Wie bestimmt man mit Atemmasken den Energieverbrauch?

Am Freitag kam in der ZDF Sendung „Kühe haben beste freunde“ ein Versuch zu einer Behauptung: 100 x Lachen verbraucht genauso viel Kalorien wie 10 Minuten Fahrradfahren. Das haben sie dann auch getestet und den Energieverbrauch mit einer Atemmaske bestimmt. Doch wie funktioniert das genau und kann man mit einer Atemmaske den Energieverbrauch messen?

Die Meßmethode basiert auf einer sehr einfachen Tatsache: Wenn wir Energie verbrauchen so müssen wir Nährstoffe oxydieren. Dazu entnehmen wir der Luft Sauerstoff und wir geben Kohlendioxyd ab. Den Sauerstoff brauchen wir zur Oxydation des Kohlenstoffskeletts und zur Bildung von Wasser aus dem Wasserstoff. Die einzelnen Nährstoffe verhalten sich dabei unterschiedlich. Hier kann man netterweise mit Summenformeln arbeiten.

Reservekohlenhydrate im Körper wie Glykogen haben folgende Summenformel: C12H22O11. Sie werden umgesetzt nach:

C12H22O11 + 12 O2 → 12 CO2 + 11 H2O

Fett kann man aufteilen in Glycerin und Fettsäuren. Glycerin als dreiwertiger Alkohol verbraucht fast genauso viel Sauerstoff pro Gramm Närhstoff wie kohlenhydrate. Bei den Fettsäuren sieht es dagegen anders aus. Die häufigste Fettsäure, Stearinsäure wird nach folgender Formel umgesetzt:

C18H36O33 + 25,5 O2 → 18 CO2 + 18 H2O

Nimmt man den Sauerstoffverbrauch pro Gramm, so sind es einmal 1,12 g O2 pro Gramm Substrat und einmal 2,72 g. Das ist schon ein deutlicher Unterschied. Er ist darin begründet, dass Fettsäuren aus einer sehr langen Kohlenwasserstoffkette bestehen (daher kann man aus ihnen auch synthetisches Benzin herstellen) während Kohlenhydrate schon teilweise oxidiert sind, jedes Kohlenstoffatom hat schon eine Bindung zu einem Sauerstoffatom und diesen Sauerstoff braucht man auch nicht zuführen. Aufgrund dessen kann man auch Kohlenhydrate anaerob abbauen (zumindest zum Teil), während das mit Fett nicht möglich ist.

Ergänzen muss man die Aufstellung noch um das Eiweiß. Bei diesem ist die Sachlage etwas komplizierter, denn es besteht aus vielen unterschiedlichen Aminosäuren. Allerdings ist es wenn man nur die Kohlendioxydabgabe und den Sauerstoffverbrauch betrachtet, mit Kohlenhydraten zu vergleichen. Meistens wird es aber bei solchen Untersuchungen nicht berücksichtigt, weil Proteine als Baustoff nur verwendet werden, wenn man im Überfluss dafür hat. Das betrifft vor allem den Grundenergieumsatz Bei einem schnellen Energieverbrauch greift der Körper dagegen auf die leichter mobilisierbaren Reserve Kohlenhydrate und bei größeren Anstrengungen auf Fett zurück.

Fett Kohlehydrate Protein
Energie pro Gramm 38,9 17,2 17,2
Kj/ Liter Sauerstoffverbrauch 19,62 21,13 18,79
Kj / Liter Kohlendioxyd Emission 27,74 21,13 23,35
RQ 0,7 1,0 0,8

Man sieht das Fett sehr viel mehr Kohlendioxyd pro Kj Energie freisetzt als die beiden anderen Nährstoffe.

Mit den Masken wird nun die Atemluft aufgenommen und dann der Sauerstoffgehalt und Kohlendioxydgehalt bestimmt. Daraus bildet man den respiratorischen Quotienten RQ:

RQ = abgegebenes CO2 Volumen / aufgenommenes O2 Volumen

Da man im Normalfall kaum Proteine verbrennt lässt man sie nun unter den Tisch fallen und geht nur von Kohlenhydraten und Fett aus. Damit hat man zwei Meßwerte für zwei Messgrößen und kann daraus den Anteil an Fett und Kohlenhydraten an der Energieversorgung schließen:

RQ Fett % Kohlenhydrate %
0,7 100 0
0,76 80 20
0,82 60 40
0,88 40 60
0,94 20 80
1,00 0 100

Damit hat man den relativen Anteil an Kohlenhydraten und Fett und über die oben angegebenen Tabellenwerten für Sauerstoff und Kohlendioxyd kann man aus dem Gasverbrauch/Erzeugung dann die absolute Menge in Gramm bestimmen und über den bekannten Energiegehgalt dann die verbrauchte Energie.

Das ist recht zuverlässig und so wird auch der Energieumsatz zahlreicher Tätigkeiten bestimmt. Allerdings muss man eines berücksichtigen: es ist der Gesamtenergieverbrauch. Will man also bestimmen, wie viel man nur durch eine Tätigkeit verbraucht hat muss man in einer zweiten Reihe den Grundumsatz bestimmen. Dieser macht im Tagesmittel bei den meisten die nur wenig anstrengende Tätigkeiten haben zwei Drittel des Gesamtumsatzes aus.

So und nun kommen wir zum Fehler in der Sendung. das hat man dort nicht gemacht. Stattdessen kam im zweiten Teil beim Lachen erst Kitzeln, dann lustige Filme gucken und dann ein Lachtrainer zum Einsatz. Das hat sicher länger als die 10 Minuten Fahrradfahren gedauert. Für die wurden 59 kcal ermittelt, das sind 1486 kJ/Stunde relativ viel für Fahrradfahren wenn ich Tabellenwerte als Vergleich nehme. Schon da hat man wohl den Grundumsatz mit eingerechnet. Das Lachen wurde dann zu 151 kcal bestimmt. Neben der Verwendung von kcal als Einheit, das ich als Thema schon mal hatte ist natürlich die Dauer wichtig und die wird beim zweiten versuch viel länger gewesen sein. 151 kcal in 10 Minuten das wäre ein enormer Energieumsatz von 3805 kJ/Stunde. Nur mal so als Vergleich: bei einem 75 kg schweren Mann entspricht das etwa 30 km/h stunde Fahrradfahren oder 12 km/h Laufen. Und in der Versuchsgruppe waren zwei Drittel Frauen die eher weniger als 75 kg wiegen. Mit Lachen so viel Energie verbrauchen wie beim schnellen Laufen? Ohne zu schwitzen?

Die Grundaussage mag stimmen, dass man mit 100 x Lachen so viel Energie verbraucht, aber das dauert dann länger als 10 Minuten. So suggeriert der Beitrag könnte man durch Lachen ohne Problem die dreifache Energiemenge des Fahrradfahrens in der gleichen Zeit umsetzen und das ist definitiv falsch.

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