Оптимизация рационов питания с использованием компьютерных технологий Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Ключевые слова: компьютерные технологии; рационы питания; оптимизация; рецептура; функциональный продукт.

УДК: 613.21:004.9

Key words: computer technologies; food allowances; optimization; a compounding; a functional product.

Оптимизация рационов питания

с использованием компьютерных

технологий

И.В. Глазкова, канд. техн. наук, Ю.А. Ивашкин, д-р техн. наук, профессор Московский государственный университет прикладной биотехнологии

Одна из важнейших социальных проблем, связанных с обеспечением стабильности и развития физического и интеллектуального состояния населения страны, состоит в решении задач адекватного питания, определяющего нормальную жизнедеятельность каждого человека.

Недостатки в структуре и качестве питания сопровождаются неспособностью соответствующих защитных систем организма адекватно отвечать на неблагоприятные воздействия окружающей среды, что резко повышает риск развития многих заболеваний. Поэтому, говоря об адекватном питании того или иного человека, в первую очередь необходимо анализировать его особенности, учитывая структуру и традиции питания; технологические, физиологические, медицинские, биохимические и экологические факторы; климатические, региональные, экономические и социальные условия, а также алиментарно-зависимые заболевания и характер профессиональной деятельности.

Проблемы индивидуального адекватного питания конкретного человека с учетом множества параметров состояния, альтернатив и критериев, всякого рода ограничений и условий могут быть решены с помощью компьютерных технологий обработки и формализации данных и знаний путем принятия оптимальных решений на основе комплексных моделей многокритериальной структурно-параметрической оптимизации и объективной оценки адекватности предлагаемых вариантов.

В современных условиях для решения задач адекватного питания необходимо создавать специализированные продукты питания и разрабатывать сбалансированные рационы питания различных групп населения с включением данных продуктов.

При проектировании мультифункцио-нальных продуктов питания необходим системный подход к их созданию, учитывающий не только потребность организма человека в основных пищевых веществах, энергии, витаминах и

минеральных веществах, но и возможность химического взаимодействия составных частей создаваемого продукта. При этом должны быть выбраны такие сочетания, формы, стадии внесения компонентов, вид технологической обработки, которые обеспечивают их максимальную сохранность в процессе производства и хранения.

При формировании рациона должны быть соблюдены принципы рационального, сбалансированного, адекватного питания, подразумевающего удовлетворение потребности человека в пищевых веществах и энергии; сбалансированность рациона по всем пищевым веществам (аминокислотам, жирным кислотам, углеводам, витаминам, минеральным веществам); максимальное разнообразие рациона, достигаемое путем использования достаточного ассортимента продуктов и способов кулинарной обработки; адекватную технологическую (кулинарную) обработку продуктов, обеспечивающую высокие вкусовые качества продукции и сохранность ее пищевой ценности; учет индивидуальных особенностей человека (в том числе непереносимости отдельных видов пищевых продуктов или блюд); формирование рациона по качественному и количественному составу дифференцированно для различных возрастных групп населения.

Структурно-параметрическое моделирование и оптимизация системы питания, положенные в основу предлагаемой информационной технологии, заключаются в рациональном изменении ассортимента и рецептур компонентов рационов питания в зависимости от состояния человека, свойств продуктов, ингредиентной оптимизации химического состава многокомпонентных продуктов и рациона в целом по критериям пищевой и биологической ценности [1].

В основе проектирования комбинированных продуктов лежит принцип пищевой комбинаторики, т.е. процесс создания рецептур новых видов пищевых продуктов методом комбинаторного перебора количественных долей

отдельных ингредиентов в рецептуре: основного сырья, ингредиентов, пищевых и биологически активных добавок, совокупность которых обеспечивает формирование требуемых органолеп-тических и физико-химических свойств, а также заданный уровень пищевой, биологической и энергетической ценности продукта [2].

Математическое моделирование специализированного продукта, восполняющего недостаток микронутри-ентов, заключается в построении его модели по заданным параметрам адекватности и качества при обеспечении максимальной сохранности и возможности альтернативного выбора обогащающих добавок в составе пищевых изделий с учетом возможности взаимодействия составляющих добавок между собой и с компонентами обогащаемого продукта [3-5].

На базе ассортиментно-рецептурных задач оптимизации в результате совместной деятельности технологов, системных аналитиков и программистов МГУПБ разработаны модели и методы проектирования определенных видов продуктов с оптимизацией их по отдельным группам показателей качества [2].

