L'analyse des besoins énergétiques pour une alimentation réfléchie

Les besoins énergétiques de l'être humain

A) Les formules de Harris et Benedict (1919)

Les scientifiques Harris et Benedict ont donné 2 formules de calcul de la dépense énergétique de base pour 24 heures en kilocalories selon le sexe de l’individu :

pour un homme : 13,75 × poids (kg) + 500,33 × taille (m) - 6,76 × âge (an) + 66 ;

pour une femme : 9,56 × poids (kg) + 184,96 × taille (m) - 4,68 × âge (an) + 655.

L’unité d’énergie est le joule, cependant la kilocalorie est encore largement utilisée dans le domaine de la santé. Les conversions sont : 1 kcal = 4,18 kJ = 4,18 × 10³ J. Ainsi, la dépense énergétique de base pour l’homme de l’exemple vaut 1 660 kcal = 6 939 kJ et pour une femme 1 373 kcal = 5 739 kJ.

B) Les pertes de chaleur

Les pertes de chaleur du corps humain se font par transferts thermiques qui sont des modes de transfert d’énergie. Ils s’expriment en joule (J). Ce sont surtout la conduction et la convection qui interviennent.

a) La conduction

La conduction thermique est le phénomène qui permet d’avoir une température homogène au sein d’un corps. La conduction se produit par la transmission de l’agitation thermique de proche en proche entre molécules ou atomes, que ce soit pour un solide, un liquide ou un gaz.

b) La convection

La convection est un transfert d’énergie thermique assuré par le mouvement des particules au sein d’un liquide ou d’un gaz. Ceci se réalise si le liquide ou le gaz est en mouvement.

c) L’évaporation

L’évaporation correspond à un transfert d’énergie thermique assuré par le changement d’état de l’eau à la surface de la peau (produite par transpiration) : la quantité d’énergie échangée peut être importante.

C) La transformation endothermique ou exothermique

Lorsque nous recevons de l’argent, nous le comptons positivement ; lorsque nous le dépensons, le décompte est négatif. Ce sont les mêmes règles en physique et en chimie :

une transformation physique ou chimique exothermique cède de la chaleur, l’énergie est comptée négativement. Une combustion est exothermique, la liquéfaction l’est aussi ;

une transformation physique ou chimique endothermique nécessite de la chaleur, l’énergie est comptée positivement. Il faut fournir de l’énergie à des glaçons pour les faire fondre.

La satisfaction des besoins énergétiques de l'être humain

A) Identifier la présence de substances dans les aliments

Les aliments comportent des glucides, protides, lipides et certains minéraux, qui peuvent être mis en évidence. Pour cela, il faut ajouter à la substance à tester (en solution dans l’eau) quelques réactifs, éventuellement chauffer et observer un changement de couleur. Le test est dit positif s’il y a changement de couleur et négatif sinon.

a) La présence de glucides

Le test de Fehling détermine la présence de glucose (ou d’autres sucres simples contenant la fonction aldéhyde). Il sera positif (précipité rouge-brique) s’il y a du glucose dans la solution testée (voir chapitre 10). La formule brute du glucose est C₆H₁₂O₆.

b) La présence d’amidon

La présence d’amidon (ou de glycogène) est mise en évidence avec le lugol, contenant de l’eau iodée.

Mettre dans un tube à essai 1 cm de la solution à tester et ajouter 6-8 gouttes de lugol et observer l’apparition éventuelle d’une couleur violacée. Si cette couleur apparaît alors le test est positif, sinon le résultat est négatif.

c) La présence de protides ou protéines

Le test au biuret permet de déterminer la présence de protides.

Mettre la substance à analyser dans un tube à essai, puis ajouter 3 gouttes de soude afin de rendre le milieu basique. Attention, c’est très corrosif ! Ajouter délicatement quelques gouttes de sulfate de cuivre. Si une coloration violette se forme après agitation, le test est positif.

d) La présence de lipides

Le test à l’émulsion permet de déterminer la présence de lipides.

Introduire la substance à tester dans un tube à essai et ajouter un peu d’eau. Boucher le tube et agiter. Si une émulsion se forme, le test est positif.

e) La présence de l’ion calcium Ca²⁺

Les ions calcium Ca²⁺ ne colorent pas les solutions aqueuses, il faut donc un test pour indiquer leur présence (ou leur absence).

Le test est réalisé avec de l’oxalate d’ammonium (${\text{C}}_2{\text{O}}_4^{2-}$ + 2 ${\text{NH}}_4^{+}$) dont les ions oxalate ${\text{C}}_2{\text{O}}_4^{2-}$ provoquent la précipitation des ions calcium.

