La « calorie » d'un aliment,
qu'est-ce que ça mesure au juste ?
Sur l'étiquette de l'onigiri, on lit « 179 kcal ». On le voit tous les jours, mais si on nous demande ce qu'est réellement une calorie, on reste souvent muet. La réponse est étonnamment directe : c'est la quantité de chaleur dégagée quand on brûle cet aliment. Derrière ce chiffre se cache une expérience de physique bien réelle : brûler l'aliment pour de vrai, et mesurer.
Un onigiri pris au supermarché. Sur l'étiquette : « Énergie 179 kcal ». À côté, une tablette de chocolat affiche « 558 kcal ». Une amie au régime compte : « aujourd'hui j'ai déjà mangé 1500 kcal ».
Une question surgit : qui a mesuré ce chiffre, et comment ? Même en plantant un thermomètre dans l'onigiri, le nombre 179 n'apparaît nulle part.
Réponse d'emblée : ce chiffre part d'une expérience où l'on brûle réellement l'aliment dans un récipient fermé, et l'on mesure de combien la chaleur dégagée fait monter la température de l'eau environnante. La calorie est une unité de chaleur.
La calorie, c'est deux choses à la fois
À l'origine, la calorie est une unité de chaleur. Le kcal (kilocalorie) des étiquettes en vaut 1000. « 179 kcal », ce n'est pas 179 kg d'eau, mais l'équivalent de la chaleur nécessaire pour élever 1 L d'eau de 179 °C (en pratique, on répartit cette élévation par paliers).
Si la chaleur mesurée par combustion est utile au corps, c'est parce que la même réaction s'y produit. Pas de flamme, mais l'aliment se combine à l'oxygène inspiré pour libérer de l'énergie : la respiration est une « combustion lente ».
« Brûler pour mesurer » et « brûler lentement dans le corps » : c'est la mise en relation de ces deux idées qui donne son sens au chiffre de l'étiquette. Voyons cela dans l'ordre.
Les aliments sont vraiment brûlés pour être mesurés
Le principe de l'appareil qui mesure l'énergie des aliments est simple. On place l'aliment séché et de l'oxygène dans un récipient étanche et robuste, puis on l'enflamme avec une étincelle électrique pour le brûler complètement. Le récipient est immergé dans l'eau, et la chaleur de la combustion se transmet à cette eau. En mesurant de combien de degrés l'eau s'échauffe, on connaît la quantité de chaleur dégagée — on applique directement la définition : la chaleur pour élever 1 g d'eau de 1 °C vaut 1 calorie.
Cela dit, la plupart des étiquettes actuelles ne résultent pas d'une combustion à chaque fois. On utilise des coefficients de conversion (environ 4 kcal/g pour les protéines, 9 kcal/g pour les lipides, 4 kcal/g pour les glucides), multipliés par la quantité de chaque composant. Ces coefficients eux-mêmes proviennent d'une moyenne établie autrefois par de vastes expériences de combustion et d'essais sur l'être humain (on présente leur auteur dans le volet dépliable final).
Pourquoi la « chaleur de combustion » égale-t-elle « l'énergie utilisable par le corps » ?
C'est là le vrai mystère. Il n'y a pas de flamme dans le corps. Pourtant, un chiffre obtenu par combustion sert de référence pour l'énergie utilisable par l'organisme. Pourquoi ?
La clé est un grand principe du monde de l'énergie : « si le départ et l'arrivée sont les mêmes, l'énergie totale échangée est la même, quel que soit le chemin parcouru ». Que ce soit la combustion dans l'appareil ou la respiration dans le corps, le départ est presque toujours « les composants de l'aliment et l'oxygène », et l'arrivée « le dioxyde de carbone et l'eau ». Donc, qu'on brûle en un instant ou qu'on fasse progresser la réaction sur plusieurs dizaines d'étapes dans le corps, le total d'énergie extractible ne change pas.
