Termoquímica de los alimentos

[Termoquímica] Sección 6. Conceptos clave. [Termoquímica de alimentos] [Tablas de valores de combustibles de los alimentos] Otros conceptos. [Fuentes de energía del mundo] 

La mayoría de las reacciones químicas empleadas para la producción de calor son de combustión. La energía liberada cuando se quema un gramo de cualquier sustancia se conoce como el poder calorífico o valor energético de dicha sustancia. Este poder calorífico, tanto en alimentos como en diversos combustibles, puede medirse con precisión mediante la calorimetría.

Las unidades de energía kilojoule (kJ), kilocaloría (kcal) y Caloría (Cal) son fundamentales, pero su notación puede generar confusión. Una kilocaloría (kcal) equivale a 4184 kJ, y la Caloría (Cal) nutricional (con "C" mayúscula) es idéntica a una kilocaloría (1 Cal = 1 kcal). La caloría (cal), con "c" minúscula, es una unidad mil veces menor (1 kcal = 1000 cal).

Para simplificar el manejo de estas unidades en este texto, hemos adoptado una convención estricta para los números: los miles NO LLEVAN SEPARADOR. Es decir, las cifras de las unidades de mil en adelante se escriben de corrido, sin comas ni puntos para separar miles. Además, solo se utiliza el punto (.) como separador para los decimales. Esta regla busca facilitar la lectura al estudiante, eliminando la ambigüedad de cuál separador corresponde a miles o decimales según el contexto o la región. Así, se enfatiza que "los miles van de corrido". Se aconseja precaución al usar calculadoras que puedan seguir otras notaciones, aunque algunas, como las Casio, ya emplean esta convención de no separar los miles.

La glucosa como fuente de energía

La mayor parte de la energía que nuestro cuerpo necesita proviene de los carbohidratos y las grasas. Los carbohidratos, como los almidones, se descomponen en los intestinos en glucosa (C₆H₁₂O₆). La glucosa, soluble en sangre, es comúnmente conocida como azúcar en sangre. Desde allí, es transportada por la sangre a las células, donde reacciona con el oxígeno (O₂) en una serie de pasos complejos (estudiados en los capítulos de glucólisis y respiración celular). Este proceso produce finalmente dióxido de carbono (CO₂(g)), agua líquida (H₂O(l)) y energía, con una entalpía estándar de -2803 kJ/mol de reacción (equivalente a -2803 kJ por mol de glucosa).

Dado que los carbohidratos se descomponen con celeridad, su energía se suministra de forma ágil al cuerpo. Sin embargo, el cuerpo almacena solo una cantidad muy pequeña de carbohidratos. El valor medio de combustible de los carbohidratos es de 17 kJ/g o 4 kcal/g

Las grasas como fuente de energía

De forma análoga a los carbohidratos, las grasas también producen dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O) al ser metabolizadas. Por ejemplo, la triestearina (C₅₇H₁₁₀O₆), una grasa representativa, posee una entalpía estándar de reacción de -275520 kJ/mol. El organismo emplea la energía química derivada de los alimentos para funciones vitales como mantener la temperatura corporal, la contracción muscular, y la construcción y reparación de tejidos.

Cualquier exceso de energía se almacena en forma de grasas. Las grasas son especialmente idóneas como reserva energética corporal por, al menos, dos motivos fundamentales: (a) su insolubilidad en agua facilita su almacenamiento eficiente en el organismo, y (b) su capacidad de producir más energía por gramo en comparación con las proteínas o los carbohidratos, lo que las convierte en fuentes de energía compactas. El valor medio de combustible de las grasas es de 38 kJ/g o 9 kcal/g

Midiendo la entalpía de una reacción en un paso o en múltiples pasos

La combustión de carbohidratos y grasas en un calorímetro de bomba produce los mismos productos finales que su metabolismo en el organismo. Es crucial entender que, si bien en el cuerpo las sustancias orgánicas no se oxidan mediante una combustión rápida —evitando así la autoignición espontánea—, la relevancia de la calorimetría radica en la naturaleza de la energía.

