Nutriciologija je znanost o prehrani koja proučava prehranu i njezinu povezanost sa zdravljem. Nutritivi (hranjive tvari), su spojevi iz hrane koje tijelo rabi za rast, život i dobivanje energije. Hranjive tvari koje se ne mogu proizvesti u tijelu te se stoga moraju uzimati hranom, smatraju se esencijalnima. One obuhvaćaju vitamine, minerale, neke aminokiseline i masne kiseline. Hranjive tvari koje tijelo može proizvesti iz drugih sastavnica, premda također mogu potjecati iz hrane, smatraju se neesencijalnima. Makronutritivi su tijelu potrebni u relativno velikim količinama, a mikronutritivi u vrlo malim količinama.
Nedostatak hranjivih tvari može izazvati sindrome nedostatka ili druge poremećaje. Prekomjerni unos makronutritiva može izazvati pretilost, dok prekomjerni unos mikronutritiva može biti toksičan.
Ugljikohidrati s visokim glikemičnim indeksom mogu brzo povisiti glukozu u krvi do visokih razina. Zbog toga se povisuje razina inzulina, izazivajući hipoglikemiju i glad, što vodi prema uzimanju viška kalorija i debljanju.
Makronutritivi
Makronutritivi sačinjavaju najveći dio prehrane i izvori su energije i glavnih esencijalnih hranjivih tvari. Makronutritivi su ugljikohidrati, bjelančevine (uključujući esencijalne aminokiseline), masti (uključujući esencijalne masne kiseline), makrominerali i voda. Ugljikohidrati, masti i bjelančevine, kao izvori energije, mogu prelaziti jedni u druge; masti daju 9 kcal/g (37,8 kJ/g), a bjelančevine i ugljikohidrati daju 4 kcal/g (16,8 kJ/g).
Ugljikohidrati
Ugljikohidrati iz hrane razgrađuju se u glukozu i druge monosaharide. Povisuju razinu glukoze u krvi, dajući energiju. Jednostavni ugljikohidrati sastavljeni su od malih molekula, uglavnom monosaharida ili disaharida, koji se brzo apsorbiraju. Složeni ugljikohidrati sastavljeni su od većih molekula koje se razgrađuju u monosaharide. Složeni ugljikohidrati povisuju razinu glukoze u krvi sporije, ali dugotrajnije. Glukoza i saharoza su jednostavni ugljikohidrati, dok su škrob i vlakna složeni ugljikohidrati.
Glikemični indeks je pokazatelj brzine kojom ugljikohidrat povisuje razinu glukoze u krvi. Raspon vrijednosti iznosi od 1 (najsporije povišenje) do 100 (najbrže povišenje, jednako onom čiste glukoze). Međutim, stvarna brzina porasta ovisi o tome koja hrana se kombinira s ugljikohidratom.
Ugljikohidrati s visokim glikemičnim indeksom mogu brzo povisiti glukozu u krvi do visokih razina. Zbog toga se povisuje razina inzulina, izazivajući hipoglikemiju i glad, što vodi prema uzimanju viška kalorija i debljanju. Ugljikohidrati s niskim glikemičnim indeksom povisuju glukozu u krvi sporije. Tako dovode do nižih razina inzulina nakon obroka i smanjene gladi, zbog čega je uzimanje viška kalorija manje vjerojatno. Ovi učinci dovode do povoljnijeg profila lipida i smanjenja opasnosti od pretilosti, dijabetesa i, ako on već postoji, od njegovih komplikacija.
Bjelančevine
Bjelančevine iz hrane razgrađuju se u peptide i aminokiseline. Bjelančevine su potrebne za održanje tkiva, njegovu izmjenu, funkciju i rast. Međutim, ako tijelo ne dobiva dovoljno kalorija iz tkivnih pohrana (osobito masti) ili iz hrane, bjelančevine mogu biti iskorištene kao izvor energije.
