Напитки – гипотонические, изотонические, гипертонические

Очерки нормальной диетологии

Напитки – гипотонические, изотонические, гипертонические

Сообщение Меркатор » 05 май 2019, 14:06

Все растворы обладают способностью к диффузии. Диффузия — это равномерное распределение вещества по всему объему раствора. Можно создать условие, при котором диффузия протекает только в одном направлении. Для этого два раствора разделяют полупроницаемой мембраной, через которую могут проходить только молекулы (ионы) небольшого размера.

Осмос — это односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану из растворителя в раствор или из разбавленного раствора – в более концентрированный. Движущей силой осмоса является стремление к выравниванию концентрации растворенного вещества по обе стороны мембраны. Процесс протекает самопроизвольно, пределом его протекания является состояние равновесия. Давление, которое оказывает растворитель на мембрану, называется осмотическим давлением.

Судьба выпитой жидкости – а это может быть как чистая вода, так и вода с растворенными в ней питательными веществам (белками или углеводами – жиры в воде не растворимы) и электролитами (солями и/или кислотами), определяется тоничностью напитка.

Соли и кислоты могут быть как минеральными, так и органическими. Тоничность определяется концентрацией растворенных в воде веществ, что определяет направление и интенсивность диффузии (процесса взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящего к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму) одного раствора в другом, при этом растворы разделены полупроницаемой мембраной.

Тоничность определяется лишь растворенными веществами, которые не могут проникнуть через мембрану. Вещества, молекулы которых свободно проходят через мембрану, на тоничность не влияют, поскольку их концентрация будет всегда одинаковой по обе стороны мембраны.

Простыми и давно известными примерами мембран, проницаемых для воды и непроницаемых для многих растворенных в воде веществ, являются кожа, пергамент и другие ткани растительного и животного происхождения. Полупроницаемой мембраной является тонкая подскорлуповая оболочка в курином яйце, в которой размещено содержимое яйца, и которая свободно пропускает газы. Другие примеры таких мембран – оболочки красных кровяных телец (эритроцитов) и стенки кишечника, создающие барьер для чужеродных белков и продуктов жизнедеятельности микроорганизмов кишечника.

Одна жидкость по отношению к другой может быть гипотоничной, изотоничной и гипертоничной. раствор, изотоничный человеческой крови, называется изотоническим. В качестве примеров изотонических растворов обычно приводятся 2 рецепта – либо 0,9% раствор поваренной соли, либо 5% раствор глюкозы.

Сказанное следует понимать так, что указанные 2 раствора изотоничны по отношению к человеческой крови, состав которой поддерживается регулирующими системами организма постоянным, с незначительными колебаниями после еды, употребления напитков, физической работы. Тоничность плазмы крови постоянна и равна 285 ммоль/л или 0,285 моль/л, что означает, что в 1 литре крови содержатся 0,285 моля растворенных веществ, обычно указывается значение 0,29 моль/л.

Следовательно, изотоничный крови раствор также должен содержать в 1 л 0,29 моля растворенных веществ (при температуре человеческого тела). Напиток меньшей молярности является гипотоническим, большей – гипертоническим (ниже мы проясним, что в данном случае правильней говорить не молярность, а осмолярность, но это различие проводится не всегда). Всасывание этих напитков в кишечнике будет разным, и по разному будут усваиваться растворенные в напитке питательные вещества.

Прежде поясним, что такое молярность раствора. 1 моль – это количество вещества с одним и тем же (очень большим, 6,02*10↑23) числом частиц (молекул или атомов). Масса 1 моля вещества, или молярная масса, численно равна относительной молекулярной массе (для веществ атомного строения – относительной атомной массе). Относительная молекулярная масса равна сумме относительных атомных масс всех химических элементов с учетом числа их атомов в молекуле. Молекулярная масса вычисляется по формуле вещества.

Начнем не с соли, а глюкозы – так проще. Формула глюкозы C6H12O6, подсчитываем молекулярную массу исходя из относительных атомных масс химических элементов и их количества в молекуле. Атомная масса водорода 1, углерода 12, кислорода 16. Суммируем: 6*12 + 12*1 + 6*16 = 180. 1 моль глюкозы = 180 г; 0,29 моля = 0,29*180 = 52 (г). Отсюда определение изотонического раствора глюкозы как 5%-раствора.

