基于决策树模型的城市居民日常饮食

决策模型18：基于数据的决策，数据驱动 #生活技巧# #领导力技巧# #决策模型#

国际上认为当今老年人整体主观年龄和外表小于其实际年龄5~15岁，中国人民大学研究也获得了类似结果[1-3]。Yan等[4]发现组蛋白乙酰转移酶编码基因赖氨酸乙酰转移酶(lysine acetyltran sferases 7, KAT7)能控制衰老、炎症相关基因的表达，表明衰老是可延缓、可调控。然而，抗衰老除自身基因调节和生存环境优化及医疗条件提升外，直接通过改善日常饮食来产生抗衰老效应。实验证明[4-5]大多数食物有抗氧自由基的作用，如水果、蔬菜等是通过影响氧化应激、端粒缩短、AMP活化蛋白激酶和Sirt-1等机制达到抗衰老之效。

1.  对象与方法

1.1  研究对象

研究对象为≥20岁部分社区的居民，纳入标准：(1)健康人群[＜60岁，健康判断参照WHO标准，≥60岁者则参照《中国健康老年人标准(2013)》]；(2)社区居住时间≥5年；(3)愿意始终配合本项调查。排除标准：(1)患严重疾病、精神障碍者等；(2)不依从和不能提供调研全部信息。依据中国南北(以秦岭淮河线分)地理、饮食文化等特征，设江西省、福建省、陕西省、甘肃省4省为研究空间。依据课题组前期衰老度测量，“状态年龄相对年轻”人群比例在25%为阳性概率(p)，定容许误差(d)=0.15×p，检验水准α=0.05，代入公式，最终样本数≥616人(增加了20%的样本)。采取分层抽样，考虑省、县、区、社区4级管理模式和年龄层(本研究分8个年龄段)；按上述各省人口年龄构成采用最优分配法确定对象数量，然后依据社区卫生健康管理档案进行单纯随机抽样获得研究对象。所有研究对象均签署知情同意书，本研究获得南昌医科大学第二附属医院医学研究伦理审批。

1.2  研究方法与内容

一是人体衰老度测量，采用生理-心理-社会三维人体衰老度量表(physiological-psycho-social three dimensional aging scale, PPSHAS)等工具判断“状态年龄相对轻(简称相对轻)”“状态年龄相对老(简称相对老)”“状态年龄与实际年龄相符(简称相符)”3类不同人群。二是对不同状态年龄者的饮食类型及营养素成分调查分析。三是基于决策树(decision tree, DT)的饮食-营养素抗衰老方案筛选与构建。设定“状态年龄相对轻”与否作为输出变量(Y)，以饮食种类、结构及其营养素等为输入变量(Xn)进行决策。通过模型反复训练，使变量区分度趋于理想，以达最大贡献率，按Xn贡献率大小构建抗衰老方案。本研究采用PPSHAS，其信效度在0.80~0.98[6]；《抗衰老相关饮食类型与结构因素调查表》制作参考《中国居民营养与健康状况调查总体方案》，并经遴选专家评价和反复修改后确定。

1.3  统计学方法

采用EpiData 3.1软件建立数据库，使用SPSS 26.0软件、IBM SPSS Modeler 18.0软件处理数据。双侧检验水准α=0.05。全部资料收集后进行审核(双录入)，剔除无效问卷。数据处理时，对缺失值进行补测、重测，无法重新获取则用期望-最大似然估计法填补；针对非正态连续型变量进行对数等形式转换或变量性质转换；针对数据不平衡问题，采用加权法处理。

2.  结果

2.1  基本情况

本研究在2020年4月-2021年9月先后对上述4省18个社区719人(≥20岁)实施衰老度测量和相关饮食类型、结构及食用量等调查，收回有效问卷660份，有效率为91.79%；研究对象年龄在27~103岁，平均年龄为(62.55±11.95)岁；女性多于男性(1.2∶1)；文化程度为小学及以下，占57.21%；已婚，占83.30%。区域提示南方(福建省、江西省)人数351人(53.18%)，多于北方的(陕西省、甘肃省)309人(46.82%)；≥60岁调查对象比例南北相近；2020-2021年南方人均年收入(34 122.00±1 825.92)元高于北方(27 042.75±1 644.14)元，均差为7 079.25元/年/人。见表 1。

