吃下多少卡路里，食品标签永远不会给你正确答案
消化是一个非常复杂的过程，几乎很难用简单的数字来准确描述。多种因素导致人体的实际能量摄入量与食品标签上的数值相差很大。
在鸸鹋采集的果实中，许多植物种子被完整地排出体外。
在我学术生涯的一个特殊时期，我致力于从成堆的鸸鹋粪便中挑选完整的种子。这样做的目的是为了知道这些鸸鹋摄入的种子多久通过鸸鹋的消化系统，并产生一个完整的种子，可以生根发芽。就这样，我和我的同事收集了成千上万的种子，然后播种并等待。最后，这些种子长成一片小森林。
显然，由鸸鹋喂养的植物种子正在逐渐进化，以确保种子能够完好无损地存活而不会被消化破坏。鸟类总是希望从水果(包括种子)中获得尽可能多的能量，植物已经做了足够的工作来繁殖和延续这个物种。后来，我逐渐意识到，人类不可避免地在和我们的食物玩游戏。在这场“战争”中，我们完全算错了我们的“战利品”——卡路里。
食物是身体能量的来源。口、胃和肠中的消化酶将复杂的食物分子降解成简单的结构，如低聚糖和氨基酸，然后通过血管进入身体的各种组织。人体细胞利用这些小分子化学键中包含的能量来维持人体的新陈代谢。通常用来计算各种食物能量的单位是卡路里(cal，缩写为卡路里)或千卡(kcal)。1卡路里是指将1克水提高1℃所需的能量。每克脂肪大约9卡路里，而每克碳水化合物或蛋白质只有4卡路里。每克膳食纤维只能提供2卡路里的能量，因为人体消化道中的酶很难将其分解成小分子。
你看到的所有食品标签上的能量值都是根据上述估计或相关推论计算出来的。然而，用这些近似值计算能量是基于这样的假设，即在19世纪实验室完成的实验获得了上述数据，能够准确地反映不同人从不同食物中获得的能量。然而，新的研究表明，这一假设过于简化了真实情况。为了准确计算一个人从某种食物中获得的总能量，必须考虑一系列复杂的因素，如食物是否能抵抗胃肠道的消化功能；烹饪方法如烹饪、烘焙、微波和葡萄酒烹饪将如何改变食物的结构和化学性质；人体需要多少能量来降解不同的食物？消化道中数以亿计的细菌能在多大程度上促进消化，它们能从人体获得多少能量，等等。
营养学家正试图了解更多关于食物能量的内容，并设想逐步提高能量标签的准确性，但事实可能证明消化是一个极其复杂的过程，因此人类可能永远找不到一个绝对可靠的公式来计算我们能从食物中获得多少能量。
难以破解的难题
现行能源计算标准存在许多缺陷。这些缺陷起源于标准配方的开始——19世纪，当时美国化学家威尔伯·奥林·阿特沃特创造了一套计算食物能量的标准，用以计算每克脂肪、蛋白质或碳水化合物的平均能量值。该标准至今仍在使用。在当时的条件下，阿特沃特尽了最大努力，但实际情况是没有食物可以用平均值来计算能量，因为每种食物都有独特的消化方式。
例如，蔬菜的消化方式差异很大。我们通常吃各种植物的根、茎和叶。一些植物的茎和叶细胞的细胞壁比其他植物的细胞壁要坚固得多。即使在同一株植物中，细胞壁的硬度也是不同的。例如，老叶的细胞壁通常比幼叶的细胞壁强。一般来说，细胞壁越弱越容易降解，从植物食物中获得的能量就越多。烹饪很容易破坏菠菜和西葫芦的细胞壁，但对木薯和菱角来说就不那么容易了。如果细胞壁没有被破坏，植物可以在细胞中储存有价值的能量，并通过人体而不被消化(如玉米粒)。
