Белки являются необходимыми питательными веществами для человеческого организма . [1] Они являются одним из строительных блоков тканей тела и также могут служить источником топлива . В качестве топлива белки обеспечивают такую же плотность энергии , как и углеводы : 4 ккал (17 кДж ) на грамм; в отличие от этого, липиды обеспечивают 9 ккал (37 кДж) на грамм. Наиболее важным аспектом и определяющей характеристикой белка с точки зрения питания является его аминокислотный состав. [2]
Белки представляют собой полимерные цепи, состоящие из аминокислот, соединенных вместе пептидными связями . Во время пищеварения человека белки расщепляются в желудке на более мелкие полипептидные цепи с помощью соляной кислоты и протеаз . Это имеет решающее значение для усвоения незаменимых аминокислот , которые не могут быть биосинтезированы организмом. [3]
Существует девять незаменимых аминокислот, которые люди должны получать из своего рациона, чтобы предотвратить белково-энергетическую недостаточность и вызванную ею смерть. Это фенилаланин , валин , треонин , триптофан , метионин , лейцин , изолейцин , лизин и гистидин . [2] [4] Были дебаты о том, существует ли 8 или 9 незаменимых аминокислот. [5] Консенсус, по-видимому, склоняется к 9, поскольку гистидин не синтезируется у взрослых. [6] Существует пять аминокислот, которые люди способны синтезировать в организме. Этими пятью являются аланин , аспарагиновая кислота , аспарагин , глутаминовая кислота и серин . Существует шесть условно незаменимых аминокислот, синтез которых может быть ограничен при особых патофизиологических состояниях, таких как недоношенность у младенцев или у людей с тяжелым катаболическим дистрессом. Эти шесть - аргинин , цистеин , глицин , глутамин , пролин и тирозин . [2] Пищевые источники белка включают зерновые , бобовые , [7] орехи , [8] семена , [7] мясо , молочные продукты, рыбу , яйца , съедобных насекомых и морские водоросли . [9]
Белок — это питательное вещество, необходимое человеческому организму для роста и поддержания. Помимо воды, белки являются наиболее распространенным типом молекул в организме. Белок можно найти во всех клетках тела, и он является основным структурным компонентом всех клеток в организме, особенно мышц . Это также включает органы тела, волосы и кожу. Белки также используются в мембранах, таких как гликопротеины . При расщеплении на аминокислоты они используются в качестве предшественников нуклеиновых кислот , коферментов, гормонов, иммунного ответа, клеточного восстановления и других молекул, необходимых для жизни. Кроме того, белок необходим для формирования клеток крови. [1] [2]
Белок содержится в самых разных продуктах питания. [11] [12] В мировом масштабе растительные белковые продукты обеспечивают более 60% поставок белка на душу населения. [9] В Северной Америке продукты животного происхождения обеспечивают около 70% источников белка. [12] Насекомые являются источником белка во многих частях мира. [13] В некоторых частях Африки до 50% диетического белка получают из насекомых. [13] По оценкам, более 2 миллиардов человек ежедневно едят насекомых. [14]
Мясо , молочные продукты, яйца, соевые бобы , рыба , цельные зерна и злаки являются источниками белка. [11] Примерами основных продуктов питания и злаковых источников белка, каждый из которых имеет концентрацию более 7%, являются (в произвольном порядке) гречиха, овес, рожь, просо, кукуруза (маис), рис, пшеница, сорго, амарант и киноа. [12] Мясо дичи является доступным источником белка в некоторых странах. [15]
Растительные источники белков включают бобовые , орехи , семена, зерновые и некоторые овощи и фрукты . Растительные продукты с концентрацией белка более 7% включают (но не ограничиваются) соевые бобы , чечевицу, фасоль, белую фасоль, маш , нут , коровий горох, фасоль лима, голубиный горох, люпин, крылатые бобы, миндаль , бразильские орехи , кешью , пекан, грецкие орехи , семена хлопка, семена тыквы , семена конопли , семена кунжута и семена подсолнечника . [12]
Производство микробного белка на основе фотоэлектрических элементов использует электричество от солнечных панелей и углекислый газ из воздуха для создания топлива для микробов, которые выращиваются в чанах биореактора, а затем перерабатываются в сухие белковые порошки. Этот процесс обеспечивает высокоэффективное использование земли, воды и удобрений. [16] [17]
Людям, придерживающимся сбалансированной диеты, не нужны белковые добавки . [8] [12] [18]
В таблице ниже представлены группы продуктов питания как источники белка.
