體外模擬胃腸消化法在食物消化行為中的研究進(jìn)展

那吉 楊婷 趙檑

摘要：人體胃腸道在食物消化以及營養(yǎng)物質(zhì)吸收過程中具有極其重要的地位與作用。但由于在研究人體胃腸功能過程中存在一定的倫理性問題，若使用體外人工模擬胃腸消化系統(tǒng)則能夠有效解決此類問題，這將有助于促進(jìn)胃腸道功能及食物消化行為方面的研究?；诖?，本文以體外胃腸模擬消化概述為切入點(diǎn)，研究并分析體外模擬胃腸消化法在食物消化行為方面的研究現(xiàn)狀，展望未來體外模擬胃腸系統(tǒng)的研究與應(yīng)用進(jìn)程，以期能為體外模擬消化的研究工作者提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：體外模擬胃腸系統(tǒng);人工模擬;食物消化行為

引言

食物進(jìn)入人體經(jīng)咀嚼后，會(huì)在胃部中停留約8min-3h，之后才會(huì)被運(yùn)輸?shù)叫∧c或十二指腸，其在胃、腸道的消化情況受pH值、消化酶、無機(jī)鹽等多種生理因素的影響。BOUAYED J等人發(fā)現(xiàn)胃消化作用能對(duì)植物中的多酚和黃酮等抗氧化活性成分的釋放和吸收產(chǎn)生較大影響。不可否認(rèn)的是，直接使用人體進(jìn)行消化實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)更為精確，但由于在研究人體胃腸功能過程中存在一定的倫理性問題，研究結(jié)果還可能存在個(gè)體差異， 故難以在實(shí)驗(yàn)過程中得到普及。

而人體外模擬消化模型因具有方便易于控制、成本低、可以一次檢測多個(gè)樣品等優(yōu)點(diǎn)而受到廣大科學(xué)研究工作者的青睞。體外模擬胃腸系統(tǒng)（ivHGSS）是基于人類胃腸中各種生理機(jī)制在實(shí)現(xiàn)對(duì)食物消化作用的模擬科學(xué)研究體系，是根據(jù)人體胃腸消化液的成分及消化環(huán)境建立起來的體外消化環(huán)境，其能在一定程度上真實(shí)模仿人體內(nèi)環(huán)境，主要可適用于替代生物活體的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究。該方法于1999年由Garrett等人最早提出，并成功將其應(yīng)用于測定嬰兒食品中β-胡蘿卜素的生物利用度。

現(xiàn)階段，體外胃腸模擬系統(tǒng)主要可分成三類：單相靜態(tài)、半連續(xù)穩(wěn)態(tài)與連續(xù)動(dòng)態(tài)，被廣泛應(yīng)用在食物胃腸代謝動(dòng)力學(xué)、食物營養(yǎng)物質(zhì)生物利用評(píng)估及其重金屬殘留評(píng)估及等方面。本文首先分析了體外模擬胃腸模型的分類，在此基礎(chǔ)上針對(duì)體外模擬胃腸系統(tǒng)在食物消化行為中的研究進(jìn)展做出了綜述，以期進(jìn)一步擴(kuò)大體外模擬胃腸消化系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，為體外模擬胃腸系統(tǒng)在食物消化行為方面的研究提供更多的思路與參考。

1. 體外模擬胃腸模型分類

1.1 胃消化模型

在胃液模擬消化模型中，可將胃蛋白酶和適量的NaCl溶于水后，使用一定濃度的HCl溶液調(diào)節(jié)至體系pH1.2左右，組成人工模擬胃液。將處理好的樣品溶液置于恒溫水浴中加熱至37℃左右，以HCl溶液調(diào)整混合溶液的pH為2.0后，加入適量模擬胃消化液，避光并充入氮?dú)猓?7℃恒溫水浴搖床中消化振搖一定時(shí)間。值得注意的是，模擬胃液組樣品溶液仍具有胃蛋白酶活性，須經(jīng)高溫水浴滅酶處理。待反應(yīng)結(jié)束后，樣品溶液經(jīng)離心后，取上清液后可得模擬胃消化液。

