Александр Ильич Брянский
Динамическая оптимизация питания человека
1часть Динамическая оптимизация питания человека
«Оптимизация питания проблема, нуждающаяся в общем решении» Александр Михайлович Углев. «Динамическая оптимизация питания человека позволяет оптимизировать каждое питание каждому человеку на протяжении всей жизни» Александр Ильич Брянский.
Предисловие
С момента выхода моей книги ”Пища каждого дня: динамическая оптимизация питания” [1] прошло восемь лет. Интерес, проявленный к книге, и большое количество задаваемых вопросов заставляют выпустить книгу, в которой подход к питанию предложенный мною рассматривается значительно подробнее, с учётом результатов исследований прошедших лет. Кроме того, учитывая сегодняшнюю ситуацию в Мире, связанную с пандемией короновируса («COVID – 19»), широкое применение Динамической оптимизации питания может способствовать укреплению иммунитета людей, а также значительно ускорить восстановление организма людей, перенёсших заболевание. Правильность этого подхода к оптимизации питания подтверждает и Постановление Президиума Российской академии наук от 27 ноября 2018 г. № 178 «Об актуальных проблемах оптимизации питания населения России: Роль науки» (п. 11), в котором поручено осуществить формирование нового научного направления «Цифровая нутрициология», предусматривающего цифровую трансформацию данных о физиологических потребностях человека в пищевых и биологически активных веществах и энергии, химическом составе основных пищевых продуктов, а также создание ЭВМ-программ для разработки персонализированных рекомендаций по оптимальному питанию. Актуальность предложенного подхода к оптимизации питания подтверждает и то, что сейчас технологией Динамической оптимизации питания человека (ДОПЧЕЛ) пользуются миллионы людей. В частности, люди с заболеваниями сахарным диабетом каждый день используют алгоритм ДОПЧЕЛ. Перед каждым приёмом они производят биохимический и биофизический мониторинг своего состояния. А именно, делают анализ крови, определяя содержание сахара в крови, а также измеряют артериальное давление крови, частоту пульса, аритмию и другие характеристики состояния организма. На основании этого они определяют потребности организма, и меню ближайшего приёма пищи. После этого, перед следующим питанием, они снова производят мониторинг, который позволяет им определить правильность выбора меню последнего питания и выбрать меню нового. Данная книга состоит из двух частей. В первой части, которая публикуется впервые, я останавливаюсь на теоретических положениях Динамической оптимизации питания человека и даю краткую информацию о цифровых средах (цифровой нутрициологии, цифровой медицине и внешних воздействиях в цифровом виде), в которых она реализуется. Кроме того, даю информацию о новых приборах пригодных для использования в практике определения оптимального меню каждого питания человека и рекомендации для разработки мобильных приложений реализуюших теорию ДОПЧЕЛ. Во второй части данного сборника приведена моя первая книга “Пища каждого дня: динамическая оптимизация питания” опубликованная в 2013году. В ней впервые в Мире вводится понятие ДИНОМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПИТАНИЯ и сформулированы основные её принципы. Кроме того, дана информация о современных средствах оперативного биофизического и биохимического мониторинга, которые можно использовать для оценки состояния организма человека, а также предложена технология использования Динамической оптимизация питания в повседневной жизни здоровых людей, а также в условиях больниц и клиник. Первая и вторая часть данной книги взаимно дополняют друг друга, являясь основой моего подхода к питанию человека. Если же говорить о теории Динамической оптимизации питания человека, то она, в соответствии с названием, имеет две составляющие. Это Динамическая оптимизация – раздел современной высшей математики, вторая – питание. Под питанием мы подразумеваем две составляющие: нутрициологию и диетологию. Напомню, что математическим основанием макроэкономики России является теория Динамической оптимизации (оптимизация в дискретном и непрерывном времени, стохастическая оптимизация). В нашем случае Динамическая оптимизация