Считаем для поваренной соли (хлористого натрия NaCl): атомная масса натрия 23, хлора 35,5; молекулярная масса хлористого натрия = 23 + 35,5 = 58,5. А далее считать так, как мы считали для глюкозы, уже нельзя. Глюкоза растворяется в воде без диссоциации (распада на составляющие элементы), и количество активных частиц в растворе равно количеству молекул растворившейся глюкозы. Т.е. глюкоза в растворе не диссоциирует на ионы, в растворе нет носителей зарядов, и раствор не проводит электрический ток.

При растворении в воде хлористый натрий диссоциирует на ионы натрия и хлора, раствор начинает проводить электрический ток, поскольку ионы обладают электрическим зарядом (натрия положительным, хлора отрицательным).
Тоничность растворов электролитов (к которым относятся растворы солей, кислот и оснований) определяется концентрацией не молекул растворенного вещества, а концентрацией активных частиц, т.е. молекул и ионов при диссоциации молекул на ионы, полностью или частично. Существует и иная точка зрения – что сильные электролиты в разбавленных растворах распадаются на ионы полностью, но часть ионов связана, и кажущаяся степень электролитической диссоциации меньше 1.

Если поваренная соль диссоциирует в растворе на 2 иона, то в изотоничном крови растворе она ведет себя так, как если бы степень диссоциации равнялась не 1, а 0,86. Считаем: из каждых 100 молекул условно образуется 2 * 86 = 172 иона, плюс (100 – 86) = 14 свободных молекул, итого активных частиц 172 + 14 = 186. Отношение 186/100 = 1,86 называется коэффициентом изотоничности i, показывающим, во сколько раз увеличивается число частиц при диссоциации (по сравнению с недиссоциирующим веществом).

Для всех бинарных электролитов (раствор состоит из катионов одного типа и анионов одного типа) с однозарядными ионами, подобными NaCl, i = 1,86. Для бинарных электролитов с двузарядными ионами (сульфат магния MgSO4, некогда использовавшийся как солевое слабительное для лечения ожирения) i = 1,5. Для тринарных электролитов смешанной валентности, подобных хлористому кальцию CaCl2, i = 2,5. Для слабых электролитов (борная, лимонная кислоты) i = 1,1.

Для поваренной соли 0,29 * 58,5/1,86 = 9 (г). Изотонический раствор поваренной соли содержит в 1 л 9 г соли, что соответствует концентрации 0,9%.

У лимонной кислоты (HOOCCH2)2C(OH)COOH молекулярная масса 192, в 1 л изотонического раствора 0,29 * 192/1,1 = 51 (г) кислоты, или концентрация 5,1% Что интересно, в кулинарных рецептах предлагается заменять лимонный сок, при отсутствии лимонов, 4%-раствором лимонной кислоты. Следовательно, лимонный сок практически изотоничен крови.

Из углеводов моносахариды и олигосахариды (от 2 до 10 моносахаридных остатков, в т.ч. и дисахариды из 2 остатков), а также получаемые из нерастворимого крахмала декстрины (включаются в состав спортивных напитков) растворимы в воде. Если просканировать интернет-статьи на соответствующую тему, то обычно указывается, что разных углеводов (глюкоза, фруктоза, сахароза, мальтоза, мальтодекстрины) как в коммерческих напитках, так и самодельных, берется не более 6-8%, обычно также останавливаются на цифре 5%. Изотоническим является 5% раствор глюкозы и прочих моносахаридов, у дисахаридов молекулярная масса примерно в 2 раза выше (считается просто - 2 моносахарида 180 минус вода 18 = 342), и изотонический раствор сахарозы требует 0,29 * 342 = 99 (г) на 1 л раствора, что уже выше концентрации 6-8%.

