林柳,陶寧萍,2*
1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院,上海,201306) 2(上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心,上海,201306)
金槍魚(yú)是生活在綠色無(wú)污染的熱帶-亞熱帶海洋深處的大洋性魚(yú)類(lèi),肉質(zhì)細(xì)嫩,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富且味道鮮美,被譽(yù)為“海洋黃金”[1]。頭部是金槍魚(yú)加工過(guò)程中主要的副產(chǎn)物之一[2],不僅富含蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和礦物質(zhì)元素,且氨基酸種類(lèi)齊全。魚(yú)頭中脂肪含量普遍高于魚(yú)身,且含有鈉、鈣等豐富的礦質(zhì)元素[3]。眼窩中還含有大量的多不飽和脂肪酸,特別是二十二碳六烯酸含量高達(dá)30%~40%[4]。若將大眼金槍魚(yú)頭制作成金槍魚(yú)頭湯,則可以有效減少資源的浪費(fèi)且豐富湯品種類(lèi)。
微/納米顆粒(micro/nano-sized particles,MNPs)是食物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要存在形式,通常存在于新鮮牛奶、中草藥和加工后的果汁中[5]。已有研究表明河蜆湯[6]、骨湯[7]、金槍魚(yú)頭湯[8-9]、三文魚(yú)和鳙魚(yú)頭湯[10]中均存在由營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)間通過(guò)組分相互自組裝形成的尺寸分布范圍從微米級(jí)到納米級(jí)不等的顆粒。KE等[11]研究表明,從骨湯中分離得到的MNPs具有一定的藥用價(jià)值。
體內(nèi)或體外實(shí)驗(yàn)是了解食品、藥品或者新功能產(chǎn)品消化行為及特性的重要方法。體外實(shí)驗(yàn)由于其成本低、不可控因素少、試驗(yàn)周期短、可重復(fù)性高且不受倫理道德限制等特點(diǎn)而被廣泛接納?,F(xiàn)已有研究報(bào)道了從單一靜態(tài)反應(yīng)器到多腔室的動(dòng)態(tài)消化系統(tǒng)[12-14],但如何更貼近真實(shí)地反應(yīng)體內(nèi)的消化行為仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。體外仿生消化系統(tǒng)[15]是在遵循人體解刨學(xué)原理的前提下,制作出與人體胃腸道相似的仿生硅膠模型,由進(jìn)料口、食管、胃、十二指腸和小腸等主要部件構(gòu)成,通過(guò)電機(jī)和空壓機(jī)同時(shí)工作,使胃腸道消化過(guò)程連續(xù)性發(fā)生。
本研究借助魚(yú)湯熬煮過(guò)程中天然形成的魚(yú)油MNPs,通過(guò)優(yōu)化體外仿生消化系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù),對(duì)MNPs的消化特性進(jìn)行分析,為人工魚(yú)油制劑和配方提供理論支持。
大眼金槍魚(yú)頭[30個(gè),質(zhì)量(1.52±0.19) kg,長(zhǎng)(27.09±2.04) cm,寬(25.69±1.00) cm],大連翔祥食品有限公司;大豆油,益海嘉里金龍魚(yú)糧油食品股份有限公司;KCl、KH2PO4、NaCl、MgCl2·6H2O、(NH4)2CO3、Na2CO3、濃鹽酸、CaCl2·2H2O,均為AR級(jí),國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;胃蛋白酶(V900497)、胰酶(P7545),美國(guó)Sigma-Aldrich公司;豬膽鹽,上海麥克林生化科技有限公司;載玻片(4951PLUS-001E),美國(guó)Thermo Fisher公司;蓋玻片(10212020C),江蘇世泰實(shí)驗(yàn)器材有限公司。
體外仿生消化系統(tǒng)(DHSI-Ⅳ),曉東宜健(蘇州)儀器有限公司;恒溫水浴鍋(HWS-24),上海恒科學(xué)儀器有限公司;精密pH計(jì)SC-412,梅特勒-托利多儀器有限公司;數(shù)碼相機(jī)(550D),佳能(中國(guó)) 有限公司;倒置生物顯微鏡(MS600F),上海名茲精密儀器有限公司。
