吃下多少卡路里,食品标签永远不会给你正确答案

来源:环球科学发布时间:2018-06-13

用火加热食物并用石头敲碎食物,是人类进化的一个里程碑。

消化是一个非常复杂的过程,几乎很难用简单的数字来准确描述。多种因素导致人体真正摄入的能量与食品标签上的数值相去甚远。

吃下多少卡路里,食品标签永远不会给你正确答案

在鸸鹋摄入的果实中,很多植物种子被原封不动地排泄出来。

在我学术生涯的某个特殊时期,我致力于从成堆的鸸鹋粪便中挑选出完整的种子。这样做的目的是想得知,这些被鸸鹋摄入的种子,通过鸸鹋的消化系统后,出现一粒完好无损、可以生根发芽的种子的几率有多高。通过这种方式,我和同事收集到了数千颗种子,然后种植、等待。最终,这些种子长成了一片小树林。

显然,鸸鹋摄食的植物种子在逐渐进化,以保证种子可以不受消化作用的破坏、得以完整存活下来。鸟类总是希望尽可能多地从果实(包括种子)中得到能量,而植物也为繁衍后代、延续物种下足了工夫。我后来逐渐地意识到,人类也不可避免地在和我们的食物进行博弈,在这场“战争”中,我们完全错误地计算了我们的“战利品”——卡路里。

食物是身体能量的来源。口腔、胃和肠道中的消化酶将复杂的食物分子降解为简单的结构,比如寡糖和氨基酸,然后通过血管进入身体各个组织。机体细胞利用蕴含在这些小分子化学键中的能量,来维持人体的新陈代谢。计算各种食物中的能量常用的单位是卡路里(cal,简称卡)或者千卡(kcal),1卡是指将1克水升高1℃所需要的能量。每克脂肪大约能提供9卡能量,而每克碳水化合物或蛋白质仅能提供4卡。每克膳食纤维仅能提供2卡能量,因为人体消化道中的酶很难将其分解成小分子。

你所见过的所有食品标签上的能量数值,都是基于以上估算或相关推论而计算出来的。但是,用这些近似值计算能量是基于这样一个假设——得到以上数据的、那些在19世纪实验室中完成的实验,能够准确地反映不同人从不同食物中获得的能量。而新的研究却表明,该假设过于简化了真实情况。想要准确计算出一个人从某种食物中获得的总能量,必须将一系列复杂因素考虑其中,比如食物是否可以抵抗胃肠道的消化作用;煮制、烘焙、微波以及酒烧等烹饪方法会怎样改变食物的结构和化学性质;身体降解不同食物所需要的能量有多少;消化道中数以亿计的细菌能在多大程度上促进消化,它们又会从人体中获取多少能量等。

营养学家正在尝试了解更多关于食品能量的内容,并设想逐步提高能量标签的准确性,但事实可能会证明,消化是一个极其复杂的过程,以至于人类可能永远都无法找到绝对可靠的公式,来计算我们能从食物中获取多少能量。

难以敲开的坚果

现用的能量计算标准存在许多缺陷,这些缺陷源自标准制订之初——19世纪,当时的美国化学家威尔伯 ·奥林·阿特沃特(Wilbur Olin Atwater)创建了一套计算食物能量的标准,用以计算每克脂肪、蛋白质或碳水化合物中所含能量的平均值,该标准沿用至今。在当时的条件下,阿特沃特尽了他最大的努力,然而实际情况却是,没有哪一种食物可以使用平均值来计算能量,因为每种食物都有独特的消化方式。

例如,蔬菜的消化方式就千差万别。我们一般食用各种植物的根、茎、叶,一些植物茎叶细胞的细胞壁会比其他植物的坚固很多。即使在同一种植物中,细胞壁的坚固程度也会有所不同,比如老叶的细胞壁通常比嫩叶的坚固。一般而言,在植物性食材中,细胞壁越脆弱、越容易被降解,能够从中获取的能量就越多。烹饪很容易将菠菜和西葫芦的细胞壁破坏,但对木薯或荸荠就没那么容易了。如果细胞壁不受破坏,植物就能够贮藏细胞中宝贵的能量,并完整地通过人体而不被消化掉(比如玉米粒)。

