Нутрициология – наука о пище и ее взаимосвязи со здоровьем человека. Пищевые вещества (нутриенты) – химические вещества, которые содержатся в пищевых продуктах и используются организмом для роста, обеспечения жизнедеятельности и энергии.
Нутриенты, которые не могут быть синтезированы организмом и, которые должны быть получены с пищей, считаются незаменимыми (эссенциальными). Они включают:
Нутриенты, которые синтезируются организмом из других соединений, даже несмотря на то, что они могут быть получены с пищей, не являются незаменимыми. Однако при определенных условиях, таких как болезнь или стресс, синтез обычно заменимых пищевых веществ может быть нарушен, что делает их незаменимыми. Поступление этих условно необходимых питательных веществ должно быть обеспечено диетой.
Макронутриенты (углеводы, белки и жиры) необходимы организму в относительно больших количествах; микронутриенты (витамины и некоторые микроэлементы) необходимы в небольших количествах.
Недостаток нутриентов ведет к гипотрофии, которая может стать причиной дефицитарных состояний (например, квашиоркор, пеллагра). Избыточное потребление макронутриентов ведет к ожирению и другим сопутствующим расстройствам; микронутриенты в избыточном количестве могут стать токсичными. Кроме того, на возникновение расстройств может влиять баланс различных типов нутриентов в организме, например количество потребления ненасыщенных жиров по сравнению с насыщенными.
Макронутриенты
Пища в основном состоит из макронутриентов, которые служат источником энергии и многих незаменимых нутриентов. Углеводы, белки (включая незаменимые аминокислоты), жиры (включая незаменимые жирные кислоты), минералы и вода являются макронутриентами. Углеводы, жиры и белки взаимозаменяемы как источники энергии; энергетическая ценность жиров составляет 9 ккал/г (37,8 кДж/г); белков и углеводов – 4 ккал/г (16,8 кДж/г).
Углеводы
Углеводы пищи расщепляются, образуя глюкозу и другие моносахариды. Углеводы повышают уровень глюкозы в крови, обеспечивая организм энергией.
Простые углеводы состоят из маленьких молекул, в основном моносахаридов или дисахаридов, быстро повышающих уровень глюкозы в крови.
Сложные углеводы состоят из трех или более моносахаридов, связанных вместе, которые затем расщепляются на моносахариды во время пищеварения. Сложные углеводы повышают уровень глюкозы в крови медленнее, но в течение более длительного времени.
Глюкоза и сахароза относятся к простым углеводам; крахмал и пищевые волокна – это сложные углеводы.
Гликемический индекс является способом классификации пищевых продуктов, основанным на том, как быстро потребление доступных углеводов повышает уровень глюкозы в плазме по сравнению со стандартом. Значения варьируются от 1 (самое медленное повышение) до 100 (самое быстрое повышение, эквивалентное чистой глюкозе —см. таблицу Гликемический индекс некоторых пищевых веществ). Однако, фактическая скорость повышения также зависит от того, с какими пищевыми продуктами поступали углеводы.
Гликемический индекс некоторых пищевых продуктов
Категория | Пищевой продукт | Показатель* |
|---|---|---|
Бобовые | Фасоль | 33 |
Красная чечевица | 27 | |
Соевые бобы | 14 | |
Хлеб | "Памперникель" (хлеб из грубой ржаной муки) | 49 |
Белый | 69 | |
Цельнозерновой | 72 | |
Злаки | Отруби | 54 |
Кукурузные хлопья | 83 | |
Овсяная каша | 53 | |
Воздушный рис | 90 | |
Измельченная пшеница | 70 | |
Молочные продукты | Молоко, мороженое, йогурт | 34–38 |
Фрукты | Яблоки | 38 |
Бананы | 61 | |
Апельсины | 43 | |
Апельсиновый сок | 49 | |
Клубника | 32 | |
Зерно | Ячмень | 22 |
Коричневый рис | 66 | |
Белый рис | 72 | |
Макаронные изделия | — | 38 |
Картофель | Картофельное пюре быстрого приготовления (белый картофель) | 86 |
Картофельное пюре (белый картофель) | 72 | |
Конфеты | 50 | |
Легкие закуски | Кукурузные чипсы | 72 |
Овсяное печенье | 57 | |
Картофельные чипсы | 56 | |
Сахар | Мед | 91 |
Сахар-рафинад | 64 | |
*Показатели могут отличаться от указанных. У фруктозы гликемический индекс 22. У глюкозы гликемический индекс 100. | ||
Углеводы с высоким гликемическим индексом быстро повышают уровень глюкозы в плазме крови. Предполагается, что в результате уровень инсулина повышается, вызывая гипогликемию и голод, что обычно ведет к потреблению лишних калорий и увеличению веса. Углеводы с низким гликемическим индексом повышают уровень глюкозы медленно, что приводит к более низкому постпрандиальному уровню инсулина и меньшему чувству голода, что, возможно, способствует меньшей вероятности потребления лишних калорий. В результате этого предсказуемо имеется более благоприятная липидограмма и уменьшается риск развития ожирения, сахарного диабета и осложнений диабета, если таковой уже имеется.