1.3.1 魚(yú)頭湯的熬煮
參考QIAN等[8]方法并略作修改。冷凍的魚(yú)頭用流水解凍后切成3 cm×3 cm×2 cm的小塊,清洗干凈后晾干。大豆油(20±1)g在120 ℃預(yù)熱30 s后加入魚(yú)頭(400±2) g油煎40 s。隨后在油煎后的魚(yú)頭中加入3.2 kg飲用水,在97 ℃下熬煮30 min后,再于90 ℃下熬煮120 min。將熬煮150 min后的魚(yú)頭湯分裝于150 mL的小瓶中待用。
1.3.2 消化液模擬液的配制
胃液模擬液(simulated gastric fluid,SGF)和腸液模擬液(simulated intestinal fluid,SIF)的配制參考MINEKUS等[16]的方法,具體見(jiàn)表1。
表1 模擬消化液的制備Table 1 Preparation of simulated digestion fluids
以配制100 mL的SGF為例,稱(chēng)取600 mg胃蛋白酶溶解于75 mL SGF濃縮液中(使得胃蛋白酶的最終酶活力為4 000 U/mL),再加入0.05 mL 0.3 mol/L的CaCl2溶液和24.95 mL去離子水,用6 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH至2.0。同樣SIF的配制也以100 mL為例,稱(chēng)取0.4 g胰酶和0.85 g膽鹽溶劑于75 mL的SIF濃縮液中(使得胰酶的最終酶活力為200 U/mL、膽鹽的最終濃度為20 mmol/L),加入0.2 mL 0.3 mol/L的CaCl2溶液和24.8 mL去離子水,用6 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH至7.0。
1.3.3 胃排空運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定
食物從胃排到十二指腸的過(guò)程稱(chēng)為胃排空,一般發(fā)生在食物進(jìn)入胃的5 min后。食物在體內(nèi)的胃排空情況受其物理狀態(tài)和化學(xué)組成的影響,已有文獻(xiàn)表明[17-18],排空300 mL的純水需要1 h,混合果汁和牛肉食用時(shí),排空時(shí)間需要2 h。因此,本實(shí)驗(yàn)基于已有的體內(nèi)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)且為更好的重現(xiàn)魚(yú)湯在胃內(nèi)的消化狀態(tài),將胃內(nèi)的消化時(shí)間確定為2 h。
1.3.3.1 模擬胃消化和排空
通過(guò)改變?cè)O(shè)備的運(yùn)動(dòng)參數(shù),制作胃排空曲線與體內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,最終重現(xiàn)近似于體內(nèi)的胃排空曲線。胃傾斜角的變化和幽門(mén)打開(kāi)頻率是影響胃排空曲線的重要因素,在大量前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了2組微調(diào)實(shí)驗(yàn),即不同的胃傾斜角和不同幽門(mén)打開(kāi)頻率對(duì)胃排空曲線的影響,以300 mL魚(yú)湯和150 mL模擬胃液消化液為例,具體參數(shù)見(jiàn)表2和表3。
表2 不同胃傾斜角對(duì)胃排空曲線的影響Table 2 Effects of different gastric tilt angles on gastric emptying curve
表3 不同幽門(mén)打開(kāi)頻率對(duì)胃排空曲線的影響Table 3 Effects of different opening frequency of pylorus on gastric emptying curve
1.3.3.2 胃內(nèi)剩余百分比的計(jì)算
每30 min取1次樣,計(jì)算排出的液體占總量的比值,得出胃內(nèi)剩余的百分比,重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)。按公式(1)計(jì)算
(1)
