Energiebedarf und Energieverbrauch ermitteln

Der menschliche Organismus benötigt zur Aufrechterhaltung seiner Funktionen Energie und Nährstoffe. Der Körper deckt seinen Energiebedarf dabei aus den energieliefernden Hauptnährstoffen der Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette. Auch Alkohol liefert Energie. Die Balance zwischen Energiebedarf und -zufuhr einerseits sowie dem Energieverbrauch andererseits spielt für Körpergewicht, Gesundheit und Krankheit eine tragende Rolle. Sowohl Energiebedarf als auch Energieverbrauch sind dabei zahlreichen Einflüssen unterworfen.

Grundlagen zu Energiebedarf, Energiebereitstellung und Energieverbrauch

Energie benötigt der Körper für grundlegende Körperfunktionen. Hierzu gehören unter anderem:

  • die Erhaltung der Körperwärme
  • die Aufrechterhaltung von Organfunktionen, Muskeltätigkeit/Bewegung, Verdauung, etc.
  • die Aufrechterhaltung der Gehirnfunktion
  • Wachstum, Stoffwechsel und Regeneration

Etwa 10 % der zugeführten Energie gehen als „unverdauliche“ Energie verloren. Dies ist damit zu begründen, dass die Nährstoffe während der Verdauung nicht vollständig aufgeschlossen und aufgenommen werden.

Die verschiedenen Organsysteme verbrauchen die zur Verfügung gestellte Energie dabei in unterschiedlichem Ausmaß. Genaue Angaben dazu unterscheiden sich von Literatur- zu Literaturquelle. Im Groben lässt sich sagen, dass Muskulatur, Leber und Gehirn zu den Energiegroßverbrauchern zählen. Herz, Nieren und Fettgewebe hingegen verbrauchen schon etwas weniger Energie.

Grundsätzlich wird zwischen Grundumsatz, Arbeitsumsatz bzw. Leistungsumsatz sowie nahrungsinduzierter Wärmbildung unterschieden [Kre 2007].

Der Grundumsatz

Die Berechnung des Energiebedarfs ist mittels verschiedener Formeln möglich. Die einfachste Formel lautet:

Pro Kilogramm Körpergewicht und Stunde ist etwa 1 kcal nötig.

Eine 65 kg schwere Frau käme damit auf einen Grundumsatz von etwa 1.560 kcal. Bei leichter körperlicher Aktivität erhöht sich dieser Bedarf etwa um 1/3 (ca. 2.080 kcal); bei intensiver körperlicher Tätigkeit um 2/3 (ca. 2.600 kcal).

Der minimale Energiebedarf wird durch den Ruhe-Energie-Umsatz ausgedrückt. Die Bestimmung ist in der Praxis jedoch aufwendig und teuer. Daher wird stattdessen der Grundumsatz berechnet, der etwa 5 bis 10 % über dem Ruhe-Energie-Umsatz liegt (Literatur in [Jen 2016]). Der Wert entspricht in etwa der Energiemenge, die wir durchschnittlich

  • in völliger Ruhe und im Liegen
  • zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur
  • für grundlegende Stoffwechsel- bzw. Organfunktionen wie Herztätigkeit und Atmung
  • in 24 Stunden benötigen.

Der Grundumsatz ist keine feste Größe und wird durch eine Reihe an individuellen und zeitlichen Faktoren beeinflusst. Diese werden in den Berechnungen teilweise nicht berücksichtigt und führen daher zu ungenauen Ergebnissen. Berücksichtigt sind Alter, Geschlecht, Körpergröße und Körpergewicht, wobei Frauen allein durch einen geringeren Anteil an Muskelmasse einen niedrigeren Grundumsatz aufweisen.

Der Ruhe-Energie-Umsatz korreliert zwar grundsätzlich mit dem Körpergewicht. Mit steigendem Fettmasseanteil steigt jedoch der Energieverbrauch nur geringfügig, da dieser im Wesentlichen von der Muskelmasse abhängt. Somit steigt der Energiebedarf bei Gewichtszunahme nur, wenn es sich um eine Zunahme an „fettfreier Masse“ wie der Muskulatur handelt.

Einflussfaktoren (in Berechnungen berücksichtigt: + ja; – nein)

Alter (+/-)

Grundumsatz sinkt mit zunehmendem Alter.

Geschlecht (+)

Grundumsatz liegt bei Männern höher als bei Frauen.

Körpergröße (+)

Grundumsatz steigt mit zunehmender Körpergröße.

Körpergewicht (+)

Grundumsatz steigt mit zunehmendem Körpergewicht.

Anteil Muskulatur und Fett (-)

Grundumsatz steigt mit zunehmendem Muskulaturanteil.

Hormone (-)

Grundumsatz wird durch Aktivität von z. B. Geschlechts- und Schilddrüsenhormonen beeinflusst.

