Kalorie

Kalorie (von lat. calor, Wärme) ist eine Messeinheit der Energie, insbesondere der Wärmemenge W (Einheitenzeichen cal). Inzwischen wurde sie von der internationalen SI-Einheit Joule abgelöst.

Eine Kalorie ist etwa 4,2 Joule und vermag ein Gramm bzw. einen Kubikzentimeter (1 cm³) Wasser um 1 K zu erwärmen (1000 cm³ = 1 Liter)

Oft werden insbesondere Brennwerte von Nahrungsmitteln nach wie vor zusätzlich zu der Angabe in Joule in Kilokalorien angegeben.

Die Angabe von physikalischen Einheiten auf Handelsprodukten innerhalb der EU hat rechtlich in physikalischen Einheiten des Internationalen Einheitensystems (SI-Einheiten) zu erfolgen, weshalb die Angabe in Kilokalorien nur unverbindlich und zusätzlich erfolgt. Im Zuge der endgültigen Umsetzung der EU-Richtlinie 80/181/EWG ^[1] zum 1. Januar 2010 ist die Anführung von Kalorien und allen anderen Nicht-SI-Einheiten auf Handelswaren wie Lebensmitteln in der gesamten EU nicht mehr zulässig.

Bei Lebensmitteln wird, besonders in der Werbung, fälschlich oft von Kalorien gesprochen, obwohl Kilokalorien (kcal) gemeint sind.

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Definition

Während die SI-Einheit Joule eindeutig festgelegt ist, wurden für die Kalorie unterschiedliche Werte für den Energiebetrag einer Kalorie definiert. Zwar sind die Abweichungen dieser unterschiedlichen Festlegungen im Bereich von Lebensmittel tolerierbar - außer wenn "Kalorien" genaue Energiemengen ausdrücken sollen und dabei nicht angegeben wird, auf welche der Definitionen sich eine bestimmte Kalorienangabe bezieht.

In den folgenden Tabellen sind einige Definitionen für die Kalorie samt deren Umrechnungsfaktoren angegeben:

Einheit Norm Fifth International Conference on the Properties of Steam Einheitenname Kalorie (international) Einheitenzeichen calIT Beschriebene Größe(n) Energie Größensymbol(e) In SI-Einheiten	Einheit Norm National Bureau of Standards Einheitenname Kalorie (thermochemisch) Einheitenzeichen calth Beschriebene Größe(n) Energie Größensymbol(e) In SI-Einheiten
Einheit Norm International Steam Table Conference Einheitenname Kalorie (14,5 °C–15,5 °C) Einheitenzeichen cal15 Beschriebene Größe(n) Energie Größensymbol(e) In SI-Einheiten

Darüber hinaus sind einige weitere Definitionen für die Kalorie verwendet worden:

• die Wärmemenge, die bei normalem atmosphärischen Druck von 1013,25 hPa benötigt wird, um 1 Gramm Wasser von 14,5 °C auf 15,5 °C zu erwärmen,
• die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 Gramm Wasser von 4 °C auf 5 °C zu erwärmen,
• die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 Gramm Wasser von 19,5 °C auf 20,5 °C zu erwärmen,
• die durchschnittliche Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 Gramm Wasser zwischen 0 °C und 100 °C um 1 Kelvin zu erwärmen.

Darüber hinaus gibt es andere Definitionen welche den Zahlenwert der Kalorie im Verhältnis zu einer anderen Maßeinheit spezifizieren:

• Im Jahr 1929 wurde auf der International Steam Table Conference in London eine Internationale Kalorie als 1/860 einer Internationalen Wattstunde definiert. Mit der Einführung des absoluten Einheitensystems für elektrische Maßeinheiten änderte sich dieser Wert auf 1/859,858 Wattstunden (etwa 4,18674 J)
• Die thermochemische Kalorie wurde 1953 vom National Bureau of Standards der Vereinigten Staaten als 4,184 J definiert,
• Auf der Fifth International Conference on the Properties of Steam 1956 in London wurde eine Internationale Kalorie als 4,1868 J festgelegt. Die Zahl wurde gewählt, weil sie einfach durch 9 teilbar war und somit Umrechnungen zwischen den kg - °C- und Btu/Pound - °F-Systemen erleichterte.

Umrechnung

Hier die Umrechnung Kalorie in Joule und zurück für die wichtigsten Definitionen:

1 cal_INT  

= 4,1867 J (1 J = 0,23885 cal_IT)

1 cal_th  

= 4,184 J (1 J = 0,23901 cal_th)

1 cal₁₅  

= 4,18580 J (1 J = 0,23890 cal₁₅)

Beispiele

Eine Kilokalorie entspricht der Menge an Energie, die notwendig ist, um ein Kilogramm Wasser um ein Kelvin zu erwärmen.

