体外模拟消化系统在食品研发中的应用

俞东腾生

（福建省红太阳精品有限公司，福建 莆田 351111）

1 引言

消化系统是由消化道和消化腺两部分组成。消化道是自口腔接连到咽、食道、胃、小肠、大肠再到肛门的一条很长的食物消化分解吸收的肌性管道，消化腺是分泌消化液的生物组织（腺体），包括唾液腺、胰腺、肝脏、胃腺和肠腺。人体消化是一个复杂的过程，是人体健康所必需的，在这个过程中摄入的食物被分解成营养物质，这些营养物质可被人体用于生长、细胞维护和燃料。在食物消化过程中，两个主要过程同时发生：机械转换，指经过牙齿的磨碎，舌的搅拌、咽的吞咽，胃肠肌肉的运动，以减少食物颗粒的大小；通过酶的转化，大分子被水解成更小的成分，如糖类分解为葡萄糖，蛋白质分解为氨基酸，脂类分解为甘油及脂肪酸，被吸收到血液中。食物分解主要发生在口腔和胃，酶解吸收营养和水分主要发生在小肠和大肠[1]。

消化系统是研究人员和工业界在营养学、毒理学、药理学和微生物学等各个领域提出的众多问题的中心。不幸的是，研究人类消化是复杂的多阶段的过程，在技术上是困难的、昂贵的，并且当涉及到潜在的有害物质（如外源性或致病性微生物）时受到伦理约束[1]，同时体内消化实验周期长[2]，实验结果易受实验体个体差异性影响。因此，非常有必要在体外模拟人类消化的生理过程，这些模型是灵活的、准确的、可复制重复的、低成本的。

体外消化模型已被广泛应用到食品[3]、药品[4]、饲料[5]等各个领域，国内外对利用体外消化进行相关研究的认可度也越来越高，在食品营养吸收[6]、物质消化特性分析[7,8]、生物可及性[9]、食品摄入安全评价等方面的应用越来越受到重视。

2 体外模拟消化系统的现状

体外模拟消化系统大致可以分为静态模型[10]和动态模型[11]以及细胞培养模型[12]。

静态模型使用食物恒定的酶和电解质的比例，以及每个消化阶段的恒定的pH值，由于其简单性，几十年来被广泛用于食品、动物饲料和医药用途。静态体外消化是模拟体内食物消化最简单的方法，虽然这些简单的模型有明显的缺点，但是它们比更复杂的方法有明显的优势。静态体外模型的主要优点是良好的实验室内和实验室间重现性、稳健性、简单性、相对较低的成本和容易评估每个消化阶段。后一点使它们非常适合于机械论研究、假设建立和筛选。静态消化方法已知的局限性有，无法模拟消化过程的复杂动力学或与宿主的生理相互作用。例如，对于胃阶段，pH值保持恒定，并且缺少逐渐添加胃液（酸、矿物质和胃蛋白酶）和逐渐排空胃。此外，无论食物类型以及食物是否含有高或低量的底物，例如蛋白质、脂类和碳水化合物，每个消化阶段的酶活性都保持恒定。肠道阶段被视为一个阶段，而不是连续的十二指肠、空肠和回肠阶段，表现出不同的稀释度、矿物质含量、pH值、酶活性和微生物含量。这些缺点使得该方法不适合于消化过程不同阶段的详细动力学分析[10]。

为了模拟在人类上消化道内发生的复杂生理和物理化学事件，在实际的消化时间、pH值和消化酶条件下，将食物消化吸收的每一步都是至关重要的。因此，一些动态的双组分或多组分模型被开发出来，并在大量的研究中得到应用[1]。动态模型的优点不单单在于能够模拟消化道中物理消化过程，还可以展现出各个消化阶段下发生的其他变化。例如人胃模拟器（HGS）[13]，通过将蠕动运动融入乳胶腔壁，HGS成功地再现了胃壁的蠕动收缩，并产生了与体内相似的机械力模式，从而改进了消化过程的模拟和预测胃消化过程中食物成分的转化。HGS能够提供一组合理的、逼真的条件来模拟人类的消化过程。它可以用来研究消化过程中食物成分和胃内容物的某些变化，以及生理条件（包括酸和酶的分泌和收缩力）对食物分解动力学和养分释放的影响。尽管测力和pH值曲线与文献数据吻合良好，但进一步与人体或动物实验中收集的体内数据进行比较，将最终验证HGS的预测能力。

3 消化模型在食品领域中的应用

3.1 物质消化特性分析

抗性淀粉（Resistant Starch，RS）是一种在小肠中不能被消化分解吸收，但2 h后可到达结肠并被结肠中的微生物菌群发酵，从而发挥对人体有益的生理作用的淀粉[14]。RS作为一种新型膳食纤维，具有低热量和特殊的消化特性，在面包类，油炸类，面条以及益生菌类食品等众多食品领域中都得以广泛利用[15]。通过体外模拟消化系统可较好地研究抗性淀粉的消化特性[16]。

尚晓娅等人[17]以37 ℃的室温模拟胃液肠液环境，以及食物在人体肠胃中消化停留的实际时间来控制实验反应时间，即控制在胃中停留3～4 h，在小肠中停留4～5 h，在大肠中停留10～12 h。同时自主配制了人工肠胃液（pH分别为3、4、5）和大肠液（pH=6.8）并以生理盐水作对照，利用透析法和DNS法来测定比较抗性淀粉和原淀粉的失重率和还原糖的生成率。研究表明，抗性淀粉不能被胃蛋白酶和胰蛋白酶消化分解，即不能在胃和小肠中分解。且抗性淀粉经大肠液反应失重增大，但还原糖浓度仍较低。说明抗性淀粉在大肠中是被肠道菌群分解成其他物质而不是还原糖。

