问题

各种食物说明中标注的卡路里含量是怎么测算的?

回答
食物包装上的卡路里标注,这背后可不是拍脑袋来的数字,而是一套相当严谨的测算方法。咱们普通人一看,就是个数字,但人家食品厂商和检测机构,得有一套科学的流程才行。

首先,得明白“卡路里”是个什么东西。通常说的卡路里,其实指的是千卡(kcal),也就是我们常说的“大卡”。它代表的是食物中能量的含量,也就是吃下去之后身体能获得多少能量。而这能量主要来自三大营养素:碳水化合物、脂肪和蛋白质。

测算卡路里含量,主要有两种方法:

一、 直接测定法:燃烧法(Bomb Calorimetry)

这是最直接、最准确的一种方法,也是实验室里常用的黄金标准。听名字就知道,这玩意儿跟炸弹有点关系,但别怕,它炸的是食物,不是人。

1. 样品准备: 首先,需要取一份具有代表性的食物样品。这个样品要尽可能地代表一整批产品,所以采样的过程也很讲究,不能随便抓一把就测。如果食物有复杂的成分(比如混合菜肴),可能需要先进行研磨、均质化处理,确保里面的各个成分混合均匀。

2. 精密称量: 将准备好的食物样品精确称重,通常要精确到小数点后几位。

3. 放入弹式量热仪(Bomb Calorimeter): 这个仪器长得像个密闭的金属罐,非常坚固耐用。把样品小心翼翼地放入一个装有纯氧的小容器里(这就是所谓的“弹”),然后将这个小容器放入装满水的更大的容器中,这个大容器就是量热仪的主体。整个装置是完全密封的。

4. 点燃样品: 通过外部的电极,给样品施加高压,使其瞬间燃烧。这个燃烧过程非常剧烈,就像一个小小的“爆炸”,但一切都在密封的弹体里进行,非常安全。

5. 测量温度变化: 当样品在氧气中完全燃烧时,它会释放出大量的热量。这些热量会传递给周围的水。量热仪内部有非常灵敏的温度计,会精确记录下水温的升高。

6. 计算能量: 通过测量水温升高的幅度,就可以计算出样品燃烧放出的总热量。因为量热仪本身以及它里面的水都有一个已知的热容(也就是吸收一定热量后温度会升高多少),所以可以通过公式反推出燃烧产生的能量。

基本原理: Q = m c ΔT (热量 = 质量 比热容 温度变化)。当然,在量热仪中,计算会更复杂一些,要考虑仪器的热容等因素。

7. 换算成卡路里: 测出来的是焦耳(Joule)或卡路里(cal),再按照换算关系(1 cal ≈ 4.184 J)换算成千卡(kcal)。

优点: 测量结果最准确,是国际公认的测定食物能量的标准方法。
缺点: 设备昂贵,操作复杂,耗时较长,所以不是每批次生产的每一种食物都用这种方法去测。

二、 计算法(Atwater System)

这是目前食品标签上卡路里标注最常用的方法。它不是直接燃烧,而是根据食物中不同营养素的平均能量值来计算。这套方法是基于一个叫 Wilbur Olin Atwater 的美国化学家在19世纪末20世纪初的研究。

Atwater发现,不同营养素在人体消化吸收后提供的能量是相对恒定的。他通过大量的实验,测定了主要营养素每克能提供多少能量(假设它们在体内被完全消化吸收):

碳水化合物: 每克提供约 4 千卡 (kcal)
蛋白质: 每克提供约 4 千卡 (kcal)
脂肪: 每克提供约 9 千卡 (kcal)

测算步骤:

1. 营养成分分析: 首先,需要对食物中的蛋白质、碳水化合物和脂肪含量进行精确的分析。这通常是通过化学分析方法来完成的。例如:
蛋白质: 常用的方法是凯氏定氮法(Kjeldahl method),通过测定样品中的氮含量,然后乘以一个换算系数来推算蛋白质含量。
脂肪: 常用的方法是索氏提取法(Soxhlet extraction),用有机溶剂将脂肪溶解出来,然后蒸发溶剂,称量剩余的脂肪。
碳水化合物: 通常是将食物样品中的水分、蛋白质、脂肪和灰分等扣除后剩余的部分,或者通过特定的化学方法直接测定总碳水化合物(包括糖、淀粉等)。

2. 计算总能量: 将测得的每种营养素的克数乘以它们各自的平均能量值,然后将三者相加,就得到了食物的总卡路里含量。

公式: 总卡路里 (kcal) = (碳水化合物克数 × 4 kcal/g) + (蛋白质克数 × 4 kcal/g) + (脂肪克数 × 9 kcal/g)

优点: 操作相对简单,成本较低,效率高,适合大规模生产和日常标签标注。
缺点:
平均值差异: 每个人对同一种食物的消化吸收率可能略有不同。
非消化性碳水化合物: 有些食物中的纤维素等碳水化合物人体是无法消化的,按照4 kcal/g计算会偏高。不过现代计算方法会考虑一些纤维素的能量值(有时会按2 kcal/g计算),或者直接扣除一部分。
酒精: 如果食物中含有酒精(乙醇),也需要计入能量,每克酒精提供约7 kcal。

