Система Атуотера [1], названная в честь Уилбура Олина Атуотера , или производные от этой системы используются для расчета доступной энергии продуктов питания . Система была разработана в основном на основе экспериментальных исследований Атуотера и его коллег в конце 19-го века и в начале 20-го в Уэслианском университете в Мидлтауне, штат Коннектикут . Ее использование часто становилось причиной споров, но было предложено мало альтернатив. Как и в случае с расчетом белка из общего азота, система Атуотера является условностью, и ее ограничения можно увидеть в ее выводе.
Доступная энергия (в значении Этуотера) эквивалентна современному использованию термина «метаболизируемая энергия» (МЭ).
В большинстве исследований на людях потери в секреции и газах игнорируются. Валовая энергия (ГЭ) пищи, измеренная методом бомбовой калориметрии , равна сумме теплот сгорания компонентов – белка (ГЭ п ), жира (ГЭ ж ) и углевода (ГЭ чо ) (по разнице) в ближайшей системе.
Аналогичным образом Этуотер рассмотрел энергетическую ценность фекалий.
Измеряя коэффициенты доступности или, выражаясь современной терминологией, кажущейся усвояемости, Этуотер разработал систему расчета потерь энергии с фекалиями.
где D p , D f и D cho — соответственно коэффициенты усвояемости белков, жиров и углеводов, рассчитанные как
для соответствующего избирателя.
Потери с мочой рассчитывались по соотношению энергии к азоту в моче. Экспериментально это составило 7,9 ккал/г (33 кДж/г) азота мочи, и, таким образом, его уравнение для метаболизируемой энергии стало
Этуотер собрал значения из литературы, а также измерил теплоту сгорания белков, жиров и углеводов. Они немного различаются в зависимости от источников, и Этуотер вывел взвешенные значения для общей теплоты сгорания белков, жиров и углеводов в типичной смешанной диете его времени. Утверждалось, что эти взвешенные значения недействительны для отдельных продуктов питания и для диет, состав которых с точки зрения продуктов питания отличается от тех, которые употреблялись в США в начале 20-го века.
Этуотер измерил большое количество коэффициентов усвояемости для простых смесей, и в экспериментах по замене вывел значения для отдельных продуктов. Он объединил их во взвешенном виде, чтобы вывести значения для смешанных диет. Когда они были проверены экспериментально со смешанными диетами, они не дали хорошего прогноза, и Этуотер скорректировал коэффициенты для смешанных диет.
Соотношение энергии и азота в моче значительно варьируется, а соотношение энергии и органических веществ менее изменчиво, однако значение энергии и азота предоставило Этуотеру работоспособный подход, хотя это и вызвало некоторую путаницу и применимо только к субъектам с балансом азота.
На основе работы Этуотера стало общепринятой практикой рассчитывать энергетическую ценность продуктов, используя 4 ккал/г для углеводов и белков и 9 ккал/г для липидов . [2] Позднее система была усовершенствована Аннабель Меррилл и Бернис Уотт из Министерства сельского хозяйства США , которые вывели систему, в которой были предложены конкретные коэффициенты пересчета калорий для различных продуктов. [3] Это учитывает тот факт, что, во-первых, валовая энергетическая ценность белков, жиров и углеводов из разных источников пищи различна, а во-вторых, что кажущаяся усвояемость компонентов разных продуктов питания различна.
Эта система основана на измерении теплоты сгорания широкого спектра изолированных белков, жиров и углеводов. Она также зависит от данных исследований усвояемости, в которых отдельные продукты питания заменялись на базовые диеты, чтобы измерить кажущиеся коэффициенты усвояемости этих продуктов. Этот подход основан на предположении, что между продуктами питания в смеси в кишечнике нет взаимодействия, и с практической точки зрения такие исследования с участием людей трудно контролировать с требуемой точностью.
Подход «углеводы по разнице» имеет несколько проблем. Во-первых, он не различает сахара, крахмал и недоступные углеводы (грубые корма или « пищевые волокна »).
Это влияет в первую очередь на общую энергию, приписываемую углеводам: теплота сгорания сахарозы составляет 3,95 ккал/г (16,53 кДж/г), а крахмала — 4,15 ккал/г (17,36 кДж/г).
