Микробы в кишечнике принимают участие в процессе извлечения энергии из еды, поэтому указанная на упаковке калорийность не всегда соответствует тому количеству энергии, которое реально усваивает тело человека. Специалисты из Университета штата Аризона создали математическую модель, позволяющую учитывать эту роль микроорганизмов. Ее апробировали на результатах эксперимента, в котором при питании с высоким содержанием клетчатки организм в среднем получал примерно на 116 килокалорий в день меньше, чем при западной диете. Как бактерии влияют на расчет калорий и каким образом эти сведения могут быть полезны для исследования метаболизма — в материале «Известий».

Что скрывается за числом на этикетке

Традиционный подсчет калорий отталкивается от состава продукта, то есть от содержания в нем белков, жиров и углеводов. Для определения энергетической ценности уже более ста лет применяют систему, базирующуюся на коэффициентах Этуотера. В ее наиболее распространенном виде один грамм белка и один грамм углеводов дают приблизительно по четыре килокалории, а один грамм жира — девять.

Но путь еды внутри организма гораздо сложнее такого простого вычисления. Некоторая доля питательных веществ расщепляется и усваивается в тонком кишечнике. Другая часть доходит до толстой кишки, где ее перерабатывают бактерии. Отдельные продукты этой переработки тело может задействовать как источник энергии, а часть вещества выводится наружу.

На итоговый показатель воздействуют состав рациона, уровень переработки продуктов и то, насколько питательные вещества доступны для пищеварения. Также важно, какая часть пищевых компонентов поступает к микробному сообществу кишечника.

Коэффициенты Этуотера предоставляют усредненную картину. Участие микробных процессов в этой схеме отдельно не учитывается: оно объединено с другими факторами. Новое исследование предлагает рассмотреть эти процессы более детально и понять, каким образом они изменяют энергетический баланс.

«Пищеварение — это сотрудничество нашего организма с триллионами микробов, живущих в кишечнике», — пояснила профессор Университета штата Аризона, директор исследовательского центра здоровья через микробиомы Роза Краймалник-Браун.

Две диеты и разница в 116 килокалорий

Для проверки модели исследователи применили сведения из ранее проведенного клинического испытания, итоги которого были опубликованы в Nature Communications в 2023 году. В исследовании принимали участие 17 здоровых взрослых людей. Каждый из них по очереди соблюдал два рациона, что позволило специалистам сопоставить реакцию одного и того же человека на различные условия питания.

Каждую диету участники придерживались в течение 22 суток: 11 дней дома и еще 11 — в исследовательском стационаре. Последовательность рационов определялась случайно, а между этапами делали перерыв не менее двух недель. За питанием велось строгое наблюдение, а энергетические потребности испытуемых оценивали посредством измерения расхода энергии.

Первый рацион был составлен таким образом, чтобы как можно больше пищевых компонентов достигало кишечных микробов. В нем было больше клетчатки и устойчивого крахмала, использовались менее переработанные продукты и пища с более крупными частицами. Устойчивый крахмал слабо расщепляется в тонком кишечнике, поэтому может попадать в толстую кишку и перерабатываться микроорганизмами.

Второй рацион отвечал западному стилю питания: он содержал больше переработанных продуктов и меньше клетчатки и устойчивого крахмала. Согласно стандартным вычислениям, обе диеты были сопоставимы по энергетической ценности и общему количеству основных питательных веществ.

Тем не менее при питании с высоким содержанием клетчатки вместе со стулом в среднем выводилось дополнительно около 116 килокалорий в день. Таким образом, организму доставалось меньше доступной энергии. При этом участники не жаловались на усиление чувства голода. Эта разница отражает усвоение энергии в условиях данного эксперимента и не учитывает дополнительные калории, израсходованные на физическую активность или иные процессы.

Каким образом бактерии получают энергию из клетчатки

Клетчатка попадает в толстую кишку и служит субстратом для микробов. В процессе ферментации они вырабатывают короткоцепочечные жирные кислоты. Человеческий организм способен усваивать часть этих соединений и применять их в метаболизме.

Таким образом, процесс пищеварения не заканчивается после прохождения пищей основных стадий расщепления и всасывания в тонком кишечнике. Бактерии преобразуют отдельные компоненты, которые не поддаются человеческим пищеварительным ферментам, в соединения, из которых тело может извлечь энергию.

Согласно расчетам новой модели, всасываемые короткоцепочечные жирные кислоты давали в среднем около 140 килокалорий в день. В рамках исследуемых условий это составляло приблизительно 7,4% энергии, доступной организму.

Эти 140 килокалорий учитываются в общем энергетическом балансе рациона. Их не следует механически добавлять к числу на упаковке: стандартный расчет уже предоставляет усредненную оценку доступной энергии, а модель лишь уточняет, благодаря каким процессам она появляется. Кроме того, данная цифра является средним значением, полученным при моделировании конкретных диет. Она не задает одинаковый «микробный бонус» для каждого человека и любого меню.

Почему усиление ферментации не ведет к росту калорий

На первый взгляд, такой итог кажется противоречивым. Диета с большим содержанием клетчатки активнее обеспечивает микробов питанием. Они образуют больше короткоцепочечных жирных кислот, способных служить источником энергии. Однако в эксперименте организм в целом получал меньшее количество калорий.

Объяснение кроется в том, что энергетический баланс формируется из нескольких составляющих. Имеет значение, какое количество питательных веществ всосалось до толстой кишки, сколько было переработано микробами, какая часть продуктов их обмена попала в организм и сколько энергии вышло вместе с выделениями.

В клиническом испытании потери со стулом объяснялись непереваренным материалом, микробной биомассой и продуктами обмена веществ. Поэтому активизация микробной переработки пищи может сопровождаться сокращением общего объема энергии, доступной человеку.

Данный результат демонстрирует, почему содержание клетчатки и степень переработки продуктов имеют значение при оценке питания. Одинаковые показатели калорийности еще не описывают всех различий в том, как тело и микробы обрабатывают два рациона. Исследование помогает более детально объяснить, почему энергетическая ценность диеты зависит от ее состава и переработки в пищеварительной системе. Кишечные микробы принимают участие в этом процессе, однако их вклад определяется тем, какие вещества до них доходят и что случается с продуктами их обмена.

В будущем исследователи планируют применять подобные модели для изучения ожирения, диабета и прочих метаболических нарушений. Более детальное описание процессов пищеварения может помочь понять, почему различные диеты по-разному сказываются на энергетическом балансе.