Кишечные микроорганизмы участвуют в извлечении энергии из пищи, поэтому калорийность на упаковке не всегда совпадает с количеством энергии, которое получает организм. Ученые Университета штата Аризона разработали математическую модель, позволяющую учитывать этот вклад. Ее проверили на данных эксперимента, в котором при богатом клетчаткой рационе организм в среднем получал примерно на 116 ккал в сутки меньше, чем при западном типе питания. Почему бактерии меняют расчет калорий и как эти знания могут помочь в изучении обмена веществ — в материале «Известий».

Привычный подсчет калорий начинается с состава продукта: сколько в нем белков, жиров и углеводов. Для оценки энергетической ценности более 100 лет используют систему, основанную на коэффициентах Этуотера. В ее распространенном варианте 1 г белка и 1 г углеводов дают примерно по четыре килокалории, а 1 г жира — девять.

Однако путь пищи внутри организма сложнее такого расчета. Часть питательных веществ переваривается и всасывается в тонкой кишке. Другая часть достигает толстой кишки, где ее перерабатывают микроорганизмы. Некоторые продукты этой переработки организм может использовать как источник энергии, а часть материала выводится.

На результат влияют состав рациона, степень обработки продуктов и доступность питательных веществ для пищеварения. Значение имеет и то, сколько пищевых компонентов достается кишечному микробному сообществу.

Коэффициенты Этуотера дают усредненную оценку. Вклад микробных процессов в ней отдельно не рассчитывается: он оказывается объединен с другими факторами. Новая работа предлагает проследить эти процессы подробнее 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.

Для проверки модели исследователи использовали данные ранее проведенного клинического эксперимента, результаты которого вышли в Nature Communications в 2023 году. В нем участвовали 17 здоровых взрослых. Каждый последовательно придерживался двух рационов, поэтому ученые могли сравнивать реакцию одного человека на разные условия питания.

Каждый рацион участники соблюдали 22 дня: 11 дней дома и еще 11 — в исследовательском стационаре. Порядок рационов определяли случайным образом, между этапами был перерыв не менее двух недель. Питание тщательно контролировали, а энергетические потребности участников оценивали с помощью измерений расхода энергии.

Первый рацион разработали так, чтобы больше пищевых компонентов доходило до кишечных микробов. Он содержал больше клетчатки и устойчивого крахмала, включал менее обработанные продукты и пищу с более крупными частицами. Устойчивый крахмал плохо расщепляется в тонкой кишке и может поступать в толстую кишку для дальнейшей переработки микроорганизмами.

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

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

Клетчатка поступает в толстую кишку и становится субстратом для микроорганизмов. В ходе ферментации они образуют короткоцепочечные жирные кислоты. Организм способен всасывать часть этих соединений и использовать их в обмене веществ.

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

По расчетам новой модели, всасываемые короткоцепочечные жирные кислоты обеспечивали в среднем около 140 ккал в сутки. В исследуемых условиях это соответствовало 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 устанавливает одинаковый «микробный бонус» для каждого человека и любого меню.

На первый взгляд, результат выглядит противоречиво. Рацион с большим количеством клетчатки активнее снабжает микробы пищей. Они производят больше короткоцепочечных жирных кислот, которые могут стать источником энергии. Однако в эксперименте организм в целом получал меньше калорий.

Объяснение связано с тем, что энергетический баланс складывается 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 усиление микробной переработки пищи может сочетаться с уменьшением общего количества энергии, доступной человеку.

Этот результат показывает, почему содержание клетчатки и степень обработки продуктов важны для оценки питания. Сопоставимые цифры калорийности еще не описывают все различия в том, как организм и микробы перерабатывают два рациона. Работа помогает подробнее 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 перспективе исследователи рассчитывают использовать 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.