肠道细菌可能影响你吸收的热量多少

亚利桑那州立大学研究人员开发了一个数学模型，用来研究消化中常被忽略的环节。这个模型叫DAMM，代表消化、吸收和微生物代谢。它追踪食物在消化道中的移动，估算人体直接吸收多少能量，也估算肠道微生物如何处理没有被消化的残余物；同时预测哪些消化产物会被吸收，哪些会随粪便排出。

研究人员希望通过综合考虑饮食、人体消化和肠道细菌之间的关系，更深入地理解肥胖、糖尿病和其他代谢疾病。随着模型进一步完善，这一方法未来有望帮助医疗专业人员为患者制定更个性化的饮食方案。

罗莎·克拉姆尼科-布朗教授说，消化不仅仅是人体自身的过程，而是身体与肠道中数以万亿计的微生物合作的结果。她说，DAMM模型提供了一种强大的新工具，可以量化这些微生物伙伴对人类健康和能量平衡的贡献，也能提醒人们要“喂好”肠道微生物。

克拉姆尼科-布朗是亚利桑那州立大学生物设计“通过微生物组促进健康”中心主任，也是可持续工程与建成环境学院教授。研究团队还包括环境工程校长教授、生物设计斯威特环境生物技术中心主任布鲁斯·里特曼，以及第一作者、研究生研究助理泰勒·戴维斯。佛罗里达州奥兰多AdventHealth转化研究所的科学家也参与了合作。研究成果发表在PLOS One上。

传统热量计算为什么会漏掉部分信息？

一百多年来，科学家通常使用基于Atwater参数的方法来估算食物能为人体提供多少能量。这种方法给每克脂肪、碳水化合物和蛋白质分配平均热量值，然后根据这些数值计算总可用能量。

这种办法实用且被广泛使用，但不能完全解释消化过程中发生的事情。尤其重要的是，它没有考虑不同食物如何喂养肠道细菌，也没有考虑这些细菌如何把未被消化的物质转化为人体可以利用的能量来源。

一个关键例子是短链脂肪酸。当结肠中的微生物分解纤维和其他从上部消化道通过、没有被吸收的食物成分时，会产生这类化合物。其中一些短链脂肪酸可以进入血液，并提供额外能量。

为了更好地理解这些相互作用，研究人员在此前一项受控饮食研究的基础上建立了DAMM模型。该研究探讨了肠道微生物组如何影响人体能量平衡。肠道微生物组由生活在消化系统中的庞大细菌和其他微生物群落组成。

高纤维饮食使每天少吸收约116千卡热量

在临床研究中，健康成年人分别采用两种精心设计的饮食方案。第一种是“微生物组增强型饮食”，含有较多纤维和抗性淀粉，更多选择加工程度较低、颗粒较大的食物。抗性淀粉是一类碳水化合物，在上部小肠中往往不会被完全消化，因此可以到达结肠，供微生物分解。

第二种饮食方案接近典型西方饮食，纤维和抗性淀粉较少，食物加工程度更高、颗粒更小。

尽管两种饮食都经过精心设计，受试者实际吸收的能量差别明显。采用西方饮食的人每天比采用高纤维饮食的人多吸收约116千卡热量。更有意思的是，采用高纤维饮食的人并没有报告更容易感到饥饿。

这些结果表明，人能从食物中获得多少能量，部分取决于食物组成，以及它在消化道中的运行方式。食物加工程度、纤维含量和微生物活动差异，都会影响最终结果。

里特曼说，DAMM模型真正独特之处，是把人体代谢和结肠中微生物代谢以定量的方式联系起来；这种联系与临床研究结果一致，也能帮助人们理解微生物群落如何与人体宿主协同工作。

肠道细菌每天可提供约140千卡热量

DAMM模型提供了更精细的方法，追踪食物能量从进入消化系统后的去向。

首先，模型检查一个人饮食中的蛋白质、碳水化合物和脂肪含量，估算有多少可用能量在上部胃肠道被吸收。

然后，模型追踪剩余物质进入结肠。在那里，肠道微生物分解此前没有被消化的营养物质，产生短链脂肪酸等化合物。人体可以通过结肠吸收部分这类化合物，并把它们作为另一类能量来源。

模型还考虑了某些产甲烷菌产生的甲烷。这些微生物在新陈代谢过程中会产生甲烷。

研究人员计算发现，从结肠吸收的短链脂肪酸平均每天提供约140千卡热量，约占人体总可用能量的7.4%。

更宏观地看，模型估计约85%的可用能量来自上部胃肠道，约15%来自下部胃肠道；在下部胃肠道中，微生物特别重要。

这些发现说明，为什么传统热量计算不能完全描述人的消化过程。人体可获得能量中有相当一部分受到微生物过程影响，而普通食品标签上的热量计算并没有直接测量这些过程。

当研究团队把DAMM模型的预测与受控饮食研究中的实际测量结果进行比较时，DAMM给出的热量吸收估算比传统Atwater方法更接近真实情况。传统方法通常会低估受试者吸收的热量。DAMM通过纳入微生物代谢，对饮食能量估算更准确。

纤维如何改变热量等式

DAMM模型的一个突出特点，是能够解释不同饮食之间的差异。

微生物组增强型饮食向结肠输送了更多纤维和其他可发酵物质。这为肠道微生物提供了更多分解原料，从而增加了短链脂肪酸的产生。

DAMM模型预测到了这种增加，这与临床研究的观察一致。采用微生物组增强型饮食的人，其血清和粪便中的短链脂肪酸水平都更高。

这些化合物之所以重要，是因为它们显示微生物活动和人体代谢之间关系密切。肠道细菌可以把一些本来会随消化道排出的食物成分，转化成人体能够吸收并利用的能量分子。

不过，产生更多短链脂肪酸，并不一定意味着总体吸收更多热量。

事实上，采用微生物组增强型饮食的人，虽然肠道微生物活动更强、短链脂肪酸产生更多，但净吸收的热量反而比采用西方饮食的人少。

如果分开看消化的不同阶段，这个看似矛盾的现象就更容易理解。虽然肠道微生物可以产生额外可用能量，但食物在上部消化道中被人体直接吸收的热量也同样重要。

DAMM模型帮助研究者区分这些贡献：它估算食物到达结肠前人体已经提取了多少能量，估算微生物从剩余物质中产生多少能量，也估算最终有多少能量被吸收或排出。

走向更个性化饮食和更好营养

通过把人体消化和微生物代谢放入同一个数学框架，研究人员建立了一种工具，可帮助解释为什么不同饮食会对人体能量平衡产生不同影响。

这一方法未来可能增进科学家对饮食如何影响肥胖、糖尿病和其他代谢疾病的理解。它也提示，制定营养方案时不仅要考虑食物中的营养成分，还要考虑这些营养成分如何与每个人肠道中的微生物相互作用。

目前，这一模型仍主要是一种研究框架，还不能直接作为个性化饮食处方工具。未来还需要更多研究，检验它在不同人群、不同饮食模式和不同微生物组构成中的表现。

研究人员也期待，随着科学家进一步发现微生物与人体之间如何交换营养和能量，模型会变得更完善。

戴维斯说，DAMM模型不仅仅是描述饮食的工具，而是一个被设计成可以不断进化的框架。随着我们更深入理解饮食、代谢和微生物之间的互动，新发现可以被纳入模型，使模型随着学习和进步而成长。