Розен Газан

1 MS-Nutrition, Марсилия, Франция

2 Университет Екс Марсилия, INSERM, INRA, C2VN, Марсилия, Франция

Chloé M C Brouzes

3 UMR PNCA, AgroParisTech, INRA, Université Paris-Saclay, Париж, Франция

Florent Vieux

1 MS-Nutrition, Марсилия, Франция

Matthieu Maillot

1 MS-Nutrition, Марсилия, Франция

Ан Луч

4 Danone Nutricia Research, Център Даниел Карасо, Палесо, Франция

Никол Дармон

5 MOISA, INRA, CIHEAM-IAMM, CIRAD, Монпелие SupAgro, Университет в Монпелие, Монпелие, Франция

Свързани данни

Резюме

Въведение

Затлъстяването и неинфекциозните заболявания са все по-разпространени в страните с високи доходи (1), докато недохранването и затлъстяването съществуват едновременно в популациите с ниски доходи (2). Настоящата система за производство на храни в по-икономически развитите страни носи значителна тежест от въздействията върху околната среда, което се засилва допълнително от интензификацията на индустриалното и селскостопанско производство в бързоразвиващи се страни като Китай и Индия (3). Предвид този контекст, концепцията за устойчиви диети - т.е. диети, които са „защитни и уважаващи биоразнообразието и екосистемите, културно приемливи, достъпни, икономически справедливи и достъпни; хранително адекватни, безопасни и здравословни; докато се оптимизират природните и човешките ресурси “- привлича внимание както в страните с високи доходи, така и в страни с ниски доходи (4).

Оценяването на устойчивостта на диетата включва едновременно проучване на техните здравни/хранителни, икономически, културни и екологични измерения. Изследвания, изследващи връзката между здравните и икономическите измерения, както в наблюдения, така и в проучвания за моделиране, установиха, че адекватните за хранене диети (т.е. диети, обхващащи набор от препоръки за хранителни вещества) често са по-скъпи от нездравословните диети (5). Изследванията за справяне с предизвикателството на изменението на климата изследват връзката между хранителните качества и въздействието върху околната среда на самоизбраните диети и резултатите показват, че адекватните в хранителен режим диети не са непременно свързани с ниски емисии на парникови газове (6, 7) . Различните измерения на устойчивостта на диетата може да не са съвместими помежду си, така че не трябва да се пропуска нито един аспект на устойчивата диета (6). Сега е необходимо да си представим утрешните диети, като установим най-добрия баланс между различните измерения на една устойчива диета с използването на многокритериални методи за оценка.

Оптимизирането на диетата се използва все по-често в областта на храненето на общественото здраве. Необходимо е да се създаде обща картина на многобройните начини за математическа оптимизация на диетите, особено в контекста на устойчивите диети.

Въз основа на 67 подходящи оригинални публикации, този разказ показва как математическата оптимизация на диетата може да помогне да се разберат връзките между различните измерения на устойчивостта на диетата и как тя може да се използва правилно за идентифициране на устойчиви диети. Фокусът на това проучване е да предостави преглед на най-добрите практики при моделиране на устойчиви диети („ориентирани към методологията“), но не и да обобщи комбинации от храни, които дават възможност да се отговори на специфични проблеми на общественото здраве и/или устойчивост за дадено население („ориентирани към резултатите“ ”).

Въведение в диетичната оптимизация

Математическата оптимизация на диетата, наричана още диетично моделиране или диетична оптимизация, започва през 40-те години с Жорж Стиглер (27), който избира диетата като пример, за да превърне сложен проблем в математически модел, наречен „проблем с диетата“. Целта на проблема с диетата беше да се намери набор от храни, които отговарят на ежедневните хранителни нужди при минимални разходи. Техническото решение за решаване на този проблем е разработено от Dantzig (18) чрез алгоритъма Simplex, който е гръбнакът на линейното програмиране. Данциг посочи, че оптималното решение на „диетичния проблем“ най-накрая е достигнато от Ладерман, който показа способността за решаване на алгоритъма Simplex (18). Днес проблемите с оптимизацията могат да приемат различни форми, освен линейни функции, като квадратично програмиране (28), програмиране със смесено цяло число при използване на целочислени променливи (29) или програмиране на цели за решаване на проблеми с множество цели (30, 31). Всички тези различни подходи са разгледани в този преглед.

