Nutrizione e alimentazione umana

Nutrizione e alimentazione umana

“L’uomo è ciò che mangia” Ludwig Feuerbach 1850

L'alimentazione ha al centro la fonte del nutrimento cioè la natura e la qualità degli alimenti. La nutrizione concerne la risposta biofunzionale a livello individuale e di popolazione. L'alimentazione (dieta) ottimale è il mezzo per ottenere un buono stato di nutrizione e salute del soggetto.

Fabbisogni

Lezione 1

L’organismo ha bisogno di energia e sostanze nutritive, i nutrienti, che si trovano in diverse quantità e combinazioni negli alimenti, di sostanze protettive per il benessere. Le caratteristiche del nostro organismo (genetiche e acquisite) e il nostro stile di vita determinano i fabbisogni alimentari.

I principi nutritivi si suddividono in calorici e non calorici (acalorici). Quelli acalorici, che quindi non forniscono energia, si suddividono in: acqua, minerali e vitamine, che non hanno funzione energetica ma solo costruttiva e regolatrice. Quelli calorici si suddividono in:

Esistono comunque sostanze utili, non classificate come nutrienti, che influiscono positivamente su una o più funzioni fisiologiche, contribuendo a preservare o migliorare lo stato di salute e benessere e ridurre il rischio di malattie correlate all'alimentazione, non apportano funzioni energetiche. Questi nutrienti bioattivi sono presenti prevalentemente negli alimenti di origine vegetale.

Per impostare una corretta alimentazione il primo punto da considerare è la necessità di energia: il fabbisogno energetico.

L’essere umano utilizza l'energia per preservare al meglio l'integrità strutturale e funzionale di cellule, tessuti, organi, apparati e, in definitiva, per garantire la sua stessa sopravvivenza. L'energia presente negli alimenti è sfruttata per la sintesi dell'adenosina trifosfato (ATP) che è necessaria per compiere lavoro di tipo meccanico (contrazione muscolare) o chimico (sintesi e catabolismo delle molecole organiche), per mantenere gradienti ionici fra compartimenti corporei, per assorbimento, trasporto e captazione cellulare dei nutrienti. Garantire una appropriata disponibilità di energia attraverso gli alimenti rappresenta il primo aspetto di un'alimentazione adeguata.

Fabbisogno e dispendio

Apporto di energia di origine alimentare necessario a compensare il dispendio energetico di individui che mantengano un livello di attività fisica sufficiente per partecipare attivamente alla vita sociale ed economica e che abbiano dimensioni e composizione corporea compatibili con un buono stato di salute a lungo termine. Nel caso di bambini o donne in gravidanza o allattamento, il fabbisogno deve comprendere la quota energetica necessaria per sostenere la deposizione di nuovi tessuti o per la secrezione di latte (OMS).

Per conoscere il fabbisogno di energia da portare con gli alimenti occorre studiare il dispendio energetico:

• Quali sono le componenti del dispendio?
• Quanta energia serve per ognuna?

Quali sono le componenti del dispendio?

Per prima cosa, il dispendio energetico è costituito principalmente da tre fattori: la termogenesi, l’attività fisica e il metabolismo basale. Il dispendio energetico è diverso tra gli individui sedentari e gli individui che praticano attività fisica.

Metabolismo basale (MB) o a riposo

È l'energia necessaria all'organismo per il mantenimento di organi e tessuti, è una spesa energetica obbligatoria ed è pari al 60-75% del dispendio totale. Per misurarla occorre che l'individuo sia:

• A riposo
• In uno stato termico neutrale
• A digiuno da 12-14 ore
• In condizione di totale rilassamento fisico e psichico

Fattori che influiscono sul MB:

• Composizione corporea
• Età, sesso
• Funzionalità tiroidea
• Dieta
• Condizione fisiologica (gravidanza, allattamento, invecchiamento, accrescimento)

Un soggetto allenato, dello stesso peso e altezza, di un soggetto sedentario, ma con % di massa muscolare maggiore, avrà un metabolismo basale (MB) più elevato del soggetto sedentario con componente muscolare minore.

