СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛИКЕМИЧЕСКОГО ИНДЕКСА ПОТРЕБЛЯЕМОЙ ЧЕЛОВЕКОМ ПИЩИ
METHOD FOR DETERMINATION OF GLYCEMIC INDEX OF FOOD CONSUMED BY HUMAN

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области измерений для диагностических целей, в частности к измерениям, связанным с оценкой влияния пищевой нагрузки на организм человека, и может быть использовано при создании простых персональных технических средств, предназначенных для контроля питания с учетом реакции организма человека на потребляемую пищу.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Гликемический индекс - это показатель, который определяет изменение концентрации глюкозы (уровня сахара) в крови, а именно показывает, как быстро и до какого уровня возрастает концентрация глюкозы в крови при приеме пищи в зависимости от того или иного продукта. Гликемический индекс показывает, с какой скоростью продукт перерабатывается в глюкозу и оказывается в крови.
Гликемический индекс конкретного продукта - понятие относительное. При его определении за основу взята чистая глюкоза, гликемический индекс которой приравнен к 100. Для остальных продуктов гликемический индекс имеет значение от 0 до 100 в зависимости от того, как быстро продукт усваивается организмом человека. Продукты с высоким гликемическим индексом обеспечивают быстрое повышение концентрации глюкозы в крови. Они легко перевариваются и усваиваются организмом. Продукты с низким гликемическим индексом медленнее поднимают концентрацию глюкозы в крови потому, что углеводы, содержащиеся в таких продуктах, усваиваются медленно.
Гликемический индекс определяют как отношение площади под так называемой гликемической кривой, которая отражает изменение концентрации глюкозы в крови с момента приема пищи до полного ее усвоения организмом, к площади под аналогичной гликемической кривой, характеризующей прием чистой глюкозы, количество которой равно количеству углеводов, содержащихся в пище.
Обычно гликемический индекс получают для определенных продуктов. Проводится серия испытаний, при которых регистрируется гликемическая кривая при потреблении испытуемыми продукта с известным количеством глюкозы. В других опытах те же испытуемые потребляют такое же количество чистой глюкозы. В результате получают усредненные значения указанных отношений площадей под гликемическими кривыми. Гликемический индекс обычно выражается в процентах.
Для практических целей составлены таблицы гликемических индексов различных продуктов, например, см. таблицу в статье: Кауе Foster-Powell, Susanna НА Holt, and Janette С Brand-Miller. International table of glycemic index and glycemic load values: 2002. Am J Clin Nutr. - 2002, 76, 5-56.
Однако такие данные о гликемических индексах отдельных продуктов не могут удовлетворить человека, например, следящего за диетой, в частности процессом усвоения глюкозы. Он хотел бы знать не усредненные данные по отдельным продуктам, а гликемический индекс продуктов, которые он потребляет сам, ведь усвоение продуктов у каждого человека индивидуально. Кроме того, он хотел бы знать гликемический индекс не отдельных продуктов, а вообще пищи, которую он потребляет и которая включает разнообразный набор продуктов. И главное, обычный потребитель не хочет проводить эксперименты с пищей и чистой глюкозой, а хотел бы знать гликемический индекс пищи сразу после ее усвоения.
Первоначально получили распространение способы, основанные на оценке пользователем влияния углеводов, поступающих с пищей, по специальным таблицам, полученным в ходе уже упомянутых экспериментальных исследований. Пользователь сам может оценить численное значение гликемического индекса, который характеризует реакцию организма человека на углеводы, поступающие в организм человека при приеме пищи, по таблицам, в которых приведены гликемические индексы отдельных продуктов. Расчет может производиться с помощью удаленных баз данных, распознающих изображения пищевого продукта, передаваемые с мобильных средств пользователя. Такой подход дает достаточно грубую оценку гликемического индекса, ввиду того что оцениваются отдельные продукты, а не реальная приготовленная пища, кроме того, не учитывается индивидуальная реакция организма на данную пищу.
В заявке US 2005/0266385 (опубл. 01.12.2005, МПК A23L 1/29) описан способ мониторинга содержания питательных веществ в потребляемых продуктах, предназначенный для облегчения планирования меню. Гликемический индекс потребляемого продукта определяется по известным данным гликемических индексов отдельных продуктов. Данный способ не позволяет определять гликемический индекс пищи, составленной из разных продуктов.
