Системи харчування лікувально-профілактичної дії та математичний інструментарій для їх створення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системи харчування лікувально-профілактичної дії та математичний інструментарій для їх створення

Сформульовано концепцію створення систем харчування (СХ) лікувально-профілактичного призначення з використанням математичного інструментарію. Визначено види математичних моделей та методів, які запропоновано для використання на різних етапах проектування СХ.

Постановка проблеми у загальному вигляді. Відомо, якщо їжа не перетравлюється, то вона з'їдає, руйнує того, хто її споживає. Щоб їжа добре перетравлювалась, вона повинна бути збалансованою. Щоб харчування було збалансованим, має виконуватися величезна сукупність науково обґрунтованих співвідношень (різних для різних категорій споживачів) між нутрієнтами: між вмістом білків, жирів та вуглеводів, між вмістом десяти незамінних амінокислот, між вмістом кальцію, жирів, фосфору та магнію, між вмістом груп жирних кислот (насичених, мононенасичених, поліненасичених) тощо. Крім того, повинна забезпечуватися низка технологічних умов та обмежень тощо.

Як цього досягти?

На сьогодні, принаймні у нашій країні, не існує, не створено механізму системної реалізації ідеї збалансованого харчування, не створено механізму інтегрального збалансування, тобто забезпечення всієї сукупності рекомендованих фізіологічних співвідношень і технологічних обмежень і умов, хоча існує багато окремих, розрізнених, несистемних, обґрунтованих рекомендацій. Відсутні інтегрально збалансовані страви, інтегрально збалансовані раціони одного прийому їжі, відсутні інтегрально збалансовані добові раціони харчування для різних категорій людей і тим більше для індивідуального споживання.

На наш погляд, розв'язок сформульованої інтегральної проблеми збалансування не знайдено з двох причин: по-перше, тому що проблема надзвичайно складна та потребує для свого розв'язання довготривалої сумісної діяльності фахівців різних спеціальностей; по-друге, тому що її в принципі розв'язати неможливо без використання науки про кількісні співвідношення - математики, без кваліфікованого і творчого використання різного математичного інструментарію та комп'ютерних технологій. Розв'язувати можна, але розв'язати неможливо.

Актуальною залишається проблема інтегрально збалансованого харчування споживачів, харчування, збалансованого при кожному конкретному прийому їжі протягом доби, протягом довготривалого проміжку часу, що охоплює багато діб, тижнів, місяців.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Зауважимо, що харчування, у тому числі лікувально-профілактичне, це не стільки акт споживання конкретної страви (страв), скільки процес, що складається з великої кількості окремих, зв'язаних між собою, актів; процес, що впливає на стан здоров'я людини в цілому та на перебіг різних захворювань. Цю обставину необхідно враховувати при створенні механізму інтегрально збалансованого харчування.

Перші успішні спроби застосування математичного інструментарію при створенні проектів рецептур булочних виробів були здійснені нами більше 20 років тому [1]. Потім у різні роки створювались різні, надзвичайно спрощені моделі проектів рецептур страв із наперед заданими властивостями, з невеликою кількістю різних обмежень.

В останні декілька років у Харківському державному університеті харчування та торгівлі на замовлення Міністерства освіти і науки під керівництвом професора Черевка О.І. виконуються дослідження проблем харчування. Мета досліджень: розробка рецептур страв та ширше - раціонів харчування, призначених для профілактики та лікування захворювань, що виникають на тлі дефіциту кальцію [2; 3].

Очевидно, що збалансування вмісту нутрієнтів може бути здійснено лише шляхом оптимізації вмісту інгредієнтів. При проектуванні рецептур окремих страв, виробів кількість інгредієнтів як важелів (засобів) забезпечення необхідних співвідношень між нутрієнтами відносно невелика, порядку десяти або менше. У той же час кількість співвідношень, які необхідно враховувати для забезпечення інтегральної збалансованості, десятки.

Отже, важелів для інтегрального збалансування надзвичайно мало і здійснити його на рівні рецептури окремої страви, швидше за все неможливо. Про це свідчить і наш досвід [3; 4]. Суттєво більше важелів збалансування при проектуванні раціонів окремих прийомів їжі, ще більше - при створенні добових раціонів харчування [5].