является математической основой Динамической оптимизации питания (нутрициологии и диетологии), позволяя использовать всю информацию, накопленную в них, в практике оптимизации питания людей. Отвечаю на один из вопросов, которые мне часто задают, а именно, о возможности применения Динамической оптимизации питания к животным и технологии её применения. Сообщаю, что её можно и нужно использовать. В первой своей книге я писал, что проводил эксперименты на животных. Мы вспомним, что человек – это теплокровное млекопитающее, стоящее в ряду высших млекопитающих. Поэтому, Динамическая оптимизация питания (ДОП) состоит как бы из двух частей: динамической оптимизации питания человека и динамической оптимизации питания животных. Разделение на две составляющие условно и служит для удобства применения к человеку и животным. В книге кратко изложен подход к оптимизации питания животных, которая значительно различается для домашних животных ( собак, кошек) и для скота. Последнее относится к животноводческим хозяйствам. Широкое использование ДОПЖИВ может значительно повысить качество продукции, получаемой от животноводства. Существенным будет и экономический эффект от внедрения ДОПЖИВ. Следующая моя книга будет посвящена динамической оптимизации питания животных, а сейчас я в десятой главе первой кратко изложил основы моего подхода к этой проблеме. Что касается Динамической оптимизации питания человека, то основным её достоинством является то, что она позволяет оптимизировать каждое питание каждому человеку на протяжении всей жизни. ДОПЧЕЛ – это технология научного питания для каждого. Данная книга будет полезна специалистам в области нутрициологии и диетологии, пищевой промышленности, медикам, учащимся средних и высших учебных заведений, а также широкому кругу читателей, заботящихся о своём здоровье.
Глава 1 Предпосылки создания «ТЕОРИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПИТАНИЯ».
Основной предпосылкой создания Теории Динамической оптимизации питания явилось отсутствие в момент начала работы (в 2011-м году) научного подхода к оптимизации питания человека. Проведённый поиск в литературных источниках не дал ответа на этот вопрос. Большую помощь в формулировании задачи исследования оказало знакомство с работой академика Александра Михайловича Уголева [2]. Она содержит Теорию адекватного питания, которая позволила исправить ошибки Теории сбалансированного питания и её дополнить. При этом автор не отрицал достоинств и значение Теории сбалансированного питания. Для нас очень важно то, что академик А.М. Уголев, проанализировав большое количество отечественных и зарубежных литературных источников, не нашёл в них ответа на вопрос о том, на каких принципах должна строиться оптимизация питания: “Оптимизация питания – проблема, нуждающаяся в общем решении. Она представляется особенно важной, так как для настоящего времени характерны дефекты питания в глобальных масштабах. С дефектами питания человек сталкивается также в различных аварийных и экстремальных ситуациях, и будет сталкиваться при создании искусственных микробиосфер, в связи с исследованиями Космоса, океана и другими задачами“ [2]. Свидетельство учёного такого уровня об отсутствии подхода к оптимизации питания говорило о том, что применить все существующие наработки по теории питания к практике крайне сложно. Действительно, нигде в источниках нельзя было найти ответа на следующий вопрос: «Каким должно быть c научной точки зрения меню каждого приёма пищи для каждого человека, которое обеспечивало бы его здоровье?» Ещё одной предпосылкой к созданию новой теории послужило то, что со времени создания теории Сбалансированного питания прошло много времени и, конечно, многие открытия в биологии и медицине необходимо сегодня учитывать. Теория адекватного питания академика А.М. Уголева позволила исправить многие ошибки и неточности, однако и с момента её выхода прошло 30 лет. Это заставило меня пересмотреть основные положения этих двух теорий и разработать Теорию динамической оптимизации питания человека, которая позволяет использовать всю накопленную в нутрициологии и диетологии информацию для оптимизации каждого питания каждого человека на протяжении всей его жизни.