Dok tijelo koristi bjelančevine iz hrane za stvaranje tkiva, postoji neto dobitak bjelančevina (pozitivna ravnoteža dušika). Tijekom kataboličnih stanja (npr. gladovanje, infekcije, opekline), može se iskorištavati više bjelančevina (jer dolazi do razgradnje tkiva) nego što se apsorbira. To dovodi do neto gubitka bjelančevina (negativna ravnoteža dušika). Ravnoteža dušika se najbolje određuje oduzimanjem količine dušika izlučenog mokraćom i stolicom od količine unesenog dušika.
Od 20 aminokiselina, 9 su esencijalne aminokiseline (engl. essential amino acids = EAA). One se ne mogu proizvesti i moraju se unositi hranom. Odraslim osobama potrebno je 8 EAA, a djeca trebaju i histidin.
Tjelesne potrebe za bjelančevinama iz hrane, na osnovi tjelesne težine, povezane su s brzinom rasta, koja se smanjuje od djetinjstva do odrasle dobi. Potreba za bjelančevinama se smanjuje od 2,2 g/kg u djece stare 3 mj., na 1,2 g/kg u petogodišnje djece, do 0,8 g/kg u odraslih. Potrebe za bjelančevinama odgovaraju potrebama za EAA. Odrasli koji pokušavaju povećati mišićnu masu trebaju vrlo malo dodatnih bjelančevina.
Aminokiselinski sastav bjelančevina se uvelike razlikuje. Biološka vrijednost (BV) odražava sličnost aminokiselinskog sastava bjelančevina onome životinjskih tkiva. Savršenu podudarnost predstavljaju bjelančevine jajeta, s vrijednošću od 100. Životinjske bjelančevine u mlijeku i mesu imaju visoku BV (~90). Bjelančevine u žitaricama i povrću imaju nižu BV (~40). Neki derivati bjelančevina (npr. želatina) imaju biološku vrijednost 0. Omjer u kojem neke bjelančevine iz hrane međusobno nadomještaju aminokiseline koje drugim bjelančevinama nedostaju (komplementarnost) određuje sveukupnu BV hrane. Preporučene dnevne doze (engl. recommended daily allowances = RDA) bjelančevina uzimaju u obzir pretpostavku da prosječna miješana prehrana ima BV 70.
Masti
Masti se razgrađuju u masne kiseline i glicerol. Potrebne su za rast tkiva i stvaranje hormona. Zasićene masne kiseline, česte u životinjskim mastima, na sobnoj su temperaturi krute. Osim palminog i kokosovog ulja, masti biljnog podrijetla na sobnoj su temperaturi tekuće. Sadrže velike količine nezasićenih masnih kiselina ili polinezasićenih masnih kiselina (engl. polyunsaturated fatty acids = PUFA). Djelomičnom hidrogenacijom nezasićenih masnih kiselina nastaju trans masne kiseline.
Esencijalne masne kiseline (engl. essential fatty acids = EFA) su linolna kiselina koja je ω–6 (n–6) masna kiselina i linolenska kiselina, koja je ω–3 (n–3) masna kiselina. Ostale ω–6 kiseline (npr. arahidonska kiselina) i ω–3 masne kiseline (npr. eikozapentaenoična kiselina, dokozaheksaenoična kiselina) potrebne su tijelu, ali se mogu proizvesti iz EFA.
EFA su potrebne za stvaranje raznih eikozanoida, uključujući prostaglandine, tromboksane, prostacikline i leukotriene. Čini se kako ω–3 masne kiseline smanjuju opasnost od koronarne bolesti.
Potrebe za EFA ovise o dobi. Odraslima su potrebne količine linolne kiseline u vrijednosti od najmanje 2% ukupnih kalorijskih potreba, a linolenske kiseline u vrijednosti od najmanje 0,5%. Izvor linolne i linolenske kiseline su biljna ulja. Ulje šafrana, suncokreta, kukuruza, soje, jaglaca, bundeve i pšeničnih klica su izvori velikih količina linolne kiseline. Ulja morskih riba i sjemenki lana, bundeve, soje i kanole izvori su velikih količina linolenske kiseline. Ulja morskih riba sadrže i velike količine nekih drugih ω–3 masnih kiselina.