В международной заявке WO 2008/009737 (опубл. 24.01.2008, МПК А61В 05/00) описан способ определения гликемического индекса на основе данных гликемических индексов отдельных продуктов, которые пользователь получает с удаленной базы данных на персональный прибор. На основании данных о гликемическом индексе отдельных продуктов, входящих в пищу пользователя, а также количестве этих продуктов, вычисляется гликемический индекс пищи.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения гликемического индекса потребляемой человеком пищи с обратной связью, описанной в международной заявке WO 2002/005702 (опубл. 12.09.2002, МПК А61В 5/00). Сущность известного способа состоит в том, что первоначально в вычислительное устройство заносятся данные о пище, которую предполагается съесть, в том числе данные о гликемическом индексе пищи и предполагаемом количестве ее потребления. После приема пищи периодически измеряется концентрации глюкозы в крови человека одним из известных методов. На основе измеренных значений концентрации глюкозы в крови путем вычислений модифицируется глюкозная кривая и корректируется гликемический индекс потребленного продукта для конкретного человека. Полученные данные используются для прогнозирования концентрации глюкозы в крови, получения предупреждений о недопустимом ее повышении, изменении пищевого поведения или лечения.
К недостаткам данного способа можно отнести необходимость проведения многократных опытов для определения гликемического индекса каждого отдельного продукта. Это неудобно и требует многократных вычислений и повторов в принятии определенного продукта в одних и тех же условиях. Данный способ не может гарантировать стабильную, повторяемую оценку гликемического индекса одного и того же продукта.
Таким образом, сохраняется актуальной потребность в достаточно быстром и простом для потребителя способе определения гликемического индекса различной, в том числе сложной по составу, пищи. Кроме того, такой способ должен учитывать индивидуальные особенности усвоения пищи конкретным человеком и быть достаточно точным.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа определения гликемического индекса потребляемой пищи, позволяющего получить его сразу после потребления пищи, позволяющего определять гликемический индекс многокомпонентной реальной пищи и учитывающего индивидуальные особенности человека.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ определения гликемического индекса потребляемой человеком пищи в соответствии с настоящим изобретением включает следующие операции:
измеряют концентрацию глюкозы в крови человека во времени, по меньшей мере, от начала роста концентрации глюкозы, вызванного приемом пищи, до достижения максимального значения концентрации глюкозы,
max
по результатам измерений определяют промежуток времени Δt от начала упомянутого роста концентрации глюкозы до достижения упомянутого максимального значения концентрации глюкозы и определяют максимальное приращение концентрации глюкозы в крови ΔG за данный промежуток времени Δt,
max
max
при этом гликемический индекс потребленной человеком пищи определяют как отношение максимального приращения концентрации глюкозы в крови ΔG к максимальному приращению концентрации глюкозы в крови, которая поступила бы в организм человека при приеме чистой глюкозы, количество которой равно количеству углеводов, содержащихся в потребленной пище, и которое определяют как величину, пропорциональную произведению ΔG на Δt.
max
sum
Как установили экспериментально изобретатели, площадь под гликемической кривой G(t) в границах от начала роста концентрации глюкозы, вызванного приемом пищи, до достижения максимального значения концентрации глюкозы G, вычисляемая без учета начального значения концентрации глюкозы, с незначительными допущениями пропорциональна количеству углеводов C, содержащихся в потребленной пище. Учитывая практически линейный характер роста концентрации глюкозы на данном временном отрезке, обозначенном как Δt, площадь под гликемической кривой в указанных временных границах и, как было сказано, без учета начального значения концентрации глюкозы будет равна:
max
S=0,5·Δt·ΔG,
max
где ΔG - максимальное приращение концентрации глюкозы за время Δt.
То есть количество углеводов, содержащихся в потребленной пище, равно:
max
где К - коэффициент пропорциональности, величина и размерность которого определяются экспериментально и с учетом размерностей, используемых для ΔG и Δt.
sum
Что касается максимального приращения концентрации глюкозы в крови, которая поступила бы в организм человека при приеме чистой глюкозы Gl, количество которой равно количеству углеводов C, содержащихся в потребленной пище (обозначим это приращение как  то оно может быть получено на основе известных данных. Например, такие данные о приращении концентрации глюкозы в крови при приеме чистой глюкозы можно обнаружить в следующих работах:
Jennie С Brand-Miller, Karola Stockmann, Fiona Atkinson, Peter Petocz, and Gareth Denyer. Glycemic index, postprandial glycemia, and the shape of the curve in healthy subjects: analysis of a database of more than 1000 foods. Am J Clin Nutr. 2009, 89, 97-105.