Глава 2 Логика решения задачи
Аристотель в своих работах оставил очень важный «подход» к решению какой-либо задачи. Если есть одно, то есть и другое. В связи с этим, используя его «подход» к решению поставленной мною задачи (Оптимизации питания), постараюсь подойти с двух сторон. Оптимизация только одного питания и оптимизация изначально всех питаний в жизни, а именно: если возможна оптимизация одного питания перед приёмом пищи, то возможна оптимизация изначально всех питаний в течение жизни. Действительно! Можно ли разработать для человека, используя самый современный подход в нутрициологии, достижения вычислительной техники, меню всех приёмов пищи в течение жизни? Рассмотрим, во что «выливается» эта задача. Допустим, что продолжительность жизни составляет 90 лет (в развитых странах средняя продолжительность жизни приближается к этому значению) и питаться будем шесть раз в день: завтрак, второй завтрак, обед, полдник, ужин, ночник. Тогда в течение одного года будет столько приёмов пищи: 6х365 = 2190. В течение жизни будет: 2190х90 = 197100 – приёмов пищи. Можно ли решить эту задачу? Я, думаю, что решить такую задачу очень трудно, но возможно. Повторяю, что это чисто умозрительное предположение полезное для нашего рассмотрения. Однако, вероятность того, что рекомендованные блюда будут оптимальными в течение всей жизни, практически равна нулю. Глобальные изменения биосферы не позволяют нам создать прогноз научного питания не только в течение 90 лет, но и на один год, даже на месяц. Кроме того, мы не знаем, как будет в действительности меняться организм человека в течение этого периода. А это уменьшает период возможного предсказания до одного дня. Но и в течение дня организм человека может претерпевать значительные изменения. Один стресс между завтраком и обедом может кардинально изменить меню обеда (например, конфликт в метро или авария машины по дороге на работу). И так – что же остаётся? Остаётся предположить возможность оптимизации одного ближайшего приёма пищи. С этой задачей современная наука вполне может справиться. Я предложил её решать, применив к нутрициологии и диетологии математический аппарат Динамической оптимизации[3]. Тогда эта Теория получила название Динамической оптимизации питания [1]. В третьей главе первой части книги рассматривается цифровая нутрициология, а в четвёртой главе – цифровая медицина. Это две части среды, из которой мы будим брать необходимую информацию для решения нашей задачи. В пятой главе рассматриваются внешние воздействия на человека, которые нам необходимо учитывать для выполнения нашей задачи. В главе шестой рассматриваются принципы Динамической оптимизации (одного из направлений прикладной математики) и возможность её использования применительно к питанию, то есть к нутрициологии и диетологии. Глава седьмая посвящена основным положениям Теории динамической оптимизации питания. В главе восьмой даётся информация о физических системах, реализующих ДОПЧЕЛ, а в девятой главе – рекомендации по разработке программ для гаджетов и ПЭВМ, физических системах приборов ДОПЧЕЛ. В десятой главе в сжатом виде изложен подход к Динамической оптимизации питания животных. Таким образом, в этой книге последовательно представлены все этапы и результаты исследований в области Динамической оптимизации питания.
Глава 3 Цифровая нутрициология
Чтобы перейти к теме Цифровой нутрициологии, мы должны дать определение нутрициологии. Нутрициоло́гия (от латинского nutritio – питание, греческого λόγος – учение) или наука о питании – наука, направленная на изучение функциональных, метаболических, гигиенических и клинических аспектов взаимодействия питательных веществ и их влияния на организм. Цифровая нутрициология – это нутрициология, в которой вся информация представлена в цифровом виде. В цифровом виде осуществляются операции по обмену информацией, её хранению и использованию. При создании Цифровой нутрициологии производится цифровая трансформация данных о физиологических потребностях человека в пищевых и биологически активных веществах и энергии, о химическом составе основных пищевых продуктов. Это масштабная работа, которая идёт в настоящее время и будет проводиться в течение ближайших лет. Для этого привлекаются математики и программисты, работающие в области прикладной математики. В данной работе мы остановимся на той части Цифровой нутрициологии (научной среды), которая нужна для реализации на практике Динамической оптимизации питания. Я имею в виду для выработки рекомендаций по питанию, созданию программ для ЭВМ и мобильных «приложений», для гаджетов. Кроме Цифровой нутрициологии, нам потребуется привлекать информацию в цифровом виде из близких областей науки. В частности, информацию из Цифровой медицины и информацию о внешних воздействиях на человека. Основными частями Цифровой нутрициологии являются: информация о продуктах и блюдах, употребляемых в пищу, а также о способах приготовления блюд, информация о химическом составе пищевых продуктов, информация о физиологических потребностях организма человека. 