表 1 南、北方城市社区居民基本特征分析与比较[n(%)]

Table 1. Analysis and comparison of basic characteristics of community residents in southern and northern cities [n(%)]

特征 总数(18个社区) 南部(8个社区) 北部(10个社区) t/χ2值 P值 年龄(岁)   范围 27~103 27~103 33~92   均值(x±s) 64.55±11.95 65.11±11.00 63.88±12.14 1.357 0.175   ≥60 417(63.18) 226(64.38) 191(61.81) 3.543 0.060 性别 63.441 ＜0.001   男 297(45.00) 178(50.71) 119(38.51)   女 363(55.00) 173(49.29) 190(61.49) 文化程度 7.530 0.057   小学及以下 397(57.21) 203(58.00) 174(56.31)   初中 143(24.73) 93(26.57) 70(22.65)   高中 75(11.38) 38(11.14) 36(11.65)   大专及以上 44(6.68) 16(4.29) 29(9.38) 婚姻状况 2.191 0.335   已婚 549(83.31) 294(84.00) 255(82.52)   未婚 10(1.52) 3(0.86) 7(2.27)   其他a 100(15.17) 53(15.14) 47(15.21) 人均年收入(x±s, 元) 30 582.38±1 407.72 34 122.00±1 825.92 27 042.75±1 644.14 52.407 ＜0.001 注：a指离婚或丧偶。

经PPSHAS量表测量，实施衰老标准化分值换算，再用百分位数法逐个判断个体状态年。结果提示，研究对象衰老度标准得分为(47.72±8.55)分，状态年龄为(63.23±18.01)岁。研究对象相对轻(＜P25)230人，占34.85%；相对老(＞P75)264人，占40.00%；25.15%(166人)与其实际年龄相符。不同年龄组间衰老度分布存在差异(χ2 = 180.791, P＜0.001)，＜50岁比实际年龄相对老，占比为46.91%。女性状态年龄(61.52±18.47)岁普遍比男性(64.64±17.53)岁年轻(t=2.317, P=0.018)。

图 1 抗衰老贡献率排序：A建模流程；B饮食类型；C营养素

Figure 1. Ranking of anti-aging contribution rates of diet types: A modeling process; B diet types; C nutrient types

2.2  日常饮食及其营养素2.2.1  饮食类型及其水平

对660名研究对象的日常主要饮食(6类19种)进行了调查。分析相对轻与相对老2类人群的饮食种类、平均水平提示，除大米、面粉、盐外差异均有统计学意义(均有P＜0.05)，且相对轻组摄入量高于相对老组，而牛羊肉和食用油摄入量则相反。就主食而言，相对轻组的面粉、粗粮、根茎、牛羊肉、盐摄入量北方均高于南方(均有P＜0.001)，虾类、蛋类则相反(t虾=4.243, P=0.030; t蛋=6.228, P＜0.001)。见表 2。

表 2 不同衰老度研究对象膳食类型、营养素种类的摄入水平比较(x±s)

Table 2. Comparison of dietary types and nutrient intake levels of subjects with different aging degrees (x±s)