R.M. Elliott, L.M. Morgan, J.A. Tredger, S. Deacon, J. Wright, and V. Marks. Glucagon-like peptide-1(7-36)amide and glucose-dependent insulinotropic polypeptide secretion in response to nutrient ingestion in man: acute post-prandial and 24-h secretion patterns. J Endocrinol. - 1993, 138, 159-166.
max
Наконец, искомое значение гликемического индекса GI потребленной человеком пищи определяется как отношение ΔG к  а именно:
Здесь умножение указанного отношения на 100 позволяет привести полученное значение гликемического индекса к общепринятой форме.
Таким образом, способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет получить оценку гликемического индекса потребленной пищи, во-первых, произвольного (или многокомпонентного, сложного) состава, то есть реальной пищи, которую потребляет человек, и, во-вторых, исключить сложные подсчеты, связанные с раздельным учетом входящих в состав потребленной пищи продуктов, их гликемических индексов и определением итогового значения гликемического индекса для потребленной пищи в целом. Что касается измерения концентрации глюкозы G(t), то существующие сегодня, прежде всего, неинвазивные методы позволяют, во-первых, производить такие измерения в реальном времени с периодичностью, достаточной для надежного определения момента времени, когда прекращается рост концентрации глюкозы, вызванный пищевой нагрузкой, и, во-вторых, вполне комфортно для человека.
sum
max
Упомянутые допущения, касающиеся определения количества углеводов C, содержащихся в потребленной пище, через ΔG и Δt, определяемые на основании данных измерения концентрации глюкозы в крови G(t), как показали эксперименты, могут привнести погрешность в определении гликемического индекса GI на уровне нескольких процентов, что вполне приемлемо для подобных измерений.
sum
max
В частном случае при измерении количества углеводов C, содержащихся в потребленной пище, в граммах, упомянутого промежутка времени Δt в минутах и упомянутого максимального приращения концентрации глюкозы в крови ΔG в ммоль/л, то есть в привычных для данной области техники параметрах, коэффициент пропорциональности К в выражении (1) выбирают в диапазоне от 0,35 г/мин·ммоль/л до 0,60 г/мин·ммоль/л. Данные значения получены изобретателями экспериментально.
max
sum
В частности, при осуществлении способа с использованием упомянутых размерностей измеряемых величин ΔG, Δt и значения коэффициента К упомянутое максимальное приращение концентрации глюкозы в крови , которая поступила бы в организм человека при приеме чистой глюкозы Gl, количество которой равно количеству углеводов C, содержащихся в потребленной пище, определяют по графику, представленному на Фиг. 1. Этот график также получен экспериментально.
Как было отмечено, предпочтительным является измерение концентрации глюкозы в крови человека неинвазивным способом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение поясняется следующими графическими материалами.
На Фиг. 1 приведена зависимость максимального приращения концентрации глюкозы в крови человека , обусловленного приемом чистой глюкозы Gl, экспериментально полученная изобретателями и используемая при осуществлении способа в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 2 приведены результаты измерения концентрации глюкозы в крови для первого примера осуществления изобретения.
На Фиг. 3 приведены результаты измерения концентрации глюкозы в крови для второго примера осуществления изобретения.
На Фиг. 4 приведены результаты измерения концентрации глюкозы в крови для третьего примера осуществления изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ в соответствии с настоящим изобретением осуществляется следующим образом. С началом приема пищи начинают измерять концентрацию глюкозы в крови человека G(t). Для этого могут быть использованы любые приемлемые методы и технические средства, при этом предпочтительным является использование неинвазивного метода измерения, поскольку способ в соответствии с настоящим изобретением предполагает неоднократное измерение концентрации глюкозы в крови, и неинвазивные методы будут наиболее комфортны для человека. Измерения производят непрерывно или с определенной периодичностью, достаточной для надежной регистрации происходящих изменений концентрации глюкозы в крови во времени t. Вследствие поступления в организм человека пищи концентрация глюкозы в крови человека начинает расти и через некоторое время достигает своего максимального значения. После этого концентрация глюкозы начинает снижаться, что является сигналом для прекращения ее измерения.
max
По результатам выполненных измерений определяют промежуток времени Δt (в минутах) от начала роста концентрации глюкозы, вызванного приемом пищи, до достижения максимального значения концентрации глюкозы, а также максимальное приращение концентрации глюкозы ΔG (в ммоль/л) за данный промежуток времени Δt.
