徐曉巍,郭 臻,王 舉,侯 麗,李 姣
(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)信息研究所,北京 100020)
面向健康管理的食物營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)據(jù)表達(dá)方法研究
徐曉巍,郭 臻,王 舉,侯 麗,李 姣
(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)信息研究所,北京 100020)
目的:設(shè)計(jì)一種食物營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu),為開(kāi)發(fā)面向健康管理的膳食營(yíng)養(yǎng)計(jì)算方法奠定基礎(chǔ)。方法:參考國(guó)家衛(wèi)生計(jì)生委發(fā)布的《食物成分?jǐn)?shù)據(jù)表達(dá)規(guī)范》,以及當(dāng)前常見(jiàn)的食物營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算流程,基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)營(yíng)養(yǎng)計(jì)算中涉及到的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織,詳細(xì)定義了食物營(yíng)養(yǎng)成分的數(shù)據(jù)對(duì)象和數(shù)據(jù)對(duì)象之間的關(guān)系。結(jié)果:對(duì)5類數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行了計(jì)算機(jī)可讀的描述,具體包括成品菜、基本食材、食材分類、烹飪方式、營(yíng)養(yǎng)元素,并且建立了數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。結(jié)論:該數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)具有較好的計(jì)算機(jī)可讀性、計(jì)算機(jī)算法可操作性以及可擴(kuò)展型,有助于數(shù)據(jù)的共享、傳播與利用,支持食物營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算相關(guān)應(yīng)用。
食物營(yíng)養(yǎng)成分;健康管理;膳食管理;數(shù)據(jù)表達(dá);營(yíng)養(yǎng)計(jì)算
個(gè)人健康管理是提高生活質(zhì)量的重要部分,其中營(yíng)養(yǎng)管理是健康管理的重要方面[1,2]。對(duì)具有特定健康狀況人群進(jìn)行日常飲食和營(yíng)養(yǎng)追蹤對(duì)提高健康管理水平和生活質(zhì)量具有重要意義[3,4]。將現(xiàn)有的食物營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能理解的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ),為上層各種應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐是完成計(jì)算的前提與必要條件。對(duì)食物營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行有效的表達(dá)及存儲(chǔ)能夠提高運(yùn)算效率,有助于增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)數(shù)據(jù)的可移植性。然而,在食物成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)過(guò)程中面臨著命名標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、規(guī)則不一致以及數(shù)據(jù)自動(dòng)化水平薄弱等問(wèn)題[5,6]。本文借鑒國(guó)內(nèi)外在食物營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算方面的研究進(jìn)展,并結(jié)合中國(guó)膳食習(xí)慣,設(shè)計(jì)中國(guó)食物營(yíng)養(yǎng)成分的數(shù)據(jù)表達(dá)方法。
長(zhǎng)期以來(lái),許多國(guó)家投入大量精力建設(shè)食物成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)(Food Composition Databases,F(xiàn)CD),為食物成分?jǐn)?shù)據(jù)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用研究奠定了重要基礎(chǔ)。美國(guó)農(nóng)業(yè)部自1992年發(fā)布《營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)》,至今已經(jīng)發(fā)展到擁有8 789條食物數(shù)據(jù)和150種營(yíng)養(yǎng)成分[7];英國(guó)公共衛(wèi)生部(Public Health England)于2015年發(fā)布的食品數(shù)據(jù)庫(kù)中包含將近1 200種食物條目及在英國(guó)飲食中最關(guān)注的食品數(shù)據(jù)[8];日本計(jì)劃發(fā)布的第七版《日本食品標(biāo)準(zhǔn)成分表》,與2000年發(fā)布的第六版相比,食品品種由1 878種擴(kuò)增到2 191種,并充實(shí)了收載營(yíng)養(yǎng)成分[9]。