1.2 腸消化模型

人工模擬腸液中通常將胰蛋白酶、膽汁溶于NaHCO3溶液中形成。由于食物首先要通過胃部環(huán)境消化后，再進(jìn)入到腸道環(huán)境中進(jìn)行消化吸收，故在體外模擬腸消化時(shí)，會(huì)將胃消化的2.0h作為腸消化的開始時(shí)間。即向經(jīng)過胃消化約2h后的樣品（未滅酶）中加入NaHCO3調(diào)至體系pH為7.0左右，加入適量人工模擬腸液及NaCl溶液和KCl溶液，置于37℃水浴中振蕩模擬腸道消化，最終得到模擬腸消化液。

2. 體外模擬胃腸系統(tǒng)在食物消化行為中的研究進(jìn)展

2.1 單相靜態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)

單相靜態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)（ssGS）指的是對(duì)人類胃腸道環(huán)境的生理?xiàng)l件進(jìn)行模擬，與此同時(shí)，將食物置于人工模擬的胃腸環(huán)境中，進(jìn)而對(duì)食物在胃腸消化系統(tǒng)中的消化行為進(jìn)行模擬研究的模擬體系。一般情況下，通過加入含胃蛋白酶和胰蛋白酶并調(diào)節(jié)pH值等操作來模擬人工胃腸消化液，在此基礎(chǔ)上，建立一個(gè)模擬的胃腸道生理?xiàng)l件，進(jìn)而對(duì)胃腸環(huán)境中的食物消化活動(dòng)進(jìn)行模擬。KAFAOGLU B等人利用單相靜態(tài)模擬系統(tǒng)研究了堅(jiān)果和種子中多種金屬元素的生物利用度，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過胃腸環(huán)境進(jìn)行模擬消化后，其中的金屬微量元素更容易被吸收。陳夢霏等人探究了模擬胃腸消化對(duì)蛹蟲草蛋白質(zhì)理化性質(zhì)及抗氧化活性的影響，采用 SDS-PAGE和酸水解法分析模擬胃腸消化前后蛋白質(zhì)分子量分布及氨基酸的組成。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)模擬胃腸消化后蛋白質(zhì)分子量的主要分布范圍發(fā)生了變化。陸俊等人通過體外模擬胃腸消化法考察黑米、黑苦蕎、黑麥等6種黑色食品在胃、腸道消化過程中抗氧化成分及其活性變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過模擬胃消化2h后，黑小米和黑豆中多酚和黃酮釋放增長比例分別增長28%和41%，進(jìn)一步通過模擬腸消化2h后，黑麥和黑綠豆中多酚和黃酮釋放增長比例分別增長113%和52%。

單相靜態(tài)胃腸道模擬系統(tǒng)僅通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的pH值、酶解條件模擬人類胃腸及消化道內(nèi)環(huán)境來研究食物的消化吸收情況，該方法簡單易行，但并未考慮消化過程中人體胃腸道蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)等因素對(duì)食品消化吸收的影響。

2.2 半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)

半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸道模擬系統(tǒng)（shGS）是指在模擬胃腸道環(huán)境的過程中加入適量淀粉酶、水溶性無機(jī)鹽、膽汁、胰酶等逐級(jí)模擬口腔和胃腸道生理?xiàng)l件，形成基于人體生理?xiàng)l件下的穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)。封易成等人通過分別模擬山楂口腔消化液、胃消化液、腸消化液、腸透析液，測定消化液中黃酮、多酚、多糖和有機(jī)酸含量變化及消化液的抗氧化能力。結(jié)果表明，幾種樣品經(jīng)口腔和胃消化后，多糖和有機(jī)酸比消化前含量顯著增加，模擬消化液清除自由基能力的變化趨勢相似。姚思雯等人通過連續(xù)模擬唾液消化、胃液消化及腸液消化過程，測定菠蘿蜜多糖體外消化產(chǎn)物對(duì)OH·、02-·及DPPH·的清除能力。研究顯示，在模擬唾液消化15min時(shí)消化產(chǎn)物均具有最大的自由基清除活性;在模擬胃液消化4h時(shí)有最大的0H·清除活性。霍艷姣等人以鱈魚魚肉蛋白肽為研究對(duì)象，構(gòu)建體外胃腸消化模型和Caco-2細(xì)胞吸收模型，模擬連續(xù)的胃腸消化吸收過程中抗氧化活性變化和生物利用度，為鱈魚蛋白肽的開發(fā)利用提供了理論依據(jù)。