диети

Литературната стратегия, използвана за съставяне на 67 съответни оригинални публикации с помощта на математическа оптимизация на диетата е представена в Допълнителен методс1. Изследвания, използващи математическа оптимизация без подход на цялостен хранителен режим, бяха изключени от този преглед. Описание на всяко от 67 прегледани проучвания може да се намери в Допълнителни таблици 1–3, които подробно описват изследваната популация, тип моделиране (индивидуално или на базата на популация), целева функция, ограничения за всяко измерение на устойчивостта на диетата (здраве/хранене, култура, икономика, околна среда) и използваните софтуерни програми. Не всички софтуерни програми могат да отговорят на всички измерения на устойчивостта на диетата. Предварително разработени софтуерни програми като Optifood (35) могат да вземат предвид показателите, свързани с храненето, разходите и хранителните навици. Могат да се използват гъвкави софтуерни програми (като R или SAS), за да се вземат предвид колкото се може повече измерения. Към днешна дата само гъвкавите софтуерни програми позволяват провеждането на индивидуални модели за оптимизиране на диетата, които могат да включват сложни уравнения [например да се вземе предвид бионаличността на хранителни вещества (36)] и да се извърши статистически анализ на резултатите от модела.

Размери и показатели на устойчивостта на диетата

Трябва да бъдат избрани подходящи показатели за оценка на всяко измерение на устойчивостта на диетата, а именно здраве/хранене, култура, икономика и околна среда. Всички 67 проучвания в този преглед са взели предвид хранителните и културните измерения, а някои изследвания включват и икономическите и/или екологичните измерения (допълнителни таблици 1–3). Културното измерение, наричано още „културна приемливост“, беше взето предвид по различни начини, които ще бъдат описани и обсъдени в следващите раздели. Хранителните навици на изследваното население се считат за пример за културна приемливост. Хранителното измерение беше проучено чрез хранително качество или адекватност на диетите. Тъй като оптимизацията на диетата рядко отчита здравния аспект, тя е разгледана само в раздела за дискусии. Икономическото измерение беше изобразено чрез икономическа достъпност, като се използват разходите за диета. Екологичното измерение беше оценено чрез ≥1 свързани с диетата показатели за околната среда (напр. ПГВ, непряко използване на земята, използване на вода).

Хранително адекватни диети

Хранително адекватната диета е в съответствие с хранителните препоръки, което означава, че тя изпълнява набор от референтни стойности (RV). RV се отнасят до количествените стойности на приема на хранителни вещества за здрави индивиди, дадени за различни групи от населението и получени от критерии, свързани със здравето (37). Диетичната оптимизация може да превърне препоръките за хранителни вещества в оптимална комбинация от храни. Той е използван за отговор на следните въпроси:

Възможно ли е да се постигне хранителна адекватност и какви са последиците за избора на храна?

Кои препоръки за хранителните вещества са най-трудни за изпълнение или, в случай на невъзможност, кои са „проблемните хранителни вещества“?

Идентифициране на хранителните комбинации, необходими за постигане на хранително адекватна диета

Когато хранителните препоръки са достъпни с наличните храни, оптимизирането на диетата може да превърне пълния набор от препоръки, базирани на хранителни вещества, в комбинации от храни (вид и количество), които потенциално могат да служат като основа за разработване на препоръки, базирани на храни (FBR). Работата върху конкретни субпопулации и/или на индивидуално ниво може да помогне за подобряване на приемливостта на идентифицираните оптимални комбинации от храни.

Използвани са модели, оптимизиращи дадена хранителна характеристика (напр. Минимизиране на общото енергийно съдържание) за идентифициране на комбинации от храни, които достигат хранителна адекватност, започвайки от прост списък с храни. Например от списъка с местно достъпни храни в Малави се прилага линейно програмиране за всеки сезон (реколта и небране), за да се изберат храни, отговарящи на хранителни и хранителни ограничения при минимално количество енергия (24). Въведени са ограничения за хранителни навици, за да се избегне твърде голямо отклонение от настоящите хранителни навици. Резултатите показаха, че минималният енергиен прием, необходим за постигане на всички ограничения, е реалистичен (т.е. под средния енергиен прием, наблюдаван сред населението) през сезона на прибиране на реколтата, но постоянно по-висок от средния енергиен прием през небрания сезон, освен ако енергията от зеленчуци или месо, риба и яйца е> 75-ия процентил, наблюдаван сред популацията. Във Франция минималната енергия, необходима за изпълнение на препоръчаните от Франция френски прием на хранителни вещества и ограничения на хранителните навици, се изчислява на 1500 kcal/d за жените и 1700 kcal/d за мъжете (19).

Идентифициране на ограниченията за свързване и проблемните хранителни вещества за постигане на хранителна адекватност

Един RV може да бъде труден за достигане или дори недостижим, поради недостатъчно количество хранителни вещества в хранителните запаси или несъвместимост с друго ограничение, приложено в модела. Страните с по-високи доходи се радват на разнообразно и богато на хранителни вещества снабдяване с храни, което улеснява постигането на хранително адекватна диета, отколкото в страните с ниски доходи, но спазването на някои хранителни ограничения все още може да бъде проблем. Когато всички RV не могат да бъдат изпълнени едновременно с текущото предлагане на храна, могат да бъдат проведени специфични модели, за да се получи най-доброто почти оптимално решение. Друга възможност за решаване на неизпълним модел е да се разрешат нови променливи на храните в модела.

