Конструктивная трофология основные положения возможности и перспективы (часть2)

Конструктивная трофология и анализ экономических проблем пищевой технологии.
 Мы попытались проанализировать с позиций трофологии технологические и экономические аспекты производства новых видов пищевых продуктов. Прежде всего необходимо выделить большую группу веществ, относящихся к так называемым заменителям и пищевым добавкам. Это, в первую очередь, заменители жиров, белков, сахаров, ароматизаторы, интенсификаторы вкуса и запаха, красители, стабилизаторы эмульсий. Ежегодный общий объем производства пищевых добавок в США превосходит 7 млрд долларов. При анализе проблемы заменителей и пищевых добавок с позиции трофологии, очевидно, недостаточно рассматривать только гигиенические и токсикологические ее аспекты. Новые, готовые к непосредственному употреблению населением, пищевые продукты целесообразно подразделять на две основные группы: первую — пищевые продукты массового потребления, вторую — продукты специального назначения.
При анализе продуктов первой группы необходимо выделить явную тенденцию значимой группы населения промышленно развитых стран к потребности в здоровом питании. Наибольшее предпочтение эта группа отдает продуктам, позволяющим вести здоровый образ жизни, предотвратить известные болезни нарушения обмена веществ, а также других, обусловленных избыточным потребления жиров и сахара. Здесь уместно вспомнить понятие “физиологической культуры”, предложенное А. М. Уголевым. Большую роль при выборе продуктов потребителем играет низкое содержание сахара, насыщенных жиров и других опасных, с его точки зрения, ингредиентов. Именно стремлением потребителя к здоровому образу жизни, “физиологической культуре” можно объяснить тот факт, что продукты питания, входящие в группу “легких”, являются наиболее конкурентоспособными. Однако ассортимент “легких” продуктов настолько велик, что при конкуренции постоянно вытесняются одни и заменяются более усовершенствованными по нутритивным, органолептическим и физико-химическим показателям.
Использование новых технологий позволяет производителю получить продукт, варьирующий по разнообразным показателям. То есть получить продукт практически адекватный (!) запросам каждого конкретного потребителя, например, с регулируемыми составом по биологической ценности и калорийностью, сбалансированным содержанием незаменимых аминокислот, эссенциальных жирных кислот, микроэлементов, витаминов, с заданным содержанием пищевых волокон, ароматом, вкусом, цветом, консистенцией, структурой (вместе и/или в отдельности), с увеличенным сроком реализации. Подобные новые виды пищевых продуктов являются предпосылкой успешной деятельности фирмы, производящей продукты массового потребления, и той базой, которая даёт уверенность фирме в условиях постоянного развития физиологической культуры и поиска адекватных пищевых продуктов для удовлетворения жизненных потребностей всевозрастающей части населения. С точки зрения трофологии именно благодаря производству “легких” пищевых продуктов и вовлечению все большей части населения в процесс их потребления и возникает положительная обратная связь.
Совершенно иная ситуация возникает при анализе второй группы продуктов специального назначения. Это продукты, адекватные определённым потребительским группам, например, в зависимости от болезни, рода профессиональной деятельности (спортсмены, космонавты), социального, демографического, этнического статуса (пищевые табу, привычки, аверсии). Для таких потребителей необходимы специальные продукты, не относящиеся к продуктам массового спроса, т. к. они должны удовлетворять именно специфичные потребности определённых групп. Чтобы оценить возможность их производства и потребления, необходимо выявить влияние выпуска целевых продуктов на деятельность их изготовителей в рыночных условиях. Для изучения сути этого влияния целесообразно выбрать прежде всего такую потребительскую группу, размеры и численность которой меньше всего зависят от амплитуды колебаний внешних экономических факторов, а динамика их стабильна. Наиболее подходящей, на наш взгляд, для подобного трофологического анализа является группа пищевых продуктов, производство (искусственная технология) и потребление (естественная технология) которых явно зависят от некоторой болезни. Более явную зависимость можно выявить, если рассмотреть выпуск продуктов для целевой группы с генетически обусловленными болезнями.
