體外模擬消化系統在食品研發中的應用

俞東騰生

（福建省紅太陽精品有限公司，福建 莆田 351111）

1 引言

消化系統是由消化道和消化腺兩部分組成。消化道是自口腔接連到咽、食道、胃、小腸、大腸再到肛門的一條很長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組織（腺體），包括唾液腺、胰腺、肝臟、胃腺和腸腺。人體消化是一個復雜的過程，是人體健康所必需的，在這個過程中攝入的食物被分解成營養物質，這些營養物質可被人體用于生長、細胞維護和燃料。在食物消化過程中，兩個主要過程同時發生：機械轉換，指經過牙齒的磨碎，舌的攪拌、咽的吞咽，胃腸肌肉的運動，以減少食物顆粒的大小；通過酶的轉化，大分子被水解成更小的成分，如糖類分解為葡萄糖，蛋白質分解為氨基酸，脂類分解為甘油及脂肪酸，被吸收到血液中。食物分解主要發生在口腔和胃，酶解吸收營養和水分主要發生在小腸和大腸[1]。

消化系統是研究人員和工業界在營養學、毒理學、藥理學和微生物學等各個領域提出的眾多問題的中心。不幸的是，研究人類消化是復雜的多階段的過程，在技術上是困難的、昂貴的，并且當涉及到潛在的有害物質（如外源性或致病性微生物）時受到倫理約束[1]，同時體內消化實驗周期長[2]，實驗結果易受實驗體個體差異性影響。因此，非常有必要在體外模擬人類消化的生理過程，這些模型是靈活的、準確的、可復制重復的、低成本的。

體外消化模型已被廣泛應用到食品[3]、藥品[4]、飼料[5]等各個領域，國內外對利用體外消化進行相關研究的認可度也越來越高，在食品營養吸收[6]、物質消化特性分析[7,8]、生物可及性[9]、食品攝入安全評價等方面的應用越來越受到重視。

2 體外模擬消化系統的現狀

體外模擬消化系統大致可以分為靜態模型[10]和動態模型[11]以及細胞培養模型[12]。

靜態模型使用食物恒定的酶和電解質的比例，以及每個消化階段的恒定的pH值，由于其簡單性，幾十年來被廣泛用于食品、動物飼料和醫藥用途。靜態體外消化是模擬體內食物消化最簡單的方法，雖然這些簡單的模型有明顯的缺點，但是它們比更復雜的方法有明顯的優勢。靜態體外模型的主要優點是良好的實驗室內和實驗室間重現性、穩健性、簡單性、相對較低的成本和容易評估每個消化階段。后一點使它們非常適合于機械論研究、假設建立和篩選。靜態消化方法已知的局限性有，無法模擬消化過程的復雜動力學或與宿主的生理相互作用。例如，對于胃階段，pH值保持恒定，并且缺少逐漸添加胃液（酸、礦物質和胃蛋白酶）和逐漸排空胃。此外，無論食物類型以及食物是否含有高或低量的底物，例如蛋白質、脂類和碳水化合物，每個消化階段的酶活性都保持恒定。腸道階段被視為一個階段，而不是連續的十二指腸、空腸和回腸階段，表現出不同的稀釋度、礦物質含量、pH值、酶活性和微生物含量。這些缺點使得該方法不適合于消化過程不同階段的詳細動力學分析[10]。

為了模擬在人類上消化道內發生的復雜生理和物理化學事件，在實際的消化時間、pH值和消化酶條件下，將食物消化吸收的每一步都是至關重要的。因此，一些動態的雙組分或多組分模型被開發出來，并在大量的研究中得到應用[1]。動態模型的優點不單單在于能夠模擬消化道中物理消化過程，還可以展現出各個消化階段下發生的其他變化。例如人胃模擬器（HGS）[13]，通過將蠕動運動融入乳膠腔壁，HGS成功地再現了胃壁的蠕動收縮，并產生了與體內相似的機械力模式，從而改進了消化過程的模擬和預測胃消化過程中食物成分的轉化。HGS能夠提供一組合理的、逼真的條件來模擬人類的消化過程。它可以用來研究消化過程中食物成分和胃內容物的某些變化，以及生理條件（包括酸和酶的分泌和收縮力）對食物分解動力學和養分釋放的影響。盡管測力和pH值曲線與文獻數據吻合良好，但進一步與人體或動物實驗中收集的體內數據進行比較，將最終驗證HGS的預測能力。

3 消化模型在食品領域中的應用

3.1 物質消化特性分析

抗性淀粉（Resistant Starch，RS）是一種在小腸中不能被消化分解吸收，但2 h后可到達結腸并被結腸中的微生物菌群發酵，從而發揮對人體有益的生理作用的淀粉[14]。RS作為一種新型膳食纖維，具有低熱量和特殊的消化特性，在面包類，油炸類，面條以及益生菌類食品等眾多食品領域中都得以廣泛利用[15]。通過體外模擬消化系統可較好地研究抗性淀粉的消化特性[16]。

尚曉婭等人[17]以37 ℃的室溫模擬胃液腸液環境，以及食物在人體腸胃中消化停留的實際時間來控制實驗反應時間，即控制在胃中停留3～4 h，在小腸中停留4～5 h，在大腸中停留10～12 h。同時自主配制了人工腸胃液（pH分別為3、4、5）和大腸液（pH=6.8）并以生理鹽水作對照，利用透析法和DNS法來測定比較抗性淀粉和原淀粉的失重率和還原糖的生成率。研究表明，抗性淀粉不能被胃蛋白酶和胰蛋白酶消化分解，即不能在胃和小腸中分解。且抗性淀粉經大腸液反應失重增大，但還原糖濃度仍較低。說明抗性淀粉在大腸中是被腸道菌群分解成其他物質而不是還原糖。