Достъпни диети

Положителната връзка между разходите за диета и хранителните качества е постоянна констатация в световен мащаб (5). Тъй като цената може да бъде силна бариера за по-здравословен избор на храна, връзката между разходите за диета и хранителната адекватност е във фокуса на интерес в няколко приложения за оптимизиране на диетата, за да отговори на следните въпроси:

Какво би било влиянието на ограничението на разходите върху хранителната адекватност и културната приемливост на диетите?

Какви са минималните разходи за хранително адекватна диета?

Как можем да проектираме евтина диета, която също би била приемлива в културно отношение и адекватна в хранително отношение?

Въздействие на ограничението на разходите върху хранителните качества и културната приемливост на диетата

Минимални разходи за хранително адекватна диета

Като се има предвид, че цените на храните влияят върху избора на храни, проучванията сравняват цените на хранителни кошници с храни (75, 76) или диети (77), проектирани от експерти спрямо бюджетите на бедните хора от различни популации. Резултатите постоянно показват, че бедните хора не могат да си позволят хранителна кошница с храна или диета. Въпреки това, цената на тези хранителни кошници или диети не е непременно минимална. Тук оптимизацията на диетата може да се използва, за да се идентифицират минималните разходи за хранително адекватна диета и да се оцени дали най-евтината хранително адекватна диета ще бъде достъпна за бедните хора и при какви условия би била приемлива в културно отношение.

Проучванията показват, че е възможно да се постигне хранителна адекватност на много ниска цена, но реализмът на оптимизираната диета е силно зависим от ограниченията в хранителните навици (22, 78–80). Например в Обединеното кралство хранителната адекватност е достижима само от 4 или 5 храни за приблизително 2 британски лири на седмица (което е 5 пъти по-малко от средните разходи за храна на домакинствата през 1987 г.) в субпопулации с различни нива на физическа активност (79); обаче минималните разходи се увеличиха между 4 и 9 пъти, веднага щом в моделите бяха включени ограничения за хранителни навици, за да се подобри приемливостта (79). Във Франция теоретичните минимални разходи за хранително адекватна диета, като се вземат предвид ограниченията в хранителните навици, се изчисляват на 3,20 евро на ден за жените и 3,40 евро на ден за мъжете (т.е. близо до бюджета за храна на бедните хора в тази страна) (22 ). Без ограничения за хранителни навици, теоретичните разходи бяха едва 1,50 евро на ден за мъже и жени (22). По същия начин в Дания минималните разходи за културно приемлива кошница за храна за теоретично домакинство нарастват почти линейно с увеличаване на разнообразието от храни във всяка група храни, така че минималните разходи са ≥ 3 пъти по-евтини, без да се има предвид културната приемливост (80).

Проектиране на евтини и културно приемливи хранителни диети

Предишните раздели подкрепят доказателствата, че е необходимо едновременно да се вземат предвид както диетичните разходи, така и културната приемливост при определяне на хранително адекватни диети. Няколко проучвания за оптимизиране на диетата се опитаха да намерят компромис в параметрите на модела, за да се създадат хранително адекватни, културно приемливи и икономически достъпни диети.

Хранителни комбинации за хранително адекватна диета при минимално въздействие върху околната среда

С нарастващото признаване на въздействието на нашата хранителна система върху околната среда, имаше нарастване на усилията да се определи доколко въздействието върху околната среда може да бъде намалено, като същевременно се гарантира хранителна адекватност. Диетичната оптимизация идентифицира диетите с най-малко въздействие върху околната среда, като минимизира една или повече показатели за околната среда (26, 93–97), но това доведе до големи отклонения от настоящите хранителни навици.

Проектиране на устойчиви диети

Предишните раздели очертаваха предизвикателството да се комбинират измерения на устойчивост за хранително адекватна, културно приемлива, икономически достъпна и екологична диета. Сред самоизбраните диети в национално представително проучване във Франция, подходът на положителния девиант (т.е. идентифицирането на необичайни, но полезни поведения в дадена популация) е използван за идентифициране на диети, по-устойчиви от други (т.е. диети с по-ниски парникови газове и по-високо хранително качество) (98). Резултатите показаха, че „по-устойчиви диети“ се консумират от ∼20% от възрастните, а техните стойности на парникови газове са ∼20% по-ниски от средната стойност без допълнителни разходи, но хранителната адекватност не е напълно осигурена. С данните от наблюдението не беше възможно да се установи дали ще бъде постижимо по-голямо намаляване на ПГЕ, като същевременно се осигурят останалите измерения. Като многокритериален подход, оптимизирането на диетата може да комбинира няколко измерения на устойчивостта на диетата, без да нарушава нито едно от тях, при условие че те са включени в моделите.