以食物營(yíng)養(yǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐數(shù)據(jù),對(duì)特定人群營(yíng)養(yǎng)攝入的研究已經(jīng)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。以色列科學(xué)家David Zeevi等基于以色列衛(wèi)生部的食品數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)建立了一個(gè)含有6 401種食物的營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù),并以此為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)800名志愿者進(jìn)行為期1周的飲食記錄跟蹤來(lái)研究飲食和血糖變化之間的關(guān)系[10]。密歇根州立大學(xué)的Debra R.Keast 等人[11]以食物成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)為支撐數(shù)據(jù),采用24h膳食回顧法確定美國(guó)兒童攝入能量及28種營(yíng)養(yǎng)素的來(lái)源。
公眾對(duì)食物中營(yíng)養(yǎng)成分的日益關(guān)注也創(chuàng)造了市場(chǎng)機(jī)會(huì),許多企業(yè)開(kāi)始探索面向健康飲食消費(fèi)的數(shù)據(jù)服務(wù)。食譜搜索網(wǎng)站Yummly[12]使用美國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)》[7](NDSR)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)其從網(wǎng)絡(luò)上搜集的菜譜進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)成分的計(jì)算,只要用戶按照菜譜中的食材及相應(yīng)重量進(jìn)行菜肴的烹制,那么就可得知用戶從這道菜中獲取的各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)成分含量;體重管理軟件MyFitnessPal[13]將來(lái)自各種渠道的食物成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行整合,目前該公司有超過(guò)由500萬(wàn)種食物組成的食物營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。
中國(guó)疾病預(yù)防控制中心發(fā)布的《中國(guó)食物營(yíng)養(yǎng)成分表》從食物所含有一般營(yíng)養(yǎng)成分、食物氨基酸、脂肪酸、膽固醇含量等方面對(duì)食物營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行了描述[14,15]。國(guó)家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)于2015年4月28日發(fā)布了《食物成分?jǐn)?shù)據(jù)表達(dá)規(guī)范》[16],為我國(guó)食物成分?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化和電子化奠定了基礎(chǔ),有助于食物成分的數(shù)據(jù)得到共享和利用最大化[17]。何宇納等對(duì)中國(guó)膳食平衡指數(shù)進(jìn)行修訂,該修訂將膳食指南和平衡膳食寶塔的內(nèi)容進(jìn)行了量化,有助于人們根據(jù)膳食指南對(duì)日常飲食進(jìn)行評(píng)價(jià)[18]。
綜合如上國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,可以發(fā)現(xiàn)我國(guó)膳食營(yíng)養(yǎng)成分的數(shù)據(jù)表達(dá)存在如下問(wèn)題:其一,中國(guó)食物營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)據(jù)未建立可供查詢、方便利用的電子版或網(wǎng)絡(luò)版數(shù)據(jù)庫(kù);其二,飲食營(yíng)養(yǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)提供方便使用的成分庫(kù)缺乏統(tǒng)一數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)可讀性和計(jì)算機(jī)可操作性低。
2.1 膳食營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算方法及流程
膳食營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算主要有兩種方法:化學(xué)分析法和稱重法[19]。相較于化學(xué)分析法,稱重法的優(yōu)點(diǎn)是方便快捷,若已知食材的名稱、重量,結(jié)合食物成分表就能估算出個(gè)體攝入的營(yíng)養(yǎng)成分,能夠在日常膳食營(yíng)養(yǎng)計(jì)算中廣泛應(yīng)用。借鑒稱重法的計(jì)算思路,本文設(shè)計(jì)膳食營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算流程(圖1)。根據(jù)菜肴名稱確定原材料和相應(yīng)重量;考慮原材料烹飪過(guò)程中重量變化和營(yíng)養(yǎng)素變化,根據(jù)食物營(yíng)養(yǎng)成分表計(jì)算出菜肴的營(yíng)養(yǎng)含量。
