CC BY
30
УДК 613.2.038
МОДЕЛИРОВАНИЕ СУТОЧНОГО НАБОРА ПРОДУКТОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В БИОРЕГЕНЕРАТИВНОЙ СИСТЕМЕ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
А. Б. Мироненко Научный руководитель - Н. С. Мануковский
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Разработана модель для определения суточного набора продуктов (СНП) в соответствии с нормами питания. Показано, что известный минимальный СНП не удовлетворяет принятым нормам физиологических потребностей космонавта. Дисбалансы кальция, пантотеновой кислоты и витамина D могут быть устранены путём добавки соответствующих препаратов. Сформулированы условия устранения дефицита омега-6 жирных кислот и серосодержащих аминокислот.
Ключевые слова: система жизнеобеспечения, суточный набор продуктов, нутриенты, моделирование, целевая функция, независимые переменные, вектор-столбец.
MODELING DAILY FOOD PACKAGE FOR THE USE IN BIOREGENERATIVE LIFE
SUPPORT SYSTEM
A. B. Mironenko Scientific Supervisor - N. S. Manukovsky
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
A model to determine daily food package (DFP) in accordance with nutritional standards was developed. It is shown with the help of model calculations that the known minimum DFP does not meet the accepted norms of physiological needs of the astronaut. The deficiency of calcium, pantothenic acid and vitamin D could be covered by appropriate supplements. The conditions for covering omega-6 fatty acids and sulfur-containing amino acids deficiency are stated.
Keywords: Life Support System, daily food package, nutrients, modeling, objective function, independent variables, column vector.
Назначение биорегенеративной системы жизнеобеспечения (БСЖО) - обеспечивать обитателей кислородом и пищей. В качестве источников пищи используют растения и животных, выращиваемые в БСЖО. Частично принимают пищу из запасов в консервированном виде, как это было в БСЖО БИОС 3 [1]. Рацион питания в БИОС 3 не был жёстко регламентирован, поскольку внутрисистемная растительная пища употреблялась по желанию испытателей. Соответственно, не был определён и суточный набор продуктов (СНП).
Предложен минимальный СНП для космонавта в БСЖО на лунной базе, состоящий из зёрен риса - 603 г, соевых бобов - 179 г, листьев салата - 128 г, ягод земляники - 75 г, мяса улитки Helix pomatia L. - 110 г, воды и поваренной соли [3]. Все продукты предполагалось производить в БСЖО. Минимальный СНП соответствовал нормам питания того времени. В последние годы номенклатура и величины норм существенно изменились.
Цель работы - выявить дисбалансы между количественным составом нутриентов в минимальном СНП и современными нормами питания, а также внести предложения по устранению дисбалансов путём формирования расширенного СНП, получаемого добавлением в минимальный СНП дополнительных продуктов.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
Для достижения поставленной цели создана математическая модель, с помощью которой рассчитывали массы пищевых продуктов в СНП в соответствии с современными нормами питания NASA [2]. Минимальный и расширенный СНП оценивали по следующим показателям:
1. Общая суточная масса СНП (IFMt), г. Включает массу продуктов, производимых в БСЖО (IFMm) и массу продуктов из запасов (IFMs).
2. Автономность СНП, %. Определяется соотношением между массой продуктов, производимой внутри БСЖО, и общей массой: FI = 100*IFMin / IFMt
3. Количество дисбалансов (SNI), то есть, количество нутриентов в СНП, масса которых не укладывается в нормы физиологических потребностей.
Сравнивали минимальный и расширенный СНП, используя целевую функцию минимизация количества дисбалансов: SNImin = min(SNI)
Моделирование проводили в среде Excel 2007 - Visual Basic for Applications. Продукты Pj в модели представлены как вектор-столбец: Pj = [a1j a2j ... aj.. auj].
Каждый член в векторе-столбце представляет массу нутриента в 100 г продукта. Численные величины масс нутриентов находили в открытых базах данных: USDA National Nutrient Database for Standard Reference, SELFNutritionData, Fodevaredata, European Food Composition Tables. Совокупность векторов P1 P2...Pj ...Pv представляет собой матрицу «нутриент-продукт» размером uxv представленную в таблице.