式中:ω,胃內(nèi)剩余百分比,%;m1,胃內(nèi)排出的液體質(zhì)量,g;m2,進(jìn)入胃內(nèi)食物的質(zhì)量,g;V,空腹胃液體積,mL;v,胃液流速,mL/min;t,取樣的時(shí)間,min;ρ,注入的胃液的密度,g/mL。
1.3.4 模擬胃腸道消化
在消化開(kāi)始時(shí),提前20 min 打開(kāi)體外仿生消化系統(tǒng)的控溫系統(tǒng),即環(huán)境加熱和水浴加熱,使實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)溫度為37 ℃,同時(shí)將300 mL魚(yú)湯、150 mL SGF和450 mL SIF在水浴鍋37 ℃中預(yù)熱。按表4設(shè)置設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。實(shí)驗(yàn)前設(shè)置蠕動(dòng)泵工作,使得消化液充滿分泌管。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每30 min取1次樣,并置于4 ℃以抑制酶活性備用。
表4 設(shè)備運(yùn)行參數(shù)Table 4 Equipment operating parameters
1.3.4.1 pH變化
每10 min取1次樣,取樣后,立即用pH計(jì)測(cè)定,并記錄。
1.3.4.2 金槍魚(yú)頭湯中MNPs形貌特征的觀察
每30 min收集1次樣,用于顯微鏡觀察。取15 μL消化物于載玻片上,小心蓋上蓋玻片,用倒置生物顯微鏡(×50目鏡)觀察金槍魚(yú)頭湯在胃腸道消化過(guò)程中MNPs的形態(tài)變化。
1.3.5 數(shù)據(jù)分析
利用Microsoft Office Excel 2010和Origin 2018對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和生成圖像。
胃排空行為在整個(gè)人體消化系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位,其不僅影響著食物的消化吸收,也與許多疾病的發(fā)生密切相關(guān),因此在模擬體外消化的過(guò)程中是不可忽視的,有必要通過(guò)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié)使其接近體內(nèi)真實(shí)情況,從而保證實(shí)驗(yàn)的真實(shí)可靠性。不同胃傾斜角和幽門(mén)打開(kāi)頻率對(duì)胃排空曲線的影響,如圖1所示。
a-胃傾斜角;b-幽門(mén)打開(kāi)頻率圖1 不同胃傾斜角和不同幽門(mén)打開(kāi)頻率對(duì)胃排空曲線的影響Fig.1 Effects of different gastric tilt angles and opening frequency of pylorus on gastric emptying curve
圖1-a呈現(xiàn)的是在保持胃擠壓次數(shù)不變,即胃擠壓3次,幽門(mén)打開(kāi)1次的情況下,通過(guò)改變胃傾斜角度,得到的不同的胃排空曲線。由圖1-a可知,在消化過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的胃排空滯留現(xiàn)象,且3條曲線的變化趨勢(shì)大致一致,呈現(xiàn)一種近似于指數(shù)型的排空,這與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的排空曲線類(lèi)似[17]。在前30 min,3組數(shù)據(jù)的胃傾斜角度一致,因而這段曲線完全重合。在30~60 min,胃排空曲線出現(xiàn)差異性,A曲線在B和C的上方,表明在參數(shù)A的條件下,魚(yú)湯的排空速率最低,同樣可以推斷出,曲線C的排空速率最快。在60 min的時(shí)間點(diǎn)上出現(xiàn)明顯的差異是由于在這30 min內(nèi),參數(shù)C整體比A多移動(dòng)了6°,比B多移動(dòng)了3°,同時(shí)說(shuō)明了胃傾斜角與胃排空速率直接相關(guān)。在90 min的時(shí)間點(diǎn)上,曲線B、C的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間相互靠近,是由于在30~90 min,2組參數(shù)的總傾斜角度是一樣的。在90~120 min,曲線A的下降速率大于B和C,且在排空終點(diǎn)曲線B、C的數(shù)據(jù)點(diǎn)幾乎重合,這與整個(gè)排空過(guò)程中的總傾斜角度有關(guān)。在胃排空終點(diǎn),參數(shù)B和C胃內(nèi)殘余液體約為6.2%,與體內(nèi)約為5.0%[18]更為接近,且曲線C的變化更為平緩,與體內(nèi)的排空曲線更接近,因此優(yōu)選參數(shù)C進(jìn)行下一步優(yōu)化。
