Physiologischer Brennwert

Der physiologische Brennwert von Nahrungsmitteln gibt die spezifische Energie an, die bei deren Verstoffwechselung (Zellatmung) im Körper eines Organismus verfügbar gemacht werden kann. Der energetische Aufwand, den der Körper hierfür andererseits betreiben muss, bleibt dabei unberücksichtigt; es handelt sich also um Bruttowerte.

Der physiologische Brennwert ist im Allgemeinen geringer als der physikalische Brennwert bei der vollständigen Verbrennung in einer Flamme.

In der Nährwertkennzeichnung der EU müssen die Angaben in kJ (Kilojoule) pro 100 g bzw. bei flüssigen Lebensmitteln in kJ pro 100 ml erfolgen; zusätzlich sind kJ pro Portion erlaubt, soweit das Produkt portioniert oder die angenommene Portionsgröße angegeben ist. Daneben sind auch noch die entsprechenden Werte in der veralteten, aber in der Ernährungswissenschaft teils noch gebräuchlichen Einheit Kalorie anzugeben, jeweils mit kcal (Kilokalorien) statt kJ.^[1]

Bestimmung physiologischer Brennwerte

In der Praxis stellt sich die Frage, wie bei Produkten des täglichen Verbrauchs Brennwerte bestimmt werden können. Zur Bestimmung des thermodynamischen Brennwerts wird ein Bombenkalorimeter benutzt, in dem das Nahrungsmittel zu Asche verbrannt wird. Für den physiologischen Brennwert wird vom Ergebnis der geschätzte Brennwert der verdauten Überreste abgezogen.

Der physikalische Brennwert ist also etwas objektiv Bestimmbares; der geschätzte Brennwert der verdauten Überreste hängt jedoch vom jeweiligen Lebewesen ab. Der per Kalorimeter ermittelte Wert ist die Energie, die bei Umsetzen des jeweiligen Stoffes mit Sauerstoff frei wird.

Der Brennwert der verdauten Überreste wird folgendermaßen geschätzt: Eine durchschnittliche Verdauung bei durchschnittlicher Ernährungsweise wird als Basis angenommen, dann wird der Teil der Exkremente, der von einem bestimmten Nahrungsmittel stammt, geschätzt. Ansonsten müsste man sämtliche darin enthaltenen Darmbakterien absondern (ca. 30 %) wie auch ebenfalls abgeschilferte Darmzellen. Dann könnte man den Rest im Kalorimeter verbrennen und den Wert vom physikalischen Brennwert des interessierenden Nahrungsmittels abziehen.

Der physiologische Brennwert ist nur ein grober Richtwert für Menschen. Es spielt das individuelle Verdauungssystem eine Rolle. Auch für einen einzelnen Menschen gelten keine allgemeinen Werte; das Verdauungssystem ist zeitlich wie auch nahrungsmittelspezifisch unterschiedlich effektiv. Zudem unterliegt die Zusammensetzung von Lebensmitteln zum Teil erheblichen natürlichen Schwankungen. Brennwertangaben stellen also nur eine grobe Annäherung an die im Einzelfall tatsächlich extrahierte spezifische Energie dar.

Ein extremes Beispiel zum Unterschied von thermischem und physiologischem Brennwert wäre der Verzehr eines Steinkohlebriketts, das im Bombenkalorimeter einen sehr hohen Brennwert hat, das aber aus dem menschlichen Körper unverdaut ausgeschieden wird. Ähnlich verhält es sich beim Verzehr von Zellulose, die der menschliche Körper – im Gegensatz zu Wiederkäuern – nicht aufschließen kann.

Bezug auf den menschlichen Organismus

Die Angabe des Brennwerts von Lebensmitteln beachtet bestimmte Energieanteile nicht, wie beispielsweise die thermische Energie, die von der Temperatur abhängt. So kann der menschliche Körper aus Wasser keine für den Stoffwechsel direkt verwertbare Energie gewinnen. Dieses Lebensmittel hat daher für den Menschen unabhängig von der Temperatur immer einen Brennwert von null, obwohl warmes Wasser mehr Energie gespeichert hat als kaltes Wasser. Im Gegensatz dazu werden in der Kalorimetrie gerade diese Differenzen mit denselben Einheiten ausgedrückt, die beim physiologischen Brennwert verwendet werden.

Andere Lebewesen, beispielsweise Bakterien oder Wiederkäuer, können aus verschiedenen Nahrungsbestandteilen, die für den Menschen unverwertbar sind, Energie gewinnen, weil sich ihre Stoffwechselvorgänge von denen des Menschen unterscheiden. Diese Stoffe werden im menschlichen Verdauungssystem auch als Ballaststoffe bezeichnet. So ist Zellulose für den Menschen unverdaulich, hat für ihn also keinen Brennwert. Hingegen können Wiederkäuer mit Hilfe der Pansen-Mikroben aus Zellulose Energie für ihren Stoffwechsel gewinnen. Die Brennwertangaben auf Lebensmitteln sind daher immer nur im Bezug zu den Besonderheiten des menschlichen Stoffwechsels zu sehen.

