食物蛋白質(zhì)體外消化模型研究進(jìn)展

游義嬌,佟 平,袁娟麗,3,陳紅兵,高金燕,2,*

(1.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,江西南昌 330047;2.南昌大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院,江西南昌 330047;3.南昌大學(xué)中德聯(lián)合研究院,江西南昌 330047)

食物蛋白質(zhì)體外消化模型研究進(jìn)展

游義嬌1,2,3,佟 平1,袁娟麗1,3,陳紅兵1,2,3,高金燕1,2,*

(1.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,江西南昌 330047;2.南昌大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院,江西南昌 330047;3.南昌大學(xué)中德聯(lián)合研究院,江西南昌 330047)

體外消化模型是代替體內(nèi)研究食物蛋白消化的一種重要手段,具有簡單易行、可復(fù)制等優(yōu)點。然而體外消化效率受樣本類型及消化條件的影響顯著,如何更準(zhǔn)確的模擬體內(nèi)生理環(huán)境和消化過程,是建立體外消化模型的關(guān)鍵。本文詳細(xì)介紹了目前已建立的不同類型的食物蛋白質(zhì)體外消化模型,包括靜態(tài)模型和動態(tài)模型、單室模型和多室模型、單酶體系及多酶體系消化模型,并分析比較其優(yōu)缺點及適用范圍,為根據(jù)不同研究目的選擇恰當(dāng)?shù)南Ｐ吞峁├碚搮⒖?并為標(biāo)準(zhǔn)化體外消化模型提供支撐。

體外消化,消化模型,蛋白質(zhì)消化

體內(nèi)評估和體外模擬是研究食物消化的常用方法。體內(nèi)實驗雖然可以更準(zhǔn)確地反映真實情況,但往往存在研究周期長、費用高、結(jié)果重現(xiàn)性差、受倫理道德約束、且個體間有差異等問題[1]。而體外模擬則具有簡單、便宜、快速、通用、可再生等優(yōu)點,從而被廣泛應(yīng)用于食物或藥物的研究[2]。如研究食物消化的穩(wěn)定性、腸道運輸和代謝、預(yù)測食物成分的生物利用率以及藥品轉(zhuǎn)運等。體外模擬也常用于食物蛋白在體內(nèi)消化吸收的機(jī)理研究,探究攝入物質(zhì)在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運機(jī)制[3]?？傊?體外模擬是為了盡可能模擬人體內(nèi)的生理過程,以供實驗和研究需要。

由于體外消化受酶的種類、酶與底物的比例、pH、消化時間、離子強(qiáng)度等因素的影響[4],為了能更準(zhǔn)確地模擬攝入物的消化過程,則需要嚴(yán)格模擬體內(nèi)生理環(huán)境。早在2009年,Hur等[5]較詳細(xì)地介紹了體外消化模型在食品方面的應(yīng)用,并對消化過程的酶、樣品基質(zhì)、消化時間、轉(zhuǎn)運時間等參數(shù)條件進(jìn)行了細(xì)致描述。該綜述增強(qiáng)了人們對體外消化模型的理解,并為用于食品和藥品的體外消化模型的改進(jìn)提供了科學(xué)參考信息。近年來,隨著研究發(fā)展,出現(xiàn)了一些不同類型的消化模型,而且體外模擬的條件也越來越趨近于體內(nèi)的真實狀態(tài)[6]。食物蛋白體外消化模型按照是否模擬了消化的動態(tài)過程,可分為體外靜態(tài)模型和體外動態(tài)模型;按照消化腔室的多少,可分為單室消化模型和多室消化模型;按照使用酶的多少,可分為單酶體系消化模型和多酶體系消化模型。當(dāng)前研究的主要目標(biāo)是對消化模型和消化程序標(biāo)準(zhǔn)化,并關(guān)注實驗結(jié)果的驗證及其重現(xiàn)性[7]。有鑒于此,本文通過回顧并綜述最新的消化模型研究及其應(yīng)用進(jìn)展,期望對食物蛋白體外消化模型的發(fā)展提供重要的參考信息。

