體外模擬胃腸消化法在食物消化行為中的研究進展

那吉 楊婷 趙檑

摘要：人體胃腸道在食物消化以及營養物質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則能夠有效解決此類問題，這將有助于促進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，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狀，展望未來體外模擬胃腸系統的研究與應用進程，以期能為體外模擬消化的研究工作者提供一定的參考。

關鍵詞：體外模擬胃腸系統;人工模擬;食物消化行為

引言

食物進入人體經咀嚼后，會在胃部中停留約8min-3h，之后才會被運輸到小腸或十二指腸，其在胃、腸道的消化情況受pH值、消化酶、無機鹽等多種生理因素的影響。BOUAYED J等人發現胃消化作用能對植物中的多酚和黃酮等抗氧化活性成分的釋放和吸收產生較大影響。不可否認的是，直接使用人體進行消化實驗所得數據更為精確，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，研究結果還可能存在個體差異， 故難以在實驗過程中得到普及。

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

現階段，體外胃腸模擬系統主要可分成三類：單相靜態、半連續穩態與連續動態，被廣泛應用在食物胃腸代謝動力學、食物營養物質生物利用評估及其重金屬殘留評估及等方面。本文首先分析了體外模擬胃腸模型的分類，在此基礎上針對體外模擬胃腸系統在食物消化行為中的研究進展做出了綜述，以期進一步擴大體外模擬胃腸消化系統的應用范圍，為體外模擬胃腸系統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溶液調節至體系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，避光并充入氮氣，于37℃恒溫水浴搖床中消化振搖一定時間。值得注意的是，模擬胃液組樣品溶液仍具有胃蛋白酶活性，須經高溫水浴滅酶處理。待反應結束后，樣品溶液經離心后，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境消化后，再進入到腸道環境中進行消化吸收，故在體外模擬腸消化時，會將胃消化的2.0h作為腸消化的開始時間。即向經過胃消化約2h后的樣品（未滅酶）中加入NaHCO3調至體系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. 體外模擬胃腸系統在食物消化行為中的研究進展

2.1 單相靜態胃腸模擬系統

單相靜態胃腸模擬系統（ssGS）指的是對人類胃腸道環境的生理條件進行模擬，與此同時，將食物置于人工模擬的胃腸環境中，進而對食物在胃腸消化系統中的消化行為進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節pH值等操作來模擬人工胃腸消化液，在此基礎上，建立一個模擬的胃腸道生理條件，進而對胃腸環境中的食物消化活動進行模擬。KAFAOGLU B等人利用單相靜態模擬系統研究了堅果和種子中多種金屬元素的生物利用度，發現經過胃腸環境進行模擬消化后，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蛹蟲草蛋白質理化性質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分子量分布及氨基酸的組成。結果發現，經模擬胃腸消化后蛋白質分子量的主要分布范圍發生了變化。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律。結果發現，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%。

單相靜態胃腸道模擬系統僅通過調節系統的pH值、酶解條件模擬人類胃腸及消化道內環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運動等因素對食品消化吸收的影響。

2.2 半連續穩態胃腸模擬系統

半連續穩態胃腸道模擬系統（shGS）是指在模擬胃腸道環境的過程中加入適量淀粉酶、水溶性無機鹽、膽汁、胰酶等逐級模擬口腔和胃腸道生理條件，形成基于人體生理條件下的穩態胃腸模擬系統。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、多糖和有機酸含量變化及消化液的抗氧化能力。結果表明，幾種樣品經口腔和胃消化后，多糖和有機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物對OH·、02-·及DPPH·的清除能力。研究顯示，在模擬唾液消化15min時消化產物均具有最大的自由基清除活性;在模擬胃液消化4h時有最大的0H·清除活性。霍艷姣等人以鱈魚魚肉蛋白肽為研究對象，構建體外胃腸消化模型和Caco-2細胞吸收模型，模擬連續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利用提供了理論依據。

由于半連續穩態模擬系統在一定程度上考慮了胃腸道微生物生態環境對模擬結果的影響，使得其模擬仿真性明顯改善，但模擬系統中仍未考慮到胃腸蠕動的影響。

2.3 連續動態胃腸模擬系統

連續動態模擬系統（cdGSS）是向胃腸模擬過程中連續地、流動地接種入正常健康人的糞便菌群，通過對胃腸道生物環境模擬的同時，綜合考慮微生物生態環境對人類食物消化吸收活動所產生的影響，是最貼近于人類胃腸道微生態環境的人工模擬系統，具備更高的仿真性。目前常用的有胃腸道三相連續模擬系統和五相連續模擬系統。Marisa Intawongse等利用三相連續胃腸模擬系統對時間、空間、理化以及營養等特點，對人體結腸中的微生物菌群在結腸末端與近端進行模擬，同時針對于不同滯留時間的條件下，結腸微生物菌群對不同氮源物質和碳源在結腸環境中為消化行為所帶來的影響進行了研究。研究后發現，多數短鏈脂肪酸與碳水化合物在人體結腸的近端處都可以被生物所降解，并在結腸末端被分解并消化。

3. 展望

目前有關于體外腸胃系統模擬的基礎研究和應用研究可陸續見報道，但缺乏國際公認的定量評價模型。因此，如何構建仿真性高、操作簡便、穩定可靠的體外模擬胃腸環境系統將是一個長期的研究方向。針對不同的體外消化道模擬系統，可從以下幾個方面進行完善和創新：

（1）使用單相靜態模擬系統開展食物消化吸收研究時，建議研發并使用與模擬系統功能相符合的胃動力消化裝置，實現模擬胃壁的蠕動與收縮作用。此外，通過調節胃腸動力輔助消化裝置實現模擬食物在胃部的水力效應，達到模擬真實的胃腸消化吸收行為的目的。

（2）使用半連續穩態模擬系統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，充分考慮腸道內微生物生態環境對消化行為的影響。

體外胃腸模擬系統已由靜止、短暫的模擬發展到目前的動態多相持續模擬，其模擬的真實感和安全性日益增強。筆者認為，體外胃腸模擬系統的基礎研究與應用將在食物代謝動力學、食物殘留安全評估及營養生物利用評估等方面起到更顯著、更積極的影響。

結束語

與目前大多數研究關注的有機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后，評價食物中營養物或污染物的生物可給性，從而為進一步分析物質的生物有效性提供理論依據。

盡管如此，采用人工模擬系統對食物消化行為進行模擬的研究結果畢竟與人體胃、腸的真實環境仍有一定的差距。為此，在未來的研究中，仍需充分考慮如何構建高仿真、低成本、易于操作、體系穩定的模擬體系，以此逐漸縮小模擬環境與真實胃腸環境之間的差異。