在參數(shù)C的基礎(chǔ)上保持胃傾斜角不變,改變幽門(mén)的打開(kāi)頻率,結(jié)果如圖1-b所示。胃排空曲線受幽門(mén)頻率的影響不大,都在可接受的范圍之內(nèi)。這可能與樣品的物理性質(zhì)有關(guān),魚(yú)湯屬于液體食物,排空速度較快,幾乎可以忽略粒徑、黏度等因素的影響。綜合以上結(jié)果與體內(nèi)排空果汁的數(shù)據(jù)[18],最終確定胃傾斜角和幽門(mén)打開(kāi)頻率的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為:傾斜角在0~1 min為0°/min,1~4 min為3°/min,4~31 min為-0.1°/min,31~61 min為-1.0°/min,61~91 min為-0.4°/min,91~121 min為-0.1°/min;幽門(mén)在0~6 min胃擠壓次數(shù)為30次,6~121 min胃擠壓次數(shù)為3次。
2.2.1 胃內(nèi)的pH變化
在體外模型中創(chuàng)建與實(shí)際人胃中相似的pH變化曲線對(duì)于有效模擬消化過(guò)程至關(guān)重要。因?yàn)椴煌澄镒陨砦锢硇再|(zhì)和緩沖能力的差異性,使其在胃內(nèi)的pH的呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì),食物在經(jīng)口攝入再進(jìn)入胃時(shí),pH值會(huì)出現(xiàn)不同程度的滯后期[19]。人體進(jìn)食后,胃液分泌,pH急劇降低,隨著胃排空的進(jìn)行,胃內(nèi)pH逐漸達(dá)到空腹胃液的狀態(tài)[20]。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),最終得到了貼近體內(nèi)pH數(shù)據(jù)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù),即在設(shè)備運(yùn)行1 min內(nèi)以15 mL/min的速度流加30 mL胃液,即空腹胃液;用備用泵在1~21 min以0.3 mL/min的速度流加1 mol/L的HCl溶液用于調(diào)節(jié)胃內(nèi)pH。
圖2顯示了在體外防生消化系統(tǒng)中金槍魚(yú)頭湯在模擬胃消化過(guò)程中pH的變化。可以看出,魚(yú)湯在模擬胃的消化過(guò)程中,pH值從6.8(0 min)逐漸下降到1.8(30 min),這與SULLIVAN等[21]的研究變化趨勢(shì)一致,與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)pH值存在差異,靜態(tài)實(shí)驗(yàn)忽略了人體真實(shí)的pH變化,簡(jiǎn)單將pH定為2或者1.5,這與體內(nèi)數(shù)據(jù)不符。在30~120 min時(shí),胃內(nèi)pH維持在1.5左右。課題組前期研究結(jié)果表明[13],金槍魚(yú)頭湯中的MNPs是由甘油三酯為核心,蛋白質(zhì)、磷脂和糖基化分子在外圍的球形顆粒。胃消化過(guò)程中胃蛋白酶將大分子蛋白質(zhì)降解,脂肪酸鏈上的基團(tuán)隨之暴露,因此在30 min后仍伴有小范圍內(nèi)的波動(dòng)。這也表明通過(guò)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié),體外仿生消化系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反映動(dòng)態(tài)胃消化。
圖2 不同時(shí)期胃內(nèi)的pHFig.2 pH in the stomach at different times.