3.2 生物可及性

体外研究构成了一种分析方法，可用于确定生物活性成分生物可及性有效性中各种因素的重要性和范围，并对食物基质成分对消化过程的影响进行深入分析。衡量生物可及性是食品或配方设计中的一个关键因素，这些食品或配方声称含有一种或几种对健康有益的生物活性化合物。可以认为，在脂肪含量较高的配方中添加脂溶性生物活性化合物，如油性提取物，是优化生物可达性的最佳途径。然而，将一种本质上含脂肪的食物转化为可被肠道上皮吸收的物质涉及到脂质含量的一系列分散和乳化过程，这可能不会优化生物体可获得的生物活性化合物的数量。将脂质含量精细地分散在亲水性基质中的配方可能会提高这些化合物的生物可及性有效性，从而在配方设计中引入新的变量（乳化剂的定性和定量成分）。因此，体外模型为测定生物活性化合物的生物可及性提供了分析支持，并可用于乳化剂的设计，区分优化生物可及性和最小化生物可及性的成分[18]。

体外和活体研究在获取生物可及性和生物利用度方面的优缺点有以下几个方面[19]：

体外消化模型（静态）的优点：设计简单操作快捷，低成本，具有通用性和适应性，允许筛选几个因素和设计具体的样本检测，可以并行评估多个样本，没有道德的限制，在相同的实验室和相同的条件下具有高的重现性。缺点：⑴ 由于体外消化模型的多样性，不同研究组的结果往往缺乏可比性，通常不能完全模拟体内发生的所有复杂的机械、物理化学和生理过程。⑵ 在消化系统中发现的特定酶的有限可用性（例如，用于类胡萝卜素酯裂解的酶），以致限制在口服、胃和肠的消化和吸收阶段，尽管与caco-2细胞结合可进一步评估肠黏膜的吸收，但是只有暂定结论，需要获得明确的结果则需要通过体内研究进行验证。

活体研究（临床试验）的优点被认为是随机交叉研究的“黄金标准”，能对生物利用度进行最终评估，可以进行更复杂相互作用（新陈代谢）的潜在评估；但是局限性是要经过道德委员会的批准以避免道德影响，需要侵入性取样（抽血），相当昂贵，劳动强度大、耗时长。

3.3 食品营养吸收测定

刘云竹，欧克勤等人[20]采用In vitro体外消化模型来测定不同种类的和不同加工方式的谷物类主食中铁营养元素在消化系统中的利用率，并结合2002年全国居民营养调查的结果，分析了谷物类主食对我国居民铁营养的影响情况。

3.4 食品摄入安全评价

通过体外模拟消化系统可以测定食品中重金属元素[21,22]以及真菌毒素[23,24]等有毒有害物质的经口生物利用率，以此来对食品摄入安全进行评价。以水稻为例，由于水稻通常是在淹水条件下种植的，有人担心有毒金属可能会被其根部吸收，并在其谷粒中积累。此外，以往的研究表明，与其他谷类作物相比，水稻能够从土壤和水中吸收更多的有毒金属，如铅、砷和镉等[25]。因此对大米中有毒有害物质的生物可及性测定显得尤为重要。

李筱薇，云洪霄等人[22]通过建立体外消化模型对大米中无机砷的生物可给性进行测定。运用3%三氟乙酸溶液提取消化糜中的无机砷，用C—AFS法测定。研究表明，无机砷含量阴性大米添加无机砷标准溶液经过消化后随着无机砷含量的增高无机砷的生物可给性在下降，不同大米样品经过消化后无机砷含量相近（实验结果有待进一步证实，缺少样品）。

3.5 其他方面

随着科技水平的不断发展，基因工程技术在育种方面的应用越来越广泛，但是，对于转基因食品的安全问题，一直备受争议，导致转基因作物的推广在中国一直面临着重大挑战[26]，那么体外模拟转基因食物消化就显得比较有说服力。

袁建琴等人[27]通过对SD大鼠饲料成分的控制，其中一组的饲料除基础饲料外还加入了20%比例的转基因抗草甘膦除草剂大豆GTS40-3-2，另外一组的饲料中则加入了其亲本非转基因大豆A5403豆粕，喂养两代SD大鼠，利用PCR和ELISA方法分别检测转基因大豆豆粕外源基因和蛋白在SD大鼠体内消化吸收（残留）情况。研究表明，除SD大鼠的盲肠内容物和粪便外的其他脏器部位，并未检测出外源基因残留，并且相关基因在大鼠体内并未发生转移，因此转基因抗草甘膦除草剂大豆GTS40-3-2与非转基因大豆A5403具有同样的食品安全保证。

4 展望

随着科技进步研究深入，对食品安全和营养的关注早已不再是食物中组成成分的简单测定与评价，而是对各组分协同作用与拮抗作用的研究。较为完善的人体消化模拟体系可为食品营养与食品安全提供更有价值的评价和筛选手段，具体可应用于食品营养吸收、物质消化特性分析、生物可及性、食品摄入安全评估的研究中。虽然消化模型的设计逐渐接近于人体真实的消化情况，但因消化系统还涉及较为复杂的神经系统调节机制，而且不同个体、不同食物等都会导致不同的消化行为的出现，因此保证消化模型的正确性和通用性是一项艰难的任务与挑战。为了更好地保障人民的饮食健康与卫生以及满足科研的需求，我们必须通过不断地实验收集数据总结经验，来不断完善与我国人民饮食习惯相符合的体外模拟消化系统。