Begriff des Brennwerts in der Ernährungslehre

Der Begriff des Brennwerts für Lebensmittel ist nicht im direkten Wortsinn zu verstehen, denn Lebensmittel werden im Organismus nicht "verbrannt". Der Begriff der Wärmemenge und des damit verknüpften Brennwerts entstand vor dem 20. Jahrhundert und diente dazu, den Energieumsatz primär von Dampfmaschinen durch Erwärmung von Wasser zu beschreiben. Zur Erwärmung dienen dabei Verbrennungsvorgänge (Oxidation) von entsprechenden Brennmaterialien wie Holz oder Kohle. 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 deren oberer Schranke im Carnot-Prozess – vor allem wenn man die geringe Temperaturdifferenz zwischen der Körpertemperatur von 37 °C und den üblichen Umgebungstemperaturen betrachtet.

Die ersten systematischen Untersuchungen zum physiologischen Brennwert von Nährstoffen wurden Ende des 19./Beginn des 20. Jahrhunderts durchgeführt^[2].

Bei einer katalytischen Oxidation (Verbrennung) stört der Wasseranteil nicht, den der Heizwert berücksichtigt, er verringert lediglich den Anteil der oxidierbaren Masse. Deshalb ist beispielsweise der Nährwert eines Apfels mit seinem hohen Wasseranteil kleiner als der von Pommes frites.

Kritik an Aussagekraft und Verwendung

Schon wegen der genannten Ungenauigkeiten ist umstritten, inwieweit der physiologische Brennwert überhaupt Aussagekraft besitzt, etwa für Diäten. Die Kritik in Kurzfassung: Schon der physikalische Brennwert für ein bestimmtes Lebensmittel fällt im Einzelfall höchst unterschiedlich aus, je nach Anbaubedingungen, Verarbeitung etc. Die nach dem Verzehr über die Verdauung ausgeschiedenen Anteile sind nur geschätzt und variieren stark von Person zu Person. Der Rest wird im Körper nicht verbrannt, sondern auf vielfältigste Weise (oft unter Energiefreigabe) abgebaut und umgekehrt (unter Energieeinsatz) wieder neu zusammengesetzt, teils auch mit dem Urin ausgeschieden. Erhebliche Teile der Nahrung werden überhaupt nicht energetisch verwertet, sondern als Bausteine im Körper verwendet.

Alles zusammengenommen sei, so die Kritik, ein für jedermann gültiger, auch nur halbwegs plausibler physiologischer Brennwert überhaupt nicht wissenschaftlich herleitbar. Erst recht ließen die gängigen, oft genug von Quelle zu Quelle stark abweichenden Zahlen keine Aussagen über den Fettstoffwechsel zu. Zudem sei auch der Energieverbrauch eines Menschen, etwa für bestimmte körperliche Tätigkeiten, von Fall zu Fall höchst unterschiedlich. Insgesamt sei jegliches "Kalorienrechnen" mehr Quacksalberei bzw. Geschäftemacherei denn seriöse Wissenschaft.^[3]

Energieumsatz

Die Energiemenge, die der menschliche Körper pro Tag bei völliger Ruhe zur Aufrechterhaltung seiner Funktion benötigt, wird als Grundumsatz bezeichnet. Als Richtwert kann man 100 kJ pro Tag und kg Körpermasse ansetzen, also täglich 7000 kJ (etwa 1,9 kWh) für einen 70 kg schweren Menschen – bei Frauen etwas weniger als bei Männern. Der Energieumsatz hängt stark von der jeweiligen Person, deren körperlichen Größe, Kondition sowie körperlicher Aktivität und der Umgebungstemperatur ab. Bei körperlicher Belastung durch Sport oder körperliche Arbeit kann sich dieser Wert nahezu verdoppeln. Extremwerte werden bei Spitzensportlern (z. B. Radfahrer während der Tour de France) oder bei Arbeiten mit extremem Bedarf an Thermoregulation (z. B. an Hochöfen) erreicht.

Den größten Anteil am Grundumsatz im menschlichen Körper haben Leber und Skelettmuskulatur mit je etwa 26 %, dann folgt das Gehirn mit 18 %, das Herz mit 9 % und die Nieren mit 7 %. Die restlichen 14 % entfallen auf den übrigen Organismus.