Пищевые волокна
Клетчатка является сложным углеводом и встречается в различных формах (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, пектин, камедь). Пищевые волокна могут быть растворимыми или нерастворимыми. Нерастворимые волокна повышают моторику желудочно-кишечного тракта, предотвращают запор, увеличивают объем каловых масс и помогают контролировать дивертикулярную болезнь. Считается, что пищевые волокна ускоряют элиминацию канцерогенных веществ, продуцируемых бактериями в толстой кишке. Эпидемиологические данные свидетельствуют о связи между раком толстой кишки и низким потреблением пищевых волокон, а также о благоприятном эффекте волокон у пациентов с функциональными расстройствами кишечника, болезнью Крона, ожирением или геморроем. Растворимые волокна (находятся во фруктах, овощах, овсе, ячмене и бобах) тормозят постпрандиальное повышение уровня глюкозы и инсулина в крови и могут снижать уровень холестерина.
Типичный рацион жителей западных стран характеризуется низким потреблением пищевых волокон (приблизительно 12–17 г/день) из-за высокого потребления изделий из высокоочищенной пшеничной муки и низкого потребления фруктов и овощей. Повсеместно рекомендуется увеличение потребления пищевых волокон приблизительно до 30 г/день за счет потребления большего количества овощей, фруктов и хлебных злаков с высоким содержанием клетчатки. Однако очень высокое потребление пищевых волокон может снизить усвоение некоторых минеральных веществ.
Белки
Белки представляют собой сложные органические молекулы, которые содержат углерод, водород, кислород и азот. Белки необходимы для обеспечения жизнедеятельности тканей, их замены, функционирования и роста. Специфические белки действуют как ферменты, входят в состав определенных гормонов и играют важную роль в поддержании водного баланса. Если организм не получает достаточно калорий из пищевых источников или запасов, которые содержатся в тканях (особенно из жиров), белок может быть использован как источник энергии. Пищевые белки расщепляются на пептиды и аминокислоты.
Организм использует пищевой белок для формирования тканей, это - основная роль белка (положительный азотистый баланс). При катаболических состояниях (например, голодании, инфекциях, ожогах), может разрушаться больше белков (так как ткани тела повреждены), чем получено из пищи, что ведет к потере белка (отрицательный азотистый баланс). Азотистый баланс лучше всего определять путем вычитания количества азота, выделяемого с мочой и калом, от количества потребленного азота.
Из 20 аминокислот 9 являются эссенциальными аминокислотами (ЭАК), они не могут быть синтезированы и должны быть получены из пищи. Всем людям требуются 8 ЭАК; младенцам, помимо этого, нужен гистидин.
Потребность в пищевых белках взаимосвязана с темпом роста, который уменьшается от младенческого возраста до взрослого. Ежедневная потребность в пищевом белке уменьшается с 2,2 г/кг у 3-месячных младенцев до 1,2 г/кг у 5-летних детей и до 0,8 г/кг у взрослых. Потребности в белке соответствуют потребностям в ЭАК. Кроме того, потребность в белке у некоторых пациентов выше. Например, потребности в белке резко возрастают во время беременности и лактации, а также в периоды быстрого роста и восстановления после болезни. Потребность в белке также увеличивается с возрастом (1, 2). Взрослые, пытающиеся увеличить мышечную массу, нуждаются в дополнительном белке (например, 1,4–2,0 г/кг/день) сверх среднесуточной потребности в незаменимых аминокислотах (3).
