Voedingsevaluatie en Voedingstechnieken

Voedingsevaluatie en Voedingstechnieken
Topic 3
Module 3.3
Energiebalans
Lubos Sobotka
Remy Meier
Nachum Vaisman
Yitshal Berner
Leerdoelstellingen
•
•
•
•
•
Weten welke de componenten van energieverbruik zijn in het menselijk lichaam;
De energiestroom in de biosfeer begrijpen;
Het concept van energieopname en verbruik in het menselijk lichaam begrijpen;
De meetmethoden voor energieverbruik kennen;
In staat zijn te bepalen hoe energieopname het energieverbruik beïnvloedt.
Inhoud
1. Definitie van energieverbruik
2. Componenten van energieverbruik
3. Methoden voor het meten van energieverbruik
3.1 Directe calorimetrie
3.2 Indirecte calorimetrie
3.3 Raming van het energieverbruik
4. Invloed van ziekte op energieverbruik
5. Energieopname en energiebalans
6. Samenvatting
7. Klinische case
8. Zelfevaluatie
Hoofdpunten
•
•
•
•
•
De vraag naar energie wordt bij mensen ingevuld met energie uit voedsel of uit de
energiereserves van het lichaam, voorraden koolwaterstoffen, vetten en proteïnen;
Het totale energieverbruik bestaat uit energieverbruik bij rust, (resting energy
expenditure of REE), dieet-geïnduceerd energieverbruik (diet induced energy
expenditure of DEE), en energieverbruik omwille van activiteit (energy expenditure
for activity of AEE);
Energieverbruik omwille van activiteit (AEE) - is het meest variabele onderdeel van
het energieverbruik;
Indirecte calorimetrie is de meest exacte methode om energieverbruik te meten;
REE hangt hoofdzakelijk af van de vetvrije lichaamsmassa maar wordt toch beïnvloed
door vele factoren zoals ziekte- of ontstekingsactiviteit, hormonale status of
geneesmiddelenbehandeling;
Copyright © 2009 by ESPEN LLL Programme
•
•
Een positieve energiebalans is een noodzakelijke voorwaarde voor de groei en voor
de ontwikkeling alsook voor genezingsprocessen en spierontwikkeling tijdens het
herstel;
Een positieve energiebalans houdt verband met de ontwikkeling van obesitas bij een
volwassen patiënt.
1. Definitie van energieverbruik
Alle levende organismen verbruiken energie voor hun levensactiviteiten. Het grootste
gedeelte energie op aarde is wellicht afkomstig van de zon. De energie, voornamelijk UV
licht, wordt opgevangen in de thilacoiden van groene planten en vervolgens omgezet in
chemische energie van koolhydraten, vetten en proteïnen - fotosynthese.
Dieren gebruiken energie uit planten voor de processen waarbij ze energie nodig hebben.
De energie wordt vrijgegeven uit de belangrijkste energiesubstraten (koolhydraten,
lipiden en proteïnen) tijdens het oxidatieproces (voornamelijk in mitochondria) en
uiteindelijk komen water, koolstofdioxide en stikstofcomponenten (ureum) vrij (Fig. 1).
Figuur 1. De energieskringloop in de biosfeer
2. Componenten van energieverbruik
Totaal energieverbruik (Total energy expenditure of TEE) bestaat uit :
• Energieverbruik bij rust (REE);
• Dieet-geïnduceerd energieverbruik (DEE);
• Energieverbruik omwille van activiteit (AEE).
Energieverbruik bij rust
homeostatische functies :
• Ademhaling ;
• Hartfunctie ;
(REE)
–
is
energie
die
nodig
is
voor
de
Copyright © 2009 by ESPEN LLL Programme
onmisbare
•
•
•
•
Gastro-intestinale basisfuncties;
Intermediair metabolisme (vb. continue proteosynthese en afbraak);
Onderhoud van ionentransport doorheen celmembranen;
Thermogenese.
Bij rust wordt bijna 60% van het energieverbruik benut door het hart, de nieren, de
hersenen en de lever, hoewel deze organen samen maar goed zijn voor 5% van het
lichaamsgewicht (1) (zie Module 18.1).