植物的某些组织通过不断进化来适应环境,它们不仅需要通过进化,让果实更加美味,从而吸引更多动物来食用,也要让种子更加难以消化。植物第一次进化出果实和坚果的时间是在白垩纪(1.45亿年前-6500万年前),这之前刚刚开始出现除恐龙外的哺乳动物。果实的进化是植物最青睐的一种自然进化,美味而容易消化的果实能够吸引动物,帮助它们散播种子,从而获得更大的进化优势。植物也倾向于让种子朝着坚果和难以消化的方向进化,毕竟,种子和坚果需要从鸟类、蝙蝠、啮齿类动物和猴子的肠道中留存下来,才能传播植物的基因。

研究表明,与蛋白质、碳水化合物和脂肪含量相当的其他食物相比,花生、开心果、杏仁很难被完全消化,这意味着它们提供的能量要比其他类似食物少。美国农业部的珍妮特·诺沃特尼(Janet Novotny)和同事新发表的一份研究结果表明,进食一份杏仁仅能获得129卡的热量,而不是标签上标出的170卡。研究人员的测试方法是,让受试者摄入完全一样的食物,仅杏仁的量有所不同,然后检测粪便和尿液中未被人体利用的能量,从而计算得出被人体吸收的能量。

一些食物虽然没有进化到可以抵抗消化的程度,但不同食物的消化方式也存在巨大差异。消化蛋白质所需要的能量比消化脂肪的能量多5倍,因为蛋白酶必须将蛋白质内氨基酸间牢固的化学键打开。但食品标签并没有考虑这一能量消耗。与之相对,有些食物,例如蜂蜜,几乎不需要消化系统的作用就可被人体吸收,它们在胃中就被分解,然后快速通过小肠壁,进入血液——消化过程到此为止。

最后还需考虑,一些食物会激发人体的免疫系统,来识别并处理食物中携带的病原体。没有人认真地计算过这一过程中消耗的能量,但可能并不少。很多具有潜在风险的食源性病原体会在没熟透的肉上繁殖。即使我们的免疫系统不会对这些病原体发起任何攻击,但仍需要在第一时间分辨“敌友”,这一过程会消耗大量能量。更不必说如果生肉中的病原体导致腹泻会有大量的能量损失了。

烹饪意味着什么?

日常活动能在很大程度上改变我们从食物中获得的能量:例如炖、炸、煎或其他烹饪方式对食物能量都有影响。也许,现今的食品标签中存在的最大问题是,它们没考虑到这一点。现任职于哈佛大学的生物学家理查德·兰厄姆(Richard Wrangham)在研究野生大猩猩的摄食行为时,亲自上阵,尝试与大猩猩吃同样的食物。但这些食物总是使他处于饥饿之中,他最终不得不回归到人类的饮食。由此,他开始相信,学会烹饪食物——用火加热食物并用石头敲碎食物,是人类进化的一个里程碑。

吃下多少卡路里,食品标签永远不会给你正确答案

采用大猩猩的饮食方式,会让我们陷入饥饿之中。

鸸鹋并不会烹饪食物,其他猿类也不掌握任何烹饪食物的方法。然而,世界上所有的人类文明都拥有烹饪食物的技术,从而改造食物。我们可以磨碎,可以加热,可以发酵。当人类学会烹饪食物,尤其是烹饪肉类后,从熟食中获得的能量显著地提高了。兰厄姆认为,人类能够从熟食中获取更多的能量,正是由于这一原因,才能进化并滋养出与身体尺寸相比体积过分庞大的大脑。但是直到现在,仍没有人能够通过对照实验,对加工过程如何改变食品能量进行精确的研究。

雷切尔·卡莫迪(Rachel Carmody)是当时兰厄姆实验室的研究生,她和合作者给成年雄性小鼠喂食甘薯或瘦牛肉。她所采用的食物包括生且完整的、生且捣碎的、煮熟且完整的以及煮熟且捣碎的四个组别,并且让小鼠无节制地进食四天。无论食用捣碎还是完整生甘薯的小鼠,体重大约减少了4克,而食用熟甘薯的小鼠,体重却增加了。相似地,吃熟肉的小鼠比吃生肉的重了1克。这样的结果是具有生物学意义的。加热可以加速蛋白质降解,从而促进蛋白质的消化吸收,同时也可以杀死细菌,并有可能降低免疫系统进攻病原体所消耗的能量。

