Калория и её история

Тучные земли

Нигде и никогда прежде я не видела такого количества огромных, тучных людей, как в штате Техас несколько лет назад. В толпе на улицах Остина я чувствовала себя дистрофиком.

Массовое ожирение в США остаётся предметом постоянных дискуссий в печати уже более десятка лет. Однако проблема эта возникла отнюдь не в начале XXI века. Ещё полвека назад, в 1958 году, Джон Кеннет Гэлбрейт, известный экономист из Гарварда, впервые написал в своём бестселлере «Общество изобилия», что всё больше американцев умирает от переедания, а не от истощения. Он усматривал в этом экономические причины. Поскольку к середине пятидесятых годов основные потребности американцев в еде, крове и одежде были удовлетворены, корпорации начали придумывать и навязывать с помощью рекламы новые потребности, которые они спешили удовлетворить. Главное, чтобы покупали.

В результате к началу XXI века у 61% американцев уже появились проблемы со здоровьем, вызванные избытком веса. А ежедневное потребление энергии каждым жителем США с 1977 по 1995 год выросло почти на двести килокалорий, как пишет Грег Крицер в книге «Тучные земли: как американцы стали самыми толстыми людьми в мире» (Fat Land: How Americans Became the Fattest People in the World, Boston, MA: Houghton Mifflin, 2003).

Ожирение в США приняло характер эпидемии. Это не просто метафора: о «пандемии ожирения» заявляет и Всемирная организация здравоохранения. А в США скорость его распространения — самая высокая в мире: 13% населения в 1962 году, 19,4% — в 1997, 24,5% — в 2004, 26,6% — в 2007, 33,8% взрослых и 17% детей — в 2008, 35,7% взрослых и 17% детей — в 2010-м.

Подробные статистические данные по России найти нелегко. Часто пишут о 15–16% взрослого населения, но эти цифры относятся, вероятно, к началу 2000-х. В декабре 2012 года директор НИИ питания РАМН, главный диетолог Минздрава РФ В. А. Тутельян сообщил на пресс-конференции, что ожирением страдают более 25% россиян, избыточный вес наблюдается у 50%. Такое впечатление, что мы изо всех сил опять стараемся догнать Америку…

Ожирение убивает 100–400 тысяч американцев каждый год и обходится американскому обществу в 117 миллиардов долларов. Эти расходы сопоставимы с затратами на решение медицинских проблем, связанных с курением и алкоголизмом.

В чём же дело? Только ли в переедании, о котором писал Гэлбрейт? Грег Крицер в своей книге анализирует возможные причины, политические, социальные и экономические. Например, когда цены на продукты питания в 70-х годах достигли пика, президент Ричард Никсон потребовал принять меры. В результате реформ министра сельского хозяйства Эрла Буца были сняты ограничения на импорт дешёвого пальмового масла, а из кукурузы было дозволено делать с помощью новых технологий сладкий глюкозо-фруктозный сироп. Эти дешёвые, но высококалорийные продукты стали использовать при изготовлении подавляющего большинства продуктов питания, чтобы сделать их доступными.

Маркетологи фастфуда тоже не остались в стороне. Они просто заставили своих покупателей есть больше, начав выпускать бигмаки и прочие блюда суперразмера. В результате калорийность одного блюда в «Макдональдсе» возросла с 200 килокалорий в 1960 году до 610. А покупатели усердно поглощали раздувшиеся супербургеры — никто не может устоять против подаренной еды.

Наконец, Крицер описывает появление «новой культуры без границ», которая облегчает и делает модным потребление всех этих богатых жиром и бедных питательными веществами продуктов. Если в прежние времена приготовление домашних обедов было традицией, то в 80-х хозяйки перестали тратить на это время: можно ведь пойти куда-нибудь или заказать готовую еду на дом. Тем временем популярные книги и передачи навязывали теории, утверждающие, что ребёнок сам знает, когда он или она сыт, когда и что надо есть. В результате родители перестали контролировать, что и когда их ребёнок ест, даже если это только картофель фри и гамбургеры.

