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.

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]

Referencias

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Teorema. Porciones de valor de combustible

[Demostración] La figura ilustra el algoritmo para calcular el número de porciones necesarias para sostener cualquier tarea específica. Este modelo conceptualiza que las porciones requeridas son directamente proporcionales a la magnitud de la tarea y a una constante de consumo que refleja la intensidad energética de dicha actividad. A su vez, este número es inversamente proporcional al valor de combustible por porción (PFV), es decir, la energía total contenida en cada unidad de alimento. La tarea concreta puede ir desde el metabolismo pasivo (consumo energético basal por unidad de tiempo) hasta un desplazamiento (energía por unidad de distancia recorrida), o cualquier otra actividad que demande energía del organismo.

Este enfoque ofrece una herramienta práctica para cuantificar los requerimientos de combustible o alimento en diversas situaciones. La validez de este método se apoya en la asunción de una relación lineal entre el consumo de energía y la realización de la tarea. Al permitir estimar la ingesta necesaria tanto para funciones vitales básicas como para actividades físicas intensas, el modelo resulta invaluable. Por ello, es fundamental para la planificación nutricional de atletas, el trabajo de dietistas, y para cualquier individuo que busque optimizar su consumo energético con el fin de mantener un rendimiento específico o gestionar su salud de manera efectiva.

Demostración. Porciones de valor de combustible

Partiendo de una relación lineal entre la energía consumida y la unidad de tiempo o la unidad de distancia, el objetivo es determinar el número de porciones de un combustible (o alimento) necesarias para mantener un rendimiento específico en función de dichos parámetros.

Dado que se consideran dos variables independientes (el tiempo transcurrido y la distancia recorrida), la determinación del número de porciones resultará en dos respuestas separadas. Es crucial, no obstante, recordar que el consumo de energía en el cuerpo es un proceso intrínsecamente simultáneo y no se disocia por tiempo o distancia de forma aislada. Para establecer esta relación de proporcionalidad lineal, tal como se asume, ambas variables deben ser medidas y cuantificadas previamente con precisión.

La primera relación establece la energía consumida () como una función lineal del cambio de posición lineal (o desplazamiento) en el eje x (), mediada por una constante de proporcionalidad ().

La segunda relación define la energía consumida como una función del cambio de tiempo (o tiempo transcurrido).

El razonamiento anterior se puede extender para cualquier tarea que denominaremos alfa ()

Si la tarea () consume energía linealmente “lo que debe ir en el enunciado” entonces.

Con base en esto, podemos emplear el Portion Fuel Value (PFV) para relacionar el número de porciones de un combustible o alimento con la energía total adicionada o disponible para ser consumida, permitiendo mantener el rendimiento deseado.

Igualamos [4] y [5], y despejamos el número de porciones.

Tenga en cuenta que número de entidades es adimensional, a menos que estemos trabajando con tareas moleculares, donde las unidades serían moles. El teorema puede verse en su versión didáctica en este enlace.

Teorema. Valor de combustible por porción

El Portion Fuel Value (PFV) representa la energía total contenida en una porción predefinida de un alimento o sustancia. A diferencia del valor de combustible por gramo, que estandariza la energía por unidad de masa, el PFV se expresa directamente en unidades de energía (kilojulios o kilocalorías). Este valor se calcula multiplicando el valor de combustible específico por gramo (o de la mezcla, obtenido de la suma ponderada de sus componentes) por la masa específica de la porción. Así, el PFV ofrece una cuantificación directa y accesible del aporte energético de la cantidad de alimento que se consumiría típicamente.

El PFV es una herramienta indispensable en múltiples contextos prácticos. Para dietistas y nutricionistas, permite diseñar planes alimenticios personalizados, controlar la ingesta calórica y asegurar dietas equilibradas. En el ámbito deportivo, entrenadores y deportistas lo utilizan para optimizar rendimiento y recuperación, ajustando el consumo energético a las demandas del entrenamiento. Además, en la industria alimentaria y la alta cocina, el PFV es crucial para el desarrollo y etiquetado de productos, y la creación de platos con perfiles energéticos específicos, atendiendo a las necesidades de salud y preferencias del consumidor.

Teorema. Valor de combustible de una mezcla de alimentos

El procedimiento o algoritmo para calcular el valor de combustible de una mezcla no reactiva se basa en la contribución energética de cada uno de sus componentes individuales. Como se ilustra en la figura, el valor de combustible de la mezcla (Fᵥ) se determina mediante la suma ponderada de los valores de combustible de cada sustancia i (Fᵥᵢ) multiplicados por sus respectivas fracciones de masas de la sustancia i (wᵢ) dentro de la mezcla. Cada Fᵥᵢ, a su vez, representa el valor absoluto de la entalpía ajustada a la masa unitaria (por ejemplo, 1 gramo) de la sustancia pura, cuantificando la energía liberada por su combustión o descomposición. Este enfoque permite una cuantificación precisa del potencial energético de cualquier combinación de sustancias.

Este valor de combustible de la mezcla revela el potencial energético que poseen sustancias complejas como los alimentos. Al saber que los componentes de un alimento (como carbohidratos, grasas y proteínas) tienen valores de combustible estandarizados y disponibles en tablas, este algoritmo permite a nutricionistas plantear una aproximación rigurosa de la energía contenida en un alimento compuesto. De esta forma, se facilita el diseño de dietas equilibradas y el control calórico. Asimismo, chefs de alta cocina pueden utilizar esta información para optimizar la composición energética de sus platos, lo cual es crucial tanto para la salud como para la experiencia culinaria.

Demostración. Valor de combustible de una mezcla de alimentos

Este apartado se centra en la determinación del valor de combustible total para una mezcla, donde la composición de sus componentes se expresa como concentración de porcentaje en masa (también referida como porcentaje en peso o fracción de masa).

Dado que el valor de combustible se define con la entalpía a masa, podemos usar la definición original de dicho parámetro.

La entalpía de la reacción se puede expresar como la suma de entalpías individuales de los reactivos “ley de Hess”, por ende podemos decir que la suma de valores de combustible estará dada con respecto a la suma de masas, manteniendo la entalpía de la reacción general constante.

Para simplificar los términos asumiremos que la suma de valores de combustible () es igual al valor de combustible total o de la muestra (), y del mismo modo para la masa total () como igual a la suma de masas del sistema (). 

Expresamos la entalpía de la sustancia como función de la etalpía estándar usando el teorema Entalpía de descomposición o síntesis.

Combinamos [4] con [5] y aislamos el valor absoluto al único término que afecta. Tenga en cuenta que estamos pensando en una mezcla no reactiva, es decir la suma de energías liberables por varios combustibles en el estado potencial o inicial, de allí que no tengamos interés en una resta.

Invocamos el valor de combustible se define con la entalpía a masa, aislando el valor absoluto.

Despejamos el valor absoluto de la entalpía estándar de la sustancia.

Combinamos [6] con [8], con lo que desaparecen las notaciones de valor absoluto.

Usando el axioma de masa molar.

Despejamos el producto ().

Lo que nos permite reemplazar [11] en [9].

Reorganizamos los términos.

Multiplicamos el factor común por todos los términos de la suma.

Con lo que obtenemos la definición de fracción de masas.

Lo que nos permite obtener el valor de combustible de una mezcla. Por ejemplo un alimento con ciertas composiciones porcentuales de nutrientes como los listados en esta tabla. La versión didáctica de [15] puede verse en este enlace.