1 靜態(tài)模型和動態(tài)模型

靜態(tài)模型是一種只模擬了體內(nèi)生理環(huán)境而沒有模擬人類消化時動態(tài)過程的體外消化方式。動態(tài)模型則是人們?yōu)榱烁鼫?zhǔn)確地模擬體內(nèi)的生理環(huán)境和物理化學(xué)活動,考慮了一系列動態(tài)變量因素后設(shè)計的消化模型。在模擬人類胃腸道對食物基質(zhì)消化時,靜態(tài)模型一般不經(jīng)過物理力量,缺少胃排空、pH改變、分泌物流速等條件的控制。此外,在靜態(tài)多室模型中,消化產(chǎn)物在各隔室中不能自動呈遞,需人為轉(zhuǎn)移來模擬各階段的連續(xù)性消化。因此,為了克服靜態(tài)模型中的這些限制,建立了動態(tài)模型。與靜態(tài)模型相比,動態(tài)模型不僅嚴(yán)格模擬了體內(nèi)生理環(huán)境,而且設(shè)計了部分動態(tài)消化程序,如攝取物質(zhì)在胃腸道內(nèi)的逐步運輸,消化隔間的動態(tài)排空以及每個階段的蠕動混合,這些變量因素對蛋白質(zhì)的消化率的測定有重要影響[8]。

在已有的實驗報道中,靜態(tài)模型是使用最廣泛的消化模型,早期Hur等[5]就對體外消化模型的消化條件進(jìn)行了概述。在Hur等人的研究基礎(chǔ)上,Hollebeeck[7]通過運用響應(yīng)面設(shè)計pH、培養(yǎng)時間、酶濃度三因素,評估它們對食品基質(zhì)消化的影響,實驗得出的最優(yōu)消化程序包括:口腔消化階段:pH6.9,消化時間為5 min,α-淀粉酶酶活為3.9 U/mL;胃消化階段:pH2,消化時間為90 min,胃蛋白酶酶活為71.2 U/mL;十二指腸消化階段:pH7,消化時間為150 min,胰液素9.2 mg/mL,膽鹽55.2 mg/mL。該研究最終確立了一個快捷、低成本的體外靜態(tài)消化程序,可用于研究食物蛋白在體內(nèi)的靜態(tài)消化。

近年來,基于人體內(nèi)的實際消化情況,Minekus等[9]則提出了一種通用、實用的靜態(tài)消化方法,這種消化方法能應(yīng)用于各類食品的消化。該研究中提供了口腔、胃、小腸各階段的消化參數(shù),并討論了體內(nèi)可利用參數(shù)與酶的相關(guān)性。其消化條件為:口腔消化:樣品中加入模擬唾液與唾液淀粉酶(75 U/mL)的等比混合液,在pH7的環(huán)境中消化2 min;胃消化:在口腔消化物中加入模擬胃液與胃蛋白酶(2000 U/mL)的等比混合物,調(diào)pH為3,消化2 h;小腸消化:在上述胃消化物中添加模擬腸液與酶(胰蛋白酶、糜蛋白酶、脂肪酶、輔脂酶、膽鹽、胰液素)的等比混合物,調(diào)pH為7,消化2 h。各階段消化時的溫度均為37 ℃。該方法為建立標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)體外消化方法提出了詳細(xì)的建議和指導(dǎo),也為未來標(biāo)準(zhǔn)化消化模型的研究提供了依據(jù)。

隨著相關(guān)靜態(tài)模型的發(fā)展,少數(shù)體外動態(tài)模型也逐步被建立。動態(tài)模型的建立主要是基于體內(nèi)數(shù)據(jù),通過增加HCl模擬胃中食物的酸化,同時設(shè)置了蛋白酶的流速和胃的排空等條件[10]。動態(tài)模型的發(fā)展已經(jīng)提升到越來越細(xì)化的水平,如配備多少復(fù)雜消化液,或者使用自動化系統(tǒng)控制消化產(chǎn)品通過各隔室的路徑等。如,DGM[11]和HGS[12]模型僅模擬了胃消化階段,忽略了食糜進(jìn)入小腸后的情況,屬于動態(tài)胃模型。Vatier[13]和Mainville[14]等則通過增加HCl來調(diào)節(jié)胃中pH變化,同時利用磁力攪拌器混合食糜,分別模擬了胃和十二指腸階段的連續(xù)消化。兩者不同的是,Vatier在模擬十二指腸時,分別模擬了其近端和末端,而Mainville則對十二指腸階段進(jìn)行整體模擬,并在消化過程中增加了膽鹽的應(yīng)用。