摄入量/人 相对轻(n=205) 相对老(n=162) 摄入量/人 相对轻(n=205) 相对老(n=162) 主食(g/d) 大米 242.26±154.18 215.33±155.07 能量c(kJ/周) 38 343.61±10 432 b 25 290.02±8 421.12 面粉 318.89±253.80 295.31±268.16 蛋白质(g/周) 607.36±182.97 b 161.58±80.07 粗粮 520.51±398.30 a 420.99±364.07 脂类(g/周) 315.63±119.72 b 442.51±196.95 蔬菜(g/周) 叶菜 916.41±733.59 b 586.17±442.6 碳水化合物(g/周) 1 525.07±454.22 b 531.85±264.24 根茎 638.27±637.91 b 259.47±202.75 膳食纤维(g/周) 637.45±254.42 b 178.86±115.31 茄果豆 560.30±566.44 b 231.63±168.12 水(g/d) 3 233.8±1234.88 b 1 918.26±1 023.42 瓜类 532.61±516.97 a 309.82±260.71 维生素(μg/周、mg/周) 豆制品 250.02±205.83 b 122.6±80.47   维生素A(μg) 2 671.3±1352.09 2 528.81±1 472.79 荤菜(g/周) 牛羊肉 1 080.25±950.69 b 653.26±571.72   维生素B(mg) 49.41±40.54 b 8.84±4.92 猪肉 650.88±638.97 775.38±673.34   维生素C(mg) 278.27±145.56 b 166.77±108.26 家禽 291.53±277.79 b 163.71±117.24   维生素D(mg) 15.98±13.81 b 6.4±4.27 鱼虾 418.53±536.63 a 224.88±150.41   维生素E(mg) 93.97±35.19 a 83.77±40.29 蛋类 254.28±213.59 b 69.07±51.21 矿物质(μg/周、mg/周) 其他(g/周、mL/周) 水果 658.06±547.72 b 278.38±83.09   钙(mg) 1 504.21±765.81 b 1 050.65±577.83 奶类 596.54±400.71 b 106.36±80.71   铁(mg) 45.73±20.86 b 36.74±17.48 坚果 68.96±78.77 b 76.13±18.87   锌(mg) 36.51±19.29 b 28.99±15.16 调味品(g/d) 油 13.9±12.9 b 31.54±20.76   硒(ug) 155.22±83.31 b 116.89±58.23 盐 8.62±6.55 6.87±10.07   铜(mg) 4.46±2.81 b 3.48±2.32 饮水量(mL/d) 水 1 500.15±915.15 b 871.17±661.72   锰(mg) 8.89±2.63 b 7.95±4.55 注：a指P＜0.05；b指P＜0.001；c指能量包括表中蛋白质、脂类和碳水化合物的热能。2.2.2  营养素

本研究根据研究对象日常饮食种类及含量进行了营养素换算，分为7类17种。2类不同人群比较提示，总能量摄入水平表明，相对轻组每周摄入量高出相对老组13 053.59 kJ(t=13.263, P＜0.001)；每日水摄入量(包括食品折算)相对轻组比相对老组高出1 315.54 g；相对轻组脂类摄入量也高于相对老组(t=-7.214, P＜0.001)；除维生素A摄入量外，其他摄入量差异均有统计学意义(均有P＜0.05)。见表 2。

2.3  饮食类型、营养素抗衰老方案构建

在上述分析的基础上，采用DT中的C5.0算法构建居民日常饮食、营养素抗衰老组方案。对变量进行梳理并赋值，模型最终纳入状态年龄相对轻与相对老组共367例样本。

2.3.1  饮食类型方案

饮食种类等19个自变量经DT筛选，以70%的样本为训练集，30%为测试集，修剪严重性70%。最终获得6层DT，10个饮食因子；其中饮水量(0.47)、鱼虾(0.10)、茄果类(0.08)排名前3；提供抗衰老方案6种，1、2、4号方案贡献率大。见表 3。

表 3 饮食类型及营养素抗衰老不同方案

Table 3. Different anti-aging programs of diet types and nutrient types

变量 方案序号 1 2 3 4 5 6 饮食类型   饮水(mL/d) ＜1 200 ≥1 200 ＜1 200 ＜1 200 ≥1 200 ＜1 200   奶类(g/周) 0 ＜250 ＜250 0 ＜250 0   茄果(g/周) ＜50   叶菜(g/周) ＜1 050 ＜1 050 ＜1 050   根茎(g/周) ＜600 ＜600   地区(g/周) 北方   食用油(g/周) ＜350 ＜350 ＜350   蛋类(g/周) 0 ≥100 0   家禽(g/周) ≥300 ≥300 0   鱼虾(g/周) ≥100   贡献率(%) 100.00 100.00 8.33 37.5 25.00 11.77 营养素   水(g/d) ≥3 382 ≥3 382 ＜3 382 ≥3 382   蛋白质(g/周) ＜377 ＜164 ≥377   膳食纤维(g/周) ＜398 ≥398 ＜398 ＜398   维生素A(μg/周) ＜1 599   铁(g/周) ＜28   能量(kJ/周) ＜31 486   贡献率(%) 100.00 94.11 80.00 25.002.3.2  营养素方案