Energiebedarf des Menschen

Der Energiebedarf richtet sich nach Grund- und Leistungsumsatz, die je nach Alter, Geschlecht und anderen Faktoren variieren. So liegt laut der FAO der durchschnittliche Energiebedarf einer Frau im Alter zwischen 20 und 30 Jahren - bei einem Gewicht von 55 kg und einer moderaten körperlichen Aktivität - bei 10.090 kJ (2.410 Kilokalorien) pro Tag. Für einen Mann im Alter zwischen 20 und 25 - bei einem Gewicht von 68 kg und einer moderaten körperlichen Aktivität - liegt der Energiebedarf bei 13.000 kJ (3.105 Kilokalorien).^[4]

Brennwerttabelle

Nahrungsmittelkategorie	Brennwert in kJ / 100 g	Brennwert in kcal / 100 g
Brot	0795–1045	190–250
Nudeln, Reis (ungekocht)	1465	350
Kartoffeln, Mais, Bohnen, Linsen (trocken)	0315–630	075–150
Gemüse (roh)	0105–167	025–40
Fleisch (roh)	0835–1130	200–270
Fisch (roh)	0335–835	080–200
Hühnerei	0627	150
Öle	3430–3810	820–910
Bienenhonig	1390	332
Kakao (schwach entölt)	1885	450
Milch (abhängig vom Fettgehalt)	0193–268	046–64
Cola/Limonade	0188–250	045–60
Fruchtsaft	0167–230	040–55
Bier (Pils)	0200	048
Obst/Beeren	0188–272	045–65
Banane	0400	095
Nüsse	2090–2635	500–630
Kuchen	1255–1885	300–450
Vollmilchschokolade	2345	560
Fruchtgummi (Gummibärchen)	1255–1465	300–350

Hinweis: Die Schwankungen der Brennwerte 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 aufgrund von 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.

Brennwertangaben in der Nährwertkennzeichnung der EU

In der Nährwertkennzeichnung der EU wird nicht der mit einem Bombenkalorimeter (s. o.) gemessene Brennwert eines Lebensmittels angegeben. Vielmehr werden die Brennwerte der Komponenten eines Lebensmittels (Fett, Kohlenhydrate, Protein etc.) entsprechend ihrem Anteil in dem Lebensmittel addiert. Die Brennwerte der jeweiligen Komponenten (siehe Tabelle unten) sind in Artikel 5 Abs. 1 der Richtlinien über Nährwertkennzeichnung von Lebensmitteln ^[1] definiert.

Grundbestandteil	Brennwert in kJ / g	Brennwert in kcal / g
Kohlenhydrate	17	4
Mehrwertige Alkohole (Polyole)	10	2,4
Protein	17	4
Fett	37	9
Ethanol (Alkohol)	29	7
Organische Säuren	13	3
Salatrims (brennwertgemindertes Fett, "short and long chain acyl triglyceride molecules")	25	6
Ballaststoffe	8	2
Erythritol	0	0

Man beachte, dass die beiden Werte jeweils getrennt gerundet sind und sich deshalb rechnerische Verhältnisse von 4,0 (Ballaststoffe) bis 4,333 (organische Säuren) kJ/kcal ergeben – eine Bandbreite, die die der verschiedenen Definitionen einer Kalorie deutlich übertrifft. Je nach Zusammensetzung geben die Angaben auf den Produkten folglich oft zwei recht unterschiedliche Energiewerte an, obwohl die 3- bis 4-stelligen Zahlen eine hohe Genauigkeit suggerieren.

Energieverbrauch als Wohlstandsindikator

Durch den Energieverbrauch an Nahrungsmitteln pro Kopf lässt sich ermitteln, wie gut die Ernährungslage in einer Region ist. Er kann deshalb ein Wohlstandsindikator zur Klassifizierung von Staaten sein.

Negativer Brennwert

Von manchen Lebensmitteln, vor allem diversen Gemüse-Sorten, wird mitunter behauptet, sie hätten einen negativen Brennwert, weil der Körper bei ihrem Verzehr mehr Energie für die Verdauung verbrauchen würde, als er aus ihnen aufnimmt. Tatsächlich bleibt aber der Aufwand, den der Körper für die Nahrungsaufnahme und deren Verwertung betreiben muss, bei der Angabe von physiologischen Brennwerten definitionsgemäß völlig unberücksichtigt; es handelt sich also um Bruttoangaben. Insofern können keine negativen Brennwerte auftreten, selbst wenn der energetische Nutzen für den Körper im Einzelfall negativ sein sollte.

Als Beispiel für einen negativen Brennwert wird auch kaltes Wasser genannt, weil der Körper Energie aufbringen muss, um das getrunkene kalte Wasser auf Körpertemperatur zu erwärmen. Um einen Liter 12 °C warmes Leitungswasser auf 37 °C zu bringen, sind beispielsweise 105 kJ erforderlich. Je nach Umgebungstemperatur und Aktivität muss der Körper diese Wärmemenge jedoch nicht unbedingt zusätzlich erzeugen, sondern kann stattdessen die Wärmeabgabe an die Umgebung reduzieren, indem er die Durchblutung der äußeren Hautschichten verringert (Thermoregulation).

Einzelnachweise