Мальтодекстрины, в зависимости от степени гидролиза (характеризуется глюкозным, или декстрозным эквивалентом ДЭ, от 5 до 20 DE), содержат менее 1% глюкозы, от 1 до 8% дисахаридов, от 9 до 38% полисахаридов с 3-6 глюкозными остатками, основная же часть – полисахариды с 7 и более глюкозными остатками (от 53 до 90%). Подобный состав отвечает средней молекулярной массе порядка 1000 (исходя из специфики среднего, считается взвешенное среднее гармоническое), и изотонический напиток при содержании мальтодекстрина до 300 г/л никак приготовлен быть не может. Если спортивный напиток представляется как изотонический (а тем более гипертонический), и в нем порядка 5% углеводов разного состава (от глюкозы до крахмала), то доведение тоничности до требуемой производится солями или солями и кислотами, одни углеводы обеспечить тоничность не в состоянии.

Для пояснения всасывания напитков разной тоничности необходимо рассмотреть поведение растворов, разделенных полупроницаемой мембраной. Если мембрана свободно пропускает лишь молекулы воды, но задерживает молекулы (или ионы) растворенных веществ, то при одинаковой тоничности растворов по обе стороны мембраны будет поддерживаться динамическое равновесие – число молекул воды, проходящих через мембрану в одном направлении, уравновешивается молекулами, проходящими в обратном направлении.

Если же тоничность растворов разная, в сторону гипертоничного раствора через мембрану в первое время будет проходить больше молекул воды, чем в сторону гипотоничного. Но подобное движение не может длиться вечно – если сосуд с гипертоничным раствором замкнут, в нем повысится давление. Если стенки сосуда достаточно прочные, это давление будет противодействовать дальнейшему притоку воды, вновь установится равновесие, уже на другом уровне. Если в замкнутом сосуде стенки недостаточно прочные – их попросту разорвет. Шутки с полупроницаемыми мембранами плохи.

Так, разрываются оболочки красных кровяных телец (эритроцитов), при помещении их в гипотонический раствор или чистую воду. Клетки растений окружены межклеточным соком, гипотоничным по отношению к клеточному соку, протоплазма клеток обладает свойствами полупроницаемой мембраны, внутри клеток возрастает давление, клеточный сок давит на протоплазму, которая давит на клеточные стенки. Это явление называется тургором, благодаря тургору растительные клетки плотно прижаты одна к другой, и стебель растения обладает упругостью. Не разрываются растительные клетки лишь благодаря прочности стенок, основу которых составляют высокополимерные углеводы: целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества – то, что мы называем пищевыми волокнами, что не усваивается организмом при употреблении растений в пищу, но с удовольствием поглощается микробиотой толстой кишки.

Если эритроциты поместить в гипертонический раствор, они сморщиваются – вода из них переходит в раствор.

Изображение
Взаимодействие эритроцитов с растворами в зависимости от их осмотического давления.

Выше мы рассмотрели случаи закрытых сосудов (клеток). Если же сосуд с полупроницаемой мембраной посередине открыт сверху, и в разных половинах сосуда находятся жидкости разной тоничности, поступающая в половину с гипертоничной жидкостью вода вызовет повышение уровня жидкости в ней, до тех пор, пока давление столба жидкости не уравновесит давление поступающей в него воды. В результате установившегося равновесия уровень жидкости в половине сосуде с гипертоничной жидкостью будет выше, чем в половине с гипотоничной жидкостью.

Изображение
Установление равновесия в сосуде, разделенном полупроницаемой мембраной на две половины.

На подобном эффекте в Норвегии построена экспериментальная электростанция мощностью 2-4 кВт (увы, этого хватает лишь для работы 2 электрических чайников), с перспективой увеличения ее до 10 кВт. Ограничение зависит от мембраны – сейчас с 1 кв. метра ее поверхности можно снять 1 Вт электрической энергии. Принцип действия электростанции понятен из вышеописанного: гипотоническая вода – пресная вода фьорда, гипертоническая – морская вода. Разность концентрации солей в пресной и морской воде приводят к разности давлений, что используется для вращения электрической турбины.

Изображение
Осмотическая электростанция в Тофте (Норвегия)

Согласитесь, что 4 кВт электроэнергии с изображенной на фото электростанции – это мало. Но лиха беда начало – мембраны из нанотрубок или графена окажутся перспективнее. А разница в концентрации солей существует как у устьев рек (река/море) и в морях по глубине.

