Введение

Система расчета доступной энергии пищевых продуктов

Система Атвотера, названная в честь Уилбура Олина Атвотера, или её производные, используются для расчета доступной энергии пищевых продуктов. Система была разработана в основном на основе экспериментальных исследований Атвотера и его коллег в конце XIX и начале XX веков в Университете Уэслиана в Миддлтауне, штат Коннектикут. Её применение часто вызывало споры, однако мало альтернатив было предложено. Как и расчет содержания белка по общему азоту, система Атвотера является условностью, и её ограничения очевидны, если рассматривать её происхождение.

Валовые энергетические значения

Атвотер собрал данные из литературы и также измерил теплоту сгорания белков, жиров и углеводов. Эти значения незначительно различаются в зависимости от источника, и Атвотер вывел взвешенные значения для общей теплоты сгорания белка, жира и углеводов в типичной смешанной диете, распространенной в его время. Утверждается, что эти взвешенные значения не применимы к отдельным продуктам питания и к диетам, состав которых по пищевым продуктам отличается от диет, потребляемых в США в начале XX века.

Коэффициенты видимой усвояемости

Атватер измерил большое количество коэффициентов переваримости для простых смесей, а в опытах с заменой вывел значения для отдельных продуктов питания. Он объединил их, используя взвешенное среднее, для получения значений для комбикормов. Однако, при экспериментальной проверке этих значений на комбикормах, они показали плохую предсказательную способность, и Атwater скорректировал коэффициенты для комбикормов.

Коррекция мочеиспускания

Соотношение энергии к азоту в моче значительно варьируется, а соотношение энергии к органическому веществу – в меньшей степени. Однако значение энергии к азоту позволило Atwater разработать рабочий подход, хотя это и привело к некоторой путанице и применимо только к людям, находящимся в азотном балансе.

Модифицированная система

На основе работы Атвотера стало общепринятой практикой рассчитывать энергетическую ценность продуктов питания, используя 4 ккал/г для углеводов и белков и 9 ккал/г для липидов. Позднее эта система была усовершенствована Аннабель Меррилл и Бернис Уотт из Министерства сельского хозяйства США, которые разработали систему с конкретными коэффициентами пересчета калорий для различных продуктов. Это обусловлено тем, что, во-первых, валовая энергетическая ценность белков, жиров и углеводов из разных источников пищи различна, а во-вторых, видимая усвояемость компонентов разных продуктов питания отличается. Данная система опирается на измеренные теплоты сгорания широкого спектра изолированных белков, жиров и углеводов. Она также требует данных исследований усвояемости, в которых отдельные продукты питания заменяли базовые рационы для определения коэффициентов видимой усвояемости этих продуктов. Этот подход основан на предположении об отсутствии взаимодействий между продуктами питания в смеси в кишечнике, и с практической точки зрения, проведение таких исследований на людях с необходимой точностью затруднительно.

Предположения, основанные на использовании углеводов по разнице и влиянии пищевого волокна

Применение метода расчета углеводов "по разности" представляет собой несколько проблем. Во-первых, он не различает сахара, крахмал и непереваримые углеводы (клетчатку или "пищевые волокна"). Это прежде всего влияет на общую энергию, приписываемую углеводам – сахароза имеет теплоту сгорания 3,95 ккал/г (16,53 кДж/г), а крахмал – 4,15 ккал/г (17,36 кДж/г). Во-вторых, он не учитывает тот факт, что сахара и крахмал практически полностью перевариваются и всасываются, и таким образом обеспечивают метаболизируемую энергию, эквивалентную их теплоте сгорания. Непереваримые углеводы (пищевые волокна) подвергаются разной степени расщепления в толстом кишечнике. Продуктами этого микробного переваривания являются жирные кислоты, CO2 (углекислый газ), метан и водород. Жирные кислоты (ацетат, бутират и пропионат) всасываются в толстом кишечнике и обеспечивают некоторую метаболизируемую энергию. Степень расщепления зависит от источника пищевых волокон (их состава и степени измельчения), а также от человека, потребляющего эти волокна. Недостаточно данных, чтобы дать точные рекомендации относительно энергии, получаемой из этого источника. Наконец, пищевые волокна влияют на потери азота и жира с фекалиями. Неясно, связано ли увеличение потерь жира с влиянием на всасывание в тонком кишечнике. Вероятно, увеличение потерь азота с фекалиями при диетах с высоким содержанием клетчатки связано с повышенным содержанием бактериального азота в фекалиях. Оба этих эффекта приводят к снижению кажущейся усвояемости, и поэтому система Атвотера требует незначительных корректировок в соответствующих коэффициентах перевода энергии для таких диет.

