亚利桑那州立大学的研究人员开发了一个数学模型，用于探索消化过程中这一经常被忽视的部分。该模型被称为DAMM，是消化、吸收和微生物代谢（digestion, absorption and microbial metabolism）的缩写，它追踪食物如何通过消化道、人体直接吸收多少能量，以及肠道微生物如何处理剩余物质。它还估计了哪些消化产物被吸收，哪些作为废物排出体外。
通过考虑饮食、人体消化和肠道细菌之间的关系，研究人员希望提高我们对肥胖、糖尿病和其他代谢疾病的认识。随着进一步的发展，该方法最终可能帮助医疗保健专业人员为个别患者量身定制饮食。
“消化不仅仅是一个人类过程——它是我们的身体与生活在肠道内的数万亿微生物之间的合作，”Rosa Krajmalnik-Brown教授说。“DAMM为我们提供了一种强大的新方法来量化这些微生物伙伴如何为人类健康和能量平衡做出贡献，并指出了适当喂养肠道微生物的重要性。”
Krajmalnik-Brown是亚利桑那州立大学（ASU）生物设计微生物健康中心（Biodesign Center for Health Through Microbiomes）的主任，也是该校可持续工程与建成环境学院（School of Sustainable Engineering and the Built Environment）的教授。
研究团队还包括亚利桑那州立大学教授Bruce Rittmann，他是生物设计Swette环境生物技术中心（Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology）主任及环境工程校董教授，以及第一作者、亚利桑那州立大学研究生研究助理Taylor Davis。佛罗里达州奥兰多市AdventHealth转化研究所的科学家们也参与了该项目的合作。
研究结果发表在《PLOS One》上。
为什么传统卡路里计算会遗漏部分情况
100多年来，科学家一直使用基于阿特沃特参数（Atwater parameters）的系统来估算人们能从食物中获取多少能量。该方法为每克脂肪、碳水化合物和蛋白质分配平均卡路里值，然后使用这些值来计算总可用能量。
尽管这种方法很实用且被广泛使用，但它无法完全解释消化过程中发生的事情。特别是，它没有考虑不同食物如何滋养肠道细菌，或者这些细菌如何将未消化的物质转化为人体可用作能量的物质。
一个重要的例子涉及短链脂肪酸。这些化合物是结肠中的微生物分解未经吸收而通过上消化道的纤维和其他食物成分时产生的。其中一些脂肪酸可以进入血液并提供额外的卡路里。
为了更好地理解这些相互作用，研究人员在一项早期控制饮食研究的基础上进行了研究，该研究调查了肠道微生物组如何影响人体能量平衡。肠道微生物组由栖息在消化系统中的庞大细菌和其他微生物群落组成。
高纤维饮食导致每天少吸收116卡路里
在这项临床研究中，健康成年人遵循两种精心设计的饮食计划之一。第一种是微生物组增强饮食，含有大量纤维和抗性淀粉（较少加工食品和颗粒较大的食物）。抗性淀粉是一种碳水化合物，它能够避开小肠内的大部分常规消化，从而到达结肠，由微生物进行分解。
第二种饮食计划类似于典型的西方饮食，纤维和抗性淀粉含量较低（更多加工食品和更小颗粒大小）。
尽管两种饮食都是为该研究设计的，但参与者吸收的能量数量明显不同。食用西方饮食的参与者每天比食用富含纤维饮食的参与者多吸收约116卡路里。
同样有趣的是，遵循高纤维饮食计划的人并没有报告感觉更饿。
研究结果表明，人们从食物中获得的能量数量部分取决于其成分以及它如何通过消化系统。食品加工、纤维含量和微生物活性的差异都会影响最终结果。