2.2.2 胃內(nèi)MNPs的微觀結(jié)構(gòu)變化
用數(shù)碼相機(jī)對(duì)胃中的消化物進(jìn)行記錄(圖3-a),觀察其外觀的變化,用光學(xué)顯微鏡觀察魚(yú)湯中MNPs的變化(圖3-b~圖3-h)。由圖3-a可知,新鮮熬煮的魚(yú)湯呈乳白色,隨著消化過(guò)程的進(jìn)行魚(yú)湯從均一的乳白色逐漸變得澄清透亮,接近于胃液的顏色且并未發(fā)現(xiàn)明顯的油水分層現(xiàn)象。這是由于在胃消化過(guò)程中,胃排空在連續(xù)性發(fā)生,胃中的魚(yú)湯不斷排向十二指腸且胃液不斷對(duì)其進(jìn)行稀釋。從圖3-b~圖3-h可知,在胃消化過(guò)程中,MNPs的結(jié)構(gòu)變化顯著。在消化開(kāi)始前,魚(yú)湯中的MNPs均勻的分布在水相中,在消化10 min時(shí),可觀察到MNPs的外圍膜發(fā)生破裂且相鄰顆粒之間開(kāi)始出現(xiàn)聚集性行為,這是因?yàn)镸NPs是由天然的脂肪球膜包被,有蛋白質(zhì)、磷脂、糖脂等[22],胃蛋白酶將蛋白質(zhì)水解,破壞了MNPs天然的膜結(jié)構(gòu),MNPs重新分布,發(fā)生聚集。這與LIANG等[23]發(fā)現(xiàn)牛乳經(jīng)胃消化后的脂肪球粒徑較消化前變大的研究結(jié)果一致。在20 min時(shí),形成了不規(guī)則的球形且粒徑變大;在消化進(jìn)行到30 min時(shí),可觀察到規(guī)則的球形且外圍變得清晰而完整。在接下來(lái)的消化過(guò)程中,可發(fā)現(xiàn)粒徑較小的MNPs依然在不斷靠近但MNPs的數(shù)量明顯減少,這是由于胃排空的連續(xù)性發(fā)生且魚(yú)湯被不斷輸送進(jìn)來(lái)的胃液稀釋。在消化進(jìn)行到120 min時(shí),從顯微鏡圖中幾乎已觀察不到MNPs。
b-0 min;c-10 min;d-20 min;e-30 min;f-60 min;g-90 min;h-120 min圖3 不同時(shí)期胃內(nèi)消化物的相機(jī)圖和光學(xué)顯微鏡圖像Fig.3 Photograph and optical microscopy images of digest in the stomach at different times注:比例尺,20 μm(下同)
2.2.1 小腸內(nèi)的pH變化
小腸在整個(gè)食物的消化吸收過(guò)程中占據(jù)著重要的地位,大分子物質(zhì)在小腸中被徹底分解成小分子,隨之被吸收。根據(jù)食物的性質(zhì)不同,在小腸中的停留時(shí)間也不同,一般是3~8 h。胰液中的消化酶和膽汁在小腸消化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用,其最適pH一般為7.0左右[20],這也是靜態(tài)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單的將小腸內(nèi)的pH定為7.0或7.2的原因。為使小腸內(nèi)的pH環(huán)境符合體內(nèi)數(shù)據(jù),在設(shè)備運(yùn)行一開(kāi)始就以0.9 mL/min的速度勻速向小腸內(nèi)輸送小腸液,使得在食糜進(jìn)入小腸時(shí),有適宜的pH環(huán)境。
圖4為體外仿生消化系統(tǒng)在模擬小腸消化金槍魚(yú)頭湯過(guò)程中pH的變化。在小腸消化過(guò)程中,0 min的消化物是指在胃消化進(jìn)行到6 min,通過(guò)胃排空由十二指腸進(jìn)入小腸內(nèi)的消化物。因此,小腸消化的起始pH接近于胃消化10 min時(shí)記錄的pH 5.8,因?yàn)槭趁觿傔M(jìn)入小腸,還來(lái)不及與腸液發(fā)生中和且小腸中腸液數(shù)量有限。從圖4可知,魚(yú)湯在進(jìn)入小腸進(jìn)行消化的過(guò)程中,pH值從5.8(0 min)逐漸上升到6.9(30 min),且在30 min后維持在6.9左右。符合人體小腸的消化環(huán)境,這也表明通過(guò)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié),體外仿生消化系統(tǒng)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反映動(dòng)態(tài)腸消化。