REE is voornamelijk afhankelijk van de vetvrije lichaamsmassa. Toch kan REE worden
beïnvloed door factoren zoals :
• Hormonale status
- schildklierhormonen verhogen de REE
- catecholamines verhogen de REE
- gecombineerde afscheiding van glucagonepinefrine en cortisol (2)
• Ziekteprocessen
- ziekte of trauma verhoogt de REE (15-100%)
• Aanpassingsprocessen
- langere hongerperioden verhoogt de REE
• Geneesmiddelen
- sympathicomimetische geneesmiddelen verhogen de REE
- opiaten, barbituraten, sedativa, β-blokkers(3) en spierontspanners verlagen de
REE
• Leeftijd
- de REE vermindert met de leeftijd, wat voornamelijk is toe te schrijven aan het
verminderen van de vetvrije massa.
Dieet-geïnduceerd energieverbruik (DEE) ?
Het energieverbruik neemt toe na
voedselopname of tijdens de toediening van kunstmatige voeding (parenteraal of
enteraal) in vergelijking met energieverbruik tijdens het vasten. Men neemt aan dat DEE
overeenkomt met 10% van het TEE; de waarde ervan hangt echter af van het thermisch
effect van specifieke substraten en van de snelheid waarmee de substraten worden
toegediend. Vooral hoge percentages kunstmatige voeding kunnen leiden tot substantiële
toenames in het energieverbruik. Dit kan negatieve effecten hebben (e.g.
cardiovasculaire
functie
bij
hartpatiënten).
Het thermische effect van voeding (TEN) wordt gedefinieerd als de toename in het
energieverbruik boven het laagste niveau bij vasten, gedeeld door het energiegehalte
van de opgenomen voeding. Gewoonlijk wordt het uitgedrukt als een percentage van de
energieopname.
TEN = (REE na een maaltijd – basis REE) / EI x 100
TEN - thermic effect of nutrition (thermisch effect van de voeding)
REE : resting energy expenditure (energieverbruik bij rust)
EI : energy intake (energieopname)
Het thermisch effect van voeding hangt hoofdzakelijk af van de voedselsamenstelling en
van de metabolische banen van welbepaalde substraten (4). Het heeft doorgaans een
duur van 5-10 uren na de voedselopname.
Thermisch effect van de belangrijkste energiesubstraten:
• Koolhydraten 4-6%
• Lipiden 2-3%
• Proteïne 20-40%
Copyright © 2009 by ESPEN LLL Programme
Energieverbruik omwille van activiteit (AEE) – is het meest variabele gedeelte van ons
energieverbruik. Het hangt af van fysieke activiteit gedurende de dag en van de fysieke
capaciteit van het individu.
Tabel 1 toont voorbeelden van energieverbruik door lichaamsbeweging in in kcal/ minuut
voor personen van 60 kg en 80 kg :
2.1 Gemeenschap : Malnutrition Screening tool (MUST) (4)
Voor een algemene screening van de gemeenschap is MUST een nuttige tool voor een
snelle raming van de ondervoedingsgraad (Fig. 2). Een nadeel is dat het geen rekening
houdt met voedselopname.
Table 1 Examples of energy expenditure through physical
exercise (5, 6)
3. Methoden voor het meten van Energieverbruik
Energie voor metabolische processen wordt geproduceerd door de oxidatie van
energiesubstraten (koolhydraten, lipiden en proteïne). Zuurstof wordt verbruikt en er
komen tijdens dit proces koolstofdioxide, water en stikstofcomponenten vrij
(voornamelijk ureum) alsook warmte.
Figure 2. Oxidative processes in organism
Copyright © 2009 by ESPEN LLL Programme
3.1 Directe Calorimetrie
Directe calorimetrie is een methode gebaseerd op de meting van de warmteproductie. De
warmte die vrijkomt uit het lichaam kan worden gemeten met speciale toestellen (bv.
compartiment voor het hele lichaam) of een lichaamscalorimeter:
Figuur 3. Principe van de directe calorimetrie
3.2 Indirecte Calorimetrie
Bij indirecte calorimetrie is de energieproductie gebaseerd op de kennis van
oxidatiebanen van welbepaalde substraten. Energieverbruik wordt berekend op basis van
het zuurstofverbruik en de productie van koolstofdioxide. Analysetoestellen worden
verbonden met de ventilatiekap, het mondstuk of lichaamskamers.