Чтобы как-то исправить ситуацию, американское правительство стало принимать меры, среди которых — закон 1990 года о маркировке (Nutrition Labeling and Education Act, NLEA), обязывающий производителей писать калорийность продуктов и их состав на всех упаковках. А в 2008 году Нью-Йорк стал первым городом, где в ресторанных меню начали указывать калорийность блюд, чтобы посетитель мог сделать осознанный выбор, который не причинит вреда здоровью. Все в очередной раз заговорили о калориях и начали их подсчитывать.

Калория и калориметр

Раньше любой школьник знал, что такое калория: количество тепла, которое необходимо, чтобы нагреть один грамм воды на один градус. Термин «калория» (от латинского calor — тепло) ввёл в научный оборот французский химик Николя Клеман-Дезорм (1779–1842). Его определение калории как единицы измерения тепла было впервые опубликовано в 1824 году в журнале «Le Producteur», а во французских словарях оно появилось в 1842 году. Однако задолго до появления этого термина были сконструированы первые калориметры — приборы для измерения теплоты. Первый калориметр изобрёл английский химик Джозеф Блэк и в 1759–1763 годах с его помощью определил теплоёмкости разных веществ, скрытую теплоту плавления льда и испарения воды.

Изобретением Д. Блэка воспользовались знаменитые французские учёные Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) и Пьер Симон Лаплас (1749–1827). В 1780 году они начали серию калориметрических экспериментов, которые позволили измерить тепловую энергию. Это понятие встречается ещё в XVIII веке в трудах шведского физика Иоганна Карла Вильке (1732–1796), который занимался исследованием электрических, магнитных и тепловых явлений и задумывался об эквивалентах, в которых можно измерять тепловую энергию.

Устройство, которое впоследствии начали называть калориметром, Лавуазье и Лаплас использовали, чтобы измерять количество теплоты, выделяющееся в различных физических, химических и биологических процессах. Тогда ещё не было точных термометров, поэтому для измерения теплоты приходилось идти на ухищрения. Первый калориметр был ледяным. Внутренняя полая камера, куда помещали объект, излучающий тепло (например, мышку), была окружена рубашкой, заполненной льдом или снегом. А ледяная рубашка, в свою очередь, была окружена воздушной, чтобы лёд не плавился под действием внешнего нагрева. Тепло от объекта внутри калориметра нагревало и плавило лёд. Взвешивая талую воду, стекавшую из рубашки в специальный сосуд, исследователи определяли теплоту, выделенную объектом.

Простенький, казалось бы, прибор позволил Лавуазье и Лапласу измерить теплоту многих химических реакций: сгорания угля, водорода, фосфора, чёрного пороха. Этими работами они заложили основы термохимии и сформулировали её основной принцип:

Всякие тепловые изменения, которые испытывает какая-нибудь материальная система, переменяя своё состояние, происходят в порядке обратном, когда система вновь возвращается в своё первоначальное состояние.

Иными словами, чтобы разложить воду на водород и кислород, надо затратить столько же энергии, сколько выделяется при реакции водорода с кислородом с образованием воды.

В том же 1780 году Лавуазье поместил в калориметр морскую свинку. Тепло от её дыхания растапливало снег в рубашке. Потом последовали и другие эксперименты, которые имели огромное значение для физиологии. Тогда-то Лавуазье высказал мысль, что дыхание животного подобно горению свечи, за счёт которого в организме поддерживается необходимый запас тепла. Он также впервые связал три важнейшие функции живого организма: дыхание, питание и транспирацию (испарение воды). Видимо, с тех пор и заговорили о том, что пища сгорает в нашем организме.

В XIX веке благодаря стараниям знаменитого французского химика Марселена Бертло (1827–1907), который опубликовал более 200 работ по термохимии, точность калориметрических методов сильно повысилась и появились более совершенные приборы — водяной калориметр и герметичная калориметрическая бомба. Последний прибор нам особенно интересен, потому что в нём можно измерять теплоту, выделяемую при очень быстрых реакциях — горении и взрыве. Навеску сухого исследуемого вещества насыпают в тигель, помещают внутри бомбы и герметично закрывают этот сосуд. Затем вещество поджигают электрической искрой. Оно сгорает, отдавая тепло воде в окружающей его водяной рубашке. Термометры позволяют точно фиксировать изменение температуры воды.