3.1. Информация о продуктах питания. В Нутрициологии информация о продуктах питания имеет доминирующее значение. Это касается объёмов информации и её разнообразия. Действительно, в источниках, дошедших до нашего времени, содержится такое количество рецептов пищи, а также способов приготовления, что перевод её в цифровой вид может занять значительное время. Начиная с информации, дошедшей до нас из источников Древнего Египта, Древней Греции, Китая и Японии, и заканчивая информацией о продуктах, искусственно синтезированных в 20-м и в 21-м веках, она должна быть представлена в цифровом виде и в источниках, доступных для быстрого его получения. На сегодняшний день, оперативное получение такой информации легче всего осуществляется через Интернет. В качестве примера мы можем взять информацию о продуктах питания, оставленную нам среднеазиатским учёным-энциклопедистом Авиценной. Наследие этого учёного поражает воображение. Недаром его труд: [4] являлся несколько веков основным учебным пособием для студентов, медиков средневековья. В этом труде большое место занимает информация о продуктах питания, рекомендуемых при всех видах известных в то время (в 11-м веке) заболеваний. Всю эту информацию необходимо обработать для удобства использования. Этот пример показывает то, с какими трудностями будут встречаться специалисты при извлечении из первоисточников данных, необходимых в том или ином случае. Цифровой вид информации во-первых, позволит сохранить её в наиболее компактном виде, в твёрдотельных блоках хранилищ суперкомпьютеров. Во-вторых, сроки хранения в них во много раз увеличиваются. Также большой объём, и значение имеет информация о синтезированных продуктах 20-го и 21-го веков, особенно это важно будет при возможной нехватке в будущем натуральной пищи и необходимости снабжения ею космонавтов. Хранение информации в цифровом виде (в настоящее время) не только в смартфонах и персональных компьютерах, но и «в облачных хранилищах», в которых данные хранятся на многочисленных и распределённых в сети серверах, предоставляемых для пользования клиентам, в-третьих, позволит нам несколько облегчить задачу оперативного её использования. Кроме того, процесс уплотнения информации при хранении идёт непрерывно, и её возможности ещё далеко не исчерпаны. Не исключено, что появятся принципиально новые хранилища информации. Структура баз данных продуктов питания. В вопросах хранения и использования баз данных большое значение имеет правильная организация их структур. Особенно это касается информации из древних источников. От того, как они структурированы, напрямую зависит время их получения, а также использование для практики составления меню каждого приёма пищи. Одним из вариантов структуры баз данных является разделение их по вопросу использования при различных заболеваниях. Другим принципом может быть распределение продуктов, в зависимости от времени приёмов пищи, в течение дня. Это завтрак, второй завтрак, обед, полдник, ужин. При этом облегчается задача получения продуктов питания, необходимых именно при данном приёме пищи. Ещё одним принципом может быть организация баз данных, в зависимости от основных видов нутриентов, а именно от белков, жиров, углеводов, а также в зависимости от микронутриентов и витаминов; то есть при нехватке у человека определённых веществ в организме можно будет быстро найти требуемый вариант. Вполне возможно использование и имеющейся в нашей стране классификации информации. Она с успехом используется в информации на бумажных носителях – в книгах, журналах. К сожалению, ещё далеко не все ценные книги на бумажных носителях переведены в электронный вид в цифровом варианте. Значительная часть информации хранится на микрофотоплёнках, старых носителях магнитной записи (магнитных лентах и дисках). Мы подробно остановились на источниках информации, поскольку это является фундаментом современной Нутрициологии и входящей в неё Диететики. 3.2.Информация о химическом составе основных пищевых продуктов. Информация о химическом составе пищевых продуктов – это одна из основных частей нутрициологии (5) Значительная часть этой информации переведена в цифровую форму, и ею активно пользуются в пищевой промышленности, общественном питании и в практике питания населения. В мире такая информация собирается и анализируется в научно- исследовательских центрах и институтах многих стран. В России эту информацию так же, как и нормы потребления продуктов питания для различных групп населения в систематизированном виде можно найти в справочниках и рекомендациях ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии». В частности, в справочнике под редакцией И. М. Скурихина и В. А. Тутельяна [6]. Она является базовой