Copyright © 2009 by ESPEN LLL Programme
Figure 4. Principle of indirect calorimetry
Aan de hand van indirecte calorimetrie kunnen we een meting doen van :
• Zuurstofverbruik - VO2
• Koolstofdioxideproductie - VCO2
Het energie-equivalent van VO2 en VCO2 wordt bepaald door de hoeveelheden
geoxideerde koolstofhydraten (C), proteïne (P) en vetten (F). De proteïneoxidatie (g)
wordt berekend op basis van de stikstof die in de urine terecht komt en vervolgens kan
de volgende formule worden toegepast om het energieverbruik te berekenen (7):
EE (MJ) = 16.20 VO2 + 5.00 VCO2 - 0.95 P
Het energieverbruik kan ook worden berekend ofwel op basis van het zuurstofverbruik
ofwel op basis van de stikstofproductie.
De koolstofdioxideproductie kan worden gemeten over een lange termijn door gebruik te
maken
van
de
dubbelgelabelde
watermethode
(7,
8).
De dubbelgelabelde watermethode is een methode van indirecte calorimetrie. Het
principe van de methode is dat er eerst een laaddosis water dat is gelabeld met de
stabiele isotopen van 2H and 18O, en dat dan 2H wordt geëlimineerd als water, terwijl 18O
wordt geëlimineerd als water zowel als koolstofdioxide. Het verschil tussen beide
eliminatieratio’s kan dus dienen als een meting van de koolstofdioxideproductie. Deze
methode wordt gebruikt voor het meten van het energieverbruik op lange termijn.
(doorgaans 14 dagen).
Copyright © 2009 by ESPEN LLL Programme
De omgekeerde Fick methode wordt gebruikt om zuurstofconsumptie op intensieve zorg
te meten. Deze methode is gebaseerd op de meting van cardiale output (thermodillutie)
en op het verschil in de zuurstofconcentratie tussen arterieel en gemengd veneus bloed.
3.3 Raming van het energieverbruik
De meest courant gehanteerde benadering om voor een individu de REE te voorspellen in
de klinische praktijk is de toepassing van de Harris-Benedict vergelijkingen .
• Man: REE = 66.5 + (13.8 x gewicht) + (5.0 x lengte) - (6.8 x leeftijd)
• Vrouw : REE = 655.1 + (9.6 x gewicht) + (1.8 x lengte) - (4.7 x leeftijd)
Deze vergelijkingen zijn gebaseerd op geslacht, leeftijd, lengte en lichaamsmassa, maar
houden geen rekening met lichaamssamenstelling.
4. De invloed van ziekte op het energieverbruik
Acute en chronische ziekten verhogen vaak het energieverbruik (9). Dit is toe te
schrijven aan de inflammatoire reactie, aan verhoogde lichaamstemperatuur, aan rillen of
aan een versnelde substraatcyclus (futiele cycli). De verhoogde lichaamstemperatuur
leidt tot een toename van het energieverbruik a rato van 10-15% per graad celcius. De
toename in het energieverbruik tijdens ziekteprocessen resulteert ook uit verhoogde
simpathetische activiteit. Ziektegerelateerde toename van het energieverbruik kan
gedeeltelijk worden weggewerkt door een simpathetische blokkade. De toename in het
energieverbruik na ernstige brandwonden kan worden verminderd door een hogere
omgevingstemperatuur (de thermoneutrale zone voor brandwondenpatiënten ligt boven
de 30°C, vergeleken bij 28°C voor normale patiënten). Ook energieopname verhoogt het
energieverbruik tijdens ziekte, wat aantoont dat dieetgeïnduceerde thermogenese ook
werkt bij ziekte (10). Een thermoneutrale
omgeving vermindert eveneens het
energieverbruik bij intensieve zorgpatiënten. De invloed van ernstige ziekten op het
energieverbruik is beschreven in module 18.1.
Noot : onze thermoneutrale zone is de omgevingstemperatuur waarbij we geen extra
energie moeten verbruiken om onze lichaamstemperatuur op peil te houden, d.w.z. de
omgevingstemperatuur waarbij onze metabolisch basisverbruik minimaal is.