卡莫迪的实验结论同样适用于工业生产。在2010年的一份研究中,受试者进食一份600卡或者800卡的含有葵花籽、谷物和车打芝士的全麦面包,相对于那些吃同等量的白面包和加工奶酪制品的受试者而言,会多消耗一倍的能量用于消化。因此,人们选用全麦面包会少获得10%的能量。

即使两个人所吃食物完全相同,例如重量、烹饪方式完全相同的甘薯或熟牛肉,他们仍然会获得不同的能量。卡莫迪和同事利用基因高度相似的近亲交配小鼠做实验,结果发现,即使给予同样的食物,小鼠的生长情况仍然有差异。人在各种特性上都存在个体差异,包括一些不显著的特征,例如肠道的长短等。测量人的结肠在很长的时间内并不流行,却于20世纪初在欧洲科学家中受到了追捧。研究发现,一些俄罗斯人的大肠会比波兰人的长大约57厘米。由于吸收营养的最后阶段是在大肠,吃相同量的食物,俄罗斯人会比波兰人多得到一些能量。人体内产生的特定种类的酶也有所不同。从某些指标来看,大多数成年人体内不能制造乳糖酶,这种酶对牛奶中乳糖的降解是必需的。因此,拿铁咖啡对于有些人来说是高热量饮料,而对于另一些人却只是低热量的流体。

科学家逐步将肠道菌群视为人体的一种特殊器官,人体的肠道菌群之间也存在很大差异。在人体中,两种类型的细菌在肠道中占有优势地位——拟杆菌(Bacteroidetes)和厚壁菌(Firmicutes)。研究人员发现,肥胖人群的肠道中拥有更多的厚壁菌,并由此推出,过多的厚壁菌会造成肥胖。这是因为在一定程度上,过多的厚壁菌可以更有效地代谢食物,未被小肠消化的食物到了大肠并没有直接排出体外,而是分解成更多的营养物质进入人体循环,如果这些营养物质没有被直接利用,就会以脂肪的形式储存起来。另外,有一些细菌仅在特定人群肠道内存在。例如,某些日本人的大肠中存在一种能够有效分解海藻的独特细菌。事实证明,未经加工的海藻色拉中存在一种能消化海藻的海洋细菌,肠道内的细菌,就是从这里“偷”到了消化海藻的特殊基因。

现代饮食中含有众多容易消化的加工食品,这导致肠道中能够消化纤维类物质的细菌数量有所减少,而人体自身的酶却难以消化这类物质。如果我们的肠道继续保持这样不利于细菌生长的环境,我们从类似芹菜这样富含纤维素的食物中所获得的能量可能会越来越少。

尽管现在我们对人体消化有了新的认识,但几乎没有人尝试去改进食品标签中能量的计算方法。我们可以对阿特沃特建立的体系作出调整,来解决坚果消化过程中的能量计算问题。我们甚至可以对坚果逐个计算能量,并推广到对不同食物的能量计算。这些转变需要科学家借鉴诺沃特尼及其同事研究杏仁的方法——每研究一种食物都需要采集粪便和尿液。根据美国食品及药品管理局的法规,该机构不会阻止食品经销商根据这一新的研究结果来改变能量数值。更大的挑战在于,需要根据不同的烹饪方式来修订食品标签,到目前为止,还没有任何人想努力将这样的修正付诸实践。

即使我们彻底地改进了能量的计算方法,也不可能精确地计算出我们从食物中获得的能量到底有多少,因为这一数值会因为食物与人体,以及体内微生物间复杂的相互作用而有所不同。食品标签的最终目的是,帮助我们在超市各种食品中做出最明智的选择。但是仅仅根据标签上的能量数值来衡量食品的好坏,是一个过于简单的方法,即使我们可以减轻体重,但并不见得会变得健康。

我们需要从生物学的角度,对我们从食物中所获得的能量进行更细致的思考。加工食品太容易被胃和肠道消化,以至于人们几乎不费什么工夫就能获得大量能量。反之,蔬菜、坚果或全谷物需要很多的分解消化过程,才能使人体获得能量,同时比加工食品提供更多的维生素,有利于维持正常的肠道菌群。因此,对于那些想要吃得更健康并降低能量摄入的人来说,减少加工食品而增加未加工的食品是更合理的选择。这种饮食方式或许可以被称为“鸸鹋式膳食”。

本文作者:罗伯·邓恩是北卡罗来纳州立大学的生物学家,也是一位科普作家。

本文译者:程永强是中国农业大学食品科学与营养工程学院教授,博士生导师。

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