圖1 膳食營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算流程
2.2 膳食營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)據(jù)表達(dá)方法設(shè)計(jì)
參考衛(wèi)計(jì)委制定的 《食物成分?jǐn)?shù)據(jù)表達(dá)規(guī)范》,以及當(dāng)前常見(jiàn)的食物營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算流程,設(shè)計(jì)了膳食營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算的數(shù)據(jù)表達(dá)方法。采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算中涉及到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行組織,從數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)、字段定義、字段類型及表之間的關(guān)系等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面分別對(duì)成品菜、基本食材、食材分類、烹飪方式、營(yíng)養(yǎng)元素等5類數(shù)據(jù)對(duì)象和數(shù)據(jù)對(duì)象之間的關(guān)系進(jìn)行了說(shuō)明。
2.2.1 成品菜數(shù)據(jù)表 該表用于存儲(chǔ)中國(guó)菜肴數(shù)據(jù),分別定義菜肴名稱(cookfood_name)、菜肴做法(cookfood_desc)等與菜肴基礎(chǔ)描述信息相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容(表1)。
2.2.2 基本食材表 該表用于存儲(chǔ)中國(guó)居民經(jīng)常食用的基本食材數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)主要來(lái)源為《中國(guó)食物成分表》[14,15]中的基本食物,分別定義食材名稱(food_name)、對(duì)食材的基本描述信息(food_desc)、食材可食用部分(food_edible)等與食材相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容(表2)。
表1 成品菜數(shù)據(jù)表(COOK_FOOD)字段描述
表2 基本食材表(FOOD)字段描述
2.2.3 食物分類表 該表用于存儲(chǔ)食物分類數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《中國(guó)食物成分表》[14,15]基本食材劃分的21種食物類,分別定義每種食材類別的唯一編碼(food_group_id),每種類別的名稱(food_group_name),以及每類食物的詳盡描述信息(group_desc)(表3)。
2.2.4 烹飪方式定義表 該表用于存儲(chǔ)中國(guó)的烹飪方式[20]數(shù)據(jù),分別定義每種烹飪方式的名稱(cooktype_name)及其具體描述信息(cooktype_desc)(表4)。
2.2.5 營(yíng)養(yǎng)元素定義表 該表用于存儲(chǔ)食物中所含有的營(yíng)養(yǎng)素信息,數(shù)據(jù)來(lái)源為《中國(guó)食物成分表》[14,15]中定義的食物一般營(yíng)養(yǎng)元素。分別定義每種營(yíng)養(yǎng)元素的名稱(nutrition_name)、該營(yíng)養(yǎng)元素相關(guān)的信息(nutrition_desc)及該種營(yíng)養(yǎng)元素常用的計(jì)量單位(nutrition_unit)(表5)。
2.2.6 食材—營(yíng)養(yǎng)—烹飪方法關(guān)聯(lián)表 該表用于存儲(chǔ)每種食材所包含的營(yíng)養(yǎng)元素信息在不同的烹飪方式下所對(duì)應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)留存因子[21]信息,將來(lái)自基本食材表(FOOD表)中的food_id、來(lái)自營(yíng)養(yǎng)元素定義表(NUTRITION_DATA)中的nutrition_id和烹飪方式定義表(COOK_TYPE_DEF)中的cooktype_id進(jìn)行關(guān)聯(lián),定義了一種食材所含有的營(yíng)養(yǎng)成分在某種烹飪方式下所對(duì)應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)留存因子信息(nutrition_retention_factor)(表6)。
表3 食物分類表(FOOD_GROUP)字段描述
表4 烹飪方式定義表(COOK_TYPE_DEF)字段描述
表5 營(yíng)養(yǎng)元素定義表(NUTRITION_DATA)字段描述
表6 食材—營(yíng)養(yǎng)—烹飪方法關(guān)聯(lián)表(NUTRITION_
2.2.7 重量轉(zhuǎn)換表 該表用于存儲(chǔ)常用計(jì)量單位與標(biāo)準(zhǔn)克重的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),分別定義每種食材常用計(jì)量方式(weight_measure)、計(jì)量方式描述(measure_desc)、及轉(zhuǎn)換為克重對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息(weight_gram)(表7)。
