那吉 楊婷 趙檑

摘要：人體胃腸道在食物消化以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收過(guò)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(guò)程中存在一定的倫理性問(wèn)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(wèn)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。基于此，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(lái)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(wú)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(guò)程中存在一定的倫理性問(wèn)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(guò)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(cè)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(lái)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(cè)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：?jiǎn)蜗囔o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(yíng)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)?，?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(guò)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(kāi)始時(shí)間。即向經(jīng)過(guò)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(guò)加入含胃蛋白酶和胰蛋白酶并調(diào)節(jié)pH值等操作來(lái)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(guò)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(mèng)霏等人探究了模擬胃腸消化對(duì)蛹蟲(chóng)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(guò)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(guò)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(guò)模擬胃消化2h后，黑小米和黑豆中多酚和黃酮釋放增長(zhǎng)比例分別增長(zhǎng)28%和41%，進(jìn)一步通過(guò)模擬腸消化2h后，黑麥和黑綠豆中多酚和黃酮釋放增長(zhǎng)比例分別增長(zhǎng)113%和52%。

單相靜態(tài)胃腸道模擬系統(tǒng)僅通過(guò)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(lái)研究食物的消化吸收情況，該方法簡(jiǎn)單易行，但并未考慮消化過(guò)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(guò)程中加入適量淀粉酶、水溶性無(wú)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(guò)分別模擬山楂口腔消化液、胃消化液、腸消化液、腸透析液，測(cè)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(shì)相似。姚思雯等人通過(guò)連續(xù)模擬唾液消化、胃液消化及腸液消化過(guò)程，測(cè)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?；羝G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(guò)程中抗氧化活性變化和生物利用度，為鱈魚蛋白肽的開(kāi)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(guò)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(guò)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(yíng)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(lái)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(jiàn)報(bào)道，但缺乏國(guó)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(jiǎn)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(zhǎng)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(kāi)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(guò)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(kāi)展食物消化吸收研究的過(guò)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(yíng)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(yǔ)

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(guò)模擬食物在消化道中消化過(guò)程的各種反應(yīng)后，評(píng)價(jià)食物中營(yíng)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(lái)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。