U SAD–u su glavni izvori trans masnih kiselina u hrani djelomice hidrogenizirana biljna ulja. Trans masne kiseline mogu podići razinu LDL kolesterola a sniziti HDL. One također neovisno povećavaju incidenciju koronarne bolesti.
Makrominerali
Svakodnevno su potrebne relativno velike količine Na, Cl, K, Ca, P i Mg.
Voda
Voda se smatra makronutritivom jer je potrebna u količini od 1 ml/kcal (0,24 ml/kJ) potrošene energije ili oko 2500 ml/dan. Potrebe se mijenjaju uz temperaturu, u toploj ili hladnoj klimi te uz nisku ili visoku vlagu zraka.
Mikronutritivi
Mikronutritivi su vitamini i minerali koji su tijelu potrebni u malim količinama (minerali u tragovima).
Vitamini topivi u vodi
To su vitamin C (askorbinska kiselina) i osam članova kompleksa vitamina B: tiamin (vitamin B1), riboflavin (vitamin B2), niacin, piridoksin (vitamin B6), folna kiselina, kobalamin (vitamin B12), biotin i pantotenska kiselina.
Vitamini topivi u mastima
To su retinol (vitamin A), kolekalciferol i ergokalciferol (vitamin D), α–tokoferol (vitamin E) i filokinon i menakinon (vitamin K). Samo se vitamini A, E i B12 u tijelu pohranjuju u značajnijim količinama.
Esencijalni minerali u tragovima
To su željezo, jod, cink, krom, selen, mangan, molibden i bakar. Osim kroma, svi se oni ugrađuju u enzime ili hormone koji su potrebni za metabolizam. Osim nedostataka željeza i cinka, u industrijaliziranim zemljama su nedostaci mikrominerala rijetki.
Nije dokazano da su ostali minerali (npr. aluminij, arsen, bor, kobalt, fluor, nikal, silicij, vanadij) neophodni za čovjeka. Premda nije neophodan, fluor sprječava zubni karijes stvaranjem spoja s Ca (CaF2), koji učvršćuje mineralni matriks zuba.
Svi su minerali u tragovima u velikim količinama toksični, a neki (arsen, nikal i krom) mogu uzrokovati rak.
Ostale hranjive tvari
Dnevna ljudska prehrana tipično sadrži čak 100.000 spojeva (npr. kava ih sadrži 1000). Hranjivih tvari je od njih samo 300, od kojih su tek neke esencijalne. Međutim, mnoge tvari koje nisu hranjive također su korisne. Primjerice, dodaci hrani ili aditivi (npr. konzervansi, emulgatori, antioksidansi, stabilizatori) poboljšavaju proizvodnju i stabilnost hrane. Tvari u tragovima (npr. začini, mirisi, boje, fitokemijska sredstva, mnoge druge prirodne tvari) poboljšavaju izgled i okus hrane.
Vlakna različitih oblika (npr. celuloza, hemiceluloza, pektin, gume) povećavaju pokretljivost crijeva, sprječavaju opstipaciju i pomažu pri nadzoru divertikuloze. Smatra se kako vlakna ubrzavaju izbacivanje tvari koje uzrokuju rak, a koje stvaraju bakterije u debelom crijevu. Epidemiološki dokazi snažno potvrđuju povezanost između raka debelog crijeva i malog unosa vlakana te povoljan učinak unosa vlakana kod funkcionalnih poremećaja crijeva, Crohnove bolesti, pretilosti i hemoroida. Topiva vlakna (koja se nalaze u voću, povrću, zobi, ječmu i mahunarkama) smanjuju porast glukoze i inzulina nakon obroka, pa mogu sniziti razinu kolesterola.
Tipična zapadnjačka prehrana sadrži malo vlakana (oko 12 g/dan) zbog visokog unosa prerađenog pšeničnog brašna i malog unosa voća i povrća. Preporučuje se povećanje unosa vlakana uzimanjem više povrća, voća i žitarica s visokim udjelom vlakana na oko 30 g/dan.
