Matematikai optimalizálás a holnap fenntartható étrendjének feltárására: elbeszélő áttekintés

Rozenn Gazan

1 MS-Nutrition, Marseille, Franciaország

2 Aix Marseille Egyetem, INSERM, INRA, C2VN, Marseille, Franciaország

Chloé M C Brouzes

3 UMR PNCA, AgroParisTech, INRA, Université Paris-Saclay, Párizs, Franciaország

Florent Vieux

1 MS-Nutrition, Marseille, Franciaország

Matthieu Maillot

1 MS-Nutrition, Marseille, Franciaország

Anne Lluch

4 Danone Nutricia Research, Daniel Carasso Központ, Palaiseau, Franciaország

Nicole Darmon

5 MOISA, INRA, CIHEAM-IAMM, CIRAD, Montpellier SupAgro, Montpellieri Egyetem, Montpellier, Franciaország

Társított adatok

Absztrakt

Bevezetés

Az elhízás és a nem fertőző betegségek egyre inkább elterjednek a magas jövedelmű országokban (1), míg az alultápláltság és az elhízás együtt él az alacsony jövedelmű lakosság körében (2). A gazdaságilag fejlettebb országokban a jelenlegi élelmiszer-előállítási rendszer jelentős környezeti hatásokkal jár, amelyet tovább fokoz az ipari és mezőgazdasági termelés intenzívebbé tétele olyan gyorsan fejlődő országokban, mint Kína és India (3). Tekintettel erre a kontextusra, a fenntartható étrend fogalma - vagyis olyan étrend, amely „védi és tiszteletben tartja a biológiai sokféleséget és az ökoszisztémákat, kulturálisan elfogadható, hozzáférhető, gazdaságilag igazságos és megfizethető; táplálkozási szempontból megfelelő, biztonságos és egészséges; miközben optimalizálja a természeti és emberi erőforrásokat ”- mind a magas jövedelmű, mind az alacsony jövedelmű országokban egyre nagyobb figyelmet kap (4).

Az étrend fenntarthatóságának értékelése magában foglalja az egészségügyi/táplálkozási, gazdasági, kulturális és környezeti dimenziók egyidejű feltárását. Az egészségügyi és a gazdasági dimenziók közötti összefüggést vizsgáló kutatások, mind megfigyelési, akár modellezési vizsgálatok során azt találták, hogy a táplálkozás szempontjából megfelelő étrendek (azaz a tápanyag-ajánlások összességét lefedő étrendek) gyakran drágábbak, mint az egészségtelen étrendek (5). Az éghajlatváltozás kihívásaival foglalkozó kutatás feltárta az önválasztott étrendek táplálkozási minősége és környezeti hatása közötti összefüggést, és az eredmények azt mutatták, hogy a táplálkozás szempontjából megfelelő étrend nem feltétlenül jár együtt az alacsony étrendi üvegházhatást okozó gázok kibocsátásával (GHGE) (6, 7) . Az étrend fenntarthatóságának különböző dimenziói nem biztos, hogy kompatibilisek egymással, ezért a fenntartható étrend egyetlen szempontját sem szabad kihagyni (6). Most el kell képzelni a holnapi étrendeket úgy, hogy a többkritériumos értékelési módszerek alkalmazásával megteremtjük a legjobb egyensúlyt a fenntartható étrend különböző dimenziói között.

Az étrend optimalizálását egyre inkább használják a közegészségügyi táplálkozás területén. Általános képet kell alkotni az étrend matematikai optimalizálásának számos módjáról, különösen a fenntartható étrend összefüggésében.

67 releváns eredeti publikáció alapján ez a narratív áttekintés megmutatja, hogy a matematikai diétaoptimalizálás hogyan segíthet megérteni az étrend fenntarthatóságának különböző dimenziói közötti összefüggéseket, és hogyan lehet megfelelően felhasználni a fenntartható étrend azonosítására. Ennek a tanulmánynak az a célja, hogy áttekintést adjon a fenntartható étrend modellezésének legjobb gyakorlatairól („módszertan orientált”), de nem összefoglalja azokat az élelmiszer-kombinációkat, amelyek lehetővé teszik az adott népesség adott népegészségügyi és/vagy fenntarthatósági kérdéseinek megválaszolását („eredményorientált”). ”).