Видимо, в похожем калориметре в тридцатых годах XIX века проводил первые опыты с пищей знаменитый немецкий химик Юстус фон Либих (1803–1873), который разделял идеи Лавуазье о том, что пища — это топливо для организма, как дрова для печки. Причём Либих назвал эти дрова: белки, жиры и углеводы. Он сжигал навески пищи в калориметре и измерял выделившееся тепло. На основании результатов этих опытов Либих вместе со своим коллегой Юлиусом фон Майером составил первые в мире таблицы калорийности продуктов питания и на их основе попытался рассчитать научно обоснованный рацион для прусских солдат.

Знаменитым последователем Юстуса фон Либиха стал американский агрохимик Уилбур Олин Этуотер (1844–1907). Он первым додумался измерять энергоёмкость компонентов пищи и придумал схему подсчёта калорийности любых продуктов питания. Ему не пришлось начинать с нуля. Три года (1869–1871) Этуотер провёл в Германии, где изучал опыт европейских коллег-агрохимиков. Здесь он не только вдохновился идеями физиологической калориметрии, посеянными Либихом, но и освоил некоторые методики эксперимента.

Сегодня его называют отцом диетологии.

Большую часть сведений о пище и её компонентах, которыми мы пользуемся сегодня, мы почерпнули из экспериментов Этуотера, — говорит Эрика Тэйлор, профессор химии Веслеанского колледжа в Коннектикуте, где в своё время работал У. О. Этуотер.

Действительно, столь хорошо знакомые нам значения калорийности углеводов (4 ккал/г), белков (4 ккал/г) и жиров (9 ккал/г) впервые экспериментально получил Этуотер. Но и теперь, спустя сто двадцать лет, диетологи используют эти цифры при подсчёте энергетической ценности продуктов питания. Система Этуотера по сей день лежит в основе маркировки продуктов. И в этом смысле, как верно подметил кто-то из журналистов, Уилбур Этуотер — самый цитируемый учёный в мире.

Основные факторы Этуотера

Как пишет американский антрополог Ричард Рэнгем в своей книге «Зажечь огонь: как кулинария сделала нас людьми» (Москва, Астрель, 2012), Этуотер мечтал устроить так, чтобы бедняки могли на свои скромные средства покупать достаточно еды, обеспечивая себя необходимой энергией. Для этого надо было понять, сколько калорий содержится в разных продуктах и сколько их нужно человеку, чтобы обеспечить энергией его жизнь. В то время наши сведения о составе продуктов были скудноваты. В 70-х годах XIX века ещё не знали о витаминах, микроэлементах, антиоксидантах и их важности для организма. Значение кальция и фосфора признавали, но не понимали, какова их роль. Впрочем, Этуотер решал «энергетические» проблемы, а в то время уже точно знали, что энергию организму дают три основных компонента пищи: белки, жиры и углеводы. Здесь-то Этуотеру и понадобилась калориметрическая бомба. В ней он измерял, сколько тепла выделяется при полном сгорании точной навески типичных белков, жиров и углеводов. Конечно, есть различные белки, как, впрочем, жиры и углеводы. Но их теплотворная способность внутри каждой группы различалась не сильно.

Однако одной теплоты сгорания недостаточно. Необходимо знать, сколько каждого из этих компонентов содержится в продуктах. Решение было найдено сугубо химическое. С помощью эфира Этуотер экстрагировал жир из измельчённого кусочка пищи, вес которого ему был точно известен. А затем определял вес вещества (жира), перешедшего в эфир. Так можно было подсчитать содержание липидов в продукте. Кстати, этот же несложный метод применяют и в наши дни.

С белками пришлось повозиться, поскольку нет анализа, позволяющего определить общее количество белков в том или ином продукте. Однако Этуотер знал, что в среднем около 16% массы белка приходится на азот. Он придумал, как определять количество азота в пище, и через него рассчитывал содержание белка.

