基于互聯網數據的中學生營養計算模型應用研究及實現

李子衿

（上海市第十中學，上海200010）

1 研究背景

當今，伴隨我國社會經濟總體狀況的明顯改善，學生身體形態發育水平明顯得到了改善，在飲食上變得越來越重視和講科學，但是，在2018 年中國學生營養日上，專家也提出了各年齡段學生肥胖檢出率持續上升的問題，不良的飲食習慣和生活方式，為成年后罹患心腦血管病、高血壓、糖尿病、肝膽疾病等慢性病埋下了“定時炸彈”，同時這些疾病已經呈現低齡化趨勢。特別是中學生因為學業負擔重，睡眠不足，導致白天上課注意力不集中，甚至影響腦細胞活力記憶力減退，學習成績不佳。

據前瞻產業研究院發布，截止至2017 年我國大陸總人口139008 萬人，我國成人超重人口占比為33.12%，其中肥胖率達12.87%，而2017 年青少年兒童的超重率較上年有所上升達到10.25%，肥胖人口占比就高達7.86%。

2 營養計算模型總體設計

導致肥胖的主要原因有四個：①能量攝入過多能量攝入過多是肥胖的主要原因；②活動量過少；③家族性、多基因遺傳；④不當喂養方式。我們可以看到，除了遺傳因素外和運動因素外，肥胖主要是由于營養結構的不合理引起的，那么按照符合國家標準的營養規范，設計符合個體情況的營養計算模型，為使用者提供計算工具，就變得非常重要。本文采用《中國居民膳食營養素參考攝入量》2013 年修訂版的營養規范要求，結合專家對青少年營養的建議，結合一般人日常的飲食習慣，利用6000 條左右的食材及成品數據，建立了中學生營養計算模型，并開發了計算工具。

圖1 肥胖人數情況統計-引用前瞻研究院數據

3 營養計算模型設計方法

3.1 合理的營養攝入規范模型

人類每天飲食，目標是獲得營養物質，要滿足人體能量與營養素的需求，主要包括：能量、蛋白質、脂肪、礦物質、維生素要符合DRIs 的標準。浮動范圍在標準的正負10%以內。提供能量的食物比例要適當：蛋白質占10-14%、脂肪占20-30%、碳水化合物占55-65%、優質蛋白占1/3 以上、植物油占1/2 以上。三餐能量分配合理：早餐占30%、午餐占40%、晚餐占30%。

3.2 專家對青少年營養的建議

青少年一日三餐的飲食原則及科學搭配非常重要，一天要吃三餐飯，人吃飯不只是為了填飽肚子或是解饞，主要是為了保證身體的正常發育和健康。實驗證明：每日三餐，食物中的蛋白質消化吸收率為85%；如改為每日兩餐，每餐各吃全天食物量的一半，則蛋白質消化吸收率僅為75%。因此，按照我國人民的生活習慣，一般來說，每日三餐還是比較合理的。同時還要注意，兩餐間隔的時間要適宜，間隔太長會引起高度饑餓感，影響人的勞動和工作效率；間隔時間如果太短，上頓食物在胃里還沒有排空，就接著吃下頓食物，會使消化器官得不到適當的休息，消化功能就會逐步降低，影響食欲和消化。一般混合食物在胃里停留的時間大約是4-5 小時，兩餐的間隔以4-5 小時比較合適，如果是5-6 小時基本上也合乎要求。

4 營養計算模型應用設計與實現

4.1 日常飲食習慣食譜規范模型

首先，用戶可以輸入一天的飲食計劃，例如早餐：1早餐飲品，1 早餐食品。午餐：1 主食，2 成品菜，1 湯類。晚餐：1 主食，2 成品菜、1 水果。如果用戶某項計劃為空，則采用系統默認量。首先計算人群能量需求E，蛋白質需求量范圍MPb≤MP ≤MPu，脂肪需求量范圍 MFb≤MF ≤MFu，碳水化合物需求量范圍MCb≤MC ≤MCu。

表1 飲食習慣食譜構成初始設定

目標函數定義：

其中E(Xi+Yj+Zk)表示早、中、晚餐的總能量，E為人群G 能量需求。

限制條件：

（1）食譜成員數量

（2）蛋白質

（3）脂肪

（4）碳水化合物

（5）能量

（6）三餐能量分配

4.2 營養計算數據來源

數據來源有三個

（1）國家食材營養標準數據1400 條，數據規范包括：熱量、蛋白質、脂肪、碳水化合物、膳食纖維、維生素A、胡羅卜素、維生素C、維生素E、膽固醇、鉀、鈉、鈣，等等。

（2）互聯網采集累計的食譜數據4000 條，數據規范包括：用料（食材）適合三餐（早餐、午餐、晚餐），不適合人群（糖尿?。┑取?/p>

（3）營養膳食寶塔，數據規范包括第一層（底層）：谷類250-400 克；第二層：每天應吃蔬菜300-500 克，水果200-400 克。第三層：每天攝取魚、蝦、肉、蛋共計125-225 克。第四層：包括奶類和豆類食物。每天應飲鮮奶300 克,吃豆制品30～50 克。第五層（塔尖）：油脂類，每天不超過25-30 克。

4.3 營養計算模型邏輯設計

圖2 營養計算模型邏輯

4.4 營養計算模型應用工具實現

圖3 營養計算模型計算工具

5 營養計算模型優化與實踐

（1）營養計算模型優化原則

①食譜中所含五大類食物齊全，做到了食物種類多樣化

②各類食物的充足，用量滿足國家標準規范

③全天能量和營養素攝入適宜，能量和營養素符合國家標準

④三餐能量攝入分配符合國家要求，可以在標準范圍內5%左右浮動，特別注重了早餐能量和蛋白質的供應

⑤優質蛋白占總蛋白質的比例適當

（2）營養計算模型計算案例

表2 中，根據營養計算模型生成的食譜數據，利用模型進行了2 天的食譜計算，并對營養成分進行了對比，營養基本均衡并滿足用戶所需能要求。

●用戶1 屬性：男性，身高165cm，體重：55 公斤，年齡15 歲；

●用戶2 屬性：女性、身高150、體重40 公斤、年齡13。

圖4 營養計算模型計算工具計算的營養對比圖

6 結語

（1）制定合理的營養食譜，促進青少年身體健康成長

平衡的膳食是為了滿足幼兒機體正常的生理需要，進行科學搭配，達到合理營養的目的。根據青少年的生理、心理特點，注重花樣品種多樣化，抓住色、香、味、形俱佳的要求，進行了科學安排、合理搭配，做到半月菜譜不重樣，達到中國營養學會新推薦的每日膳食中營養素的供給標準。

表2

（2）在應用中，不斷優化營養模型，改進膳食品種的結構

根據用戶對食譜的反饋意見，不斷地優化膳食品種的結構，并且采集更多地食譜數據，做到多樣化，同時，多模型效果進行優化。

（3）青少年調整健康飲食習慣，加強體育鍛煉

均衡的營養和科學的運動有機結合起來，才能促進學生體質健康，引導學生科學均衡飲食，加強體育鍛煉，預防和減少青少年肥胖發生，重視骨骼發育健康，從而提高青少年身體素質水平。