Часть 1.
Введение
Термин “пищевые (диетические) волокна” (ПВ) впервые введен в научный обиход Е.Н.Hipsley в 1953году. Наиболее приемлемым следует считать определение ПВ как суммы полисахаридов и лигнина, которые не перевариваются эндогенными секретами желудочно-кишечного тракта человека (Trowell H.C., Burkitt D.P. 1987).
Концепция ПВ имеет длинную историю и восходит еще к временам Гиппократа, который в 430 г. до н.э. описал слабительный эффект пшеничных отрубей. “Ренессанс” клетчатки приходится на конец 60-х – начало 70-х годов, когда статистика показала, что в странах, где население потребляет большое количество пищевых волокон, значительно реже встречаются рак и другие заболевания толстой кишки. Тогда же оказалось, что больные с дивертикулезем толстой кишки вопреки общему мнению лучше чувствуют себя не диете богатой, а не бедной, клетчаткой. Тогда же появилось множество исследований химических и физико-химических свойств ПВ, их количества в разных рационах, физиологических эффектов и пр.
Термины, относящиеся к пищевым волокнам.
Грубые волокна. Это часть пищевой субстанции, остающаяся после обработки кипящей серной кислотой, щелочью, водой, алкоголем и эфиром. Хотя она может включать некоторые трудно растворимые гемицеллюлозоподобные вещества, эта часть главным образом является мерой содержания целлюлозы в пище. Грубые волокна потребляются невегетарианцами в количестве 8-12 г/сут потребность для взрослых составляет 6г.
Диетические волокна. Они упоминаются также как очищенные диетические волокна и очищенные растительные волокна. Это часть растительных веществ рациона, резистентная к воздействию секретов ЖКТ. Дополненная к целлюлозе и лигнину, она включает определенные гетерополисахариды, классифицируемые как гемицеллюлозы и пектины.
Неочищенные растительные волокна называются также неочищенными диетическими волокнами. Это любые волокнистые вещества в их натуральном состоянии со всеми ингредиентами клеточных стенок: полисахаридами, лигнином, кутинами, минеральными веществами, неутилизируемыми липидами и др. Термин может быть использован по отношению к неочищенной фракции волокон люцерны, пшеницы и др. зерновых, фруктов, овощей.
Синтетические непищевые волокна. Эта часть ПВ обычно не употребляется человеком и включает целлофан, высокоочищенную целлюлозу из древесной массы и др.
Остатки. Твердая часть фекалий, состоящая из непереваренных и невсосавшихся частей пищи, продуктов метаболизма и бактерий.
Химия пищевых волокон
Растения синтезируют из простых сахаров несколько углеводных полимеров. Крахмал - запасной источник энергии растений, почти полностью переваривается и адсорбируется в верхних отделах кишечника человека. Лишь малая часть крахмала, окруженная волокнистой тканью, проходит до слепой кишки. Волокнистые и клейкие полисахариды придают растениям их структуру и форму. Они не перевариваются в тонкой кишке, проходя неизменными в толстую кишку, где ферментируются в разной степени. Эти полисахариды и принято считать ПВ.
В структуре первичной и вторичной клеточной стенки растений пространство между элементарными фибриллами целлюлозы заполняют гемицеллюлозы и неуглеводное вещество лигнин. Макромолекулярными компонентами стенки являются волокнистые полисахариды (в основном целлюлоза), межклеточные полисахариды (пектиновые субстанции, гемицеллюлозы и гликопротеины) и отвердевающие полисахариды. Молодые, развивающиеся ткани растений в основном состоят из полисахаридов и белковых веществ. По мере роста идет формирование лигнина. Компоненты ПВ представлены в табл 1.