С углеводами похожая проблема: определять их общее содержание в пище тогда не умели. Здесь выручила арифметика. Этуотер сжигал навеску пищи и определял количество образовавшегося пепла, содержащего только неорганические вещества. Теперь не составляло труда определить общее содержание органики (исходный вес пищи минус пепел). Вычитая из этого значения массу жира и белка, Этуотер получал содержание углеводов.

Однако не вся съедаемая пища усваивается нашим организмом. Сколько же проскакивает вхолостую? Это важно было знать и учитывать при оценке энергетической ценности продукта. Чтобы ответить на этот вопрос, Этуотеру пришлось обследовать фекалии людей, чей рацион питания был точно известен. По его расчётам оказалось, что в среднем доля неусвоенной пищи составляет не более 10%.

В результате всех этих экспериментов и расчётов, которые заняли не один год, Этуотер наконец провозгласил: энергетическая ценность белков и углеводов, съедаемых человеком, составляет 4 ккал/г, а жиров — 9 ккал/г. Эти магические цифры назвали факторами Этуотера, его подход — системой Этуотера. К 1896 году он разработал таблицы калорийности. Именно ими пользовались составители справочника Министерства сельского хозяйства США «Национальная база данных питательных веществ» и справочника «Состав пищевых продуктов».

Система Этуотера оказалась на редкость универсальной и живучей. Достаточно сказать, что общие факторы и по сей день остаются неизменными. Но при этом система гибкая и открытая для разных дополнений и уточнений. Сам Этуотер со временем добавил в свою схему спирт (7 ккал/г), обоснованно считая его калорийным источником энергии. Правда, после того, как учёный опубликовал результаты исследования, производители алкогольной продукции немедленно ухватились за тезис «спирт даёт много калорий человеческому организму» и стали активно использовать его в рекламе своей продукции. Это сильно огорчило Этуотера, и он посчитал необходимым каждый год обязательно читать студентам одну лекцию о вреде алкоголя и пользе умеренности во всём.

В XX веке биохимия питания развивалась чрезвычайно активно, позволяя исследователям получать всё новые данные. Уже во второй половине прошлого столетия в систему внесли новые факторы для пищевых волокон (некрахмалистых полисахаридов). Известно, что эта группа веществ усваивается намного хуже углеводов, поэтому их энергетическая ценность была заметно ниже — 2 ккал/г. Удалось даже учесть энергию, которую расходует организм на производство мочи и газов.

В 1955 году общие факторы дополнили конкретными: белок яйца — 4,36 ккал/г, белок коричневого риса — 3,41 ккал/г и т. д. То же и с содержанием азота в белке: вместо среднего показателя в 16% стали использовать конкретные цифры — например, 17,54% для белка макарон и 15,67% для белка молока.

Впрочем, эффект от всех этих мелких уточнений оказался настолько мал, что многие диетологи по-прежнему используют общие факторы Этуотера. Гораздо более серьёзные проблемы этой системы связаны с другим.

Неучтённые факторы

Первый крупный недостаток заключается в том, что система Этуотера не учитывает расход энергии на пищеварение. Люди тратят на пищеварение, конечно, значительно меньше энергии, чем, скажем, змеи и рыбы. Но тем не менее эти траты заметны. За переваривание пищи нам приходится расплачиваться энергией. Легче всего переваривается жир, затем углеводы, хуже всего — белки. Чем больше доля белка в пище, тем выше расходы на пищеварение. Рэнгем в своей книге упоминает одно исследование 1987 года, которое показало, «что люди, в рационе которых содержалось много жиров, получали такую же прибавку в весе, что и те, кто употреблял почти в пять раз больше калорий, но в виде углеводов». Однако значение имеет не только химический состав продукта, но и его физическое состояние. Очевидно, что организм будет тратить больше энергии на переваривание сырой пищи, а не варёной, жёсткой, а не мягкой, состоящей из крупных частиц, а не из мелких, холодной, а не горячей. Получается, что калорийность пищи многократно обработанной, измельчённой, пропаренной-проваренной и максимально размягчённой выше, чем у приготовленной из тех же продуктов, но обработанной менее интенсивно.