5. Energieopname en Energiebalans
Bij een stabiel en niet-groeiend organisme zou de energieopname moeten
overeenstemmen met het energieverbruik. Maar terwijl energieverbruik een relatief
continu proces is (met een constant REE aandeel en met schommelende DEE en AEE in
functie van voedselopname en activiteit) is energieopname intermittent. Bijgevolg kan de
energiebalans van een vrij levend wezen over korte tijdspannes schommelen van positief
naar negatief. Toch zou de energieopname op lange termijn moeten gelijk zijn aan het
energieverbruik.
De belangrijkste energiesubstraten:
• Koolhydraten - 4 kcal/g (glucose, maltodextrine, zetmeel, glycogeen);
• Lipiden - 9 kcal/g (vetten, lipide emulsie);
• Eiwitten - 4 kcal/g (vlees, caseïne, weiproteïne, plantaardige proteïne).
Een positieve energiebalans gaat gepaard met :
• Synthese van glycogeen (lever- en spierglycogeen);
Copyright © 2009 by ESPEN LLL Programme
•
Vetopslag in subcutane weefsels – vet wordt ook gedeeltelijk opgeslagen in niet
subcutane weefsels;
• Opslag van eiwitten – fysieke activiteit is een noodzakelijke voorwaarde voor
proteïnesynthese in skeletspieren bij volwassen patiënten.
Een negatieve energiebalans gaat gepaard met :
• Afbraak en oxidatie van glycogeenvoorraden – voorraden aan lichaamsglycogeen
worden verbruikt binnen de 24 uur;
• Lipolyse of vetafbraak, vrijgave en oxidatie van vetzuren;
• Afbraak en oxidatie van proteïne – proteïneafbraak is in zekere mate afhankelijk van
samengaande inflammatoire processen.
Bij een groeiend organisme (pasgeborenen, kleine en grotere kinderen) wordt een groot
deel van de opgenomen energie besteed aan de groei. De meest positieve energiebalans
komt voor bij pasgeborenen. Hun dagelijks energieverbruik bedraagt 50-60 kcal▪kg1▪dag-1, terwijl de aanbevolen energieopname 110-120 kcal▪kg-1▪dag-1 bedraagt. Dit
verschil is toe te schrijven aan de energie die groeien kost (accretie) - 30-40 kcal▪kg1▪day-1(11).
Een positieve energiebalans is ook nodig voor "inhaalgroei" na een periode van
ondervoeding bij kinderen, of gedurende het herstel van volwassenen of kinderen na een
ernstige ziekte. Ook spierproteosynthese vergt een positieve energiebalans.
Samenvattend is een positieve stikstofbalans nodig voor:
• groei;
• wondheling;
• herstel na ernstige ziekte;
• training en spieropbouw.
Een langdurige positieve energiebalans te wijten aan te veel energieopname en/of te
weinig lichaamsbeweging, leidt echter tot een toename van vetweefsel, overgewicht en
obesiteit.
6. Samenvatting
Alle levende organismen verbruiken energie voor hun levensactiviteiten.
Dieren
gebruiken energie die wordt gegenereerd in planten in de vorm van koolhydraten, lipiden
en proteïnen. Deze substraten worden geoxideerd in water, koolstofdioxide en stikstof,
en de hoeveelheid zuurstof die wordt verbruikt en de hoeveelheid koolstofdioxide die
wordt geproduceerd zijn gelijk aan het energieverbruik. Energieverbruik wordt doorgaans
gemeten aan de hand van directe of (nog vaker) van indirecte calorimetrie. Indirecte
calorimetrie is gebaseerd op de meting van zuurstofverbruik en/of van de
koolstofdioxideproductie.
Het totale energieverbruik bestaat uit zuurstofverbruik bij rust (resting energy
expenditure of REE), dieetgeïnduceerd energieverbruik (diet induced energy expenditure
of DEE) en energieverbruik omwille van activiteit (activity induced energy expenditure of
AEE). Verlies van energievoorraad wordt veroorzaakt door een negatieve energiebalans,
en de aard van het weefselsubstraatverlies hangt af van voorwaarden waaronder de
negatieve energiebalans ontstaat. Zuivere ondervoeding leidt, althans in een vroeg
stadium, tot verlies van vetten, terwijl een letsel verhoudingsgewijs een groter verlies
van vetvrij weefsel teweegbrengt. Een positieve energiebalans is nodig om te groeien,
voor wondgenezing en voor spierontwikkeling, maar een aanzienlijke en langdurige
positieve energiebalans kan leiden tot overgewicht en zwaarlijvigheid.