Табл. 1 Компоненты пищевых волокон (Talbot J.M., 1981)
ФРАКЦИЯ
Основные составные части
Признаны большинством исследователей
Целлюлоза (клетчатка)
Полисахариды клеточной стенки, неразветвленные полимеры глюкозы
Грубые волокна
Лигнин
Неуглеводные вещества клеточной стенки, фенилпропановые полимеры
Гемицеллюлозы
Полисахариды клеточной стенки, дериваты разных пентоз и гексоз
Пектины
Полимеры галактуроновой кислоты с пентозными и гексозными боковыми цепями, содержащиеся в клеточной стенке
Добавочные субстанции:
Камеди
Не содержатся в клеточной стенке; комплекс полисахаридов, включающий глюкуроновую и галактуроновую кислоты, ксилозу, арабинозу, маннозу
Слизи
Не содержатся в клеточной стенке; комплекс полисахаридов, некоторые являются полисахаридами запаса (гуар)
Полисахариды водорослей
Высококомплексированные полимеры
Предложенные для включения в группу ПВ
-неперевариваемые запасные полисахариды
-неперевариваемые растительные белки
-хитины грибов
-связанные неперевариваемые минеральные вещества, воски, др. субстанции
Существует шесть основных типов ПВ
Схема 1.
Химический анализ показал, что в основном это полисахариды. Но с этих позиций дефиниция волокон будет недостаточной, т.к. в диете присутствуют и другие полисахариды, например крахмал. Наиболее точно называть большинство фракций волокон некрахмальными полисахаридами. Далее они могут быть разделены на целлюлозу и нецеллюлозные полисахариды. К последним относятся гемицеллюлозы, пектин, запасные полисахариды, подобные инулину и гуару, а также растительные камеди и слизи. И, наконец, нецеллюлозные полисахариды можно разделить на водорастворимые и водонерастворимые компоненты. Лигнин не является углеводом и его следует рассматривать как отдельное волокно. Химически лигнин хорошо определен и содержит группу полифенололов с различной молекулярной массой.
Классификации ПВ
На настоящий момент существует несколько различных классификаций ПВ, отражающие физико-химические свойства, методы выделения из сырья, степени микробной ферментации и медикобиологическим эффектам (приложения 1,2).
Содержание ПВ в различных продуктах питания
Интерес диетологов к ПВ побудил химиков еще в 60-70-е годы к анализу растительных продуктов питания на содержание ПВ. Содержание ПВ в некоторых продуктах переработки хлебных злаков фруктах и овощах представлены в таблицах 2,3.
Табл. 2 Содержание ПВ в некоторых продуктах переработки хлебных злаков
(Вайнштейн С.Г., 1994)
Продукты
Количество ПВ в 100г продук- та, г
Компоненты ПВ, %
Целлюлоза
гемицеллюлоза
Лигнин
Белая мука (72%)
3,5
19
80
1
Темная мука (90-95%)
8,7
18
724
10
Непросеянная мука (100%)
11,5
20
74
6
Отруби отработанные
30,6
16
75
9
Отруби грубые
43,0
18
74
7
Овсяная крупа
7,2
12
83
6
Рис
2,7
22
78
Следы
Рожь
12,7
11
71
18
Табл. 3 Содержание ПВ в некоторых овощах, съедобной части фруктов и ягод
(Вайнштейн С.Г., 1994)
Название
Количество ПВ в 100г продукта, г
Компоненты ПВ, %
Сырая масса
Сухая масса
целлюлоза
Гемицеллюлоза
Лигнин
Капуста брюссельская
4,2
35,5
25
72
3
Капуста зимняя
3,4
24,4
25
62
13
Капуста белая
2,7
27,4
23
66
11
Лук
1,3
18,1
26
74
Следы
Горох мороженный
7,8
37,1
27
69
2
Горох стручковый
6,3
47,6
39
61
Следы
Морковь
2,9
28,4
40
60
Следы
Брюква
3,4
22,1
33
67
Следы
Картофель
3,4
14,1
29
71
Следы
Яблокби свежие
1,4
9,2
33
66
1
Бананы
1,8
6,0
21
64
15
Вишня
1,2
6,7
20
74
6
Грейпфруты
0,4
2,4
9
78
13
Апельсины
1,9
13,7
14
71
15
Груша
2,4
14,7
28
54
18
Слива
1,5
9,3
15
65
20
Клубника
2,1
19,1
16
46
38
Разнообразие растительного мира, использование новых, выведенных селекционерами сортов злаковых, овощей, фруктов и ягод, специальное извлечение ПВ из нетрадиционных источников - все это причина непрекращающихся исследований по данному вопросу.
Необходимо отметить тенденцию к снижению потребления ПВ во всех развитых странах. При этом мужчины в среднем потребляют ПВ больше, чем женщины.