植物的一些组织通过不断进化来适应环境。它们不仅需要进化来使水果更美味，从而吸引更多的动物来吃，还会使种子更难消化。植物在白垩纪(1.45亿-6.5亿年前)首次进化出水果和坚果，在此之前，除了恐龙以外的哺乳动物开始出现。水果进化是植物喜欢的自然进化。美味易消化的水果可以吸引动物并帮助它们传播种子，从而获得更大的进化优势。植物也倾向于让种子向坚果和难消化的方向进化。毕竟，种子和坚果需要从鸟类、蝙蝠、啮齿动物和猴子的肠道中保存下来，以传递植物基因。
研究表明，与其他蛋白质、碳水化合物和脂肪含量相当的食物相比，花生、开心果和杏仁难以完全消化，这意味着它们提供的能量比其他类似食物少。美国农业部的珍妮特·诺沃特尼及其同事的一项新研究表明，吃杏仁只能摄入129卡路里，而不是标签上标明的170卡路里。研究人员的测试方法是让受试者吃完全相同的食物，只是杏仁的量不同，然后检测粪便和尿液中未使用的能量来计算人体吸收的能量。
虽然有些食物还没有进化到抵抗消化，但是不同食物的消化方法有很大的不同。消化蛋白质所需的能量是脂肪的5倍，因为蛋白酶必须打开蛋白质中氨基酸之间的强化学键。但是食品标签没有考虑到这种能量消耗。相比之下，一些食物，如蜂蜜，可以被人体吸收，几乎没有消化系统的作用。它们在胃中分解，然后迅速通过小肠壁进入血液——消化过程就此结束。
最后，应该考虑到一些食物可以刺激人体的免疫系统来识别和治疗食物中携带的病原体。没有人认真计算过这个过程中消耗的能量，但可能不会太多。许多具有潜在风险的食源性病原体会在未煮熟的肉类上繁殖。即使我们的免疫系统不会对这些病原体发起任何攻击，我们仍然需要首先区分“朋友和敌人”，这是一个消耗大量能量的过程。更不用说如果生肉中的病原体导致腹泻，将会有大量的能量损失。
烹饪是什么意思？
日常活动可以极大地改变我们从食物中获得的能量:例如，炖、炸、炸或其他烹饪方法对食物能量有影响。也许今天食品标签的最大问题是他们没有考虑到这一点。理查德·朗厄姆，一位目前在哈佛大学工作的生物学家，在研究野生大猩猩的进食行为时，试图吃与大猩猩相同的食物。但是这些食物总是让他感到饥饿，他最终不得不回到人类的饮食。结果，他开始相信学会烹饪食物——用火加热食物，用石头砸碎食物——是人类进化的一个里程碑。
采用大猩猩饮食会使我们陷入饥饿。
鸸鹋不烹饪食物，其他猿类不知道如何烹饪食物。然而，世界上所有的人类文明都有烹饪食物的技术，从而改变食物。我们可以研磨、加热和发酵。当人类学会烹饪食物，尤其是肉类时，从烹饪食物中获得的能量显著增加。朗厄姆认为，人类可以从熟食中获得更多的能量。正是因为这个原因，它们可以进化和滋养一个与身体相比太大的大脑。然而，直到现在，还没有人能够通过控制实验准确地研究食物能量在加工过程中是如何变化的。
雷切尔·卡莫迪是兰厄姆实验室的研究生。她和她的合作者喂成年雄性老鼠红薯或瘦牛肉。她使用的食物包括四组:生的和完整的，生的和捣碎的，熟的和完整的，熟的和捣碎的，老鼠可以不受限制地吃四天。吃土豆泥或完整甘薯的老鼠体重减轻了约4克，而吃熟甘薯的老鼠体重增加了。同样，吃熟肉的老鼠比吃生肉的老鼠重1克。这个结果具有生物学意义。加热可以加速蛋白质的降解，从而促进蛋白质的消化和吸收。同时，它可以杀死细菌，并可能减少免疫系统攻击病原体所消耗的能量。
卡莫迪的实验结论也适用于工业生产。在2010年的一项研究中，食用含有葵花籽、谷物和切达奶酪的600卡路里或800卡路里全麦面包的受试者，其消化能量是食用等量白面包和加工奶酪产品的受试者的两倍。因此，人们在选择全麦面包时会少获得10%的能量。