Для разработки функционального продукта могут быть использованы задачи рецептурной оптимизации с введением гибких рецептур, допускающих определенные изменения количественных соотношений между компонентами в зависимости от конкретно содержащихся в них элементов химического состава. При этом постановка задачи связана с введением критериев минимизации отклонений от заданного или эталонного содержания групп показателей пищевой и биологической ценности, например, заданного суточного минерального состава, эталонной шкалы незаменимых аминокислот ФАО/ ВОЗ и т. п.

где т¡- массовая доля /-го элемента химического состава в ¡-м рецептурном компоненте продукта; М0- содержа-

ПИТАНИЕ И ЗДОРОВЬЕ

ние /-го элемента химического состава в эталонном или желаемом продукте с учетом следующих ограничений: по отношению содержания белка к содержанию жира; по отношению содержания белка к содержанию воды; по отношению массовых долей заменимых и незаменимых аминокислот, в общем виде представляемых как:

2Х -^/Ё^/Л

7=1

^ ;

где к((- коэффициент соотношения /го и (-го элементов химического состава; е((- задаваемая точность для /, (-го соотношения;

по содержанию отдельных компонентов в рецептуре

ХТ" < ЛЛ, < X":

] = \,п ;

по элементному составу

л-/,""" <]>Х..V,<м;'шх:

1 = 1, N

Кроме того, принимаются во внимание ограничения по физическим параметрам многокомпонентного продукта: I1 - водосвязывающая способность (ВСС); 12 - жироудерживающая способность (ЖУС); 13 - водоудерживаю-щая способность (ВУС); I- предельное напряжение сдвига (ПНС); 15- показатель активной кислотности (рН), как

■ут/п ¿к

1 "

П Ы,

■ т

— ^к

,

где гк(- значение к-го параметра в у'-м компоненте рецептуры; 1к1ктах-минимальное и максимальное допустимые значения к-го параметра продукта; т- массовая доля у'-го рецептурного компонента.

При необходимости возможно введение и других ограничений, которые будут определяться спецификой разрабатываемого продукта.

Разработанные математические методы для проектирования многокомпонентных продуктов позволяют: оптимизировать рецептурный состав и качественные характеристики традиционных (первое поколение) продуктов питания; расширять ассортимент индустриальных пищевых продуктов второго поколения, т.е. продуктов, в которых, благодаря их составу, обеспечивается задаваемый уровень соотношения питательных веществ статистически обоснованному эталону, учитывающему специфику метаболизма у конкретных детерминированных групп населения; создать индустриальные пищевые продукты третьего поколения - пищевые продукты, в которых массовые доли

компонентов подобраны таким образом, что они обусловливают возможность целевого и функционального питания определенных групп населения; в условиях дефицита белоксодержа-щего пищевого сырья оптимизировать условия его использования и вовлечь в сферу потребления нетрадиционные источники белка, обогатители, БАД и т. д.

Созданная на основе изложенных моделей экспертная система [6] индивидуального питания нашла свое практическое применение при проектировании целого ряда продуктов общего и целевого назначения: школьного, студенческого, геродиетическо-го питания; для профилактики целого ряда заболеваний: желудочно-кишечного тракта, опорно-двигательного аппарата, сердечно-сосудистой системы, обогащенных витаминами и микроэлементами.

Одна из главных задач при проектировании рационов питания для различных возрастных групп - соответствие качественных характеристик продуктов и блюд физиологическим особенностям человеческого организма.

Математическая модель и алгоритм формирования индивидуального меню с учетом вкусовых предпочтений человека, его финансовых возможностей, а также индивидуальных физических и физиологических характеристик (рост, масса тела, пол, род занятий и т.д.) сводятся к минимизации расхождения вкусовых предпочтений субъекта с предписаниями диетолога по критерию

,

ке к , к , к

,

,

где предельная калорийность

суточного рациона, ккал; \МК- нормативная калорийность к-го блюда, ккал; Р(- доля суточной калорийности, приходящаяся на завтрак, обед и ужин,

соответственно

на предельный объем завтрака, обеда и ужина

где Vсут- предельный суточный объем рациона, г; V! - объем к-го блюда, г; у - доля суточного объема, приходящаяся на завтрак, обед и ужин,

соответственно

по верхней и нижней границам содержания /-го химического элемента

где Б^1, 5.тах- соответственно нижние и верхние ограничения на содержание в суточном рационе белков, жиров, углеводов, железа, марганца и других элементов, мг; аи- содержание /-го элемента химсостава в единице 'го продукта;

где Нкр, Нкг]- балльные оценки функционала «вкусового» предпочтения к-го блюда субъектом и диетологом;

Г о!