По мнению большинства специалистов в суточном рационе взрослого человека должно содержаться не менее 30-45 г ПВ. В нашей стране суточная потребность населения в клетчатке и пектине практически во всех регионах удовлетворяется лишь на 1/3.
Превращение пв в желудочно-кишечном тракте человека и их основные физические и метаболические эффекты
А. Физико-химические эффекты ПВ.
Важное свойство ПВ состоит в том, что они устойчивы к действию амилазы и других ферментов и поэтому в тонкой кишке не всасываются.
Это свойство обеспечивает их своеобразное физико-химическое действие:
При прохождении по кишечнику ПВ формируют матрикс фиброзного или аморфного характера по типу "молекулярного сита", физико-химические свойтсва которого обусловливают водоудерживающую способность, катионообменные и адсорбционные свойства, чувствительность к бактериальной ферментации в толстой кишке.
Наличие у ПВ гидроксильных и карбоксильных групп способоствует, кроме гидратации, ионообменному набуханию.
Способность к набуханию, то есть удержанию и последующему выведению воды из организма, в большей степени выражена у аморфных ПВ.
Это свойство ПВ способоствует ускоренному кишечному транзиту, увеличению влажности и массы фекалий и снижению напряжения кишечной стенки (Gybney, 1986).
В желудке под влиянием ПВ замедляется эвакуация пищи, что создает более длительное чувство насыщения, ограничивает потребление высокоэнергезированной пищи и способствует снижению избыточной массы тела.
Б. Превращение ПВ.
Деградация ПВ происходит под воздействием микрофлоры макроорганизма. Местные и системные эффекты микрофлоры, оказываемые на макроорганизм представлены в таблице 4.
Табл. 4 Локальные и системные функции микробиоты. (Бабин В.Н., Минушкин О.Н., Дубинин А.В. и др. 1998г)
№
Эффект
1
Трофические и энергетические функции – тепловое обеспечение организма
2
Энергообеспечение эпителия
3
Регулирование перистальтики кишечника
4
Участие в регуляции дифференцировки и регенерации тканей, в первую очередь эпителиальных
5
Поддержание ионного гомеостаза организма
6
Детоксикация и выведение эндо- и экзогенных ядовитых соединений, разрушение мутагенов, активация лекарственных соединений
7
Образование сигнальных молекул, в том числе нейротрансмиттеров
8
Стимуляция иммунной системы
9
Стимуляция местного иммунитета, образование иммуноглобулинов
10
Обеспечение цитопротекции
11
Повышение резистентности эпителиальных клеток к мутагенам (канцерогенам)
12
Ингибирование роста патогенов
13
Ингибирование адгезии патогенов к эпителию
14
Перехват и выведение вирусов
15
Поддержание физико-химических параметров гомеостаза приэпителиальной зоны
16
Поставка субстратов глюконеогенеза
17
Поставка субстратов липогенеза
18
Участие в метаболизме белков
20
Участие в рециркуляции желчных кислот, стероидов и других макромолекул
21
Хранилище микробных плазмидных и хромосомных генов
22
Регуляция газового состава полостей
22
Синтез и поставка организму витаминов группы В, пантотеновой кислоты и др.
Хотя ПВ и резистентны к гидролизу пищеварительными ферментами, их компоненты не обнаруживаются в кале, т.к. подвергаются воздействию кишечных бактерий. Пектин и большая часть гемицеллюлоз, составляющих значительную часть ПВ злаковых растений, разрушаются полностью. Только лигнин и в меньшей степени целлюлоза резистентны к бактериальному воздействию и переходят в фекалии. Преобладающие в толстой кишке анаэробные микроорганизмы (Bacteroides, Clostridium, Fusobacterium, Bifidobacterium) являются сахаролитиками и способны переварить многие виды некрахмальных полисахаридов. При электронной сканирующей микроскопии отмечено, что волокна, обнаруженные в фекалиях, плотно окружены бактериями и вокруг последних имеются зоны разрушения клеточных стенок.