Цветовой ключ:
Белковые порошки , такие как казеин , сыворотка , яйца , рис , соя и мука из сверчков , являются обработанными и изготовленными источниками белка. [19]
Классическими анализами концентрации белка в пище являются метод Кьельдаля и метод Дюма . Эти тесты определяют общее содержание азота в образце. Единственным основным компонентом большинства продуктов питания, содержащим азот, является белок (жиры, углеводы и пищевые волокна не содержат азота). Если количество азота умножить на коэффициент, зависящий от видов белка, ожидаемых в пище, можно определить общее содержание белка. Это значение известно как содержание « сырого белка ». Использование правильных коэффициентов пересчета является предметом активных споров, особенно с введением большего количества белковых продуктов растительного происхождения. [20] Однако на этикетках продуктов питания белок рассчитывается путем умножения азота на 6,25, поскольку среднее содержание азота в белках составляет около 16%. Тест Кьельдаля обычно используется, поскольку это метод, принятый AOAC International , и поэтому он используется многими агентствами по стандартам на пищевые продукты по всему миру, хотя метод Дюма также одобрен некоторыми организациями по стандартизации. [21]
Случайное загрязнение и преднамеренная фальсификация белковых блюд источниками небелкового азота , которые завышают показатели содержания сырого белка, известны в пищевой промышленности на протяжении десятилетий. Чтобы гарантировать качество продуктов питания , покупатели белковых блюд регулярно проводят тесты контроля качества , предназначенные для обнаружения наиболее распространенных небелковых азотных загрязнителей, таких как мочевина и нитрат аммония . [22]
По крайней мере в одном сегменте пищевой промышленности, молочной промышленности, некоторые страны (по крайней мере, США, Австралия, Франция и Венгрия) приняли измерение « истинного белка », в отличие от измерения сырого белка, в качестве стандарта для оплаты и тестирования: «Истинный белок является мерой только белков в молоке, тогда как сырой белок является мерой всех источников азота и включает небелковый азот, такой как мочевина, которая не имеет пищевой ценности для человека. ... Современное оборудование для тестирования молока измеряет пептидные связи, прямую меру истинного белка». [23] Измерение пептидных связей в зерне также было внедрено на практике в нескольких странах, включая Канаду, Великобританию, Австралию, Россию и Аргентину, где используется технология ближнего инфракрасного отражения (БИК), тип инфракрасной спектроскопии . [24] Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО) рекомендует использовать только аминокислотный анализ для определения белка, в частности , в продуктах питания, используемых в качестве единственного источника питания, таких как детская смесь, но также указывает: «Когда данные по аминокислотному анализу отсутствуют, определение белка на основе общего содержания азота методом Кьельдаля (AOAC, 2000) или аналогичным методом... считается приемлемым». [25]
Метод тестирования белка в корме для крупного рогатого скота превратился в науку за послевоенные годы. Стандартный текст в Соединенных Штатах, Nutrient Requirements of Beef Cattle , выдержал восемь изданий в течение как минимум семидесяти лет. [26] Шестое издание 1996 года заменило сырой белок пятого издания на концепцию « метаболизируемого белка », которая была определена около 2000 года как « истинный белок, всасываемый кишечником, поставляемый микробным белком и нерасщепленным потребляемым белком». [27]
Ограничения метода Кьельдаля стали причиной загрязнения китайского экспорта белка в 2007 году и скандала с китайским молоком в 2008 году, когда в молоко или глютен добавляли промышленный химикат меламин для увеличения измеряемого «белка». [28] [29]
Наиболее важным аспектом и определяющей характеристикой белка с точки зрения питания является его аминокислотный состав. [2] Существует несколько систем, которые оценивают белки по их полезности для организма на основе их относительного процента аминокислот и, в некоторых системах, усвояемости источника белка. Они включают биологическую ценность , чистое использование белка и PDCAAS (оценка усвояемости белка с поправкой на аминокислоты), которая была разработана FDA как модификация метода коэффициента эффективности белка (PER). Рейтинг PDCAAS был принят Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) и Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций/ Всемирной организацией здравоохранения (ФАО/ВОЗ) в 1993 году как «предпочтительный „лучший“» метод определения качества белка. Эти организации предположили, что другие методы оценки качества белка являются неполноценными. [30] В 2013 году ФАО предложила перейти на оценку усвояемости незаменимых аминокислот .
