Белок и клетчатка

Роль белка

В организме человека средних лет, не отягощенного излишним весом, содержание белка составляет около 13%. Значение белка переоценить трудно. Безусловно, основная его роль – структурная, поскольку белки являются основным и наиболее активным компонентов всех тканей и органов. В свою очередь, присутствие белка в мышцах определяет их моторную функцию, обеспечивающую передвижение организма. Менее известны регуляторная функция (она определяют направленность и интенсивность большинства метаболических процессов), сигнальная (белки - гормоны и цитокины), каталитическая (белки - ферменты), рецепторная (белки-рецепторы, т.е. сенсоры, воспринимающие сигналы в клетках), транспортная (например, белки гемоглобин и миоглобин, переносящие кислород в крови и мышцах) и, наконец, энергетическая – при «сгорании» 1 г белка образуется 4,1 килокалории (ккал). Иными словами, мы в полном смысле слова являемся «белковыми телами» и благодаря этому и живем.

Учитывая это, организм наш должен обязательнейшим образом получать необходимое количество качественного белков, способного не только перевариться в желудочно-кишечном тракте, но и усвоиться организмом, Белок этот поступает не в чистом виде, а в составе продуктов, которые включают и другие нутриенты, которые по-разному влияет на его переваривание в желудочно-кишечном тракте и усвоение и теоретически могут снизить эффективность этих процессов. Среди всех компонентов пищи главным подозреваемым в этом отношении на протяжении многих лет была клетчатка. Напомним, что клетчатку вплоть до середины 70-х годов прошлого века считали совершенно ненужным «балластным веществом», препятствующим нормальному усвоению многих важных нутриентов – витаминов, минералов, а также белка. Все эти неблаговидные свойства клетчатки объясняли ее сорбирующей способностью и присутствием так называемых антинутриентов – фитохимических соединений; их тоже заодно очень долго считали совершенно никчемными и даже вредными. Ситуация с годами менялась, диетологи выявляли у клетчатки дотоле неизвестные свойства и постепенно этот компонент нашего рациона кардинально изменил свой статус, перейдя из разряда балластных веществ в группу первостепенно значимых нутриентов. Но подозрения о том, что клетчатка препятствует усвоению белка, все же сохранились. В этих статьях мы рассмотрим современные представления о взаимоотношении клетчатки и белков в нашем рационе и для начала обсудим методы оценки эффективности усвоения белка.

Методы эти используются преимущественно в экспериментальной биологии, а результаты их далее экстраполируются на человека. Одни из них (биологические), позволяют оценивать прирост массы в зависимости от количества и качества белка (обычно эти эксперименты проводят на растущих крысах, поскольку их система пищеварения, как ни странно, очень схожа с человеческой); а также вычислять коэффициент эффективности белка ( показатель его биологической ценности), который учитывает аминокислотный состав (химическую ценность) и полноту переваривания белков. Поскольку белок единственный из макронутриентов содержит азот, то в основу оценки этих показателей положено определение баланса именно этого элемента, т.е. разницы между поступлением азота с пищей (а значит, с белком) и выделением в процессе жизнедеятельности с мочой и калом – эти методы так и называются балансовыми. Таким образом, коэффициент эффективности белка представляет долю азота, усвоенного организмом, от общего количества азота, поступившего с пищей и, чем он выше, тем, соответственно, выше качество белка.

Пища, которую мы потребляем, представляет собой очень сложную матрицу, включающую не только комплексную клетчатку, но и самые разнообразные растительные и животные белки. Соответственно, определить, как клетчатка влияет на усвоение белков в организме человека, чрезвычайно сложно. Поэтому в таких исследованиях в основном используют показатели биологической ценности и усвояемости белка, основанные на исследовании баланса азота. Так, при оценке его у людей, которые находились на абсолютно безбелковой диете и получали только углеводистую пищу, оказалось, что азот из организма этих субъектов активно выводится – происходят так называемые эндогенные потери за счет затрат собственных белков. Через некоторое время этот показатель стабилизировался на уровне 53 мг азота на кг веса в сутки, что соответствует примерно 23-25 г белка. Эта величина была названа "коэффициентом изнашивания". А нулевой азотистый баланс (азотистое равновесие) был выявлен при дозе белка 40-50 г белка в сутки – этот показатель получил название «физиологический минимум белка». Но, с учетом различных ситуаций, баланс азота должен быть положительным и адекватным для обеспечения всех потребностей организма. Особенно это касается субъектов с большими энергозатратами, а также, например, спортсменов-бодибилдеров, наращивающих свою мышечную массу. Поэтому норма потребления белка, по мнению зарубежных диетологов, должна составлять примерно 0,8-0,9 г/кг массы тела в день. В России этот показатель выше - 1-1,5 г на кг/сутки, т.е. для человека массой 80 кг норма белка будет равна 80-120 г в сутки. (Величко Н.А. Пищевая химия / Красноярск, 2010. – 204 с.).