Матрица «нутриент-продукт»
Нутриенты Продукты Масса нутриентов Норма max Норма min
Pi P2 Pj Pv mn nd nh
Ni an ai2 aij aiv mni ndi nhi
n2 a2i a22 a2j a2v mn2 nd2 nh2
Ni au ai2 au aiv mni ndi nhi
Nu aui au2 auj auv mnu ndu nhu
Масса продуктов mpi mp2 mPj mpv
Масса min mpdi mpd2 mpdj mpdv
Масса max mpui mpu2 mpuj mpuv
В состав нутриентов включены вода, белки, жиры, углеводы, волокна, зола, минералы, витамины, жирные кислоты, а также незаменимые аминокислоты. Независимыми переменными в модели являлись массы продуктов mpj. На область изменения независимых переменных наложено ограничение :mpdj < mpj < mpuj. Массы нутриентов (г) определяли с помощью функции Excel СУММПРОИЗВ:
mni = СУММПРОИЗВ((ап : alv)/100; mpj : mpv).
На область изменения массы нутриентов наложено ограничение: ndi < mni < nhi в соответствии с нормами NASA.
Число отслеживаемых нутриентов (u) в нашей модели равно 38. Расширенный СНП получали добавлением в минимальный СНП соевого и оливкового масла, а также яичного порошка. Калорийность СНП рассчитывали по формуле:
E = 4*[protein] + 9*[fat] + 4*[carbohydrate]. где [protein], [fat], [carbohydrate] - массы белков, жиров и углеводов в СНП, соответственно.
Величину суточных энергозатрат космонавта и калорийность СНП принимали равными 2800 ккал. Запуск модели проводили с помощью надстройки Excel «Поиск решения», используя параметры: MaxTime: = 300, Iterations: = 1000, Precision: = 0.000001, Tolerance: = 5 %, Convergence: = 0.0001, AssumeLinear: = False, AssumeNonNeg: = True, Estimates: = Tangent, Derivatives: = Forward, Search: = Newton.
Установлено, что масса и автономность минимального СНП равны 2717 г и 100%, соответственно. При этом в минимальном СНП выявлено 7 дисбалансов. Ниже нормы массы Ca, пантотеновой кислоты, витамина D, омега-6 жирных кислот и серосодержащих аминокислот. Выше нормы массы Fe и P. Дефицит Ca обусловлен отсутствием в минимальном СНП молочных продуктов. Масса и автономность расширенного СНП равны 2641 г и 98 %, соответственно. Снижение автономности обусловлено включением в СНП оливкового масла и яичного порошка из запасов. Дефицит Ca, пантотеновой кислоты и витамина D в расширенном СНП снят за счёт использования препаратов данных нутриентов. Наличие соевого и оливкового масла в расширенном СНП приводит к снижению дефицита омега-6 жирных кислот. Для устранения их дефицита массовое соотношение [омега-6]/[омега-3] в масле должно быть не ниже, чем 8,7. Включение яичного порошка в расширенный СНП приводит к снижению дефицита серосодержащих аминокислот. Для устранения дефицита необходимо увеличить массу метионина в яичном порошке в 1,1 раза.
Библиографические ссылки
1. Звено «человек» в эксперименте (Медико-физиологические и гигиенические исследования) // Замкнутая система: человек - высшие растения / Ю. Н. Окладников, Н. В. Власова, Г. Е. Касаева и др. Новосибирск : Наука. Сиб. отд., 1979. С. 82-99.
2. Cooper M., Douglas G., Perchonok M. (2011) Developing the NASA food system for long-duration missions // J. of Food Science 76(2): R40-R48.
3. Midorikawa Y., Fujii T., Ohira A., Nitta K. (1993) CELSS nutrition system utilizing snails. Acta Astronautica 29: Р. 645-650.
4. Актуальные проблемы авиации и космонавтики [Электронный ресурс] : тезисы X Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи (8-12 апреля 2014 г., Красноярск). URL: http://www.sibsau.ru/images/document/2014/2014_11_13_APAK_1_tom.pdf (дата обращения: 18.03.2016).
© Мироненко А. Б., 2016
