CC BY
35
УДК 641.563
Проблемно-ориентированный персонифицированный подход
к разработке новых продуктов
Е.А. Смирнова, канд. техн. наук, В.А. Саркисян, А.А. Кочеткова, д-р техн. наук, профессор НИИ питания РАМН
Последние годы характеризуются резко возросшим вниманием к проблемам питания со стороны не только представителей большинства отраслей медицины, но также ученых и специалистов пищевой промышленности. Это связано с пониманием тех негативных последствий для здоровья, к которым приводят повсеместно выявля емые и широко распространенные среди детского и взрослого населения нарушения структуры
Биологическая эффективность продукта - совокупность характеристик, обусловливающих область его воздействия на физиологические функции организма.
Ключевые слова: медико-технологический алгоритм; линейное программирование; коррекция нарушений пищевого статуса; белково-энер-гетическая недостаточность.
Key words: medical and technological algorithm; linear programming; correction of nutritional status disorders; protein-energy malnutrition.
питания и пищевого статуса [1]. Достижения современной биохимии, клеточной биологии, геномики и других областей науки существенно расширили представления о биологической роли как отдельных макро-и микронутриентов, так и целого ряда минорных биологически активных компонентов пищи [2, 3].
В последние годы ученые многих стран активно обсуждают концепцию персонифицированной или преди-
кативной (предупредительной) медицины, которая является инновационным методом профилактики, диагностики и лечения на основе знания индивидуальных генетических и функциональных особенностей человека [4]. Раннее выявление рисков возникновения того или иного заболевания позволяет обеспечить оптимальную профессиональную помощь, в частности, нутритивную поддержку.
По данным исследований, проведенных в последние годы, нутриенты и биологически активные компоненты пищи прямо или опосредовано регулируют функциональную активность генов, влияя на геном, транс-криптом, протеом и метаболом. На стыке диетологии и генетики возникла новая научная дисциплина - нут-ригеномика, изучающая взаимосвязь питания человека с характеристиками его генома с целью установления влияния пищи на экспрессию генов и, в итоге, на здоровье человека. Таким образом, генетические маркеры могут быть использованы для диагностики и прогноза алиментарно-зависимых заболеваний, в частности ожирения, а также в качестве предиктора для разработки персонифицированной диетотерапии и прогноза ее эффективности [5].
Одна из важнейших составляющих успешной коррекции наиболее рас-
пространенных нарушений структуры питания, а также лечения алиментарно-зависимых заболеваний -правильная постановка задач диетотерапии, которые должны быть выбраны с индивидуальных особенностей: в зависимости от исходной массы тела, возраста, состояния сердечно-сосудистой системы и т.д. [6]. Кроме того, известно, что диетическая терапия, адаптированная к уровню и характеру метаболических нарушений, построенная на основе современной концепции оптимального питания, является важнейшим лечебным фактором, обладающим многосторонним действием на организм, благоприятно влияющим на метаболические процессы на всех уровнях регуляции и улучшающим качество жизни [7, 8].
Один из путей, обеспечивающих реализацию персонифицированного подхода к рационам питания в зависимости от индивидуальных особенностей человека, исходного состояния его здоровья, наличия хронических заболеваний или факторов риска их возникновения, - разработка новых видов пищевых продуктов с измененным химическим составом и свойствами, обогащенных эссенци-альными нутриентами, специализированных и функциональных пищевых продуктов. Стратегия разработки таких продуктов основана на медико-технологическом алгоритме, обеспечивающем совокупный результат мониторинга нарушений пищевого статуса и дизайна специализированного пищевого продукта адресного назначения, отличительный признак которого - научно обоснованный и подтвержденный эффект, направленный на комплексную коррекцию конкретных нарушений пищевого статуса.
Анализ российского рынка функциональных и специализированных пищевых продуктов свидетельствует о том, что в последнее время популярность у потребителей приобретают продукты, обогащенные эссенци-альными нутриентами, позиционируемые производителями как продукты здорового питания. Ассортимент регулярно пополняется новыми продуктами и напитками с заявленной пользой для здоровья, однако их разработка, как правило, осуществляется без учета специфики такой продукции при отсутствии медико-биологического обоснования состава и заявленных свойств. При этом практика оценки биологической эффективности нового продукта (продукта нового состава) в настоящее время отсутствует.