Оскільки лікування багатьох захворювань, що виникають на тлі дефіциту кальцію, - це зазвичай процес (не акт) часто довготривалий і може тривати тижні, місяці і навіть роки, то й харчування, мета якого цілеспрямовано сприяти усуненню захворювань, доцільно розглядати, досліджувати як процес. Цей процес може складатися з великої кількості різних етапів, до яких належать створення (проектування) рецептур окремих страв, виробів, створення раціонів одноразового споживання (РОСів) різного призначення: для перших і других сніданків, обідів, вечерь тощо, створення добових раціонів (ДР), багатьох ДР тощо. Усі етапи взаємно пов'язані між собою. Причому найбільше важелів збалансування мають добові раціони. Саме ДР, оскільки вони складаються з великої кількості інгредієнтів, кожен з яких є важелем для здійснення збалансування.

Мета статті -розробити концепцію створення систем харчування (СХ), у першу чергу, СХ лікувально-профілактичного призначення;

-визначити види математичних моделей та математичних методів, призначених для використання на різних етапах створення СХ, у тому числі на етапі аналізу очікуваної ефективності функціонування систем, що проектуються.

Виклад основного матеріалу дослідження. Предметом наших досліджень є створення СХ для профілактики та лікування захворювань, що виникають на тлі дефіциту кальцію, у жінок віком 40-59 років і коефіцієнтом фізичної активності 2,2. Вибір систем харчування вказаного призначення зумовлено такими міркуваннями:

1)існує близько 300 захворювань, що виникають на тлі дефіциту кальцію;

2)дефіцит збалансованого кальцію в організмі людини суттєво впливає на її імунну систему в цілому. Крім того, з огляду на те, що німецький вчений Отто Варбург став лауреатом Нобелівської премії за розробку методів лікування ракових пухлин, у тому числі кальцієм.

Сформулюємо основні принципи розробки проектів систем харчування, що виникають на тлі дефіциту кальцію в організмі людини.

1.Принцип системності. Лікувально-профілактичне харчування може бути високоефективним, якщо буде носити не епізодичний, а системний характер. Не споживання окремих, навіть відносно добре збалансованих страв, навіть не окремі прийоми їжі, а система 3-4-х і більше добових прийомів їжі протягом 3-4-х і більше тижнів (профілактика) та 3-4-х і більше місяців (лікування).

2.Система харчування базується на інгредієнтах широкого, масового вжитку (споживання); не дефіцитних інгредієнтах, а таких, що є у вільному продажі в магазинах і на ринках.

3.Математичні моделі, методи та комп'ютерні технології мають використовуватися на всіх етапах створення систем харчування, супроводжуватись аналізом ефективності їх функціонування тощо.

4.Базовими елементами систем харчування є раціони одного прийому їжі або раціони одноразового споживання (РОС).

5.Система харчування складається з великої сукупності РОСів, сукупності добових раціонів (ДР), що складаються із безповторних 3-4-х і більше РОСів, циклових раціонів (ЦР) - не менше 14-15 ДР. Циклові раціони, яких може бути декілька, періодично повторюються.

6.До РОСів можуть входити продукти харчування, рецептури яких спроектовано окремо, а також БАД. Останні - тільки у випадках, коли досягти певного рівня збалансованості без них неможливо.

7.У математичних моделях РОСів повинна враховуватись уся сукупність нутрієнтів, що впливають на метаболізм кісткової тканини (на процес лікування захворювань, що виникають на тлі дефіциту кальцію і з яких доступна необхідна інформація.

8.Має здійснюватись оптимізація систем харчування на всіх етапах її створення, а саме: при проектуванні окремих страв, продуктів харчування, оптимізації кожного раціону одноразового споживання, кожного добового раціону та циклових раціонів.

9.Принцип мінімуму розсіювання нутрієнтів відносно їх добових потреб при створенні добових раціонів та принцип безповторності РОСів у сукупності ДР.

10.Принцип оптимізації циклового раціону харчування: із сукупності ДР обирається, наприклад, 14 найкращих з мінімальним розсіюванням нутрієнтів.

