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Die Berechnung des Brennwerts von Lebensmitteln

How to Calculate the Energy Values of Food

Hast du jemals versucht, den Kaloriengehalt von Lebensmitteln anhand der enthaltenen Makronährstoffe zu berechnen, und kein brauchbares Ergebnis erzielt? Dieser Artikel könnte erklären warum.

Brennwert-Umrechnungsfaktoren

In der Lebensmittelindustrie wird mit dem Atwater-Sytem[1] anhand der 4-9-4-Methode der Gesamtbrennwert von Lebensmitteln berechnet. Dieses System arbeitet mit Brennwert-Umrechnungsfaktoren für die Makronährstoffe Kohlenhydrate, Fett, Protein und Ballaststoffe. Die Durchschnittsbrennwerte werden als Kalorien pro Gramm des Makronährstoffs ausgedrückt. Das Atwater-System geht von folgenden Grundfaktoren für den Brennwert aus: 4 kcal pro Gramm (kcal/g) (17 kJ/g) für Protein, 4 kcal/g für Kohlenhydrate und 9 kcal/g (37 kJ/g) für Fett[2]. Alkohol gilt theoretisch auch als Makronährstoff und enthält 7 kcal/g (29 kJ/g)[2]. Beispiel: Bei einem Lebensmittel mit einem Proteingehalt von 20 g ergibt 20 multipliziert mit dem Faktor 4 einen Brennwert von 80 Kalorien aus dem enthaltenen Protein.

Auf dieser Grundlage wurde das Grundfaktorsystem erweitert, sodass es auch zur Konservierung genutzte organische Säuren mit 3 kcal/g (13 kJ/g) und Polyole mit 2,4 kcal/g (10 kJ/g) berücksichtigt[3].

Die zugrunde liegenden Werte wurden mithilfe eines Bombenkalorimeters bestimmt. Hierbei wird die abgegebene Wärme bei der Verbrennung der Nährstoffe und die sich daraus ergebende Energiemenge gemessen[4].

Praktische Erwägungen

Das Atwater-System weist bei der Bestimmung des Gesamtbrennwerts von Lebensmitteln einige Schwachstellen auf. Bei den Brennwert-Umrechnungsfaktoren handelt es sich um Näherungswerte, sodass im Vergleich zur direkten Messung mittels Bombenkalorimetrie Abweichungen wahrscheinlich sind. Die Brennwert-Umrechnungsfaktoren für Makronährstoffe als Ganzes sind daher nicht als absolut zu betrachten.

Eiweiß

Bei Berücksichtigung von Korrekturfaktoren für die Verbrennung wurde für einzelne Aminosäuren ein abweichender Kaloriengehalt festgestellt[5]. Der Umrechnungsfaktor von 4 Kalorien pro Gramm bei Protein ist lediglich ein Durchschnittswert für den Energiegehalt aller Aminosäuren[6]. Das bedeutet, wenn ein Lebensmittel einen hohen Gehalt der Aminosäure Phenylalanin mit 6,7 kcal/g (28 kJ/g)[5] aufweist, also einem im Vergleich zu anderen Aminosäuren relativ hohen Brennwert, kann der Gesamtbrennwert dieses Lebensmittels über dem mittels Protein-Umrechnungsfaktor berechneten Wert liegen. In der folgenden Tabelle ist die von den einzelnen Aminosäuren produzierte Verbrennungswärme als Brennwert-Umrechnungsfaktor aufgeführt.

Abbildung 1: Verbrennungswärme von Aminosäuren[5]

Aminosäure Verbrennungswärme (kcal/g)
Alanin 4,341
Arginin 5,129
Asparagin 3,488
Asparaginsäure 2,875
Cystein 3,256
Cystin 3,015
Glutaminsäure 3,646
Glutamin 4,207
Glycin 3,097
Histidin 4,851
Isoleucin 6,523
Leucin 6,524
Lysin 6,038
Methionin 4,456
Ornithin 5,493
Phenylalanin 6,723
Prolin 5,681
Serin 3,308
Threonin 4,120
Tryptophan 6,588
Tyrosin 5,859
Valin 5,963

Kohlenhydrate

Die angenommenen Werte für Kohlenhydrate sind noch problematischer. Zunächst unterscheidet der Umrechnungsfaktor nicht zwischen Zuckern, Stärke und Ballaststoffen. So beträgt beispielsweise die Verbrennungswärme von Monosacchariden 3,75 kcal/g (16 kJ/g), von Disacchariden 3,95 kcal/g (17 kJ/g) und von Polysacchariden 4,15–4,20 kcal/g (17–18 kJ/g)[7]. Ebenfalls zu berücksichtigen sind die auch als Polyole bezeichneten Zuckeralkohole. Sämtliche dieser organischen, zuckerähnlichen Verbindungen weisen unterschiedliche Brennwert-Umrechnungsfaktoren auf. Der Umrechnungsfaktor für Xylitol beträgt zum Beispiel 2,4 kcal/g (10 kJ/g), wogegen Glycerol 4,3 kcal/g (18 kJ/g) und Erythritol 0 kcal/g liefern[2]. Trotzdem gelten bei Zuckeralkoholen mit Ausnahme von Erythritol 2,4 kcal/g (10 kJ/g) als allgemeiner Richtwert für den Umrechnungsfaktor[2].