Somit dient dieser Wert auch als feste Konstante = Wärmekapazität (c-Wert) in der Wärmelehre beträgt die spez. Wärmekapazität von Wasser 4,186 kJ/kg•K

Beispiel: 1 Liter Mineralwasser von Kühlschrank-Temperatur (7 °C) auf Zimmertemperatur (20 °C) zu erwärmen, erfordert einen Energieaufwand von 13 Kilokalorien (kcal) oder 54,4 kJ oder 0,015 kWh, also 15 Wh.

Brennwert Beispiel: Der Brennwert einer Tafel Schokolade (530 Kilokalorien) würde ausreichen, um 530 Liter Wasser um 1 K zu erhitzen

Anwendung in der Ernährungslehre

In der Ernährungslehre wurde früher die Kalorie zur Angabe des Brennwerts von Lebensmitteln verwendet, heute dagegen hauptsächlich Joule. In Tabellen stehen oft beide Angaben. Wesentlich ist bei ihnen, dass die Energieangabe auf Lebensmitteln nur jenen Energiewert darstellt, den der menschliche Körper durch ablaufende chemische Reaktionen (Stoffwechsel) mittels seiner Verdauung gewinnen kann.

Bezug auf den menschlichen Organismus

Die Angabe des Brennwertes von Lebensmitteln beachtet bestimmte Energieanteile nicht, wie beispielsweise die thermische Energie, welche von der Temperatur abhängt. So kann der menschliche Körper aus Wasser keine für den Stoffwechsel direkt verwertbare Energie gewinnen. Dieses Lebensmittel weist daher für den Menschen immer 0 Kalorien auf, auch dann, wenn Wasser erwärmt wurde und daher eine größere Energiemenge (mehr Kalorien) gespeichert hat als kaltes Wasser (weniger Kalorien). Die Kalorie wird aber wie oben dargestellt gerade sehr oft durch die Erwärmung von Wasser ausgedrückt, was im Kontext zur Ernährungslehre keine Bedeutung hat.

Auch andere Lebewesen, wie beispielsweise Bakterien oder Wiederkäuer, können aus verschiedenen chemischen Substanzen durch vom Menschen unterschiedliche Stoffwechselvorgänge unterschiedlichen Energiewerte (Brennwerte) gewinnen. So ist Zellulose für den Menschen unverdaulich und weist für ihn daher eine Energiemenge von 0 Kalorien auf. Diese Stoffe werden im menschlichen Verdauungssystem auch als Ballaststoffe bezeichnet. Hingegen können Wiederkäuer durch eine andere Verdauung aus Zellulose Energie für ihren Stoffwechsel gewinnen. Die Kalorienangaben auf Lebensmitteln sind daher immer nur im Bezug zu den Besonderheiten des menschlichen Stoffwechsel zu sehen.

Begriff des Brennwertes in der Ernährungslehre

Der Begriff des Brennwertes für Lebensmittel ist nicht im direkten Wortsinn zu verstehen, denn Lebensmittel werden im Organismus nicht verbrannt. Der Begriff der Kalorie und des damit verknüpften Brennwertes entstand vor dem 20. Jahrhundert und diente dazu, den Energieumsatz primär von Dampfmaschinen durch Erwärmung von Wasser zu beschreiben. Zur Erwärmung dienen dabei Verbrennungsvorgänge (Oxidationen) von entsprechenden Brennmaterialien wie Holz oder Kohle. Aus diesem Kontext leitet sich auch der Begriff der Kalorie ab. Hingegen haben Lebewesen wie auch der Mensch eine gänzlich andere Art der Energiegewinnung als Dampfmaschinen: Lebensmittel werden nicht verbrannt und die thermische Ausdehnung zur Gewinnung einer mechanischen Arbeit ausgenutzt, sondern der Stoffwechsel in den Zellen wandelt sie in chemisch deutlich komplexeren Vorgängen um. Größtenteils laufen die Umwandlungen und Energiegewinnungen in mehreren, zeitlich versetzten Stufen ab, eine Abwärme fällt nur zu einem geringen Grad an. Auch ist der Wirkungsgrad dieser Energiegewinnung deutlich höher als bei der thermischen Energiegewinnung und dessen oberen Schranke im Carnot-Prozess - vor allem wenn man die geringe Temperaturdifferenz zwischen der Körpertemperatur von 37°C und den üblichen Umgebungstemperaturen von 20°C betrachtet. Daher ist der Begriff des Brennwertes für Lebensmittel nur im übertragenen Sinn zu verstehen.

Kilokalorie und Kalorie

Oft wird im Ernährungsbereich fälschlicherweise die Bezeichnung „Kalorie“ anstelle von „Kilokalorie“ benutzt. So bedeutet die umgangssprachliche, falsche Aussage: „Ein Gramm Fett enthält 9,3 Kalorien“ eigentlich: „Ein Gramm Fett enthält 9,3 Kilokalorien“ oder gleichwertig: „Ein Gramm Fett enthält 9300 Kalorien“.

