一種可連續化進行的胃腸仿生消化裝置的設計＊

李玉珍 ， 肖懷秋 ， 蘭立新 ， 姜明姣 ， 劉 軍 ， 周 全

（1.湖南化工職業技術學院制藥與生物工程學院，湖南 株洲 412000；2.湖南中威制藥有限公司，湖南 株洲 412000）

研究食品營養基質（或生物活性物質）或藥物的胃腸道消化行為對了解其消化代謝具有重要意義，然而利用人體胃腸道進行消化行為或藥代動力學分析常存在倫理問題[1]。動物消化模型實驗結果雖更貼近生理，但耗時長，試驗成本高，且動物存在個體差異，試驗結果重復性差。體外胃腸仿生消化系統可有效解決上述問題[2]。目前，體外模擬消化方法主要采取模擬胃消化和模擬胃—小腸消化，前者是用胃蛋白酶模擬蛋白質成分在胃內的消化情況，因缺乏小腸階段模擬，結果評價失真；后者是用胃蛋白酶和胰酶（或小腸胰液）分別模擬食物在胃及腸道中的消化吸收過程，與人體內消化過程相似，可廣泛用于食品營養基質代謝與藥物代謝的研究[3-5]。目前，胃腸仿生消化主要分階段研究，無法實現連續化的胃仿生模擬消化和腸仿生模擬消化，而且仿生消化過程溫度、pH值、攪拌等實時消化參數的監測也較難實現，仿生消化過程取樣也極為不便[6-7]，設計一套可連續進行胃腸仿生消化的裝置具有重要的現實意義。

1 設計思路

胃腸仿生模擬消化裝置包括消化桶及消化控制系統2個部分。消化桶內部均設置有中間腔體結構并配備攪拌裝置，分為胃仿生消化桶（一號桶）和腸仿生模擬桶（二號桶），中間腔體外圍均設置有加熱倉。消化桶頂端上面和底端面上均設置與中間腔體連通的進料口與出料口，消化桶間通過輸送管道相連。消化桶前端外表面均設置有玻璃觀察窗、取樣裝置、酸液存儲槽和堿液存儲槽。消化桶內部分別設置有pH傳感器、加熱管及溫度傳感器，二號消化桶右側配備配電箱，配電箱前端外表面嵌有控制面板（內含單片機），用于接收pH傳感器和溫度傳感器傳輸信號并控制攪拌機構作業。

2 胃腸仿生消化裝置結構圖及結構說明

2.1 胃腸仿生消化裝置結構正面剖視圖及結構說明

胃腸仿生消化裝置結構正面剖視圖如圖1所示。該胃腸仿生模擬消化裝置包括中間為腔體結構的一號消化桶1和二號消化桶3，分別用于胃仿生模擬消化和腸仿生模擬消化，且均設置有加熱倉2及外部保溫套20，胃腸仿生消化桶結構相同。一號消化桶頂端面上設置有與桶內部腔體相連通的進料口10，底端面上設置有與消化桶內部腔體相連的出料口27，二號消化桶同樣設置有進料口28和出料口29。出料口27與進料口28之間通過輸送管道24相連通，輸送管道中部設置有輸送泵25。進料口10右側設有伺服電機4，伺服電機底端設有攪拌軸5，伺服電機通過聯軸器連接有減速器30，攪拌軸兩側皆焊接有葉片6，伺服電機底端通過聯軸器與攪拌軸連接，使伺服電機轉動帶動攪拌軸進行轉動，進而帶動葉片進行攪拌。一號消化桶前端外表面設有玻璃觀察窗13，其上設有酸液存儲槽7與堿液存儲槽14，酸液存儲槽7底端設有下料口16，下料口上表面設有活動板15，酸液存儲槽7內側通過轉軸連接有調節轉盤9，調節轉盤底端與活動板齒合，通過將調節轉盤底端與活動板頂端齒合連接能夠使調節轉盤轉動并帶動活動板移動，通過活動板移動能使下料口16露出，從而使酸液存儲槽7內液體流出，堿液存儲槽結構相同。玻璃觀察窗13下方設有取樣裝置8，取樣裝置緊鄰設置在消化桶中間腔體結構底壁的上方，以便取樣監測內部仿生消化情況。一號消化桶1的右側固定有配電箱11。二號消化桶出料口29上設置有二號電動開關閥26，用于控制二號消化桶出料口29通斷，二號電動開關閥26的受控端連接于單片機21的輸出端。出料口27上設置有用于控制出料口27通斷的一號電動開關閥31，一號電動開關閥的受控端連接于單片機21的輸出端。一號消化桶的局部剖視圖如圖2所示。酸（堿）液存儲槽局部俯視剖面圖如圖3所示。

