食品标签让卡路里看起来很简单。它们显示每份食物的卡路里数量，这是根据食物中含有的脂肪、碳水化合物和蛋白质量计算得出的。但在人体内，消化过程要复杂得多。食物会经过一个活的微生物生态系统，这个系统会影响人们实际吸收的卡路里数量。
亚利桑那州立大学研究人员开发了一种新的数学模型，对消化过程中这一隐藏部分进行了更深入的研究。该模型名为DAMM（消化、吸收和微生物代谢模型），它追踪食物通过消化道的过程，估计身体直接吸收的成分、到达结肠的成分，以及肠道微生物如何帮助将剩余物质加工成被吸收或排出体外的产物。相关论文已发表在《PLOS One》期刊上。
通过展示不同饮食如何影响人体和结肠内的微生物群落，该模型最终可能帮助研究人员更好地理解肥胖、糖尿病和其他代谢紊乱。
随着更多研究的开展，它可能成为帮助医疗保健提供者为其患者设计更个性化饮食的工具。
"消化不仅仅是一个人类过程——它是我们的身体与肠道中生存的数万亿微生物之间的协作，"罗莎·克雷伊马尔尼克-布朗教授表示，"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贡献于人类健康和能量平衡，同时也指出了适当喂养我们肠道微生物的重要性。"
克雷伊马尔尼克-布朗负责健康微生物组生物设计中心的工作，同时也是亚利桑那州立大学可持续工程与建筑环境学院的教授。
与她一同参与研究的还有亚利桑那州立大学的同事，包括负责环境生物技术生物设计斯威特中心的布鲁斯·里特曼教授（亚利桑那州立大学环境工程教授）以及第一作者泰勒·戴维斯（亚利桑那州立大学研究生研究助理）。这项工作是与佛罗里达州奥兰多的AdventHealth转化研究所合作完成的。
超越卡路里计数
一个多世纪以来，科学家们一直依赖阿特沃特参数来估计人们从食物中获取的能量（以卡路里为单位）。该方法将食物中的蛋白质、碳水化合物和脂肪含量乘以每种成分的平均可代谢卡路里数。
这个系统简单而有用，但它没有捕捉到消化的微生物方面，包括不同饮食如何喂养肠道微生物，以及这些微生物如何在结肠中从纤维和其他未消化的食物中产生短链脂肪酸等化合物。
这项新研究建立在一项对照饮食研究的基础上，该研究考察了肠道微生物组如何影响人体能量平衡。肠道微生物组是消化道中生存的庞大细菌和其他微生物群落。
在这项研究中，健康的成年人摄入了两种精心设计的饮食：一种富含纤维和抗性淀粉的"微生物组增强饮食"（较少加工食品和较大颗粒食物）与更典型的西方饮食（这些成分含量较低，更多加工食品和较小颗粒食物）相比。吃西方饮食的人每天比吃高纤维饮食的人多吸收约116卡路里。然而，高纤维饮食组的人并没有感到更饥饿。
"DAMM模型真正独特之处在于，它以与临床研究结果相匹配的方式，将人体代谢与结肠中微生物的代谢定量联系起来，并提供了关于微生物群落如何与人类宿主协作的基本见解，"里特曼说。
追踪隐藏能量
DAMM首先将饮食分解为构成蛋白质、碳水化合物和脂肪的营养成分；然后，它估计这些成分中有多少可用能量在上消化道被吸收。
接下来，它追踪物质进入结肠，在那里肠道微生物分解在早期消化中未被吸收的剩余食物成分。在此过程中，它们产生短链脂肪酸，这些脂肪酸可以通过结肠被吸收，并被身体用作额外的卡路里。该模型还考虑了称为产甲烷菌的某些微生物产生的甲烷。
这种微生物贡献是有意义的。该模型估计，从结肠吸收的短链脂肪酸平均每天贡献约140卡路里，约占总可用能量的7.4%。约85%的可用能量来自上消化道，而约15%来自下消化道，其中微生物活动起着核心作用。
当研究人员将DAMM与对照饮食研究的结果进行测试时，它比标准的阿特沃特方法更接近估计人们实际从食物中吸收的卡路里数量。标准方法往往低估了吸收的卡路里，而DAMM产生的估计值更接近研究测量值。
对饮食敏感的模型
该模型还捕捉到了高纤维和低纤维饮食之间的显著差异。微生物组增强饮食向结肠输送了更多可发酵物质，微生物可以将其转化为短链脂肪酸。
DAMM预测在这种饮食下短链脂肪酸的产量更高，反映了临床试验中观察到的一般模式，即在血清和粪便测量中观察到更高水平的短链脂肪酸。
短链脂肪酸不仅仅是消化的副产品。当肠道微生物发酵在早期消化中未被吸收的纤维和其他食物成分时，就会产生它们，其中一些脂肪酸可以被身体吸收并用作卡路里。但这只是整体卡路里平衡的一部分。尽管微生物组增强饮食增加了微生物活动和短链脂肪酸的产生，但它导致总体吸收的净卡路里减少。
DAMM帮助研究人员分离这一过程的各个部分，显示身体直接吸收的内容、微生物产生的内容以及最终被吸收或排出的内容。
"DAMM模型不仅仅是一个用于描述饮食的工具，"戴维斯说，"它是一个设计用来进化的框架。随着我们发现更多关于饮食、代谢和微生物如何相互作用的信息，新的见解可以被整合到模型中，使其随着我们的学习而成长。"
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