营养素17个自变量经DT筛选，以90%的样本为训练集，10%为测试集。最终获得5层DT，经筛选获得6个饮食因子，其中蛋白质(0.48)、水(0.28)、膳食纤维(0.18)排名前3，构建营养素类方案4种。见表 3。

3.  讨论

调查对象覆盖南、北方4省且样本量较大。女性是男性人数的1.2倍，近64%为老年人，人群和空间分布特点与Zhang等[7]研究结果类似。状态年龄相对轻者占34.85%，低于日本的结果[8]。本研究中≥70岁相对轻者高达40%以上，提示进入该年龄段者似乎更注重抗(缓)衰老，其比实际年龄年轻4.37~12.33岁，与Shinan-Altman等[9]研究结果类似，252名中老年人的调查发现这些人比其时序年龄年轻10岁不等。本研究还发现＜50岁者中比实际年龄相对老占46.91%，说明尚未进入老年的群体其抗衰老意识可能相对薄弱。女性状态年龄相对比男性年轻，从宏观层面印证了Goyal等[10]的观点。

本调查基本反映了居民的日常饮食情况，即从现实生活中探索抗衰老饮食因素更具实际应用价值。从南北区域看，相对轻者在主食、叶菜类、牛羊肉、水果、蛋类、盐等摄入量有差别，这可能与不同自然环境(如温度、湿度)、劳动强度、饮食习惯、个人嗜好等因素有关，如近20年北方年气温(-3 ℃~19 ℃)与南方气温(15 ℃~22 ℃)相差较大，不难理解北方脂类饮食高出南方919.1 g/周；又如饮食习惯，北方盐摄入量比南方高2.75~4.88 g/d，这与北方食用腌制品(如泡菜)相对多有关[11-12]。另外，本研究还分析了相对轻者与相对老者食谱，除猪肉、盐摄入量外，蔬菜、茄果、蛋奶、水摄入量前者均高于后者[13-16]。

采用DT分别构建了饮食、营养素抗衰老方案。饮食类的DT分析提示方案1和2号对抗衰老贡献率最大，足够量的饮水在任何一个方案中都极为重要。营养素抗衰老方案1、2和3号均理想，提示足够量的水、蛋白质、纤维，适宜维生素A、Fe摄入对抗衰老极为必要。就水而言，是能量运输、细胞代谢、机体活力、皮肤弹性、脂肪摄入等过程必不可少的营养素，而脱水状态则会导致细胞周期停滞、双链DNA断裂、修复机制破坏、氧化应激以及转录翻译抑制，这直接影响机体能量、葡萄糖和脂质代谢[17-18]。本研究提示蛋白质摄入对抗衰老贡献达0.48，与Camera等[19]研究结果类似。研究还发现能量摄入量在状态年龄相对轻者中高于年老人群，提示足够量的能量对抗衰老的重要性，结合营养素方案2内容，进一步揭示通过饮食摄入能量限制在约32 000 kJ/周(约等于老年人7分饱/d)更有利于抗衰老，这与Ma等[20]动物实验、Spadaro等[21]队列研究结果一致，他们均证明7.0~8.5分饱(能量限制)能通过抑制脂肪组织、上/下调代谢、免疫以及炎症途径中相关基因(如Pla2g7、S100A8等)的表达，从而达到逆转、延缓衰老之效。最后就Fe而言，随着时间积累体内集聚Fe(同时紫外线催化分解作用)与皮肤中Li催化氧化损伤加速衰老现象产生(如老年斑等)，所以应随着年龄增加适宜调整Fe摄入量才更有助于机体抗(缓)衰老(＜3 mg/周)[22-23]。

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