Bevezetés az étrend optimalizálásába

A diéta matematikai optimalizálása, más néven étrend-modellezés vagy étrend-optimalizálás, az 1940-es években kezdődött Georges Stigler (27) mellett, aki az étrendet választotta példának arra, hogy egy összetett problémát „diétás problémának” nevezett matematikai modellvé alakítson. Az étrendprobléma célja az volt, hogy megtalálja azokat az ételeket, amelyek minimális költséggel kielégítik a napi táplálkozási igényeket. A probléma megoldásának technikai megoldását Dantzig (18) dolgozta ki a Simplex algoritmuson keresztül, amely a lineáris programozás gerince. Dantzig jelezte, hogy a „diéta probléma” optimális megoldását végül Laderman érte el, aki megmutatta a Simplex algoritmus megoldási képességét (18). Manapság az optimalizálási problémák a lineáris függvényektől eltérő formákat ölthetnek, például másodfokú programozás (28), vegyes egész programozás egész változók használatakor (29) vagy célprogramozás több célkitűzéssel kapcsolatos problémák megoldására (30, 31). Ezeket a különböző megközelítéseket ez a felülvizsgálat tartalmazza.

A 67 releváns eredeti publikáció matematikai étrend-optimalizálással történő összeállításához használt irodalmi stratégiát a Kiegészítő módszers1. A teljes étrend nélküli megközelítés nélküli matematikai optimalizálást használó vizsgálatokat kizártuk ebből az áttekintésből. A 67 áttekintett vizsgálat mindegyikének leírása megtalálható a Kiegészítő táblázatok 1–3, amelyek részletezik a vizsgált populációt, a modellezés típusát (egyéni vagy népességalapú), a célfüggvényt, az étrend fenntarthatóságának minden dimenziójára (egészség/táplálkozás, kultúra, gazdaság, környezet) és az alkalmazott szoftverprogramokra vonatkozó korlátozásokat. Nem minden szoftver képes az étrend fenntarthatóságának minden dimenziójára. Az előre kialakított szoftverek, mint például az Optifood (35), figyelembe vehetik a táplálkozással, a költségekkel és az étkezési szokásokkal kapcsolatos mutatókat. Rugalmas szoftverprogramok (például R vagy SAS) használhatók a kívánt dimenziók figyelembe vételéhez. A mai napig csak rugalmas szoftverprogramok teszik lehetővé az egyéni étrend-optimalizálási modellek lebonyolítását, amelyek tartalmazhatnak összetett egyenleteket [például a tápanyagok biológiai hozzáférhetőségének figyelembevételére (36)], és a statisztikai elemzést a modell kimenetein.

Az étrend fenntarthatóságának dimenziói és mutatói

Megfelelő mutatókat kell választani az étrend fenntarthatóságának minden dimenziójának, nevezetesen az egészség/táplálkozás, a kultúra, a gazdaság és a környezet értékeléséhez. Az áttekintésben szereplő mind a 67 tanulmány figyelembe vette a táplálkozási és kulturális dimenziókat, és néhány tanulmány a gazdasági és/vagy környezeti dimenziókat is magában foglalta (Kiegészítő 1–3. Táblázat). A kulturális dimenziót, más néven „kulturális elfogadhatóságot”, különféle módon vették figyelembe, amelyeket a következő szakaszokban ismertetünk és megvitatunk. A vizsgált lakosság étkezési szokásait a kulturális elfogadhatóság proxyjának tekintették. A táplálkozási dimenziót a táplálkozási minőség vagy az étrend megfelelősége alapján vizsgálták. Mivel az étrend optimalizálása ritkán veszi figyelembe az egészségügyi szempontokat, ezért csak a Vita szakasz foglalkozik vele. A gazdasági dimenziót a gazdasági megfizethetőségen keresztül ábrázolták az étrend költségeinek felhasználásával. A környezeti dimenziót ≥1 étrenddel kapcsolatos környezeti mutatókkal értékelték (pl. ÜHG, közvetett földhasználat, vízhasználat).

