Микроорганизмы кишечника помогают извлекать энергию из еды, из-за чего указанная на упаковке калорийность не всегда равна количеству энергии, поступающему в организм. Специалисты Университета штата Аризона создали математическую модель, которая позволяет учесть такой вклад. Модель проверили на данных эксперимента: при рационе с большим количеством клетчатки организм в среднем получал примерно на 116 ккал в сутки меньше, чем при западном питании. Почему бактерии влияют на расчет калорий и как эти сведения могут пригодиться при изучении обмена веществ — в материале «Известий».

Что скрывается за цифрой на упаковке

Обычный подсчет калорий отталкивается от состава продукта: количества белков, жиров и углеводов в нем. Чтобы оценить энергетическую ценность, уже более 100 лет применяют систему на основе коэффициентов Этуотера. В распространенном варианте 1 г белка и 1 г углеводов дают около четырех килокалорий, а 1 г жира — девять.

Но путь еды в организме устроен сложнее такого расчета. Часть нутриентов переваривается и всасывается в тонкой кишке. Другая доходит до толстой кишки, где ее перерабатывают микроорганизмы. Некоторые продукты такой переработки организм способен использовать как источник энергии, а часть материала выводится.

На итог влияют состав рациона, степень обработки продуктов и доступность питательных веществ для пищеварения. Имеет значение и то, какая доля пищевых компонентов достается кишечному микробному сообществу.

Коэффициенты Этуотера дают усредненный результат. Вклад микробных процессов в нем отдельно не рассчитывается: он объединен с другими факторами. Новая работа предлагает подробнее проследить эти процессы и оценить, как они меняют 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.

Два типа питания и разница в 116 ккал

Чтобы проверить модель, исследователи взяли данные уже проведенного клинического эксперимента, опубликованного в Nature Communications в 2023 году. В нем приняли участие 17 здоровых взрослых. Каждый по очереди соблюдал два рациона, поэтому ученые могли сравнить реакцию одного человека на разные условия питания.

Каждый рацион участники соблюдали 22 дня: 11 дней дома и еще 11 в исследовательском стационаре. Очередность рационов задавали случайным образом, между этапами делали перерыв не менее двух недель. Питание строго контролировали, а энергетические потребности участников оценивали через измерения расхода энергии.

Первый рацион составили так, чтобы больше пищевых компонентов достигало кишечных микробов. В нем было больше клетчатки и устойчивого крахмала, он включал менее обработанные продукты и пищу с более крупными частицами. Устойчивый крахмал плохо расщепляется в тонкой кишке и может попадать в толстую кишку для дальнейшей переработки микроорганизмами.

Второй рацион отвечал западному типу питания: в нем было больше обработанных продуктов, меньше клетчатки и устойчивого крахмала. По стандартным расчетам диеты совпадали по энергетической ценности и общему содержанию основных питательных веществ.

Тем не менее при рационе с большим количеством клетчатки со стулом в среднем терялось дополнительно около 116 ккал в сутки. Соответственно, организму доставалось меньше доступной энергии. Участники при этом не говорили об усилении голода. Эта разница описывает усвоение энергии в условиях конкретного эксперимента. Она не измеряет дополнительные калории, израсходованные на физическую активность или другие процессы.

Как бактерии получают энергию из клетчатки

Клетчатка попадает в толстую кишку и становится субстратом для микроорганизмов. В процессе ферментации они создают короткоцепочечные жирные кислоты. Организм может всасывать часть этих соединений и задействовать их в обмене веществ.

Таким образом, пищеварение не заканчивается после того, как пища прошла основные этапы расщепления и всасывания в тонкой кишке. Микробы переводят некоторые компоненты, недоступные человеческим пищеварительным ферментам, в вещества, из которых организм способен получить энергию.

Согласно расчетам новой модели, всасываемые короткоцепочечные жирные кислоты давали в среднем около 140 ккал в сутки. В изученных условиях это равнялось примерно 7,4% доступной организму энергии.

Эти 140 ккал входят в общий энергетический баланс питания. Их нельзя автоматически прибавлять к цифре на упаковке: стандартный расчет уже дает усредненную оценку доступной энергии, а модель уточняет, за счет каких процессов она поступает. Кроме того, речь идет о среднем значении, полученном при моделировании конкретных рационов. Оно не задает одинаковый «микробный бонус» для каждого человека и любого меню.

Почему усиление ферментации не дает больше калорий

Сначала результат может показаться противоречивым. Рацион с большим количеством клетчатки активнее снабжает микробы пищей. Они производят больше короткоцепочечных жирных кислот, способных стать источником энергии. Однако в эксперименте организм в целом получал меньше калорий.

Причина в том, что энергетический баланс состоит из нескольких потоков. Важно, сколько питательных веществ всосалось до толстой кишки, сколько переработали микроорганизмы, какая часть продуктов их обмена поступила в организм и сколько энергии ушло с выделениями.

В клиническом исследовании потери со стулом были связаны с непереваренным материалом, микробной биомассой и продуктами обмена. Поэтому более активная микробная переработка пищи может сочетаться с уменьшением общего количества энергии, доступной человеку.

Такой итог показывает, почему содержание клетчатки и степень обработки продуктов важны при оценке питания. Сопоставимые цифры калорийности еще не передают все различия в том, как организм и микробы перерабатывают два рациона. Работа помогает детальнее объяснить, почему энергетическая ценность рациона зависит от его состава и переработки в пищеварительной системе. Кишечные микробы участвуют в этом процессе, но их вклад определяется тем, какие вещества до них доходят и что происходит с продуктами их обмена.

В будущем исследователи надеются применять подобные модели для изучения ожирения, диабета и других нарушений обмена веществ. Более подробное описание пищеварения может помочь понять, почему разные рационы по-разному влияют на энергетический баланс.