Аминокислотный состав белков широко варьирует. Биологическая ценность (БЦ) отражает сходство аминокислотного состава белков с белками тканей животных; таким образом БЦ показывает, какой процент пищевого белка обеспечивает организму ЭАК:
Идеальным является яичный белок, биологическая ценность которого принята за 100.
Животные белки молока и мяса имеют высокую БЦ (~ 90).
Белки злаковых и овощей имеют более низкую БЦ (~ 40)
Некоторые производные белков (например, желатин) имеют БЦ, равную 0.
Белки из разных продуктов поставляют недостающие аминокислоты (комплементарность), что и определяет полную БЦ рациона питания. Согласно рекомендуемой суточной норме потребления (РСН) белка средняя смешанная диета обладает биологической ценностью, равной 70.
Жиры
Жиры расщепляются с образованием жирных кислот и глицерина. Жиры необходимы для роста тканей и продукции гормонов. Насыщенные жирные кислоты, входящие в состав животных жиров, сохраняют твердое состояние при комнатной температуре. Растительные жиры, исключая пальмовое и кокосовое масла, при комнатной температуре имеют жидкое состояние; они содержат высокие концентрации мононенасыщенных жирных кислот или полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК).
При частичной гидрогенизации ненасыщенных жирных кислот (что происходит при промышленном изготовлени пищи) образуются трансизомеры жирных кислот, находящиеся в твердом или полутвердом состоянии при комнатной температуре. В США главным источником трансизомеров жирных кислот являются частично гидрогенизированные растительные масла, которые используются для увеличения срока годности при производстве определенных продуктов (например, печенья, крекеров, чипсов). Однако в 2015 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) исключило частично гидрогенизированные масла из категории "Общепризнанно безопасных" на основании обширных исследований, которые показали, что трансжирные кислоты повышают уровень холестерина ЛПНП, снижают уровень холестерина ЛПВП и повышают риск ишемической болезни сердца. С июня 2018 года искусственные трансжиры в США запрещены.
Незаменимыми жирными кислотами (НЖК) являются
Линолевая кислота, омега-6 (n-6) жирная кислота
Линоленовая кислота, омега-3 (n-3) жирная кислота
Другие омега-6 кислоты (например, арахидоновая кислота) и другие омега-3 жирные кислоты (например, эйкозапентаеновая и докозагексаеновая кислоты) необходимы организму, но могут быть синтезированы из НЖК.
НЖК необходимы для формирования различных эйкозаноидов (биологически активных липидов), включая простагландины, тромбоксаны, простациклины и лейкотриены. Потребление омега-3 жирных кислот может снизить риск развития ишемической болезни сердца.
Потребность в НЖК варьирует в зависимости от возраста. Адекватное потребление альфа-линоленовой кислоты составляет 1,6 г/день для мужчин и 1,1 г/день для женщин. Адекватное потребление линолевой кислоты для мужчин составляет 17 г/день и 12 г/день – для женщин в возрасте 19–50 лет. (Адекватное потребление определяется как среднее значение уровня потребления питательных веществ, потребляемых ежедневно популяцией здоровых людей). Растительные масла богаты линолевой и линоленовой кислотами. Жиры, которые производятся из шафрана, подсолнечника, кукурузы, сои, тыквы и проростков пшеницы поставляют большое количество линолевой кислоты. Жиры морской рыбы и масла, полученные из льняного семени, тыквы, сои и рапса, богаты большим количеством линоленовой кислоты. Жиры морских рыб также обеспечивают поступление в организм большого количества некоторых других омега-3 жирных кислот. Рекомендуемое потребление ЭЖК может быть достигнуто с помощью 2–3 столовых ложек в день растительного жира или потреблением два раза в неделю около 3–3,5 унций приготовленной жирной рыбы, такой как лосось.
Макроэлементы
Натрий, хлор, калий, кальций, фосфаты и магний требуются организму ежедневно в относительно больших количествах (см. таблицы Макроэлементы, Рекомендованные нормы потребления, Рекомендации по суточному потреблению]).