Táplálkozási szempontból megfelelő étrend

A táplálkozás szempontjából megfelelő étrend megfelel a táplálkozási ajánlásoknak, vagyis megfelel egy sor referenciaértéknek (RV). Az RV-k az egészséges egyének tápanyag-bevitelének mennyiségi értékeire vonatkoznak, amelyek különböző populációs csoportok számára vannak megadva, és az egészséggel kapcsolatos kritériumokból származnak (37). Az étrend optimalizálása a tápanyag-ajánlásokat az ételek optimális kombinációjává alakíthatja. A következő kérdések megválaszolására használták:

Megvalósítható-e a tápanyag-megfelelőség elérése, és milyen következményekkel jár az ételválasztás?

Mely tápanyag-ajánlásokat lehet a legnehezebben teljesíteni, vagy megvalósíthatatlanság esetén melyek a „problémás tápanyagok”?

A táplálkozásilag megfelelő étrend eléréséhez szükséges élelmiszer-kombinációk meghatározása

Amikor a táplálkozási ajánlások elérhetők az elérhető élelmiszerekkel, az étrend optimalizálása a tápanyag-alapú ajánlások teljes készletét ételkombinációkká (típus és mennyiség) alakíthatja át, amelyek potenciálisan alapul szolgálhatnak az élelmiszer-alapú ajánlások (FBR) kidolgozásához. A specifikus alcsoportokon és/vagy egyéni szinten végzett munka ezután hozzájárulhat az azonosított optimális élelmiszer-kombinációk elfogadhatóságának javításához.

Egy adott táplálkozási jellemzőt optimalizáló modelleket (például az összes energiatartalom minimalizálása) alkalmaztak olyan ételkombinációk azonosítására, amelyek az élelmiszerek egyszerű listájából kiindulva érik el a táplálék-megfelelőséget. Például a Malawiban található, helyi szinten elérhető élelmiszerek listájából lineáris programozást alkalmaztak minden évszakra (betakarítás és aratás nélküli időszak), hogy olyan ételeket válasszanak, amelyek minimális energiamennyiség mellett kielégítik a táplálkozási és étkezési szokásokat. Az étkezési szokásokra vonatkozó korlátozásokat vezettek be, hogy elkerüljék a túlzott eltérést a jelenlegi étkezési szokásoktól. Az eredmények azt mutatták, hogy az összes korlát teljesítéséhez szükséges minimális energiafogyasztás reális volt (azaz a lakosságnál megfigyelt átlagos energiafogyasztás alatt volt) a betakarítási szezonban, de folyamatosan magasabb, mint a nem szüreti szezonban mért átlagos energiafogyasztás, kivéve, ha a zöldségből vagy húsból származó energia, a hal és a tojás> 75. percentilis volt megfigyelhető a populációban. Franciaországban a francia ajánlott tápanyag-bevitel és az étkezési szokások korlátozásának teljesítéséhez szükséges minimális energia becsült értéke nőknél 1500 kcal/nap, férfiak esetében 1700 kcal/d (19).

Megkötési korlátok és problémás tápanyagok azonosítása a táplálék-megfelelőség elérése érdekében

Egy RV nehéz lehet elérni, vagy akár elérhetetlen is, vagy az elégtelen tápanyagmennyiség miatt az élelmiszer-ellátásban, vagy összeegyeztethetetlen a modellben alkalmazott másik korlátozással. A magasabb jövedelmű országok változatos és tápanyagokban gazdag élelmiszer-ellátást élveznek, amely megkönnyíti a táplálkozás szempontjából megfelelő étrend megvalósítását, mint az alacsony jövedelmű országokban, de bizonyos tápanyag-korlátok teljesítése továbbra is aggodalomra adhat okot. Ha az összes RV-t nem lehet egyidejűleg teljesíteni a jelenlegi élelmiszer-ellátással, akkor specifikus modellek végezhetők a legjobb, az optimálishoz közeli megoldás elérése érdekében. A megvalósíthatatlan modell megoldásának másik lehetősége az új élelmiszer-változók engedélyezése a modellben.