Во-вторых, он не учитывает тот факт, что сахара и крахмал практически полностью перевариваются и усваиваются, а значит, обеспечивают метаболизируемую энергию, эквивалентную теплоте их сгорания.
Недоступные углеводы (пищевые волокна) расщепляются в различной степени в толстом кишечнике. Продуктами этого микробного пищеварения 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 распада зависит от источника пищевых волокон (его состава и состояния разделения), а также от человека, потребляющего пищевые волокна. Недостаточно данных, чтобы дать четкие рекомендации относительно энергии, доступной из этого источника.
Наконец, пищевая клетчатка влияет на фекальные потери азота и жира. Неясно, вызвана ли повышенная потеря жира влиянием на всасывание в тонком кишечнике. Повышенные фекальные потери азота при диетах с высоким содержанием клетчатки, вероятно, вызваны повышенным содержанием бактериального азота в фекалиях. Однако оба эти эффекта приводят к снижению кажущейся усвояемости, и поэтому система Этуотера требует небольших изменений в надлежащих коэффициентах преобразования энергии для этих диет.
Экспериментальные данные о величине этого изменения весьма ограничены, но поскольку теплоты сгорания отдельных аминокислот различны, разумно ожидать различий между различными белками. Сообщалось о наблюдаемом диапазоне от 5,48 для конглютина (из синего люпина) до 5,92 для гордеина (ячмень), что сопоставимо с диапазоном Этуотерса от 5,27 для желатина до 5,95 для пшеничной клейковины. Трудно рассчитать ожидаемые значения для белка из данных по аминокислотам, поскольку некоторые теплоты сгорания точно не известны. Предварительные расчеты по коровьему молоку предполагают значение около 5,5 ккал/г (23,0 кДж/г).
Аналогично экспериментальные данные ограничены, но поскольку жирные кислоты различаются по теплоте сгорания, следует ожидать, что жиры будут различаться по теплоте сгорания. Однако эти различия 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).
Моносахариды имеют теплоту сгорания около 3,75 ккал/г (15,7 кДж/г), дисахариды 3,95 ккал/г (16,5 кДж/г), а полисахариды 4,15–4,20 ккал/г (17,4–17,6 кДж/г). Теплота гидролиза очень мала, и эти значения по существу эквивалентны при расчете на основе моносахаридов. Таким образом, 100 г сахарозы дают при гидролизе 105,6 г моносахарида, а 100 г крахмала дают при гидролизе 110 г глюкозы.
Пищеварительный тракт человека является очень эффективным органом, и фекальное выделение азотистых веществ и жиров составляет небольшую долю (обычно менее 10%) потребления. Этуотер признал, что фекальное выделение представляет собой сложную смесь неабсорбированных кишечных выделений, бактериального материала и метаболитов, отшелушенных слизистых клеток, слизи и только в небольшой степени неабсорбированных пищевых компонентов. Это может быть одной из причин, по которой он решил использовать доступность, а не усвояемость . Он считал, что эти фекальные компоненты были действительно недоступными и что его явное пренебрежение природой фекального выделения было оправдано в практическом контексте.
Соотношение , где фекальные выделения малы, будет приближаться к единице, и, таким образом, эти коэффициенты имеют низкую дисперсию и выглядят как константы. Это ложно, поскольку фекальные выделения изменчивы даже при постоянном рационе, и нет никаких доказательств, позволяющих предположить, что фекальные выделения на самом деле связаны с потреблением таким образом, как это подразумевается этими коэффициентами.
Расчет значений энергии должен рассматриваться как альтернатива прямому измерению, и поэтому, вероятно, связан с некоторой неточностью по сравнению с прямой оценкой. Эти неточности возникают по ряду причин
Теоретические и физиологические возражения против предположений, присущих системе Атвотера, вероятно, приведут к ошибкам, гораздо меньшим, чем эти практические вопросы. Коэффициенты преобразования были получены из экспериментальных исследований с маленькими детьми, но они дали значения для потребления метаболизируемой энергии, которые незначительно отличались от полученных путем прямого применения модифицированных факторов Атвотера.