Si le corps prend la peine d'y aller « lentement », c'est que brûler d'un coup ne produirait que de la chaleur. En découpant la réaction en étapes fines, il devient possible d'utiliser l'énergie non seulement sous forme de chaleur, mais aussi par petites doses, pour faire bouger les muscles ou fabriquer les composants du corps.
À strictement parler, toute la chaleur de combustion n'entre pas dans le corps : une partie traverse le système digestif sans être assimilée. Les coefficients de l'étiquette (protéines 4, lipides 9, glucides 4 kcal/g) sont des valeurs pratiques, obtenues en soustrayant d'avance ce qui est perdu à la digestion et à l'absorption. Les fibres alimentaires, qui dégagent de la chaleur en brûlant mais dont le corps ne tire presque rien, sont ainsi comptées à la baisse.
En résumé
La calorie, c'est ① une unité de chaleur simple, « la chaleur pour élever 1 g d'eau de 1 °C », et ② une valeur dont le point de départ est la mesure réelle de la combustion d'un aliment. Si elle vaut aussi pour le corps, c'est que la respiration est une « combustion lente », et que le total d'énergie ne dépend pas du chemin quand départ et arrivée sont identiques. Le petit chiffre de l'étiquette s'appuie sur des expériences de combustion menées depuis le XIXᵉ siècle, et sur la physique de la conservation de l'énergie.
Les « 179 kcal » de l'onigiri ne sont pas une prédiction sur l'avenir.
C'est le relevé d'une mesure réelle : « voilà la chaleur dégagée en le brûlant ».
Extraire de l'énergie sans utiliser d'oxygène dans le corps, c'est aussi possible : c'est la « fermentation ». La gestion de l'énergie chez les micro-organismes est expliquée dans cet article. Le fait que le cerveau, qui ne pèse qu'environ 2 % du poids du corps, consomme près de 20 % de l'énergie utilisée au repos, se lit dans cet article qui vérifie si réfléchir donne faim.
- Notez, sur l'étiquette nutritionnelle d'une friandise ou d'une boisson que vous avez sous la main, les grammes de protéines, de lipides et de glucides
- Multipliez chaque valeur par 4, 9 et 4 respectivement, puis additionnez (protéines g × 4 + lipides g × 9 + glucides g × 4)
- Comparez le résultat avec l'énergie (kcal) indiquée sur l'étiquette
Pour la plupart des aliments, le résultat du calcul devrait être assez proche de la valeur affichée. C'est aussi une observation intéressante que de chercher un aliment où l'écart est net (riche en fibres, par exemple) et de réfléchir à pourquoi.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, chaque niveau est indiqué explicitement
- Collègeprogramme de sciences du collège
- Lycéeprogramme de « physique de base », « chimie de base », « biologie de base » du lycée
- Lycée+approfondissement du programme de « chimie » du lycée, ou contenu présenté en encadré dans les manuels
- Universitécontenu non vu au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (biochimie, nutrition)
- Recherchesujet qui n'est pas encore enseigné comme « établi » même à l'université, encore en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce chiffre a une histoire
- Calorie (cal) : quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1 g d'eau de 1 °C. Le kcal (kilocalorie) des étiquettes en vaut 1000.
- Joule (J) : unité d'énergie utilisée à l'international. 1 cal ≈ 4,2 J. Sur les étiquettes étrangères, le kJ (kilojoule) est souvent indiqué en complément.
- Calorimètre à bombe : nom officiel de l'appareil « qui brûle dans un récipient fermé » décrit plus haut. « Bombe » désigne ici un récipient métallique robuste, pas un engin explosif.
- Coefficients d'Atwater : les valeurs de conversion protéines 4, lipides 9, glucides 4 (kcal/g). Établies à la fin du XIXᵉ siècle par le nutritionniste Atwater, à partir d'expériences de combustion et de digestion.
CollègeLycéeVérification par le calcul : combien de bols de riz pour gravir une montagne ?