L'attività fisica

L’attività fisica comporta un dispendio energetico variabile dipendente dal tipo, intensità e frequenza delle attività condotte. Varia da poco più del 15% del dispendio totale in stile di vita estremamente sedentari, a valori del 30% o oltre in caso di attività fisica intensa. L'attività fisica viene considerata come qualsiasi forma di contrazione muscolare non presente in condizioni basali e comprende varie tipologie. Svolgere l'attività fisica è una strategia che persone di ogni età possono attuare per preservare o migliorare la propria salute.

• Giardinaggio 30-45 min
• Lavare la macchina 45-60 min
• Camminare 30 min
• Basket 30 min
• Ballare 30 min
• Nuotare 20 min
• Saltare la corda 15 min

Termogenesi

È la spesa energetica supplementare composta da:

• Termogenesi alimentare → dispendio seguente al consumo di alimenti
• Termoregolazione → risposta a stimoli termici ambientali
• Risposta a sostanze termogeniche (caffeina, ormoni tiroidei)

La termogenesi alimentare è distinta in:

• Obbligatoria → processi di digestione, assorbimento ed utilizzazione dei nutrienti (incide maggiormente)
• Facoltativa → altri meccanismi tra cui l’attivazione del sistema nervoso simpatico

La sua entità dipende dai nutrienti:

• 2-5 % apporto energetico da lipidi
• 5-10 % apporto energetico da carbo
• 10-35 % apporto energetico da proteine

Per una dieta mista = circa 10% dispendio totale

Quanta energia serve per ognuna?

Il dispendio energetico si può misurare o calcolare, attraverso il calcolo facciamo una stima:

• Misura → dispendio a riposo o in attività standard, dispendio totale 24 ore in condizioni free living (base)
• Stima → metodo fattoriale

Misura

Il dispendio energetico si può misurare con tecniche calorimetriche:

1. Calorimetria diretta: misura le perdite di calore da parte del corpo ed è l'espressione dei processi metabolici in atto che producono calore come scoria metabolica. Tutti i processi metabolici che si verificano nell'organismo portano alla produzione di calore, è possibile misurare direttamente la produzione di calore corporeo disponendo di una stanza calorimetrica che permette al soggetto di soggiornare per ore o giorni, mangiare, dormire e compiere un lavoro. Una sottile lastra di rame riveste la superficie interna a ridosso della quale scorrono gli scambiatori di calore entro cui passa aria fredda. Mentre il soggetto lavora viene fatta passare acqua alla temperatura di 2°, che rapidamente sottrae il calore che deriva dal metabolismo corporeo; viene misurata la differenza di temperatura dell'acqua all'entrata e all'uscita. Risulta essere un esame molto preciso, ma il suo uso è poco pratico e quindi limitato (alti costi). Non può essere usata per misurare il metabolismo nella maggior parte delle attività sportive e ricreative.
2. Calorimetria indiretta: misura il consumo di ossigeno come indicatore dei processi ossidativi cellulari/metabolismo cellulare. Si basa sul principio in cui l'organismo ricava l'energia mediante l'ossido-riduzione dei substrati energetici, contenuti negli alimenti, in reazioni conosciute in cui si consuma ossigeno e si produce CO2. Consiste nella misurazione degli scambi gassosi respiratori (consumo di ossigeno e produzione di CO2) in un determinato periodo di tempo. Il consumo di ossigeno e la produzione di CO2 possono essere ricavati in base al volume di aria respirata dal soggetto e confrontando le concentrazioni dei gas nell'aria inspirata ed espirata. La strumentazione richiede un misuratore di gas per la ventilazione polmonare, analizzatori per O2 e CO2, un barometro ed un termometro per misurare le variazioni ambientali al fine di correggere il volume di aria espirata a condizioni standard, pressione e umidità. Può essere usata sia in condizioni di riposo, sia in condizioni di attività per periodi limitati di tempo per la misura del consumo energetico da attività fisica.

La calorimetria indiretta deve essere misurata in ambiente termoneutrale (22-26°) e in assenza di stimoli esterni. Il soggetto deve essere a digiuno da 12 ore (18 ore dalle proteine), a riposo ed in totale rilassamento fisico e psicologico. La durata del test non deve essere inferiore a 15 minuti. Se si vuole valutare solo il dispendio energetico, e non la tipologia di nutrienti ossidati, si può determinare solo il consumo di ossigeno. Infatti, è diffuso l'utilizzo di strumenti, anche a livello ambulatoriale, contenenti equazioni calorimetriche basate solo sul consumo di ossigeno.

