음식 에너지
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1. 개요
음식 에너지는 생물이 섭취하는 음식으로부터 얻는 에너지로, 생명 유지 및 활동에 사용된다. 17세기부터 호흡과 연소의 유사성을 통해 연구가 시작되었으며, 산소 소비량과 열량 발생의 관계를 밝혀 생리적 열량 개념이 확립되었다. 음식 에너지는 산소 소비, 음식 연소, 방출 열량, 분자 화학적 기전 등 다양한 방식으로 정의되며, 19세기 후반 윌버 애트워터는 음식의 에너지 함량을 측정하는 방법을 개발했다. 식품의 에너지 값은 탄수화물, 지방, 단백질의 소화 흡수율과 배설 열량을 고려하여 계산되며, 앳워터 계수가 널리 사용된다. 인체 내에서 음식 에너지는 기초 대사, 체온 유지, 운동 등에 사용되며, 뇌 대사에도 상당한 비율로 사용된다. 여러 국가와 기구에서는 건강한 식생활을 위해 일일 권장 섭취량을 제시하고 있으며, 식품 포장에 영양성분 표시를 의무화하여 소비자들이 에너지 섭취를 조절할 수 있도록 돕고 있다.
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| 음식 에너지 | |
|---|---|
| 에너지 단위 | |
| SI 단위 | 줄(J) |
| 관용 단위 | 칼로리(cal) |
| 정의 | |
| 음식 에너지 | 음식을 통해 동물이 얻는 화학 에너지의 양 |
| 생리적 열량 | 음식이 생체 내에서 산화될 때 발생하는 에너지의 양 |
| 열량 값 | |
| 탄수화물 | 17 kJ/g (4 kcal/g) |
| 단백질 | 17 kJ/g (4 kcal/g) |
| 지방 | 37 kJ/g (9 kcal/g) |
| 에탄올 (알코올) | 29 kJ/g (7 kcal/g) |
| 식이 섬유 | 10 kJ/g (2 kcal/g) |
| 폴리올 | 10 kJ/g (2.4 kcal/g) |
| 유기산 | 13 kJ/g (3 kcal/g) |
| 에리트리톨 | 1 kJ/g (0.2 kcal/g) |
| 아트워터 일반 계수 | 탄수화물: 17 kJ/g (4 kcal/g) 지방: 38 kJ/g (9 kcal/g) 단백질: 17 kJ/g (4 kcal/g) 에탄올: 29 kJ/g (7 kcal/g) |
| 기타 정보 | |
| 관련 법규 | 영국 식품 라벨링 규정 (Schedule 7: Nutrition labelling) |
2. 역사적 배경
17세기 후반부터 생물의 호흡과 흡기 조성 변화가 물체를 연소시킨 전후의 공기 조성 변화와 유사하다는 관찰 결과로부터, 호흡과 연소의 관계가 논의되기 시작했다. 다만 이 시대에는 공기 성분에 대한 현대적인 이해와는 달랐다. 존 메이오는 로버트 훅의 '초석의 공기'가 소비된다고 생각했고(1674), 조지프 프리스틀리는 플로지스톤의 방출이라고 생각했다(1775). 앙투안 라부아지에는 이를 산소의 소비와 이산화 탄소의 배출이라고 하였으며(1777), 운동 강도에 비례하여 산소 소비량이 증가하는 점 등을 들어 생물에 의한 산소 소비는 연소에 의한 산소 소비와 동등하다고 여겼다. 이로 인해 연소량의 지표인 열량이 체내의 '연소'(대사)에도 적용될 수 있다는 생각이 생겨났고, 생리적 열량의 개념이 확립되었다.
체내에서 '연소'가 일어나고 있다는 타당성은 인간의 생명에 체온 유지가 필요하다고 인식되었으며, 열을 운동으로 변환할 수 있다는 것은 증기 기관으로부터의 유추로 알려져 있었다. 후에 에너지 보존 법칙이 확립되고, 해당 과정 등 생체 내에서의 에너지 변환의 분자적 기전이 밝혀지면서, 생체가 이용할 수 있는 에너지, 즉 생리적 열량에 대한 생각은 현대에 와서 확고한 것으로 인정받고 있다.