Большинство белков распадаются на отдельные аминокислоты в процессе пищеварения в желудочно-кишечном тракте. [31]
Пищеварение обычно начинается в желудке, когда пепсиноген превращается в пепсин под действием соляной кислоты , и продолжается трипсином и химотрипсином в тонком кишечнике. [31] Перед всасыванием в тонком кишечнике большинство белков уже восстановлены до одной аминокислоты или пептидов из нескольких аминокислот. Большинство пептидов длиннее четырех аминокислот не всасываются. Всасывание в кишечные всасывающие клетки не заканчивается. Там большинство пептидов распадается на отдельные аминокислоты.
Всасывание аминокислот и их производных , на которые расщепляется пищевой белок, осуществляется желудочно-кишечным трактом . Скорость всасывания отдельных аминокислот в значительной степени зависит от источника белка; например, усвояемость многих аминокислот у людей, разница между соевыми и молочными белками [32] и между отдельными молочными белками, бета-лактоглобулином и казеином. [33] Для молочных белков около 50% потребленного белка всасывается между желудком и тощей кишкой , а 90% всасывается к тому времени, когда переваренная пища достигает подвздошной кишки . [34] Биологическая ценность (БЦ) является мерой доли всасываемого белка из пищи, которая становится включенной в белки тела организма.
Новорожденные млекопитающих являются исключительными в переваривании и усвоении белков , поскольку они могут поглощать целые белки в тонком кишечнике. Это обеспечивает пассивный иммунитет , т. е. передачу иммуноглобулинов от матери к новорожденному через молоко. [35]
Значительные дебаты имели место относительно вопросов, связанных с требованиями к потреблению белка. [36] [37] Количество белка, необходимое в рационе человека, в значительной степени определяется общим потреблением энергии, потребностью организма в азоте и незаменимых аминокислотах, массой тела и составом, скоростью роста человека, уровнем физической активности, потреблением энергии и углеводов человеком, а также наличием болезни или травмы. [3] [19] Физическая активность и нагрузка, а также увеличенная мышечная масса увеличивают потребность в белке. Потребности также выше в детстве для роста и развития, во время беременности или при грудном вскармливании для питания ребенка или когда организму необходимо восстановиться после недоедания или травмы или после операции. [38]
Согласно рекомендациям США и Канады по рекомендуемому потреблению белка , женщинам в возрасте 19–70 лет необходимо потреблять 46 граммов белка в день, а мужчинам в возрасте 19–70 лет необходимо потреблять 56 граммов белка в день, чтобы свести к минимуму риск дефицита. Эти рекомендуемые нормы потребления (RDA) были рассчитаны на основе 0,8 грамма белка на килограмм веса тела и среднего веса тела 57 кг (126 фунтов) и 70 кг (154 фунта) соответственно. [2] Однако эта рекомендация основана на структурных требованиях, но не учитывает использование белка для энергетического обмена . [36] Это требование относится к обычному малоподвижному человеку. [39] В Соединенных Штатах среднее потребление белка выше RDA. Согласно результатам Национального обследования здоровья и питания (NHANES 2013–2014), среднее потребление белка для женщин в возрасте 20 лет и старше составило 69,8 грамма, а для мужчин — 98,3 грамма в день. [40] Согласно исследованию Гарвардского университета, Национальная академия медицины [41] предполагает, что взрослые должны потреблять не менее 0,8 грамма белка на килограмм веса тела в день, что примерно эквивалентно чуть более 7 граммов на каждые 20 фунтов веса тела. Эта рекомендация широко принята специалистами в области здравоохранения в качестве руководства для поддержания мышечной массы, поддержки метаболических функций и укрепления общего здоровья.