圖4 不同時(shí)期小腸內(nèi)的pHFig.4 pH in the small intestine at different times
2.2.2 小腸內(nèi)MNPs的微觀結(jié)構(gòu)變化
用數(shù)碼相機(jī)對(duì)不同時(shí)期小腸內(nèi)的消化物進(jìn)行記錄(圖5-a),觀察其外觀的變化,用光學(xué)顯微鏡觀察魚(yú)湯中MNPs的微觀結(jié)構(gòu)變化(圖5-b~圖5-h)。由圖5-a可知,隨著小腸消化時(shí)間的延長(zhǎng),消化物的顏色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕c腸液類(lèi)似的淡黃色,這與腸液的稀釋有關(guān)。
b-30 min;c-60 min;d-90 min;e-120 min;f-150 min;g-180 min;h-210 min;i-240 min圖5 不同時(shí)期小腸內(nèi)消化物的相機(jī)圖和光學(xué)顯微鏡圖像Fig.5 Photograph and optical microscopy images of digest in the small intestine at different times
由圖5-b~圖5-h可知,消化30 min開(kāi)始,大粒徑的脂質(zhì)聚集體開(kāi)始裂解,中間出現(xiàn)間隙,消化進(jìn)行到60 min時(shí)大脂滴旁邊出現(xiàn)了明顯的完整的球形顆粒,這與姚云平等[24]研究發(fā)現(xiàn)牛乳經(jīng)過(guò)1 h的腸液消化后,可以觀察到中間有空隙的邊緣完整的脂肪球顆粒一致。胃中聚集的大顆粒在小腸中開(kāi)始裂解的原因可能有2方面:一是由于膽汁的乳化作用,膽鹽的加入使得脂肪的表面張力降低,使脂肪球乳化成小的液滴[20];二是由于在模擬小腸的動(dòng)態(tài)消化過(guò)程中,機(jī)械力的擠壓,使得MNPs破散開(kāi)。在消化時(shí)間為210 min時(shí),光學(xué)顯微鏡圖中已經(jīng)觀察不到明顯的球形顆粒,但還可以觀察到一些點(diǎn)狀物,可能是由于脂肪還未被完全降解,或者可能來(lái)源于加入到腸液中的膽鹽、磷脂和脂肪酸等形成的膠束。
本文通過(guò)優(yōu)化體外仿生消化系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)探究了金槍魚(yú)頭湯在動(dòng)態(tài)胃腸道消化過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明, 通過(guò)優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),可以使體外仿生消化系統(tǒng)準(zhǔn)確反映動(dòng)態(tài)胃腸道消化過(guò)程。金槍魚(yú)頭湯在體外仿生消化系統(tǒng)的胃消化過(guò)程中,MNPs膜上蛋白質(zhì)降解,膜破裂,MNPs發(fā)生聚集性行為,并在消化進(jìn)行到30 min時(shí)重新形成規(guī)則的球形,到120 min時(shí),MNPs消失,胃消化結(jié)束。同時(shí),在胃中形成的大粒徑聚集體通過(guò)胃排空進(jìn)入小腸后,開(kāi)始發(fā)生裂解,當(dāng)消化到60 min時(shí)形成了粒徑較小的完整的球形顆粒并在210 min時(shí)消失。