영양소는 각각 다른 영양을 공급한다고 생각되었지만, 같은 열량의 당과 지방은 열량상 등가이고 교환 가능하며, 생리적 열량은 독립적인 영양 개념이라고 여겨지고 있다('''루브너의 에너지 등가 법칙'''). 또한 생리적 열량을 제공하는 영양소를 '''열량소'''라고 부른다.
19세기 후반, 윌버 애트워터는 음식의 에너지 함량을 측정하는 수정된 애트워터 시스템을 개발했다.
2. 1. 직접 열량 측정법
초기에는 마른 음식 시료를 폭탄 열량계에서 태우고 장치 주변의 물 온도 변화를 측정하는 직접적인 열량 측정법으로 음식의 에너지 함량을 측정했다.2. 2. 애트워터 시스템
윌버 애트워터는 소화 흡수율과 대사 과정을 고려하여 음식의 실제 에너지 함량을 계산하는 방법을 개발했다. 이 방법은 수정된 애트워터 시스템으로 알려져 있다.이 시스템은 나중에 미국 농무부(USDA)의 애너벨 메릴과 버니스 와트에 의해 개선되었으며, 이들은 다양한 식품에 대한 특정 칼로리 변환 계수를 제안하는 시스템을 개발했다.[2]
3. 식품의 에너지 환산 계수
식품의 칼로리(열량) 계산에는 미국의 루브너(Rubner)와 앳워터(Atwater)가 19세기 말부터 20세기 초에 걸쳐 행한 실험 결과에서 구한 탄수화물, 지질·지방, 단백질에 대한 앳워터 계수가 널리 사용되고 있다.[8]
다른 음식 성분은 칼로리성이 아니므로 계산에 넣지 않는다. 인간의 일반적인 식단은 주로 탄수화물, 지방, 단백질, 물, 에탄올, 그리고 뼈, 씨앗, 섬유질(주로 셀룰로스)과 같은 소화 불가능한 성분으로 구성된다. 탄수화물, 지방, 단백질은 일반적으로 식품 건조 중량의 90%를 차지한다.[3] 반추동물은 반추위 내 박테리아를 통해 셀룰로스를 소화 가능한 탄수화물로 분해하여 음식 에너지를 추출할 수 있다.
인간 식단에서 에너지에 기여하는 다른 부성분은 구연산 및 주석산과 같은 유기산과 글리세롤, 자일리톨, 이노시톨, 소르비톨과 같은 폴리올이다.
일부 영양소는 에너지를 제공하는 것 외에도 세포 신호 전달에 영향을 받는 조절 역할을 한다. 예를 들어, 류신은 단백질 대사 조절에 중요하며 식욕을 억제한다. 인체에서 합성될 수 없는 필수 지방산은 다른 생화학적 과정에 사용된다.
EU 및 영국 규정에 따른 포장 라벨에 사용될 인간 식단 성분의 대략적인 음식 에너지 함량은 다음과 같다.
(1) 에리트리톨과 같은 일부 폴리올은 소화되지 않으므로 계산에서 제외한다.
(2) 이 항목은 2008년 EU 규정에 있지만, 섬유질을 계산하지 않도록 규정하는 영국 규정에는 없다.
국제 연합 식량 농업 기구 등 많은 조직에서 특정 식품에 대한 보다 자세한 표를 발표했다.
인간 식단의 다른 구성 요소는 비칼로리이거나 소량으로 섭취되므로 무시할 수 있다.
- 산소 소비로부터의 정의: 유기물이 체내에서 소비된 경우와 체외에서 연소된 경우, 산소 소비가 동일하면 열량 발생도 동일하다고 추정한다. 기밀 용기 안에서 측정하거나, 호기 중 이산화탄소 농도로부터 구한다. (페텐코퍼, 1862 등). 현재에도 기초대사나 운동에 의해 소비되는 열량은 이 방법으로 구하는 경우가 많다.
- 음식을 태워서 얻을 수 있는 열량에 의한 정의: 음식을 공기 중에서 태워서 얻은 열량과, 동일한 양의 음식을 먹고 나온 배설물을 태워서 얻은 열량의 차이로부터 흡수한 열량을 추정한다. (루브너, 1883 등). 음식의 영양학적 열량은 주로 이 방법으로 측정되며, 소화 흡수율 등을 고려하여 보정된다. 일본에서는 대표적인 식품 재료에 대해 측정하고, 요리 등에 표시되는 열량은 식품 재료의 분량과 무게당 열량으로부터 추정한다.