Макроэлементы
Нутриент | Основные источники | Функции |
|---|---|---|
Кальций | Молоко и молочные продукты, мясо, рыба, яйца, хлебные злаки, бобы, фрукты, овощи | Формирование костей скелета и зубов, свертываемость крови, нервная проводимость, мышечная сократимость, проводимость сердечной мышцы |
Хлор | Большинство пищевых продуктов, главным образом животного происхождения, но встречается и в некоторых овощах; аналогично натрию | Кислотно-щелочной баланс крови и внутриклеточного пространства, осмотическое давление, функции почек |
Калий | Большинство пищевых продуктов, включая цельное и снятое молоко, бананы, чернослив, изюм, мясо | Мышечная сократимость, нервная проводимость, внутриклеточный кислотно-щелочной баланс, водный баланс |
Магний | Зелень, орехи, хлебные злаки, зерновые, морепродукты | Формирование костей скелета и зубов, нервная проводимость, мышечная сократимость, активация ферментов |
Натрий | Большинство пищевых продуктов, включая говядину, свинину, сардины, сыр, зеленые оливки, кукурузный хлеб, картофельные чипсы, квашеную капусту | Кислотно-щелочной баланс крови и внутриклеточный кислотно-щелочной баланс, осмотическое давление, мышечная сократимость, нервная проводимость, поддержание градиентов клеточной мембраны |
Фосфор | Молоко, сыр, мясо, домашняя птица, рыба, хлебные злаки, орехи, стручковые бобы | Формирование костей скелета и зубов, кислотно-щелочной баланс крови и внутриклеточный кислотно-щелочной баланс, выработка энергии |
Рекомендованные нормы потребления* некоторых макронутриентов, данные Совета по продовольствию и питанию Института медицины Национальной Академии (Food and Nutrition Board, Institute of Medicine of the National Academies)
Категория | Возраст или временной интервал (количество лет) | Белок (г/кг) | Энергетическая ценность (ккал/кг) | Кальций (мг/кг) | Фосфор (мг/кг) | Магний (мг/кг) |
|---|---|---|---|---|---|---|
Младенцы | 0,0–0,5 | 2,2 | 108,3 | 66,7 | 50,0 | 6,7 |
0,5–1,0 | 1,6 | 94,4 | 66,7 | 55,6 | 6,7 | |
Дети | 1–3 | 1,2 | 100,0 | 61,5 | 61,5 | 6,2 |
4–6 | 1,2 | 90,0 | 40,0 | 40,0 | 6,0 | |
7–10 | 1,0 | 71,4 | 28,6 | 28,6 | 6,1 | |
Мужчины | 11–14 | 1,0 | 55,6 | 26,7 | 26,7 | 6,0 |
15–18 | 0,9 | 45,5 | 18,2 | 18,2 | 6,1 | |
19–24 | 0,8 | 40,3 | 16,7 | 16,7 | 4,9 | |
25–50 | 0,8 | 36,7 | 10,1 | 10,1 | 4,4 | |
51+ | 0,8 | 29,9 | 10,4 | 10,4 | 4,5 | |
Женщины | 11–14 | 1,0 | 47,8 | 26,1 | 26,1 | 6,1 |
15–18 | 0,8 | 40,0 | 21,8 | 21,8 | 5,5 | |
19–24 | 0,8 | 37,9 | 20,7 | 20,7 | 4,8 | |
25–50 | 0,8 | 34,9 | 12,7 | 12,7 | 4,4 | |
51+ | 0,8 | 29,2 | 12,3 | 12,3 | 4,3 | |
При беременности | — | 0,9 | 4,6 | 18,5 | 18,5 | 4,9 |
Грудное вскармливание | 1-ый год | 1,0 | 7,9 | 19,0 | 19,0 | 5,4 |
*эти количества, выраженные в виде среднесуточного поступления в динамике, предназначены для индивидуального питания большинства здоровых людей, живущих в США в обычных экологических условиях. | ||||||
Вода
Воду можно также отнести к макронутриентам, т.к. ее потребность при расходе энергии составляет 1 мл/ккал (0,24 мл/кдж), или приблизительно 2500 мл/день. Потребность в воде меняется при лихорадке, физической активности и изменениях в климате и влажности. Адекватное потребление общего количества воды составляет 2,7 л для женщин и 3,7 л для мужчин.