Megfizethető étrend

Az étrend költsége és a táplálkozási minőség közötti pozitív összefüggés világszerte következetes megállapítás (5). Mivel az ár erős akadályt jelenthet az egészségesebb ételválasztás előtt, az étrend költsége és a táplálkozási megfelelőség közötti összefüggés számos étrend-optimalizálási alkalmazásban a következő kérdések megválaszolására irányult:

Mi lenne a költségkorlátozás hatása az étrend táplálkozási megfelelőségére és kulturális elfogadhatóságára?

Mennyi a táplálkozásilag megfelelő étrend minimális költsége?

Hogyan tervezhetünk olcsó étrendet, amely kulturálisan is elfogadható és táplálkozási szempontból megfelelő?

A költségkorlátozás hatása az étrend táplálkozási minőségére és kulturális elfogadhatóságára

A táplálkozás szempontjából megfelelő étrend minimális költsége

Tekintettel arra, hogy az élelmiszerárak befolyásolják az ételválasztást, a tanulmányok összehasonlították a szakértők által tervezett tápláló ételkosarak (75, 76) vagy diéták (77) árát a különböző népességben élő szegény emberek költségvetésével. Az eredmények következetesen megmutatták, hogy a szegény emberek nem engedhetik meg maguknak a tápláló ételkosarat vagy az étrendet. Ezeknek a tápláló kosaraknak vagy étrendeknek a költsége azonban nem feltétlenül volt minimális. Itt alkalmazható az étrend optimalizálása a táplálkozási szempontból megfelelő étrend minimális költségeinek meghatározásához és annak felméréséhez, hogy a legalacsonyabb költségű táplálkozási szempontból megfelelő étrend megfizethető lenne-e a szegény emberek számára, és milyen feltételek mellett lenne kulturálisan elfogadható.

Tanulmányok kimutatták, hogy a táplálék-megfelelőséget nagyon alacsony költségekkel lehet elérni, de az optimalizált étrend realizmusa nagymértékben függött az étkezési szokásoktól (22, 78–80). Például az Egyesült Királyságban a táplálék-megfelelőség mindössze 4 vagy 5 élelmiszerből volt elérhető, körülbelül 2 font/hét (ami ötször alacsonyabb, mint az átlagos háztartási élelmiszer-kiadások 1987-ben) különböző fizikai aktivitású alcsoportokban (79); azonban a minimális költség 4–9-szeresére nőtt, amint az étkezési szokásokra vonatkozó korlátozások bekerültek a modellekbe az elfogadhatóság javítása érdekében (79). Franciaországban a táplálkozási szempontból megfelelő étrend elméleti minimális költségét az étkezési szokások korlátai mellett 3,20 euró/nap nőknél és 3,40 euró/nap férfiaknál becsülték (azaz közel a szegény emberek étkezési költségvetéséhez ebben az országban) (22) ). Az étkezési szokások megkötése nélkül az elméleti költségek férfiaknál és nőknél mindössze 1,50 EUR/nap voltak (22). Hasonlóképpen, Dániában az elméleti háztartás kulturálisan elfogadható élelmiszer-kosárának minimális költsége szinte lineárisan nőtt az egyes ételcsoportokban az élelmiszer-változatosság növekedésével, így a minimális költségek ≥3-szor olcsóbbak voltak, anélkül, hogy figyelembe vették volna a kulturális elfogadhatóságot (80).