Copyright © 2009 by ESPEN LLL Programme
7. Klinische casus
Een gezonde vrouw van 30 met een lichaamsgewicht van 75 kg en een lichaamslengte
van 162 cm heeft beslist om te vermageren. Ze werkt als winkeljuffrouw in een
supermarkt. Ze wil 5 kg van haar lichaamsgewicht verliezen.
1. Bereken haar REE volgens de formule van Harris Benedict
Ze is er gedurende lange tijd in geslaagd haar energieopname te beperken tot 1600
kcal.
2. Bereken hoeveel dagen ze een dieet van 1600 kcal moet volhouden om 5 kg
vetweefsel te verliezen. Ga uit van een normale fysieke activiteit (AEE is 30% van
haar TEE en DEE is 8% van TEE)
Antwoorden klinische casus
1. 1526 kcal/dag
2. TEE = REE + DEE + AEE
REE = 1526 (62% van TEE)
TEE = 2461 kcal
Energiebalans is gelijk aan - 861 kcal
Ervan uitgaande dat energiedeficit wordt gedekt door het vet dat de patiënt zal verliezen,
zal de patiënt 95 g lichaamsgewicht per dag verliezen. Dit betekent dat indien ze heeft
beslist om 5 kg te verliezen, ze dit 1600 kcal dieet gedurende 50 dagen moet volhouden.
Maar we kunnen aannemen dat het energieverbruik tijdens een periode van negatieve
energiebalans zal verminderen, wat betekent dat de periode nodig voor dit
gewichtsverlies zelfs langer zou kunnen duren.
8. Zelfevaluatie
Referenties
1. Nelson K, al. Prediction of resting energy expenditure from fat-free mass and fat
mass. Am J Clin Nutr 1992; 56:848-56.
2. Bessey P, Watters J, Aoki T, Wilmore D. Combined hormonal infusion simulates the
metabolic response to injury. Ann Surg 1984; 200:264-80.
3. Herndon DN, Hart DW, Wolf SE, Chinkes DL, Wolfe RR. Reversal of catabolism by
beta-blockade after severe burns. N Engl J Med 2001; 345:1223-9.
4. Rasmussen LG, Larsen TM, Mortensen PK, Due A, Astrup A Effect on 24-h energy
expenditure of a moderate-fat diet high in monounsaturated fatty acids compared
with that of a low-fat, carbohydrate-rich diet: a 6-mo controlled dietary intervention
trial. Am J Clin Nutr. 2007;85:1014-1022.
5. Genton L, Van Gemert W, Soeters PB. Nutritional requirements for health at rest and
on exercise. In Basics in Clinical Nutrition, Sobotka L. (Third edition) 2004 Galen p.
37-43.
6. Mc Ardle WD, Katch F, Katch V. Exercise physiology: energy, nutrition and human
performance. Williams & Wilkins, Philadelphia, 1991.
7. Westerterp KR, Schols AMWJ. Energy metabolism. In Basics in Clinical Nutrition,
Sobotka L. (Third edition) 2004 Galen p.37-43.
8. Westerterp KR Body composition, water turnover and energy turnover assessment
with labelled water. Proc Nutr Soc 1999; 58: 945.
Copyright © 2009 by ESPEN LLL Programme
9. Chiolero R, Revelly JP, Tappy L. Energy metabolism in sepsis and injury. Nutrition
1997; 13(9 Suppl):45S-51S.
10. Miles JM Energy expenditure in hospitalized patients: implications for nutritional
support. Mayo Clin Proc. 2006;81:809-816.
11. Puntis JWL. Nutritional support in neonatology In Basics in Clinical Nutrition, Sobotka
L. (Third edition) 2004 Galen p.425-439.
Copyright © 2009 by ESPEN LLL Programme