В качестве примера нами исследована возможность предотвращения инвалидизации детей, больных фенилкетонурией, в ряде промышленно развитых государств за счет “сопровождения” их на протяжении всей жизни, а не только в первые годы, специальными продуктами, не содержащими фенилаланин. Этот процесс не мог бы быть осуществлен без взаимодействия государственных и негосударственных экономических структур как на стадии разработки, так и при производстве новых видов пищевых продуктов.
Таким образом, производство новых видов пищевых продуктов второй группы вызвано тем, что запросы потребителей обусловливаются не личными пищевыми предпочтениями, а заболеванием и связанным с ним рационом питания строго определённого состава и качества. Эти запросы более стабильны и уравновешенны. Следовательно, и темпы создания новых продуктов замедляются.
Некоторые новые программно-аппаратные средства, измерительные и вычислительные методы решения задач конструктивной трофологии.

1. Новые пути конструктивного анализа данных литературы при решении массовых междисциплинарных задач трофологии. Рассмотренные нами примеры разнообразных задач трофологии приводят к мысли о том, что поиск информации по междисциплинарным исследованиям в этой области сопряжен с огромными затратами времени и вычислительных ресурсов. Вместе с тем даже предварительный частотный анализ ключевых слов в данной области весьма информативен. Для облегчения поиска необходимой библиографической информации мы использовали сервер библиотеки Национального института здоровья США (www4.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed).
В рамках концепции конструктивной трофологии мы неоднократно обращались к проблеме информативности различных методов инструментального анализа. Нам показалось интересным и конструктивным (с точки зрения дальнейших перспектив исследования) сопоставить информационные (в том числе и диагностические) возможности различных аналитических методов как при исследовании разнообразных биосубстратов, так и в интересах различных областей медицины. В качестве методов были выбраны химический анализ (без указания конкретного способа его проведения), хроматография и спектроскопия совместно со спектрометрией. Особый интерес представляли сообщения, посвященные использованию летучих органических соединений при решении исследовательских и диагностических задач. При анализе таблиц мы ввели коэффициент диагностических возможностей (КДВ) метода в решении каждой конкретной задачи. КДВ – отношение числа публикаций, посвященных диагностическому применению метода, к общему числу публикаций. Так, например, по использованию в интересах гастроэнтерологии КДВ в порядке убывания составляет: химический анализ – 0,222, спектроскопические и спектрометрические методы – 0,182, хроматография – 0,072, применение различных методов анализа летучих соединений – 0,037. Сразу же бросается в глаза невостребованность хроматографических методов анализа при решении диагностических задач. Одновременно следует задать вопрос: почему летучие органические соединения, столь информативные в задачах распознавания, решаемых живыми существами, так мало используются в медицинской диагностике?
При использовании мощных библиотечных серверов при поиске библиографии по междисциплинарным проблемам трофологии мы столкнулись с парадоксом ключевых слов: чтобы грамотно сформулировать запрос, т. е. не получать ни невозможное для конструктивного анализа число ссылок, ни отсутствие ссылок по предлагаемым запросам, необходимо в деталях представлять себе структуру проблемной области - трофологии, особенно интересных междисциплинарных аспектов. Однако именно детальное представление и является целью поиска. Выход из создавшегося положения, общего для всех исследователей, работающих в междисциплинарных областях знаний, мы нашли, разработав программу предварительного библиографического поиска. Программа использует на входе традиционную информацию – ключевое слово запроса и данные, предлагаемые сервером. Однако на выходе эта программа, в отличие от других традиционных подходов к решению данной проблемы, предлагает матрицу попарной встречаемости всех ключевых слов, имевшихся в предложенной в ответ на запрос библиографии. Матрица позволяет пользователю не только получить представление об изученных вопросах в предложенной выборке, но и количественно оценить степень изученности различных аспектов проблемы, выявить оптимальные с точки зрения библиографии, предоставленной сервером, пути поиска взаимосвязи между неизученными (нулевые элементы матрицы) к настоящему моменту вопросами.
2. Конструктивная трофология и анализ изображений. Ранее нами была предпринята попытка раскрытия новых информационных возможностей методов тонкослойной хроматографии (ТСХ), в том числе в варианте высокоэффективной тонкослойной хроматографии (ВЭТСХ) и планарного электрофореза (ПЭФ), а также некоторых гистологических и морфологических методов за счет использования достижений иконики – новой, бурно прогрессирующей междисциплинарной области знаний.