Белки

Экспериментальные данные, подтверждающие величину этих колебаний, весьма ограничены, однако, поскольку теплоты сгорания отдельных аминокислот различаются, разумно ожидать вариаций между разными белками. Было сообщено о диапазоне от 5,48 для конглютина (из голубой люпины) до 5,92 для гордеина (ячменя), что сопоставимо с диапазоном, установленным Атвотером, от 5,27 для желатина до 5,95 для пшеничного глютена. Сложно рассчитать ожидаемые значения для белка на основе данных об аминокислотах, поскольку некоторые теплоты сгорания известны неточно. Предварительные расчеты для коровьего молока указывают на значение около 5,5 ккал/г (23,0 кДж/г).

Жиры

Аналогично, экспериментальные данные ограничены, но поскольку жирные кислоты различаются по теплоте сгорания, следует ожидать, что жиры будут различаться по теплоте сгорания. Эти различия, однако, относительно невелики – например, жир грудного молока имеет расчетную теплоту сгорания 9,37 ккал/г (39,2 кДж/г) по сравнению с жиром коровьего молока 9,19 ккал/г (38,5 кДж/г).

Углеводы

Моносахариды имеют теплоту сгорания около 3,75 ккал/г (15,7 кДж/г), дисахариды – 3,95 ккал/г (16,5 кДж/г), а полисахариды – от 4,15 до 4,20 ккал/г (17,4–17,6 кДж/г). Теплота гидролиза очень мала, и эти значения практически эквивалентны при расчете на содержание моносахаридов. Таким образом, при гидролизе 100 г сахарозы образуется 105,6 г моносахаридов, а при гидролизе 100 г крахмала – 110 г глюкозы.

Коэффициенты видимой усвояемости

Пищеварительный тракт человека – очень эффективный орган, и выведение азотистых веществ и жиров с фекалиями составляет небольшую долю (обычно менее 10%) от поступившего. Атвотер признал, что фекалии – это сложная смесь не всосавшихся кишечных секретов, бактериальной массы и метаболитов, отшелушенных клеток слизистой оболочки, слизи и лишь в незначительной степени – непереваренных пищевых компонентов. Вероятно, это одна из причин, по которой он выбрал использование доступности, а не переваримости. Он полагал, что эти компоненты фекалий действительно недоступны для организма, и его кажущееся игнорирование природы фекального выведения было оправданным с практической точки зрения. Соотношение, при небольшом объеме фекального выведения, будет приближаться к единице, и, следовательно, эти коэффициенты имеют низкую вариабельность и выглядят как константы. Однако это обманчиво, поскольку фекальное выведение изменчиво даже при постоянном рационе, и нет оснований полагать, что оно связано с потреблением пищи так, как это подразумевается этими коэффициентами.

Практические соображения при расчете энергетической ценности продуктов питания и диеты

Расчет энергетической ценности следует рассматривать как альтернативу прямому измерению и, следовательно, вероятно, будет сопряжен с определенной неточностью по сравнению с прямой оценкой. Эти неточности возникают по ряду причин.

Вариации в составе продуктов питания: продукты питания являются биологическими смесями и, как таковые, демонстрируют значительные колебания в составе, особенно в отношении содержания воды и жира. Это означает, что значения состава, указанные для репрезентативных образцов продуктов питания в таблицах состава, не обязательно применимы к отдельным образцам. В исследованиях, требующих высокой точности, необходимо анализировать образцы потребляемых продуктов. Измерения потребления пищи: при оценке энергетической ценности рациона измерения потребления пищи подвержены значительной неопределенности. Даже в исследованиях под строгим контролем погрешности при взвешивании отдельных продуктов питания редко бывают меньше ±5%. Поэтому при оценке методов расчета энергетической ценности рациона необходимо проявлять определенный прагматизм, и многие авторы приписывают рассчитанным значениям энергетической ценности большую точность, чем это оправдано. Индивидуальные различия: вариации между людьми наблюдаются во всех исследованиях на людях, и эти вариации обычно не учитываются в расчетах. Теоретические и физиологические возражения против допущений, лежащих в основе системы Атвотера, вероятно, приведут к ошибкам, значительно меньшим, чем эти практические проблемы. Коэффициенты пересчета были получены в результате экспериментальных исследований на младенцах, но они дали значения метаболизируемой энергии, которые незначительно отличались от значений, полученных при непосредственном применении модифицированных коэффициентов Атвотера.