Sistema Atwater

El sistema Atwater, llamado así por Wilbur Olin Atwater, o derivados de este sistema, se utilizan para calcular la energía disponible de los alimentos. El sistema se desarrolló en gran parte a partir de los estudios experimentales de Atwater y sus colegas a finales del siglo XIX y principios del XX en la Universidad Wesleyana de Middletown, Connecticut. Su uso ha sido frecuentemente motivo de controversia, pero se han propuesto pocas alternativas. Al igual que con el cálculo de proteínas a partir del nitrógeno total, el sistema Atwater es una convención y sus limitaciones se pueden ver en su derivación.

La energía disponible (tal como la utiliza Atwater) es equivalente al uso moderno del término energía metabolizable (EM).

$${\displaystyle {\text{Metabolisable Energy}}=\left({\text{Gross Energy in Food}}\right)-\left({\text{Energy lost in Faeces, Urine, Secretions and Gases}\right). }$$

En la mayoría de los estudios realizados en seres humanos, se ignoran las pérdidas de secreciones y gases. La energía bruta (EB) de un alimento, medida mediante calorimetría de bomba, es igual a la suma de los calores de combustión de los componentes: proteína (EB_p), grasa (EB_f) y carbohidratos (EB_cho) (por diferencia) en el sistema próximo.

$${\displaystyle {GE}={GE}_{\mathrm {p}+{} {\f} {\f} {\fnMicrosoft Sans Serif}$$

Atwater consideró el valor energético de las heces de la misma manera.

$${\displaystyle {GE}{\mathrm {\f} {\f} {\f}} {\m}}} {\f}}}\m} {\f}}} {\m}} {\f}} {\m} {\f}}} {\mhm} {F}+{\mathrm {cho} {\mathrm}} {\mh00}} {\m}} {\m}} {\m}}} {\cH0}} {\cH0}}}} {\cH00}}}}}$$

Mediante la medición de los coeficientes de disponibilidad o, en términos modernos, la digestibilidad aparente, Atwater elaboró un sistema para calcular las pérdidas de energía fecal.

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donde D_p, D_f y D_cho son respectivamente los coeficientes de digestibilidad de proteínas, grasas y carbohidratos calculados como

$${\displaystyle {\frac {\text{intake}-{text{faecal {\fnMicrosoft}} {\fnMicrosoft}}}} {\fnMicrosoft}}}}}} {\f}}} {\fnK}}}}}}}}}}}}} {\fnK}}}}}}}}}}}}}} {\f}}}} {\\fnK\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\$$

para el constituyente en cuestión.

Las pérdidas urinarias se calcularon a partir de la relación energía-nitrógeno en la orina. Experimentalmente, esta fue de 7,9 kcal/g (33 kJ/g) de nitrógeno urinario y, por lo tanto, su ecuación para la energía metabolizable se convirtió en

$${\displaystyle {ME}=\left({\mathrm {p}-{\frac {7.9}{6.25}\right)D_{\mathrm {p} }+{GE}_{\mathrm {f}D_{\mathrm {f} }+{GE}_{\mathrm {cho}D_{\mathrm .$$

Atwater recopiló valores de la literatura y también midió el calor de combustión de proteínas, grasas e hidratos de carbono. Estos varían ligeramente según las fuentes y Atwater derivó valores ponderados para el calor bruto de combustión de las proteínas, grasas e hidratos de carbono en la dieta mixta típica de su época. Se ha argumentado que estos valores ponderados no son válidos para alimentos individuales y para dietas cuya composición en términos de alimentos es diferente de las que se consumían en los EE. UU. a principios del siglo XX.

Atwater midió una gran cantidad de coeficientes de digestibilidad para mezclas simples y, en experimentos de sustitución, derivó valores para alimentos individuales. Los combinó de manera ponderada para derivar valores para dietas mixtas. Cuando se probaron experimentalmente con dietas mixtas, no dieron una buena predicción y Atwater ajustó los coeficientes para dietas mixtas.