Olcsó és kulturálisan elfogadható táplálkozási szempontból megfelelő étrendek kialakítása

Az előző szakaszok alátámasztják annak bizonyítékát, hogy a táplálkozás szempontjából megfelelő étrend meghatározása során egyszerre kell figyelembe venni az étrend költségét és a kulturális elfogadhatóságot. Több étrend-optimalizálási tanulmány megkísérelte kompromisszumot találni a modell paramétereiben a táplálkozás szempontjából megfelelő, kulturálisan elfogadható és gazdaságilag megfizethető étrend megtervezése érdekében.

Ételkombinációk a táplálkozás szempontjából megfelelő étrendhez, minimális környezeti hatással

Élelmiszer-rendszerünk környezeti hatásainak egyre nagyobb elismerésével egyre erőteljesebb erőfeszítéseket tettek annak megállapítására, hogy a tápanyag-megfelelőség biztosítása mellett milyen mértékben lehetne csökkenteni a környezeti hatást. Az étrend optimalizálása a legkevesebb környezeti hatású étrendet azonosította egy vagy több környezeti mutató minimalizálásával (26, 93–97), de ez nagy eltérésekhez vezetett a jelenlegi étkezési szokásoktól.

Fenntartható étrend kialakítása

Az előző szakaszok felvázolták a fenntarthatóság dimenzióinak kombinálásának kihívását egy táplálkozás szempontjából megfelelő, kulturálisan elfogadható, gazdaságilag megfizethető és környezetbarát étrend érdekében. A Franciaországban országosan reprezentatív felmérés során az önállóan kiválasztott étrendek közül a pozitív deviancia megközelítést (azaz az adott populációban előforduló nem mindennapi, de előnyös viselkedés azonosítását) alkalmazták a többinél fenntarthatóbb étrendek (azaz alacsonyabb GHGE-vel rendelkező étrendek) azonosítására. magasabb tápanyagminőség) (98). Az eredmények azt mutatták, hogy a „fenntarthatóbb étrendet” a felnőttek ~ 20% -a fogyasztotta, és GHGE-értéke ~ 20% -kal alacsonyabb volt, mint az átlagos érték, külön költség nélkül, de a tápanyag-megfelelőség nem volt teljes mértékben biztosított. Megfigyelési adatokkal nem sikerült megállapítani, hogy elérhető-e nagyobb üvegházhatást okozó gáz csökkentése, miközben biztosítani kell a többi dimenziót. Többkritériás megközelítésként az étrend optimalizálása az étrend fenntarthatóságának több dimenzióját egyesítheti anélkül, hogy bármelyiket rontaná, feltéve, hogy szerepelnek a modellekben.

Néhány tanulmány azonosította a fenntartható étrendet a környezeti, táplálkozási és étkezési szokások megkötésével, miközben minimalizálta a megfigyelt étrendektől való eltérést (25, 72, 99, 100). A környezeti kényszer általában a környezeti hatások csökkentésének intézményi céljain vagy a tényleges kiindulási környezeti hatás szintjétől való csökkentésen alapul. Például a holland felnőttek körében 50% -os csökkentést vezettek be annak érdekében, hogy elérjék az európai célt, a globális felmelegedés fenntartását 2. ábra ). Az elmúlt évek tanulmányai konkrétabban a környezeti dimenzióra összpontosítottak, mivel az étrend táplálkozási és gazdasági vonatkozásait már korábban feltárták (2. ábra, 1–3. Kiegészítő táblázat). Ez az áttekintés bemutatja, hogy az étrend optimalizálása hogyan alkalmazható különböző alcsoportoknál, életkori és nemi kritériumok alapján, vagy specifikus fogyasztási szokások alapján, vagy akár egyéni szinten, figyelembe véve az egyéni étkezési szokásokat. Mindazonáltal a fenntartható étrend kialakításának nehézsége a modell paramétereinek (változók, célfüggvény, korlátok) relevanciája és a bemeneti adatok minősége körül mozog.

A táplálkozás, a közegészségügy és a fenntartható étrend területén diétamodellezést alkalmazó kiválasztott publikációk száma, a fenntarthatósági dimenziók szerint rétegezve. Az ábra összesen a cikkben áttekintett 67 vizsgálatot tartalmazza. Az eszközöket vagy módszertani koncepciókat bemutató tanulmányok nem tartoznak ide. A költségeket nem mindig vették figyelembe a környezeti hatást figyelembe vevő tanulmányokban.