Все хорошо знают, что основным источником белка является мясо и рыба, где его содержание составляет 16-21 г/100 г съедобной части. В молоке, кефире этот показатель равен 3, в твороге 18, а в сырах достигает 30. Столь же высок он и в таких растительных продуктах, как бобовые – 21. В зерновых он несколько ниже – 10-13 и совсем уж незначителен в овощах (1,5-2) и фруктах (0,6-0,9). Как мы видим, содержание белка в растительных продуктах по сравнению с животными значительно ниже, но зато в них присутствует такой важнейший компонент рациона, как клетчатка. Диетологи из США, Канады, Индии и Австралии сравнили в своей совместной работе содержание белков и клетчатки в зерновых – злаках и псевдозлаках (ячмене, кукурузе, рисе белом и коричневом и кинуа) и бобовых (фасоли, чечевице, нуте, горохе), а также оценили их энергоемкость. Лидером по содержанию белка и клетчатки из бобовых оказалась чечевица (9 и 7,9 г/100 г готового продукта, соответственно). Среди злаковых белка больше всего оказалось в кукурузе (3.41 г/100 г), а клетчатки – в ячмене (3.8 г/100 г). Во всех зерновых было понижено содержание аминокислоты лизина и повышен уровень серусодержащих аминокислот метионина и цистеина; для бобовых это соотношение было обратным. Поэтому, учитывая, что бобовые содержат в 2-4 раза больше белка, чем зерновые, комбинирование этих двух групп продуктов друг с другом улучшает качество потребляемого белка и исправляет белковую недостаточность. (Marinangeli C.P. F. Enhancing nutrition with pulses: defining a recommended serving size for adults / Nutr Rev. 2017, 75 (12): 990–1006).

Рассмотрим, как влияет пищевая клетчатка на показатели эффективности растительных белков, т.е. его перевариваемость и усвоение. Оба этих показателя у растительных белков ниже, чем у животных. Так, для белков яиц они составляют 97 и 88,; яичного порошка 100 и 95; сыворотки молока 95 и 92; кефира 94 и 80; творога, сыра 98 и 70; говядины 95 и 68; свинины нежирной 98 и 68; рыбы (горбуши) 95 и 80; курицы 99 и 70. Перевариваемость же белков злаков и бобовых хуже, а их усвояемость совсем невысокая. Для пшеницы эти показатели равны 80 и 33; овса 82 и 26; риса 86 и 40; гречки 85 и 38; фасоли 80 и 39; арахиса 87 и 34; гороха 80 и 39; сои 91 и 48;, кукурузы 85 и 28; ржи 82 и 25.

С чем это связано? В недавнем обзоре сотрудников Университета Гуэльф, Канада написан обзор о механизмах этого явления. Авторы выделяют две группы факторов, влияющих на усвоение белков из растительных продуктов, условно названные «внешними» и «внутренними». К первым они, действительно, относят неблагоприятное влияние клетчатки за счет ее способности блокировать белки своими клеточными структурами, что делает их недоступными для пищеварительных ферментов, а также присутствие антинутриентов (в основном солей фитиновой кислоты – фитатов и таннинов). А вот внутренние факторы с клетчаткой уже не связаны. Важнейший из них – отличие последовательности аминокислот в растительных белках от белков животных. Дело в том, что белки пищи при попадании в желудочно-кишечный тракт не распадаются на отдельные аминокислоты, из которых организм далее и строит собственные ткани, как это считалось ранее. В целях экономии энергии из белков пищи образуются более крупные «блоки», чем отдельные аминокислоты - коротенькие белки-пептиды, состоящие из 3-5 аминокислот. И вот эти пептиды, образующиеся при распаде растительных белков, гораздо хуже воспринимаются и усваиваются организмом, чем пептиды животного происхождения. Еще одним важным фактором является иная структура формообразования (конформации) растительных белков. При переработке (процессинге) растительных продуктов усвояемость растительных белков в целом повышается в результате влияния как на внешние, так и на внутренние факторы. В этом отношении сыроедение, как стиль питания, оказывается, не очень полезен (Joye I. Protein Digestibility of Cereal Products / Foods. 2019, 8 (6). pii: E199).

