-Werke)

Auf den Etiketten eines jeden Nahrungsmittels finden sich neben der Zusammensetzung, den Herstellerangaben und dem Ablaufdatum auch die Angaben zum Energie-/Kaloriengehalt. Hier gilt die EU-Verordnung Nr. 1169/2011 bzw. auch die Lebensmittelinformationsverordnung. Früher noch in Kalorien angegeben, verwendet man heute nach europäischer Vorschrift neben der klassischen gewohnten Einheit Kalorie (cal) bzw. Kilokalorie (kcal) die Einheit Joule (J) bzw. Kilojoule (kJ) pro Gewichtseinheit. Was aber soll uns dieser Wert genau sagen? Woher kommen diese Angaben und wie wird der Kaloriengehalt genau ermittelt?

Von Kalorien und Kalorimetern

Das Wort Kalorie leitet sich vom lateinischen Wort calor für „Wärme“ ab. Eine Kalorie stellt die Menge an Energie dar, die notwendig ist, um 1 g Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen. Zur Messung des physikalischen Energiegehalts in Lebensmitteln werden so genannte Verbrennungskalorimeter (s. Abb. 1) verwendet. Hier wird eine Probe unter kontrollierten Bedingungen unter Sauerstoffüberdruck vollständig verbrannt. Alle Bestandteile des vorher homogenisierten und entsprechend aufbereiteten Lebensmittels werden vollständig oxidiert. Die organischen Bestandteile liegen nach der Verbrennung in Form von CO2, Wasser und Säuren im Verbrennungsraum des Kalorimeters vor.

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Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird die Probe in einem Brennraum verbrannt (Flamme) und die dabei frei werdende Wärme auf das ihn umgebende Wasser übertragen. Das Wasser muss ausreichend gut durchmischt werden, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu gewährleisten. Mit einem Temperaturfühler kann die Temperatur vor und nach dem Versuch mit einer Auflösung von einem zehntausendstel Grad Celsius ermittelt werden.

Das hier dargestellte kompakte Static-jacket-Kalorimeter von IKA hat, wie schon der Name sagt, einen ungeregelten (statischen) Mantel mit isolierender Funktion. Alle Arbeitsschritte in Zusammenhang mit dem Kalorimeter wie zum Beispiel das Wasser- und Sauerstoffhandling werden von dem vollautomatisierten Gerät erledigt. Da aber immer ein kleiner Wärmefluss vorhanden sein wird, ist es notwendig, diesen zu ermitteln, um anschließend die Temperatur entsprechend zu korrigieren. Das erfolgt nach einer der klassischen Korrekturberechnungsmethoden der Kalorimeternormen eines isoperibolen Kalorimeters (Regnault-Pfaundler) (s. Abb. 2).

Physikalischer Brennwert

Die Probenvorbereitung ist ein entscheidender Teil der Brennwertbestimmung. Lebensmittel sollten in der Regel schonend gefriergetrocknet und homogenisiert in das Kalorimeter eingebracht werden. Vor allen Dingen der Wassergehalt der Proben beeinflusst das Ergebnis.

Das Kalorimeter liefert letztendlich den so genannten physikalischen Brennwert. D.h. die Probe wurde vollständig verbrannt. In unserem Körper laufen diese Prozesse glücklicherweise nicht in der gleichen Weise ab wie in einem Verbrennungskalorimeter, sondern abgestuft in sehr vielen Einzelschritten, bei denen immer nur ein vergleichsweise sehr kleiner Energiebetrag freigesetzt wird, der für die Synthese von für den Körper benötigten Substanzen und zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur verwendet wird. Auch werden spezielle energiereiche Moleküle aufgebaut, die zu späterer Zeit und an anderer Stelle für die Biosynthese von Verbindungen verwendet werden können. Man muss also nicht ständig Nahrung zu sich nehmen, um Energie zur Verfügung zu haben und Stoffe aufzubauen. Dies bedeutet, dass der Organismus die zu sich genommenen Stoffe keineswegs immer vollständig abbaut; er scheidet einen Teil davon wieder aus, v.a. solche, zu deren Abbau er nicht befähigt ist, die aber physikalisch verbrannt werden können.

Die im Kalorimeter gemessenen Brennwerte sind deshalb oft höher als die auf den Nahrungsmittelkennzeichnungslabeln angegebenen, denn diese beschreiben den Wert, der tatsächlich vom Organismus freigesetzt wird, den so genannten physiologischen Brennwert.

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