Когда мы отправляемся в больницу навестить заболевшего друга или родственника, мы приносим с собой куриный бульон и отварную куриную грудку, или паровые котлетки, или пюре… Не потому, что это вкусно и просто приготовить (кто-то не любит куриные грудки). А потому, что это самое нежное мясо у курицы, где практически нет соединительных тканей. Оно очень мягкое, поэтому легко усваивается, не отбирая у больного лишней энергии на переваривание (она пригодится ему для выздоровления) и давая при этом больше калорий. В этом смысле калорийность куриных грудок выше, чем куриных окорочков.

Хорошая иллюстрация к сказанному — известное исследование, выполненное японским учёным Киоко Ока с соавторами (K. Oka et al., «Food texture Differences Affect Energy Metabolism in Rats», Journal of Dental Research, 2003, 82, 491–494). Исследователи содержали 20 крыс в разных режимах питания: половине давали обычный гранулированный корм, над которым надо было потрудиться, чтобы его разгрызть, вторую половину животных кормили теми же гранулами, только вздутыми, как хлопья для завтрака. Условия содержания животных и их нагрузки были одинаковыми. Казалось бы, как может повлиять способ приготовления пищи на рост животных? Ещё как может.

Крысы перешли на рацион с разными гранулами в возрасте четырёх недель. На 22-й неделе различия стали заметны невооружённым глазом. Крысы, питавшиеся мягкой пищей, в среднем весили на 37 граммов (примерно на 6%) больше тех, кого кормили твёрдыми гранулами, а жира у них было больше в среднем на 30%, что уже классифицируется как ожирение. От мягкой, сильно переработанной пищи крысы толстели, потому что тратили значительно меньше энергии на пищеварение. Получается, что воздушные хлопья калорийнее твёрдых гранул.

Физическое состояние пищи — это ловушка для системы Этуотера. Он полагал, и это заложено в его системе в качестве одного из основных факторов, что в организме не переваривается 10% пищи, которая выводится с фекалиями. Этуотер думал, что эта величина постоянная и не зависит от консистенции пищи. Возможно, в его времена не было белоснежной муки невероятно тонкого помола. Но сегодня мы знаем, что именно эта мука усваивается на 100%. А если мы едим выпечку из муки крупного помола, то треть её выводится из организма непереваренной.

У системы Этуотера есть ещё один подводный камень, который можно назвать «биоразнообразием». Все мы очень разные, разные генетически, а значит — биохимически и метаболически. Сколько раз нам доводилось удивляться волчьему аппетиту худых людей, которые, несмотря на большие объёмы поглощаемой пищи, не толстеют. А дело в том, что худые люди в норме затрачивают на пищеварение больше энергии, чем полные. Поэтому, съев пищу той же калорийности, полный человек прибавит в весе больше, чем худой.

Итак, в системе Этуотера не учтён весомый вклад, который вносят в калорийность пищи её физические свойства и способы приготовления, наконец — метаболический портрет каждого из нас. А значит, мы не можем оценить с помощью этой системы реальную питательную ценность собственного рациона. На прилавках всё больше калорийных продуктов, хотя они не выглядят таковыми, если судить по составу и заявленной калорийности на этикетках. Они вводят нас в заблуждение, потому что ничто из того, о чём мы говорили в этой главе, в этих надписях не учтено. А мы тем временем продолжаем толстеть от пищи, которую легко переваривать.

Можно ли все эти дополнительные, но столь важные факторы учесть в системе Этуотера? Чрезвычайно трудно, если вообще возможно. Методически это невероятно сложная задача. Ведь потребуется провести гигантское количество экспериментов, чтобы получить реальные значения питательной ценности конкретных продуктов, учитывающие их консистенцию, способ приготовления, сочетания с другими продуктами и нашу биохимическую индивидуальность.

Обойдёмся без калорий?

А сколько человеку нужно калорий? На этот вопрос, который поставил перед собой Этуотер в самом начале своих исследований, он смог дать исчерпывающий ответ. Вместе со своими коллегами по Веслеанскому колледжу Эдвардом Росой и Френсисом Бенедиктом он сконструировал специальную вентилируемую камеру-калориметр, в которой мог находиться человек, работать и отдыхать. Выделяемое им тепло определяли по разности температур воды, которая протекала через систему трубок, проложенных в камере, — на входе и на выходе. С её помощью в 1896 году он начал исследовать, сколько энергии человек тратит в состоянии покоя, бодрствования и при разного рода деятельности, сколько потребляет кислорода и сколько производит углекислого газа. Объектами исследования в первую очередь становились его студенты.