Stress (-)

Grundumsatz steigt mit zunehmendem (Dys-)Stress.

Fieber (-)

Grundumsatz steigt mit zunehmender Körpertemperatur.

Medikamente (-)

Arzneistoffe wie z. B. Kortikosteroide können den Grundumsatz beeinflussen.

Außentemperatur (-)

Arzneistoffe wie z. B. Kortikosteroide können den Grundumsatz beeinflussen. Grundumsatz steigt mit extremen Wetterbedingungen (starke Kälte führt zu einer Steigerung um bis zu 2,5 %; Hitze über 30°C bewirkt eine Steigerung um 0,5 % pro Grad Celsius). Arzneistoffe wie z. B. Kortikosteroide können den Grundumsatz beeinflussen.

Der Grundumsatz kann mittels verschiedener Schätzformeln ermittelt werden:

Harris-und-Benedict-Formel

  • älteste und gebräuchlichste Formel, zuletzt 1985 überarbeitet

Mifflin-St.-Jeor-Formel

  • soll bei gesunden Erwachsenen, bei Über- und Untergewicht sowie bei stationären Patienten genaueres Ergebnis als Harris-und-Benedict-Formel liefern

FAO/WHO/UNO-1984-Formel

  • genaueste Berechnung [Wei 2008], berücksichtigt neben Körpergröße und Körpergewicht auch das Alter

Mit den diesen Berechnungen (siehe Grafiken) lässt sich der Grundumsatz mit einer Genauigkeit von +/-15 % ermitteln.

Speziell für den Klinikbereich gibt es von der DGEM angewandte Schätzformeln mit Berücksichtigung des Körpergewichts:

  • Erwachsene <30 Jahre: 25 kcal pro Tag und Kilogramm Körpergewicht
  • Erwachsene 30-70 Jahre: 22,5 kcal pro Tag und Kilogramm Körpergewicht
  • Erwachsene >70 Jahre: 20 kcal pro Tag und Kilogramm Körpergewicht

Der Arbeits- bzw. Leistungsumsatz

Im Grundumsatz noch nicht enthalten ist der Anteil an Bewegung und muskulärer Arbeit. Dieser errechnet sich aus der Multiplikation des PAL (physical activity level) mit dem Grundumsatz.

Die PAL-Werte berücksichtigen die durchschnittliche Belastungs- bzw. Bewegungsaktivität, beispielsweise in Abhängigkeit des ausgeübten Berufes. So verbrauchen Büroangestellte bedingt durch ihre Tätigkeit im Allgemeinen weniger Energie als Lehrer und Verkäufer. Leistungssportler oder bestimmte Handwerker verbrauchen mehr Energie im Beruf als Studierende oder Lkw-Fahrer.

Die in der Praxis angewandten PAL-Werte wurden für verschiedene Berufsgruppen mit jeweils unterschiedlichem Freizeitverhalten experimentell ermittelt.

Aufgrund von Mechanisierung und Automatisierung der Berufsfelder wie auch des Alltags hat die körperliche Aktivität in der Allgemeinbevölkerung über die letzten Jahre und Jahrzehnte abgenommen. Der durchschnittliche PAL-Wert liegt heute eher bei 1,4 und nicht wie früher bei 1,6.

Eine körperliche Belastung geht zwangsläufig mit einem erhöhten Sauerstoffbedarf einher, der sich durch eine erhöhte Atem- und Herzfrequenz zeigt und so den Energieverbrauch erhöht. In der Regel wird der Energieverbrauch durch sportliche Aktivitäten jedoch überschätzt. So ist die Belastung einzelner Muskelgruppen, wie es im Bodybuilding häufig zu beobachten ist, nicht so energetisch aufwendig wie allgemein angenommen. Entscheidend sind Anzahl und Art der belasteten Muskelfasern insgesamt.

Auch wenn die PAL-Werte eine standardisierte Einordnung des durchschnittlichen Energiebedarfs in Abhängigkeit der ausgeübten Tätigkeit erlauben, kann die Anwendung in der Praxis zu deutlichen Fehleinschätzungen führen [May 2008].

Der Goldstandard, die Doubled-Water-Methode (DLW), wird aufgrund der aufwendigen und kostenintensiven Durchführung ausschließlich in der Wissenschaft angewendet.

Nahrungsinduzierte Wärmebildung

Schätzungsweise weitere 8-10 % werden durch die nahrungsinduzierte Wärmebildung (postprandiale Thermogenese oder spezifisch-dynamische Wirkung) verbraucht (in der Literatur schwanken die Angaben zwischen 3 und 10 %). Damit wird dem Energieverbrauch für Transport, Umbau und Speicherung der Nährstoffe Rechnung getragen. Dabei ist die Effizienz der Wärmebildung durch Nährstoffe, die mit der Nahrung aufgenommen werden, unterschiedlich. Diese liegt

  • bei Fetten durchschnittlich zwischen 2 und 4 %
  • bei Kohlenhydraten zwischen 4 und 10 % und
  • bei Proteinen zwischen 14 und 20 %.