- 방출 열량으로부터의 정의: 생물을 단열 기밀실에 넣고, 기온 상승을 직접 측정하여 방출된 열량을 추정한다. (루브너, 1894 등). 산소 소비량 측정법의 보조로 사용되는 경우가 많다.
- 분자 화학적 기전으로부터의 정의: 현대에는 해당 과정 등 영양소의 에너지 변환 분자적 기전이 밝혀졌기 때문에, 그 과정으로부터 얻어지는 열량을 추정할 수 있다.
3. 1. 앳워터 계수
앳워터 계수는 탄수화물, 지방, 단백질의 평균적인 에너지 값을 나타내는 계수로, 각 영양소의 소화 흡수율과 배설 열량을 고려하여 계산된다.[8] 미국의 루브너(Rubner)와 앳워터(Atwater)가 19세기 말부터 20세기 초에 걸쳐 행한 실험 결과에서 이 계수를 구했으며, 식품의 칼로리(열량) 계산에 널리 사용되고 있다.앳워터의 환산 계수는 각 성분의 물리적 연소열(kcal/g·kJ/g)에서 인체에서의 소화 흡수율(100% 흡수되지 않고 일부는 배설됨)과 배설 열량(흡수되지만 이용되지 않고 배설됨)을 고려하여 구해진다. 단백질의 경우 흡수된 일부가 요소나 요산 등으로 배설된다.[8]
| 성분 | 물리적 연소열 | 소화 흡수율 | 배설 열량 | 환산 계수 |
|---|---|---|---|---|
| 지질 | 9.4kcal/g | 95% | 9kcal/g | |
| 단백질 | 5.7kcal/g | 92% | 1.25kcal/g | 4kcal/g |
| 탄수화물 | 4.1kcal/g | 97% | 4kcal/g |
앳워터 계수는 지질, 단백질 및 탄수화물의 평균값이며, 편리하게 사용할 수 있어 널리 쓰이지만, 식품의 성분에 따라 열량은 다르다. 같은 탄수화물이라도 쉽게 이용 가능한 것, 식물 섬유, 당 알코올 등의 난소화성인 것이 있으며, 난소화성인 것은 소장까지는 소화되지 않고 대장에서 세균 등에 의해 분해되어 흡수되는 것이 있지만 분해·흡수율에 차이가 있어 전혀 흡수되지 않는 것도 있다. 일본의 영양 표시 기준에서는 탄수화물을 여러 단계로 구분하고 있다.[8]
| 성분 | 열량 환산 계수 | 비고 | |
|---|---|---|---|
| 지질·지방 | 9kcal/g | ||
| 단백질 | 4kcal/g | ||
| 탄수화물 | 소화성 | 전분·설탕 등 소장까지 흡수되는 것 | |
| 난소화성 당질 | 0 - 3kcal/g | 당 알코올, 올리고당 등 | |
| 식이 섬유 | 0 - 2kcal/g | ||
| 에탄올 | 7kcal/g | 주류 | |
| 유기산 | 3kcal/g | ||
3. 2. 영양 표시 기준
대한민국에서는 식품의약품안전처에서 고시하는 식품 등의 표시기준에 따라 영양성분 표시를 의무화하고 있으며, 탄수화물, 지방, 단백질 외에 식이 섬유, 당알코올, 유기산, 에탄올 등의 에너지 환산 계수를 제시하고 있다.[8]| 성분 | 열량 환산 계수 | 비고 | |
|---|---|---|---|
| 지방 | 9kcal/g | ||
| 단백질 | 4kcal/g | ||
| 탄수화물 | 소화성 | 전분·설탕 등 소장까지 흡수되는 것 | |
| 난소화성 당질 | 0 - 3kcal/g | 당 알코올, 올리고당 등 | |
| 식이 섬유 | 0 - 2kcal/g | ||
| 에탄올 | 7kcal/g | 주류 | |
| 유기산 | 3kcal/g | ||
4. 인체 내 에너지 사용
섭취한 음식 에너지는 기초 대사, 체온 유지, 신체 활동 등 다양한 생명 유지 활동에 사용된다. 17세기 후반부터 생물의 호흡과 흡기의 조성 변화가 물체를 연소시킨 전후의 공기 조성 변화와 유사하다는 점에 착안하여 호흡과 연소의 관계를 연구하기 시작했다. 라부아지에는 산소 소비와 이산화 탄소 배출량이 운동 강도에 비례하여 증가한다는 사실을 바탕으로 생물에 의한 산소 소비가 연소에 의한 산소 소비와 같다고 보았다. 이를 통해 열량이 체내 '연소'(대사)에도 적용될 수 있다는 개념이 생겨났고, 생리적 열량 개념이 확립되었다.