при организации снабжения продуктами питания жителей всех регионов России. Кроме того, ею постоянно пользуются в пищевой промышленности и в общественном питании. Химический состав большинства пищевых продуктов сложен и разнообразен. Все пищевые вещества, входящие в пищевые продукты, подразделяют на неорганические – вода, минеральные вещества, и органические. В связи с этим привлекается информация, как из органической, так и неорганической химии. В состав пищевых продуктов входят: вода, минеральные вещества, углеводы, жиры, белки, витамины, ферменты, органические кислоты, дубильные вещества, гликозиды, ароматические и красящие соединения, фитонциды, алкалоиды . Все эти вещества называют пищевыми. От их содержания и количественного соотношения зависят: химический состав, пищевая ценность, цвет, вкус, запах и свойства пищевых продуктов. В данной работе мы используем информацию о химическом составе питательных веществ продуктов питания и блюд в цифровом виде, которая создана в ФГУП. Это ИНФОРМАЦИОННОАНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА БАЗА ДАННЫХ "ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ" [7]. В ней можно достаточно быстро получить информацию о химическом составе продуктов питания и блюд. Это важно при формировании баз данных блюд как отдельных пользователей системой ДОПЧЕЛ, так и баз данных учреждений общественного питания: столовых, кафе, ресторанов, закусочных. Пользуются ею и при организации питания в оздоровительных учреждениях: пансионатах, домах отдыха. В лечебных учреждениях используют, наряду с этой базой, и специализированные базы для отдельных категорий больных. Этим занимаются специалисты в области клинической нутрициологии [8]. Химический состав всех видов питания учитывает специфику заболевания. В последнее время выпускается значительное количество синтезируемых продуктов питания (в частности, искусственное молоко и искусственное мясо), изготовленных из растительных составляющих. Информация об их химическом составе поступает в общие информационные базы, которые периодически дополняются. 3.3. Цифровые технологии современных приборов в Нутрициологии и Диететике. В настоящее время подавляющее число разрабатываемых приборов управляется компьютерами, в которых вся выходная информация переводится в цифровой вид. Это, прежде всего, приборы, подающие информацию о продуктах питания, определяющие их химический состав, а также их весовые и объёмные характеристики. Это касается и исходных продуктов питания и готовых блюд, получаемых из них. Особенно, большое значение имеет определение в составах продуктов вредных для человеческого организма компонентов. В последние десятилетия, с появлением генномодифицированых продуктов, появилась также необходимость создания приборов и методик нахождения их в пище. Во всех этих приборах используются самые последние достижения химии, биологии прикладной математики, материаловедения и физики. Например, ICP-5000 оптико-эмиссионный (атомноэмиссионный) спектрометр с индуктивно связанной плазмой (ИСП-ОЭС или ИСП-АЭС) применяется в пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Он позволяет анализировать до 72 элементов одновременно, библиотека включает более 50 000 спектров. Необходимо отдельно остановиться на приборах, которые используются для анализа состояния организма человека. Это приборы для измерения уровня основного метаболизма в состоянии покоя: In Body 770, Южная Корея а также Cosmed – The Mtabolite Company Cosmedigers. Они же являются анализаторами состава тела и измеряют содержание в организме воды, белков, жиров и других составляющих. Есть приборы для измерения различными методами состава костей (остеоденситометрия): ультрозвуковая аппаратура (быстрый , дешевый, безопасный), рентгеновская аппаратура, КТ аппаратура. Одним из самых точных является Norland XR – 46 США. Это Рентгеновский костный денситометр. В нем предусмотрена возможность измерения состава костной ткани всего организма и отдельных проблемных участков скелета, а также определения остеопении, остеопороза, вероятности переломов. Измерения этих приборов помогают определить, какие отклонения от нормального состава организма есть у человека и какие именно нутриенты необходимо ему потреблять для нормализации состава. Перечисленные высококлассные приборы дают возможность подробного периодического контроля состояния организма. Однако, наряду с ними, появились приборы оперативного контроля класса «эконом», которые могут использоваться дома и позволяют очень быстро ежедневно контролировать состав организма и уровень основного метаболизма. Хорошо себя зарекомендовали весы-импедансометры «PICOOC Mini», «Xiaomi Smart Scale 2», «Tanita RD-901», «HUAWEI AH100 Body Fat Scale». Ежедневный контроль состава организма не менее важен, чем периодический, поскольку даёт возможность постоянной динамической оптимизации питания человека.