La relación energía/nitrógeno en la orina muestra una variación considerable y la relación energía/materia orgánica es menos variable, pero el valor energía/nitrógeno proporcionó a Atwater un enfoque viable, aunque esto ha causado cierta confusión y sólo se aplica a sujetos en equilibrio de nitrógeno.

A partir del trabajo de Atwater, se convirtió en una práctica común calcular el contenido energético de los alimentos utilizando 4 kcal/g para los carbohidratos y las proteínas y 9 kcal/g para los lípidos. El sistema fue mejorado posteriormente por Annabel Merrill y Bernice Watt del USDA, quienes derivaron un sistema mediante el cual se propusieron factores de conversión de calorías específicos para diferentes alimentos. Esto toma en cuenta el hecho de que, en primer lugar, los valores energéticos brutos de las proteínas, las grasas y los carbohidratos de diferentes fuentes de alimentos son diferentes y, en segundo lugar, que la digestibilidad aparente de los componentes de los diferentes alimentos es diferente.

Este sistema se basa en la medición de los calores de combustión de una amplia gama de proteínas, grasas y carbohidratos aislados. También depende de los datos de estudios de digestibilidad, en los que se han sustituido alimentos individuales por dietas basales para medir los coeficientes de digestibilidad aparente de esos alimentos. Este enfoque se basa en el supuesto de que no hay interacciones entre los alimentos de una mezcla en el intestino y, desde un punto de vista práctico, estos estudios con seres humanos son difíciles de controlar con la precisión necesaria.

El enfoque de los carbohidratos por diferencia presenta varios problemas. En primer lugar, no distingue entre azúcares, almidón y carbohidratos no disponibles (fibra dietética).

Esto afecta en primer lugar a la energía bruta que se asigna a los carbohidratos: la sacarosa tiene un calor de combustión de 3,95 kcal/g (16,53 kJ/g) y el almidón, 4,15 kcal/g (17,36 kJ/g).

En segundo lugar, no tiene en cuenta el hecho de que los azúcares y el almidón se digieren y absorben prácticamente en su totalidad y, por lo tanto, proporcionan energía metabolizable equivalente a su calor de combustión.

Los carbohidratos no disponibles (fibra dietética) se degradan en un grado variable en el intestino grueso. Los productos de esta digestión microbiana son ácidos grasos, CO2 (dióxido de carbono), metano e hidrógeno. Los ácidos grasos (acetato, butirato y propionato) se absorben en el intestino grueso y proporcionan cierta energía metabolizable. El grado de degradación depende de la fuente de la fibra dietética (su composición y estado de división) y del individuo que la consume. No hay suficientes datos para ofrecer una orientación firme sobre la energía disponible a partir de esta fuente.

Por último, la fibra dietética afecta a las pérdidas fecales de nitrógeno y grasa. No está claro si el aumento de la pérdida de grasa se debe a un efecto sobre la absorción en el intestino delgado. El aumento de las pérdidas de nitrógeno fecal en dietas ricas en fibra se debe probablemente a un mayor contenido de nitrógeno bacteriano en las heces. Sin embargo, ambos efectos conducen a reducciones en la digestibilidad aparente y, por lo tanto, el sistema Atwater justifica pequeños cambios en los factores de conversión de energía adecuados para esas dietas.

La evidencia experimental de la magnitud de esta variación es muy limitada, pero como los calores de combustión de los aminoácidos individuales son diferentes, es razonable esperar variaciones entre las distintas proteínas. Se ha observado un rango de 5,48 para la conglutina (del lupino azul) a 5,92 para la hordeína (cebada), que se compara con el rango de Atwaters de 5,27 para la gelatina a 5,95 para el gluten de trigo. Es difícil calcular los valores esperados para una proteína a partir de los datos de aminoácidos, ya que algunos de los calores de combustión no se conocen con precisión. Los cálculos preliminares sobre la leche de vaca sugieren un valor de alrededor de 5,5 kcal/g (23,0 kJ/g).