2.2.8 生—熟品關(guān)聯(lián)表 該表用于存儲(chǔ)成品菜所使用基本食材及相應(yīng)重量的信息,定義成品菜所使用每種食材的計(jì)量信息(weight_num)(表8)。
2.2.9 食材—營(yíng)養(yǎng)關(guān)聯(lián)表 該表用于存儲(chǔ)每種食材含有的營(yíng)養(yǎng)元素信息,數(shù)據(jù)來(lái)源為《中國(guó)食物成分表》[14,15]中定義的每種食物所含有的營(yíng)養(yǎng)元素信息。定義某food_id 100g可食部對(duì)應(yīng)的nutrition_id的營(yíng)養(yǎng)元素的含量(nutrition_weight)(表9)。
2.2.10 食材—烹飪方法關(guān)聯(lián)表 該表用于存儲(chǔ)基本食材經(jīng)過(guò)烹飪后的重量變化信息,當(dāng)前數(shù)據(jù)來(lái)源為美國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)布的USDA Table of Cooking Yields for Meat and Poultry[22 ],該數(shù)據(jù)表定義了food_id對(duì)應(yīng)的基本食材在cooktype_id對(duì)應(yīng)的烹飪方法下的重量變化(cooking_yield_factor)(表10)。
表7 重量轉(zhuǎn)換表(WEIGHT_CONVERT)字段描述
表8 生—熟品關(guān)聯(lián)表(COOK_FOOD_ASSOCIATION)字段描述
表9 食材—營(yíng)養(yǎng)關(guān)聯(lián)表(FOOD_NUTRITION)字段描述
表10 食材—烹飪方法關(guān)聯(lián)表(YIELD_FACTOR)字段描述
2.3 膳食營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系設(shè)計(jì)
為了方便各類數(shù)據(jù)在膳食營(yíng)養(yǎng)計(jì)算過(guò)程中的靈活調(diào)用,及新增數(shù)據(jù)的擴(kuò)展性,本文設(shè)計(jì)了不同數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的構(gòu)建模式(圖2)。
圖2 膳食營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系
2.3.1 成品菜數(shù)據(jù)表與生—熟品關(guān)聯(lián)表的關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)現(xiàn) 由于成品菜所含有的營(yíng)養(yǎng)成分主要來(lái)自于食材,而食材的營(yíng)養(yǎng)成分又與用量有很大關(guān)系,所以本文設(shè)計(jì)了成品菜數(shù)據(jù)表和生—熟品關(guān)聯(lián)表,2個(gè)表通過(guò)cookfood_id字段連接,從而確定每道菜中用到的食材及相應(yīng)常用計(jì)量重量。
2.3.2 烹飪方式定義表與食材—營(yíng)養(yǎng)—烹飪方法關(guān)聯(lián)表的關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)現(xiàn) 由于食材中所含有的營(yíng)養(yǎng)元素含量與具體的烹飪關(guān)系有關(guān),所以本文設(shè)計(jì)了食材—營(yíng)養(yǎng)—烹飪方法關(guān)聯(lián)表與烹飪方式定義表,兩表通過(guò)cooktype_id字段連接,從而確定某種食材在某種烹飪方式作用下其中的營(yíng)養(yǎng)元素含量變化。
2.3.3 基本食材數(shù)據(jù)表與食材—烹飪方法關(guān)聯(lián)表的關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)現(xiàn) 由于食材的重量在具體的烹飪過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化,而該變化也會(huì)直接影響到成品菜的營(yíng)養(yǎng)素含量,所以本文設(shè)計(jì)基本食材數(shù)據(jù)表與食材-烹飪方法關(guān)聯(lián)表通過(guò)food_id字段連接,從而確定某種食材在不同烹飪方式作用下其重量變化。
2.3.4 重量轉(zhuǎn)換表與生—熟品關(guān)聯(lián)表的關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)現(xiàn) 由于中國(guó)烹飪過(guò)程中所使用的計(jì)量單位通常不是按照克重計(jì)量,而在營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算過(guò)程中都要轉(zhuǎn)換成以克重計(jì)量,所以本文設(shè)計(jì)了重量轉(zhuǎn)換表和生—熟品關(guān)聯(lián)表通過(guò)weight_measure關(guān)聯(lián),以將食材的常用計(jì)量單位轉(zhuǎn)化為按克重計(jì)數(shù)。