食物卡路里怎么计算出来的

新年的到来对我来说又开始了新的实验，尝试吃什么来瘦腰。我的想法自然而然地转向了如何计算卡路里，同时我也开始迷上了威尔伯·阿特沃特（Wilbur Atwater）。正是阿特沃特向美国人介绍了卡路里（食物能量的单位）。

图片：国家标准与技术研究所数字收藏，1937 年蒸汽热量计由国家标准局发明，用于测量蒸汽动力设备的输出。仪器的前部已被切掉以露出其内部层。

1873 年至1907 年间，阿特沃特担任康涅狄格州卫斯理大学的化学教授。在慕尼黑学习后，他对营养和新陈代谢的兴趣加深了。在慕尼黑，他学习了德国分析食物营养成分的技术。他通过研究食物中的化学能与物理能之间的相关性，保证了工人的健康。明智地饮食。

1887年，阿特沃特发表了一篇题为“食物的潜在能量”的文章，其中他将热量定义为使一公斤水的温度升高1摄氏度（或一磅水升高4华氏度）的热量。 ）。他试图证明一个单位的热量可以是一个机械能的单位，为此他将一卡路里定义为1.53 英尺吨，即将一吨物体举起一英尺所需的力。

阿特沃特在其中列出了各种食物的卡路里含量，例如瘦牛肉（807）、黄油（3,691）、普通牛奶（308）和脱脂牛奶（176）、燕麦片（1,830）和萝卜（139）。 ）。该数据基于通过大量实验获得的每种食物中营养素、蛋白质、脂肪和碳水化合物含量的估计。尽管现代食物的计算与阿特沃特的略有不同，但他的估计仍然可用，1克蛋白质含有4.1卡路里，1克脂肪含有9.3卡路里。

阿特沃特使用一种称为炸弹热量计的仪器进行实验，该仪器当时已被广泛使用，用于测量反应过程中释放的热量：将样品放置在称为炸弹的钢筒内。将样品放入反应容器中，然后浸入水中。电流用于启动样品，从而在水中产生热量。以一定的时间间隔记录水温。

图片：美国农业部国家农业图书馆特藏：威尔伯·阿特沃特的呼吸热量计是一个衬铜的大盒子[左]，一个人可以在里面生存长达12天并完成锻炼、休息和吃午餐等各种任务[右] ]。

阿特沃特与卫斯理物理学家爱德华·罗莎和化学家弗朗西斯·本尼迪克特一起开发了呼吸热量计。科学家用它来测量人体的氧气摄入量、二氧化碳排放量以及由此产生的热量，从而估算出人体消耗的卡路里数量。热量计是一个高6英尺、宽4英尺、深7英尺（1.8*1.4*2.1米）的铜盒子，用木头和锌包裹，以确保恒温。受试者将在盒子里待12 天，并执行各种分配的任务，从躺下、休息到锻炼。这些研究实验构成了理解代谢率的基础。

难道这就是我们计算卡路里的方式吗？事实并非如此。

阿特沃特没有定义“卡路里”这个词，该词是由巴黎工艺学院的化学教授尼古拉斯·克莱门特发明的。 1819 年，克莱门特正在教授工业化学课程，他需要一个热量单位来讨论蒸汽机如何将水蒸气转化为热量。他将卡路里定义为将1 千克水的温度升高1C 所需的热量。 -这与Atwater 的定义一致，Clement 更准确地指出测量范围是0C 到1C。科学家们接受了克莱门特的定义，从此卡路里进入了法国物理教科书。

这些教科书中，其中两本被法国物理学家阿道夫·加诺翻译成多种语言，在20世纪初被欧洲和美国的大学使用，从此克莱门特的热量变成了英语。

与此同时，卡路里的另一个定义正在形成。 1852年，法国化学家Pierre Favre和法国物理学家Johann Silbermann将卡路里定义为：将一克水的温度提高1摄氏度所需的能量——相差1000倍！德国科学家采用了他们的定义。