На основании результатов этих измерений Этуотер впервые подсчитал баланс между энергией, поступающей в организм с пищей и расходуемой человеком. Он подтвердил, что и в человеческом организме работает закон сохранения энергии: она никуда не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Интересно, что до Этуотера в научных кругах бытовало мнение, будто первый закон термодинамики применим к животным, но никак не к человеку, поскольку человек уникален. Этуотер не только опроверг это заблуждение, но и впервые доказал: если человек не использует полностью энергию, поступающую в его организм с пищей, то она запасается в виде избыточных килограммов.

Этуотер изучал рационы огромного количества самых разных семей разных слоёв общества. Анализируя результаты, он с грустью отмечал, что люди всё больше едят жирного и сладкого и всё меньше двигаются. Уже тогда он говорил о важности дешёвой и эффективной диеты, которая включает больше белков, бобов и овощей вместо углеводов.

Этуотер внёс огромный вклад в науку о питании. Это не только результаты более 500 научных работ и полутора сотен статей. Он сумел добиться создания Федерального фонда США по исследованию пищи. В 1894 году впервые по законопроекту правительство США ассигновало десять тысяч долларов на исследования пищевых продуктов и рационов. Бо́льшую их часть выполнил Этуотер. Спустя сто лет федеральная поддержка этих программ возросла до 82 миллионов долларов. И он предвидел то, что мы начнём толстеть, потому что больше едим и меньше двигаемся. Предвидел в конце XIX века.

Калорийность и химический состав по-прежнему подсчитывают по системе Этуотера, пусть и подправленной в XX веке. Да, сегодня мы понимаем, что она даёт грубые оценки. Но это лучше, чем ничего.

Судя по всему, скрупулёзный подсчёт калорий в магазине и ресторане теряет смысл. На что же ориентироваться? На простые правила, которые прошли испытание временем и не нуждаются в корректировке: быть умеренным в еде, больше двигаться, избегать фастфуда и сладких напитков, больше овощей и фруктов, самому готовить домашнюю еду из свежих продуктов. Всё это вы знаете не хуже меня.

Но вот ещё один аргумент, достойный внимания. Джуди Макбрайд из Научно-исследовательской сельскохозяйственной службы Министерства сельского хозяйства США очень верно подметила:

Кто знает, сколько неизвестных компонентов, полезных и необходимых для нашего организма, мы ещё не открыли или не заметили в пищевых продуктах? Именно поэтому крайне важно получать питательные вещества вместе со свежими натуральными продуктами, а не с витаминными добавками.

Напоследок предлагаю вам несколько правил (всего их 64), взятых из книги популярного американского журналиста Майкла Поллана «Библия питания», которую выпустило издательство «Астрель» в ушедшем году.

• Правило 1. Ешьте настоящую еду, а не промышленные новинки.
• Правило 8. Избегайте пищевых продуктов, которые рекламируют как полезные для здоровья.
• Правило 13. Ешьте только то, что потом испортится.
• Правило 20. То, что просунули в окно вашей машины, пищей не считается.
• Правило 27. Ешьте животных, которые и сами хорошо питались.
• Правило 29. Питайтесь как всеядное существо.
• Правило 37. Чем белее хлеб, тем быстрее в гроб.
• Правило 39. Ешьте что угодно, если вы приготовили это сами.
• Правило 42. К нетрадиционным блюдам относитесь скептически.
• Правило 44. Платите больше, ешьте меньше.
• Правило 47. Ешьте от голода, а не от скуки.
• Правило 49. Ешьте помедленнее.
• Правило 52. Покупайте маленькую посуду.
• Правило 56. Перекусывайте только необработанной растительной пищей.
• Правило 57. Не заправляйтесь там же, где машины.
• Правило 58. Ешьте только за столом.
• Правило 59. Старайтесь не есть в одиночестве.
• Правило 63. Готовьте сами.
• Правило 64. Время от времени нарушайте правила.