체내에서 '연소'가 일어난다는 것은 인간의 생명에 체온 유지가 필요하다는 점, 그리고 증기 기관처럼 열을 운동으로 변환할 수 있다는 점을 통해 뒷받침되었다. 이후 에너지 보존 법칙이 확립되고, 해당 과정 등 생체 내 에너지 변환의 분자적 기전이 밝혀지면서, 생체가 이용할 수 있는 에너지, 즉 생리적 열량에 대한 개념은 현대에 확고히 인정받고 있다.
당과 지방은 서로 다른 영양소이지만, 같은 열량에서는 열량상 동등하고 교환 가능하다. 즉, 생리적 열량은 독립적인 영양 개념이며, 이를 제공하는 영양소를 '열량소'라고 한다. 영양학에서는 탄수화물, 지방, 단백질을 '3대 영양소'로 중요하게 다룬다.
하버드 의과대학은 2020년 10월, 생리적 열량 계산을 중단해야 한다고 주장했다. 칼로리 계산만으로는 균일한 결과를 얻기 어렵고, 몸이 칼로리를 연소하는 방식은 음식 종류, 대사, 장내 생물 등 다양한 요인에 영향을 받기 때문이다. 대신 가공되지 않은 식품과 건강한 생활 습관을 실천하는 데 초점을 맞춰야 한다고 발표했다.[9]
소화 흡수 후 소비되지 않은 열량소는 주로 지방 조직에 축적되어 비만이나 성인병을 유발한다. 따라서 현대에는 열량소 섭취를 제한하거나 운동으로 열량 소비를 늘려 체지방률을 일정하게 유지하는 것이 바람직하다고 여겨진다. 이는 미용과도 관련이 깊어, 많은 국가에서 생리적 열량 섭취 및 소비에 대한 관심이 높다. 하루 에너지 필요량(소비량)은 신체 활동 수준에 따라 기초 대사량의 1.5~2배 정도이다.
4. 1. 기초 대사
호흡으로 얻는 음식 에너지는 인체에서 여러 기관과 조직의 기초 대사에 사용된다. 뇌 대사에 약 20%가 사용된다. 기초 대사는 뇌 활동, 장기 기능 유지 등 생명 유지에 필요한 최소한의 에너지를 의미한다.4. 2. 신체 활동
호흡으로 얻는 음식 에너지는 인체에서 여러 기관과 조직의 기초 대사, 내부 체온 유지, 자세 유지 및 운동 수행을 위한 근육의 힘을 발휘하는 데 사용된다. 호흡으로부터 근육(물리적) 일률로의 에너지 변환 효율은 음식의 종류와 물리적 에너지 사용 유형(예: 어떤 근육을 사용하는지, 근육이 유산소 운동 또는 무산소 운동으로 사용되는지)에 따라 달라진다. 일반적으로 근육의 효율은 상당히 낮다. 즉, 호흡으로 얻을 수 있는 에너지의 18~26%만이 기계 에너지로 변환된다. 전체 효율이 20%일 때, 1와트의 기계적 일률은 4.3kcal/h에 해당한다.5. 일일 권장 섭취량
많은 국가와 보건 기구에서 건강한 일일 음식 에너지 섭취량에 대한 권장 사항을 발표했다. 예를 들어, 미국 정부는 26세에서 45세 사이의 여성과 남성이 각각 2000kcal와 2600kcal의 에너지가 필요하다고 추정한다. 이들은 앉아서 생활하는 것 외에도 하루에 약 2.41km에서 약 4.83km 정도 걷는 수준의 신체 활동을 한다. 이러한 추정치는 키 163cm에 체중 57kg의 "표준 여성"과 키 178cm에 체중 70kg의 "표준 남성"을 기준으로 한다. 칼로리 요구량은 키, 활동량, 나이, 임신 상태 및 기타 요인에 따라 다르므로, USDA는 개인별 칼로리 요구량을 결정하기 위해 의료 전문가를 위한 DRI 계산기를 만들었다.[4][5]
국제 연합의 식량 농업 기구에 따르면, 1인당 하루 평균 최소 에너지 요구량은 약 1800kcal이다.