到了1870 年代，关于热量定义的竞争愈演愈烈，法国化学家Marcellin Berthelot 做出了区分：他将卡路里（小写c）定义为千卡，将卡路里（大写字母）定义为千克。 1894年，美国医生约瑟夫·雷蒙德在他的经典教科书《人体生理学手册》（人体生理学手册）中提出将kcal称为“千卡”。直到几年后，这个词才开始流行。

与此同时，英国科学促进会正在研究一种完全不同的能量单位：焦耳。 1882年，威廉·西门子在担任BAAS 主席的就职演说中提出了焦耳理论。西门子对卡路里感到困惑：“完全任意的单位显然会很不方便，引入基于电磁系统的单位就更不方便了。”他将焦耳定义为当一安培的电流通过一欧姆的电阻器时，一秒钟内通过该电阻器的能量的量。散发热量。

图片：美国农业部国家农业图书馆特别馆藏威尔伯·阿特沃特(Wilbur Atwater) 使用较小的热量计来估算香蕉等不同食物的卡路里含量。

因此，当阿特沃特对食物进行营养研究时，他选择了热能单位。他在加诺翻译的教科书中读到了克莱门特的《卡路里》。在德国接受博士后培训期间，他遇到了Calorie Favre 和Silbermann。作为科学界的一员，他应该听说过焦耳的拟议定义，西门子的定义直到1889 年第二届国际电气大会上才被采用。

佐治亚大学的詹姆斯·哈格罗夫研究了卡路里的历史，并对阿特沃特选择卡路里的原因提出了一些建议：首先，它是美国词典中唯一列出的能量单位。更重要的是，哈格罗夫认为卡路里是一个可控制的范围，阿特沃特建议一个人每天摄入2,000 卡路里的热量。如果每天摄入200万卡路里的话，似乎会很麻烦。

美国营养学家效仿阿特沃特的做法，在阿特沃特为美国农业部准备的表格中列出了500 多种食物的卡路里含量。阿特沃特的女儿海伦在他的实验室工作了十年，1907 年父亲去世后，她前往美国农业部家政服务处工作。

1948年，卡路里和卡路里正式被淘汰，当时国际科学界采用焦耳作为能量的标准单位。正如西门子所指出的，仅使用大小写和大小来区分两个不同的定义太令人困惑了。如今，美国的营养标签继续报告卡路里，而其他国家则以千卡和焦耳为单位。

对卡路里感兴趣的不仅仅是营养学家。上世纪初，电力需求激增，许多国家的城市都在建设新的发电厂。随着蒸汽轮机的发明，发电机变得更加复杂，锅炉在更高的温度和压力下运行。工程师迫切需要有关蒸汽设备的数据，但他们缺乏水和蒸汽特性的国际标准化测量方法。因此，他们又回到了克莱门特的热量计：用它来测量蒸汽。

从1921 年开始，内森·奥斯本(Nathan Osborne)、哈罗德·史汀生(Harold Stimson) 和迪福·金宁斯(Defoe Ginnings) 在国家标准局（现为国家标准与技术研究所）致力于解决这个问题，持续了近20 年。研究小组开发了一种优雅的热量计来研究100C 水的热容和汽化热。

该仪器已被剖开以显示其内部结构，其工作原理与阿特沃特使用的炸弹量热计类似。球形内壳装有水样，电流增加能量，科学家观察状态变化。进入20世纪60年代，他们的实验数据指导了蒸汽动力设备的设计和评估。

正如奥斯本在其1925年的报告《流体中热量的测量》中指出：电加热器、电阻温度计和热电偶的采用和改进使热量计成为热学研究中可靠且准确的测量手段。

因此，无论是计算食物中的能量还是水的热容，两个多世纪以来，热量计一直是化学家、物理学家和工程师的宝贵工具。随着我们进入新的一年，我们中的许多人对卡路里重新产生了兴趣，向卡路里计算工具致敬似乎更合适。