La misura del consumo di O2 è sufficiente per stimare il dispendio energetico; se si dispone anche della misura dell'anidride carbonica è possibile avere un'indicazione dei substrati ossidativi attraverso il calcolo del quoziente respiratorio:

QR = CO2 prodotta / O2 consumato

Il QR varia a seconda del nutriente ossidato:

• QR carbo = 1
• QR grassi = 0,7
• QR proteine = 0,8

In condizioni di digiuno e in condizioni fisiologiche, il QR è circa 0,82.

↑ QR aumenta in caso di:

• Iperventilazione
• Acidosi metabolica
• Ipernutrizione con lipogenesi
• Metabolismo dell’etanolo
• Esercizio fisico
• Ipertermia

↓ QR diminuisce in caso di:

• Ipoventilazione
• Privazione di cibo
• Diabete con chetoacidosi
• Ipotermia

Tutte le condizioni che si associano ad un QR al di fuori del limite fisiologico (0,707-1,00) devono essere tenute in adeguata considerazione per la corretta interpretazione del dato calorimetrico.

• Valori QR
• Valori QR > 1,00: lipogenesi

Misura del dispendio energetico totale (DET)

La misura del DET, in condizioni di free-living, è possibile tramite una tecnica definita dell'Acqua doppiamente marcata (Doubly Labelled Water, DLW) il cui primo utilizzo risale agli anni ‘50 in veterinaria su animali di piccola taglia da Lifson. Negli anni ‘80 a seguito del miglioramento delle tecniche analitiche è stato possibile applicarlo all'uomo con costi contenuti.

Il metodo prevede la somministrazione di acqua marcata con due isotopi stabili - 2H18O - e la misura della loro eliminazione dall'organismo per 14-20 giorni, in cui i soggetti svolgono una vita normale. Nello stesso periodo i volontari devono compilare accuratamente un diario alimentare che consenta di lavorare la miscela metabolica ossidata e quindi stimare il QR.

• Per un uomo ed una donna adulti la dose si aggira sui 60-70 g di acqua
• Nelle tre ore successive non ci deve essere nessuna assunzione di cibo o bevande
• Raccolta, prelievo ed analisi delle urine per determinare la concentrazione dell’isotopo

L’eliminazione di 18O è più veloce:

• 2H viene eliminato solo attraverso l’acqua
• 18O viene eliminato sia come acqua, sia come CO2 con il respiro

La differenza tra calo di idrogeno e ossigeno marcato, è indice della produzione di anidride carbonica. L'analisi dei consumi alimentari, (ottenuta con un diario) permette di stimare la miscela metabolica ossidata, cioè il QR. Dal quoziente respiratorio (CO2/O2) e conoscendo le emissioni di CO2, si ricava la quantità di ossigeno consumato dal soggetto ed il suo dispendio energetico. Questa metodica è stata validata confrontando le misure di produzione di CO2 ai dati ottenuti mediante la calorimetria indiretta, da cui è risultata una accuratezza di circa 1-2 %, la precisione del metodo è influenzata sia da errori metodologici che dalla variabilità biologica. Negli anni, gli studi si sono moltiplicati soprattutto con lo scopo di valutare l'attendibilità dei dati ottenuti con indagini alimentari, confrontandoli con i valori di DET misurati. Solo negli ultimi anni l'interesse si è spostato alla valutazione della spesa energetica da attività fisica, nel momento in cui si è evidenziato un ruolo protettivo nella prevenzione delle malattie.

Stima metodo fattoriale

Valutazione separata dei componenti (fattori) del dispendio energetico:

1. Stima metabolismo basale
2. Correzione in base al Livello di Attività Fisica (LAF)

In assenza della possibilità di misurare il metabolismo basale con calorimetria indiretta, si utilizzano delle formule predittive. Sono formule matematiche che sfruttano la relazione esistente tra: il dato incognito (valore di MB) e fattori ad esso correlati che siano in grado di predirlo in modo approssimato ma attendibile. I predittori più importanti del metabolismo basale sono:

• Massa magra
• Peso
• Altezza

LAF → Livello di attività fisica

È un concetto introdotto dall’OMS, nel 1985, per semplificare l'espressione dei fabbisogni di energia. Può essere dettato dal tipo di attività svolta o può essere anche effettivamente misurato. È dato dal rapporto tra:

Dispendio energetico totale / Metabolismo basale

Come valutare il LAF?