举个例子:

假设一份包装食品分析出:
脂肪:10克
碳水化合物:20克
蛋白质:5克

那么根据计算法,它的卡路里大约是:
(10克 × 9 kcal/g) + (20克 × 4 kcal/g) + (5克 × 4 kcal/g) = 90 + 80 + 20 = 190 千卡 (kcal)

需要注意的几点:

标注的法规和标准: 不同国家和地区对食品卡路里标注都有相关的法规和标准。例如,美国FDA、欧盟的法规等,都会规定测算方法、允许的误差范围以及标签上需要包含哪些信息(如脂肪、碳水化合物、蛋白质的含量)。
营养成分表的变化: 近年来,一些国家开始要求食品标签更精确地标注“总碳水化合物”和“其中糖”。对于总能量计算,是使用“总碳水化合物”还是“净碳水化合物”(总碳水化合物减去膳食纤维)等,有时也会因标准不同而略有差异。
“纤维”的处理: 膳食纤维虽然是碳水化合物的一种,但人体通常无法完全消化吸收。根据不同的计算方法和标准,膳食纤维的能量贡献会被忽略,或者以较低的能量值(如2 kcal/g)计算,甚至直接从总碳水化合物中减去。
加工食品的复杂性: 对于加工食品,尤其是复杂的复合食品(如酱料、烘焙食品、加工肉制品等),其营养成分分析和能量计算会更加复杂,可能需要进行更细致的组分分析。

总的来说,我们日常看到的食品卡路里标注,绝大多数是基于“计算法”,也就是通过分析食物中的脂肪、蛋白质和碳水化合物的含量,然后乘以各自的平均能量值来估算出来的。而“燃烧法”是更精确的实验室测定方法,通常用于科研、制定标准或对某些特殊食品进行验证。所以,那些数字虽然是估算的,但背后是有科学依据和一套成熟的测算体系支持的。

网友意见

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要测量食物卡路里的黄金测量法就是燃烧:食物脱水后称取少量放测量仪器(calorimeter)里燃烧。不过这样做在实际生活中很麻烦有木有!在研发一个食品的过程中,要不停调试,弄出起码几十个样品,上司或客户一般都会问道营养成分怎样,有没有哪项有明显的缺陷而让消费者不喜欢的。要是个个样品都送测的话,花钱也花时间,工作要被耽误。更何况,任何测量都是有误差的。那么问题来了,

实际上的食物标签是怎样得来的呢?

简单的回答是:算出来的,并用测量来辅助。

怎么算的呢?

在几十年前营养研究刚开始的时候,美国农业部USDA组织了一大批营养科学家们在巴尔的摩组建了一个营养素的数据库。他们就用各种测定方法测定了当时的食物的卡路里和各种大大小小的营养成分,比如西兰花啊,去皮去骨头的鸡胸肉啊,XX牌子的巧克力啊,等等。鄙人的一个教授就是当时的科学家之一了。随后各种研究发现,不同种类的碳水化合物会产生不同程度的热量,不同的脂肪,不同的蛋白,产生的热量也都不同。但平均来说,通过燃烧得来的热量是:碳水每克4.1千卡,脂肪9.5千卡,蛋白5.7千卡。又因为人体并不能完全消化吸收碳水脂肪蛋白,且消化吸收的过程中有能耗,所以最后才算出碳水每克4千卡,脂肪9千卡,蛋白4千卡这几个数字。

这个数据库一直到今天在不断地更新和扩充。然后原材料供应商对每一份原材料都要给出详细的营养成分报告(包括卡路里)。随后,一些专业的软件就开发出来专门计算和制作食品标签,最有名的是叫Genesis。软件里面就有一个很大的营养数据库,还可以自己把供应商提供的营养成分报告输入到里面。研发产品的时候弄出来一个配方,要用到多种原料,而每种原料要用多少克,这些都直接输入到软件里面,然后就可以产生食品标签。那么,由于客户要求或是生产上的要求而改动的配方,就可以在软件里面轻易改动其食品标签。当然,最后,成品和以后的抽检品需要送第三方机构进行能量和营养素测定,无大出入即可。那么测量值和计算值(标签值)需要有多准确呢?

FDA规定,一类营养素(强化添加的营养素,包括维生素/矿物质/蛋白/膳食纤维/钾)的测量值必须大于等于标签值。二类营养素是天然存在在食品里的各种营养素(非强化的维生素/矿物质/蛋白/总碳水/膳食纤维/单不饱和和多不饱和脂肪/钾,看起来是比较好的东东)的测量值必须大于标签值的80%。三类营养素(卡路里/糖/总脂肪/饱和脂肪/纳,看起来都是不太好的东东~)的测量值必须小于标签值的120%。

讲了那么多废话,回答你的问题了。那样算来算去的,还要根据供应商的原料成分来算,同一类型产品食品标签上不一样真是太常见了,因为每个企业用的货源就是不一样的啊。另外甜牛奶和普通牛奶,甜的反而卡路里高,有可能是因为营养素在标注时有类似“四舍五入”的问题(我会告诉你这是研发人员经常玩得数字小把戏啦啦啦)而导致你看不见的小数点后的数字被算入卡路里厘米。

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