圖1 胃腸仿生消化裝置結構正面剖視圖

圖2 一號消化桶的局部剖視圖

圖3 酸（堿）液存儲槽的局部俯視剖面圖

2.2 取樣裝置的正視圖與剖視圖及結構說明

圖4 取樣裝置的正視圖與剖視圖結構

取樣裝置正視圖與剖視圖如圖4所示。取樣裝置8包括套倉81、套筒82、密封塞83、彈簧84，套倉81、密封塞83、彈簧84皆設置于套筒82內側，且彈簧84設置于密封塞83的左端，套倉81設置于密封塞83的右端，通過將套倉81翻轉，能夠使一號消化桶1內部液體流入套倉81內，通過取出套倉81即可獲得樣本，且套倉81抽出后，利用彈簧84形變產生彈力施加于密封塞83，能夠將密封塞83向前頂動將套筒82的出口堵住。

2.3 胃腸仿生消化裝置電路框圖及結構說明

本設計電路框圖如圖5所示。配電箱11的內側固定有單片機21，單片機左側固定有溫度控制器22，溫度控制器下方固定有計時器23，控制面板12的輸出端通過導線分別與溫度傳感器18、pH傳感器19、單片機21電連接，溫度傳感器與pH傳感器的輸出端均通過導線與單片機21電極連接，單片機輸出端通過導線分別與溫度控制器22和計時器23電連接，通過將單片機21與溫度控制器22電連接，能夠使單片機21可以控制溫度控制器22工作，溫度控制器22起到控制加熱管17輸電開關的作用，計時器23的型號為D016-100M，計時器23起到計時的作用。配電箱11前端外表面設有控制面板12，加熱倉2內側設有加熱管17與溫度傳感器18，溫度傳感器18設置于加熱管17兩側，一號消化桶1內側固定有pH傳感器19，控制面板12起到控制溫度傳感器18與pH傳感器19輸電開關作用，溫度傳感器18起到檢測溫度并將溫度數值信號轉換成電信號傳輸給單片機21的作用，pH傳感器19起到檢測pH值并將pH值轉換成電信號傳輸給單片機21的作用。

圖5 胃腸仿生消化裝置電路框圖

3 工作原理與使用方法

1）將一號消化桶1與加熱倉2接入外接電源，使其處于通電工作狀態，將配制好的仿生模擬胃消化液通過進料口10加入一號消化桶1內部并加入擬仿生消化食物，操作控制面板12中的單片機21模塊，通過單片機控制伺服電機4工作轉動，并帶動攪拌軸5和葉片6轉動，實現消化桶1內部仿生模擬胃消化與消化對象的混合均勻，并控制合適攪拌速度。

2）通過操作控制面板中單片機來對溫度控制器22進行控制，使加熱管17工作發熱，加熱管17發熱后通過加熱倉2內部的導熱油將溫度均勻散發給一號消化桶1內部進行加熱，通過溫度傳感器18監控溫度達到預期溫度，并通過溫度傳感器將溫度信號傳輸至單片機21。

3）通過單片機21控制溫度控制器22工作，通過保溫套20能夠提高一號消化桶1的保溫效果，保溫套20內部填充有保溫棉。

4）通過pH傳感器19能夠監控一號消化桶1內部的pH數值，酸液存儲槽7或堿液存儲槽14存放的酸或堿通過撥動調節轉盤9能夠帶動活動板15移動，通過調節活動板15對下料口16的遮擋大小控制酸堿量，來調節消化桶1內部pH值。

5）取樣時，通過轉動套倉81能夠使套倉81翻轉，套倉翻轉能使一號消化桶內部液體流入套倉內，取出套倉即可獲得樣本，且套倉抽出后，利用彈簧84形變產生彈力施加于密封塞83，密封塞83向前頂動將套筒82出口堵住，避免消化桶內部消化液體流出。

6）通過計時器23能記錄消化工作時間并通過控制面板12顯示屏顯示，一號消化桶1與二號消化桶3的結構完全相同，消化桶間通過輸送管道連接，出料口27上設置有一號電動開關閥31，一號消化桶1消化完畢后，可以打開管道上的一號電動開關閥31，再由輸送泵25將消化物泵送到二號消化桶3內進行腸仿生消化，在二號消化桶3內加入仿生模擬十二指腸或小腸消化液，可以模擬腸消化效果，消化過程可取消化液監測，達到仿生模擬連續消化且消化過程可監測的效果，非常實用。

4 設計實施預測效果

所設計的胃腸仿生模擬消化裝置可實現胃腸仿生模擬消化過程的pH值、溫度、攪拌速度的控制與調整，便于消化液的取樣分析及消化過程的觀察監測，便于觀察消化桶內食品營養基質或生物活性物質的仿生消化情況，能實現連續的人胃腸仿生模擬消化，且操作方便，操控性好。