由于半連續(xù)穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)在一定程度上考慮了胃腸道微生物生態(tài)環(huán)境對(duì)模擬結(jié)果的影響，使得其模擬仿真性明顯改善，但模擬系統(tǒng)中仍未考慮到胃腸蠕動(dòng)的影響。

2.3 連續(xù)動(dòng)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)

連續(xù)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)（cdGSS）是向胃腸模擬過程中連續(xù)地、流動(dòng)地接種入正常健康人的糞便菌群，通過對(duì)胃腸道生物環(huán)境模擬的同時(shí)，綜合考慮微生物生態(tài)環(huán)境對(duì)人類食物消化吸收活動(dòng)所產(chǎn)生的影響，是最貼近于人類胃腸道微生態(tài)環(huán)境的人工模擬系統(tǒng)，具備更高的仿真性。目前常用的有胃腸道三相連續(xù)模擬系統(tǒng)和五相連續(xù)模擬系統(tǒng)。Marisa Intawongse等利用三相連續(xù)胃腸模擬系統(tǒng)對(duì)時(shí)間、空間、理化以及營養(yǎng)等特點(diǎn)，對(duì)人體結(jié)腸中的微生物菌群在結(jié)腸末端與近端進(jìn)行模擬，同時(shí)針對(duì)于不同滯留時(shí)間的條件下，結(jié)腸微生物菌群對(duì)不同氮源物質(zhì)和碳源在結(jié)腸環(huán)境中為消化行為所帶來的影響進(jìn)行了研究。研究后發(fā)現(xiàn)，多數(shù)短鏈脂肪酸與碳水化合物在人體結(jié)腸的近端處都可以被生物所降解，并在結(jié)腸末端被分解并消化。

3. 展望

目前有關(guān)于體外腸胃系統(tǒng)模擬的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究可陸續(xù)見報(bào)道，但缺乏國際公認(rèn)的定量評(píng)價(jià)模型。因此，如何構(gòu)建仿真性高、操作簡便、穩(wěn)定可靠的體外模擬胃腸環(huán)境系統(tǒng)將是一個(gè)長期的研究方向。針對(duì)不同的體外消化道模擬系統(tǒng)，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行完善和創(chuàng)新：

（1）使用單相靜態(tài)模擬系統(tǒng)開展食物消化吸收研究時(shí)，建議研發(fā)并使用與模擬系統(tǒng)功能相符合的胃動(dòng)力消化裝置，實(shí)現(xiàn)模擬胃壁的蠕動(dòng)與收縮作用。此外，通過調(diào)節(jié)胃腸動(dòng)力輔助消化裝置實(shí)現(xiàn)模擬食物在胃部的水力效應(yīng)，達(dá)到模擬真實(shí)的胃腸消化吸收行為的目的。

（2）使用半連續(xù)穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)開展食物消化吸收研究的過程中，可向模擬體系中接種健康人群胃腸微生物種群，充分考慮腸道內(nèi)微生物生態(tài)環(huán)境對(duì)消化行為的影響。

體外胃腸模擬系統(tǒng)已由靜止、短暫的模擬發(fā)展到目前的動(dòng)態(tài)多相持續(xù)模擬，其模擬的真實(shí)感和安全性日益增強(qiáng)。筆者認(rèn)為，體外胃腸模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用將在食物代謝動(dòng)力學(xué)、食物殘留安全評(píng)估及營養(yǎng)生物利用評(píng)估等方面起到更顯著、更積極的影響。

結(jié)束語

與目前大多數(shù)研究關(guān)注的有機(jī)溶劑提取活性成分含量的研究方法相比，由于體外模擬胃腸消化法主要通過模擬食物在消化道中消化過程的各種反應(yīng)后，評(píng)價(jià)食物中營養(yǎng)物或污染物的生物可給性，從而為進(jìn)一步分析物質(zhì)的生物有效性提供理論依據(jù)。

盡管如此，采用人工模擬系統(tǒng)對(duì)食物消化行為進(jìn)行模擬的研究結(jié)果畢竟與人體胃、腸的真實(shí)環(huán)境仍有一定的差距。為此，在未來的研究中，仍需充分考慮如何構(gòu)建高仿真、低成本、易于操作、體系穩(wěn)定的模擬體系，以此逐漸縮小模擬環(huán)境與真實(shí)胃腸環(huán)境之間的差異。