Няколко проучвания са идентифицирали устойчиви диети чрез налагане на екологични, хранителни и хранителни навици, като същевременно минимизират отклонението от наблюдаваните диети (25, 72, 99, 100). Ограниченията върху околната среда обикновено се основават на институционални цели за намаляване на въздействието върху околната среда или на намаляване от реалните базови нива на въздействие върху околната среда. Например сред възрастните холандци беше наложено намаление с 50%, за да се постигне европейската цел за запазване на глобалното затопляне Фигура 2 ). Изследванията през последните няколко години са фокусирани по-конкретно върху измерението на околната среда, тъй като хранителните и икономическите аспекти на диетата са изследвани по-рано (Фигура 2, Допълнителни таблици 1–3). Този преглед показва как оптимизацията на диетата може да се приложи за различни субпопулации, въз основа на възрастови и полови критерии, или на специфични модели на консумация, или дори на индивидуално ниво, за да се отчетат индивидуалните хранителни навици. Независимо от това, трудността при проектирането на устойчива диета се върти около уместността на параметрите на модела (променливи, целева функция, ограничения) и качеството на входните данни.

Брой избрани публикации, използващи диетично моделиране в областта на храненето, общественото здраве и устойчивите диети, стратифицирани по измерения на устойчивостта, взети под внимание. Фигурата включва общо 67-те изследвания, разгледани в тази статия. Не са включени изследвания, които представят инструменти или методологични концепции. Разходите не винаги са били взети предвид при проучвания, отчитащи въздействието върху околната среда.

По-нататъшен напредък беше постигнат за по-точна оценка на здравното измерение. Някои проучвания са подобрили оценката на хранителната адекватност чрез отчитане на бионаличността на хранителни вещества (36, 39, 82) или излагането на замърсители на храните (106, 107). Отчитането на бионаличността на хранителни вещества (т.е. ефективността на усвояването и използването или запазването на хранителни вещества от организма) е от значение поради въздействието му върху качеството на приема на хранителни вещества. Някои хранителни вещества (напр. Желязо, цинк) имат по-добра бионаличност, когато са получени от храни на животинска основа (108). Следователно, преминаването към повече растителни диети, както се препоръчва за постигане на целите за устойчивост, може да се окаже недостатъчно в хранително отношение поради намалената бионаличност на някои хранителни вещества, когато се осигуряват от растителни, а не от животински храни. Например, сред възрастни французи, отчитането на бионаличността на желязо, цинк, протеини и провитамин А предизвиква промени в храните, избрани от процеса на оптимизация, по-специално в рамките на категорията месо (36).

Културното измерение трябва да се има предвид, за да се избегнат нереалистични резултати. Във всички разгледани проучвания предположението за модели за оптимизиране на диетата беше, че колкото по-близо е моделът до наблюдаваната диета, толкова по-приемлива ще бъде оптимизираната диета. Оставането по-близо до хранителните навици е постигнато по повече или по-малко усъвършенствани начини, чрез налагане на ограничения за хранителни навици и/или чрез свеждане до минимум на отклонението от наблюдаваната диета, работа или в популацията, в субпопулацията или в отделните нива.

Във всички публикувани проучвания културната приемливост остава трудна за оценка, тъй като все още няма обективни критерии, които да определят кое е приемливо и каква сума се счита за „малка“ или „голяма“ диетична промяна. Друг нерешен въпрос е дали е приемливо да се насърчава вариацията на много храни в малки количества или големи вариации за няколко храни. Следователно, за да се спази културното измерение на устойчивата диета, правилното характеризиране на популацията, субпопулацията или индивидуалните хранителни навици е от ключово значение и всички параметри на модела трябва да бъдат внимателно обосновани и адаптирани към целите на изследването при проектирането на модела и при интерпретирането на резултатите.

Проектирането на достъпна диета отдавна е проблем в проучванията за оптимизиране на диетата, докато въздействието върху околната среда е интегрирано в моделите за оптимизиране на диетата за (721K, pdf)

Благодарности

Отговорностите на авторите бяха следните - RG и CMCB: допринесоха за дизайна на изследването, събирането на данни, анализа и писането на ръкописа и бяха отговорни за окончателното съдържание на ръкописа; AL, MM, FV и ND: допринесе за написването на ръкописа и помогна да се създаде окончателното съдържание на ръкописа; и всички автори: прочетете и одобрете окончателния ръкопис.

Бележки

RG беше подкрепен от ANRT (Agence Nationale de la Recherche et de la Technologie). CMCB беше подкрепена от Danone Nutricia Research.

Разкриване на авторите: RG, CMCB, FV, MM, AL и ND, без конфликт на интереси.