További előrelépések történtek az egészségügyi dimenzió pontosabb becslése érdekében. Egyes tanulmányok javították a tápérték megfelelőségének értékelését a tápanyagok biológiai hozzáférhetőségének (36, 39, 82) vagy az élelmiszer-szennyező anyagoknak való kitettség (106, 107) figyelembevételével. A tápanyagok biohasznosulásának (azaz a tápanyagok felszívódásának és a szervezet általi hasznosításának vagy visszatartásának hatékonysága) elszámolása lényeges, mivel hatással van a tápanyagok bevitelének minőségére. Egyes tápanyagok (pl. Vas, cink) biológiai hozzáférhetősége jobb, ha állati eredetű élelmiszerekből származnak (108). Ezért a fenntarthatóbb célok elérése érdekében a növényi eredetű étrend felé történő elmozdulás táplálkozási szempontból nem megfelelőnek bizonyulhat egyes tápanyagok csökkent biohasznosulása miatt, ha növényi táplálék állati eredetű ételek helyett. Például a francia felnőttek körében a vas, a cink, a fehérje és az A-provitamin tápanyagok biohasznosulása elszámolása változásokat váltott ki az optimalizálási folyamat során kiválasztott élelmiszerekben, különösen a hús kategóriában (36).

A irreális eredmények elkerülése érdekében figyelembe kell venni a kulturális dimenziót. Az összes áttekintett tanulmányban az étrend optimalizálási modellek feltételezése az volt, hogy minél közelebb van a modell a megfigyelt étrendhez, annál elfogadhatóbb az optimalizált étrend. Az étkezési szokásokhoz való közeledést többé-kevésbé kifinomult módon, az étkezési szokásokra vonatkozó korlátozások bevezetésével és/vagy a megfigyelt étrendtől való eltérés minimalizálásával, népesség, szubpopuláció vagy egyéni szinten dolgozva sikerült elérni.

Az összes publikált tanulmányban a kulturális elfogadhatóság továbbra is nehezen értékelhető, mert még mindig nincsenek objektív kritériumok annak meghatározásához, hogy mi elfogadható, és milyen mennyiséget tekintenek „kicsi” vagy „nagy” étrend-változásnak. Egy másik megoldatlan kérdés az, hogy elfogadható-e sok étel változatos előállítása kis mennyiségben, vagy nagy változatok elősegítése néhány étel esetében. Ezért a fenntartható étrend kulturális dimenziójának tiszteletben tartása szempontjából kulcsfontosságú a lakosság, az alcsoportok vagy az egyéni étkezési szokások megfelelő jellemzése, és a modell kialakításakor és az eredmények értelmezésekor minden modellparamétert gondosan meg kell indokolni, és hozzá kell igazítani a tanulmány célkitűzéseihez.

A megfizethető étrend megtervezése már régóta aggodalomra ad okot az étrend-optimalizálási tanulmányokban, míg a környezeti hatást beépítették az étrend-optimalizáló modellekbe

Köszönetnyilvánítás

A szerzők felelőssége a következő volt: RG és CMCB: hozzájárultak a tanulmány tervezéséhez, adatgyűjtéshez, elemzéshez és a kézirat megírásához, és felelősek voltak a kézirat végleges tartalmáért; AL, MM, FV és ND: hozzájárultak a kézirat megírásához, és hozzájárultak a kézirat végleges tartalmának elkészítéséhez; és minden szerző: olvassa el és hagyta jóvá a végleges kéziratot.

Megjegyzések

Az RG-t az ANRT (Agence Nationale de la Recherche et de la Technologie) támogatta. A CMCB-t a Danone Nutricia Research támogatta.

A szerző közzététele: RG, CMCB, FV, MM, AL és ND, nincsenek összeférhetetlenségek.