“DAMM模型的真正独特之处在于，它将人类新陈代谢与结肠中微生物的新陈代谢定量地联系起来，这与临床研究的结果相吻合，并为微生物群落如何与人类宿主合作提供了基本见解，”Rittmann说。
肠道细菌每天可提供约140卡路里
DAMM模型提供了一种更详细的方法，可以从食物进入消化系统的那一刻起追踪其中包含的能量。
首先，它检查一个人饮食中的蛋白质、碳水化合物和脂肪含量，并估计在上消化道吸收了多少可用能量。
然后，它会追踪剩余物质进入结肠的过程。在这里，肠道微生物分解逃过早期消化的营养物质，产生短链脂肪酸等化合物。人体可以通过结肠吸收其中一些化合物，并将其用作另一种能量来源。
该模型还包括某些被称为产甲烷菌的微生物产生甲烷的过程，这些微生物将产生甲烷作为其新陈代谢的一部分。
根据研究人员的计算，从结肠吸收的短链脂肪酸平均每天提供约140卡路里。这约占从食物中获得的总可用能量的7.4%。
更广泛地说，该模型估计大约85%的可用能量来自上消化道，而大约15%来自下消化道，在下消化道中微生物尤为重要。
这些发现突显了为什么传统的卡路里计算无法完全描述人体消化。人体可用能量的很大一部分受到微生物过程的影响，而传统的食品标签计算并未明确测量这些过程。
当团队将DAMM的预测与控制饮食研究的实际测量结果进行比较时，该模型产生的估计值比使用传统阿特沃特方法生成的估计值更接近观察到的卡路里吸收量。
较旧的方法通常低估了参与者吸收的卡路里数量。通过纳入微生物代谢，DAMM提供了对从不同饮食中获得的能量的更准确估计。
纤维如何改变卡路里等式
该模型最具启发性的特征之一是它能够解释饮食之间的差异。
微生物组增强饮食向结肠输送了更多的纤维和其他可发酵物质。这为肠道微生物提供了额外的物质来分解，增加了它们短链脂肪酸的产量。
DAMM预测到了这种增加，这与在对照临床试验中观察到的模式一致。食用微生物组增强饮食的参与者在其血清和粪便的测量中显示出更高水平的短链脂肪酸。
这些化合物很重要，因为它们说明了微生物活动与人体代谢之间的密切联系。肠道细菌可以将原本会通过消化系统的食物成分转化为人体可以吸收并用作能量的分子。
然而，产生更多这些化合物并不一定意味着总体上吸收更多的卡路里。
事实上，遵循微生物组增强饮食的参与者比食用西方饮食的参与者吸收的净卡路里更少，尽管高纤维饮食支持了更大的微生物活性并增加了短链脂肪酸的产量。
当分别检查消化的不同阶段时，这种明显的矛盾就变得更容易理解了。尽管肠道微生物可以产生额外的可用能量，但在上消化道直接从食物中吸收的数量也很重要。
DAMM帮助研究人员区分这些贡献。它估计了人体在食物到达结肠之前提取了多少能量，微生物从剩余物质中产生了多少能量，以及最终有多少被吸收或消除。
迈向更个性化的饮食和更好的营养
通过将人体消化和微生物代谢纳入一个单一的数学框架，研究人员创造了一种工具，可以帮助解释为什么不同的饮食会对身体的能量平衡产生不同的影响。
该方法最终可能会提高科学家对饮食如何影响肥胖、糖尿病和其他代谢疾病的认识。它还提供了一种可能性，即设计营养计划时不仅考虑食物中的营养物质，还考虑这些营养物质如何与生活在每个人肠道内的微生物相互作用。
目前，该模型提供了一个研究框架，而不是一种用于开具个性化饮食处方的现成方法。将需要进一步的研究来确定它在不同人群、饮食模式和微生物组组成中的表现如何。
研究人员还期望，随着科学家揭示有关微生物与人体如何交换营养和能量的更多细节，该模型将变得更加复杂和完善。
“DAMM模型不仅仅是一个描述饮食的工具，”Davis说。“它是一个旨在不断发展的框架。随着我们在饮食、新陈代谢和微生物如何相互作用方面发现更多新知，这些新见解可以纳入模型中，使其随着我们的学习与我们一起成长。”