Возвращаемся к усвоению напитков разной степени тоничности. Изотоническим раствором считается раствор, изотоничный плазме крови.

Вода – гипотонический раствор, и при поступлении в желудок, а далее в кишечник, она немедленно начинает «разбавлять» изотонические жидкости организма. Чистая вода усваивается очень быстро, и если организм не обезвожен, она так же быстро начинает выводиться почками (скорость выведения определяется способностью почек к разведению). Если же организм обезвожен (что обычно наблюдается утром, на жаре и после тяжелой физической работы), вода пойдет по прямому назначению – на восстановление водного баланса организма.

Изотонический раствор находится в равновесии с жидкостями организма, и он также сравнительно быстро усваивается (но медленнее чистой воды!). Смысл изотонического напитка в том, что усвоенная с солями и питательными веществами вода удерживается в организме, восполняя потери жидкости при спортивных нагрузках.

Принято считать, что изотонические напитки поддерживают оптимальный баланс жидкостей в организме и возмещают потери электролитов. Также, изотонические напитки не учащают, в отличие от чистой воды, диурез. Обычно эти напитки содержат соли натрия, калия и магния, и смесь полимеров глюкозы. Не исключены добавки кофеина, лимонной кислоты, БАДов, витаминов, ароматизаторов и вкусовых веществ.

В некоторые изотоники для дешевизны добавляют искусственные подсластители, что уже совершенно неприемлемо, притом состав коммерческих изотоников обычно скрывается. Что же касается многочисленных интернет-рецептов самодельных изотоников, то это ни о чем. Чего стоит рекомендация из рецептов подобных напитков – добавить щепотку соли. Состав изотоника должен быть тщательно выверен, «щепотка» - не мера массы.

Но изотонические растворы, где часть тоничности создается солями, не насыщают организм достаточным количеством углеводов, и для подпитки организма рекомендованы гипертонические спортивные напитки. Эти напитки усваиваются медленно, и встречается странная рекомендация – запивать гипертонические напитки изотоническими. Но это эквивалентно питью гипертоника меньшей тоничности – отчего бы в таком разе не рекомендовать гипертоник иного состава?

В целом, специалисты признают, что спортсмены-любители, занимающиеся в пределах часа-двух, не нуждаются ни в каких специализированных напитках, им достаточно чистой воды, с восполнением гликогена после занятия углеводами. В частности, всасывание жидкостей в кишечнике не следует простым законам осмоса.

При физической активности менее 45 минут достаточно пить минеральную воду, которая, при удачном составе, содержит достаточное количество натрия. Немецкая Ассоциация специалистов по питанию признает пользу изотоников лишь при беге трусцой в интервале от 2 до 3 часов. Даже Немецкая ассоциация спорта рекомендует пить яблочный сок с минеральной водой взамен специальных напитков.

Вокруг изотонических напитков, как и спортивного питания в целом, марекетинга больше, чем их целесообразности для любителей. Профессионалы же ни в каких советах от производителя не нуждаются – питьевой режим, как и режим питания, им определяют спортивный врач (или консультант-биохимик) совместно с тренером.

Производители не всегда тщательно подбирают состав спортивных изотонических напитков. В рекламе утверждается, что изотоники «быстро восстанавливают потери»; по факту же восполнение медленное (но постоянное!).

В медицине изотоническими растворами являются вводимые внутривенно физиологические растворы, гипертонический 10% раствор хлористого натрия применяется для лечения гнойных ран наружно, а гипертонические растворы сульфата натрия Na2SO4 и сульфата магния MgSO4 в качестве слабительного внутрь.

Существует сомнительная рекомендация выводить излишки влаги из организма ваннами с растворением в 200 л воды от 5 до 10 кг поваренной соли. Но смысл рекомендации понятен – это 2,5-5% раствор хлористого натрия, т.е. гипертонический раствор, по концентрации соли превышающий изотоник в 3-5 раз, и работающий как осмотический насос.
Меркатор
 
Сообщения: 101
Зарегистрирован: 20 июл 2017, 09:58

Вернуться в Блог Виктора Меркатора

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1

cron