De manera análoga, la evidencia experimental es limitada, pero como los ácidos grasos difieren en sus calores de combustión, se debería esperar que las grasas varíen en calores de combustión. Sin embargo, estas diferencias son relativamente pequeñas: por ejemplo, la grasa de la leche materna tiene un calor de combustión calculado de 9,37 kcal/g (39,2 kJ/g) en comparación con el de la grasa de la leche de vaca, de 9,19 kcal/g (38,5 kJ/g).

Los monosacáridos tienen un calor de combustión de alrededor de 3,75 kcal/g (15,7 kJ/g), los disacáridos de 3,95 kcal/g (16,5 kJ/g) y los polisacáridos de 4,15 a 4,20 kcal/g (17,4 a 17,6 kJ/g). El calor de hidrólisis es muy pequeño y estos valores son esencialmente equivalentes cuando se calculan sobre la base de los monosacáridos. Así, 100 g de sacarosa dan por hidrólisis 105,6 g de monosacárido y 100 g de almidón dan por hidrólisis 110 g de glucosa.

El tracto digestivo humano es un órgano muy eficiente y la excreción fecal de material nitrogenado y grasas es una pequeña proporción (normalmente menos del 10%) de la ingesta. Atwater reconoció que la excreción fecal era una mezcla compleja de secreciones intestinales no absorbidas, material bacteriano y metabolitos, células mucosas desprendidas, moco y, sólo en una pequeña medida, componentes dietéticos no absorbidos. Esta podría ser una de las razones por las que eligió utilizar la disponibilidad en lugar de la digestibilidad. Su opinión era que estos componentes fecales eran realmente no disponibles y que su aparente indiferencia por la naturaleza de la excreción fecal era justificable en un contexto práctico.

La relación ${\displaystyle {\frac {\text{intake}-{text{faecal {\fnMicrosoft Sans Serif} {\fnMicrosoft Sans Serif}$ donde la excreción faecal sea pequeña, se aproximará a la unidad y por lo tanto éstos coeficientes tienen una baja varianza y tienen la apariencia de constantes. Esto es espantoso ya que la excreción faecal es variable incluso en una dieta constante, y no hay evidencia que sugiera que la excreción faecal está en realidad relacionada con la ingesta de la manera implicada por estos coeficientes.

El cálculo de los valores energéticos debe considerarse una alternativa a la medición directa y, por lo tanto, es probable que presente algunas imprecisiones en comparación con la evaluación directa. Estas imprecisiones surgen por diversas razones.

• Variaciones de la composición alimentaria: Los alimentos son mezclas biológicas y, como tal, muestran una considerable variación en la composición, especialmente en lo que respecta al agua y el contenido de grasa. Esto significa que los valores compositivos citados para muestras representativas de alimentos en los cuadros de composición alimentaria no se aplican necesariamente a muestras individuales de alimentos. En estudios donde se requiere gran precisión, se deben analizar muestras de los alimentos consumidos.
• Medidas de consumo de alimentos: Al estimar las ingestas de energía, se realizan mediciones de la ingesta de alimentos y se sabe que están sujetas a considerable incertidumbre. Incluso en estudios bajo supervisión muy estrecha los errores en el peso de los alimentos individuales son raramente menos de ±5%. Por lo tanto, se debe utilizar cierto grado de pragmatismo cuando se evalúan los procedimientos para calcular los consumos de energía, y muchos autores impute mayor precisión para citar los aportes calculados de energía que es justificable.
• Variación individual: Las variaciones en los individuos se ven en todos los estudios humanos, y estas variaciones no se permiten en la mayoría de los cálculos.

Las objeciones teóricas y fisiológicas a los supuestos inherentes al sistema Atwater probablemente resulten en errores mucho menores que estos asuntos prácticos. Los factores de conversión se derivaron de estudios experimentales con bebés pequeños, pero estos produjeron valores de ingesta de energía metabolizable que fueron insignificantemente diferentes de los obtenidos mediante la aplicación directa de los factores Atwater modificados.

• Energía alimentaria
• Calorómetro

• Departamento de Agricultura de EE.UU. – Servicio de Investigación Agrícola: Fundación Ciencias Nutricionales Americanas – Wilbur Olin Atwater