Der Anteil an Eiweißen, Fetten und Kohlenhydraten bestimmt somit die Effizienz des Stoffwechsels und die Energiemenge, die für den Verbrauch durch körperliche Aktivitäten zur Verfügung steht. Im Übrigen liegt die spezifisch-dynamische Wirkung für Alkohol wohl bei etwa 20 %.

Physiologische Einflüsse auf den Energiebedarf und -verbrauch

Die genannten Berechnungen zum Energiebedarf zeigen gewisse Schwächen:

  • Die Berechnungen gehen von einer bestimmten Körperzusammensetzung aus.
  • Die Berechnungen gehen vom gleichen Trainingszustand bzw. einer ähnlichen Effizienz der Muskelarbeit aus. Die Umwandlung von Energie in Muskelarbeit unterscheidet sich bei gleichem Trainingsstand aber um bis zu 20 %.
  • Die Berechnungen gehen von einer identischen Stoffwechselaktivität (inkl. Hormonstatus) aus.
  • Die Berechnungen gehen von einer vergleichbaren Anzahl bzw. Dichte sowie Stärke der Mitochondrien in den Zellen und Geweben aus.
  • Die Faktoren Lebensstil (Rauchen, Sitzen, Stress, Umweltgifte etc.) bleiben in den Berechnungen ebenso unberücksichtigt wie einige Umweltbedingungen (Hitze, Kälte).

Auch ist der Umsatz von Nährstoffen bzw. Kalorien aus Lebensmitteln in Energie individuell verschieden und hängt unter anderem von der Kohlenhydrattoleranz ab [Ebe 2018]. Somit gibt es verschiedene Faktoren, die den Stoffwechsel und damit auch den Energiebedarf sowie -verbrauch beeinflussen.

Unklar ist, welche Gewichtung den einzelnen Faktoren dabei zukommt. Ziemlich sicher lässt sich sagen, dass

  • Erkrankungen und Medikamente
  • die Zusammensetzung der Darmflora
  • der Muskelanteil sowie
  • der Zustand der Mitochondrien und
  • die Wahl der Nährstoffverteilung

messbaren Einfluss nehmen können. Andere Faktoren wie Schlaf, Tageslicht und Stress haben vermutlich nur einen geringen Einfluss und greifen eher in die Hunger- bzw. Sättigungsregulation ein.

Schlussendlich kann auch eine Zufuhr an Kalorien unter dem Grundumsatz auf Dauer zur Anpassung des Körpers an den Energiebedarf führen. Dieser wird dadurch gedrosselt. Doch auch hier streitet die Wissenschaft noch, wie groß der Einfluss dieser Drosselung in der Praxis wirklich ist.

Mitochondriendichte und -stärke

Im menschlichen Körper befinden sich zwischen 30 und 100 Billionen Zellen. Fast jede Zelle besitzt Mitochondrien („Zellkraftwerke„). Eine Spermazelle manchmal nur 10, eine befruchtete Eizelle bis zu mehreren Hunderttausend. Im Durchschnitt produzieren 1.000 bis 2.000 Mitochondrien in der Zelle Energie. Plakativ ausgedrückt: Umso höher der Energiebedarf einer Zelle, umso mehr Mitochondrien sind enthalten.

Da reine Energie nicht gespeichert werden kann, sind wir auf eine kontinuierliche „Energieproduktion“ der Zellkraftwerke angewiesen. Diese sind anfällig für bestimmte Gifte, Einflüsse und Verhaltensweisen, wodurch diese absterben und/oder die Neubildung sowie Funktion eingeschränkt sein können. Auf der anderen Seite können Mitochondrien durch Nährstoffe, Sport, Licht und Schlaf deutlich gefördert werden. Somit hängt der individuelle Energieverbrauch auch vom Gesundheitszustand und der Anzahl der Mitochondrien ab.

Das zeigt sich auch immer mehr in Studien, die einen Zusammenhang zwischen dem Status der Mitochondrien im Körper und der Entstehung von chronischen Erkrankungen wie Adipositas, Diabetes, Fettstoffwechselstörungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs offenbaren (Literatur in [Smi 2018], [Her 2018]).

Zusammensetzung der Darmflora

Billionen Bakterien im Darm „essen mit“ und verstoffwechseln die mit der Nahrung zugeführten Nährstoffe. So werden Ballaststoffe in Fettsäuren umgewandelt, die die Darmschleimhaut optimal mit Energie versorgen. In wissenschaftlichen Untersuchungen konnten unterschiedliche Mengen und Arten an Stoffwechselprodukten mit unterschiedlichen Effekten auf die Energieausnutzung aus der gleichen Nahrung von Probanden nachgewiesen werden.

