20190419   周五

人工胃消化系统的构建与验证

作者：刘玮琳，傅丹宇，章鑫杰，柴婕妤，田师一，韩剑众

作者单位：浙江工商大学食品与生物工程学院

发表杂志：Food Research International

影响因子：3.520  2区

摘要

背景：胃是人体主要的消化器官，在食物的贮藏、混合，以及减少食糜颗粒和碾碎食物的过程中发挥重要作用。

方法：本研究建立一套全新的人工胃消化系统（AGDS），通过3D数字技术模拟人胃真实形状和结构。该系统采用两组对称的滚轮和一组相反方向的滚轮来模拟人胃的蠕动，并通过pH稳定工作站来控制pH的变化。研究AGDS的扩张力、胃蛋白活性、胃液分泌、胃排空、胃部pH变化。此外，利用α-乳白蛋白（α-LA）研究AGDS模型、静态模型、半动态模型（改变pH和酶含量）条件下的消化行为。

结果：AGDS中蛋白质、肽的水解和形态，以及氨基酸的积累与静态消化模型和半动态消化模型之间均有显著差异，说明pH变化和胃部蠕动对蛋白质水解有着特殊的作用，尤其是消化早期阶段胃蛋白酶活性的变化。

结论：通过机械分析和体外消化实验证实，AGDS能够给α-LA溶液提供真实的可依赖的胃部消化环境，可用作食品产品开发的动态胃消化研究模型。

1. AGDS模块介绍

AGDS各模块介绍。（a）AGDS数字模型；（b）AGDS真实模型：（1）螺杆马达，（2）硅胶胃，（3）分泌管，（4）马达，（5）滚轮带，（6）滚轮，（7）转动轴；（c）AGDS胃壁扩张力的检测位点；（d）胃pH变化值的8个检测位点；（e）AGDS完整消化过程中pH变化的可视图

2. α-LA的消化行为

上表显示，食糜自身对AGDS的扩张力为2.67±0.02 N，约等于27 mmHg，与食糜在真实人胃的扩张力相近（大约25 mmHg）。

α-LA在AGDS消化过程

本文研究α-LA在AGDS中的消化行为。由于食物自身具有pH缓冲能力，且AGDS系统模拟真实人胃的结构与形状，其内壁表面不规则，导致胃内部酶和胃液的分布不均匀，因此进食后胃的pH变化会出现停滞期。本研究所用的AGDS体系的pH变化（上图a-红线）与真实人胃在进食后pH变化（上图a-蓝线）相近。由于静态消化模拟体系中pH在消化初始阶段（pH=3）低于α-LA的等电点（pH=4.20-4.50），因此只有少部分蛋白出现聚集。在半动态模型和AGDS中，消化初始阶段的pH值（pH=6.7）高于α-LA的等电点，能够让蛋白质更好分散在人造胃液中。消化12分钟后，pH逐渐降至α-LA的等电点，蛋白形成凝团沉淀。AGDS模拟人胃的结构和内部环境变化（pH和酶），内部各个位点pH变化不统一，且扩张力比半动态消化模型和静态消化模型小，这也导致蛋白质出现大范围的聚集。因此，AGDS中蛋白质在后消化阶段的水解较慢。AGDS的这种消化延时现象与真实人胃相近。上述数据说明AGDS能够成功模拟人胃消化行为的机制。

静态模型在消化早期阶段的消化效率最高，这可能是因为静态模型中该阶段的pH值是胃蛋白酶活性的最优条件，而该时段半动态模型和AGDS的pH处于停滞期。半动态模型在烧杯内完成，使用磁力搅拌的形式实现体系的搅动，给体系中的混合物施加较强的机械力。AGDS的蠕动形式比较独特，对整体的胃部消化过程的影响也比较特殊，导致内部不同部位的pH值也不同。因此，AGDS的pH停滞期的维持时间也比半动态模型长，并影响后期消化过程中胃蛋白酶的活性。

结论与展望

AGDS，模拟真实人胃的3D结构，胃蠕动，以及动态环境的变化，证实α-LA在AGDS中的消化行为和在真实人胃中的消化数据相似。然而，我们吃的食物一半以上都是固体形式，其消化行为和液态的蛋白质溶液截然不同。另外，AGDS还有一个很大的缺陷：不能根据不同特质的食物分泌不同浓度的酶和胃液。因此，接下去的研究将分析固体食物和真实食物在AGDS中的粉碎和消化，使AGDS更加智能化。