Медико-биологические требова-
ния к продуктам для здорового питания включают требования к их безопасности, пищевой ценности, а также требования в отношении добавленной пользы для здоровья, что, главным образом, и отличает такие продукты от традиционных. В отношении пользы для здоровья функциональных и специализированных пищевых продуктов еще в 1999 г. Международный институт наук о жизни (International Life Sciences Institute) предложил шесть основных категорий, классифицирующих целевые функции организма, подвергаемые коррекции с помощью таких продуктов. К ним относят: влияние на рост, развитие и дифференциацию организма; метаболизм основных веществ; защита от окислительного стресса; деятельность сердечно-сосудистой системы; воздействие на физиологию и функции желудочно-кишечного тракта; поведение и психологические функции [9].
Обогащение пищевых продуктов эссенциальными нутриентами ставит перед разработчиками серьезную и очень важную задачу - совместить удовлетворение медико-биологических требований и соблюдение основных технологических принципов, определяющих конечные потребительские свойства продукта нового состава.
Успешное решение этой задачи связано с двумя научными приемами - моделированием и конструированием пищевых систем с заданными химическим составом и свойствами, что позволяет разрабатывать многокомпонентные продукты с четко определенным комплексом качественных показателей [10, 11]. При этом основное внимание уделяется биологической эффективности продукта, под которой понимают совокупность характеристик, обусловливающих область его воздействия на физиологические функции организма. Такая методология позволяет создавать продукты с определенным (заданным) содержанием белков, жиров, углеводов, витаминов, пищевых волокон, минеральных и других веществ [12].
Основное отличие моделирования в пищевой отрасли от аналогичного процесса в других отраслях промышленности заключается в том, что формирование свойств продукта определяется не только содержанием и оптимальным соотношением основных пищевых компонентов. В этом случае необходимо учитывать также факторы, которые играют далеко не последнюю роль в формировании потребительских предпочтений (к таким факторам относят органолеп-
тические показатели: вкус, запах, текстуру и внешний вид), вследствие чего, модель, построенная на основе теоретического моделирования, не является законченной, а требует доработки после корректировки сенсорных свойств.
Подбор качественного и количественного состава продукта проводится сразу в трех направлениях: по химическому составу и биологической эффективности, по стабилизации свойств и по органолептическим показателям. Первым и определяющим шагом в таком конструировании становится выбор продукта-прототипа [11], полную или частичную модификацию которого планируется выполнить, что, в свою очередь, формирует комплекс требований, предъявляемых к его биологической эффективности, стабильности и ор-ганолептическим показателям. На этом же этапе проводится предварительная оценка всех положительных и отрицательных особенностей исходного продукта, основных предполагаемых путей его модификации, осуществляются выбор основных ингредиентов, которые предположительно будут входить в конечный продукт, а также разработка системной модели.
Медико-технологический алгоритм проектирования специализированного пищевого продукта представлен на рисунке. На первом этапе разработки проводится оценка пищевого статуса и исходного состояния здоровья человека (или группы лиц со схожими метаболическими нарушениями). Конечная цель данного этапа - выявление индивидуальных потребностей в отдельных пищевых и биологически активных веществах и формирование медико-биологических требований для коррекции макро- и микронутриентного состава рациона. Затем устанавливаются критические параметры для конечного продукта: количество и соотношение ключевых нутриентов, органолептические характеристики, способность сохранять показатели качества и безопасности, в том числе и биологическую эффективность, на протяжении всего срока годности
[13].
На конечном этапе формирования медико-биологических и технологических требований к продукту проводится оценка технологической совместимости сырья и ингредиентов, которые предполагается использовать для конструирования. В результате данной оценки делают вывод о возможности применения всех ключевых нутриентов в одном продукте или о необходимости создания груп-
НОВЫЕ ИДЕИ - НОВЫЕ ПРОДУКТЫ
\ТЕМА НОМЕРА]
Оценка пищевого статуса и исходного состояния здоровья человека
1
Формирование медико-биологических
требований для коррекции макро-и микронутриентного состава пищевого рациона
Установление критических параметров для конечного продукта. Оценка технологической совместимости компонентов
L
Расчет рецептурного состава специализированного продукта или группы продуктов с учетом предъявляемых требований
W
Оценка потребительских свойств продукта
1 г
Разработка технической документации
Схема медико-технологического алгоритма разработки специализированных пищевых продуктов
пы продуктов для формирования полноценного и эффективного рациона с позиций диетотерапии.
Расчет рецептуры специализированного продукта ведут на основе сравнения его химического состава и соотношения отдельных нутриентов со значениями суточной потребности человека в пищевых веществах и энергии. Такая форма расчета позволяет оценить эффективность и степень соответствия ключевых ингредиентов пищевого продукта медико-биологическим требованиям. Далее с помощью стандартных подходов проводится оценка соответствия потребительских свойств продукта. В
случае необходимости производится корректировка рецептуры для достижения наиболее приемлемых потребительских характеристик.