Introduire un échantillon de quelques millilitres de solution à analyser dans un tube à essai. Ajouter quelques gouttes (2 ou 3) d’oxalate d’ammonium. Si un précipité blanc se forme alors le test est positif et confirme la présence d’ions calcium. Sinon, le test est négatif ce qui signifie soit une absence totale d’ions calcium soit une concentration très faible (inférieure au seuil de détection du test).

B) La valeur énergétique des aliments

La calorie (cal) est l’énergie nécessaire pour augmenter la température d’un gramme d’eau d’un degré Celsius. C’est devenu une unité utilisée en diététique : on considère que notre corps brûle les aliments.

Remarque

On notera par ailleurs que la formule « valeur énergétique » est couramment employée pour désigner la « valeur calorique », tout comme « calorie » est employé à la place de « kilocalorie ».

En nutrition, afin de respecter une alimentation équilibrée, les aliments peuvent être classés en 5 groupes selon leurs composants nutritionnels :

les produits laitiers, qui apportent principalement du calcium et des protéines ;

les viandes, poissons et œufs, pour les protéines et le fer ;

les matières grasses, pour les acides gras et les vitamines liposolubles ;

les céréales, féculents, légumes secs pour les glucides et les fibres ;

les fruits et légumes pour les vitamines et les fibres.

C) La valeur calorique d’une ration alimentaire

Pour déterminer la valeur calorique d’un plat ou d’un ensemble de plats, il faut multiplier la masse avalée de chaque aliment par sa valeur calorique.

Exemple

Une personne prenant un repas constitué de 80 g d’avocat, 110 g de steak, 150 g de brocolis et un yaourt de 125 g aura un apport calorique :

La production d'énergie par les transformations biochimiques des aliments

A) L’aspect énergétique des transformations biochimiques

1 gramme de glucides ou de protéines apporte 4 kilocalories à l’organisme alors qu’1 gramme de lipides apporte 9 kilocalories.

L’alimentation humaine doit couvrir les besoins en énergie du corps, qui dépend beaucoup de l’activité physique :

les glucides doivent couvrir une plage large allant de 40 à 55 % des calories selon l’activité physique, en prenant ces glucides dans les légumes, les légumineuses, les fruits, les tubercules et les produits céréaliers peu transformés ;

les lipides doivent apporter de 30 à 40 % des calories totales ;

les protéines peuvent contribuer pour 15 à 30 % des calories avec au moins la moitié de protéines végétales.

La valeur calorique d’un aliment est déterminée en fonction de sa composition. Ainsi, 100 grammes de lait demi-écrémé apportent : 3,3 g de protéines, soit 13,2 kcal (3,3 × 4) ; 1,5 g de lipides, soit 13,5 kcal (1,5 × 9) ; 4,5 g de glucides, soit 18 kcal (4,5 × 4). L’apport calorique de 100 grammes de lait est la somme des trois : 13,2 + 13,5 + 18 = 44,7 kcal soit 187 kJ.

B) La transformation du glucose dans l’organisme

Dans le corps humain, en milieu aérobie, le glucose va former de l’eau, du dioxyde de carbone ainsi que de l’énergie : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O. En milieu anaérobie le glucose va former du dioxyde de carbone, de l’acide pyruvique qui pourra être transformé en acide lactique, et beaucoup moins d’énergie qu’en milieu aérobie : C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₄O₃ + résidu organique.

Les sportifs ont des besoins énergétiques importants : ils doivent brûler dans les muscles beaucoup de glucose, ce qui nécessite un volume de dioxygène élevé. Cela explique qu’ils aient une demande en dioxygène élevée.

Une combustion correspond à l’oxydation d’un combustible (substance capable de brûler) en présence d’un autre réactif (comburant) avec production de chaleur, de rayonnement et formation de dioxyde de carbone et d’eau si la combustion est complète.

Pour le glucose, la transformation conduit à la même équation que dans le corps humain en aérobie : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O, ainsi on dit que le corps brûle le glucose.

Pour l’acide pyruvique, la transformation est modélisée par : 2 C₃H₄O₃ + 5 O₂ → 6 CO₂ + 4 H₂O.

C) La réaction d’hydrolyse

Une réaction d’hydrolyse consiste en la coupure d’une molécule sous l’action de l’eau.

Dans le cas du lactose (glucide présent dans le lait) de formule chimique C₁₂H₂₂O₁₁, l’hydrolyse conduit à la formation de glucose et de galactose selon la réaction : C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆. Les deux oses produits ont la même formule brute.