Иконика – наука о методах построения и анализа изображений. Ее прогресс обусловлен как успехами прикладной математики и вычислительной техники, так и постоянно возрастающим интересом представителей различных естественных и гуманитарных областей знаний (психологов, психофизиологов, когнитологов и др.) к способам анализа и манипуляции изображений, присущих человеку вне и/или в зависимости от сферы его профессиональной деятельности. Имитация способов обработки информации живыми существами, в том числе и человеком, позволяет реализовывать “интеллектуальные” системы технического зрения. Некоторые возможности предложенного подхода наглядно видны, в частности, на примере ВЭТСХ при анализе сложной смеси липидов в диагностике карциномы. Среди этих заболеваний по скорости развития клинических симптомов и глубины метастазирования особенно опасен мелкоклеточный рак. Диагностика этой формы рака клиническими и морфологическими методами исключительно трудна и недостоверна, особенно на ранних его стадиях. Вместе с тем нами получены результаты, позволяющие надеяться на то, что благодаря совместному применению ВЭТСХ и иммуноферментных методов анализа, а также авторадиографии в сочетании с мощными средствами компьютерной поддержки сбора, обработки и хранения информации, появятся новые возможности в диагностике этой формы рака. Метод условно можно назвать “ВЭТСХ-реализация иммуноферментного анализа”. Он основан на взаимодействии специфического антигена со специфическими моноклональными антителами. Возникающий комплекс взаимодействует с кроличьими антителами, конъюгированными пероксидазой хрена (“Sigma”). Соответствующая зона на ВЭТСХ -пластинке проявлялась при обработке 0,1% раствором ферментного субстрата – ортофенилендиамина, содержащим 0,01% перекиси водорода. Перечисленные методы позволяют успешно осуществлять раннюю диагностику, в частности на основании клинического материала, полученного во время хирургической операции или в момент биопсии (рис. 1). С помощью иконического видеоденситометра реализуется качественный и количественный анализ любых изображений, в частности таких сложных, как двумерная ВЭТСХ и высокоэфффективный ПЭФ. Предлагаемые стандарты обеспечивают эффективную сохранность информации как об объектах и условиях анализа, так и о полученных результатах, включая оригинальное изображение, представляющее интерес для пользователя.
3. Конструктивная трофология и когнитивная графика. Для эксплицирования невербализуемых знаний и представлений экспертов в трофологии, а также обычных потребителей пищевых продуктов нами предложен оригинальный графический интерпретатор. Он позволяет эксперту и/или испытуемому визуализировать свои знания о данной проблеме в виде специальных символов (терминов, рисунков, схем), размещаемых на плоскости, в том числе и снабженных дополнительной информацией, например картой района, неблагоприятного с точки зрения трофологии (дефицит белка, витаминов, микроэлементов и т. д.). Интерпретатор хорошо зарекомендовал себя при исследовании “внутренних” знаний и представлений экспертов в области химии гетероциклических соединений, образуемых при реакции Майара, а также при изучении пищевых и запаховых предпочтений испытуемых (рис. 2).
4. Новые возможности анализа летучих соединений методом инфракрасной-Фурье (ИК-Фурье) спектроскопии при решении задач трофологии. Ранее мы обосновали перспективность анализа летучих соединений методом ИК-Фурье спектроскопии (ИКФС) при интегральной оценке качества пищи.
Анализу летучих органических соединений придается исключительно большое значение. Он проводится, в частности, в медицине, биологии, экологии, сельском хозяйстве, пищевой технологии, геологии, археологии, криминалистике. В подавляющем большинстве случаев анализ сложных смесей летучих органических соединений, особенно в сочетании с различными видами газовой экстракции, осуществляется при помощи высокоэффективной капиллярной газовой хроматографии с программированием температуры (ВЭКГХПТ) в сочетании с масс-спектрометрией (МС) в измерительно-вычислительных комплексах – “рабочих станциях” ГХ-МС-ЭВМ. Однако в последние годы наметилась тенденция к одновременному использованию метода ИК-Фурье спектроскопии в составе “рабочих станций” вида ГХ-МС-ИКФС-ЭВМ.
