体外模拟胃肠消化法在食物消化行为中的研究进展

体外模拟胃肠消化法在食物消化行为中的研究进展
作者：那吉杨婷赵檑
来源：《食品界》2021年第11期
摘要：人体胃肠道在食物消化以及营养物质吸收过程中具有极其重要的地位与作用。

但由于在研究人体胃肠功能过程中存在一定的伦理性问题，若使用体外人工模拟胃肠消化系统则能够有效解决此类问题，这将有助于促进胃肠道功能及食物消化行为方面的研究。

基于此，本文以体外胃肠模拟消化概述为切入点，研究并分析体外模拟胃肠消化法在食物消化行为方面的研究现状，展望未来体外模拟胃肠系统的研究与应用进程，以期能为体外模拟消化的研究工作者提供一定的参考。

关键词：体外模拟胃肠系统;人工模拟;食物消化行为
引言
食物进入人体经咀嚼后，会在胃部中停留约8min-3h，之后才会被运输到小肠或十二指肠，其在胃、肠道的消化情况受pH值、消化酶、无机盐等多种生理因素的影响。

BOUAYED J等人发现胃消化作用能对植物中的多酚和黄酮等抗氧化活性成分的释放和吸收产生较大影响。

不可否认的是，直接使用人体进行消化实验所得数据更为精确，但由于在研究人体胃肠功能过程中存在一定的伦理性问题，研究结果还可能存在个体差异，故难以在实验过程中得到普及。

而人体外模拟消化模型因具有方便易于控制、成本低、可以一次检测多个样品等优点而受到广大科学研究工作者的青睐。

体外模拟胃肠系统（ivHGSS）是基于人类胃肠中各种生理机制在实现对食物消化作用的模拟科学研究体系，是根据人体胃肠消化液的成分及消化环境建立起来的体外消化环境，其能在一定程度上真实模仿人体内环境，主要可适用于替代生物活体的动物实验和科学研究。

该方法于1999年由Garrett等人最早提出，并成功将其应用于测定婴儿食品中β-胡萝卜素的生物利用度。

现阶段，体外胃肠模拟系统主要可分成三类：单相静态、半连续稳态与连续动态，被广泛应用在食物胃肠代谢动力学、食物营养物质生物利用评估及其重金属残留评估及等方面。

本文首先分析了体外模拟胃肠模型的分类，在此基础上针对体外模拟胃肠系统在食物消化行为中的研究进展做出了综述，以期进一步扩大体外模拟胃肠消化系统的应用范围，为体外模拟胃肠系统在食物消化行为方面的研究提供更多的思路与参考。

1. 体外模拟胃肠模型分类
1.1 胃消化模型
在胃液模拟消化模型中，可将胃蛋白酶和适量的NaCl溶于水后，使用一定浓度的HCl溶液调节至体系pH1.2左右，组成人工模拟胃液。

将处理好的样品溶液置于恒温水浴中加热至37℃左右，以HCl溶液调整混合溶液的pH为2.0后，加入适量模拟胃消化液，避光并充入氮气，于37℃恒温水浴摇床中消化振摇一定时间。

值得注意的是，模拟胃液组样品溶液仍具有胃蛋白酶活性，须经高温水浴灭酶处理。

待反应结束后，样品溶液经离心后，取上清液后可得模拟胃消化液。

1.2 肠消化模型
人工模拟肠液中通常将胰蛋白酶、胆汁溶于NaHCO3溶液中形成。

由于食物首先要通过胃部环境消化后，再进入到肠道环境中进行消化吸收，故在体外模拟肠消化时，会将胃消化的2.0h作为肠消化的开始时间。

即向经过胃消化约2h后的样品（未灭酶）中加入NaHCO3调至体系pH为7.0左右，加入适量人工模拟肠液及NaCl溶液和KCl溶液，置于37℃水浴中振蕩模拟肠道消化，最终得到模拟肠消化液。

2. 体外模拟胃肠系统在食物消化行为中的研究进展
2.1 单相静态胃肠模拟系统
单相静态胃肠模拟系统（ssGS）指的是对人类胃肠道环境的生理条件进行模拟，与此同时，将食物置于人工模拟的胃肠环境中，进而对食物在胃肠消化系统中的消化行为进行模拟研究的模拟体系。

一般情况下，通过加入含胃蛋白酶和胰蛋白酶并调节pH值等操作来模拟人工胃肠消化液，在此基础上，建立一个模拟的胃肠道生理条件，进而对胃肠环境中的食物消化活动进行模拟。

KAFAOGLU B等人利用单相静态模拟系统研究了坚果和种子中多种金属元素的生物利用度，发现经过胃肠环境进行模拟消化后，其中的金属微量元素更容易被吸收。

陈梦霏等人探究了模拟胃肠消化对蛹虫草蛋白质理化性质及抗氧化活性的影响，采用 SDS-PAGE和酸水解法分析模拟胃肠消化前后蛋白质分子量分布及氨基酸的组成。

结果发现，经模拟胃肠消化后蛋白质分子量的主要分布范围发生了变化。

陆俊等人通过体外模拟胃肠消化法考察黑米、黑苦荞、黑麦等6种黑色食品在胃、肠道消化过程中抗氧化成分及其活性变化规律。

结果发现，通过模拟胃消化2h后，黑小米和黑豆中多酚和黄酮释放增长比例分别增长28%和41%，进一步通过模拟肠消化2h后，黑麦和黑绿豆中多酚和黄酮释放增长比例分别增长113%和52%。

