Phương pháp đo năng lượng trực tiếp
Phương pháp đo năng lượng trực tiếp gồm quá trình đo lường năng lượng tiêu hao ở giai đoạn nhất định bằng cách đo lượng nhiệt mất đi từ cơ thể người. Về mặt nguyên lý, đây là phương pháp đo đơn giản, và số lượng phịng được thiết kế xây dựng cho q trình đo cho con người phải được bảo vệ tránh sự mất nhiệt.
Dụng cụ đo của Atwater có phịng nhỏ để người có thể ở lâu trong vài ngày, có giường nằm và xe đạp tại chỗ để theo dõi các động tác lao động. Thức ăn và chất thải ra qua lỗ nhỏ. Thành ngoài cách nhiệt tốt, lượng nhiệt do cơ thể phát ra sẽ do nước chảy theo các ống chung quanh hấp thu. Dựa vào nhiệt độ của nước tăng lên sẽ tính được lượng nhiệt thải ra. Một hệ thống ln chuyển khơng khí khép kín đảm bảo độ thống khí của phịng. Khơng khí trong phịng đi qua các bình chứa nước chất hấp phụ CO2, sau đó O2 được tăng cường để duy trì nó ở mức độ bình thường. Ngun lý của máy đo này đơn giản nhưng thiết kế và sử dụng rất khó khăn và tốn kém về thực hành. Nhược điểm của phương pháp đo trực tiếp là chỉ có thể thực hiện trong vòng vài giờ hoặc hơn, do kỹ thuật giả định rằng khơng có sự tăng hoặc giảm nhiệt độ của cơ thể người trong thời gian đo năng lượng.
Phương pháp đo năng lượng gián tiếp
Phương pháp này dựa vào sự oxy hoá thực phẩm trong cơ thể người, oxy được tiêu thụ và CO2 được sinh ra. Điều này được thể hiện từ phương trình hố học lượng pháp diễn tả sự oxy hoá 1 mol glucose:
C6H12O6+ 6 O2→ 6 CO2+ 6 H2O + nhiệt
(180 g) (6 x 22,4 l) (6 x 22,4 l) (6 x 18 g) (2,78 MJ)
Năng lượng toả ra từ sự oxy hoá 1 g glucose là 15,4 kJ (2780/180) và do đó mỗi lít oxy tiêu thụ tương đương với lượng nhiệt sinh ra là 20,7 kJ (2780/6 x 22,4). Vì vậy nếu số lượng oxygen tiêu thụ có thể được đo lường thì có thể tính tốn được lượng nhiệt sinh ra. Các phương trình tương tự có thể được viết cho q trình oxy hố protein, chất béo và alcohol, được biểu diễn ở Bảng 2.6, cho thấy năng lượng tiêu hao cho 1 lit oxy sử
dụng là 19,8, 19,3 và 20,4, tương ứng.
Thương số hô hấp RQ cho mỗi chất dinh dưỡng được thể hiện đồng thời ở Bảng 2.6,
xác định tỷ lệ thể tích của CO2sinh ra và thể tích O2sử dụng cho q trình oxy hố số lượng các chất dinh dưỡng đặc biệt.
Bảng 2.6Giá trị oxy hố của các chất dinh dưỡng chính (Brockway, 1987) Chất dinh dưỡng O2tiêu thụ (l/g) CO2sinh ra (l/g) RQ+
Năng lượng sinh ra (kJ/g)
Năng lượng sinh ra (kl/1O2) Tinh bột 0,829 0,8324 0,994 17,49 21,10 Glucose 0,746 0,742 0,995 15,44 20,70 Chất béo 1,975 1,402 0,710 39,12 19,81 Protein 0,962 0,775 0,806 18,52 19,25 Rượu 1,429 0,966 0,663 29,75 20,40 + RQ: Thương số hơ hấp
Năng lượng tiêu hao có thể xác định chính xác từ q trình oxy hố hỗn hợp các chất dinh dưỡng, Lượng CO2sinh ra cần được đo và sự đánh giá hoặc cần thiết đo lượng urê tạo thành (từ sự bài tiết nitơ theo đường tiết niệu). Cơng thức phổ biến sử dụng tính tốn năng lượng tiêu hao của người được phát triển bởi Weir (1949) (Cơng thức6.1):
Trong đó VCO2và VCO2là thể tích của O2tiêu thụ và thể tích CO2sinh ra, tương ứng và N là lượng bài tiết theo đường tiết niệu. Nếu lượng nitơ bài tiết ra theo đường tiết niệu khơng đo được thì cơng thức tương tự (cơng thức6.2) có thể được sử dụng:
EE (kJ) = 16.318 VO2(l) + 4.602 VCO2(l) (6.2)
Trong đó: EE (Energy Expenditure): năng lượng tiêu hao VO2và VCO2là thể tích O2tiêu thụ và thể tích CO2sinh ra. N là lượng nitơ bài tiết theo nước tiểu
Các cơng thức tính tương tự cũng được phát triển bởi nhiều tác giả khác, với sự khác biệt nhỏ từ quá trình tiêu thụ các chất dinh dưỡng khác nhau như carbohydrate hoặc protein hay lipid.. Sự khác biệt này dẫn đến sự khác biệt trong cách tính tốn tiêu hao năng lượng trong khoảng nhỏ hơn 3% dưới các điều kiện chế độ ăn uống thơng thường (Brockway 1987).
Để tính tốn số lượng carbohydrate, protein và lipid bị oxyhoá, các giá trị thể hiện ở
Bảng 2.6và giả định 6,25g protein chứa 1 g nitơ có thể sử dụng để thiết lập cơng thức sau:
Oxy hoá carbohydrate (g) = 4,707 VCO2(l) – 3,340 VO2(l) – 2,714 N (g) Oxy hoá chất béo (g) = 1,786 VCO2(l) – 1,778 VO2(l) – 2,021 N (g) Oxy hoá protein (g) = 6,25 N (g)
Thiết bị đo năng lượng gián tiếp:
Túi Douglas để đo chuyển hoá năng lượng (http://www.nu.ac.za)
Thiết bị sử dụng đo năng lượng tiêu hao bằng phương pháp gián tiếp có thể thay đổi từ thiết bị đơn giản được thiết kế hoạt động trong điều kiện điều khiển từ xa cho tới phòng thiết kế cho người phức tạp hơn.
Hệ thống đơn giản nhất là dùng kỹ thuật túi Douglas. Với kỹ thuật này, cho phép đo lượng oxy sử dụng trong thời gian từ 5 đến 15 phút. Lượng khơng khí thở ra được tách đưa vào một túi nhỏ và mẫu khơng khí này được đưa đi phân tích (Hình 2.4)