Рассматривают этот вопрос и сотрудники Сельскохозяйственного Университета Джилин, Китай. В качестве факторов, определяющих свойство клетчатки препятствовать усвоению нутриентов, в том числе белков, они останавливаются на ее физико-химических свойствах – способности к ферментации, образованию комплексов с нутриентами, вязкость и гелеобразование, способности связывать воду и растворимость. С учетом всех этих показателей ферментируемая и вязкая клетчатка (например, пектины), входящая в состав пищевой клетчатки, снижает усвоение белка больше, чем клетчатка невязкая и неферментируемая (целлюлоза). Ферментация снижает усвоение белка в результате стимуляции роста микробов, а вязкость - вследствие снижения уровня метаболизма белка в тонком кишечнике. Более чистая (функциональная) клетчатка снижает усвоение белка в большей степени. Такие нежелательные эффекты показаны, в частности, по отношению к инулину и резистентному крахмалу при применении их у человека (Adams S. Does Dietary Fiber Affect the Levels of Nutritional Components after Feed Formulation? / Fibers 2018, 6 (2), 29)

Вопрос о взаимоотношении в пище белков и клетчатки интересовал диетологов давно и первые исследования в этом направлении были проведены еще в 40-е годы прошлого века. Сотрудники Отдела Экспериментальной медицины, Кембридж, Англия, в ходе клинического исследования с привлечением 6 мужчин показали, что усвоение белка овсяной каши варьирует у них от 64.9% до 81%. Авторы подсчитали, что для того, чтобы получаемый с пищей белок обеспечивал бы организм максимально возможным количеством энергии (т.е. 4 ккал на 1 г), его нужно было съедать в 3,65 раз больше! А в качестве одной из причин «пропадания» энергии авторы работы видели свойство клетчатки поглощать часть белка (R. A. McCance and E. M. Glaser, The energy value of oatmeal and the digestibility and absorption of its protein, fat and calcium / Br. J. Nutr. 1948, 2: 221)

Получила подтверждение эта теория и в холе более поздних работ, проведенных уже в 70-80-н годы уже с привлечением методов оценки баланса азота. В ходе одного из исследований, проведенного в Великобритании, здоровые мужчины в возрасте 37-58 лет в течение 26 дней получали один из двух рационов. Первый был обогащен пищевой клетчаткой за счет повышенного потребления овощей и фруктов. Участники второй группы получали фруктовые и овощные соки, т.е. минимум клетчатки. Ни одна из диет не содержала зерновых продуктов. Только у мужчин в первой группе отмечено повышение выделения азота с калом (Kelsay, J.L. Effect of fiber from fruits and vegetables on metabolic responses of human subjects I. Bowel transit time, number of defecations, fecal weight, urinary excretions of energy and nitrogen and apparent digestibilities of energy, nitrogen, and fat / Am. J. Clin. Nutr., 1978, 31, 1149)

В Институте Питания, Норвич, Великобритания в исследовании с привлечением 49 человек различного возраста и пола показано, что повышение потребления клетчатки за счет овощей, фруктов и хлеба приводит к статистически значимому снижению усвоения энергии и белка, а также повышенному содержанию азота в кале. Предполагаемая усвояемость белка в рационе снизилась на 7%. Причем, возраст и пол на эти показатели особенно не влиял (Southgate, D.A.T. Calorie Conversion Factors. An Experimental Reassessment of the Factors Used in the Calculation of the Energy Value of Human Diets / British Journal of Nutrition, 1970, 24, 517-535).

В исследовании, проведенном в Университете Калифорния, США, здоровые кормили мужчины 15 дней находились на обычном рационе питания, но одной группе еще добавляли по 45 г отрубей овса в день. Содержание азота в каловых массах у участников второй группы оказалось выше 3-4%, что авторы связывают с повышением выделения азота микробного происхождения, ускоренным продвижением пищи по кишечнику, а также снижением усвоения белка в кишечнике. Причем, чем выше было содержание клетчатки в рационе, тем выше потери азота. Исходя из потерь азота с калом, авторы работы подсчитали, что предполагаемая усвояемость белка у участников второй составила 69% по сравнению с мужчинами в первой группе д (Calloway DH. Protein and energy utilization in men given a rural Guatemalan diet and egg formulas with and without added oat bran / Am J Clin Nutr. 1978, 31 (7):1118-1126).

В Научном Центре Министерства Сельского Хозяйства США, Бетсвиль, мужчин кормили двумя диетами, одинаковыми по всем параметрам, кроме содержания клетчатки. Низкоклетчаточная диета содержала овощные и фруктовые соки, а высококлетчаточнвя – цельные фрукты и овощи. Ни один из рационов не содержал зерновых продуктов. У участников второй группы показатель усвояемости белка оказался ниже на 9%, чем у мужчин в группе 1. (Kelsay JL. Effect of fiber from fruits and vegetables on metabolic responses of human subjects I. Bowel transit time, number of defecations, fecal weight, urinary excretions of energy and nitrogen and apparent digestibilities of energy, nitrogen, and fat / Am J Clin Nutr. 1978, 31 (7):1149-1153).