Несколько исследований пришли к выводу, что активным людям и спортсменам может потребоваться повышенное потребление белка (по сравнению с 0,8 г/кг) из-за увеличения мышечной массы и потерь пота, а также потребности в восстановлении организма и источнике энергии. [36] [37] Предлагаемые количества варьируются от 1,2 до 1,4 г/кг для тех, кто выполняет упражнения на выносливость, до 1,6-1,8 г/кг для силовых упражнений [37] [39] и до 2,0 г/кг/день для пожилых людей, [42] в то время как предлагаемое максимальное ежедневное потребление белка будет составлять приблизительно 25% от потребности в энергии, т.е. приблизительно от 2 до 2,5 г/кг. [36] Однако многие вопросы еще предстоит решить. [37]
Кроме того, некоторые полагают, что спортсменам, использующим диеты с ограничением калорий для снижения веса, следует дополнительно увеличить потребление белка, возможно, до 1,8–2,0 г/кг, чтобы избежать потери сухой мышечной массы. [43]
Спортсмены, занимающиеся видами спорта на выносливость, отличаются от спортсменов, занимающихся силовыми видами спорта, тем, что спортсмены, занимающиеся видами спорта на выносливость, не наращивают столько мышечной массы во время тренировок, как спортсмены, занимающиеся силовыми видами спорта. [ требуется ссылка ] Исследования показывают, что людям, занимающимся видами спорта на выносливость, требуется больше белка, чем малоподвижным людям, чтобы мышцы, разрушенные во время тренировок на выносливость, могли быть восстановлены. [44] Хотя потребность в белке для спортсменов по-прежнему остается спорной (например, см. Lamont, Nutrition Research Reviews, страницы 142–149, 2012), исследования показывают, что спортсмены, занимающиеся видами спорта на выносливость, могут извлечь выгоду из увеличения потребления белка, поскольку тип упражнений, в которых участвуют спортсмены, занимающиеся видами спорта на выносливость, по-прежнему изменяет путь метаболизма белка. Общая потребность в белке увеличивается из-за окисления аминокислот у спортсменов, тренирующихся на выносливость. [44] Спортсмены, занимающиеся видами спорта на выносливость, которые тренируются в течение длительного периода (2–5 часов за тренировку), используют белок в качестве источника 5–10 % от общего объема затрачиваемой энергии. Поэтому небольшое увеличение потребления белка может быть полезным для спортсменов, занимающихся видами спорта на выносливость, заменяя белок, потерянный при расходе энергии, и белок, потерянный при восстановлении мышц. В одном обзоре сделан вывод о том, что спортсмены, занимающиеся видами спорта, требующими выносливости, могут увеличить ежедневное потребление белка до максимума в 1,2–1,4 г на кг массы тела. [19]
Исследования также показывают, что людям, занимающимся силовыми тренировками , требуется больше белка, чем людям, ведущим малоподвижный образ жизни. Спортсмены, занимающиеся силовыми тренировками, могут увеличить ежедневное потребление белка до максимума в 1,4–1,8 г на кг веса тела, чтобы усилить синтез мышечного белка или компенсировать потерю аминокислотного окисления во время упражнений. Многие спортсмены придерживаются высокобелковой диеты как части своих тренировок. Фактически, некоторые спортсмены, специализирующиеся на анаэробных видах спорта (например, тяжелой атлетике), считают, что необходим очень высокий уровень потребления белка, и поэтому потребляют пищу с высоким содержанием белка, а также белковые добавки. [3] [19] [44] [45]
Пищевая аллергия — это аномальная иммунная реакция на белки в пище. Признаки и симптомы могут варьироваться от легких до тяжелых. Они могут включать зуд , отек языка, рвоту, диарею, крапивницу, затрудненное дыхание или низкое кровяное давление. Эти симптомы обычно проявляются в течение нескольких минут или одного часа после воздействия. Когда симптомы серьезны, это известно как анафилаксия . Следующие восемь продуктов ответственны за около 90% аллергических реакций: коровье молоко , яйца , пшеница , моллюски , рыба , арахис , орехи и соя . [46]
Хотя нет убедительных доказательств того, что диета с высоким содержанием белка может вызвать хроническую болезнь почек , существует консенсус, что люди с этим заболеванием должны уменьшить потребление белка. Согласно одному обзору 2009 года, обновленному в 2018 году, люди с хроническим заболеванием почек, которые уменьшают потребление белка, имеют меньшую вероятность прогрессирования до терминальной стадии болезни почек. [47] [48] Более того, люди с этим заболеванием, использующие диету с низким содержанием белка (0,6 г/кг/день - 0,8 г/кг/день), могут развить метаболические компенсации , которые сохраняют функцию почек, хотя у некоторых людей может возникнуть недоедание . [48]
Лица с фенилкетонурией (ФКУ) должны поддерживать потребление фенилаланина – незаменимой аминокислоты – на крайне низком уровне, чтобы предотвратить умственную отсталость и другие метаболические осложнения. Фенилаланин является компонентом искусственного подсластителя аспартама, поэтому людям с ФКУ необходимо избегать низкокалорийных напитков и продуктов с этим ингредиентом. [49]
