食物的熱量單位為什麼是「卡路里」?

食物的熱量單位為什麼是「卡路里」?

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威布林·阿特華特(Wilbur Atwater)的呼吸量熱儀是一個大的銅製盒子[左],人類受試者可以在其中居住長達12天,並完成各種任務,例如運動,休息和吃午餐[右]。新年新氣象,吃什麼才能使小蠻腰更加苗條?要達到這一目標,自然而然機會想到計算食物的卡路里,控制自己的飲食。

這一切都要歸功於一個叫威布林‧阿特華特(Wilbur O. Atwater)的美國人,正是他引入了食物能量單位——卡路里。

1873年至1907年,阿特華特是康乃狄克州衛斯理大學的化學教授。

在去慕尼黑學習之後,他對營養和代謝的興趣日漸深入,在慕尼黑,他學到了德國人分析食物營養含量的技術,透過調研食物中的化學能與體能之間的相關性,來確保工人的合理飲食。

1887年,阿特華特發表了題為「食物的潛在能量」的文章,文中他將熱量定義為將一公斤水的溫度升高1攝氏度(或一磅水4華氏度的熱量)。

他試圖證明一個單位的熱量可能是一個單位的機械能,為此他定義一個卡路里為1.53英呎噸——也就是說,需要舉起一噸物體一英呎的力。

文中,阿特華特列出了各種食物的卡路里計數,如瘦牛肉相當(807)、奶油(3,691)、普通牛奶(308)和脫脂牛奶(176)、燕麥片(1,830)和蘿蔔(139)。

數據基於對每種食物中營養、蛋白質、脂肪和碳水化合物的數量的估計,透過一些實驗獲得。

雖然現代食物的卡路里計算方法與阿特華特的計算方法略有不同,但他的估計數據依然可用,1克蛋白質含有4.1卡路里,1克脂肪含有9.3卡路里。

阿特華特利用了一種稱為炸彈量熱儀的儀器來做實驗,這種儀器在當時已經廣泛使用,它用來測量在反應過程中放出的熱量:將樣品放置在一個叫做炸彈的鋼反應容器中,然後浸入水中,用電流啟動樣品,水由此產生熱量,按一定的時間間隔記錄水的溫度。

阿特華特和衛斯理的物理學家愛德華‧羅莎、化學家佛朗西斯‧班尼迪克特開發出一種呼吸量熱計。科學家透過它來測量人體的氧氣攝入量、二氧化碳排放量以及由此產生的熱量,進而估計出人體消耗的卡路里。

量熱計是一個銅盒,高6英呎,寬4英呎,深7英呎(1.8*1.4*2.1米),包裹在木材和鋅中,以確保恆溫。受試人員將在這個盒子裡待12天,完成各種指定的任務,從躺著休息到鍛鍊,這些研究實驗成為了理解代謝率的基礎。

難道這就是我們計算卡路里的方法,事實並非如此。

在花費幾十年時間定義卡路里的過程中——出現了焦耳

阿特華特並沒有定義出「卡路里」這個詞,它是由巴黎梅蒂埃斯學院的化學教授尼古拉斯‧克萊門特發明的。

1819年,克萊門特教授了一門工業化學課程,他需要一個熱量單位來討論蒸汽機如何將水蒸氣轉化為熱量,他將卡路里定義為將1公斤水的溫度提高1°C所需的熱量——這與阿特華特的定義不謀而合,克萊門特更精確地說明測量是從0°C到1°C。

科學家接受了克萊門特的定義,從此,卡路里進入了法國物理教科書。

在這些教科書中,其中兩篇由法國物理學家Adolphe Ganot翻譯成多種語言,歐洲和美國的大學在20世紀初使用了這些教科書,從此,克萊門特的卡路里變成了英語。

與此同時,卡路里的另一個定義正在形成,1852年,法國化學家Pierre Favre和法國物理學家Johann Silbermann將卡路里定義為:將一克水的溫度提高1攝氏度所需的能量——差了1000倍!