即使两个人吃完全相同的食物，例如重量和烹饪方法完全相同的红薯或熟牛肉，他们仍然会得到不同的能量。卡莫迪和他的同事在基因高度相似的近交小鼠身上进行了实验。结果显示，即使给予相同的食物，老鼠的生长仍然是不同的。人在各种特征上有个体差异，包括一些无关紧要的特征，如肠道长度等。测量人的结肠在很长一段时间内并不流行，但在20世纪早期，它在欧洲科学家中很流行。研究发现，一些俄罗斯人的大肠比波兰人的长约57厘米。由于营养吸收的最后阶段是在大肠，如果俄罗斯人吃同样多的食物，他们将比波兰人获得更多的能量。人体内产生的特定种类的酶也是不同的。根据某些指标，乳糖酶不能在大多数成人体内产生，而乳糖酶是降解牛奶中乳糖所必需的。因此，对一些人来说，拿铁是一种高热量饮料，但对其他人来说，它是一种低热量液体。
科学家们逐渐将肠道菌群视为人体的一个特殊器官，人类肠道菌群之间也有很大的差异。在人体内，两种类型的细菌在肠道中占据主导地位——拟杆菌属和厚壁菌属。研究人员发现，肥胖的人在肠道中有更多的厚壁组织，这导致肥胖。这是因为，在一定程度上，过多的厚壁菌可以更有效地代谢食物。未被小肠消化的食物不会直接排出大肠，而是分解成更多的营养物质进入人体循环。如果这些营养没有被直接利用，它们将以脂肪的形式储存。此外，有些细菌只存在于某些人的肠道中。例如，有一种独特的细菌可以有效分解一些日本人大肠中的海藻。事实证明，在未加工的海藻沙拉中有一种海洋细菌能够消化海藻，肠道细菌从这里“偷走”了消化海藻的特殊基因。
现代饮食包含许多易于消化的加工食品，这导致能够消化肠道纤维物质的细菌数量减少，而人体自身的酶却难以消化这些物质。如果我们的肠道继续保持这种不利于细菌生长的环境，我们从富含纤维素的食物如芹菜中获得的能量可能会越来越少。
尽管我们现在对人类消化有了新的理解，但很少有人试图改进食品标签中能量的计算方法。我们可以通过调整atwater建立的系统来解决坚果消化过程中的能量计算问题。我们甚至可以逐一计算坚果的能量，并将其推广到不同的食物中。这些变化要求科学家从novotny和他的同事研究杏仁的方法中学习——为研究的每一种食物收集粪便和尿液。根据美国食品和药物管理局的规定，该机构不会阻止食品经销商根据这项新的研究结果改变能源价值。更大的挑战是食品标签需要根据不同的烹饪方法进行修改。到目前为止，没有人想把这样的修改付诸实践。
即使我们彻底改进了能量的计算方法，也不可能准确计算出我们从食物中获得了多少能量，因为这一数值会因食物与人体以及体内微生物之间复杂的相互作用而有所不同。食品标签的最终目标是帮助我们在超市的各种食品中做出最明智的选择。然而，仅仅根据标签上的能量值来衡量食物的质量太简单了。即使我们能减肥，也不一定健康。
我们需要从生物学的角度更仔细地思考我们从食物中获得的能量。加工过的食物很容易被肠胃消化，所以人们可以不费吹灰之力就获得大量能量。相反，蔬菜、坚果或全谷物需要大量的分解和消化过程来使人体获得能量，同时提供比加工食品更多的维生素，这有利于维持正常的肠道菌群。因此，对于那些想吃得更健康和减少能量摄入的人来说，减少加工食品和增加未加工食品更合理。这种饮食可以称为“鸸鹋饮食”。
作者:罗布·邓恩是北卡罗来纳州立大学的生物学家和科普作家。
译者:程永强，中国农业大学食品科学与营养工程学院教授，博士生导师。