Проведенный нами анализ задач исследования летучих органических соединений, решаемых методами современной хемометрики, особенно при помощи ВЭКГХПТ-ЭВМ, ГХ-МС-ЭВМ, а также ГХ-МС-ИКФС-ЭВМ “рабочих станций”, позволяет выявить широкий круг задач, для решения которых первоостепенную важность приобретают “рабочие станции” вида ИКФС-ЭВМ. При этом мы исходим из того, что все решаемые в рамках хемометрики задачи необходимо разделить не на два класса – задачи качественного и количественного анализа, а на три. Третьим, исключительно обширным, классом является так называемая “задача распознавания образов”. ИК-Фурье спектроскопия сложных смесей летучих органических соединений, находящихся в равновесной паровой фазе в этом случае используется как способ построения интегральных аналитических кривых, характеризующих “паттерн” летучих соединений биологических систем при распознавании образов. При программно-аппаратной симуляции дистантной хеморецепции, о возможности которой речь шла выше, ИКФС-ЭВМ “рабочие станции” имеют существенное преимущество именно вследствие формирования интегрального аналитического сигнала, вклад в который вносят одновременно все функциональные группы, присутствующие в различных по своей природе индивидуальных летучих соединениях. Это дает возможность вести более успешный поиск связи “состав – биологическая активность”.
При использовании системы “прямого ввода” в ИКФ-спектрометр, снабженный газовой кюветой, можно проводить исследование равновесной паровой фазы, что дает возможность, на наш взгляд, решить многие проблемы анализа летучих органических соединений биологических объектов. Предложенный нами подход позволяет оценить погрешности различных этапов анализа, проводимого при помощи ГХ-МС-ИКФС-ЭВМ “рабочих станций”. Спектры паровой фазы можно анализировать очень быстро (всего за 2 мин), без предварительной сложной подготовки, как в других методах инструментального анализа летучих органических соединений. Метод ИК-Фурье спектроскопии паровой фазы очень простой, доступнее и дешевле, чем хроматографические методы анализа. Он позволяет количественно оценить различия в составе паровой фазы, обусловленные как отношением “норма — патология” при решении диагностических задач, так и изменениями, вызванными практически любыми процессами, находящими отражение в паттерне летучих органических соединений (химическими, биохимическими микробиологическими, технологическими) на всех стадиях производства, хранения и транспортировки пищевых продуктов, а также интенсивность и направленность этих процессов, т. е. при конструктивном решении различных задач трофологии.
Заключение.
Нами предпринята попытка рассмотреть и обсудить только те естественные и искусственные системы (объекты, процессы), для которых заданы способы их построения, определения, измерения, вычисления, логического вывода. Цель работы – построение элементов конструктивной трофологии, направления в рамках современной междисциплинарной науки о пище и питании – трофологии, интегрирующей различные естественно-научные и технологические дисциплины. Конструктивная трофология позволит получать эффективные (в смысле качества и ресурса) решения массовых задач трофологии. Базой построения элементов конструктивной трофологии послужил подход, имитирующий на программно-аппаратном уровне эволюционно сформировавшиеся в природе способы сбора и обработки информации о состоянии окружающей среды.
Авторы отдают себе отчет в существовании отдельных недостатков в исходном построении концепции конструктивной трофологии. Вместе с тем задача разработки конструктивных подходов к решению проблем медицинских и естественных наук настолько важна, что исследования в этом направлении необходимо продолжить. Именно поэтому любая конструктивная критика предложенных построений будет воспринята с искренней признательностью. Авторы хотели бы выразить свою глубокую благодарность академику РАЕН П. К. Климову за возможность постоянного плодотворного обсуждения рассматриваемой проблемы.

Лекция на XIV школе-семинаре «Современные проблемы физиологии пищеварения, Пущино-на-Оке, 1997, опубликовано в Российском журнале гастроэнтерологии, гепатологии, колопроктологии 1998, №1, стр. 19-30


Рис.1 Изображение, полученное при ВЭТСХ-реализации иммуноферментного анализа с целью диагностики мелкоклеточного рака (Для увеличения картинки щелкните на ней мышкой)

Рис. 2 Результат эксплицирования невербализируемых знаний и представлений испытуемого о его пищевых предпочтениях, полученных с помощью оригинального графического интерпретатора