Предлагаемый проблемно-ориентированный персонифицированный подход к разработке новых продуктов является универсальным, не зависит от природы корректируемых нарушений пищевого статуса и вида проектируемых продуктов, может применяться при диетотерапии различных алиментарно-зависимых заболеваний.
В качестве примера использования данного алгоритма можно рассмотреть процесс разработки функционального пищевого продукта для лиц с белково-энергетической недостаточностью (БЭН).
БЭН или алиментарная дистрофия, субстратно-энергетическая недостаточность - состояние, характеризующееся развитием симптомов дефицита белков и энергии, а также других нутриентов (жиров, углеводов, витаминов, минеральных веществ) в результате относительной или абсолютной их недостаточности, которая развивается вследствие частичного или полного голодания [14, 15].
Алиментарная дистрофия может быть обусловлена недостаточным поступлением белков и энергии в организм человека, а также усилением процессов катаболизма белков в организме. Длительное ограничение питания неизбежно приводит к несбалансированности рациона по основным микро- и макронутриентам, и даже при нормальной массе тела человека выявляются серьезные нарушения пищевого статуса, что требует диетологической коррекции [16, 17]. Кроме того, БЭН - одна из основных проблем терапевтических и хирургических стационаров. Более 50 % пациентов, поступающих на лечение, страдают алиментарной дистрофией и выраженным гиповитаминозом (особенно дефицитом
Таблица 1
Рецептура сухой смеси для инстантного напитка
Ингредиент Масса, г Массовая доля основных компонентов, %
белок жир углеводы пищевые волокна вода
Концентрат сывороточного белка 3,30 80 7 4 0 9
Яичный белок 16,32 82,4 1,8 1,2 0 9
Сахар 30,12 0 0 99,8 0 0,1
Мальтодекстрин 30,12 0 0 99,8 0 0,1
Порошкообразное масло Чиа 1,80 0 100 0 0 0
Порошкообразное кокосовое масло 17,20 0 80 18 0 2
Витаминный премикс 0,15 0 0 0 0 0,1
Ароматизатор шоколадный 1,00 0 0 80 0 6
Итого: 100,00
фолиевой кислоты, витаминов В2и С) [14].
Цель диетической терапии при БЭН - нормализовать функциональную регуляцию иммунной системы, постепенно адаптируя пациента к нарастающему по химическому составу и энергетической ценности пищевому рациону, усилить анаболические процессы, повысить сопротивляемость организма к различным заболеваниям, способствовать нормализации обменных процессов. При разработке программы по питанию лиц с алиментарной дистрофией основное внимание необходимо уделять сбалансированности питания по химическому составу и энергетической ценности, витаминам и минеральным веществам. Оптимальным соотношением белков, жиров и углеводов при алиментарной дистрофии, независимо от стадии заболевания, следует считать соотношение, равное 1:1:4. [18].
Системная модель инстантного напитка для лиц с БЭН, рассматриваемого в качестве примера, разрабатывалась при помощи методов линейного программирования в пакете «Поиск решения» в Microsoft Excel. В качестве функции цели принимали показатель биологической ценности (БЦ), значение которого должно стремиться к максимуму, поскольку для лиц с БЭН качество потребляемого белка выступает ключевым фактором при формировании лечебного рациона.
В качестве ограничений для разрабатываемой модели были установлены:
• соотношение белок:жир:угле-воды, равное 1:1:4;
• содержание полиненасыщенных жирных кислот семейства ю-3 в одной порции продукта не менее 25 % от адекватного уровня потребления;
• показатели качества белкового компонента [19] - коэффициент различия аминокислотного скора (КРАС) и коэффициент утилитарности (U), стремящиеся к минимуму, а также коэффициент сопоставимой избыточности (G) и БЦ, стремящиеся к максимуму.
Подбор белковых ингредиентов
осуществляли в автоматическом режиме из списка наиболее ценных с биологической точки зрения белков. Компоненты для жировой основы выбирали из перечня доступных на рынке порошкообразных жиров. Конечная рецептура сухой смеси для приготовления инстантного напитка приведена в табл. 1. Результаты расчета энергетической ценности и соотношения основных компонентов
напитка на 100 г сухой смеси и на одну порцию 50 г/200 мл воды показаны в табл. 2.
Расчеты показателей качества белкового компонента и жирнокислот-ного состава приведены в табл. 3 и 4 соответственно. Как видно из данных таблиц, разработанная системная модель рецептуры полностью соответствует установленным медико-биологическим требованиям.