Обзор рекомендуемого потребления белка в США и Канаде пришел к выводу, что нет достаточных доказательств для установления допустимого верхнего уровня потребления , т. е. верхнего предела того, сколько белка можно безопасно потреблять. [2]
Когда аминокислоты превышают потребности, печень поглощает аминокислоты и дезаминирует их, в ходе процесса азот из аминокислот преобразуется в аммиак , который далее в печени преобразуется в мочевину через цикл мочевины . Выделение мочевины происходит через почки. Другие части молекул аминокислот могут быть преобразованы в глюкозу и использованы в качестве топлива. [39] [50] [51] Когда потребление пищевого белка периодически высокое или низкое, организм пытается поддерживать уровень белка в равновесии, используя «лабильный резерв белка», чтобы компенсировать ежедневные колебания потребления белка. Однако, в отличие от жира в организме как резерва для будущих потребностей в калориях, запаса белка для будущих потребностей не существует. [2]
Избыточное потребление белка может увеличить выделение кальция с мочой, что происходит для компенсации дисбаланса pH из-за окисления серосодержащих аминокислот. Это может привести к более высокому риску образования камней в почках из-за кальция в почечной кровеносной системе. [2] Один метаанализ не выявил неблагоприятного воздействия повышенного потребления белка на плотность костей. [52] Другой метаанализ сообщил о небольшом снижении систолического и диастолического артериального давления при диетах с высоким содержанием белка, без различий между животным и растительным белком. [53]
В метаанализе было показано, что диеты с высоким содержанием белка приводят к дополнительной потере веса на 1,21 кг в течение 3 месяцев по сравнению с базовой диетой с содержанием белка. [54] Преимущества снижения индекса массы тела , а также холестерина ЛПВП были более выражены в исследованиях с небольшим увеличением потребления белка, чем в исследованиях, где высокое потребление белка классифицировалось как 45% от общего потребления энергии. [54] Вредные эффекты для сердечно-сосудистой деятельности не наблюдались при краткосрочных диетах продолжительностью 6 месяцев или меньше. Мало единого мнения о потенциально пагубных эффектах для здоровых людей долгосрочной диеты с высоким содержанием белка, что приводит к рекомендациям по осторожности в отношении использования высокого потребления белка в качестве формы потери веса . [54] [48] [55]
В рекомендациях по питанию для американцев на 2015–2020 годы (DGA) рекомендуется, чтобы мужчины и подростки увеличили потребление фруктов, овощей и других недопотребленных продуктов, и что средством достижения этого будет сокращение общего потребления белковых продуктов. [56] В отчете DGA за 2015–2020 годы не устанавливается рекомендуемый предел потребления красного и переработанного мяса. Хотя в отчете признаются исследования, показывающие, что более низкое потребление красного и переработанного мяса коррелирует с уменьшением риска сердечно-сосудистых заболеваний у взрослых, в нем также отмечается ценность питательных веществ, получаемых из этого мяса. Рекомендация заключается не в ограничении потребления мяса или белка, а в контроле и поддержании ежедневных норм натрия (<2300 мг), насыщенных жиров (менее 10% от общего количества калорий в день) и добавленных сахаров (менее 10% от общего количества калорий в день), которые могут быть увеличены в результате потребления определенных видов мяса и белков. Хотя отчет DGA за 2015 год рекомендует сократить потребление красного и переработанного мяса, основные рекомендации DGA на 2015–2020 годы предполагают употребление разнообразных белковых продуктов, включая как вегетарианские, так и невегетарианские источники белка. [57]
Дефицит белка и недоедание (PEM) могут привести к различным заболеваниям, включая умственную отсталость и квашиоркор . [59] Симптомы квашиоркора включают апатию, диарею, бездеятельность, задержку роста, шелушение кожи, жировую дистрофию печени и отек живота и ног. Этот отек объясняется действием липоксигеназы на арахидоновую кислоту для образования лейкотриенов и нормального функционирования белков в балансе жидкости и транспорте липопротеинов. [60]
БЭМ довольно распространена во всем мире как среди детей, так и среди взрослых и ежегодно становится причиной 6 миллионов смертей. В индустриальном мире БЭМ в основном встречается в больницах, связана с болезнью или часто встречается у пожилых людей. [2]
Некоторым людям, особенно подросткам и взрослым мужчинам, также необходимо сократить общее потребление белковой пищи за счет уменьшения потребления мяса, птицы и яиц и увеличения количества овощей или других недостаточно потребляемых групп продуктов питания.