Si la calorie est vraiment « une quantité d'énergie », on doit pouvoir comparer aliments et exercice physique sur un pied d'égalité. Calculons si un bol de riz permet de gravir un dénivelé de 3000 m (mesuré depuis le niveau de la mer, pas depuis le cinquième palier du mont Fuji).
| En symboles | W = m × g × h ／ Nombre de bols nécessaires = W ÷ ( η × E ) |
| En mots | Travail à fournir pour s'élever = poids du corps × accélération de la pesanteur × hauteur. Riz nécessaire = ce travail ÷ (rendement musculaire × énergie d'un bol de riz) |
| D'où vient cette formule | De la conservation de l'énergie. L'énergie potentielle emmagasinée par le corps en montant est couverte par la part de l'énergie tirée des aliments que les muscles ont pu convertir en mouvement. |
Signification des symboles : W est le travail (en joules), m la masse (en kilogrammes), g l'accélération de la pesanteur (en mètres par seconde carrée), h la hauteur gravie (en mètres), η le rendement musculaire, E l'énergie d'un bol de riz (en kilojoules).
| Énergie d'un bol de riz (150 g) | environ 235 kcal |
| Coefficient pour convertir 1 kcal en kilojoules | environ 4,2 kJ |
| Poids de la personne (bagages compris, ordre de grandeur) | 60 kg |
| Accélération de la pesanteur | 9,8 m/s² |
| Hauteur à gravir | 3000 m |
| Un bol de riz converti en kJ | 235 × 4,2 = 987 (kJ) |
| Force nécessaire pour soulever le corps (poids) | 60 × 9,8 = 588 (N) |
| Travail pour s'élever de 3000 m | 588 × 3000 = 1 764 000 (J) |
| Converti en kJ | 1 764 000 ÷ 1000 = 1764 (kJ) |
| Converti en bols de riz | 1764 ÷ 987 ≈ 1,8 (bol) |
D'après ce calcul, un peu moins de deux bols de riz suffisent en théorie à élever une personne de 3000 m. On voit à quel point la nourriture est une énergie concentrée.
| Part de l'énergie que le muscle convertit en mouvement (ordre de grandeur) | environ 20 % (0,2) ; le reste devient chaleur |
| Riz réellement nécessaire | 1,8 ÷ 0,2 = 9 (bols) |
En réalité, il en faut environ 9 bols. Le fait qu'une ascension entière tienne dans « 9 bols de riz » témoigne malgré tout de la haute densité énergétique des aliments. Et c'est parce que les 80 % restants deviennent de la chaleur que le corps chauffe et transpire pendant l'ascension.
LycéeLycée+Le nom officiel de « indépendant du chemin » : la loi de Hess
LycéeLa formule de la quantité de chaleur vue en physique de base, quantité de chaleur = masse × chaleur spécifique × variation de température, est le principe même de la mesure au calorimètre. On se sert de la chaleur spécifique de l'eau (1 cal pour 1 g et 1 °C) comme référence pour convertir l'élévation de température en quantité de chaleur.
Lycée+« Si le départ et l'arrivée sont identiques, la chaleur totale échangée est la même quel que soit le chemin parcouru » : c'est la loi de Hess, vue en chimie. C'est ce qui fonde le fait qu'une combustion instantanée et des dizaines d'étapes métaboliques dans le corps produisent la même énergie totale. On peut y voir la version « réaction chimique » de la loi de conservation de l'énergie.
UniversitéLe contenu de la « combustion lente » du corps
Comme on l'apprend en biochimie, la cellule oxyde le glucose et les lipides à travers plusieurs étapes — glycolyse, cycle de l'acide citrique, chaîne de transport des électrons — et convertit l'énergie en une « petite monnaie » appelée ATP. L'oxydation complète d'une molécule de glucose produirait une trentaine d'ATP environ ; l'énergie consacrée à la synthèse d'ATP représente environ 40 % de la chaleur de combustion, le reste servant de chaleur pour maintenir la température du corps. Dire au niveau moléculaire que « le corps brûle sans flamme », c'est dire que l'énergie de l'oxydation n'est pas libérée d'un coup, mais récupérée par petites doses en cédant les électrons progressivement.