Экспериментальный образец сухой смеси для напитка был выработан на лабораторном турбулентном смесителе С 2.0 («Вибротехник», Россия). Для проведения сенсорной оценки 50 г сухой смеси восстанавливали в 200 мл питьевой воды. По результатам органолептического анализа было скорректировано соотношение сахар:мальтодекстрин для достижения гармоничного умеренного сладкого вкуса. В конечной рецептуре данное соотношение составило 1:1.
Таким образом, с помощью методов линейного программирования была разработана рецептура инстан-тного напитка для лиц с БЭН. Энергетическая ценность 100 г сухой смеси составляет 466 ккал. Калорийность одной порции может регулироваться жидкостью, используемой для восстановления смеси (вода, сок, обезжиренное молоко), в зависимости от индивидуальных потребностей пациента. Количество порций, употребляемых в течение суток, должно устанавливаться диетологом, что позволяет персонифицировать диетотерапию.
К преимуществам данного подхода к разработке рецептуры продукта можно отнести скорость и точность расчета оптимальных соотношений компонентов, удобство задания критических параметров конечного продукта, подбор ингредиентов, исходя из их химического состава, а также возможность быстрой корректировки рецептуры по результатам оценки потребительских свойств продукта.
Предлагаемый медико-технологический алгоритм обеспечит возможность оперативного решения вопросов, связанных с формированием персонифицированных диет, их наполнения конкретными продуктами, снизит потери от социально значимых заболеваний и позволит повысить качество жизни.
ЛИТЕРАТУРА
1. Микронутриенты в питании здорового и больного человека (справочное руководство по витаминам и минеральным веществам)/В.А. Туте-льян [и др.]. - М.: Колос, 2002. - 424 с.
Таблица 2
Расчет энергетической ценности и соотношения основных компонентов в рецептуре
Компонент Содержание компонентов в конечном продукте, % Энергетическая ценность на 100 г, ккал Энергетическая ценность порции продукта, ккал
белок жир углеводы вода
Концентрат сывороточного бел ка 2,64 0,23 0,13 0,30 13,15 6,58
Яичный белок 13,45 0,29 0,20 1,47 57,22 28,61
Сахар 0,00 0,00 30,06 0,03 120,23 60,11
Мальтодекстрин 0,00 0,00 30,06 0,03 120,23 60,11
Порошкообразное масло Чиа 0,00 1,80 0,00 0,00 16,18 8,09
Порошкообразное кокосовое масло 0,00 13,76 3,10 0,34 136,24 68,12
Витаминный премикс 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Ароматизатор шоколадный 0,00 0,00 0,80 0,06 3,20 1,60
Итого 16,08 16,08 64,34 2,23 466,45 233,22
Отношения компонентов 1,00 1,00 4,00 0,14
% от энергетической ценности 13,8 31,0 55,2 0,0
Таблица 3
Показатели качества белкового компонента напитка
Аминокислота Содержание Скор 4РАС РАС БЦ U Q
Изолейцин 5,40 1,35 0,00
Лейцин 9,60 1,37 0,00
Лизин 7,65 1,39 0,02
Метионин+Цистеин 5,89 1,68 0,31
11,85 88,15 0,90 4,07
Фенилаланин+Тирозин 10,76 1,79 0,42
Треонин 5,49 1,37 0,00
Триптофан Валин 1,65 7,27 1,65 1,45 0,20 0,00
Таблица 4
Жирнокислотный состав липидного компонента напитка
Жирная кислота Формула Содержание, % от общей суммы ЖК
Капроновая (гексановая) 6:0 0,310
Каприловая (октановая) ^ snrii/iuADsa 1 п^1/эилоэа i 8:0 10:0 6,456 5 749
каприновая (декановая) Лауриновая (додекановая) 12:0 1А-Г\ 5,7 49 43,470 771
Миристиновая (тетрадекановая) Пальмитиновая (гексадекановая) П А П k М 1/1 ТО ПР1/11-1 OR Я Q ( ГР1<Г?\ ПР1 IPMOR^Q ) 14:U 16:0 16:1 ш7 16,721 8,693 0,008
1 1 CI J 1 D IVI I'll WJ 1С V\ П WD CI Л \ 1 С IxV-Cl^C Ц~П \J D a Л / Маргариновая (гептадекановая) ГрПТЛ ПР1 1Р1-1П R Я Я 17:0 171 ш8 0,006 0,001
I ci i i a ^с цс п w Da л Стеариновая (октадекановая) О ПР1/1 МГШЯЯ ( ПКТЯ ПР1 IPMOR^Q 1 18:0 18:1 ш9 3,074 7,680
Олеиновая (ок1 адеценовая) Линолевая (октадекадиеновая) 18:2 ш6 4,299
a-Линоленовая (октадекатриеновая) 18:3 ш3 6,427
Арахиновая (эйкозановая) 20:0 7П-1 r.-»Q 0,121
Эйкозеновая (гондоиновая) Эйкозадиеновая 1-sOгоuiг\рэa 1 пп/л^эипрэа i 20:1 IU9 20:2 ш6 22:0 0,106 0,006 0,002
Бе1 еновая (докозановая) Эруковая (доказеновая) 22:1 ш13 0,009
Докозадиеновая 22:2 ш6 0,000
Лигноцериновая (тетракозановая) 24:0 0,009
Нервоновая (тетракозеновая) 24:1 ш9 0,000
2. Шабров, А.В. Биохимические основы действия микрокомпонентов пищи/А.В. Шабров, В.А. Дадали,
В.Г. Макаров; под ред. проф. В.А. Дадали. - М.: Авалон, 2003. - 184 с. 3. Оттавей, П.Б. Обогащение пи-
w НОВЫЕ ИДЕИ ~ НОВЫЕ ПРОДУКТЫ
ТЕМА НОМЕРА
щевых продуктов и биологически активные добавки. Технология, безопасность и нормативная база/П.Б. Оттавей; пер.с англ. - СПб.: Профессия, 2010. - 312 с.