迄今為止,TIM[15]模型(TNO gastro-intestinal tract model)是模擬胃腸道消化最系統(tǒng)和最全面的動態(tài)模型,由胃、十二指腸、空腸和回腸四部分構(gòu)成,該模型對溫度、pH變化、胃和小腸的交接、轉(zhuǎn)運時間、蠕動混合、逐步運輸、蛋白酶的連續(xù)增加、水和小分子的吸收等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定。TIM模型也是最接近人類胃腸道體內(nèi)消化的體外動態(tài)模型,已應(yīng)用于營養(yǎng)學(xué)等領(lǐng)域[16-17]。如,Villemejane等[18]利用TIM動態(tài)多室模型,探究了餅干中的蛋白質(zhì)和纖維素對其蛋白水解程度的影響。研究發(fā)現(xiàn),消化形式和樣品的處理方式均會影響餅干的消化結(jié)果,而且這兩種營養(yǎng)素混合后模擬消化使蛋白水解度降低,裝置示意圖如圖1所示。

圖1 動態(tài)多室消化模型:TIM模型[18]Fig.1 Dynamic multicompartmental model:TIM model (TNO gastro-intestinal tract model)[18]

動態(tài)模型設(shè)備復(fù)雜,成本較高,一般應(yīng)用于復(fù)雜食物基質(zhì)中蛋白質(zhì)動態(tài)消化研究。靜態(tài)模型簡單方便,主要應(yīng)用于單一蛋白的體外消化評價。與動態(tài)模型相比,靜態(tài)模型在實際應(yīng)用中較多,但隨著研究工作的深入,動態(tài)模型的科學(xué)價值必將日益凸顯。

2 單室模型和多室模型

在體外模擬時,根據(jù)消化腔室選擇的不同,體外消化模型又可分為單室和多室模型。單室模型是指根據(jù)實際研究的需求,單獨模擬某個階段的消化,主要是用于單一隔室消化情況的研究,如模擬胃對蛋白質(zhì)的消化。根據(jù)是否模擬了體內(nèi)消化的動態(tài)過程,單室消化模型也可分為單室靜態(tài)和單室動態(tài)模型。多室模型則是指間接或連續(xù)模擬多個腔室消化的一種更接近人體生理過程的消化方式。為了能模擬消化過程的連續(xù)性,達(dá)到與正常生理活動的一致性,人們提出了靜態(tài)多室和動態(tài)多室消化的方法。動態(tài)多室消化的方法更接近人體內(nèi)的真實環(huán)境,如TIM[15]模型。但是此種模型設(shè)計復(fù)雜、不利于操作,且成本較高,通常是在特殊研究中應(yīng)用。而靜態(tài)多室消化模型,則是借用機(jī)械外力代替胃腸道的物理活動,通過人為轉(zhuǎn)移來模擬消化過程的連續(xù)性。

體外模擬消化通常包括口腔、胃和小腸三個階段,偶爾也包括大腸階段[19]。Oomen等[20]建立的Oomen模型是典型的單室模型,在該模型中,依次將唾液、胃液、腸液、膽鹽加入到一個生物發(fā)生器中,用于評估土壤污染物的生物可接受率。Vardakou等[11]則通過考慮胃體各腔室生理功能的不同,設(shè)計出了DGM單室胃模型。該模型由主體、腔體、閥門三部分組成,共同模擬胃消化,用來預(yù)測藥物在胃腔內(nèi)的釋放行為,也可用于研究攝入不同基質(zhì)對生物可接受率的影響,裝置示意圖如圖2所示。

圖2 動態(tài)單室消化模型:動態(tài)胃模型(DGM模型)[10]Fig.2 Dynamic monocompartmental model:Dynamic Gastric Model(DGM模型)[10]

Kong等[12]在Oomen模型和DGM模型的基礎(chǔ)上,通過對胃排空和流速等條件的控制,設(shè)計了一個消化模式更精確的HGS模型。這類似于一個人體胃模擬器,裝置圖如圖3所示。HGS模型已經(jīng)被開發(fā)利用,主要用來研究胃中內(nèi)容物物理和化學(xué)性質(zhì)的變化、食物成分在消化過程中的轉(zhuǎn)換,以及生理條件對消化的影響。同時,這個裝置也證實了流體動力學(xué)和機(jī)械因素對食物在體內(nèi)消化有重要影響。

圖3 HGS模型[12]Fig.3 HGS model[12]注:1-發(fā)動機(jī);2-乳膠內(nèi)層;3-網(wǎng)袋;4-分泌物管道系統(tǒng);5-滾軸;6-皮帶;7-溫控?zé)?8-絕緣泡沫塑料。