Справочные материалы по макронутриентам
1. Bauer J, Biolo G, Cederholm T, et al: Evidence-based recommendations for optimal dietary protein intake in older people: a position paper from the PROT-AGE Study Group. J Am Med Dir Assoc 14(8):542-559, 2013. doi:10.1016/j.jamda.2013.05.021
2. Baum JI, Kim IY, Wolfe RR: Protein consumption and the elderly: What is the optimal level of intake? Nutrients 8(6):359, 2016. doi:10.3390/nu8060359
3. Campbell B, Kreider RB, Ziegenfuss T, et al: International Society of Sports Nutrition position stand: protein and exercise. J Int Soc Sports Nutr 4:8, 2007. doi:10.1186/1550-2783-4-8
Микронутриенты
Микронутриентами являются витамины и минералы, требуемые в малых количествах (микроэлементы).
Водорастворимые витамины – витамин C (аскорбиновая кислота) и 8 витаминов группы В: биотин, фолат, ниацин, пантотеновая кислота, рибофлавин (витамин B2), тиамин (витамин B1), витамин B6 (пиридоксин) и витамин B12 (кобаламин).
Жирорастворимые витамины – это витамины А (ретинол), D (холекальциферол и эргокальциферол), E (альфа-токоферол) и K (филлоквинон и менаквинон).
Только витамины А, E, и B12 могут запасаться организмом; другие витамины следует потреблять регулярно для поддержания здоровья.
К незаменимым микроэлементам относятся хром, медь, йод, железо, марганец, молибден, селен и цинк. Кроме хрома, каждый из них входит в состав ферментов или гормонов, необходимых для метаболизма. За исключением дефицита железа и цинка, дефицит микроэлементов встречается редко в странах с низким уровнем продовольственной небезопасности.
Не доказано, что прочие минералы (например, алюминий, мышьяк, бор, кобальт, фтор, никель, кремний, ванадий) являются незаменимыми для людей. Фтор, хотя не является незаменимым микроэлементом, участвует в профилактике кариеса, формируя соединение с кальцием (фторид кальция [CaF2]), который стабилизирует минеральную матрицу зубов.
Все микроэлементы токсичны при высоких уровнях содержания, а некоторые из них (мышьяк, никель и хром) могут вызвать рак.
Другие компоненты пищи
Ежедневный рацион питания человека, как правило, содержит до 100 000 химических соединений (например, кофе содержит 1 000). Из их числа только 300 являются пищевыми веществами (нутриентами), и только часть из них незаменимые. Тем не менее, многие вещества в продуктах питания, не являются питательными, полезны. Например, пищевые добавки (например, консерванты, эмульгаторы, антиокислители, стабилизаторы) упрощают производство и хранение пищевых продуктов. Вещества, содержащиеся в следовых количествах (например, специи, ароматические добавки, красители, фитохимические вещества, многие другие натуральные добавки), улучшают внешний вид и вкус.
Обработанные пищевые продукты, органические пищевые продукты, биоинженерные или генетически модифицированные пищевые продукты
Продукты глубокой переработки
Министерство сельского хозяйства США (USDA) определяет обработанные пищевые продукты как любой сырой сельскохозяйственный товар, который подвергался мытью, очистке, измельчению, резке, рубке, нагреванию, пастеризации, бланшированию, кулинарному приготовлению, консервированию, заморозке, сушке, дегидратированию, смешиванию, упаковке, или любой другой процедуре, которая изменяет пищевой продукт относительно его естественного состояния. Основываясь на этом определении, практически вся пища перерабатывается в той или иной степени. Однако во время некоторых разновидностей современной обработки пищевых продуктов теряются питательные вещества из пищи. Например, размол удаляет из зерен отруби и зародыши, и, таким образом, клетчатку, железо и многие витамины группы В. При обработке пищевых продуктов также часто добавляют консерванты (например, бензоаты, сорбаты, нитриты, сульфиты и лимонную кислоту), искусственные красители, ароматизаторы и подсластители, стабилизаторы, эмульгаторы, а также синтетические витамины и минералы и другие добавки, включая соль, глутамат натрия (ГН), сахар, жиры и рафинированные масла. Некоторые пищевые добавки могут особенно негативно влиять на детей.