переменная включения в

состав блюд или рациона, при ограничениях:

по неповторяемости блюд в суточном рационе

на финансовые возможности паци-

где стоимость единицы у'-го продукта, руб.; Ссут - предельная суточная стоимость рациона, руб.; ХК- нормативное содержание у'-го продукта в к-м блюде, г; Хж- рекомендуемое содержание у'-го продукта в к-м блюде, г;

на предельную калорийность одного приема пищи

по массе к-го блюда

Сложность принятия оптимальных решений, обеспечивающих стабильность качества создаваемого продукта и вместе с тем эффективность рационов и режимов питания, обусловливается вероятностным разбросом характеристик и свойств исходных компонентов биологического сырья, а также индивидуальностью физиологических особенностей организма.

В каждом конкретном случае адекватные решения связаны с индивидуальным выбором и коррекцией состава рационов и продуктов питания, согласно медико-биологическим требованиям, учитывающим параметры определенной группы людей, структурных соотношений и ограничений на компонентном, элементном и моноструктурном уровнях [7].

Вышеизложенная математическая модель, реализованная для оптимизации рационов питания студентов в программном обеспечении для IВМ-совместимых компьютеров, позволяет решать следующие задачи:

анализировать суточный рацион или отдельные приемы пищи с известным количественным набором готовых продуктов по энергетической ценности и химическому составу с

ента

целью выявления диетических нарушений;

рассчитывать для фиксированного перечня готовых продуктов их оптимальное количество, максимально приближенное к эталонному рациону, рекомендуемому в зависимости от умственной и физической нагрузки;

оптимизировать рацион в зависимости от поставленной задачи путем подбора группы готовых продуктов из полного или избранного перечня архивных данных, равнозначно учитывая при этом все необходимые параметры качества каждого продукта;

корректировать рацион питания с учетом диетических отклонений по отдельным параметрам химического состава и энергетической ценности путем дополнительного введения продуктов повышенной биологической ценности специального назначения, поливитаминных и поливитаминно-минераль-ных препаратов, а также природных биологически активных веществ.

Информационные технологии, реализующие математические методы идентификации и прогнозирования качества пищевых продуктов, позволяют скорректировать и оптимизировать специализированные рационы питания

в рамках индивидуальных предпочтений и пищевой адекватности.

На основе изложенных математических моделей и методов математического программирования специалистами МГУПБ разработаны сбалансированные рационы общего и целевого (профилактика сердечно-сосудистых и желудочно-кишечных заболеваний) назначения для студенческих столовых, в том числе с использованием новых видов разработанных продуктов [8].

ЛИТЕРАТУРА

1. Ивашкин, Ю.А. Структурно-параметрическое моделирование и идентификация аномальных ситуаций в сложных технологических системах / Ю.А. Ивашкин // Проблемы управления. -2004. - №3.

2. Жаринов, А.И. Проектирование комбинированных продуктов питания / А.И. Жаринов, Ю.А. Ивашкин // Все о мясе. - 2004. - № 2-3. - С. 6-21.

3. Тутельян, В.А. Коррекция микро-нутриентного дефицита - важнейший аспект концепции здорового питания населения России / В.А. Тутельян, В.Б. Спиричев, Л.Н. Шатнюк // Вопросы питания. - 1999. - № 1. - С. 3-11.

4. Лисицын, А.В. Биологическая ценность новых белково-минераль-ных добавок / А.В. Лисицын, Л.И. Снизарь, С.И. Хвыля, Н.В. Тимошенко // Мясная индустрия. - 1998. - № 5. -С. 11-12.

5. Устинова, А.В. Использование растительных белков и белковосодержа-щих компонентов при разработке мясных продуктов нового поколения для детского питания / А.В. Устинова, Н.В. Лютина, О.К. Деревицкая // Пищевой белок и экология: материалы Межд. конф. - М.: ВНИИМП, 2000.

6. Тихомирова, Н.А. Технология продуктов функционального питания / Н.А. Тихомирова. - М.: ООО «Франтэ-ра», 2002.

7. Экспертная система индивидуального питания - Food&Life (свид-во о регистрации программы для ЭВМ) / И.А. Рогов, Е.И. Титов, Ю.А. Ивашкин, М.А. Никитина, Л.Ф. Митасева. Роспатент № 2005613126 от 30. 11. 2005.

8. Ивашкин, Ю.А. Моделирование и оптимизация адекватного питания с учетом индивидуальных медико-биологических требований / Ю.А. Ивашкин, М.А. Никитина, Д.А. Щур // Хранение и переработка сельхозсырья. -2007. - №3.