노인과 앉아서 생활하는 사람들은 더 적은 에너지를 필요로 하며, 어린이와 신체 활동이 많은 사람들은 더 많은 에너지를 필요로 한다. 이러한 요소를 인식하여 호주의 국립 보건 의료 연구 위원회는 각 연령 및 성별 그룹에 대해 서로 다른 일일 에너지 섭취량을 권장한다.[6] 그럼에도 불구하고 호주 식품 제품의 영양 라벨은 일반적으로 평균 일일 에너지 섭취량 2100kcal을 권장한다.
최소 음식 에너지 섭취량은 추운 환경에서도 더 높다.
6. 영양 표시
많은 국가에서 소비자들이 섭취하는 음식의 에너지 함량을 알 수 있도록 식품 포장재에 영양성분 표시를 의무화하고 있다. 식품 에너지 값(및 기타 영양 특성)은 그램 또는 킬로그램 대신 "1인분당 칼로리" 또는 "100g당 kcal", 또는 "1포장당 kJ"와 같이 식품의 편리한 양에 대해 포장 라벨 또는 표에 표시된다.
6. 1. 대한민국의 영양 표시
식품의약품안전처 고시에 따라 대한민국의 식품에는 1회 제공량 당 함량, %영양소 기준치 등을 표시하도록 규정하고 있다.6. 2. 기타 국가의 영양 표시
많은 국가의 정부는 소비자가 에너지 섭취를 조절할 수 있도록 돕기 위해 식품 제조업체가 제품의 에너지 함량을 표시하도록 요구하고 있다. 식품 에너지 값(및 기타 영양 특성)은 그램 또는 킬로그램 대신 "1인분당 칼로리" 또는 "100g당 kcal", 또는 "1포장당 kJ"와 같이 식품의 편리한 양에 대해 포장 라벨 또는 표에 표시된다. 각 국가별 단위는 아래 표와 같다.
| 국가 | 의무 단위 (기호) | 두 번째 단위 (기호) | 일반적인 사용 |
|---|---|---|---|
| 미국 | 칼로리 (Cal) | 킬로줄 (kJ), 선택 사항 | 칼로리 (cal) |
| 캐나다 | 칼로리 (Cal) | 킬로줄 (kJ), 선택 사항 | 칼로리 (cal) |
| 호주 및 뉴질랜드 | 킬로줄 (kJ) | 킬로칼로리 (kcal), 선택 사항 | 호주: 킬로칼로리 (kcal) |
| 영국 | kJ | kcal, 의무 | |
| 유럽 연합 | 킬로줄 (kJ) | 킬로칼로리 (kcal), 의무 | |
| 브라질 | 칼로리아 또는 킬로칼로리아 (kcal) | 칼로리아 |
참조
[1]
웹사이트
Schedule 7: Nutrition labelling
http://www.legislati[...]
The National Archives
2019-12-13
[2]
서적
Energy Values of Food ... basis and derivation
https://www.ars.usda[...]
United States Department of Agriculture
1973
[3]
웹사이트
Carbohydrates, Proteins, Nutrition
http://www.merck.com[...]
[4]
웹사이트
Dietary Guidelines for Americans 2020 - 2025
https://www.dietaryg[...]
USDA & HHS
2022-05-17
[5]
웹사이트
DRI Calculator for Healthcare Professionals
https://www.nal.usda[...]
U.S. Department of Agriculture
2022-05-17
[6]
웹사이트
Dietary Energy
http://www.nrv.gov.a[...]
2014-09-27
[7]
문서
計量単位令第5条、別表第6 項番13
https://laws.e-gov.g[...]
[8]
간행물
「食品の熱量について - エネルギー換算係数の話」
http://www.jfrl.or.j[...]
日本食品分析センター
[9]
웹사이트
Stop counting calories
https://www.health.h[...]
2020-11-05
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