Еще одно исследование с привлечением здоровых мужчин провели диетологи из Университета Новой Англии, США. В течение 23 дней участники находились на диете с пониженным содержанием клетчатки, а затем 24 дня получали рацион, включающий дополнительно клетчатку в форме пшеничных отрубей в объеме 12 г/день. Объем каловых масс у них возрос со 116 до 200 г. У них отмечено снижение показателей предполагаемого получаемого объема энергии и усвояемости белка на 2% (Farrel D.J. Effects of dietary fiber on the apparent digestibility of major food components / Aust. J. Exp. Biol. Med. Sci., 1978, 56, 469).

Все эти не очень благоприятные результаты не могли не подвинуть ученых на разработку методов повышения эффективности перевариваемости и усвоения белков. И одним из самых эффективных и несложных оказалось комбинирование растительных белков с небольшим количеством белков животного происхождения. Эффект этот был связан с тем, что все эти белки имеют различную последовательность аминокислот, структуру и свойства и в результате хорошо дополняют друг друга. Кроме того, они по-разному взаимодействуют с клетчаткой.

Но, оказывается, такого же результата можно добиться при сочетании исключительно растительных белков зерновых продуктов с бобовыми, либо даже при комбинации только зерновых. В Лаборатории Пищевой Безопасности, Мисор, Индия изучали влияние мультизернового премикса - добавки к муке на основе сочетания злаков, бобовых и маслянистых семян, на качество и усвоение белков из бисквита, приготовленного по традиционной технологии из муки высшего сорта. Включение премикса в такую муку в объеме 40% значительно повысило в продукте содержание белка с 7.37 до 16.61%, нерастворимой клетчатки с 1.71 до 6.67%, растворимой клетчатки с 0.46 до 2.42%. Возросло содержание практически всех незаменимых аминокислот (шести из восьми): изолейцина с 0 до 34.79%, метионина с 0.04 до 7.65%, триптофана с 0.22 до 5.95%, валина с 0.38 до 16.58%, лизина с 0.36 до 7.32%, треонина с 0.51 до 7.2%. Причем, если в контрольном бисквите белки усваивались всего на уровне 38.13%, то в новом продукте – на 71.73%. По показателю качества белок в новом продукте оказался в три раза лучше молочного белка казеина! При этом в новом бисквите также повысилось содержание полиненасыщенных жиров и снизилось насыщенных. Возросло и количество витаминов и минералов: витамина В1 с 0.07 до 0.21 мг/100 г, В2 с 0.09 до 0.28, кальция с 12.89 до 45.28 мг/100 г, железа с 1.13 до 3.47. Иными словами, бисквит, обогащенный суммой высококлетчаточных зерновых компонентов, стал значительно более интересен как источник усвоямого белка (Ashwath Kumar K. Influence of multigrain premix on nutritional, in-vitro and in-vivo protein digestibility of multigrain biscuit / J Food Sci Technol. 2019, 56 (2): 746-753).

Взаимоотношения пищевой клетчатки с животным белком могут складываться иначе. Вопрос этот изучали в Университете Сонора, Мексика в эксперименте на крысах, оценивая влияние нерастворимой клетчатки на пищеварение и усвоение животного белка. В ходе опыта использовали белок молока казеин и три вида клетчатки - овса, кукурузы и сои, в объеме 5% от рациона, а в качестве контроля применяли целлюлозу и цельнозерновой овес. Ни в одной из диет, кроме как с кукурузной клетчаткой, не показано никакого влияния на усвояемость азота белков рациона. А вот в в контрольной диете, содержащей цельный овес и, соответственно, комплексную пищевую клетчатку, такое подавление усвоения азота было выявлено (Manuel B. Influence of Commercial Insoluble-dietary Fibers on Digestibility and Protein Utilization by Rat Bioassays / European International Journal of Science and Technology 2013, 2 (9), 15-23).

Таким образом, вопрос о взаимоотношении пищевой клетчатки с растительными и животными белками весьма сложен. Связано это в значительной степени с тем, что такая клетчатка представляет собой комплексную матрицу, включающую различные клетчатки, отличающиеся по физико-химическим показателям.

Для более глубокого выявления механизмов взаимоотношения клетчатки с белками были предприняты ряд исследований с использованием уже не пищевой клетчатки, а ее отдельных составляющих.