4. Пальцев, М.А. Персонифицированная медицина/М.А. Пальцев//На-ука в России. - 2011. - № 1. - С. 12-17.
5. Генетические подходы к персо-нализации питания/А.К. Батурин [и др.]//Вопросы питания. - 2012. -№ 6. - С. 4-11.
6. Роль алиментарного фактора в коррекции основных проявлений метаболического синдрома. Современные подходы к диетотерапии/ А.А.Вискунова [и др.]//Вопросы питания. - 2009. - № 5. - С. 4-10.
7. Верескун, Н.В. Лечебное питание при гипертонии/Н.В. Верескун. - М.: РИПОЛ классик, 2011. - 191 с.
8. Питание здорового и больного ребенка/В.А. Тутельян [и др.]. - 4-е изд. - М.: Династия, 2010. - 315 с.
9. Scientific concepts of functional foods in Europe: consensus document/ А.Т. Diplock [et al.]//British Journal of Nutrition. - 1999. - Vol. 81. - Supp. 1. -27 p.
10. Проектирование состава продуктов детского питания: Обзорная информация/А. В. Анисимова [и др.].- М.: АгроНИИТЭИММП, 1995. - 35 с.
11. Грачёв, Ю.П. Математические методы планирования эксперимен-та/Ю.П. Грачёв. - М.: Пищевая промышленность, 1979. - 200 с.
12. Комбинированные молочные белковые продукты с использованием растительного сырья/Л.А. Остроумов [и др.]//Хранение и переработка сельхозсырья. - 1998. - № 8. - С. 28-30.
13. Изменение липидного комплекса обогащенной пшеничной муки в процессе хранения/Л.Н. Шатнюк [и др.]//Хлебопечение России.-2010. - № 2. - С. 29-31.
14. Смолянский, Б.Л. Терминологическая трактовка и классификация алиментарных заболеваний/Б.Л. Смолянский//Вопросы питания.-1989. - № 5. - С. 23-27.
15. Lopez, C. Estimated intelligence quotient in anorexia nervosa: a systematic review and meta-analysis of the literature/C. Lopez, D. Stahl,
K. Tchanturia//Annals of General Psychiatry. - 2010. - Vol. 9. - P. 4049.
16. Лаптева, Е.Н. Особенности лечебного питания больных с алиментарной дистрофией (белково-энергетической недостаточностью алиментарного генеза)/Е.Н. Лапте-ва//Вопросы здорового и диетического питания. - 2011. - № 4. -C. 4-15.
17. Современные продукты питания в программах диетологической реабилитации пациентов с различными формами нарушений пищевого поведения/З.М. Зайнудинов [и др.]//Материалы XI Всероссийского Конгресса диетологов и нутрициоло-гов. - М., 2009. - С. 50-52.
18. Хорошилов, И.Е. Кахексия и истощение: патогенез, диагностика и лечение/И.Е. Хорошилов//Клини-ческое питание. - 2007. - № 3. -С. 51-54.
19. Рогов, И.А. Химия пищи. Принципы формирования качества мясо-продуктов/И.А. Рогов, А.И. Жари-нов, М.П. Воякин. - СПб.: Издательство РАПП, 2008. - 340 с.
ВЕСЬ МИР ПИТАНИЯ