Solche Schwierigkeiten stellen immerhin einen sehr deutlichen Fehler von drei Zehnerpotenzen dar und rühren wahrscheinlich von der Definition einer „Kilogramm Kalorie“ (kilogramm calorie, Einheitenzeichen C) im amerikanischen Raum her - einer dort jedoch veralteten Einheit. Möglich ist auch eine Sprachänderung durch Verkürzung (Auslassung des ersten Teils), die dadurch zustande kam, dass „Kilo“ nicht mehr als Modifikator der Maßeinheit wahrgenommen wurde und „Kalorie“ werbewirksamer ist als „Kilokalorie“.

Fernsehsendungen blenden häufig die richtige Bezeichnung „kcal“ ein, während im Beitrag von „Kalorien“ gesprochen wird. Im allgemeinen lassen sich diese Fehler aufgrund des Größenfehlers von drei Zehnerpotenzen leicht erkennen.

Kalorienverbrauch

Die Energiemenge, die der menschliche Körper pro Tag bei völliger Ruhe zur Aufrechterhaltung seiner Funktion benötigt, wird als Grundumsatz bezeichnet und beträgt bei einem 70 kg schweren Menschen ca. 70 kcal/h (Etwa eine kcal/h pro kg Körpergewicht). Die Energiemenge, die ein Mensch pro Tag umsetzen kann, liegt im Bereich von rund 1700 kcal bis 4000 kcal. Dies entspricht einem Bereich der mittleren Leistung von rund 80 W bis rund 200 W. Der Energieumsatz hängt stark von der jeweiligen Person, deren körperlicher Größe, Kondition sowie körperlicher Aktivität ab. Das menschliche Organ mit dem größten Grundumsatz ist das Gehirn.

Kalorienverbrauch bei verschiedenen Tätigkeiten:

Kalorientabelle

Hinweis: Die Schwankungen der kcal innerhalb einer Kategorie sind teilweise noch wesentlich größer. Es handelt sich hierbei um einen groben Überblick, bezogen auf gängige Lebensmittel. Zu beachten ist außerdem, dass der Brennwert teilweise auf Grund der Herstellung, Verarbeitung und Reifegrad der Naturprodukte stark schwanken kann. Außerdem ist der konkrete Brennwert auch von Mensch zu Mensch verschieden, da die Verdauung nicht bei jedem Menschen exakt die gleiche Energiemenge aus einem bestimmten Lebensmittel gewinnt.

Kalorienverbrauch als Wohlstandsindikator

Durch den Kalorienverbrauch pro Kopf lässt sich ermitteln, wie gut z. B. die Ernährungslage in einem Land ist. Deshalb ist der Kalorienverbrauch ein Wohlstandsindikator zur Klassifizierung von Entwicklungsländern.

Negative Kalorien

Von manchen Lebensmitteln wird behauptet, sie hätten negative Kalorien, d. h. bei ihrem Verzehr würde der Körper mehr Energie für die Verdauung verbrauchen als er aus ihnen aufnimmt. Je mehr man also isst, desto mehr nimmt man ab. Diese Eigenschaft wird vor allem diversen Obst- und Gemüse-Sorten zugesprochen, etwa Äpfeln, Spargel oder einigen Kohlsorten.

So etwas ist denkbar. Seriöse wissenschaftliche Studien, die darauf hindeuten, fehlen allerdings. Vielmehr ist zu vermuten, dass der Verzehr dieser Lebensmittel ebenfalls dem Körper mehr Energie zuführt als er ihm abverlangt; es kann zu „gefühlten“ negativen Kalorien dadurch kommen, dass diese Lebensmittel andere, energiereichere Lebensmittel ersetzen und dadurch der stets vorhandene Grundumsatz die aufgenommenen Kalorien überwiegt.

Als Beispiel für „negative Kalorien“ wird auch kaltes Wasser genannt, weil der Körper Energie aufbringen muss, um das getrunkene kalte Wasser auf Körpertemperatur zu erwärmen. Ein Liter 7 °C kaltes Wasser entzieht dem Körper rein rechnerisch 30 kcal (37 - 7 = 30). Doch der Körper muss die Wärmemenge normalerweise nicht zusätzlich erzeugen, sondern kann die Wärmeabgabe an die Umgebung um denselben Betrag reduzieren, indem er die Durchblutung der äußeren Hautschichten verringert (siehe Thermoregulation). Nur wenn das nicht ausreicht, um die Körpertemperatur zu halten, also bei Unterkühlung, ist ein nennenswerter Mehrverbrauch zu erwarten.

Siehe auch

• Diät
• Kalorienbombe

Quellen

1. ↑ RICHTLINIE 80/181/EWG DES RATES vom 20. Dezember 1979 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Meßwesen und zur Aufhebung der Richtlinie 71/354/EWG