По результатам изучения рубца (первого отдела желудка жвачных животных) и толстой кишки человека, которые в отношении метаболизма могут быть сравнимы, выведено уравнение ферментации в кишечнике человека:
34,5 С6Н 12О6 48СН3СООН + 11СН3СН2СООН +5СН3(СН2)2СООН+ 23,75 СН4 + 34,25 СО2 + 10,5 Н2О + энергия
Во время ферментации в больших количествах вырабатывается водород, который экскретируется. У 30-40% людей продуцируется метан. Имеются три важнейших продукта ферментации: короткоцепочечные жирные кислоты (КЖК), газы , энергия. (схема 2). Весь перечень низкомолекулярных метаболитов, продуцируемых микрофлорой, представлен в таблице 5.
Схема 2. Последствия метаболизма ПВ в толстой кишке. (Вайнштейн С.Г.,1994)
Табл. 5 Основные низкомолекулярные метаболиты, продуцируемые индигенной микрофлорой.
Газы
Монокарбоновые кислоты и их соли
Циклические нуклеотиды
Дикарбоновые кислоты
Оксикислоты
Аминокислоты
Амины
H2
CO2
CH4
NH3
NO
Уксусная
Пропионовая
Масляная
Изомасляная
Валериановая
Изовалериановая
Капроновая
Муравьиная
ЦАМФ
ЦГМФ
Янтарная
Молочная
β-аланин
γ-аминомасляная
ε-аминокапроновая
глутаминовая
Гистамин
Серотонин
Глутамин
В. Метаболические эффекты.
Всосавшись, КЖК доступны аэробному метаболизму в тканях организма, и как таковые являются источником энергии. При расчете энергетической ценности пищевого рациона следует иметь в виду, что некрахмальные полисахариды дают 70% энергии углеводов.
Газообразование со всеми его последствиями считают важнейшей причиной ограничения ПВ в рационе большинства людей. Следует помнить, что источником газообразования в кишечнике могут быть не только ферментируемые микробами полисахариды, но и олигосахариды (рафиноза, стахиоза, вербаскоза), которые содержатся, например, в бобовых.
Третьим важным результатом анаэробной ферментации полисахаридов является энергия, поглощаемая толстокишечной микрофлорой для существования и роста. У человека присутствие ферментабельных полисахаридов в рационе приводит к увеличению роста микроорганизмов в толстой кишке. Увеличение экскреции азота, наблюдаемое при добавлении некрахмальных полисахаридов в диету, частично является результатом ассимиляции азота в белок бактерий, но могут быть и другие причины этого, например, нарушение гидролиза белка. Другие воздействия микрофлоры толстой кишки, например, на дегидроксилирование желчных кислот, гидролиз глюкуроновых конъюгатов и синтез витаминов, также могут изменяться.
Кроме энергетической ценности, КЖК и другие метаболиты оказывают ряд положительных местных и системных эффектов на макроорганизм (таблица 6): поставка субстратов липо- и глюконеогенеза, поддержание ионного обмена, осуществление антибактериального эффекта и блокировка адгезии патогенов, активация местного иммунитета, регуляция и дифференцировка эпителия и мн. др.
Табл. 6 Некоторые эффекты низкомолекулярных метаболитов микрофлоры
ЭФФЕКТ
Метаболиты, ответственные за эффект
Энергообеспечение эпителия
Уксусная (ацетат), масляная (бутират) кислота
Антибактериальный эффект
Пропионовая кислота, пропионат
Регуляция пролиферации и дифференцировки эпителия
Масляная кислота, бутират
Поставка субстратов глюконеогенеза
Пропионовая кислота, пропионат
Поставка субстратов липогенеза
Ацетат, бутират
Блокировка адгезии патогенов к эпителию
Пропионат, пропионовая кислота
Активация фагоцитоза
Формиат
Регулировка моторной активности кишечника
КЖК, соли КЖК, ГАМК, глутамат
Поставка субстратов для синтеза пантотеновой кислоты
b-аланин
Усиление местного иммунитета
Бутират, масляная кислота
Поддержание ионного обмена
КЖК, соли КЖК (в большей степени уксусная к-та (ацетат), пропионовая к-та (пропионат), масляная кислота (бутират)
Продолжение. Часть 2...
Источник: https://disbak.ru/nauchnye-publikatsii/metabolicheskie-effekty-pishchevyh-volokon-chast-1.html
© ГастроПорта