為了更接近人體正常的消化過程,多室體外消化模型越來越引起了人們的注意,并廣泛應(yīng)用于食物蛋白消化率和生物可接受率等方面的研究[21]。如,Moreno[22]詳細(xì)闡述了多室模型在食物過敏蛋白消化性方面的應(yīng)用,指出多室模型能提供更多有用的數(shù)據(jù),體外消化系統(tǒng)與體內(nèi)生理條件的一致性對評估過敏蛋白的消化率非常重要。Gianfrani等[23]也利用多室模型研究了不同消化條件對麩質(zhì)蛋白致敏性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的消化方法產(chǎn)生的結(jié)果不同,越接近胃腸道消化的真實過程,消化越徹底,其致敏性越低。Bordoni[24]則利用了多室模型評估肉類產(chǎn)品的消化性,分別模擬了口腔、胃和十二指腸的消化。研究顯示,在胃模擬階段被消化的蛋白少,在十二指腸中則迅速被消化,這與消化液成分密切相關(guān)。

單室模型僅模擬了體內(nèi)某一階段的消化,主要用于食物蛋白在某腔室消化情況的研究。相對于單室模型而言,多室模型更接近人體正常消化過程,且更有利于食物蛋白水解。故多室模型在營養(yǎng)學(xué)、微生物學(xué)、藥學(xué)、毒理學(xué)等方面的應(yīng)用較廣[25-26]。盡管如此,多室模型仍值得研究,目前研究的側(cè)重點是建立一種通用的體外消化模型能應(yīng)用于各種食物蛋白的消化。

3 單酶體系消化模型和多酶體系消化模型

根據(jù)食物基質(zhì)的不同,需選用不同種類的消化酶模擬體內(nèi)消化,且酶的添加順序也不同,因而消化模型按酶的種類又可分為單酶體系消化模型和多酶體系消化模型。單酶體系消化模型是指僅使用一種酶模擬食物基質(zhì)在體外的消化情況,這種模型簡單且易操作。在某些情況下,使用單一酶比混合酶更有利,它促進(jìn)了體外消化模型的標(biāo)準(zhǔn)化,也使各實驗室的研究結(jié)果更具有可比性。在預(yù)測單一營養(yǎng)物質(zhì)的消化率時,常利用單酶體系的消化方法,如:利用胃蛋白酶來測定蛋白質(zhì)的消化率。然而,不同營養(yǎng)物質(zhì)之間的消化通常會互相影響,隨著研究的需要,逐漸建立了多酶消化模型。多酶體系消化模型是指為了盡可能地模擬體內(nèi)生理環(huán)境,在模擬消化的過程中添加了多種相關(guān)的消化酶及一些生物分子。其中最常用的酶和其他生物分子包括胃蛋白酶、胰酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、肽酶、α-淀粉酶、脂肪酶、輔脂酶、膽鹽和黏蛋白等[27-28]。多酶消化模型的消化液成分更精確,模擬更接近真實狀態(tài),是目前應(yīng)用較多的一種消化模型。

單酶體系消化模型一般在研究單一組分消化時應(yīng)用較多,有時也可應(yīng)用于某些特殊研究[29-30]。如Hetty[31]在研究小麥麩質(zhì)蛋白時,探索了僅使用糜蛋白酶對其消化的影響,進(jìn)而優(yōu)化體外消化的條件。又如,Plundrich[32]將花生蛋白結(jié)合多酚形成復(fù)合物后,用胃蛋白酶模擬胃消化。結(jié)果顯示,花生蛋白結(jié)合多酚復(fù)合物后,花生過敏原蛋白Arah2和Arah3均被快速水解,且結(jié)合多酚后的花生蛋白的免疫反應(yīng)性降低,這一發(fā)現(xiàn)為加工改變花生致敏性提供了依據(jù)。然而,在模擬食物蛋白體外消化的相關(guān)研究中,使用多酶體系進(jìn)行消化比單一酶更接近實際情況,相對于單酶體系而言,多酶體系消化模型的應(yīng)用更多[33]。