Все более распространенными становятся ультраобработанные продукты (например, сладости, соленые закуски, подслащенные напитки, готовые к употреблению блюда и фаст-фуд), которые составляют почти половину продуктов питания во многих странах. Они изготавливаются из недорогих ингредиентов (включая вредные для здоровья жиры, рафинированные злаки и крахмалы, сахар и соль), которые часто сочетаются с пищевыми добавками (включая искусственные красители, ароматизаторы и консерванты), чтобы сделать их недорогими и исключительно вкусными, а также продлить срок хранения. Большинство из них содержат мало или совсем не содержат цельных продуктов. Эти продукты способствуют перееданию и прибавке в весе и приводят к относительной нехватке полезных питательных веществ, увеличивая риск инсулинорезистентности и, возможно, других расстройств (например, ишемической болезни сердца, депрессии, синдрома раздраженного кишечника, рака и даже ранней смерти).
Органические продукты
Чтобы получить маркировку органического сертификата USDA, органические продукты должны быть выращены и обработаны в соответствии с федеральными рекомендациями, которые учитывают многие факторы, включая качество почвы, методы разведения животных, борьбу с вредителями и сорняками, а также использование добавок. Например, чтобы мясо было признано органическим, животные должны выращиваться в условиях, которые соответствуют их естественному обитанию (например, возможность пастись на пастбище), они должны питаться 100% органическими кормами и фуражом и им не должны давать антибиотики или гормоны. Чтобы получить маркировку органического сертификата Министерства сельского хозяйства США (USDA), продукт должен содержать 95% органических ингредиентов.
Хотя уверенность и степень пользы для здоровья, приписываемой органическим продуктам, остается неизвестной, отсутствие антибиотиков помогает предотвратить резистентность к ним. Синтетические пестициды могут также увеличить риск аутизма, синдрома дефицита внимания/гиперактивности (СДВГ) и нарушения когнитивных навыков у детей. Одна из стратегий, которая поможет сдержать возросшие расходы на органические продукты питания, заключается в рассмотрении ежегодных списков содержания пестицидов, составляемых Рабочей группой по охране окружающей среды (РГООС), в которых перечисляется dirty dozen ("грязная дюжина") (продукты, в которых содержится больше пестицидов, чем в других культурах) и clean fifteen ("чистая пятнадцатка") (продукты с наименьшим содержанием пестицидов).
Биоинженерно или генетически модифицированные продукты питания
Биоинженерные, или генетически модифицированные пищевые продукты являются пищевыми продуктами, содержащими генетически модифицированные организмы (ГМО). По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), эти продукты содержат ДНК, которая была модифицирована с помощью лабораторных методов и не может быть получена путем обычного разведения либо найдена в природе. Генетически модифицированные продукты питания существуют в продовольственном секторе США с начала 1990-х годов, и за их безопасностью для человека и животных следят Управление по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными средствами США (FDA), Агентство по охране окружающей среды (EPA) и Министерство сельского хозяйства США.
Начиная с января 2022 года на продуктах питания требуется маркировка, указывающая, являются ли они биоинженерными продуктами. Эти пищевые продукты часто являются общими ингредиентами и могут быть трудно идентифицируемыми.
Хотя потребление биоинженерных продуктов не представляет опасности для здоровья человека, правозащитные группы по безопасности пищевых продуктов подняли такие вопросы, как развитие аллергий (если перенесенная ДНК была получена из аллергенных продуктов) и устойчивость к антибиотикам в результате потребления гербицидоустойчивых культур, которые могут теоретически переносить модифицированные антибиотикорезистентные гены в пищеварительный тракт человека. ВОЗ заявила, что риск такой резистентности к антибиотикам очень мал, но не незначителен.
Дополнительная информация
US Department of Health and Human Services and US Department of Agriculture: Dietary Guidelines for Americans, 2020-2025