Lo que ocurre es que la entalpía estándar de una reacción (ΔH°), al ser una variable de estado, posee el mismo valor independientemente de la ruta seguida. Esto significa que su magnitud es idéntica tanto si la transformación se realiza en un único paso (como la combustión en un calorímetro de bomba) como si sucede a través de una secuencia de múltiples pasos graduales, tal como ocurre en los complejos procesos metabólicos biológicos.

Proteínas como fuentes de energía

El metabolismo de las proteínas genera una cantidad de energía inferior a la que se obtendría por su combustión en un calorímetro, debido a la diferencia en los productos finales. Las proteínas contienen nitrógeno, el cual se libera como nitrógeno molecular (N₂) en el calorímetro de bomba. Sin embargo, en el organismo, este nitrógeno se transforma y excreta principalmente como urea ((NH₂)₂CO).

El cuerpo utiliza las proteínas fundamentalmente como materiales de construcción esenciales para la formación y reparación de tejidos, tales como los de órganos, piel, cabello y músculos. En promedio, el metabolismo de las proteínas produce aproximadamente 17 kJ/g o 4 kcal/g, un valor energético similar al de los carbohidratos.

Tablas de valor de combustible en alimentos

Los valores de combustible para algunos alimentos comunes se muestran en esta tabla. Las etiquetas de los alimentos envasados detallan la composición en carbohidratos, grasas y proteínas por porción promedio, junto con la energía total que dicha porción aporta. La necesidad energética de nuestro organismo fluctúa significativamente, influenciada por factores como el peso corporal, la edad y el nivel de actividad muscular.

Para mantener las funciones vitales a un nivel basal, se requieren aproximadamente 100 kJ por kilogramo de masa corporal al día. Una persona adulta promedio, con un peso de 70 kg (aproximadamente 154 libras), puede gastar alrededor de 800 kJ/h durante una actividad física ligera, mientras que una actividad intensa puede demandar 2000 kJ/h o incluso más. Cuando el valor energético (o contenido calórico) de los alimentos ingeridos supera la energía gastada, el organismo almacena el excedente en forma de grasa.

Calculando el valor de combustible

Definiremos el valor de combustible como el valor absoluto de la. No existe un único símbolo Unicode universalmente estandarizado y exclusivo para el parámetro "valor de combustible" que sea tan distintivo como, por ejemplo, "ΔH" para la entalpía. En este texto usaremos () por “fuel value” de la sustancia (i). Esto implica que el valor de combustible será un valor positivo, que es mas intuitivo, y estará dado en unidades de kJ/g.

Figura 1. El valor de combustible (Fᵥᵢ) es el valor absoluto de la entalpía a masa de una sustancia, cuantificando su energía por unidad de masa. Se calcula dividiendo la entalpía estándar de descomposición entre la masa molar. El uso del valor absoluto evita signos negativos que confundan a lectores no especializados en tablas de alimentos para dietas, garantizando que las cifras reflejen directamente la magnitud de la energía disponible.

Figura 2. El valor de combustible de la mezcla (Fᵥ) se calcula sumando los valores de combustible individuales (Fᵥᵢ) de sus componentes multiplicados por sus fracciones de masa (wᵢ). Este método revela el potencial energético de alimentos compuestos, ya que los valores individuales están estandarizados. Así, nutricionistas y chefs pueden estimar la energía para dietas equilibradas o la optimización culinaria

Figura 3. El valor de combustible de una porción (Portion Fuel Value, PFV) representará la energía total contenida en una porción definida de una sustancia o alimento. Consecuentemente, sus unidades serán exclusivamente de energía (por ejemplo, kilojulios o kilocalorías), ya que no se estandariza por unidad de masa, sino que se refiere a la cantidad energética presente en la porción específica indicada. De acuerdo con lo expuesto, a partir de ahora nos referiremos a esta variable como Portion Fuel Value (PFV).

Figura 4. La figura detalla cómo calcular el número de porciones para una tarea específica. Esto depende de la magnitud de la tarea, una constante de consumo (energía por actividad) y el valor de combustible por porción (PFV). Asumiendo una relación lineal de consumo energético, este modelo permite a nutricionistas y deportistas cuantificar la ingesta necesaria para mantener el rendimiento en actividades como el metabolismo o el desplazamiento.

[Ejercicios resueltos de termoquímica de alimentos]

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