Abdel-Aal等[34]對比了三種酶一步消化和兩種酶兩步消化的方法,一步法使用了胰蛋白酶、糜蛋白酶、肽酶三種酶,兩步法使用的則是胃蛋白酶、胰酶。結(jié)果發(fā)現(xiàn),前者水解產(chǎn)物的消化率比后者高,這可能是因為三種酶的協(xié)同作用,且該方法與體內(nèi)的生理條件更相似。由此可見,使用多酶體系的體外消化方法比使用單一酶的方法更有優(yōu)勢。Prandi等[35]也對消化酶進(jìn)行了一些研究,比較了兩種不同消化模型對小麥蛋白消化率的影響,一種只使用簡單蛋白酶,另一種則使用復(fù)雜的多酶體系進(jìn)行消化。該研究表明,多酶體系消化模型更有利于模擬小麥蛋白在胃腸道中的消化,消化液成分越精細(xì),越有利于蛋白質(zhì)水解。

隨著研究的深入,體外模型在模擬體內(nèi)環(huán)境時考慮的因素也越來越多,增強(qiáng)了對酶系成分的研究。如,Picariello等[36]在研究牛奶蛋白消化性質(zhì)時,利用多酶體系消化模型依次模擬了口腔和胃腸道消化,在模擬腸消化時特別增加了小腸刷狀緣膜(BBM)酶的使用。該實驗研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過BBM酶消化后,牛奶蛋白的水解度明顯增加,其水解率高達(dá)70%～77%。由此建議,為了更準(zhǔn)確地測定膳食蛋白的消化性,在腸消化階段應(yīng)該增加BBM酶的使用。

單酶體系消化模型主要用于對某一種膳食蛋白的研究,消化過程中利用的酶種類單一,消化不徹底。而多酶體系消化模型模擬的人工消化液成分復(fù)雜,應(yīng)用的酶的種類較多,消化過程更接近體內(nèi)真實狀態(tài)?？傮w而言,在研究食物蛋白消化性時,多酶體系消化模型應(yīng)用前景更廣,值得進(jìn)一步高度關(guān)注。

4 結(jié)論

在研究食物蛋白消化時,受體內(nèi)實驗的局限性,體外消化模型已被廣泛使用。以上消化模型只是按照不同方式進(jìn)行的分類,相互間有一定的相關(guān)性,在應(yīng)用的過程中一般也會交叉使用。但總體而言,消化液成分越接近體內(nèi)生理環(huán)境,模擬消化的過程越接近體內(nèi)消化程序,食物蛋白的消化就越徹底。在研究膳食蛋白消化時,應(yīng)用最廣的將是多酶多室靜態(tài)模型。但由于食物蛋白的種類和研究目的不同,各模型在應(yīng)用時的消化條件略有差異,還需要進(jìn)行擇優(yōu)選擇?？傊?體外消化模型為研究食物蛋白質(zhì)營養(yǎng)功能提供了強(qiáng)有力的工具。

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Progress oninvitromodel for protein digestion

YOU Yi-jiao1,2,3,TONG Ping1,YUAN Juan-li1,3,CHEN Hong-bing1,2,3,GAO Jin-yan1,2,*

(1.State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China;2.School of Life Sciences and Food Engineering,Nanchang University,Nanchang 330047,China;3.Sino-German Joint Research Institute,Nanchang University,Nanchang 330047,China)

Theinvitrodigestion model is an important approach to investigate food protein digestioninvivo. It is conveniente and reproducible. However,the efficiencyinvitrodigestion is significantly affected by the sample type and digestion conditions. How to simulate the physiological environment and digestion process more accurately is the key to establish theinvitrodigestion model. This review stated the types ofinvitrodigestion models of food proteins in detail,including static model and dynamic model,monocompartmental model and multicompartmental model,single-enzyme model and multi-enzyme system digestion model. The scope of application and the distinction of the different types ofinvitrodigestion were also illustrated. This review can be a reference for researchers to select appropriate digestion model,and can help to establish standardization forinvitrodigestion models.

invitrodigestion;digestion model;protein digestion

2016-09-01

游義嬌(1990-),女,碩士研究生,研究方向:營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué),E-mail:youyijiaoa@163.com。

*通訊作者:高金燕(1967-),女,碩士,教授,研究方向:食品營養(yǎng)與安全,E-mail:gaojy2013@ncu.edu.cn。

科技部國際合作與交流項目(2013GR0367);國家自然科學(xué)基金(31660436);江西省自然科學(xué)基金計劃(重點項目)(20133ACB20009);江西省國際合作項目(20111BDH80026);食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室目標(biāo)導(dǎo)向課題(SKLF-ZZA-201612)。

TS201

A

1002-0306(2017)06-0381-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.06.064