sum
Далее, используя формулу (1) вычисляют количество углеводов C (в граммах), содержащееся в потребленной за данный прием пище, при этом коэффициент пропорциональности К в примерах, приведенных ниже, принимался равным 0,525 г/мин·ммоль/л как среднее значение, характерное для взрослого здорового человека.
sum
sum
На основе определенного значения C по графику, приведенному на Фиг. 1, определяют максимальное приращение концентрации глюкозы , вызванное поступлением в организм человека пищи, состоящей из чистой глюкозы Gl, количество которой равно C. Данный график получен авторами экспериментально, в процессе разработки данного способа. Вместо графика может быть использована математическая зависимость, которая является аппроксимацией данной кривой, либо известные экспериментальные данные.
max
Наконец, гликемический индекс GI потребленной человеком пищи определяют по формуле (2) как отношение максимального приращения концентрации глюкозы в крови ΔG к  - максимальному приращению концентрации глюкозы в крови, которая поступила бы в организм человека при приеме чистой глюкозы.
Как было указано, способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет определять как гликемический индекс, отдельных продуктов, так и гликемический индекс поступившей в организм человека пищи, включающей различные продукты, или гликемический индекс смешанной пищевой нагрузки. Последнее представляет основной практический интерес, связанный с оценкой гликемического индекса, поскольку в повседневной жизни человек потребляет пищу именно смешанного состава.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для проверки осуществимости способа и достижения указанного результата был проведен ряд экспериментов. В ходе каждого эксперимента волонтер получал дозированную пищевую нагрузку, представляющую собой комбинацию различных продуктов. При этом в соответствии с настоящим изобретением измерялась концентрация глюкозы в крови волонтера от начала приема пищи до момента, когда прекращался рост концентрации глюкозы, вызванный приемом пищи. Концентрация глюкозы измерялась неинвазивным способом, описанным в международной заявке PCT/RU2013/000144 (номер международной публикации WO 2013/125987). Измерения производились с периодичностью 1 минута и дополнительно результаты измерений контролировались стандартным инвазивным способом с забором пробы крови 1 раз каждые 15 минут. Результаты дискретных измерений фиксировались и путем аппроксимации строились плавные кривые зависимости концентрации глюкозы G в крови человека от времени t, которые представлены на Фиг. 2-4.
max
sum
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>G</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>g</mi><mi>l</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
По полученным кривым определяли: промежуток времени Δt, в течение которого наблюдался рост концентрации глюкозы G, а также максимальное приращение концентрации глюкозы ΔG за это время. Затем, используя выражение (1), вычисляли содержащееся в потребленной пищи количество углеводов C, по которому с использованием графика, представленного на Фиг. 1, определяли максимальное приращение концентрации глюкозы в крови
, которое произошло бы в случае приема пищи, состоящей из чистой глюкозы Gl, после чего по формуле (2) вычисляли гликемический индекс потребленной пищи.
В качестве контрольного был принят известный способ расчета суммарного (или совокупного) гликемического индекса смешанной пищи, описанный в книге: The glucose revolution: the authoritative guide to the glycemic index, the groundbreaking medical discovery / by Jennie Brand-Miller at al. - Marlow & Company, New York, 1999, p. 33. Суть этого способа заключается в том, что вначале определяют количество в граммах углеводов, содержащихся в отдельных продуктах, и с учетом этого количества определяют долю углеводов данного продукта во всей пищевой нагрузке. Затем для каждого продукта его гликемический индекс умножают на упомянутую долю углеводов, приходящуюся на продукт, а результаты суммируют, получая совокупный гликемический индекс пищевой нагрузки - GI, или:
j
где: P - доля углеводов j-го продукта;
j
GI - гликемический индекс j-го продукта;
n - число отдельных продуктов, входящих в состав смешанной пищи.
Данные о гликемический индекс отдельных продуктов были взяты из таблиц, опубликованных в статье: Кауе Foster-Powell, Susanna НА Holt, and Janette С Brand-Miller. International table of glycemic index and glycemic load values: 2002. Am J Clin Nutr. - 2002, 76, 5-56.
В завершении экспериментов оценивалось отклонение значения совокупного гликемического индекса пищевой нагрузки (потребленной пищи), полученного с использованием способа в соответствии с настоящим изобретением, относительно совокупного гликемического индекса этой же пищевой нагрузки, вычисленного контрольным способом.
ПРИМЕР 1.
Волонтер - женщина, возраст 50 лет, рост 164 см, вес 63 кг.