Bei adipösen Personen zeigten Studien, dass sich die Darmflora von Normalgewichtigen deutlich unterscheidet. Die Tragweite ist bis heute nur zu erahnen. So kommen die sogenannten Firmicutes bei Menschen mit Übergewicht bis zu 10-mal häufiger vor als Bacteroides. Das scheint sich auch auf den Energiestoffwechsel auszuwirken. Ein Mechanismus könnte auf die Bildung von Toxinen bestimmter Bakterienstämme zurückzuführen sein. Diese fördern Entzündungsprozesse, die wiederum das Stoffwechselgeschehen beeinflussen. In der Tiermast (Masthähnchen) hingegen konnte die Gabe von Laktobazillen zu einem besseren Futteransatz führen. Inwieweit dies auf Menschen übertragbar ist, ist unklar. Studienergebnisse hierzu sind widersprüchlich.

Erkrankungen und Medikamente

Erkrankungen können mit einem sogenannten Stressfaktor in der Berechnung berücksichtigt werden. Dieser varriert je nach Schwere und zeitlichem Verlauf der Erkrankung.

Schilddrüsenfunktionsstörungen haben mitunter einen enormen Einfluss auf die Stoffwechselaktivität sowie den Wärmehaushalt und können den Energieverbrauch um bis zu 30 % verändern. Gleiches gilt für Medikamente wie Cortison oder Antiepileptika. Erkrankungen der Nebennieren wie das Cushing-Syndrom oder chronische Entzündungsprozesse können den Stoffwechsel zusätzlich beeinflussen.

Erkrankungen mit Auswirkungen auf den Grundumsatz (+20 bis +80 %):

  • Schilddrüsenerkrankungen (Hypo- und Hyperthyreose)
  • Sepsis
  • Verbrennungen
  • Traumata

Bei Patienten mit stationärem Aufenthalt liegt der Leistungsumsatz meist nur 0-7 % über dem Grundumsatz. Bettlägerige Menschen sind körperlich nicht aktiv. Je nach Ausmaß der täglichen Bewegungsarbeit wird der Leistungsumsatz aus dem Grundumsatz multipliziert mit einem PAL von 1,0-1,1 berechnet.

Sonderfall Adipositas: Das Einschätzen des Energiebedarfs hier besonders schwierig, da die metabolisch fettfreie Körpermasse überproportional durch Fett ersetzt wurde. Dieses benötigt weit weniger Energie. Die Verwendung des Ist-Gewichts führt daher zur Überschätzung des Energiebedarfs.

Energiebedarf und Energiezufuhr sind als bewusste therapeutische Entscheidung an den Krankheitsverlauf und die Bedürfnisse des Patienten anzupassen.

Psychologische Einflüsse auf die Energiezufuhr

Eine geringe Magenfüllung sowie Nährstoffdefizite sind physiologische Treiber der Nahrungszufuhr. Diese sorgen dafür, dass ausreichend Energie und Nährstoffe zugeführt werden.

Immer häufiger führen jedoch psychologische Treiber zu einer erhöhten Energiezufuhr und damit zu einer positiven Energiebilanz. Eine positive Energiebilanz ist der Grundstein einer Gewichtszunahme.

Zu den psychologischen Treibern zählen vor allem Emotionen wie Trauer, Wut, Freude, Lust oder Geselligkeit, ein negatives Selbstbild, Gewohnheiten oder auch Langeweile.

Empfehlungen für die Praxis

In Anbetracht der verschiedenen Einflussfaktoren wird klar, dass Berechnungen des Energiebedarfs und des Energieverbrauchs nur zur Orientierung sowie als Verlaufsindikator in der Ernährungstherapie geeignet sind.

Als Schlussfolgerung für die Praxis ist es ratsam, diejenigen Einflussfaktoren zu beherzigen, die die Energiebalance zwischen Bedarf und Zufuhr aufrecht erhalten:

  • ausreichend Bewegung und Sport (für eine gut ausgeprägte Muskulatur)
  • eine darauf angepasste Nährstoffzufuhr (Eiweiße, Fette, Kohlenhydrate)
  • wenig verarbeitete Lebensmittel bevorzugen/ Darmgesundheit fördern
  • Nahrungszufuhr vor allem nach Hunger ausrichten (nicht nach Appetit, Emotionen, Gewohnheiten etc.)
  • gutes Stressmanagement
  • unnötige Medikamente vermeiden
  • Erkrankungen optimal therapieren
  • Energiezufuhr bei Krankheit, Immobilität, Stress etc. anpassen.
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