📖 Pour voir la démonstration des formules et aller plus loin : Cycle de l'acide citrique (Wikipédia, en japonais) ／ Loi de Hess (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui reste encore mal connu
L'affichage des calories est utilisé depuis plus d'un siècle, mais la recherche sur sa précision et sa signification se poursuit aujourd'hui encore.
- Les coefficients d'Atwater s'écartent selon les aliments. Chez les noix et graines par exemple, dont la paroi cellulaire rigide résiste à la digestion, des mesures montrent que l'énergie réellement absorbée est inférieure de 10 à 20 % à celle indiquée. On a aussi montré que le taux d'absorption varie selon le degré de transformation ou de cuisson : on étudie actuellement, de façon quantitative, le fait qu'« un même affichage de 100 kcal ne correspond pas forcément à la même quantité réellement assimilée par le corps ».
- La part revenant au microbiote intestinal reste mal connue. Une partie des fibres alimentaires est décomposée par les bactéries intestinales, et l'être humain absorbe leurs produits. L'ampleur de cette « énergie d'origine bactérienne », et sa variation selon les individus, est un sujet de recherche actif en nutrition.
- « Même calories, même prise de poids » n'est pas tranché. Il est débattu qu'à énergie égale, la réponse métabolique puisse différer selon le type d'aliment ou l'heure du repas ; de grandes études comparatives se poursuivent.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Le chiffre de l'étiquette est un excellent repère, mais la question de savoir « comment il est utilisé par le corps » comporte encore des zones que l'on ne sait pas mesurer complètement.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : quantité de chaleur et température／digestion et absorption | Définition de la calorie, principe de la combustion mesurée, figure 1 |
| Lycée | Physique de base : conservation de la chaleur, biologie de base : respiration | Principe du calorimètre, respiration comme « combustion lente » |
| Lycée+ | Chimie : thermochimie (loi de Hess) | Pourquoi combustion et métabolisme donnent la même énergie totale |
| Université | Biochimie, nutrition | De la glycolyse à la chaîne de transport des électrons, rendement de conversion en ATP |
| Recherche | Nutrition, microbiologie (non résolu) | Taux d'absorption selon les aliments, contribution du microbiote intestinal, débat sur la « qualité » des calories |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Lecture des étiquettes nutritionnelles, calcul personnel avec 4-9-4, conversion avec l'exercice physique |
- Commentaire du ministère japonais de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie sur les « Tables japonaises standard de composition des aliments » (Nihon Shokuhin Hyōjun Seibunhyō, 日本食品標準成分表) (principe des coefficients de conversion énergétique, méthode de calcul fondée sur la composition).
- Commentaires d'histoire de la nutrition sur l'ensemble des travaux de W. O. Atwater (origine des coefficients d'Atwater).
- Unités sur la loi de Hess et la thermochimie dans les manuels de chimie du lycée japonais ; manuels standards de biochimie (chaîne respiratoire et bilan d'ATP).
- Novotny, J. A. et al., Discrepancy between the Atwater factor predicted and empirically measured energy values of almonds, American Journal of Clinical Nutrition 96(2), 2012 (mesure montrant que l'énergie réelle des amandes est inférieure à celle affichée).
- Carmody, R. N. et al., Energetic consequences of thermal and nonthermal food processing, PNAS 108(48), 2011 (expérience montrant que la cuisson modifie l'énergie absorbée).
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères ou des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension. Pour toute question personnelle sur l'alimentation ou l'équilibre nutritionnel, veuillez consulter un médecin ou un diététicien. Pour tout projet de randonnée en montagne, prévoyez toujours des vivres et un équipement avec une marge suffisante.