1. Approccio classico: si basa sulla valutazione del tempo dedicato alle varie attività nella giornata e sulla conoscenza del costo energetico delle stesse, tramite la compilazione di un diario di attività giornaliere. Il costo energetico di un'attività fisica corrisponde al dispendio che si osserva quando essa è svolta secondo modalità e ritmo normali; normalmente viene espresso non in termini assoluti (esempio in kcal/min), ma piuttosto come incremento rispetto al riposo, in pratica si definisce come multiplo del metabolismo basale definito PAR (physical activity ratio). Il valore energetico di ogni attività si calcola moltiplicando: il valore di MB del soggetto nell'unità di tempo x il fattore moltiplicativo specifico per attività, nel tempo.
2. Approccio sperimentale: misurare il dispendio energetico totale ed il metabolismo basale con tecniche calorimetriche e ricavare il LAF come:

DET misurato / MB misurato

PAR = costo energetico dell’attività x minuto / costo energetico del MB x minuto

Rappresenta il costo energetico delle singole attività, al minuto, espressi come multipli del metabolismo di base. Il PAR varia in base a sesso, età, peso corporeo.

(Durate dell’azione x PAR/IEI) x kcal/ora = totale kcal

Esempio → Dormire: (8 ore x 1 PAR) x 54,4 kcal/h = 435 kcal tot

LAF = dispendio giornaliero / MB = 1996 kcal / 1306 kcal-gg = 0,91

Dispendio energetico totale medio = MB x LAF = 1306 kcal/gg x 0,91 = 1188,46 kcal/gg

Classificazione del LAF:

• LAF 1,00 - 1,39 → sedentario
• LAF 1,40 - 1,59 → poco attivo
• LAF 1,60 - 1,89 → attivo
• LAF 1,90 - 2,50 → molto attivo

MET → Unità metabolica equivalente

Quantità di energia richiesta in condizioni di riposo, espressa come volume di ossigeno consumato nell'unità di tempo 3,5 ml O2/kg peso corporeo/ora = 1 kcal/kg peso corporeo/ora. L'uso dei METS è rilevante per la classificazione delle attività fisiche, mentre lo studio del PAR è legato ad una valutazione più accurata del dispendio energetico e considera come riferimento, non un valore fisso, ma un metabolismo basale che varia a seconda dell'età, del sesso e del peso. In questo senso, in nutrizione umana, l'uso del PAR resta preferibile a quello del MET, dove possibile.

Fonti di energia

Lezione 2

Una volta definito il fabbisogno di energia dell'organismo, in base alla valutazione del dispendio energetico, occorre identificare le fonti di energia nella nostra dieta. Il corpo umano ricava energia per tutte le attività dall'energia chimica degli alimenti, ed estrae energia, attraverso la combustione dei substrati organici calorici. I principi nutritivi calorici, come elencati prima, sono: glucidi, lipidi e protidi. L’energia chimica degli alimenti può essere determinata bruciando la sostanza in un apposito apparecchio (bomba calorimetrica) in cui la combustione provoca la liberazione di energia sotto forma di calore. Una bomba calorimetrica funziona come un calorimetro diretto: la sostanza viene completamente bruciata e si misura il calore che si libera della sua combustione. La sostanza viene posta in una cella isolata in presenza di ossigeno, la combustione viene innescata da un circuito elettrico ed è comandato dall'esterno; con il procedere della combustione il calore che si libera si trasferisce nell'acqua che circonda la cella. Essendo il calorimetro termicamente isolato dall'esterno, ogni aumento di temperatura dell'acqua, corrisponde esattamente al calore prodotto dalla combustione.

Unità di misura dell’energia

• Unità convenzionale = caloria (cal)
• Quantità di calore necessaria per alzare, di 1°C, 1 grammo d'acqua
• Kilocaloria (kcal) = 1000 cal
• Unità standard internazionale = joules (j)
• Lavoro compiuto dalla forza di 1 Newton per lo spostamento di 1 m nella direzione e nel senso della forza
• 1 cal = 4,184 joule