Состав пищевой нагрузки:
пирожное буше - 65 г (углеводы - 39,0 г, гликемический индекс (ГИ) - 75);
пирожное эклер - 69 г (углеводы - 20,7 г, ГИ - 75);
чай - 200 мл, с сахарным песком - 10 г (углеводы - 10 г, ГИ - 70).
Ниже в Таблице 1.1 приведены исходные данные и результаты расчета гликемического индекса потребленной пищи, выполненного контрольным способом.
Определение гликемического индекса в соответствии с настоящим изобретением дало следующие результаты.
На Фиг. 2 в виде графика представлены результаты измерения концентрации глюкозы G с начала приема пищи, по которым были определены:
промежуток времени Δt=37 мин, в течение которого наблюдался рост концентрации глюкозы, и
max
максимальное приращение концентрации глюкозы ΔG=3,4 ммоль/л за это время Δt.
sum
sum
По формуле (1) было определено количество углеводов C, содержащееся в потребленном за данный прием количестве пищи, что составило C=66,0 г. При расчете коэффициент К принимался равным 0,525 г/мин·ммоль/л.
Максимальное приращение концентрации глюкозы в крови, которое произошло бы в случае приема пищи, состоящей из чистой глюкозы, определялось по графику на Фиг. 1 и составило  ммоль/л.
Окончательно гликемический индекс потребленной пищи вычисляли по формуле (2), что составило GI=72,3.
Для удобства результаты определения гликемического индекса потребленной пищи в соответствии с настоящим изобретением сведены в Таблицу 1.2.
Относительное отклонение результатов определения ГИ пищи с использованием способа в соответствии с настоящим изобретением относительно результатов вычисления ГИ пищи контрольным способом составило 2,8%.
ПРИМЕР 2
Волонтер мужчина, возраст 58 лет, рост 174 см, вес 84 кг.
Состав пищевой нагрузкой:
карбонад - 100 г (углеводы - 0,0 г);
хлеб белый - 54 г (углеводы - 40,9 г, ГИ - 85);
масло сливочное - 20 г (углеводы - 0,18 г, ГИ - 70);
кофе - 160 мл с сахаром -10 г (углеводы - 10 г, ГИ - 70).
Ниже в Таблице 2.1 приведены исходные данные и результаты расчета гликемического индекса потребленной пищи, выполненного контрольным способом.
Определение гликемического индекса в соответствии с настоящим изобретением дало следующие результаты.
На Фиг. 3 в виде графика представлены результаты измерения концентрации глюкозы G с начала приема пищи, а результаты определения гликемического индекса в соответствии с настоящим изобретением сведены в Таблицу 2.2.
Относительное отклонение результатов определения ГИ пищи с использованием способа в соответствии с настоящим изобретением относительно результатов вычисления гликемического индекса пищи контрольным способом составило 7,7%.
ПРИМЕР 3
Волонтер женщина, возраст 22 года, рост 162 см, вес 53 кг.
Состав пищевой нагрузкой:
котлета «Киевская» - 117 г (углеводы - 30,4 г, ГИ - 85);
гречневая каша - 125 г. (углеводы - 31,2 г, ГИ - 40);
кофе с сахаром - 160 мл (углеводы - 5 г, ГИ - 70).
Ниже в Таблице 3.1 приведены исходные данные и результаты расчета гликемического индекса потребленной пищи, выполненного контрольным способом.
Определение гликемического индекса в соответствии с настоящим изобретением дало следующие результаты.
На Фиг. 4 в виде графика представлены результаты измерения концентрации глюкозы G с начала приема пищи, а результаты определения гликемического индекса в соответствии с настоящим изобретением сведены в Таблицу 3.2.
Относительное отклонение результатов определения гликемического индекса пищи с использованием способа в соответствии с настоящим изобретением относительно результатов вычисления гликемического индекса пищи контрольным способом составило 4,9%.
Проведенные тесты показали, что способ в соответствии с настоящим изобретением может обеспечить оценку гликемического индекса сложной по составу пищи, то есть «реальной еды», поступающей в организм человека. При этом оценка гликемического индекса, получаемая данным методом, учитывает индивидуальные особенности усвоения человеком определенной пищи. Кроме того, результаты определения гликемического индекса потребленной пищи получаются сразу после ее приема посредством измерения концентрации глюкозы в крови человека.
Способ предназначен преимущественно для определения гликемического индекса сложной по составу пищи, поступающей в организм здорового человека, и может быть использован для создания различных устройств и систем автоматического мониторинга за углеводной составляющей питания человека.