So kann etwa bei einem Lebensmittel, das vor allem Monosaccharide enthält, der Brennwert-Umrechnungsfaktor von 4 kcal/g einen zu hohen angenommenen Kaloriengehalt ergeben. Weiterhin berücksichtigt die Atwater-Methode nicht die verschieden Varianten von Ballaststoffen und den daraus resultierenden Kaloriengehalt. Ballaststoffe können im Dickdarm teilweise zersetzt und aufgenommen werden, und man geht davon aus, dass sie zu 70 % gärfähig[3] sind. Daher liefern sie ein gewisses Maß an verwertbarer Energie. Das Ausmaß dieser Zersetzung ist individuell unterschiedlich und abhängig von der Ballaststoffquelle. Es liegen derzeit keine eindeutigen Daten vor, um den Einfluss von Ballaststoffen einzukalkulieren. Allerdings findet in der Lebensmittelindustrie im Allgemeinen ein Umrechnungsfaktor von 2 kcal/g (8 kJ/g)[8] Anwendung.

Fett

Auch Fettsäuren unterscheiden sich in ihrer Verbrennungswärme, die Unterschiede sind hier jedoch relativ gering. Der Wert für langkettige Triglyceride beträgt 9 kcal/g, für mittelkettige Triglyceride (MCTs) liegt er dagegen bei 8,3 kcal/g (35 kJ/g)[9] und für Salatrims, die als kalorienreduzierte Fettersatzstoffe verwendet werden[9], bei 6 kcal/g (25 kJ/g)[3]. Dennoch gelten in der Lebensmittelindustrie 9 kcal/g als Standard-Umrechnungsfaktor für Fett.

Brennwertumrechnung für Kohlenhydrate in den USA im Vergleich zu Großbritannien und EU

Im Allgemeinen stimmt die Brennwertumrechnung in den USA mit der in Großbritannien und Europa überein. Allerdings unterscheidet sich die Berechnung bei Kohlenhydraten, die in den USA nach der Methode „Kohlenhydrate nach Subtraktion“ erfolgt[10]. Der daraus resultierende Wert für „Gesamt-Kohlenhydrate“ enthält Zucker, Stärke und Ballaststoffe[10]. Bei den Nährwertangaben in der EU sind Kohlenhydrate als „verwertbare Kohlenhydrate“ definiert, was den Ballaststoffanteil nicht einschließt und sich stattdessen aus der Summe von Zuckern und Stärke in einem Lebensmittel ergibt[10].

Fazit

Vorerst stellen die Brennwert-Umrechnungsfaktoren eine Methode zur ungefähren Ermittlung der Energieaufnahme dar, deren Defizite allerdings nicht von der Hand zu weisen sind. Dennoch lohnt es sich, die Relevanz dieser Mängel und ihre praktischen Auswirkungen zu prüfen. Beim Brennwert kommt es zwar zu leichten Abweichungen zwischen seiner Berechnung und der Messung anhand der Verbrennungswärme, diese sind unter Umständen aber vernachlässigbar gering.

Quellen

  1. Merrill A, et al. Energy value of foods: basis and derivation. Washington DC: ARS United States Department of Agriculture; 1973.
  2. Food and Drink Europe. Guidance on the Provision of Food Information to Consumers Regulation (EU) No. 1169/2011. 2013.
  3. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Food energy - methods of analysis and conversion factors; 2003.
  4. Widdowson E. Note on the calculation of the energy value of foods and of diets. In: Paul AA, Southgate DA, eds. The composition of foods. 4 ed. New York. 1978.
  5. May ME, et al. Energy content of diets of variable amino acid composition. Am J Clin Nutr. 1990; 52(5):770-6.
  6. Sands R. Rapid method for calculating energy value of food components. Food Technology. 1974:29-40.
  7. Joint FAO/WHO/UNU. The Relationship Between Food Composition and Available Energy. Rome. 1981
  8. Ingle DL, et al. Dietary energy value of medium-chain triglycerides. Journal of Food Science. 1999; 64:960-3.
  9. Sørensen LB, et al. The effect of salatrim, a low-calorie modified triacylglycerol, on appetite and energy intake. Am J Clin Nutr. 2008; 87(5):1163-9.
  10. ESHA Research. How carbs are calculated in different countries. 2015 [Available from: https://www.esha.com/how-carbs-are-calculated-in-different-countries/].

 

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