11.Принцип створення базових систем харчування лікувально-профілактичного призначення з оптимізованим високим вмістом збалансованого кальцію та індивідуальних систем харчування із заданою індивідуальною величиною середньодобового вмісту збалансованого кальцію.

12.Принцип формалізованого визначення біологічної цінності РОСів, з використанням залежностей скорів незамінних амінокислот раціонів від аналогічних скорів інгредієнтів.

13.При створенні систем харчування з чотириразовим (та більше) вживанням їжі протягом доби доцільно споживати не менше одного разу молочні продукти; 1 раз м'ясо; 1 раз рибу; 2 рази сирі овочі; не менше 1 разу фрукти.

Крім того, протягом тижня планувати 1-2 розвантажувальних дні без м'яса та риби.

Для створення проектів систем харчування відповідно до викладених принципів нами використовується наступний математичний інструментарій. По-перше, нами розроблено математичні моделі оптимізації 15 РОСів для перших сніданків, 15 РОСів для других сніданків, а також по 15 моделей РОСів відповідно для обідів і вечерь. По-друге, створено математичну модель оптимізації добових раціонів. По-третє, для визначення біологічної цінності білків у раціонах лікувально-профілактичного призначення нами розроблено формалізований метод обчислення скорів одночасно всієї сукупності незамінних амінокислот.

Метод базується на встановлених лінійних залежностях скорів незамінних амінокислот раціонів харчування від аналогічних скорів інгредієнтів [6].

Крім того, створено низку математичних моделей рецептур борошняних виробів, збагачених дефіцитними нутрієнтами. Зауважимо, що розробка рецептур борошняних виробів становить предмет окремого дослідження, що здійснюється для використання зазначених виробів у РОСах нового покоління з метою удосконалення СХ різних видів.

У математичних моделях оптимізації вмісту інгредієнтів у раціонах одноразового споживання враховано таке:

а)основні фізіологічні співвідношення між вмістом жиру та кальцію в раціоні харчування, кальцію та фосфору, кальцію та магнію;

б)технологічні обмеження на вміст інгредієнтів;

в)умови збагачення кожного РОСу нутрієнтами, які впливають на метаболізм кісткової тканини;

г)умову забезпечення енергетичної цінності.

Для кожного РОСу обрана своя цільова функція.

Математичне формулювання задачі оптимізації вмісту інгредієнтів у РОСІ: знайти багатовимірний вектор X = *|.л'2 хи-\-хи , координати якого х], х2, ..., xn задовольняють системі нерівностей (фізіологічним і технологічним умовам) і максимізують відповідну цільову функцію.

Розв'язки сформульованих задач лінійного програмування здійснено симплексним методом у системі MathCAD.

Математичне формулювання задачі оптимізації добових раціонів, що створюються з використанням сукупності безповторних РОСів.

Необхідно знайти сукупність (множину) цілих булевих змінних П (шукану кількість використань /-то РОСу (/ = 1,15) /-то виду (/-1, 2, 3, 4), тобто створених відповідно для перших та других сніданків, обідів і вечерь так, щоб виконувались такі умови:

а)співвідношення у добовому раціоні між вмістом жиру та кальцію в раціоні харчування, кальцію та фосфору, кальцію та магнію;

б)умови забезпечення добових раціонів нутрієнтами що впливають на метаболізм кісткової тканини споживача;

в)умови конструювання ДР, що створюються на базі РОСів, призначених для різних прийомів їжі. Ці умови полягають у тому, що в конкретному ДР буде використано тільки один із 15-20 і більше РОСів для перших сніданків, аналогічно тільки один для других сніданків, обідів, вечерь тощо;

г)умови конструювання другого та наступних ДР.

При цьому цільова функція, наприклад, сума абсолютних величин відносних відхилень добових значень нутрієнтів від їх добових потреб, повинна бути мінімальною.

Зауважимо, що математичні моделі, у тому числі цільові функції оптимізації ДР для різних раціонів можуть дещо відрізнятись, особливо для систем харчування різного призначення.

Аналіз моделі оптимізації добових раціонів показує, що вона є моделлю цілочисельного програмування з булевими змінними. Для розв'язання одержаної задачі необхідне створення програмного продукту або адаптація існуючої програми відповідного типу.