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)膳食營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行智能計(jì)算,本文設(shè)計(jì)了可支持通用計(jì)算流程的食物營(yíng)養(yǎng)成分?jǐn)?shù)據(jù)表達(dá)模型,然而,本研究提出的數(shù)據(jù)表達(dá)方法需在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步完善,后期可通過(guò)食物制造商、用戶上傳等眾包方式對(duì)食材數(shù)據(jù)表進(jìn)行擴(kuò)充完善。另外,權(quán)威數(shù)據(jù)庫(kù) 《中國(guó)食物成分表》[14,15]中的數(shù)據(jù)并未對(duì)原材料和烹飪過(guò)的菜肴進(jìn)行區(qū)分,所以在計(jì)算每一道菜譜的營(yíng)養(yǎng)成分之前都應(yīng)該在《中國(guó)食物成分表》[14,15]中對(duì)其進(jìn)行查詢,若表中已有該數(shù)據(jù),則不需要再進(jìn)行計(jì)算。而對(duì)于表中不存在的菜肴,將其原材料分解到什么程度也是后續(xù)對(duì)知識(shí)庫(kù)的完善過(guò)程需要考慮的問(wèn)題。此外,中國(guó)菜譜中往往出現(xiàn)大量的“少許”、“適量”等作為食材用量的度量表達(dá),因此本研究設(shè)計(jì)了重量轉(zhuǎn)換表WEIGHT_CONVERT來(lái)處理度量器具的不統(tǒng)一的問(wèn)題。而針對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)景,需要專門設(shè)定重量轉(zhuǎn)換表中的具體數(shù)值。針對(duì)食物的加工過(guò)程產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)流失問(wèn)題構(gòu)建了“食材—營(yíng)養(yǎng)—烹飪方法關(guān)聯(lián)表”(NUTRITION_FACTOR)。鑒于中國(guó)食材加工方法的多樣性和“營(yíng)養(yǎng)留存因子”計(jì)算的復(fù)雜性,目前還沒(méi)有較為完善的數(shù)據(jù)支撐,也是本研究后續(xù)需要進(jìn)一步研究和探索的方向?!?/p>
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(責(zé)任編輯 李婷婷)
Data Representation for Food Nutritional Composition in Health Management
XU Xiao-wei,GUO Zhen,WANG Ju,HOU Li,LI Jiao
(Institute of Medical Information & Library,Chinese Academy of Medical Sciences,Beijing 100020,China)
【Objective】To design a data representation structure for food nutritional composition,through which the dietary nutrition calculation can be applied in health management.【Method】 According to theRegulationofFoodCompositionDataExpressionpublished by the National Health and Family Planning Commission and the current calculation flow,based on relational database,a data representation structure for food nutritional composition was designed in terms of data objects and relationships between data objects.【Result】The data representation was capable to formulize five objects including completed dishes,food ingredient,food classification,cook step,and nutrition composition.In addition,we built up the relationships between the above five data objects.【Conclusion】The data representation proposed was computer readable and operatable,and was extendable for computation model application,which enriched nutrient related data sharing and dissemination.
food nutritional composition;health management;dietary management;data representation;nutrition calculation
國(guó)家社科基金“面向知識(shí)服務(wù)的公眾健康知識(shí)組織體系構(gòu)建研究”;北京協(xié)和青年基金“多元自我量化在健康促進(jìn)中的應(yīng)用研究”。
徐曉巍(1990— ),女,碩士,研究實(shí)習(xí)員,研究方向:醫(yī)學(xué)信息學(xué)、營(yíng)養(yǎng)信息學(xué)、移動(dòng)醫(yī)療。
李姣(1981— ),女,博士,副研究員,研究方向:醫(yī)學(xué)信息學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)整合。