德國科學家採用了他們的定義。

到了1870年代,熱量定義的競爭關係日趨激烈,法國化學家Marcellin Berthelot做對此出了區分:他把卡路里(用小寫字母c)定義為克熱卡,把卡路里(大寫)定義為千克熱卡。

1894年,美國醫生約瑟夫‧雷蒙德(Joseph Raymond)在他的經典教科書《人體生理學手冊》(A Manual of Human Physiology)中提議稱大卡為「千卡」,直到幾年後這個詞才流行起來。

同時,英國科學促進協會正在研究一個完全不同的能量單位:焦耳。

1882年,威廉‧西門子(William Siemens)在擔任BAAS主席的就職演說中提出了焦耳。

西門子對卡路里感到困惑:「一個完全隨意的單位顯然會帶來不便,引入一個基於電磁系統的單位更為準確。」他將焦耳定義為當一安培的電流通過一歐姆的電阻一秒鐘時,消散的熱量。

美國農業部國家農業圖書館特別收藏,威布林‧阿特華特利用一個較小的熱量計來估計香蕉等不同食物的卡路里計數。

因此,當阿特華特對食物進行營養研究時,他選擇了熱能單位。他在加諾翻譯的教科書中讀到克萊門特的卡路里。

在德國的博士後培訓期間,他會遇到法夫雷和西爾伯曼的卡路里。作為一個科學界的成員,他可能會聽說擬議中的焦耳,西門子的定義直到1889年在第二屆國際電氣大會上才被採納。

喬治亞大學的James L.Hargrove調查了卡路里的歷史,並就阿特華特為什麼選擇卡路里提出了一些建議:首先,它是美國字典中列出的唯一能量單位。更重要的是,哈格羅夫認為:熱量是一個可管理的尺度,圍繞這個尺度,阿特華特建議一個人的每日攝入量為2000卡路里,如果每天攝入200萬卡路里的話,似乎會很麻煩。

美國營養學家緊隨阿特華特之後,在阿特華特為美國農業部準備的表格中,列出了500多種食物的卡路里計數。阿特華特的女兒海倫協助他的實驗室工作了十年,1907年父親去世後,她去了美國農業部家政局工作。

大卡路里和卡路里在1948年被正式淘汰,當時國際科學界採用焦耳作為標準能量單位。正如西門子所指出的那樣,僅僅用大寫和數量級來區分兩種不同的定義太令人不解了。今天,美國的營養標籤繼續報導卡路里,而其他國家給出的單位為卡爾斯和焦耳。

熱量計引發了蒸汽發生器的設計

不光是營養學家對卡路里感興趣,上世紀初,電力需求激增,許多國家的市政當局正在建造新的發電廠。

隨著汽輪機的發明,發電機變得更加複雜,鍋爐在更高的溫度和壓力下運行。工程師們迫切需要獲取蒸汽設備的數據,但他們缺乏水和蒸汽特性的國際標準化度量。

於是他們轉向了回到克萊門特的量熱儀:利用它完成測量蒸汽的工作。

從1921年開始,持續了將近20年,Nathan Osborne、Harold Stimson和Defoe Ginnings在美國國家標準局(現為國家標準和技術研究所)就這個確切的問題展開工作。研究小組開發了優雅量熱儀,研究水在100°C時的熱容量和汽化熱。

國家標準技術研究院收藏,1937年的蒸汽量熱計是美國國家標準局發明的,用於測量蒸汽動力設備的輸出。 

該儀器已經被切開,以顯示內部結構,工作原理類似於阿特華特使用的炸彈熱量計。球形內殼裝有水樣,能量由電流增加,科學家觀察狀態的變化。進入20世紀60年代,他們的實驗數據指導了蒸汽動力設備的設計和評估。

正如Osborne在1925年的報告「流體熱量測量」中所指出:電加熱器、電阻溫度計和熱電偶的採用和改進,使熱量計成為了熱研究中可靠、準確的測量手段。

因此,無論是計算食物中的能量還是水的熱容量,熱量計對化學家、物理學家和工程師來說都是兩個多世紀以來的寶貴工具。進入新的一年,當我們中的許多人對卡路里重新產生興趣時,似乎更應該向計算卡路里的工具致敬。

這篇文章的摘要版本發表在2021年1月的印刷版上,名為「計數卡路里。」

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