У процесі дослідження здійснено обґрунтування можливості визначення скорів незамінних амінокислот раціонів одноразового споживання різної структури як лінійних функцій від аналогічних скорів інгредієнтів.

Розроблено формалізований метод визначення скорів незамінних амінокислот як для будь-яких проектів раціонів харчування, так і, природно, проектів рецептур страв.

Запропонований метод, по-перше, дозволяє швидко та необтяжливо виконувати одночасний розрахунок скорів усієї сукупності незамінних амінокислот. По-друге, створює перспективу як розробки відповідної програми, так і обчислення скорів НАК великих сукупностей РОСів із використанням ПК. Потреба у зазначених обчисленнях виникає при проектуванні довготривалих систем харчування лікувально-профілактичного призначення.

По-третє, при вилученні будь-якого інгредієнта (інгредієнтів) із раціону харчування, що створюється, або залученні додаткового (додаткових) інгредієнтів немає необхідності всю процедуру обчислень повторювати в повному обсязі. У матриці скорів незамінних амінокислот інгредієнтів С Іітред вимірністю m х п, де п може бути близько 10-15 і більше елементів, необхідно лише один або декілька стовпців вилучити (замінити на нові), а інші - залишити без зміни, що надзвичайно важливо. Зазначена обставина суттєво (у рази) спрощує розрахунок елементів нової матриці С тгред і, як висновок, - скорів усієї сукупності незамінних амінокислот нового раціону харчування.

лікувальний профілактичний харчування

Висновки

лікувальний профілактичний харчування

У результаті виконаного дослідження встановлено, що:

1)створити ефективний механізм реалізації інтегрально збалансованого харчування для профілактики та лікування різних захворювань, у тому числі й тих, що виникають на тлі дефіциту кальцію, неможливо без застосування математичного інструментарію та комп'ютерних технологій;

2)найбільш перспективним напрямом досліджень щодо створення зазначеного механізму є розробка довготривалих систем харчування для різних категорій споживачів;

3)сформульовано концепцію створення систем харчування (СХ) лікувально-профілактичного призначення з використанням математичного інструментарію;

4)розроблено низку математичних моделей лінійного програмування для проектування раціонів одноразового споживання різного призначення, а також моделей задач цілочисельного програмування для оптимізації добових раціонів;

5)запропоновано формалізований метод одночасного оперативного визначення скорів 10 незамінних амінокислот, метод, призначений для визначення біологічної цінності білків у раціонах лікувально-профілактичного призначення.

Список джерел інформації

1.Юрина Э. В., Крутовой Ж. А., Синекоп Н. С., Протопопова К. Э. Оптимизация рецептур и технологии высокобелковых хлебобулочных изделий пониженной энергетической ценности. Тезисы докладов: Теоретические и прикладные аспекты применения инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств.

2.Математичне моделювання раціонів харчування, що містять збалансований кальцій / В. М. Михайлов, Ж. А. Крутовий, Г. В. Запаренко, Н. В. Манжос, Л. О. Касілова // Обладнання та технології харчових виробництв : темат. зб. наук. праць / Донецький нац. ун-т економіки і торгівлі ім. М Туган-Барановського.

3.Черевко О. І., Крутовий Ж. А. Математичні аспекти збалансування складу нутрієнтів у системах харчування / О. І. Черевко, Ж. А. Крутовий // Прогресивні техніка та технології харчових виробництв, ресторанного господарства і торгівлі : зб. наук. праць / ХДУХТ. - Х., 2013. - Вип. 1 (17). - С. 271-287.

4.Черевко О. І. Основні принципи створення систем харчування для профілактики та лікування захворювань, що виникають на тлі дефіциту кальцію / О. І. Черевко, Ж. А. Круговий, В. М. Михайлов, Л. О. Касілова // Прогресивна техніка та технології харчових виробництв, ресторанного та готельного господарств і торгівлі. Економічна стратегія і перспективи розвитку сфери торгівлі та послуг - Х. : ХДУХТ, 2012. - С. 233.

Размещено на Allbest.ru