单相静态胃肠道模拟系统仅通过调节系统的pH值、酶解条件模拟人类胃肠及消化道内环境来研究食物的消化吸收情况，该方法简单易行，但并未考虑消化过程中人体胃肠道蠕动运动等因素对食品消化吸收的影响。

2.2 半连续稳态胃肠模拟系统
半连续稳态胃肠道模拟系统（shGS）是指在模拟胃肠道环境的过程中加入适量淀粉酶、水溶性无机盐、胆汁、胰酶等逐级模拟口腔和胃肠道生理条件，形成基于人体生理条件下的稳态胃肠模拟系统。

封易成等人通过分别模拟山楂口腔消化液、胃消化液、肠消化液、肠透析液，测定消化液中黄酮、多酚、多糖和有机酸含量变化及消化液的抗氧化能力。

结果表明，几种样品经口腔和胃消化后，多糖和有机酸比消化前含量显著增加，模拟消化液清除自由基能力的变化趋势相似。

姚思雯等人通过连续模拟唾液消化、胃液消化及肠液消化过程，测定菠萝蜜多糖体外消化产物对OH·、02-·及DPPH·的清除能力。

研究显示，在模拟唾液消化15min时消化产物均具有最大的自由基清除活性;在模拟胃液消化4h时有最大的0H·清除活性。

霍艳姣等人以鳕鱼鱼肉蛋白肽为研究对象，构建体外胃肠消化模型和Caco-2细胞吸收模型，模拟连续的胃肠消化吸收过程中抗氧化活性变化和生物利用度，为鳕鱼蛋白肽的开发利用提供了理论依据。

由于半连续稳态模拟系统在一定程度上考虑了胃肠道微生物生态環境对模拟结果的影响，使得其模拟仿真性明显改善，但模拟系统中仍未考虑到胃肠蠕动的影响。

2.3 连续动态胃肠模拟系统
连续动态模拟系统（cdGSS）是向胃肠模拟过程中连续地、流动地接种入正常健康人的粪便菌群，通过对胃肠道生物环境模拟的同时，综合考虑微生物生态环境对人类食物消化吸收活动所产生的影响，是最贴近于人类胃肠道微生态环境的人工模拟系统，具备更高的仿真性。

目前常用的有胃肠道三相连续模拟系统和五相连续模拟系统。

Marisa Intawongse等利用三相连续胃肠模拟系统对时间、空间、理化以及营养等特点，对人体结肠中的微生物菌群在结肠末端与近端进行模拟，同时针对于不同滞留时间的条件下，结肠微生物菌群对不同氮源物质和碳源在结肠环境中为消化行为所带来的影响进行了研究。

研究后发现，多数短链脂肪酸与碳水化合物在人体结肠的近端处都可以被生物所降解，并在结肠末端被分解并消化。

3. 展望
目前有关于体外肠胃系统模拟的基础研究和应用研究可陆续见报道，但缺乏国际公认的定量评价模型。

因此，如何构建仿真性高、操作简便、稳定可靠的体外模拟胃肠环境系统将是一个长期的研究方向。

针对不同的体外消化道模拟系统，可从以下几个方面进行完善和创新：
（1）使用单相静态模拟系统开展食物消化吸收研究时，建议研发并使用与模拟系统功能相符合的胃动力消化装置，实现模拟胃壁的蠕动与收缩作用。

此外，通过调节胃肠动力辅助消化装置实现模拟食物在胃部的水力效应，达到模拟真实的胃肠消化吸收行为的目的。

（2）使用半连续稳态模拟系统开展食物消化吸收研究的过程中，可向模拟体系中接种健康人群胃肠微生物种群，充分考虑肠道内微生物生态环境对消化行为的影响。

体外胃肠模拟系统已由静止、短暂的模拟发展到目前的动态多相持续模拟，其模拟的真实感和安全性日益增强。

笔者认为，体外胃肠模拟系统的基础研究与应用将在食物代谢动力学、食物残留安全评估及营养生物利用评估等方面起到更显著、更积极的影响。

结束语
与目前大多数研究关注的有机溶剂提取活性成分含量的研究方法相比，由于体外模拟胃肠消化法主要通过模拟食物在消化道中消化过程的各种反应后，评价食物中营养物或污染物的生物可给性，从而为进一步分析物质的生物有效性提供理论依据。

尽管如此，采用人工模拟系统对食物消化行为进行模拟的研究结果毕竟与人体胃、肠的真实环境仍有一定的差距。

为此，在未来的研究中，仍需充分考虑如何构建高仿真、低成本、易于操作、体系稳定的模拟体系，以此逐渐缩小模拟环境与真实胃肠环境之间的差异。