3.2 生物可及性

體外研究構成了一種分析方法，可用于確定生物活性成分生物可及性有效性中各種因素的重要性和范圍，并對食物基質成分對消化過程的影響進行深入分析。衡量生物可及性是食品或配方設計中的一個關鍵因素，這些食品或配方聲稱含有一種或幾種對健康有益的生物活性化合物。可以認為，在脂肪含量較高的配方中添加脂溶性生物活性化合物，如油性提取物，是優化生物可達性的最佳途徑。然而，將一種本質上含脂肪的食物轉化為可被腸道上皮吸收的物質涉及到脂質含量的一系列分散和乳化過程，這可能不會優化生物體可獲得的生物活性化合物的數量。將脂質含量精細地分散在親水性基質中的配方可能會提高這些化合物的生物可及性有效性，從而在配方設計中引入新的變量（乳化劑的定性和定量成分）。因此，體外模型為測定生物活性化合物的生物可及性提供了分析支持，并可用于乳化劑的設計，區分優化生物可及性和最小化生物可及性的成分[18]。

體外和活體研究在獲取生物可及性和生物利用度方面的優缺點有以下幾個方面[19]：

體外消化模型（靜態）的優點：設計簡單操作快捷，低成本，具有通用性和適應性，允許篩選幾個因素和設計具體的樣本檢測，可以并行評估多個樣本，沒有道德的限制，在相同的實驗室和相同的條件下具有高的重現性。缺點：⑴ 由于體外消化模型的多樣性，不同研究組的結果往往缺乏可比性，通常不能完全模擬體內發生的所有復雜的機械、物理化學和生理過程。⑵ 在消化系統中發現的特定酶的有限可用性（例如，用于類胡蘿卜素酯裂解的酶），以致限制在口服、胃和腸的消化和吸收階段，盡管與caco-2細胞結合可進一步評估腸黏膜的吸收，但是只有暫定結論，需要獲得明確的結果則需要通過體內研究進行驗證。

活體研究（臨床試驗）的優點被認為是隨機交叉研究的“黃金標準”，能對生物利用度進行最終評估，可以進行更復雜相互作用（新陳代謝）的潛在評估；但是局限性是要經過道德委員會的批準以避免道德影響，需要侵入性取樣（抽血），相當昂貴，勞動強度大、耗時長。

3.3 食品營養吸收測定

劉云竹，歐克勤等人[20]采用In vitro體外消化模型來測定不同種類的和不同加工方式的谷物類主食中鐵營養元素在消化系統中的利用率，并結合2002年全國居民營養調查的結果，分析了谷物類主食對我國居民鐵營養的影響情況。

3.4 食品攝入安全評價

通過體外模擬消化系統可以測定食品中重金屬元素[21,22]以及真菌毒素[23,24]等有毒有害物質的經口生物利用率，以此來對食品攝入安全進行評價。以水稻為例，由于水稻通常是在淹水條件下種植的，有人擔心有毒金屬可能會被其根部吸收，并在其谷粒中積累。此外，以往的研究表明，與其他谷類作物相比，水稻能夠從土壤和水中吸收更多的有毒金屬，如鉛、砷和鎘等[25]。因此對大米中有毒有害物質的生物可及性測定顯得尤為重要。

李筱薇，云洪霄等人[22]通過建立體外消化模型對大米中無機砷的生物可給性進行測定。運用3%三氟乙酸溶液提取消化糜中的無機砷，用C—AFS法測定。研究表明，無機砷含量陰性大米添加無機砷標準溶液經過消化后隨著無機砷含量的增高無機砷的生物可給性在下降，不同大米樣品經過消化后無機砷含量相近（實驗結果有待進一步證實，缺少樣品）。

3.5 其他方面

隨著科技水平的不斷發展，基因工程技術在育種方面的應用越來越廣泛，但是，對于轉基因食品的安全問題，一直備受爭議，導致轉基因作物的推廣在中國一直面臨著重大挑戰[26]，那么體外模擬轉基因食物消化就顯得比較有說服力。

袁建琴等人[27]通過對SD大鼠飼料成分的控制，其中一組的飼料除基礎飼料外還加入了20%比例的轉基因抗草甘膦除草劑大豆GTS40-3-2，另外一組的飼料中則加入了其親本非轉基因大豆A5403豆粕，喂養兩代SD大鼠，利用PCR和ELISA方法分別檢測轉基因大豆豆粕外源基因和蛋白在SD大鼠體內消化吸收（殘留）情況。研究表明，除SD大鼠的盲腸內容物和糞便外的其他臟器部位，并未檢測出外源基因殘留，并且相關基因在大鼠體內并未發生轉移，因此轉基因抗草甘膦除草劑大豆GTS40-3-2與非轉基因大豆A5403具有同樣的食品安全保證。

4 展望

隨著科技進步研究深入，對食品安全和營養的關注早已不再是食物中組成成分的簡單測定與評價，而是對各組分協同作用與拮抗作用的研究。較為完善的人體消化模擬體系可為食品營養與食品安全提供更有價值的評價和篩選手段，具體可應用于食品營養吸收、物質消化特性分析、生物可及性、食品攝入安全評估的研究中。雖然消化模型的設計逐漸接近于人體真實的消化情況，但因消化系統還涉及較為復雜的神經系統調節機制，而且不同個體、不同食物等都會導致不同的消化行為的出現，因此保證消化模型的正確性和通用性是一項艱難的任務與挑戰。為了更好地保障人民的飲食健康與衛生以及滿足科研的需求，我們必須通過不斷地實驗收集數據總結經驗，來不斷完善與我國人民飲食習慣相符合的體外模擬消化系統。